本發(fā)明涉及一種基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置，還涉及一種基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置方法。

背景技術(shù)：

隨著3d打印技術(shù)的快速發(fā)展，3d打印用材料產(chǎn)業(yè)近年來(lái)也增長(zhǎng)迅猛。金屬增材制造技術(shù)由于其成型范圍廣，可加工常規(guī)加工方法難以加工的零件，近年來(lái)在軍事等多個(gè)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。而等徑球形高品質(zhì)金屬粉體時(shí)成型的基礎(chǔ)原料，成型用金屬粉體的品質(zhì)對(duì)成型件的尺寸精度、力學(xué)性能等有較大的影響。均勻金屬粉體對(duì)顆粒的尺寸均勻性、粒徑分布范圍、球形度、組織一致性、氧含量有著較高的要求。然而目前我國(guó)市場(chǎng)上的金屬粉體質(zhì)量不高，與國(guó)外技術(shù)水平差距較大。市場(chǎng)上的金屬粉體不能滿(mǎn)足金屬增材技術(shù)對(duì)材料的要求，嚴(yán)重制約了我國(guó)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展。如何制備粒徑范圍分布窄、球形度高、組織均勻的金屬粉體成為亟需解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外制備球形金屬粉體主要的技術(shù)有：霧化法，包括氣霧化法，水霧化法，旋轉(zhuǎn)盤(pán)霧化法，離心霧化法，旋轉(zhuǎn)電極霧化法等。雖然霧化法制粉效率非常高，然而其利用外力使金屬流體隨機(jī)破碎而形成金屬顆粒，制備的金屬粉體粒度分布寬；通常還需輔以后續(xù)篩塔層層篩選工藝，工藝過(guò)程繁雜，易引入雜質(zhì)、氧/水含量不易控制。同時(shí)，微滴受介質(zhì)的劇烈沖擊后高速飛出，液滴飛行過(guò)程伴隨劇烈的振蕩，形成的顆粒球形度不好，且微觀組織不易控制。

文獻(xiàn)1“preparationofmonosizedcoppermicroparticlesbypulsatedorificeejectionmethod”公開(kāi)了一種制備均勻球形銅顆粒的方法。該方法制備的金屬顆粒尺寸均勻，球形度較高。然而該方法的粉體生產(chǎn)效率較低，難以用于金屬粉體大規(guī)模的生產(chǎn)。

文獻(xiàn)2“cn03258305.2的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利”公開(kāi)了一種基于rayleigh毛細(xì)液流不穩(wěn)定理論的連續(xù)式均勻微滴噴射法，通過(guò)背壓噴射出層流金屬射流，在壓電換能器產(chǎn)生的微小擾動(dòng)作用下發(fā)生rayleigh-plateau不穩(wěn)定斷裂，從而得到均勻的金屬粉體。然而該方法中極易受外界環(huán)境機(jī)械振動(dòng)、溫度波動(dòng)等不穩(wěn)定因素影響，使得液滴尺寸出現(xiàn)偏差，粉末尺寸均勻性難以進(jìn)行精確控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有均勻球形金屬粉體制備方法生產(chǎn)率低的不足，本發(fā)明提供一種基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置與方法。本發(fā)明通過(guò)給壓電陶瓷輸入電信號(hào)使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使噴嘴處的金屬熔液產(chǎn)生一定的速度，從而使一定量的金屬流體噴出，每次噴出的流體形成一顆金屬液滴。通過(guò)控制裝置中金屬熔液的壓力以及壓電陶瓷的振動(dòng)，可得到尺寸均勻、熱履歷一致的液滴。該方法制備的液滴飛行速度低，在很短的很行距離內(nèi)即可完全凝固，液滴的振蕩小，球形度高。在裝置的縱向和橫向安裝多個(gè)壓電陶瓷，同時(shí)利用不同尺寸的多噴孔噴嘴，可一次性大量制備多粒徑均勻球形金屬粉體。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置，其特點(diǎn)是：包括真空泵1、收集箱2、冷卻柜3、感應(yīng)加熱線(xiàn)圈4、腔室5、隔熱板6、冷卻環(huán)7、信號(hào)發(fā)生器8、氧含量檢測(cè)儀9、壓電陶瓷10、振動(dòng)桿11、噴嘴12、冷卻器13、粉體收集器14、阻隔板15、收集箱氣壓表16、氬氣瓶17、腔室壓力表18、坩堝19、感應(yīng)加熱器20、坩堝壓力表21、坩堝熱電偶22、溫控器23、腔室熱電偶24、水含量分析儀25和緊固件26。所述的腔室5與坩堝19分離，坩堝19用于熔融金屬原料，氬氣瓶17通過(guò)收集箱壓力表16向腔室5通入氬氣，使腔室5的金屬熔液的壓力值可調(diào)。信號(hào)發(fā)生器8向壓電陶瓷10輸入可變頻率、脈寬、幅值的電信號(hào)，噴嘴12能夠更換，所述的振動(dòng)桿11與噴嘴12之間距離可調(diào)。所述的腔室5中橫向和縱向安裝多個(gè)壓電陶瓷10，腔室5中安裝不同尺寸多噴孔的噴嘴12。阻隔板15用于隔絕相鄰壓電陶瓷10。所述的隔熱板6和冷卻環(huán)7用于阻隔熔融金屬向上傳遞的熱量，所述的冷卻器13用于調(diào)節(jié)金屬液滴所處的環(huán)境溫度。

所述噴嘴12是單噴孔或者多噴孔。

所述振動(dòng)桿11的材料是石墨或者陶瓷的任一種。

一種基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、選取金屬或合金材料作為制備金屬粉體的原料，首先通過(guò)物理和化學(xué)相結(jié)合的方法去除金屬表面的氧化皮。處理完成后，將原料放入坩堝19中，待原料熔化之后輸送到腔室5中。所述坩堝19能夠不間斷地為腔室5輸送金屬熔液。

步驟二、在腔室5頂部的橫向和縱向安裝多個(gè)壓電陶瓷10。

步驟三、安裝噴嘴12，同時(shí)，利用緊固件26調(diào)節(jié)振動(dòng)桿11與噴嘴12之間的距離，使得裝置能夠適用于不同種類(lèi)的金屬。

步驟四、將振動(dòng)桿11與壓電陶瓷10進(jìn)行螺紋連接。

步驟五、通過(guò)氬氣瓶17給收集箱2、腔室5和坩堝19中通入氬氣，避免金屬熔液和噴嘴12受氧化作用的影響。同時(shí)為腔室5提供壓強(qiáng)值可調(diào)的氣壓，保證金屬顆粒的穩(wěn)定噴射。

步驟六、啟動(dòng)冷卻柜3，把冷卻水通入冷卻環(huán)7，降低壓電陶瓷10附近的溫度，同時(shí)結(jié)合隔熱板6的作用，使壓電陶瓷10處在80℃以下。

步驟七、阻隔板15使得各噴嘴12之間的金屬熔液不受相鄰壓電陶瓷10振動(dòng)的影響，從而保證噴射過(guò)程穩(wěn)定且一致。

步驟八、啟動(dòng)加熱控制子系統(tǒng)，根據(jù)步驟一選取的金屬材料，設(shè)定感應(yīng)加熱器20的加熱溫度，確保坩堝19和腔室5中的金屬處于熔融狀態(tài)。待金屬熔液完全熔化且保溫15至30分鐘后，啟動(dòng)微滴噴射子系統(tǒng)，將信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生的電信號(hào)輸入到各個(gè)壓電陶瓷10。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)給壓電陶瓷輸入電信號(hào)使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使噴嘴處的金屬熔液產(chǎn)生一定的速度，從而使一定量的金屬流體噴出，每次噴出的流體形成一顆金屬液滴。通過(guò)控制裝置中金屬熔液的壓力以及壓電陶瓷的振動(dòng)，可得到尺寸均勻、熱履歷一致的液滴。該方法制備的液滴飛行速度低，在很短的很行距離內(nèi)即可完全凝固，液滴的振蕩小，球形度高。在裝置的縱向和橫向安裝多個(gè)壓電陶瓷，同時(shí)利用不同尺寸的多噴孔噴嘴，可一次性大量制備多粒徑均勻球形金屬粉體。

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-真空泵，2-收集箱，3-冷卻柜，4-感應(yīng)加熱線(xiàn)圈，5-腔室，6-隔熱板，7-冷卻環(huán)，8-信號(hào)發(fā)生器，9-氧含量檢測(cè)儀，10-壓電陶瓷，11-振動(dòng)桿，12-噴嘴，13-冷卻器，14-粉體收集器，15-阻隔板，16-收集箱氣壓表，17-氬氣瓶，18-腔室壓力表，19-坩堝，20-感應(yīng)加熱器，21-坩堝壓力表，22-坩堝熱電偶，23-溫控器，24-腔室熱電偶，25-水含量分析儀，26-緊固件。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照?qǐng)D1。

裝置實(shí)施例：

本發(fā)明基于均勻金屬液滴噴射的多粒徑均勻球形粉體批量制備裝置包括真空泵1、收集箱2、冷卻柜3、感應(yīng)加熱線(xiàn)圈4、腔室5、隔熱板6、冷卻環(huán)7、信號(hào)發(fā)生器8、氧含量檢測(cè)儀9、壓電陶瓷10、振動(dòng)桿11、噴嘴12、冷卻器13、粉體收集器14、阻隔板15、收集箱氣壓表16、氬氣瓶17、腔室壓力表18、坩堝19、感應(yīng)加熱器20、坩堝壓力表21、坩堝熱電偶22、溫控器23、腔室熱電偶24、水含量分析儀25和緊固件26。腔室5和坩堝19的分離，可在坩堝19中不斷添加金屬原料，從而可實(shí)現(xiàn)金屬粉體的不間斷生產(chǎn)。其中，通過(guò)氬氣瓶17向腔室5中通過(guò)收集箱壓力表16通入氬氣，使腔室5的金屬熔液的壓力值可調(diào)。信號(hào)發(fā)生器8向壓電陶瓷10輸入可變頻率、脈寬、幅值的電信號(hào)，噴嘴12可更換，振動(dòng)桿11與噴嘴12之間距離可調(diào)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)金屬和不同尺寸金屬粉體的制備。在腔室5中，在裝置內(nèi)橫向和縱向安裝多個(gè)壓電陶瓷10，同時(shí)利用不同尺寸多噴孔噴嘴12，可提高裝置的生產(chǎn)效率及適用性。阻隔板15隔絕了相鄰壓電陶瓷10產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了相鄰噴嘴的振動(dòng)隔離。隔熱板6和冷卻環(huán)7阻隔大部分熔融金屬向上傳遞的熱量，使得壓電陶瓷10的工作環(huán)境溫度處在安全工作溫度以下。冷卻器13可以調(diào)節(jié)金屬液滴所處的環(huán)境溫度，從而改變飛行液滴的冷卻速率，使得金屬微滴的組織可控。選取耐金屬腐蝕的惰性材料(如石墨、陶瓷)加工成振動(dòng)桿11。

方法實(shí)施例：

首先，對(duì)金屬原材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睿ㄟ^(guò)物理和化學(xué)相結(jié)合的方法去除金屬鋁表面的氧化皮，然后放入坩堝19中。然后打開(kāi)氬氣瓶17向收集箱2、腔室5、坩堝19中通入干燥的高純氬氣，通過(guò)真空泵1和氬氣瓶17的不斷作用，以及氧含量分析儀9和水含量分析儀25的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氧含量始終處在10ppm以下。此時(shí)啟動(dòng)加熱控制子系統(tǒng)，使得坩堝19和腔室5的溫度逐步上升至高于鋁熔點(diǎn)100℃，并保溫15至30分鐘，使得鋁熔液的熱性質(zhì)保持基本穩(wěn)定。使用的噴孔直徑均為600μm，且每個(gè)噴嘴12有10個(gè)噴孔或者1個(gè)噴孔。調(diào)節(jié)腔室5的氣壓，同時(shí)打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生頻率最大為100hz的電信號(hào)輸入20個(gè)壓電陶瓷10。在腔室5中的壓力以及壓電陶瓷10的振動(dòng)作用下，從噴嘴12處噴射出金屬液滴。產(chǎn)生的球形顆粒尺寸偏差小于1.5％，球形度誤差可控制在2％。通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻器13的降溫，使得從冷卻器13中間經(jīng)過(guò)的金屬鋁液滴以較高的冷卻速率凝固，從而在1h內(nèi)可生產(chǎn)20kg的均勻球形鋁粉體。

待收集結(jié)束后，停止向腔室5施加壓力，關(guān)閉腔室氣壓表18，關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器8。關(guān)閉溫控器23，打開(kāi)腔室5和收集箱2的連接，取出粉體收集器14得到制備的金屬粉體。最后，待金屬熔液冷卻凝固，向腔室5和坩堝19中通入0.4至0.6kpa的氬氣，使得在空擋期阻隔氧氣的進(jìn)入，保護(hù)金屬熔液不受氧化，使得腔室5中的金屬可以繼續(xù)使用。