球形金屬粉末的制備裝置的制造方法

球形金屬粉末的制備裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種球形金屬粉末的制備裝置。一種球形金屬粉末的制備裝置，其特征在于，包括金屬棒材、霧化塔、塔頸、加熱裝置、傳送裝置和等離子裝置。本申請的球形金屬粉末的制備裝置采用加熱方式先對金屬原材料進行加熱熔化形成熔融液，當熔融液滴落至等離子裝置處時等離子體熱能再次加熱金屬的熔融液，使金屬的熔融液表面張力降低，更容易被破碎成小液滴，制備出的球形金屬粉末幾乎無衛星顆粒，氧含量小于1200ppm，53μm以下粉末占有率達90％。
【專利說明】
球形金屬粉末的制備裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及材料制備領域，特別是設及一種球形金屬粉末的制備裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，由于3D打印技術可直接生產復雜形狀零件，在航空航天、衛生醫療、汽車、 藝術、建筑等領域得到廣泛發展。選擇性激光燒結和電子束烙融的3D打印技術要求金屬粉 末球形度好、粒度分布窄（粒度分布在15~53WI1之間）、氧含量低、流動性好等特征。而國內 對于此類金屬粉末的研究相對進展緩慢，國內研發此類粉體的廠家較多但是未能完全匹配 金屬3D打印技術，許多廠家將金屬注射成型所用的金屬粉末用在選區激光或電子束烙融設 備上，但是打印效果并不理想；主要表現在粉末流動性能差、顆粒形貌不規則、氧含量值高 等問題。高質量且與3D打印相匹配的金屬粉末的生產現狀在一定程度上限制了 3D打印技術 的進一步發展。
[0003] 目前，生產球形金屬粉末的技術主要有氣霧化法、離屯、霧化法、旋轉電極法和等離 子球化法等。
[0004] 氣霧化技術是指烙化的合金液被高速流動的氣體霧化成非常微小的金屬液滴，運 些液滴在下降到霧化塔的過程中冷卻形成球形粉末。氣體霧化法生產的粉末有空屯、粉且呈 衛星顆粒分布，流動性稍差，且惰性氣體消耗量較大
[0005] 離屯、霧化法是指將液體金屬或合金通過高速旋轉的離屯、盤所產生的離屯、力粉碎 成小液滴，進而形成球形粉末的方法。現有的離屯、霧化裝置通常W高速電機驅動離屯、盤高 速旋轉的方式來粉碎烙融金屬液，離屯、盤主軸的轉速通常要達到300(K)rpm W上，因此現有 的離屯、霧化法和裝置不能用于生產高烙點的金屬粉末如鐵粉、鉆銘合金粉。
[0006] 旋轉電極法W金屬或合金為自耗電極，氣氣/氮氣為保護氣體，電極端面受電弧加 熱而烙融為液體，通過電極高速旋轉的離屯、力將液體拋出并粉碎為細小液滴，繼之冷凝為 粉末。旋轉電極法目前棒料的旋轉速度一般在200(K)rpmW內，無法提供更高的金屬烙滴分 散霧化離屯、力，所W該技術所制備的球形粉末絕大部分顆粒粒度都在100~250WI1之間，小 于53]im的粉末幾乎沒有。
[0007] 等離子球化法利用等離子體炬產生的高溫熱將形狀不規則的金屬粉末快速烙融 成液滴，隨后急冷，"凍結"成球形金屬粉末。等離子球化處理制備的粉末依賴原始粉末粒 度，因細粉團聚送粉困難，難W批量生產。
[000引因此現有技術急需開發一種能夠制備粒徑小于53WI1且不含衛星顆粒的球形金屬 粉末的制備裝置。 【實用新型內容】
[0009] 基于此，本實用新型提供了一種能夠制備粒徑小于53WI1且不含衛星顆粒的球形金 屬粉末的制備裝置。
[0010] 具體的技術方案如下：
[0011] -種球形金屬粉末的制備裝置，其特征在于，包括：
[0012] 金屬棒材，所述金屬棒材的一端為錐形；
[0013] 霧化塔，所述霧化塔具有用于霧化金屬棒材的霧化腔，所述霧化腔的兩端分別設 有進料端和出料端；
[0014] 塔頸，所述塔頸設于所述霧化塔的進料端；
[0015] 加熱裝置，所述加熱裝置設置于所述塔頸的頸腔內，用于加熱所述金屬棒材形成 烙融液；
[0016] 傳送裝置，所述傳送裝置設在所述塔頸上，用于輸送金屬棒材，使所述金屬棒材的 錐形端到達所述加熱裝置內；W及，
[0017] 等離子裝置，所述等離子裝置可發出等離子火焰，用于破碎所述烙融液，所述等離 子火焰的頂端距離所述金屬棒材的錐形端50-80mm。
[0018] 在其中一個實施例中，所述等離子裝置為多個等離子炬，且多個所述等離子炬發 出的所述等離子火焰聚于一個焦點，所述等離子裝置相對于所述焦點旋轉對稱設置，所述 焦點位于所述金屬棒材軸線的延長線上。
[0019] 在其中一個實施例中，所述等離子炬的數量為3個。
[0020] 在其中一個實施例中，所述等離子火焰的軸線與所述金屬棒材的軸線的夾角為 37°-46°。
[0021 ] 在其中一個實施例中，所述加熱裝置為感應線圈。
[0022] 在其中一個實施例中，還包括惰性氣體保護裝置，所述惰性氣體保護裝置包括惰 性氣源和氣體過濾裝置，所述惰性氣源通過管線連接于所述塔頸，所述氣體過濾裝置連接 于所述霧化腔用于過濾回收惰性氣體，過濾后的惰性氣體通過導氣管連接于所述塔頸W實 現惰性氣體的回收。
[0023] 在其中一個實施例中，還包括集料裝置，所述集料裝置通過閥口與所述出料端可 拆卸式連接，所述集料裝置包括集粉缸和滑輪機構。
[0024] 在其中一個實施例中，所述金屬棒材的橫截面直徑為145-155mm，錐形端的錐角為 115-125° O
[0025] 本實用新型的原理及優點如下：
[0026] 本申請的球形金屬粉末的制備裝置采用感應加熱方式對金屬棒材進行加熱烙化， 減少了相蝸容器對金屬材料成分污染，提高了粉末純凈度。金屬棒材的一端為錐形，錐角為 115-125°，當金屬棒材通過感應線圈加熱烙融后，形成的烙融液沿著錐形的錐面向下滴落， 當烙融液滴滴落至等離子裝置的火焰焦點處時，等離子體熱能再次加熱金屬的烙融液，使 金屬的烙融液表面張力降低，更容易被破碎成小液滴，等離子噴出產生的沖擊力充分破碎 了金屬棒材的烙融液。特別設定金屬棒材的錐形端的端點與等離子火焰的焦點的距離在 50-80mm，其目的是使金屬棒材尖端免于被等離子裝置燒損烙化而無法形成細股金屬液流， 導致等離子裝置吹散液流時，達不到細化粉末效果；同時，根據金屬棒材的材質不等，金屬 烙液的粘度和流動性不同，得出材料與等離子裝置的最優距離。惰性氣體可W保護金屬棒 材和球形金屬粉末在整個過程中不受污染和氧化，且通過氣體過濾裝置過濾掉粉塵后循環 重復使用，減少惰性氣體的消耗量。
[0027] 采用本申請的裝置制備出的球形金屬粉末幾乎無衛星顆粒，氧含量小于1200ppm， W重量百分比計算，53WI1W下粉末占有率達90%，球形度高、粒度分布窄、雜質含量低、純凈 度高、流動性好、粒徑分布滿足3D打印要求，且工藝簡單、技術可靠、產品粒度易于控制、生 產效率高、惰性氣體消耗少，適合大批量生產。
【附圖說明】
[0028] 圖1為一實施方式的球形金屬粉末的制備裝置的示意圖；
[0029] 圖2為一實施方式的等離子裝置的示意圖；
[0030] 圖3為實施例1制得的球形金屬粉末的顆粒形貌圖；
[0031 ]圖4為實施例2制得的球形金屬粉末的顆粒形貌圖；
[0032] 圖5為實施例3制得的球形金屬粉末的顆粒形貌圖；
[0033] 圖6為實施例4制得的球形金屬粉末的顆粒形貌圖。
【具體實施方式】
[0034] 為使本實用新型的目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本實用 新型的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節W便于充分理解 本實用新型，但是本實用新型能夠W很多不同于在此描述的其他方式來實施，本領域技術 人員可W在不違背本實用新型內涵的情況下做類似改進，因此本實用新型不受下面公開的 具體實施的限制。
[0035] 如圖1所示，一實施方式的球形金屬粉末的制備裝置，包括金屬棒材110、霧化塔 120、塔頸130、加熱裝置140、傳送裝置150和等離子裝置160。
[0036] 金屬棒材110，一端為錐形;霧化塔120，具有用于霧化金屬棒材110的霧化腔，霧化 腔的兩端分別設有進料端和出料端;塔頸130，設于霧化塔120的進料端;加熱裝置140，設置 于塔頸130的頸腔內，用于加熱金屬棒材110形成烙融液;傳送裝置150,設在塔頸130上，用 于輸送金屬棒材110,使其錐形端到達加熱裝置140內；W及等離子裝置160,可發出等離子 火焰，用于破碎烙融液，等離子火焰的頂端距離金屬棒材110的錐形端50-80mm，其目的是使 金屬棒材110的尖端免于被等離子裝置160燒損烙化而無法形成細股金屬液流，導致等離子 裝置160吹散液流時，達不到細化粉末效果；同時，根據金屬棒材110的材質不等，金屬烙液 的粘度和流動性不同，得出材料與等離子裝置160的火焰頂端的最優距離。
[0037] 等離子裝置160為多個等離子炬，且多個等離子炬發出的等離子火焰聚于一個焦 點，等離子裝置160相對于該焦點旋轉對稱設置，且該焦點位于金屬棒材110軸線的延長線 上，等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角A為37°-46°。優選的，如圖2所示，等離 子裝置160的等離子炬的數量為3個，發出的等離子火焰聚于一個焦點，相互之間的夾角為 120。。
[0038] 優選地，加熱裝置140由感應線圈組成，與等離子裝置160之間可W設置一個固定 分隔板142,輔助固定加熱裝置140。
[0039] 優選地，該制備裝置還包括惰性氣體保護裝置170,由惰性氣源171和氣體過濾裝 置172組成，惰性氣源171通過管線連接于塔頸130,氣體過濾裝置172連接于霧化塔120的霧 化腔用于過濾回收惰性氣體，過濾后的惰性氣體通過導氣管173連接于塔頸130W實現惰性 氣體的回收。氣體過濾裝置172上還設有排氣口 174。
[0040]優選地，該制備裝置還包括集料裝置180,由集粉缸181和滑輪機構182組成，通過 閥口 183與霧化塔120的出料端可拆卸式連接。閥口 183上設有手柄184，用于控制閥口 183的 開合。
[0041 ]使用上述裝置制備球形金屬粉末，用車床把金屬棒材表面的氧化皮車去后，將金 屬棒材放入傳送裝置150,根據感應信息向下輸送金屬棒材110,使金屬棒材110的錐形端位 于加熱裝置140內，且距離等離子裝置160的等離子火焰頂端50~80mm，加熱裝置140對金屬 棒材110進行加熱，使其表面融化，在重力作用下，沿金屬棒材110錐形端下落形成烙融液。 采用感應加熱方式對棒材進行加熱烙化，減少了相蝸容器對金屬材料成分污染，提高了粉 末純凈度。當烙融液滴落至等離子裝置160的火焰焦點處時則被破碎成小液滴，由于等離子 體熱能再次加熱金屬的烙融液，使金屬的烙融液表面張力降低，更容易被破碎成小液滴，等 離子噴出產生的沖擊力充分破碎了金屬棒材110的烙融液。小液滴在霧化塔120的霧化腔內 下降的過程中冷卻凝固形成球形金屬粉末，通過控制手柄184打開閥口 183,球形金屬粉末 掉入集粉缸181中，關閉閥口 183后，通過滑輪機構182可方便地將集粉缸181轉移走。對收集 到的球形金屬粉末進行篩分、合批，達到改善粉末粒度粉末效果，最后進行包裝處理。氧含 量小于0.01%的氮氣、氣氣、氮氣等惰性氣體可通過惰性氣源171充滿該制備裝置，保護金 屬棒材110和球形金屬粉末在整個過程中不受污染和氧化，當裝置內氣壓大于300Pa時，多 余氣體可從排氣口 174排出。且惰性氣體通過氣體過濾裝置172過濾掉粉塵后可W經過導氣 管173回到裝置內循環重復使用，減少惰性氣體的消耗量。
[0042] 采用本方案等離子體霧化制備球形金屬粉末的方法和裝置制備出的球形金屬粉 末幾乎無衛星顆粒，氧含量小于1200ppm，W重量百分比計算，53wiiW下粉末占有率達90%， 球形度高、粒度分布窄、雜質含量低、純凈度高、流動性好、粒徑分布滿足3D打印要求，且工 藝簡單、技術可靠、產品粒度易于控制、生產效率高、惰性氣體消耗少，適合大批量生產。
[0043] 實施例1
[0044] 本實施例為一種球形金屬粉末3D打印用工業純鐵粉的制備過程，具體操作為:將 特制純鐵棒用車床進行表面雜質及氧化物的去除后，放入傳送裝置150中，打開惰性氣源 171，充入惰性氣體。打開加熱裝置140加熱使純鐵棒烙化形成烙融液，調節等離子裝置160 發出的等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角為44%等離子裝置160的等離子火 焰頂端與棒材錐形端距離為54mm，烙融液下落至等離子裝置160的等離子火焰處被破碎成 小液滴。保持霧化塔120內氣氣氣體壓力為300Pa，經過等離子破碎后的小液滴在氣氣的環 境中冷卻凝固，待冷卻至室溫后收集取出。再用超聲波振動篩進行篩分，通入高純氣氣保 護，震動頻率控制在50~90次/s，振動時間為1~化，按照粒度分級，獲得小于53WI1的鐵粉， 所制取的鐵粉產品的顆粒形貌呈球形或類球形，其中質量分數90%的粉末粒度小于53WI1， 檢測所得鐵粉的主要化學元素含量如下：
[0046] 本實施例制備得到的球形金屬粉末的顆粒形貌如圖3所示。
[0047] 實施例2
[004引本實施例為一種球形金屬粉末3D打印用TC4鐵合金粉的制備過程，具體操作為:將 特制Ti6A14V棒用車床進行表面雜質及氧化物的去除后，放入傳送裝置150中，打開惰性氣 源171，充入惰性氣體。打開加熱裝置140加熱使Ti6A14V棒烙化形成烙融液，調節等離子裝 置160發出的等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角為46%等離子裝置160的等離 子火焰頂端與棒材錐形端距離為50mm，烙融液下落至等離子裝置160的等離子火焰處被破 碎成小液滴。保持霧化塔120內氣氣氣體壓力為300Pa，經過等離子破碎后的小液滴在氣氣 的環境中冷卻凝固，待冷卻至室溫后收集取出。再用超聲波振動篩進行篩分，通入高純氣氣 保護，震動頻率控制在50~90次/s，振動時間為1~化，按照粒度分級，獲得小于53WI1的鐵合 金粉，所制取的鐵合金粉產品的顆粒形貌呈球形或類球形，其中質量分數90%的粉末粒度 小于53WI1，檢測所得鐵合金粉的主要化學元素含量如下：
[0049]
[0050] ~本實施例制備得到的球形金屬粉末的顆粒形貌如圖4所示。
[0化1]實施例3
[0052]本實施例為一種球形金屬粉末3D打印用鉆銘鶴合金粉的制備過程，具體操作為： 將特制鉆銘鶴合金棒用車床進行表面雜質及氧化物的去除后，放入傳送裝置150中，打開惰 性氣源171，充入惰性氣體。打開加熱裝置140加熱使鉆銘鶴合金棒烙化形成烙融液，調節等 離子裝置160發出的等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角為40%等離子裝置160 的等離子火焰頂端與棒材錐形端距離為62mm，烙融液下落至等離子裝置160的等離子火焰 處被破碎成小液滴。保持霧化塔120內氮氣氣體壓力為300Pa，經過等離子破碎后的小液滴 在氮氣的環境中冷卻凝固，待冷卻至室溫后收集取出。再用超聲波振動篩進行篩分，通入高 純氮氣保護，震動頻率控制在50~90次/s，振動時間為1~化，按照粒度分級，獲得小于53皿 的鉆銘鋼鶴粉，所制取的鉆銘鋼鶴粉產品的顆粒形貌呈球形或類球形，其中質量分數90% 的粉末粒度小于53WI1，檢測所得鉆銘鋼鶴粉的主要化學元素含量如下：
[0化3]
[0054]本實施例制備得到的球形金屬粉末的顆粒形貌如圖5所示。
[0化5] 實施例4
[0056]本實施例為一種球形金屬粉末3D打印用31化不誘鋼粉的制備過程，具體操作為： 將特制31化不誘鋼棒用車床進行表面雜質及氧化物的去除后，放入傳送裝置150中，打開惰 性氣源171，充入惰性氣體。打開加熱裝置140加熱使31化不誘鋼棒烙化形成烙融液，調節等 離子裝置160發出的等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角為40%等離子裝置160 的等離子火焰頂端與棒材錐形端距離為66mm，烙融液下落至等離子裝置160的等離子火焰 處被破碎成小液滴。保持霧化塔120內氮氣氣體壓力為300Pa，經過等離子破碎后的小液滴 在氮氣的環境中冷卻凝固，待冷卻至室溫后收集取出。再用超聲波振動篩進行篩分，通入高 純氮氣保護，震動頻率控制在50~90次/s，振動時間為1~化，按照粒度分級，獲得小于53皿 的31化不誘鋼粉，所制取的31化不誘鋼粉產品的顆粒形貌呈球形或類球形，其中質量分數 90%的粉末粒度小于53曲!，檢測所得31化不誘鋼粉的主要化學元素含量如下：
[0化7]
[005引本實施例制備得到的球形金屬粉末的顆粒形貌如圖6所示。
[0化9] 實施例5
[0060] 本實施例為一種球形金屬粉末3D打印用AllOSiMg合金粉的制備過程，具體操作 為:將特制AllOSiMg合金棒用車床進行表面雜質及氧化物的去除后，放入傳送裝置150中， 打開惰性氣源171，充入惰性氣體。打開加熱裝置140加熱使AllOSiMg合金棒烙化形成烙融 液，調節等離子裝置160發出的等離子火焰的軸線與金屬棒材110的軸線的夾角為37°，等離 子裝置160的等離子火焰頂端與棒材錐形端距離為80mm，烙融液下落至等離子裝置160的等 離子火焰處被破碎成小液滴。保持霧化塔120內氮氣氣體壓力為300Pa，經過等離子破碎后 的小液滴在氮氣的環境中冷卻凝固，待冷卻至室溫后收集取出。再用超聲波振動篩進行篩 分，通入高純氮氣保護，震動頻率控制在50~90次/s,振動時間為1~化，按照粒度分級，獲 得小于53皿的AllOSiMg合金粉，所制取的AllOSiMg合金粉產品的顆粒形貌呈球形或類球 形，其中質量分數90%的粉末粒度小于53皿，檢測所得AllOSiMg合金粉的主要化學元素含 量如下：
[0061]
[0062] W上所述實施例的各技術特征可W進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實 施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要運些技術特征的組合不存 在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0063] W上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細， 但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可W做出若干變形和改進，運些都屬于 本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應W所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種球形金屬粉末的制備裝置，其特征在于，包括： 金屬棒材，所述金屬棒材的一端為錐形； 霧化塔，所述霧化塔具有用于霧化金屬棒材的霧化腔，所述霧化腔的兩端分別設有進 料端和出料端； 塔頸，所述塔頸設于所述霧化塔的進料端； 加熱裝置，所述加熱裝置設置于所述塔頸的頸腔內，用于加熱所述金屬棒材形成熔融 液； 傳送裝置，所述塔頸上還設有傳送裝置，所述傳送裝置用于輸送金屬棒材，使所述金屬 棒材的錐形端到達所述加熱裝置內；以及， 等離子裝置，所述等離子裝置可發出等離子火焰，用于破碎所述熔融液，所述等離子火 焰的頂端距離所述金屬棒材的錐形端50_80mm。2. 根據權利要求1所述的制備裝置，其特征在于，所述等離子裝置為多個等離子炬，且 多個所述等離子炬發出的所述等離子火焰聚于一個焦點，所述等離子裝置相對于所述焦點 旋轉對稱設置，所述焦點位于所述金屬棒材軸線的延長線上。3. 根據權利要求2所述的制備裝置，其特征在于，所述等離子炬的數量為3個。4. 根據權利要求1所述的制備裝置，其特征在于，所述等離子火焰的軸線與所述金屬棒 材的軸線的夾角為37°-46°。5. 根據權利要求1所述的制備裝置，其特征在于，所述加熱裝置為感應線圈。6. 根據權利要求1所述的制備裝置，其特征在于，還包括惰性氣體保護裝置，所述惰性 氣體保護裝置包括惰性氣源和氣體過濾裝置，所述惰性氣源通過管線連接于所述塔頸，所 述氣體過濾裝置連接于所述霧化腔用于過濾回收惰性氣體，過濾后的惰性氣體通過導氣管 連接于所述塔頸以實現惰性氣體的回收。7. 根據權利要求1所述的制備裝置，其特征在于，還包括集料裝置，所述集料裝置通過 閥門與所述出料端可拆卸式連接，所述集料裝置包括集粉缸和滑輪機構。8. 根據權利要求1-7任一項所述的制備裝置，其特征在于，所述金屬棒材的橫截面直徑 為145-155mm，錐形端的錐角為115-125°。
【文檔編號】B22F9/08GK205650810SQ201620504514
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年5月27日 公開號201620504514.5, CN 201620504514, CN 205650810 U, CN 205650810U, CN-U-205650810, CN201620504514, CN201620504514.5, CN205650810 U, CN205650810U
【發明人】李愛紅, 王駿, 楊金文
【申請人】廣州納聯材料科技有限公司