3d打印用金屬粉末高效電弧放電制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械裝備及自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及一種3D打印用金屬粉末高效電弧放電制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印、激光熔覆等增材制造技術(shù)為當(dāng)前研究的熱門領(lǐng)域。比之傳統(tǒng)的減材料制造技術(shù)，制約增材制造過(guò)程涉及大量的固體金屬材料，用于零件的打印成型或者金屬基體的熔覆修整。
[0003]火花等離子體放電產(chǎn)生的高溫融化金屬或?qū)щ姴牧希捎脕?lái)制備金屬粉末。比如文獻(xiàn)披露利用火花等離子體進(jìn)行高溫合金粉末制備的方法(于軍等，火花等離子體放電制備高溫合金細(xì)粉新技術(shù)[J].金屬學(xué)報(bào).44 (7) ,2008:892-896)，其一，火花放電由于放電能量低，電極間距小，極容易導(dǎo)致短路，引起粉末易于燒蝕；其二，制備效率為其主要瓶頸，該方法基于火花等離子體放電，而火花等離子體放電的加工效率低成為業(yè)內(nèi)共識(shí)；另外，還有文獻(xiàn)披露使用電火花進(jìn)行粉末制備(郭雙全，等.火花等離子體放電制備粉末技術(shù)[J]，材料導(dǎo)報(bào).24(10)，2010:112-116)，其缺點(diǎn)如上，即制備效率低下，盡管該文獻(xiàn)及其引用的兩篇文獻(xiàn)(① Ackermann, et al.Fabricat1n of cryogenic refrigerator regeneratormaterials by spark eros1n:US, 5133800[P].1992-07-28 ;② Carrey J, Radousky HB,Berkowitz A E.Spark-eroded particles:1nfluence of pro cessing parameter s[J].J Appl Phys, 2004,95(3):823)披露了采用電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方法，然而基于火花放電，利用電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提高排肩效果并不能本質(zhì)上提高制備效率，而且電極采用浸沒式布置，不利于液態(tài)或者氣態(tài)金屬冷卻及工作介質(zhì)的散熱，不利于細(xì)化粉末，且該過(guò)程無(wú)法利用流體對(duì)火花等離體放電的作用，不利于防止顆粒的燒蝕。
[0004]比之火花等離子體，電弧等離子體具有高能電流密度，高能量密度，比如利用電弧放電對(duì)金屬材料加工，其加工效率比傳統(tǒng)火花放電加工的效率高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，現(xiàn)有技術(shù)在制備微細(xì)金屬粉末中，大量采用電弧放電技術(shù)，典型的利用手段有兩種，其一為利用電弧放電產(chǎn)生的高溫加熱加熱金屬，使之成為金屬蒸汽，并各種通過(guò)冷卻方法使得金屬粉末降溫后形成微細(xì)金屬粉末，所用的等離子發(fā)生裝置一般涉及到等離子電弧爐等，如專利文獻(xiàn)CN201010164462.9所披露；其二為直接利用電弧等離子體產(chǎn)生的高溫作用在金屬材料上，金屬材料作為電極通過(guò)電流，產(chǎn)生電弧放電后融化、蒸發(fā)電極材料，再通過(guò)冷卻各種方法使得氣態(tài)或液體金屬材料形成微細(xì)金屬粉末，如專利文件CN201510159503.8公開的3D打印用微細(xì)球形鈦粉的制備方法，該方法利用塊狀金屬鈦工件，通過(guò)電弧放電生產(chǎn)的粒徑30-80nm的顆粒，該文獻(xiàn)披露的電弧放電環(huán)境為惰性氣體，使用惰性氣體的作用是保護(hù)金屬粉末免受氧化，又如專利文獻(xiàn)CN201320649362.4披露的一種納米顆粒制備系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是利用電弧放電在氣相環(huán)境下放電，制備微細(xì)金屬粉末，該專利利用高壓電弧發(fā)生裝置產(chǎn)生電弧放電，電弧發(fā)生器上設(shè)置用于產(chǎn)生電弧的兩個(gè)電極，兩個(gè)電極相對(duì)設(shè)置，位于同一水平面上，并保持端部不接觸。
[0005]除氣相電弧放電制備微細(xì)金屬粉末外，也有利用液相電弧放電制備微細(xì)金屬粉末的報(bào)道，如專利文獻(xiàn)CN02141780.6公開的液相電弧制備超細(xì)顆粒和一維納米材料的方法，該方法所披露的制備手段是利用反應(yīng)器和嵌合于反應(yīng)器上的電極，并將反應(yīng)器中加入反應(yīng)液體，使得電極前段浸沒在液體中并調(diào)整電極件的距離為l-10mm，電源通電后基于電弧放電產(chǎn)生微細(xì)金屬粉末。該方法所用的反應(yīng)液體為液氮、液氦或高純水，電弧放電持續(xù)的時(shí)間為30分鐘。該專利文獻(xiàn)所述方法為利用浸沒在反應(yīng)液中電極放電實(shí)現(xiàn)顆粒制備，其缺點(diǎn)有:1)將電極浸沒在反應(yīng)中持續(xù)放電30分鐘，必然造成反應(yīng)液溫升嚴(yán)重，加大冷卻循環(huán)系統(tǒng)工作符合，不利于控制能耗；2)液氮、液氦等氣體溫度低，電極放置操作困難，而高純水在電弧放電產(chǎn)生離子放電作用下，電導(dǎo)率上升明顯，需增加離子交換系統(tǒng)。3)利用電極浸沒的方式，缺乏有效的短路預(yù)防措施，并且由于電極損耗導(dǎo)致連續(xù)制備困難。
[0006]總之，現(xiàn)有技術(shù)利用火花等離子體或者電弧等離子體制備金屬粉末，存在的問(wèn)題總結(jié)如下，一，制備效率，一方面，利用火花等離子制備粉末，由于其能力小，制備效率先天不足，另一方面，利用電弧等離子制備，盡管可以產(chǎn)生高溫，然而放電過(guò)程中熔融的液態(tài)金屬、蒸發(fā)的氣態(tài)金屬以及冷卻后的固態(tài)顆粒在電極之間極易引發(fā)短路，從而影響制備效率；二，斷弧機(jī)制，由于電弧等等離子體的高能量密度，持續(xù)的放電極易導(dǎo)致顆粒的燒蝕損傷，若無(wú)充分合理的斷弧機(jī)制，則會(huì)影響顆粒制備質(zhì)量；三，電極間顆粒排除，采用普通的塊狀電極浸沒放電或其它無(wú)輔助排肩運(yùn)動(dòng)的制備方法，一方面材料損耗不均勻?qū)е码y以連續(xù)性制備，另一方面容易由于顆粒排除不暢引起短路；四，放電介質(zhì)保護(hù)，特別是對(duì)浸沒式放電，含有金屬粉末的介質(zhì)導(dǎo)致極間放電特性改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述需解決的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種3D打印用金屬粉末高效電弧放電制備裝置。
[0008]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下:
[0009]—種3D打印用金屬粉末高效電弧放電制備裝置，包括供液系統(tǒng)、抽液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、放電電源，其特征在于:還包括支承座、主輥輪、主輥輪電刷、噴嘴、擋板、從輥輪、從輥輪電刷、收集過(guò)濾裝置、從輥輪運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、噴嘴運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、主輥輪動(dòng)力裝置和從輥輪動(dòng)力裝置；
[0010]所述的主輥輪安裝于支承座并在主輥輪動(dòng)力裝置帶動(dòng)下繞其軸線旋轉(zhuǎn)；所述的從棍輪連接從棍輪運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在其帶動(dòng)下沿X方向作直線運(yùn)動(dòng)，并且從棍輪在從棍輪動(dòng)力裝置帶動(dòng)下繞其軸線旋轉(zhuǎn)；
[0011]所述的主輥輪和從輥輪之間的間隙上方設(shè)置有噴嘴，噴嘴在噴嘴運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下沿X方向作水平移動(dòng)，該噴嘴的入口端分別與所述的供液系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)相連，出口端朝著主輥輪和從輥輪之間的間隙噴出帶有壓力的混合流體介質(zhì)；
[0012]所述的主輥輪通過(guò)主輥輪電刷連接放電電源的正極，所述的從輥輪通過(guò)從輥輪電刷連接放電電源的負(fù)極，使放電電源擊穿主輥輪和從輥輪之間的間隙，間隙間形成電弧等離子體融化主輥輪和從輥輪材料；該材料經(jīng)噴嘴噴出的混合流體介質(zhì)冷卻形成微細(xì)金屬粉末，該微細(xì)金屬粉末通過(guò)在主輥輪和從輥輪周圍設(shè)置的擋板抑制飛濺，并流入擋板下端開口處設(shè)置的收集過(guò)濾裝置；
[0013]所述的收集過(guò)濾裝置中的液體介質(zhì)通過(guò)抽液系統(tǒng)送至供液系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作。
[0014]進(jìn)一步地，所述的主輥輪和從輥輪旋轉(zhuǎn)方向相反。
[0015]進(jìn)一步地，所述的噴嘴所在的位置根據(jù)主輥輪和從輥輪之間的間隙位置適時(shí)調(diào)整。
[0016]進(jìn)一步地，所述的主輥輪和從輥輪為導(dǎo)電材料。
[0017]進(jìn)一步地，所述的供液系統(tǒng)提供可調(diào)參數(shù)的液體介質(zhì)，供氣系統(tǒng)提供參數(shù)可調(diào)的惰性氣體。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于:
[0019]1)顆粒制備效率，通過(guò)壓力流體介質(zhì)沖擊放電間隙，及時(shí)有效排除間隙中的金屬粉末，防止短路，提高制備效率；
[0020]2)利用壓力流體介質(zhì)擾動(dòng)甚至切斷電弧，利用電極間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械電弧，利用放電電源控制實(shí)現(xiàn)電氣斷弧，有效控制電弧對(duì)顆粒的作用時(shí)間，保護(hù)顆粒受到過(guò)度燒蝕；
[0021]3)采用旋轉(zhuǎn)的輥電