本發(fā)明涉及3D打印增材制造領(lǐng)域以及粉末冶金領(lǐng)域，具體涉及一種高活性金屬粉末制備裝置及方法。

背景技術(shù)：

金屬粉末作為一類重要的工業(yè)原料，在冶金、能源、電子、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大。隨著加工技術(shù)的發(fā)展及革新，對(duì)金屬粉末的粒度、純凈度、形貌等方面的性能要求逐漸提高，尤其是3D打印技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了金屬粉末制備技術(shù)向窄粒度、高純度、低成本的方向發(fā)展。金屬粉末應(yīng)用于3D打印技術(shù)，窄粒度可以保證熔融的顆粒保持基本相同的狀態(tài)，否則，太大的顆粒在打印時(shí)已處于固態(tài)，太小的顆粒則早已蒸發(fā)。高純度不僅影響金屬成形部件的質(zhì)量，還有助于保證成形過程的可靠性和穩(wěn)定性。低成本有利于應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；a(chǎn)。

為適應(yīng)這種新形勢的需要，人們一方面致力于傳統(tǒng)金屬霧化技術(shù)的完善和發(fā)展，一方面不斷地開發(fā)新型制粉技術(shù)。當(dāng)前，在眾多金屬粉末制備工藝中，高壓氣體霧化法是制備金屬3D打印粉末的主要方法，本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下技術(shù)問題：

1、通常為帶有坩堝的氣霧化技術(shù)，難以制備高活性金屬粉末，且粉末中易混入雜質(zhì)。

2、制備過程中需要消耗大量的氣體，故生產(chǎn)成本較高。

3、金屬粉末粒徑范圍大、粒度分布不均勻。

4、金屬粉末顆粒表面存在衛(wèi)星球及一定數(shù)量的空心粉末。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的其中一個(gè)目的是提出一種高活性金屬粉末制備裝置及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。本發(fā)明提供的諸多技術(shù)方案中的優(yōu)選技術(shù)方案所能產(chǎn)生的諸多技術(shù)效果(生產(chǎn)成本較高、金屬粉末粒度分布不均勻等)詳見下文闡述。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種高活性金屬粉末制備裝置，包括爐腔、爐蓋以及制粉系統(tǒng)，所述制粉系統(tǒng)包括金屬放置部，所述金屬放置部用于放置金屬棒料，所述金屬放置部外側(cè)壁設(shè)置有加熱裝置，所述金屬放置部上端設(shè)置有陰極發(fā)生器，所述陰極發(fā)生器上設(shè)置有用于固定所述金屬棒料的固定部，所述金屬棒料位于所述爐腔的腔體內(nèi)部，所述金屬放置部下方設(shè)置有陽極發(fā)生器。

優(yōu)選地，所述制粉系統(tǒng)還包括與所述陰極發(fā)生器相連接的活塞桿、設(shè)置于所述爐腔上端的裝料倉、設(shè)置于所述裝料倉上端的氣缸，所述活塞桿一端置于所述裝料倉內(nèi)，另一端置于所述氣缸內(nèi)。

優(yōu)選地，所述金屬棒料底部為倒錐體，所述加熱裝置設(shè)置于所述金屬棒料倒錐體的外側(cè)壁。

優(yōu)選地，所述加熱裝置為感應(yīng)線圈。

優(yōu)選地，所述金屬棒料底部與所述陽極發(fā)生器之間的距離為0～5mm。

優(yōu)選地，所述陽極發(fā)生器為環(huán)形，所述陽極發(fā)生器圓心位置與所述金屬棒料倒錐體錐尖位置對(duì)應(yīng)設(shè)置。

優(yōu)選地，所述爐腔包括上爐腔和下爐腔，所述下爐腔為倒錐體。

優(yōu)選地，所述爐腔底部設(shè)置有集粉罐，所述集粉罐與所述爐腔之間設(shè)置有球閥。

優(yōu)選地，所述爐蓋與所述裝料倉之間通過密封蓋板密封，實(shí)現(xiàn)裝料倉內(nèi)完成換料的連續(xù)生產(chǎn)。

優(yōu)選地，還包括對(duì)爐腔進(jìn)行抽真空處理的抽真空裝置，所述抽真空裝置與所述爐腔連接。

優(yōu)選地，所述抽真空裝置包括機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵。

優(yōu)選地，還包括用于檢測所述爐腔內(nèi)真空度的真空檢測計(jì)，所述真空檢測計(jì)與所述爐腔連接。

本發(fā)明還提供了一種金屬粉末制備方法，所述方法應(yīng)用于上述金屬粉末制備裝置，包括：

S10、將金屬棒料放置于裝料倉內(nèi)；

S20、通過活塞桿將金屬棒料推入爐體內(nèi)；

S30、通過加熱裝置將金屬棒料熔化為金屬熔液；

S40、通過陰極發(fā)生器對(duì)金屬輸入可調(diào)負(fù)壓，使金屬熔液帶電；

S50、通過高強(qiáng)靜電場將金屬熔滴破碎、分散并加速。

優(yōu)選地，在步驟S20前還包括對(duì)爐腔抽真空至6.63×10^-3Pa。

本發(fā)明在金屬放置部中放置金屬棒料，陰極發(fā)生器上設(shè)置有用于固定所述金屬棒料的固定部，通過在金屬棒料外側(cè)壁的加熱裝置對(duì)金屬棒料內(nèi)的金屬進(jìn)行加熱熔化，通過金屬放置部上端的陰極發(fā)生器對(duì)金屬輸入可調(diào)的負(fù)高壓，使金屬料帶負(fù)電，而陽極發(fā)生器帶正電，陰極發(fā)生器與陽極發(fā)生器之間形成高強(qiáng)靜電場。在高強(qiáng)靜電場作用下，在金屬棒料下端倒錐體錐尖形成與金屬料粘連的持續(xù)射流。金屬熔液脫落后形成熔滴，再被靜電場分散破碎成極其微細(xì)的破碎微滴，庫侖力使得帶電液滴彼此排斥，并在靜電場中被加速，在爐腔內(nèi)飛行，在表面張力作用下冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。通過在金屬放置部上端設(shè)置有陰極發(fā)生器以及在金屬放置部下方設(shè)置有陽極發(fā)生器，形成高強(qiáng)靜電場，在庫侖力的作用下，金屬粉末顆粒不會(huì)團(tuán)聚，解決了金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬粉末制備裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬粉末制備裝置的原理圖；

圖3為圖1中I部位的局部放大圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬粉末制備方法的流程圖。

附圖標(biāo)記：爐腔1；上爐腔1-1；下爐腔1-2；爐蓋2；真空檢測計(jì)3；制粉系統(tǒng)4；金屬放置部4-1；加熱裝置4-2；陽極發(fā)生器4-3；氣缸4-4；活塞桿4-5；裝料倉4-6；陰極發(fā)生器4-7；蓋板密封4-8；靜電場4-9；金屬棒料倒錐體4-10；機(jī)械泵5；羅茨泵6；擴(kuò)散泵7；射流8-1；熔滴8-2；破碎微滴8-3；閥門9；集粉罐10。

具體實(shí)施方式

下面可以參照附圖圖1～圖4以及文字內(nèi)容理解本發(fā)明的內(nèi)容以及本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)之間的區(qū)別點(diǎn)。下文通過附圖以及列舉本發(fā)明的一些可選實(shí)施例的方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案(包括優(yōu)選技術(shù)方案)做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是：本實(shí)施例中的任何技術(shù)特征、任何技術(shù)方案均是多種可選的技術(shù)特征或可選的技術(shù)方案中的一種或幾種，為了描述簡潔的需要本文件中無法窮舉本發(fā)明的所有可替代的技術(shù)特征以及可替代的技術(shù)方案，也不便于每個(gè)技術(shù)特征的實(shí)施方式均強(qiáng)調(diào)其為可選的多種實(shí)施方式之一，所以本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：可以將本發(fā)明提供的任一技術(shù)手段進(jìn)行替換或?qū)⒈景l(fā)明提供的任意兩個(gè)或更多個(gè)技術(shù)手段或技術(shù)特征互相進(jìn)行組合而得到新的技術(shù)方案。本實(shí)施例內(nèi)的任何技術(shù)特征以及任何技術(shù)方案均不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該包括本領(lǐng)域技術(shù)人員不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)所能想到的任何替代技術(shù)方案以及本領(lǐng)域技術(shù)人員將本發(fā)明提供的任意兩個(gè)或更多個(gè)技術(shù)手段或技術(shù)特征互相進(jìn)行組合而得到的新的技術(shù)方案。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種高活性金屬粉末制備裝置及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在金屬粉末粒徑范圍大的技術(shù)問題。

下面結(jié)合圖1～圖4對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案進(jìn)行更為詳細(xì)的闡述。

如圖1～圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種金屬粉末制備裝置，包括爐腔1、爐蓋2以及制粉系統(tǒng)4，制粉系統(tǒng)4包括金屬放置部4-1，金屬放置部4-1用于放置金屬棒料，本發(fā)明將放置金屬的空間成為金屬放置部4-1，并不是說一定要設(shè)置殼體等有形的部件來放置金屬。金屬棒料位于爐腔1的腔體內(nèi)部，金屬放置部4-1上端設(shè)置有陰極發(fā)生器4-7，陰極發(fā)生器4-7上設(shè)置有用于固定金屬棒料的固定部，通過固定部將金屬棒料固定在陰極發(fā)生器4-7上，陰極發(fā)生器4-7可帶動(dòng)金屬棒料運(yùn)動(dòng)，金屬棒料底端外側(cè)壁設(shè)置有加熱裝置4-2，金屬放置部4-1底端下方設(shè)置有陽極發(fā)生器4-3。本發(fā)明在金屬放置部4-1中放置金屬棒料，陰極發(fā)生器4-7上設(shè)置有用于固定所述金屬棒料的固定部，通過在金屬棒料底端外側(cè)壁的加熱裝置4-2對(duì)金屬棒料底部進(jìn)行加熱熔化，通過金屬放置部4-1上端的陰極發(fā)生器4-7輸入可調(diào)的負(fù)高壓，使金屬料帶負(fù)電，而陽極發(fā)生器4-3帶正電，陰極發(fā)生器4-7與陽極發(fā)生器4-3之間形成靜電場4-9，靜電場4-9電壓為0～30kV，且為連續(xù)可調(diào)的直流電壓。

如圖2所示，在高強(qiáng)靜電場4-9作用下，在金屬棒料底部形成與金屬料粘連的持續(xù)射流8-1。金屬熔液脫落后形成熔滴8-2，再被靜電場4-9分散破碎成極其微細(xì)的破碎微滴8-3，庫侖力使得帶電液滴彼此排斥，并在靜電場4-9中被加速，在爐腔1內(nèi)飛行，在表面張力作用下冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。通過在金屬放置部4-1上端設(shè)置有陰極發(fā)生器4-7以及在金屬放置部4-1底部下方設(shè)置有陽極發(fā)生器4-3，形成高強(qiáng)靜電場4-9，在庫侖力的作用下，金屬粉末顆粒不會(huì)團(tuán)聚，解決了金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。

為了優(yōu)化該方案，可以將金屬棒料底部設(shè)置為金屬棒料倒錐體4-10，爐蓋2與裝料倉4-6之間通過密封蓋板4-8密封。加熱裝置4-2設(shè)置于倒錐體部位的外側(cè)壁，這樣金屬棒料在倒錐體部分熔化，在錐尖形成與金屬本體粘連的持續(xù)倒錐狀射流。而加熱裝置4-2可以為感應(yīng)線圈，通過控制線圈功率對(duì)不同的金屬進(jìn)行熔化。

同樣，本發(fā)明提供的實(shí)施例中爐腔包括上爐腔1-1和下爐腔1-2，下爐腔1-2設(shè)計(jì)為倒錐體，便于金屬粉末的匯集。在下爐腔1-2的底部設(shè)置有集粉罐10，集粉罐10與下爐腔1-2之間設(shè)置有閥門9，該閥門可以為球閥。

如圖2所示，在本發(fā)明實(shí)施例中陽極發(fā)生器4-3為環(huán)形，可以為不銹鋼電極，其中，陽極發(fā)生器4-3圓心位置與金屬棒料倒錐體錐尖位置對(duì)應(yīng)設(shè)置。環(huán)形相比于其它形狀更能保證金屬粉末的均勻性，同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要消耗大量氣體實(shí)現(xiàn)霧化的問題，降低了成本。為了進(jìn)一步保證金屬粉末的均勻性，使得金屬粉末在靜電場4-9內(nèi)庫侖力的作用下不會(huì)團(tuán)聚，而是由單個(gè)粉末顆粒的液滴在表面張力作用下收縮成球，克服了衛(wèi)星球、空心粉末的缺陷，本發(fā)明在經(jīng)過大量分析后，將金屬棒料底部與陽極發(fā)生器4-3之間的距離設(shè)置在0～5mm，從而保證金屬粉末的均勻程度最高，若將所述金屬棒料作為陰極，其底部與所述陽極發(fā)生器4-3之間的距離為0～5mm，陰極產(chǎn)生負(fù)高壓，與陽極形發(fā)生器4-3形成電壓在0～30kV范圍內(nèi)且連續(xù)可調(diào)高強(qiáng)靜電場。若金屬棒料底部為倒錐體，則將金屬棒料倒錐體底部錐尖位置與陽極發(fā)生器4-3之間的距離設(shè)置在0～5mm。

如圖3所示，制粉系統(tǒng)4還包括與陰極發(fā)生器4-7相連接的活塞桿4-5、設(shè)置于爐腔上端的裝料倉4-6、設(shè)置于裝料倉4-6上端的氣缸4-4，活塞桿4-5一端置于裝料倉4-6內(nèi)，另一端置于氣缸4-4內(nèi)。所述活塞桿4-5底部與陰極發(fā)生器4-7頂部相連，金屬料裝在陰極發(fā)生器4-7底部，未裝料時(shí)，活塞桿4-5處于最高位，也即活塞桿完全收縮在氣缸4-4內(nèi)。裝料后，活塞桿4-5通過陰極發(fā)生器4-7將金屬料送入爐腔1內(nèi)，其中，金屬料優(yōu)選為金屬棒料。本發(fā)明中采用無坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)，可避免金屬或合金，尤其是高活性金屬或合金與坩堝或環(huán)境內(nèi)其它元素發(fā)生反應(yīng)，從而避免雜質(zhì)混入粉末，提高了金屬粉末的純度。

如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的金屬粉末制備裝置還包括對(duì)爐腔進(jìn)行抽真空處理的抽真空裝置，抽真空裝置與爐腔連接。其中，抽真空裝置包括機(jī)械泵5、羅茨泵6、擴(kuò)散泵7，通過抽真空裝置將爐腔1內(nèi)抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高純度的惰性氣體，在惰性保護(hù)氣氛下可以避免金屬的氧化，而通過機(jī)械泵5、羅茨泵6、擴(kuò)散泵7這三種泵的組合對(duì)爐腔1進(jìn)行抽真空處理，從而對(duì)于抽真空后的氣壓的控制更加精準(zhǔn)和可控，最大限度地降低金屬粉末被氧化的可能。

為了檢測爐腔內(nèi)真空度是否達(dá)到6.63×10^-3Pa，金屬粉末制備裝置還包括真空檢測計(jì)3，真空檢測計(jì)3與爐腔1連接。

本發(fā)明還提供了一種金屬粉末制備方法，方法應(yīng)用于上述金屬粉末制備裝置，如圖4所示，包括：

S10、將金屬棒料放置于裝料倉4-6內(nèi)；

S20、通過活塞桿4-5將金屬棒料推入爐體內(nèi)；

S30、通過加熱裝置4-2將金屬棒料熔化為金屬熔液；

S40、通過陰極發(fā)生器4-7對(duì)金屬輸入可調(diào)負(fù)壓，使金屬熔液帶電；

S50、通過高強(qiáng)靜電場將金屬熔滴破碎、分散并加速。

本發(fā)明提供的金屬粉末制備方法將裝料倉4-6打開，將金屬放置于裝料倉4-6內(nèi)，當(dāng)金屬為金屬棒料時(shí)，金屬棒的最大尺寸規(guī)格為Φ100mm×1000mm。陰極發(fā)生器4-7頂部與氣缸4-4的活塞桿4-5相連?；钊麠U4-5向裝料倉4-6內(nèi)伸長，通過活塞桿4-5將高活性金屬棒料送入爐腔1內(nèi)。金屬棒料底部的倒錐體部分利用加熱裝置4-2加熱使得金屬棒料倒錐體4-10的尖端熔化，并通過金屬棒料倒錐體4-10的位置以及線圈功率的控制，獲得與棒料本體粘連的倒錐狀射流8-1。通過陰極發(fā)生器4-7對(duì)高活性金屬棒料輸入可調(diào)負(fù)高壓-V，其值最大可達(dá)30kV，使倒錐狀射流8-1帶電。陽極發(fā)生器4-3帶正電，陰極發(fā)生器4-7與陽極發(fā)生器4-3之間形成具備圖2中放射形電場線的高強(qiáng)靜電場4-9，在靜電場4-9作用下，與棒料本體粘連的倒錐狀射流8-1從棒料脫落，金屬熔液脫落后形成熔滴8-2，再被靜電場4-9分散破碎成極其微細(xì)的破碎微滴8-3，庫侖力使得帶電液滴彼此排斥，并在靜電場4-9中被加速，在爐腔1內(nèi)飛行，在表面張力作用下冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。在爐腔內(nèi)飛行的金屬液滴凝固后，通過爐體底部閥門9的開合，匯入集粉罐10。

優(yōu)選地，在步驟S20前還包括對(duì)爐腔抽真空至6.63×10^-3Pa。利用機(jī)械泵5、羅茨泵6、擴(kuò)散泵7對(duì)爐腔1抽真空，通過真空檢測計(jì)3檢測真空度，真空抽至6.63×10^-3Pa。通過抽真空裝置將爐腔1內(nèi)抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高純度的惰性氣體，在惰性保護(hù)氣氛下可以避免金屬的氧化，而通過機(jī)械泵5、羅茨泵6、擴(kuò)散泵7這三種泵的組合對(duì)爐腔1進(jìn)行抽真空處理，從而對(duì)于抽真空后的氣壓的控制更加精準(zhǔn)和可控，最大限度地降低金屬粉末被氧化的可能。

上述本發(fā)明所公開的任一技術(shù)方案除另有聲明外，如果其公開了數(shù)值范圍，那么公開的數(shù)值范圍均為優(yōu)選的數(shù)值范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解：優(yōu)選的數(shù)值范圍僅僅是諸多可實(shí)施的數(shù)值中技術(shù)效果比較明顯或具有代表性的數(shù)值。由于數(shù)值較多，無法窮舉，所以本發(fā)明才公開部分?jǐn)?shù)值以舉例說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并且，上述列舉的數(shù)值不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造保護(hù)范圍的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等詞語來限定零部件的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述上對(duì)零部件進(jìn)行區(qū)別如沒有另行聲明外，上述詞語并沒有特殊的含義。

同時(shí)，上述本發(fā)明如果公開或涉及了互相固定連接的零部件或結(jié)構(gòu)件，那么，除另有聲明外，固定連接可以理解為：能夠拆卸地固定連接(例如使用螺栓或螺釘連接)，也可以理解為：不可拆卸的固定連接(例如鉚接、焊接)，當(dāng)然，互相固定連接也可以為一體式結(jié)構(gòu)(例如使用鑄造工藝一體成形制造出來)所取代(明顯無法采用一體成形工藝除外)。

另外，上述本發(fā)明公開的任一技術(shù)方案中所應(yīng)用的用于表示位置關(guān)系或形狀的術(shù)語除另有聲明外其含義包括與其近似、類似或接近的狀態(tài)或形狀。本發(fā)明提供的任一部件既可以是由多個(gè)單獨(dú)的組成部分組裝而成，也可以為一體成形工藝制造出來的單獨(dú)部件。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。