本發(fā)明公開(kāi)了一種制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法，具體為基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法。

背景技術(shù)：

3D打印、激光熔覆等增材制造技術(shù)為當(dāng)前研究的熱門(mén)領(lǐng)域。比之傳統(tǒng)的減材料制造技術(shù)，制約增材制造過(guò)程涉及大量的固體金屬材料，用于零件的打印成型或者金屬基體的熔覆修整。然而，如何高效、經(jīng)濟(jì)的加工制備3D打印和激光熔覆等增材制造技術(shù)所需要的金屬微細(xì)顆粒是現(xiàn)今一個(gè)較大的難題。

現(xiàn)今，制備金屬粉末的方法中已經(jīng)有涉及利用電火花等離子體放電產(chǎn)生的高溫融化金屬或?qū)щ姴牧蟻?lái)制備金屬粉末。比如文獻(xiàn)披露利用火花等離子體進(jìn)行高溫合金粉末制備的方法(于軍等，火花等離子體放電制備高溫合金細(xì)粉新技術(shù)[J].金屬學(xué)報(bào).44(7),2008:892-896)和文獻(xiàn)公開(kāi)利用火花等離子體放電制備粉末技術(shù)(郭雙全,等.火花等離子體放電制備粉末技術(shù)[J]，材料導(dǎo)報(bào).24(10),2010:112-116)，然而由于電火花放電能量較低，使得粉末制備效率低下，因此嚴(yán)重制約著火花等離子體放電制備粉末技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

相比于火花放電產(chǎn)生的等離子體，電弧放電產(chǎn)生的熱等離子具有能量密度更大和溫度更高等特點(diǎn)，利用電弧放電生產(chǎn)的瞬時(shí)高溫(10000K以上)可在瞬間融化金屬材料。因此，利用電弧放電等離子體高效、經(jīng)濟(jì)地制備金屬微細(xì)顆粒將是一種有效的途徑。與此同時(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)在制備微細(xì)顆粒和金屬粉末中，大量采用電弧放電技術(shù)。比如專利文獻(xiàn)CN201010164462.9所公開(kāi)了利用電弧放電產(chǎn)生的高溫加熱金屬，使之成為金屬蒸汽，并各種通過(guò)冷卻方法使得金屬顆粒降溫后形成微細(xì)顆粒；又如專利CN104690282A公開(kāi)了一種放電爆炸法納米金屬粉末加工工藝，該方法通過(guò)金屬絲固定在一個(gè)充滿惰性氣體的反應(yīng)室中，通過(guò)電容器施加15KV的高壓和500-800KA的電流，在瞬時(shí)放電作用下的高能脈沖使金屬絲蒸發(fā)、爆炸而形成納米粉體。然而，上述文獻(xiàn)公布的方法存在一些不足，如單次制備粉末數(shù)量有限、生產(chǎn)制備效率較低和制備單位體積的粉末能耗高等缺點(diǎn)，因此很難滿足3D打印和激光熔覆等增材制造技術(shù)所需要的金屬微細(xì)顆粒大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、高效的制備。

同樣，專利文件CN201510159503.8公開(kāi)的3D打印用微細(xì)球形鈦粉的制備方法，該方法采用塊狀金屬鈦工件，在氫氣和惰性氣體保護(hù)下，金屬材料作為電極通過(guò)電流，產(chǎn)生電弧放電后融化、蒸發(fā)電極材料，再通過(guò)冷卻各種方法使得氣態(tài)或液體金屬材料形成粒徑20-50nm的氫化鈦顆粒，然后在后期處理得到微米級(jí)球形鈦粉；由于該方法并未涉及到控制放電電弧狀態(tài)的斷弧機(jī)制，極易導(dǎo)致顆粒的燒蝕損傷，并且會(huì)造成制備過(guò)程中出現(xiàn)短路現(xiàn)象，從而使 制備過(guò)程很難持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。又如專利文獻(xiàn)CN02141780.6公開(kāi)的液相電弧制備超細(xì)顆粒和一維納米材料的方法，該方法所披露的制備手段是利用反應(yīng)器和嵌合于反應(yīng)器上的電極，并將反應(yīng)器中加入反應(yīng)液體，使得電極前段浸沒(méi)在液體中并調(diào)整電極件的距離為1-10mm，電源通電后基于電弧放電產(chǎn)生微細(xì)顆粒。該方法所用的反應(yīng)液體為液氮、液氦或高純水，電弧放電持續(xù)的時(shí)間為30分鐘。然而，該專利文獻(xiàn)所述方法為利用浸沒(méi)在反應(yīng)液中電極放電實(shí)現(xiàn)顆粒制備，其缺點(diǎn)有：1)液氮、液氦等氣體溫度低，電極放置操作困難，而高存水在電弧放電產(chǎn)生離子放電作用下，電導(dǎo)率上升明顯，需增加離子交換系統(tǒng)。2)利用電極浸沒(méi)的方式，缺乏有效的短路預(yù)防措施，并且由于電極損耗導(dǎo)致連續(xù)制備困難。

綜上所述，總結(jié)現(xiàn)今已經(jīng)公開(kāi)利用電弧放電制備金屬微細(xì)顆粒的加工方法，大致存在的如下不足：一、制備效率較低，由于單次制備粉末數(shù)量有限、生產(chǎn)效率較低，從而影響制備效率，如專利文件CN201010164462.9和專利文獻(xiàn)CN104690282A所公開(kāi)的加工方法；二、斷弧機(jī)制，由于電弧等等離子體的高能量密度，持續(xù)的放電極易導(dǎo)致短路和顆粒的燒蝕損傷，若無(wú)充分合理的斷弧機(jī)制保證，則會(huì)影響顆粒制備質(zhì)量；三、電極間顆粒排出，采用普通的塊狀電極浸沒(méi)放電或其它無(wú)輔助排屑運(yùn)動(dòng)的制備方法，一方面材料損耗不均勻?qū)е码y以連續(xù)性制備，另一方面容易由于顆粒排除不暢引起短路，如專利文獻(xiàn)CN201510159503.8和專利文獻(xiàn)CN02141780.6所公開(kāi)的方法。而且，通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電弧放電制備金屬微細(xì)顆粒的過(guò)程中，持續(xù)電弧放電會(huì)引起制備過(guò)程短路和金屬微細(xì)顆粒燒蝕等不利現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響金屬微細(xì)顆粒的質(zhì)量和制備過(guò)程的穩(wěn)定性。因此，迫切需要一種有力的斷弧機(jī)制來(lái)控制放電電弧，使電弧放電制備金屬微細(xì)顆粒能既穩(wěn)定又高效的進(jìn)行。為此，本發(fā)明提出一種復(fù)合斷弧機(jī)制，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電弧的控制，從而實(shí)現(xiàn)金屬微細(xì)顆粒的穩(wěn)定、高效的制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述加工方法中存在的不足，本發(fā)明公開(kāi)一種基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下：

一種基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法，包括如下步驟：

首先，選擇目標(biāo)金屬微細(xì)顆粒的金屬母材兩塊，將其中一塊金屬母材與機(jī)床的主軸固定連接，另一塊金屬母材固定在機(jī)床工作臺(tái)上，將兩塊金屬母材分別連接到放電電源的正、負(fù)極上，再由機(jī)床的伺服控制來(lái)保證兩塊金屬母材之間始終形成電弧放電所需的放電間隙；

然后，在放電間隙之間采用流體介質(zhì)實(shí)施高速流體沖刷，使放電電源、機(jī)床主軸上的金屬母材、放電間隙之間被擊穿的流體介質(zhì)及機(jī)床工作臺(tái)上的金屬母材組成電流回路，通過(guò)放電電源施加直流電流或脈沖電流，利用復(fù)合斷弧機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電弧的控制，在兩塊金屬母 材之間的放電間隙中形成可控的電弧放電蝕除金屬母材形成金屬微細(xì)顆粒，實(shí)現(xiàn)金屬微細(xì)顆粒的制造。

進(jìn)一步地，所述的復(fù)合斷弧機(jī)制是指：放電區(qū)域間流體介質(zhì)的高速流動(dòng)將有效的實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力擾弧或斷弧，兩塊金屬母材之間的相互運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧和放電電源周期性的強(qiáng)制電氣斷弧，通過(guò)三者復(fù)合的斷弧機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電弧的控制。

進(jìn)一步地，所述的金屬母材是指：與目標(biāo)金屬微細(xì)顆粒含量和成分完全一致的目標(biāo)金屬板材或者金屬棒料。

進(jìn)一步地，所述的放電電源是指：電壓值為30V-120V，峰值電流為50A-10000A的直流電源。

進(jìn)一步地，所述的放電電源或者是指：提供脈沖寬度與脈沖間隔范圍分別為2μs-20000μs，峰值電壓范圍為30V-120V，峰值電流為50A-10000A的脈沖電源，實(shí)現(xiàn)電氣強(qiáng)制斷弧。

進(jìn)一步地，所述的機(jī)床是指：至少具有單個(gè)主軸自動(dòng)伺服進(jìn)給及回退功能的機(jī)床。

進(jìn)一步地，所述的放電間隙是指：由機(jī)床主軸自動(dòng)伺服進(jìn)給控制的兩塊金屬母材之間的間隙，間隙值為10μm-100μm。

進(jìn)一步地，所述的流體介質(zhì)是指：切削乳化液、防銹乳化液、純凈水或電導(dǎo)率為125～1250μS/cm的自來(lái)水等水基工作液。

進(jìn)一步地，所述的流體介質(zhì)可為N₂、CO₂、氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等氣體流體介質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述流體介質(zhì)是由高速流體介質(zhì)噴嘴釋放噴出，流體介質(zhì)噴嘴與流體介質(zhì)儲(chǔ)存箱固定連接，流體介質(zhì)儲(chǔ)存箱具有產(chǎn)生和存儲(chǔ)流體介質(zhì)的功能，并與機(jī)床固定連接。

進(jìn)一步地，所述的流體介質(zhì)動(dòng)力斷弧是指：流體介質(zhì)以0.5MPa及以上的壓力、5m/s及以上的速度，流經(jīng)兩塊金屬母材之間的放電間隙，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力擾弧或是斷弧。

進(jìn)一步地，所述的機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧是指：兩塊金屬母材之間以0.1m/s及以上速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)偏弧或是斷弧。

進(jìn)一步地，所述的電氣斷弧是指：采用脈沖寬度與脈沖間隔范圍分別為2μs-20000μs的脈沖電源作為放電電源，實(shí)現(xiàn)電氣強(qiáng)制斷弧。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

1)斷弧機(jī)制，通過(guò)采用復(fù)合斷弧機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電電弧的控制，防止金屬微細(xì)顆粒被燒蝕和加工短路等不利現(xiàn)象，使制備過(guò)程能穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行；

2)顆粒制備效率，通過(guò)高速流體介質(zhì)沖刷放電間隙區(qū)域，及時(shí)有效排出間隙中的金屬顆粒，防止短路，提高制備效率；

3)利用利用高速流體介質(zhì)沖刷放電區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域冷卻和輔助排屑效果；4)采用非浸沒(méi)式放電，保護(hù)介質(zhì)放電特性。

附圖說(shuō)明

圖1為基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法示意圖；

圖中：1：機(jī)床主軸，2：放電電源，3：機(jī)床，4：收集裝置，5：固定在主軸上的金屬母材，6：固定在工作臺(tái)上的金屬母材，7：流體介質(zhì)，8：高速流體介質(zhì)噴嘴，9.流體介質(zhì)儲(chǔ)存箱。

圖2為基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法的復(fù)合斷弧機(jī)制的原理圖；

圖3為基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法的波形圖；

圖4為金屬微細(xì)顆粒的顯微圖；

圖5為金屬微細(xì)顆粒的形貌圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

一種基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法，首先需要目標(biāo)金屬微細(xì)顆粒的金屬母材兩塊，將其中一塊金屬母材5與機(jī)床主軸1固定連接，另一塊金屬母材6固定在機(jī)床工作臺(tái)上，將兩塊金屬母材分別連接到放電電源2的正、負(fù)極上，再由機(jī)床3的伺服控制來(lái)保證兩塊金屬母材之間始終形成電弧放電所需的放電間隙，然后由流體介質(zhì)儲(chǔ)存箱9產(chǎn)生儲(chǔ)存流體介質(zhì)，由高速流體介質(zhì)噴嘴8完成在放電間隙之間采用流體介質(zhì)實(shí)施高速?zèng)_刷，并由放電電源2、機(jī)床主軸上的金屬母材5、放電間隙之間被擊穿的流體介質(zhì)7及機(jī)床工作臺(tái)上的金屬母材6組成電流回路。通過(guò)放電電源2施加直流電流或脈沖電流，利用復(fù)合斷弧機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電弧的控制，在兩塊金屬母材之間的放電間隙中形成可控的電弧放電蝕除金屬母材形成金屬微細(xì)顆粒，最后由收集裝置4收集金屬微細(xì)顆粒，從而實(shí)現(xiàn)金屬微細(xì)顆粒的制造。

所述的復(fù)合斷弧機(jī)制是指：放電區(qū)域間流體介質(zhì)的高速流動(dòng)將有效的實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力擾弧或斷弧，兩塊金屬母材之間的相互運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧和放電電源周期性的強(qiáng)制電氣斷弧，通過(guò)三者復(fù)合的斷弧機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電弧的控制。

所述的金屬母材5和6是指：與目標(biāo)金屬微細(xì)顆粒含量和成分完全一致的目標(biāo)金屬板材或者金屬棒料。

所述的放電電源2是指：電壓值為30V-120V，峰值電流為50A-10000A的直流電源。

所述的放電電源2或者是指：提供脈沖寬度與脈沖間隔范圍分別為2μs-20000μs，峰值電 壓范圍為30V-120V，峰值電流為50A-10000A的脈沖電源，實(shí)現(xiàn)電氣強(qiáng)制斷弧。

所述的機(jī)床3是指：至少具有單個(gè)主軸自動(dòng)伺服進(jìn)給及回退功能的機(jī)床。

所述的放電間隙是指：由機(jī)床主軸自動(dòng)伺服進(jìn)給控制的兩塊金屬母材之間的間隙，間隙值為10μm-100μm。

所述的流體介質(zhì)7是指：切削乳化液、防銹乳化液、純凈水或電導(dǎo)率為125～1250μS/cm的自來(lái)水等水基工作液；也可為N₂、CO₂、氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等氣體流體介質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述的流體介質(zhì)動(dòng)力斷弧是指：流體介質(zhì)以0.5MPa及以上的壓力、5m/s及以上的速度，流經(jīng)兩塊金屬母材之間的放電間隙，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力擾弧或是斷弧。

所述的機(jī)械運(yùn)動(dòng)斷弧是指：兩塊金屬母材之間以0.1m/s及以上速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)偏弧或是斷弧。

所述的電氣斷弧是指：采用脈沖寬度與脈沖間隔范圍分別為2μs-20000μs的脈沖電源作為放電電源，實(shí)現(xiàn)電氣強(qiáng)制斷弧。

實(shí)施例1

基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法，根據(jù)說(shuō)明附圖1描述：選擇具有3軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，選擇鈦合金棒料作為金屬母材，分別固定在機(jī)床主軸和機(jī)床工作臺(tái)上，并且兩塊金屬母材都以300r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。將兩塊金屬母材分別連接到放電電源正、負(fù)兩極，設(shè)定電源參數(shù)為：峰值電壓90V，峰值電流500A，脈沖寬度8000μs以及脈沖間隔1000μs。選擇流體介質(zhì)為水基乳化液，流體介質(zhì)沖刷出口壓力為1.6MPa。在上述工藝條件下，進(jìn)行電弧放電制備金屬微細(xì)顆粒。此方法制備的金屬微細(xì)顆粒的效率可達(dá)45g/min，粒徑范圍在1-200μm之間，平均粒徑為45μm左右(如說(shuō)明附圖4所示)。

實(shí)施例2

基于復(fù)合斷弧機(jī)制的電弧放電制造金屬微細(xì)顆粒的加工方法，根據(jù)說(shuō)明附圖1描述：選擇具有3軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，選擇45#鋼棒料作為金屬母材，分別固定在機(jī)床主軸和機(jī)床工作臺(tái)上，并且兩塊金屬母材都以300r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。將兩塊金屬母材分別連接到放電電源正、負(fù)兩極，設(shè)定電源參數(shù)為：峰值電壓90V，峰值電流600A，脈沖寬度8000μs以及脈沖間隔1000μs。選擇流體介質(zhì)為水基乳化液，流體介質(zhì)沖刷出口壓力為1.6MPa。在上述工藝條件下，進(jìn)行電弧放電制備金屬微細(xì)顆粒。此方法制備的金屬微細(xì)顆粒的效率可達(dá)78g/min，粒徑范圍在1-200μm之間。