一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的裝置及方法，用于增材制造技術(3D打印)所用金屬和陶瓷粉體的制造方法，特別是高熔點難熔金屬和多元合金化粉體。
【背景技術】
[0002]隨著增材制造技術(3D打印)快速興起，在航天、航空和能源領域有廣泛應用前景，在復雜結構件和梯度材料制造中，有傳統制造方法不可比擬的優勢。其中，增材制造所用粉體材料是該技術應用的關鍵。
[0003]目前增材制造技術所用材料主要集中在:鈦鎳合金、鋼鐵、陶瓷、鎂鋁合金及鈷、錸等稀有金屬材料。
[0004]以往，根據粉末冶金發展來的粉體制造方法，不能很好地滿足增材制造需要。顆粒的高球型度、粒度、粒度分布、松裝比、含氧及夾雜量和成品率都不穩定。雖然現有方法中，物理制粉法(氣霧化、水霧化、真空霧化、等離子旋轉電極和射頻等離子體炬霧化)及化學方法制造的粉體有所改善，但不能有效同時滿足上述全部要求。而且制造成本高，制粉類型單一，對高熔點材料很難奏效。已知的射頻等離子體法雖然效果比較理想，但至少需要在已經加工細化的粉體基礎上再次制造，而且不能一次直接制成合金化粉體。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的方法，是利用等離子電弧采用三根電極，或根據不同材料換用不用形式電極來蒸發金屬原料棒成霧狀電漿體，即為所要制造粉體材料成分相同的棒材、絲材，或陶瓷棒，原料棒在中心，電弧在周圍。而后利用惰性氣體流將霧化的金屬霧吹入收集裝置，隨著溫度和氣壓驟降迅速冷卻凝固成粉體；便于機械化生產，大大降低粉體制造成本。在這一過程中，金屬霧滴在氣壓差和表面張力作用下自然膨脹成球體，粉體圓整性好、粒度分布均勻、含氧和夾雜量極低。而且粉體粒度可以根據用粉要求，通過等離子弧輸出熱量和保護氣體氣壓等參數調整。隨后進行粉體回收包裝。粉體粒度可為0.1~100μπι之間。實現粉體制造一次成型。
[0006]本發明的另一目的在于提供一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的裝置，通過專用的夾具和推進裝置連續供給棒料，使設備連續制粉，其采用模塊化方式組裝，其中，等離子發生器(電極數量、電源連接方式)及噴嘴(擴容腔長度、出口角度)根據所制材料性質(熔點、沸點、飽和蒸汽壓與自由能等)，可由工程熱物理和材料熱力學原理計算得出，而后選擇，結構合理，操作方便。
[0007]本發明的技術方案是這樣實現的:一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的裝置，由擴容室噴嘴、噴嘴水冷卻進口、噴嘴水冷卻出口、等離子弧發生器電極、保護氣體進口、推進桿、原料棒夾具組成，其特征在于:擴容室噴嘴的為耐高溫陶瓷材料，噴嘴水冷卻進口設在擴容室噴嘴的下端，噴嘴水冷卻出口設在擴容室噴嘴的上端，等離子弧發生器電極布置在擴容室噴嘴內，為徑向面互成120°角的三根陰極，保護氣體進口采用氬氣或其他惰性保護氣體布置在等離子弧發生器電極后側，原料棒通過送料裝置上的進料口進入加熱區的等離子弧發生器電極內腔，送料裝置由兩組相同結構的推進器組成，其中推進器的四根推進桿為兩根帶螺紋的絲杠和兩根光杠是與前端固定法蘭盤和后端固定法蘭盤的法蘭孔周圍焊接的套筒固定連接的，其中絲杠與套筒插接處嵌入兩塊軸承，外側為推力軸承，在前端固定法蘭盤上進料口附近加裝有觸點返回開關，原料棒夾具前端通過軸承固定在運動法蘭中心孔中，原料棒夾具為8瓣顎式夾子，前端固定法蘭盤、后端固定法蘭盤和運動法蘭盤上均開有四個孔，兩個帶螺紋的孔，兩個不帶螺紋的孔，其中兩根帶螺紋的絲杠與法蘭盤連接做往復運動，兩根光杠作為支撐滑道使運動法蘭盤在其上運動。
[0008]所述的擴容室噴嘴外壁有硅酸鋁保溫棉隔層，隔層外包裹陶泥密封。
[0009]所述推進器上的法蘭盤為6個，其中包括兩組前端固定法蘭盤、后端固定法蘭盤和運動法蘭盤，在兩組運動法蘭盤軸承固定有原料棒夾具。
[0010]所述的推進器中的第一組的后端固定法蘭盤與第二組前端固定法蘭盤通過焊接方式連接。
[0011]所述的擴容室噴嘴的出口角度為5° — 75°，出口末段內徑01在5毫米---190毫米，圓弧半徑r在5毫米一 130毫米，出口中段隊在3毫米一 150毫米，圓弧半徑R在25毫米一 550暈米，出口前段03在20暈米一 900暈米，噴嘴總長在50暈米一 1500暈米。
[0012]所述的前端法蘭盤的盤面內嵌入電動機驅動絲杠運動。
[0013]所述的運動法蘭盤的盤面內嵌入電動機驅動原料棒夾具運動。
[0014]所述的等離子弧發生器電極為三組，為非轉移弧，其中下面兩組電極的夾角為115°，另兩組相互夾角為122.5°。
[0015]—種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的方法，其特征在于具體步驟如下:1)、生產時首先在保護氣體進口充入惰性氣體，排空擴容室噴嘴內部空氣，隨后啟動等離子弧發生器電極，一般調節輸出電流范圍為20安培至300安培，等離子弧發生器電極溫度5000°C至 30000。。；
2)、完成步驟1后，啟動送料裝置第二組推進器的運動法蘭和原料棒夾具，原料棒夾具夾持原料棒向前端行進，每次工作的第一根原料棒要先將尖端打磨成圓錐狀；
3)、待第二組原料棒夾具夾持原料棒接觸到第二組推進器前端固定法蘭盤中心孔附近的觸點返回開關后，這時第一組推進器的運動法蘭盤上的原料棒夾具開始啟動，接替夾緊原料棒開始前進，同時第二組推進器的前端固定法蘭盤上的電動機驅動運動法蘭盤上的原料棒夾具返回原位置；
4)、待第一組原料棒夾具夾持原料棒接觸到第一組推進器前端固定法蘭盤中心孔附近的觸點返回開關后，同樣原理由電動機驅動返回，去迎接第二組驅動器重新送進的原料棒，第一組原料棒與第二組原料棒首尾端部通過摩擦焊相連，摩擦焊動力由第一組的原料棒夾具與返回時處于緊閉狀態的第二組原料棒夾具共同旋轉提供；
5)、每根原料棒都通過這種方法往復運動完成給料，如果使用焊絲，則省去摩擦焊連接第一組原料棒與第二組原料棒步驟，
6)、當旋轉送進的原料棒進入等離子弧發生器電極區時，原料棒在環繞的等離子弧中心區域，經過高溫等離子弧瞬時加熱蒸發，成霧狀電漿體，伴隨著保護氣體進口吹入的惰性氣流沖入擴容室噴嘴，形成爆噴；
7)、在擴容室噴嘴內達到暫時熱力學平衡狀態，表面自由能趨使霧滴顆粒呈圓球狀，隨后跟隨惰性氣流被吹入擴容室噴嘴出口處前端的收集室；
8)，收集室外壁采用包覆式循環水或液氮循環冷卻，保持溫度在_5°C至5°C，由于環境溫度驟降、氣壓也由于伯努利原理，瞬時形成了一個氣壓差，外界氣壓小于霧滴內部壓力，又進一步迫使霧滴顆粒膨脹呈球形，且瞬時凝固制得的粉末。
[0016]9)，停機時，先停止供料，然后將等離子弧發生器電極熄弧，最后再停止通惰性氣體，這一順序也適用于設備停機檢修情況。
[0017]本發明的積極效果是便于機械化生產，大大降低粉體制造成本。在這一過程中，金屬霧滴在氣壓差和表面張力作用下自然膨脹成球體，粉體圓整性好、粒度分布均勻、含氧和夾雜量極低。而且粉體粒度可以根據用粉要求，通過等離子弧輸出熱量和保護氣體氣壓等參數調整。隨后進行粉體回收包裝。粉體粒度可為0.1~100μπι之間。實現粉體制造一次成型。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的結構示意圖。
[0019]圖2為推進器法蘭盤一側剖面圖。
[0020]圖3為推進器法蘭盤另一側剖面圖。
[0021]圖4為本發明的擴容室嗔嘴結構不意圖。
[0022]圖5為本發明的送料裝置第二組推進器工作時的示意圖。
[0023]圖6為本發明的送料裝置第一組推進器和第二組推進器連續送料的示意圖。
[0024]圖7為本發明的送料裝置第二組推進器續料的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的描述:如圖1-4所示，一種多電極等離子弧連續制造金屬粉末的裝置，由擴容室噴嘴1、噴嘴水冷卻進口 2、噴嘴水冷卻出口 16、等離子弧發生器電極3、保護氣體進口 4、觸點返回開關5、原料棒夾具7、原料棒夾具端部的齒牙8、運動法蘭盤9、前端固定法蘭盤10、后端固定法蘭盤15、絲杠11、光杠12、夾具電動機13、絲杠電動機14組成，其特征在于:擴容室噴嘴1為耐高溫陶瓷材料，噴嘴水冷卻進