用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備，采用無級調速超聲波振動送絲系統與真空電子束發生器或多個等離子發生器組合熔化霧化金屬材料來制備金屬粉末。設備包括真空霧化室及其筒體，在筒體的上部連通有抽真空排氣管道和電子束發生器；左端設置有前門；右端設置有真空霧化室后門；積粉斗、筒體和真空霧化室前門的外表面覆冷卻水套；筒體的內部設置的霧化室隔層與真空霧化室后門構成輔助機械室。本實用新型將兩種金屬粉末制備方法合一，選擇性使用，開一次機能實現持續長時間大產能生產，產出粉末具有純度高、粒度細、分布集中，外觀球形特征顯著；本實用新型設備占地小，易操作，投資少，運行成本低。
【專利說明】
用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備
技術領域
[0001] 本實用新型屬于專用設備制造技術領域，涉及金屬粉末制備設備，具體涉及在真 空或充滿惰性氣體環境下，用超聲波振動霧化法制備鈦及鈦合金微細球狀金屬粉末的設 備。
【背景技術】
[0002] 近年來，3D打印及激光成形技術等前沿科學迅猛發展，在這種背景下對其所需金 屬粉末原材料提出了更高的要求。金屬粉末產品的化學純度、球形率、粒度及粒度均勻性分 布等技術性能指標要求越來越高。而高性能高品質的金屬粉末將是3D打印等高新技術產業 化商用的基石。金屬粉末作為一類重要的工業原料，在通訊、電子、汽車、航空航天等領域的 應用日益活躍。隨著金屬注射成型、熱噴涂、金屬快速成形、電子表面貼裝等技術的發展，對 金屬粉末材料的粒度、純凈度、形貌等方面的性能要求逐漸提高，進而推動粉末制備技術朝 著窄粒度、低氧含量、高效率、低成本的方向發展。
[0003] 目前，金屬球形粉末的生產技術主要是氣體霧化法和等離子旋轉電極法。氣體霧 化法根據熔化金屬的方式不同主要有高頻感應氣霧化法、中頻感應坩堝熔化氣霧化法、等 離子超聲波氣霧化法、高溫離子體霧化法。等離子旋轉電極法受限于轉速和輔件而生產的 粉末粒度粗，且生產成本高。高頻感應氣霧化法、中頻感應坩堝熔化氣霧化法受限于熔化液 流粗且流體難控，氣嘴結構復雜，氣體利用率低，生產的粉末細粉少，產能低，且投資大生產 成本高，所制備的金屬粉末粒徑一般大于?οομπι。超聲霧化是近年發展起來的一種新的霧化 技術，是利用超聲波定向壓強，使液體表面產生有限振幅的表面張力波，形成隆起液面，在 隆起的液面周圍發生空化作用，使液體霧化成小液滴。中國專利CN201180053612.1公開了 一種超聲霧化設備，中國專利CN200980112649. X公開了一種超聲霧化裝置，中國專利 CN201010122821.4公開了一種組合超聲霧化裝置，這三件專利都適用于溶液的霧化，不適 用于制備金屬粉末。此外，中國專利01140401.9公開了一種用于生產球形金屬粉末的超聲 霧化制備方法和裝置，其原理是將液態金屬滴落在以超聲頻率振動的超聲聚能器頭部形成 一薄液層，在超聲振動作用下激起表面張力，形成細小液滴飛離成霧，冷凝成金屬粉末。由 于超聲聚能器頭部需要接觸高溫液態金屬，將產生空化腐蝕，同時制備的金屬粉末材料受 到超聲聚能器頭部材料熔點的限制。該專利涉及的超聲霧化制備金屬粉末方法和裝置只能 制備低熔點金屬粉末，如熔點不超過350 °C的錫鉛合金。其球形金屬粉末超聲霧化方法的具 體過程是:金屬料棒在以超聲頻率振動的同時，利用等離子弧對金屬料棒加熱，當金屬料棒 表面升溫到熔融態時，在超聲振動的作用下激起表面張力波，當超聲振動幅度達到一定時， 金屬液滴從波峰上飛離，經氣體冷卻凝固成金屬粉末。其缺點是受限于超聲波發生器的動 態跟蹤控制和連續化批量化生產，即無法實現連續生產。高溫離子體霧化法是利用等離子 體具備的高溫特性和一定的氣量流速特性將熔化霧化一體化來制粉的方法。但是，這種高 溫離子體霧化法也存在不足，一是使用單一等離子槍熔化霧化時細霧率有限，二是即使采 用多束等離子槍熔化霧化時細霧率理想了，可是耗費等離子氣量又陡增，總之生產成本仍 然很大，產能低。
[0004] 綜上，現有金屬粉末制備技術還無法滿足今后3D打印所需高品質金屬粉末的需 要，特別是無法滿足高品質鎢、鉬、鉭、鈮、鈦或鈦合金等金屬粉末的需要。 【實用新型內容】
[0005] 為了克服現有技術制備金屬粉末顆粒粗大，設備投資大，占地多，生產成本高，無 法大規模產業化等技術缺陷和不足，本實用新型提供一種用超聲波振動霧化法制備微細球 狀金屬粉末的設備。本實用新型擬采用無級調速超聲波振動送絲系統與真空電子束發生器 或多個等離子發生器組合熔化霧化金屬材料的設備來制備金屬粉末。該設備的具體技術方 案為：
[0006] -種用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備，包括真空霧化室(6)，所述 真空霧化室(6)具有筒體(61)，在筒體(61)的上部連通有抽真空排氣管道(1)和安裝有電子 束發生器（13);下部連通有積粉斗(4)，積粉斗(4)下端連接有出粉口（5);左端設置有真空 霧化室前門（3);右端設置有真空霧化室后門（8);積粉斗(4)與筒體(61)外表面覆筒體冷卻 水套(141);真空霧化室前門（3)外表面覆前門冷卻水套(14);其特征在于：
[0007] 所述筒體(61)的內部設置有霧化室隔層(62)，所述霧化室隔層(62)與真空霧化室 后門（8)構成輔助機械室(9);
[0008] 所述輔助機械室(9)的內部設置有等離子發生器（12)和超聲波振動連續送絲的送 絲系統，所述送絲系統包括送絲機（10)、超聲波換能振蕩器（11)、校直機（19)，與外部連接 的絲料卷盤（7)，其中，所述送絲機（10)將絲料卷盤（7)上的金屬絲料（20)拉送給校直機 (19)校直后送至超聲波換能振蕩器（11)振動，再送至等離子發生器（12)的前端;所述等離 子發生器(12)的前端穿過霧化室隔層(62)伸在真空霧化室(6)的內部。
[0009] 進一步的在于，所述等離子發生器(12)為1~6個。
[0010] 進一步的在于，所述等離子發生器(12)為1或6個。
[0011] 進一步的在于，所述電子束發生器（13)為單獨開啟，相對于等離子發生器（12)獨 立工作。
[0012] 進一步的在于，在所述抽真空排氣管道（1)豎直段的內部設置有用于氣粉分離的 過濾器(2)，所述過濾器(2)由濾網（24)與濾網支撐架(27)嵌套構成。
[0013] 進一步的在于，在所述抽真空排氣管道（1)右側連通有支管道（111)，所述支管道 (111)再分別連通至電子束發生器(13)和輔助機械室(9)。
[0014] 進一步的在于，所述超聲波換能振蕩器（11)包括固定連接在一起的變幅桿(38)、 超聲波換能器(39)和外接超聲發生器的插座(40)，所述插座(40)在接受超聲波發生器的高 頻電磁振動后，同時傳遞給超聲波換能器(39)，所述超聲波換能器(39)再將高頻電磁振蕩 轉化為微弱機械振動傳遞給變幅桿(38)，所述變幅桿(38)再將所述微弱機械振動放大傳遞 給安裝在變幅桿(38)上端的送絲料振動頭組件產生振動。
[0015] 進一步的在于，所述變幅桿(38)與送絲料振動頭組件還可以分體組裝。
[0016] 進一步的在于，所述送絲料振動頭組件為滾壓式送絲料振動頭組件或拉絲模式送 絲料振動頭組件；
[0017] 所述滾壓式送絲料振動頭組件包括送絲振動頭(35 )、2個壓緊滑輪軸承(32 )，在送 絲振動頭(35)上設有進絲口（36)，其中，所述2個壓緊滑輪軸承(32)的滾動配合中間間隙與 所述進絲口（36)處于同一水平線;所述滾壓式送絲料振動頭組件還包括用于上下固定壓緊 滑輪軸承(32)的上U形塊、下U形塊、壓緊螺桿、鎖緊螺母組件。
[0018]所述拉絲模式送絲料振動頭組件是在變幅桿(38)上端的送絲振動頭（35)上裝安 裝橫向過絲孔的拉絲模，所述拉絲模將超聲波傳給通過拉絲模時的金屬絲料(20)產生超聲 波振動。
[0019 ]進一步的在于，所述金屬絲料為鎢、鉬、鉭、鈮、鈦或鈦合金。
[0020] 本實用新型設備的工作原理是：
[0021] 一是在真空度小于〇.〇5Pa的條件下，用電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發 射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電 子束，用此電子束去轟擊絲料頭端面，巨大的動能轉化為熱能，使絲棒料頭端面熔化，形成 熔池，在15KHz~120KHz超聲波振動頻率的作用下激起表面張力波，當超聲振動幅度達到一 定時，金屬液滴從波峰上飛離霧化和經氣體霧化，冷卻凝固成金屬粉末。
[0022] 二是使用單個或多個等離子發生器熔化與超聲波振動金屬的霧化制備金屬粉末， 是在真空度小于〇 . 〇5Pa時充入氬氣到0.01~0.05MPa條件下，用1~6個等離子發生器在 100A~400A的等離子束去轟擊絲棒料頭端面，巨大的熱能使絲棒料頭端面恪化，形成恪池， 在15KHz~120KHz超聲波振動頻率的作用下激起表面張力波，當超聲振動幅度達到一定時， 金屬液滴從波峰上飛離霧化和經氣體動能轉化為霧化，冷卻凝固成金屬粉末。
[0023]本實用新型的有益技術效果是：
[0024] 1、本實用新型設備實現了一機兩用的兩種制粉方法，一是真空電子束熔化與超聲 波振動金屬絲料霧化制備金屬粉末。二是本實用新型設備利用單個或多個等離子發生器組 合熔化與超聲波振動金屬絲料的霧化制備金屬粉末。這兩種方法均能滿足絲材原料為 0lmm~05mm的絲料；當使用原料為05ram~0l5mm的粗絲料時，就將前兩者結合聯制備金屬 粉末。
[0025] 2、本實用新型設備因采用了無級調速超聲波振動送絲系統，可使用大單重金屬絲 料卷盤，開一次機能實現持續長時間大產能生產。
[0026] 3、本實用新型設備占地小，結構簡單緊湊，全密閉式，易操作，投資少，運行成本 低。采用本實用新型設備生產的粉末具有純度高、粒度細、分布集中，外觀呈球形特征比現 有技術十分突出，顯著。
【附圖說明】
[0027] 圖1，是本實用新型的設備結構示意圖。
[0028] 圖2,是本實用新型的氣粉分離過濾器結構示意圖。
[0029] 圖3,是本實用新型的超聲波換能振蕩器結構示意圖。
[0030] 圖中，1-抽真空排氣管道、2-氣粉分離過濾器、3-真空霧化室前門、4一積粉斗、 5-出粉口、6-真空霧化室、7-絲料卷盤、8-真空霧化室后門、9-輔助機械室、10-送絲 機、11--超聲波換能振蕩器、12-等離子發生器、13--電子束發生器、14-前門冷卻水套、 15-筒體冷卻水進口、16-前門冷卻水進口、17-筒體冷卻水出口、18-前門冷卻水出口、 19-校直機、20-金屬絲料、21-霧化的金屬液滴、22-觀察窗、24-濾網、27-濾網支撐 架、32-壓緊滑輪軸承、35-送絲振動頭、36-進絲口、38-變幅桿、39-超聲波換能器、40-外接 超聲發生器的插座、61-筒體、62-霧化室隔層、71-預留口、111--抽真空排氣管的支管 道、141-筒體冷卻水套。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本實施例的設備和工藝進行詳細的說明。
[0032] 如圖1所示，是本實用新型用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備結構 示意圖。它包括真空霧化室6及其筒體61，在筒體61的上部連通有抽真空排氣管道1和安裝 有電子束發生器13;下部連通有積粉斗4,積粉斗4下端還連接有出粉口 5,方便打開排出金 屬粉末;左端設置有真空霧化室前門3,在所述真空霧化室前門3上還設置有觀察窗22,以方 便觀察真空霧化室6內部工作情況;右端設置有真空霧化室后門8;積粉斗4與筒體61外表面 覆筒體冷卻水套141，并設有筒體冷卻水進口 15和筒體冷卻水出口 17;真空霧化室前門3的 外表面覆前門冷卻水套14,并設有前門冷卻水進口 16和前門冷卻水出口 18。在設備工作前， 須分別開啟冷卻水套保持水循環，使真空霧化室內部降溫冷卻，創造金屬液滴冷卻凝固的 冷態環境。所述筒體61的內部設置有霧化室隔層62,所述霧化室隔層62與真空霧化室后門8 構成一個密閉的輔助機械室9。
[0033] 所述輔助機械室9的內部設置有等離子發生器12和具有無級調速超聲波振動送絲 的送絲系統，該送絲系統包括送絲機10、超聲波換能振蕩器11、外部接的絲料卷盤7、校直機 19;其中，所述送絲機10將絲料卷盤7上的金屬絲料20拉送經過校直機19校直后送至超聲波 換能振蕩器11振動，再送至等離子發生器12的前端，該前端穿過霧化室隔層62伸在真空霧 化室6的內部;送至前端的金屬絲料20表面在啟用等離子發生器12加熱熔融時，同時又在所 述超聲波換能振蕩器11的振動下熔融的液態金屬飛離表面形成金屬液滴21，冷卻凝固后成 金屬粉末。
[0034] 所述等離子發生器12為η個，η為自然數，本實施例優選為1個或6個。
[0035] 所述抽真空排氣管道1右側連通有支管道111，所述支管道111再分別連通至電子 束發生器13和輔助機械室9。其作用是可以分別對真空霧化室6、輔助機械室9和電子束發生 器13所處區域進行抽真空，保證三處區域真空度保持一致，節省運行成本。
[0036] 此外，所述筒體61的下部還設置有預留口 71，方便外接設備。
[0037] 所述超聲波換能振蕩器11放置在真空霧化室6的內、外均可。當放在外部時，超聲 波換能振蕩器11就連接在預留口 71。
[0038] 如圖2所示，是本實用新型的氣粉分離過濾器結構示意圖。氣粉分離過濾器2安裝 在抽真空排氣管道1豎直段的內部。所述氣粉分離過濾器2主要由濾網24和濾網支撐架27嵌 套而成，通過緊固件組成安裝在抽真空排氣管道1豎直段的內部。其作用是，在保證氣粉分 離過濾器2與真空霧化室6為一體化的同時，將霧化室內6漂浮和跟隨氣流運動的微細金屬 粉粒過濾留在真空霧化室6，只把氣體排出。
[0039] 如圖3所示，是本實用新型的超聲波換能振蕩器結構示意圖。所述超聲波換能振蕩 器11包括固連在一起的變幅桿38、超聲波換能器39和插座40,所述插座40將超聲發生器的 高頻電磁振蕩傳遞給超聲波換能器39,所述超聲波換能器39再將高頻電磁振蕩轉化為微弱 機械振動傳遞給變幅桿38,所述變幅桿38再將所述微弱機械振動放大傳遞給安裝在變幅桿 38上端的送絲料振動頭組件，并使金屬絲料振動。所述變幅桿38和送絲料振動頭組件可以 根據需要加工成一體件或加工成分體件均可。設備工作時，所述變幅桿38的振幅大于20μπι。
[0040] 所述送絲料振動頭組件，為滾壓式送絲料振動頭組件或拉絲模式送絲料振動頭組 件。
[0041] 所述滾壓式送絲料振動頭組件，包括送絲振動頭35、在送絲振動頭35上開的進絲 口 36和一組2個壓緊滑輪軸承32，其中，所述進絲口 36與所述一組2個壓緊滑輪軸承32的滾 動配合間隙處于同一水平線。該組件將超聲波振動傳給壓緊滑輪軸承32并使從進絲口 36進 入的金屬絲料20產生超聲波振動。所述滾壓式送絲料振動頭組件還包括用于上下固定壓緊 滑輪軸承32的上U形塊、下U形塊、壓緊螺桿、鎖緊螺母組件。
[0042]所述拉絲模式送絲料振動頭組件，是在變幅桿38上端的送絲振動頭35上裝安裝具 有橫向過絲孔的拉絲模，所述拉絲模將超聲波傳給通過拉絲模時的金屬絲料20產生超聲波 振動。本實施例最關鍵是滾壓式送絲料振動頭組件和拉絲模式送絲料振動頭組件能確保無 間隙地不間斷地持續送金屬絲料，也就保證了超聲波順利向絲料傳送，這也是絲料獲得超 聲波并能連續送料的關鍵。連續滾壓式超聲波振動送絲，大大提高產能，降低生產成本。 [0043]本實用新型適合生產各種金屬粉末產品，可滿足3D打印所需高品質金屬粉末，特 別適合鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鈦合金或不銹鋼金屬粉末制取。
[0044] 本實用新型設備的有益技術效果是，與現有技術相比：
[0045] 1、本實用新型設備的優點是:首先將兩種金屬粉末制備方法合二為一的設計。一 是真空電子束熔化超聲波振動金屬霧化制備金屬粉末，二是單個/多個等離子發生器熔化 超聲波振動金屬的霧化制備金屬粉末。三是結構緊湊簡約化的設計，即在真空管道內設置 氣粉分離過濾器，簡化了在霧化室外設置過濾器的麻煩，利用積粉斗集料作用，省下了一個 出料罐。運行成本低、占地小、設備利用率等。
[0046] 2、本實用新型采用了超聲波換能振蕩器中的滾壓式送絲料振動頭組件設計，該滾 壓式振動送絲確保了無間隙送絲棒料，也就保證了超聲波順利向絲棒料上傳送振動，這也 是絲棒料獲得超聲波并能連續送料生產的關鍵。本工藝使得超聲波技術在制備金屬粉末領 域得到新發展。
【主權項】
1. 一種用超聲波振動霧化制備微細球狀金屬粉末的設備，包括真空霧化室(6)，所述真 空霧化室(6)具有筒體(61)，在筒體(61)的上部連通有抽真空排氣管道(1)和安裝有電子束 發生器（13);下部連通有積粉斗(4)，積粉斗(4)下端連接有出粉口（5);左端設置有真空霧 化室前門（3);右端設置有真空霧化室后門（8);積粉斗(4)與筒體(61)外表面覆筒體冷卻水 套(141);真空霧化室前門（3)外表面覆前門冷卻水套(14);其特征在于： 所述筒體(61)的內部設置有霧化室隔層(62)，所述霧化室隔層(62)與真空霧化室后門 (8)構成輔助機械室(9); 所述輔助機械室(9)的內部設置有等離子發生器（12)和超聲波振動連續送絲的送絲系 統，所述送絲系統包括送絲機（10)、超聲波換能振蕩器（11)、校直機（19)，與外部連接的絲 料卷盤(7)，其中，所述送絲機（10)將絲料卷盤(7)上的金屬絲料(20)拉送給校直機（19)校 直后送至超聲波換能振蕩器（11)振動，再送至等離子發生器（12)的前端;所述等離子發生 器(12)的前端穿過霧化室隔層(62)伸在真空霧化室(6)的內部。2. 如權利要求1所述的設備，其特征在于:所述等離子發生器(12)為1~6個。3. 如權利要求2所述的設備，其特征在于:所述等離子發生器(12)為1或6個。4. 如權利要求1所述的設備，其特征在于:所述電子束發生器(13)為單獨開啟。5. 如權利要求1所述的設備，其特征在于:在所述抽真空排氣管道（1)豎直段的內部設 置有用于氣粉分離的過濾器(2)，所述過濾器(2)由濾網（24)與濾網支撐架(27)嵌套構成。6. 如權利要求1所述的設備，其特征在于:在所述抽真空排氣管道（1)右側連通有支管 道(111)，所述支管道(111)再分別連通至電子束發生器(13)和輔助機械室(9)。7. 如權利要求1~6中任意一項所述的設備，其特征在于:所述超聲波換能振蕩器（11) 包括固定連接在一起的變幅桿(38)、超聲波換能器(39)和外接超聲發生器的插座(40)，所 述插座(40)在接受超聲波發生器的高頻電磁振動后，同時傳遞給超聲波換能器(39)，所述 超聲波換能器(39)再將高頻電磁振蕩轉化為微弱機械振動傳遞給變幅桿(38)，所述變幅桿 (38)再將所述微弱機械振動放大傳遞給安裝在變幅桿(38)上端的送絲料振動頭組件。8. 如權利要求7所述的設備，其特征在于:所述變幅桿(38)與送絲料振動頭組件還可以 分體組裝。9. 如權利要求7所述的設備，其特征在于:所述送絲料振動頭組件為滾壓式送絲料振動 頭組件或拉絲模式送絲料振動頭組件； 所述滾壓式送絲料振動頭組件，包括送絲振動頭（35)、2個壓緊滑輪軸承（32)，在送絲 振動頭(35)上設有進絲口（36)，其中，所述2個壓緊滑輪軸承(32)的滾動配合中間間隙與所 述進絲口（36)處于同一水平線； 所述拉絲模式送絲料振動頭組件，是在所述送絲振動頭(35)上裝安裝具有橫向過絲孔 的拉絲模。10. 如權利要求9所述的設備，其特征在于:所述金屬絲料為鈦、鉭、鈮、鎢、鉬、鎳或鈦合 金。
【文檔編號】B22F9/08GK205660166SQ201620542559
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】劉學暉, 韓偉東
【申請人】寶雞萬品金屬科技有限公司