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超細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)域的應用日益擴大。尤其是隨著3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造領(lǐng)域?qū)饘俜勰┑男枨蟾鼮槠惹?，與此同時，對金屬粉末的性能要求也不斷提高。高性能的金屬粉末具有粒度范圍窄、純度高、成本低等特點。窄粒度可以保證熔融的金屬顆粒保持基本相同的狀態(tài)，否則，太大的顆粒在打印時已處于固態(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；低成本有利于應用領(lǐng)域的拓展，推動工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃化生產(chǎn)。高性能的金屬粉末需要采用先進的制備技術(shù)才能獲得。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)金屬粉末的傳統(tǒng)方式是霧化法，制備出的常規(guī)金屬粉末粒徑范圍大，必須經(jīng)過多次篩分及檢驗才能得到所需的粒徑，生產(chǎn)效率極低，且粉末球形度不佳；制備高活性金屬粉末，則很難獲得純凈的產(chǎn)物。致使大量高性能金屬粉末依賴進口，嚴重制約國內(nèi)金屬3D打印增材制造行業(yè)的發(fā)展。

為適應新形勢的需要，助力3D打印增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研發(fā)新型制粉技術(shù)，提高金屬粉末的制備水平及工藝具有重要的現(xiàn)實意義。本發(fā)明針對高活性金屬粉末易被氧化、污染的特點，提供一種新型的金屬粉末制備裝置及方法，可獲得性能優(yōu)異的金屬粉末。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的其中一個目的是提出一種高活性金屬超細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：一種高活性金屬超細粉末制備裝置，包括壓力容器體以及制粉系統(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，所述金屬放置部下端對向設(shè)置有至少兩個超聲波發(fā)射極，所述超聲波發(fā)射極可發(fā)射頻率相同、方向相反的超聲波。

優(yōu)選地，所述超聲波發(fā)射極穿過所述壓力容器體的側(cè)壁對向設(shè)置、軸線重合；所述超聲波發(fā)射極平面之間的距離調(diào)至半個聲波波長的整數(shù)倍。

優(yōu)選地，所述制粉系統(tǒng)還包括活塞桿、設(shè)置于所述壓力容器體上端的裝料倉、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，所述活塞桿上設(shè)置有用于固定所述金屬棒料的固定部。

優(yōu)選地，所述活塞桿與所述金屬放置部之間設(shè)置有連接桿，所述連接桿上設(shè)置有用于固定所述金屬棒料的固定部。

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線圈。

優(yōu)選地，所述壓力容器體包括上爐腔和下爐腔，所述下爐腔為倒錐體。

優(yōu)選地，所述壓力容器體底部設(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，所述壓力容器體與所述裝料倉之間通過密封蓋板密封，實現(xiàn)裝料倉內(nèi)完成換料的連續(xù)生產(chǎn)。

優(yōu)選地，還包括對壓力容器體進行抽真空處理的抽真空裝置，所述抽真空裝置與所述壓力容器體連接。

優(yōu)選地，所述抽真空裝置包括機械泵、羅茨泵。

優(yōu)選地，還包括向壓力容器體內(nèi)充入惰性氣體的氣路。

優(yōu)選地，所述惰性氣體為純度在99.999％以上的高純氣體，所述惰性氣體為高純Ar氣或高純N₂，所述惰性氣體充入量為0.6～1.2MPa

本發(fā)明還提供了一種金屬粉末制備方法，所述方法應用于權(quán)利要求1至13任一項所述的高活性金屬超細粉末制備裝置，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壓力容器體內(nèi)；

S30、通過氣路向壓力容器體充入惰性氣體；

S40、通過加熱裝置將金屬棒料熔化為金屬熔液；

S50、通過超聲波發(fā)射極發(fā)射頻率相同、方向相反的超聲波，形成超聲駐波場，在駐波場壓力結(jié)點位置將金屬熔滴破碎分散。

優(yōu)選地，在步驟S20前還包括使用機械泵、羅茨泵對爐腔抽真空至6.63×10^-1Pa。

基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明實施例至少可以產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

本發(fā)明在金屬放置部5-2位置放置金屬棒料，通過在金屬棒料底端外側(cè)壁的加熱裝置5-3對金屬棒料底部進行加熱熔化，形成與金屬棒料本體粘連的射流7-1，在重力作用下，射流從棒料脫落，形成金屬液流7-2。如圖2所示，對向設(shè)置的超聲波發(fā)射極2發(fā)射頻率相同，方向相反的超聲波，產(chǎn)生諧振的超聲駐波場2-1，在駐波場壓力結(jié)點位置2-2將金屬液流7-2擊碎成超細的錐狀的破碎微滴群7-3，微滴在容器體內(nèi)飛行并冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。解決了金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。該裝置還包括可與壓力容器體1連通的氣路6，通過氣路6向壓力容器體1充入惰性氣體，在惰性保護氣氛下可以避免金屬的氧化，同時可以作為聲波能量傳輸介質(zhì)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例所提供的金屬粉末制備裝置的示意圖；

圖2為圖1中I部位的局部放大圖；

圖3為本發(fā)明實施例所提供的金屬粉末制備方法的流程圖。

附圖標記：壓力容器體1、上爐腔1-1、下爐腔1-2、超聲波發(fā)射極2、超聲駐波場2-1，駐波場壓力結(jié)點位置2-2；機械泵3、羅茨泵4、制粉系統(tǒng)5、密封蓋板5-1、金屬放置部5-2、加熱裝置5-3、氣缸5-4、活塞桿5-5、裝料倉5-6、連接桿5-7、氣路6、射流7-1、金屬液流7-2、破碎微滴群7-3、集粉罐8、球閥9。

具體實施方式

下面可以參照附圖1～圖3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。下文通過附圖以及列舉本發(fā)明的一些可選實施例的方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案(包括優(yōu)選技術(shù)方案)做進一步的詳細描述。需要說明的是：本實施例中的任何技術(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，也不便于每個技術(shù)特征的實施方式均強調(diào)其為可選的多種實施方式之一，所以本領(lǐng)域技術(shù)人員應該知曉：可以將本發(fā)明提供的任一技術(shù)手段進行替換或?qū)⒈景l(fā)明提供的任意兩個或更多個技術(shù)手段或技術(shù)特征互相進行組合而得到新的技術(shù)方案。本實施例內(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)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍應該包括本領(lǐng)域技術(shù)人員不付出創(chuàng)造性勞動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)明提供的任意兩個或更多個技術(shù)手段或技術(shù)特征互相進行組合而得到的新的技術(shù)方案。

本發(fā)明實施例提供了一種高活性金屬超細粉末制備裝置及方法。下面結(jié)合圖1～圖3對本發(fā)明提供的技術(shù)方案進行更為詳細的闡述。

如圖1～圖2所示，本發(fā)明實施例所提供的金屬粉末制備裝置包括壓力容器體1以及制粉系統(tǒng)5，制粉系統(tǒng)5包括金屬放置部5-2，金屬放置部5-2用于放置金屬棒料。金屬棒料懸空置于壓力容器體1的腔體內(nèi)部，金屬棒料底端外側(cè)壁設(shè)置有加熱裝置5-3，金屬放置部5-2下端對向設(shè)置有超聲波發(fā)射極2，超聲波發(fā)射極2至少為兩個。本發(fā)明在金屬放置部5-2位置放置金屬棒料，通過在金屬棒料底端外側(cè)壁的加熱裝置5-3對金屬棒料底部進行加熱熔化，形成與金屬棒料本體粘連的射流7-1，在重力作用下，射流從棒料脫落，形成金屬液流7-2。如圖2所示，對向設(shè)置的超聲波發(fā)射極2發(fā)射頻率相同，方向相反的超聲波，產(chǎn)生諧振的超聲駐波場2-1，在駐波場壓力結(jié)點位置2-2將金屬液流7-2擊碎成超細的錐狀的破碎微滴群7-3，微滴在容器體內(nèi)飛行并冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。解決了金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。該裝置還包括可與壓力容器體1連通的氣路6，通過氣路6向壓力容器體1充入惰性氣體，在惰性保護氣氛下可以避免金屬的氧化，同時可以作為聲波能量傳輸介質(zhì)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，將超聲波發(fā)射極2穿過壓力容器體1的側(cè)壁對向設(shè)置、軸線重合，其中，超聲波發(fā)射極2可以設(shè)置為兩個或者兩個以上，比如四個或六個，但是需要設(shè)置為兩兩相對設(shè)置，這樣才能保證超聲駐波場2-1的穩(wěn)定。所述超聲波發(fā)射極平面之間的距離調(diào)至半個聲波波長的整數(shù)倍，所述超聲波發(fā)射極發(fā)射的超聲波振動頻率為20000Hz，振幅為50～120μm。

如圖2所示，制粉系統(tǒng)5還包括活塞桿5-5、設(shè)置于壓力容器體1上端的裝料倉5-6、設(shè)置于裝料倉5-6上端的氣缸5-4，活塞桿5-5一端置于裝料倉5-6內(nèi)，另一端置于氣缸5-4內(nèi)。所述活塞桿5-5底部可抵觸至金屬棒料，未裝料時，活塞桿5-5處于最高位，也即活塞桿完全收縮在氣缸5-4內(nèi)。裝料后，活塞桿5-5將金屬料送入壓力容器體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，從而避免雜質(zhì)混入粉末，提高了金屬粉末的純度。為了更好地放置金屬棒料，在活塞桿5-5上設(shè)置有用于固定金屬棒料的固定部。也可以在活塞桿5-5與金屬放置部5-2之間設(shè)置有連接桿5-7，連接桿5-7上設(shè)置有用于固定金屬棒料的固定部，這是通過較短的連接桿5-7固定金屬棒料，裝料后，活塞桿5-5通過連接桿5-7將金屬料送入壓力容器體1內(nèi)。

為了優(yōu)化該方案，可以將金屬棒料底部設(shè)置為倒錐體，壓力容器體1與裝料倉5-6之間通過密封蓋板5-1密封，實現(xiàn)裝料倉內(nèi)完成換料的連續(xù)生產(chǎn)。加熱裝置5-3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)倒錐狀的射流7-1，在重力作用下，射流從棒料脫落，形成金屬液流7-2。而加熱裝置5-3可以為感應線圈，通過控制線圈功率對不同的金屬進行熔化。

本發(fā)明提供的實施例中壓力容器體1包括上爐腔1-1和下爐腔1-2，下爐腔1-2設(shè)計為倒錐體，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1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的金屬粉末制備裝置還包括對壓力容器體1進行抽真空處理的抽真空裝置，抽真空裝置與壓力容器體1連接。其中，抽真空裝置包括機械泵3、羅茨泵4，通過抽真空裝置將壓力容器體1內(nèi)抽真空至6.63×10^-1Pa后，通過氣路6反充高純度的惰性氣體，在惰性保護氣氛下可以避免金屬的氧化，同時可以作為聲波能量傳輸介質(zhì)，惰性氣體為純度在99.999％以上的高純氣體，所述惰性氣體為高純Ar氣或高純N₂，所述惰性氣體充入量為0.6～1.2MPa，壓力容器體最大承壓能力為2.5MPa，容器內(nèi)壓力超過1.5MPa，氣路6啟動泄壓保護。而通過機械泵3、羅茨泵4的組合對壓力容器體1進行抽真空處理，從而對于抽真空后的氣壓的控制更加精準和可控，最大限度地降低金屬粉末被氧化的可能。

如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種金屬粉末制備方法，該方法應用于上述的金屬粉末制備裝置，包括：

S10、將金屬棒料放置于裝料倉5-6內(nèi)；

S20、對壓力容器體1進行抽真空處理；

S30、通過活塞桿5-5將金屬棒料推入壓力容器體1內(nèi)；

S40、通過氣路6向壓力容器體1充入惰性氣體；

S50、通過加熱裝置5-3將金屬棒料熔化為金屬熔液；

S60、通過超聲波發(fā)射極2發(fā)射頻率相同、方向相反的超聲波，形成超聲駐波場2-1，在駐波場壓力結(jié)點位置2-2將金屬熔滴破碎分散。

本發(fā)明提供的金屬粉末制備方法將將裝料倉5-6打開，金屬棒料放置于裝料倉5-6內(nèi)，金屬棒料的最大尺寸規(guī)格為Φ100mm×1000mm。對壓力容器體1進行抽真空處理，抽真空至6.63×10^-1Pa，然后將活塞桿5-5向裝料倉5-6內(nèi)伸長，通過活塞桿5-5將高活性金屬棒料送入壓力容器體1內(nèi)，然后通過氣路6向壓力容器體1充入惰性氣體，在惰性保護氣氛下可以避免金屬的氧化，同時可以作為聲波能量傳輸介質(zhì)，惰性氣體為純度在99.999％以上的高純氣體，所述惰性氣體為高純Ar氣或高純N₂，所述惰性氣體充入量為0.6～1.2MPa，壓力容器體最大承壓能力為2.5MPa，容器內(nèi)壓力超過1.5MPa，氣路總成啟動泄壓保護。之后金屬棒料底部利用加熱裝置5-3加熱使得金屬棒料底部熔化，并通過金屬棒料底部的位置以及線圈功率的控制，獲得與棒料本體粘連的射流7-1，在重力作用下，射流從棒料脫落，形成金屬液流7-2。之后通過對向設(shè)置的超聲波發(fā)射極2發(fā)射頻率相同，方向相反的超聲波，產(chǎn)生諧振的超聲駐波場2-1，在駐波場壓力結(jié)點位置2-2將金屬液流7-2擊碎成超細的錐狀的破碎微滴群7-3，微滴在容器體內(nèi)飛行并冷卻凝固成具有高球形度的金屬粉末。解決了金屬粉末粒徑不均的技術(shù)問題。

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)人員應該理解：優(yōu)選的數(shù)值范圍僅僅是諸多可實施的數(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)明才公開部分數(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)值不應構(gòu)成對本發(fā)明創(chuàng)造保護范圍的限制。

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)人員應該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述上對零部件進行區(qū)別如沒有另行聲明外，上述詞語并沒有特殊的含義。

同時，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單獨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部件。

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