CN105345019B - 3d打印用金属粉末高效电弧放电制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，包括供液系统，抽液系统，供气系统、主辊轮，从辊轮，运动导向机构，收集过滤装置，放电电源，主、从辊轮动力装置等。本发明基于流体动力断弧、机械运动断弧及脉冲电气断弧，防止电弧对电极的过度烧蚀，实现自动化微细金属粉末的高效生产，具体是利用电弧放电产生的高能量密度、高温度的电弧等离子体，将等离子作用于主辊轮和从辊轮之间，使得主辊轮，从辊轮材料瞬间熔融、蒸发，熔融、蒸发的材料在压力液体介质作用下凝结成球形微细金属粉末，并通过供气保护防止颗粒氧化，所形成的颗粒被冲刷至收集过滤装置后收集分离。

Description

3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置

技术领域

本发明属于机械装备及自动化领域，涉及一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置。

背景技术

3D打印、激光熔覆等增材制造技术为当前研究的热门领域。比之传统的减材料制造技术，制约增材制造过程涉及大量的固体金属材料，用于零件的打印成型或者金属基体的熔覆修整。

火花等离子体放电产生的高温熔化金属或导电材料，可用来制备金属粉末。比如文献披露利用火花等离子体进行高温合金粉末制备的方法(于军等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J].金属学报.44(7),2008:892-896)，其一，火花放电由于放电能量低，电极间距小，极容易导致短路，引起粉末易于烧蚀；其二，制备效率为其主要瓶颈，该方法基于火花等离子体放电，而火花等离子体放电的加工效率低成为业内共识；另外，还有文献披露使用电火花进行粉末制备(郭双全,等.火花等离子体放电制备粉末技术[J]，材料导报.24(10),2010:112-116)，其缺点如上，即制备效率低下，尽管该文献及其引用的两篇文献(①Ackermann,et al.Fabrication of cryogenic refrigerator regeneratormaterials by spark erosion:US,5133800[P].1992-07-28；②Carrey J,Radousky H B,Berkowitz A E.Spark-eroded particles:Influence of pro cessing parameter s[J].J Appl Phys,2004,95(3):823)披露了采用电极旋转运动的方法，然而基于火花放电，利用电极旋转运动提高排屑效果并不能本质上提高制备效率，而且电极采用浸没式布置，不利于液态或者气态金属冷却及工作介质的散热，不利于细化粉末，且该过程无法利用流体对火花等离体放电的作用，不利于防止颗粒的烧蚀。

比之火花等离子体，电弧等离子体具有高能电流密度，高能量密度，比如利用电弧放电对金属材料加工，其加工效率比传统火花放电加工的效率高1-2个数量级，现有技术在制备微细金属粉末中，大量采用电弧放电技术，典型的利用手段有两种，其一为利用电弧放电产生的高温加热加热金属，使之成为金属蒸汽，并各种通过冷却方法使得金属粉末降温后形成微细金属粉末，所用的等离子发生装置一般涉及到等离子电弧炉等，如专利文献CN201010164462.9所披露；其二为直接利用电弧等离子体产生的高温作用在金属材料上，金属材料作为电极通过电流，产生电弧放电后熔化、蒸发电极材料，再通过冷却各种方法使得气态或液体金属材料形成微细金属粉末，如专利文件CN201510159503.8公开的3D打印用微细球形钛粉的制备方法，该方法利用块状金属钛工件，通过电弧放电生产的粒径30-80nm的颗粒，该文献披露的电弧放电环境为惰性气体，使用惰性气体的作用是保护金属粉末免受氧化，又如专利文献CN201320649362.4披露的一种纳米颗粒制备系统，该系统也是利用电弧放电在气相环境下放电，制备微细金属粉末，该专利利用高压电弧发生装置产生电弧放电，电弧发生器上设置用于产生电弧的两个电极，两个电极相对设置，位于同一水平面上，并保持端部不接触。

除气相电弧放电制备微细金属粉末外，也有利用液相电弧放电制备微细金属粉末的报道，如专利文献CN02141780.6公开的液相电弧制备超细颗粒和一维纳米材料的方法，该方法所披露的制备手段是利用反应器和嵌合于反应器上的电极，并将反应器中加入反应液体，使得电极前段浸没在液体中并调整电极件的距离为1-10mm，电源通电后基于电弧放电产生微细金属粉末。该方法所用的反应液体为液氮、液氦或高纯水，电弧放电持续的时间为30分钟。该专利文献所述方法为利用浸没在反应液中电极放电实现颗粒制备，其缺点有：1)将电极浸没在反应中持续放电30分钟，必然造成反应液温升严重，加大冷却循环系统工作符合，不利于控制能耗；2)液氮、液氦等气体温度低，电极放置操作困难，而高纯水在电弧放电产生离子放电作用下，电导率上升明显，需增加离子交换系统。3)利用电极浸没的方式，缺乏有效的短路预防措施，并且由于电极损耗导致连续制备困难。

总之，现有技术利用火花等离子体或者电弧等离子体制备金属粉末，存在的问题总结如下，一，制备效率，一方面，利用火花等离子制备粉末，由于其能力小，制备效率先天不足，另一方面，利用电弧等离子制备，尽管可以产生高温，然而放电过程中熔融的液态金属、蒸发的气态金属以及冷却后的固态颗粒在电极之间极易引发短路，从而影响制备效率；二，断弧机制，由于电弧等等离子体的高能量密度，持续的放电极易导致颗粒的烧蚀损伤，若无充分合理的断弧机制，则会影响颗粒制备质量；三，电极间颗粒排除，采用普通的块状电极浸没放电或其它无辅助排屑运动的制备方法，一方面材料损耗不均匀导致难以连续性制备，另一方面容易由于颗粒排除不畅引起短路；四，放电介质保护，特别是对浸没式放电，含有金属粉末的介质导致极间放电特性改变。

发明内容

针对上述需解决的问题，本发明提供了一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，包括供液系统、抽液系统、供气系统、放电电源，其特征在于：还包括支承座、主辊轮、主辊轮电刷、喷嘴、挡板、从辊轮、从辊轮电刷、收集过滤装置、从辊轮运动导向机构、喷嘴运动导向机构、主辊轮动力装置和从辊轮动力装置；

所述的主辊轮安装于支承座并在主辊轮动力装置带动下绕其轴线旋转；所述的从辊轮连接从辊轮运动导向机构，在其带动下沿X方向作直线运动，并且从辊轮在从辊轮动力装置带动下绕其轴线旋转；

所述的主辊轮和从辊轮之间的间隙上方设置有喷嘴，喷嘴在喷嘴运动导向机构带动下沿X方向作水平移动，该喷嘴的入口端分别与所述的供液系统和供气系统相连，出口端朝着主辊轮和从辊轮之间的间隙喷出带有压力的混合流体介质；

所述的主辊轮通过主辊轮电刷连接放电电源的正极，所述的从辊轮通过从辊轮电刷连接放电电源的负极，使放电电源击穿主辊轮和从辊轮之间的间隙，间隙间形成电弧等离子体熔化主辊轮和从辊轮材料；该材料经喷嘴喷出的混合流体介质冷却形成微细金属粉末，该微细金属粉末通过在主辊轮和从辊轮周围设置的挡板抑制飞溅，并流入挡板下端开口处设置的收集过滤装置；

所述的收集过滤装置中的液体介质通过抽液系统送至供液系统，实现循环工作。

进一步地，所述的主辊轮和从辊轮旋转方向相反。

进一步地，所述的喷嘴所在的位置根据主辊轮和从辊轮之间的间隙位置适时调整。

进一步地，所述的主辊轮和从辊轮为导电材料。

进一步地，所述的供液系统提供可调参数的液体介质，供气系统提供参数可调的惰性气体。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)颗粒制备效率，通过压力流体介质冲击放电间隙，及时有效排除间隙中的金属粉末，防止短路，提高制备效率；

2)利用压力流体介质扰动甚至切断电弧，利用电极间的相对运动实现机械电弧，利用放电电源控制实现电气断弧，有效控制电弧对颗粒的作用时间，保护颗粒受到过度烧蚀；

3)采用旋转的辊电极，辅助排除制备颗粒，并均化电极损耗；

4)采用非浸没式放电，保护介质放电特性。

附图说明

图1为本发明3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置X-Z方向示意图；

图2为本发明3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置X-Y方向示意图；

图中：1供液系统，2支承座，3主辊轮，4主辊轮电刷，5喷嘴，6挡板 7从辊轮，8从辊轮电刷，9收集过滤装置，10抽液系统，11从辊轮运动导向机构，12放电电源，13喷嘴运动导向机构，14供气系统，15主辊轮动力装置，16从辊轮动力装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

请参阅图1和图2，图1为本发明3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置X-Z方向示意图；图2为本发明3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置X-Y方向示意图。如图所示，一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，包括供液系统1、抽液系统10、供气系统14、放电电源12、支承座2、主辊轮3、主辊轮电刷4、喷嘴5、挡板6、从辊轮7、从辊轮电刷8、收集过滤装置9、从辊轮运动导向机构11、喷嘴运动导向机构13、主辊轮动力装置15和从辊轮动力装置16。

主辊轮3安装于支承座2并可在主辊轮动力装置15带动下绕其轴线旋转；从辊轮7连接从辊轮运动导向机构11，在其带动下可沿X方向沿直线运动，并且从辊轮7可在从辊轮动力装置16带动下绕其轴线旋转。主辊轮3和从辊轮7之间的间隙上方设置有喷嘴5，喷嘴5在喷嘴运动导向机构13带动下可沿X方向水平移动，并通过供液系统1和供气系统14喷出带有压力的混合流体介质，该流体介质一方面提供放电介质，另一方面及时切断电弧，保护所制备的颗粒免受电弧烧蚀及氧化。主辊轮3和从辊轮7分别通过主辊轮电刷4和从辊轮电刷8连接放电电源12的正、负极；放电电源12击穿主辊轮3和从辊轮7之间的间隙，形成的电弧等离子体熔化主辊轮3和从辊轮7材料；所熔化的材料通过喷嘴5喷出的液体介质冷却形成微细金属粉末，该颗粒通过挡板6抑制飞溅，并通过收集过滤装置9收集。收集过滤装置9中的液体介质通过抽液系统10送至供液系统1，实现循环工作。

主辊轮3和从辊轮7旋转方向相反。

喷嘴5所在的位置根据主辊轮3和从辊轮7之间的间隙位置适时调整。

主辊轮3和从辊轮7为导电材料。

供液系统1提供可调参数的液体介质，供气系统14提供参数可调的惰性气体。

所述的放电电源12为脉冲电源实现电气断弧。

主辊轮为圆柱形，则可加入其旋转运动，提高制备效率，主辊轮也可以是方形的，则其自身无法旋转，由从辊轮旋转。

本发明原理如下：

主辊轮3在主辊轮动力装置15带动下旋转，从辊轮7在从辊轮动力装置16带动下旋转，主辊轮3和从辊轮7的旋转方向相反，且两者保持一定的间隙，该间隙即为放电间隙；

主辊轮3和从辊轮7分别通过电刷接放电电源12的两极，此时在主辊轮3和从辊轮7的间隙上形成电场；喷嘴5连接着供液系统1及供气系统14，两者的混合流体介质喷在主辊轮3和从辊轮7之前的间隙。

当辊轮运动导向机构11带动从辊轮7向主辊轮3运动靠近时，主辊轮3和从辊轮7的间隙不断变小直至击穿，形成电弧等离子体；主辊轮3和从辊轮7上放电区域的材料瞬间熔化、蒸发，在混合流体介质作用下迅速冷却形成颗粒，混合流体介质可扰动电弧等离子，配合电气断弧，结合主辊轮3和从辊轮7之间的机械断弧，保护颗粒被烧蚀，同时在供气系统1的气体保护下防止被被氧化；颗粒在混合流体介质冲刷下通过挡板6抑制飞溅，并进入收集过滤装置9，过滤装置9将颗粒和液体介质分离，分离后的液体介质由抽液系统10抽吸到供液系统1后循环使用。此外，喷嘴5喷出的混合流体介质对液态或气态金属施加外力，在其冷却凝结过程中细化粉末。

Claims (6)

1.一种3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，包括供液系统(1)、抽液系统(10)、供气系统(14)、放电电源(12)，其特征在于：还包括支承座(2)、主辊轮(3)、主辊轮电刷(4)、喷嘴(5)、挡板(6)、从辊轮(7)、从辊轮电刷(8)、收集过滤装置(9)、从辊轮运动导向机构(11)、喷嘴运动导向机构(13)、主辊轮动力装置(15)和从辊轮动力装置(16)；

所述的主辊轮(3)安装于支承座(2)并在主辊轮动力装置(15)带动下绕其轴线旋转；所述的从辊轮(7)连接从辊轮运动导向机构(11)，在其带动下沿X方向作直线运动，并且从辊轮(7)在从辊轮动力装置(16)带动下绕其轴线旋转；

所述的主辊轮(3)和从辊轮(7)之间的间隙上方设置有喷嘴(5)，喷嘴(5)在喷嘴运动导向机构(13)带动下沿X方向作水平移动，该喷嘴(5)的入口端分别与所述的供液系统(1)和供气系统(14)相连，出口端朝着主辊轮(3)和从辊轮(7)之间的间隙喷出带有压力的混合流体介质；

所述的主辊轮(3)通过主辊轮电刷(4)连接放电电源(12)的正极，所述的从辊轮(7)通过从辊轮电刷(8)连接放电电源(12)的负极，使放电电源(12)击穿主辊轮(3)和从辊轮(7)之间的间隙，间隙间形成电弧等离子体熔化主辊轮(3)和从辊轮(7)材料；该材料经喷嘴(5)喷出的混合流体介质冷却形成微细金属粉末，该微细金属粉末通过在主辊轮(3)和从辊轮(7)周围设置的挡板(6)抑制飞溅，并流入挡板(6)下端开口处设置的收集过滤装置(9)；

所述的收集过滤装置(9)中的液体介质通过抽液系统(10)送至供液系统(1)，实现循环工作。

2.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，其特征在于：所述的主辊轮(3)和从辊轮(7)的旋转方向相反，实现机械运动断弧，主辊轮(3)和从辊轮(7)之间的距离根据间隙放电状态调整；所述的喷嘴(5)所在的位置根据主辊轮(3)和从辊轮(7)之间的间隙位置适时调整。

3.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，其特征在于：所述的主辊轮(3)和从辊轮(7)均为导电金属材料。

4.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，其特征在于：所述的供液系统(1)提供可调参数的液体介质，所述的供气系统(14)提供参数可调的惰性气体。

5.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，其特征在于：所述的放电电源(12)为脉冲电源。

6.根据权利要求1所述的3D打印用金属粉末高效电弧放电制备装置，其特征在于：所述的从辊轮(7)为柱形金属材料，所述的主辊轮(3)为柱形金属材料。