CN108672709A - 一种气雾化生产3d打印用金属粉的装置 - Google Patents

Abstract

一种气雾化生产3D打印用金属粉的装置，所述装置自上而下包括雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘、电磁屏蔽环以及高频感应线圈；所述雾化喷盘包括主雾化气流喷口和辅助保护气流喷口；所述高频感应线圈包括同轴设置的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈通过导线单独控制；第一线圈位于第二线圈的上方，第二线圈为锥台形线圈，其锥角在‑°之间；所述熔化中心位于第二线圈内，α<β，所述α＝30‑50°，所述β＝20‑40°。该装置能够有效的收窄金属粉末粒径范围。

Description

一种气雾化生产3D打印用金属粉的装置

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种雾化法制备金属粉末技术领域，具体涉及一种金属气雾化装置。

背景技术

金属气雾化生产3D打印金属粉的方法和装置在快速的发展，中国专利(公布号CN107900366A，名称：气雾化连续制备3D打印用钛或钛合金粉末的装置及方法)公开了如下技术方案：所述装置自上而下包括雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘、电磁屏蔽环以及高频感应线圈；所述雾化喷盘和固定顶板通过固定螺栓；所述雾化喷盘固定顶板及雾化喷盘中心位置设有钛或钛合金丝材连续输送给进孔；所述雾化喷盘与电磁屏蔽环以所述输送给进孔轴心同轴安装；所述雾化喷盘包括主雾化气流喷口和辅助保护气流喷口；经所述主雾化气流喷口喷出的雾化气流在所述丝材上汇聚形成雾化中心，所述雾化中心与所述高频感性线圈加热丝材端部形成的熔化中心重合。从而使得熔流产生后即被雾化主气流限制并且雾化，最大限度保证过热度、减少热量损失，实现钛或钛合金雾化的高细粉收得率。

这种将高频感应加热线圈设置在喷射口下侧的设置由于缩短了雾化气流与金属液流之间的距离，形成紧耦合，使金属液流在高温下就被气流击碎成细小液体，有利于获得粒径小范围窄的金属粉。

但是当想进一步提高其效果，获得更高的细粉收得率就有必要对设备进行改进。

现有技术中，高频感应线圈通常是筒状或是倒锥形，丝材从其轴线穿过，丝材底端一般在感应线圈的底部上方较近的距离，磁感应线方向是弧形斜向外侧延伸。熔融液滴或液流收到的电磁力Fem可以通过来计算。公式中：μ为金属线材的导磁系数；I ₀为感应线圈中的电流；R_d为熔滴半径；i为感应线圈的第i圈；n为感应线圈的总圈数；b i为第i圈的半径；Z为熔滴几何中心的高度；Z i为感应线圈第i圈的高度；F em为熔滴在轴向上某点所受的电磁力；G(x)为无因次函数，与金属丝材半径和高频电流的透入深度之比有关。换言之，通过控制线圈半径，高度以及电流大小能够控制液滴或是液流顶端处的直径大小，也就是说，能够控制金属熔融时的形貌。

电磁力作用到熔融液流或液滴的熔融点处，如图1所示，熔融液流或液滴会收到向感应线圈底端写向外的电磁力，这时会将液流或液滴拉宽一些，但是现有技术中，并没有利用这一点。主要原因是这个作用力在筒状或是倒锥形感应线圈作用下非常小，通常不做考虑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够收窄金属粉粒径范围的气雾化生产3D打印用金属粉的装置。

为了实现上述目的，本发明提供的装置，自上而下包括雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘、电磁屏蔽环以及高频感应线圈；

其中，所述雾化喷盘和雾化喷盘固定顶板通过固定螺栓固定连接；所述雾化喷盘固定顶板及雾化喷盘中心位置设有金属丝材输送给进孔；

所述雾化喷盘与电磁屏蔽环以所述输送给进孔轴心同轴安装；

所述雾化喷盘包括主雾化气流喷口和辅助保护气流喷口；

经所述主雾化气流喷口喷出的雾化气流在所述丝材上汇聚形成雾化中心，所述雾化中心与主雾化气流喷口的连线构成与轴线夹角为α的圆锥面；所述雾化中心与所述高频感应线圈加热丝材端部形成的熔化中心重合；

喷盘辅助保护气流喷口为环孔布置，数量在4-10个，

所述环孔为设置在主雾化气流喷口外围的通槽，其引导气流呈倒锥形喷射，锥角为β；

所述主雾化气流喷口为拉尔瓦环缝；

所述高频感应线圈包括同轴设置的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈通过导线单独控制；

第一线圈位于第二线圈的上方，第二线圈为锥台形线圈，其锥角在30-60°之间；

所述熔化中心位于第二线圈内，α<β，所述α＝30-50°，所述β＝20-40°。

优选的，所述第一线圈为筒状线圈，第二线圈顶端线圈的内径与第一线圈内径相同。

优选的，所述第一线圈为锥台形线圈，第二线圈顶端线圈的内径比第一线圈内径小，第一线圈的锥角小于第二线圈的锥角，第一线圈的锥角在30-50°之间。

进一步的，还包括2-4个微波发射器，其波导管位于第一线圈和第二线圈之间，且沿水平圆周均匀分布，其所在圆周的圆心位于高频感应线圈轴线上，其波导管发射口均指向熔化中心，所述波导管外表面包覆电磁屏蔽层。

进一步的，还包括一个固定在雾化喷盘上的丝材稳定筒，其与输送给进孔同轴，丝材稳定筒中心孔的内径大于丝材的外径，二者之差不大于2mm。

进一步的，所述丝材稳定筒底端伸出雾化喷盘伸入第一线圈内，丝材稳定筒由耐高温陶瓷制成。

本发明的有益效果在于：

1、设置能够分别控制的两个高频感应线圈，上下布置，位于上侧的第一线圈用于预热丝材，第二线圈用于熔化丝材，两个线圈分开控制便于控制金属熔化的位置，便于生产不同金属粉时调整最佳工艺。

2、第二线圈是锥台形线圈，电磁力作用下能够将金属熔融形成的熔融端拉宽，增大了与气流接触的面积，尤其是在高温状态下的冲击面积，能够有效的提高气流使用效率，收窄分料粒径范围，且由于第二线圈是单独控制的，能够通过改变电磁线圈的电流大小，交变频率等参数来改变电磁力的大小，进而获得不同金属生产时的最佳参数，获得所需的分料粒径范围。

3、块体金属对微波的是不吸收的，但是粉末态和熔融态的金属是能够吸收微波，并受到微波的作用自身升温加热的。为了维持或是增加拉宽的熔融端温度，增加了微波发射，对熔融金属进行加热，辅助冲击气流，使分料粒径进一步减小，粒径范围进一步收窄。

附图说明

图1是现有技术中熔融金属收到的电磁力示意图。

图2是第一实施例示意图。

图3是第二实施例示意图

图4是第三实施例示意图。

图5是图4局部放大图。

图6是主雾化气流喷口和辅助保护气流喷口配合关系俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图2-6所示，一种气雾化生产3D打印用金属粉的装置，所述装置自上而下包括雾化喷盘固定顶板20、雾化喷盘30、电磁屏蔽环50以及高频感应线圈60；其中，所述雾化喷盘30和雾化喷盘固定顶板20通过固定螺栓80固定连接；所述雾化喷盘固定顶板20及雾化喷盘30中心位置设有金属丝材10输送给进孔；所述雾化喷盘30与电磁屏蔽环50以所述输送给进孔轴心同轴安装；所述雾化喷盘30包括主雾化气流喷口41和辅助保护气流喷口42；经所述主雾化气流喷口41喷出的雾化气流在所述丝材10上汇聚形成雾化中心，所述雾化中心与主雾化气流喷口41的连线构成与轴线夹角为α的圆锥面；所述雾化中心与所述高频感应线圈60加热丝材10端部形成的熔化中心重合；喷盘辅助保护气流喷口42为环孔布置，数量在4-10个，所述环孔为设置在主雾化气流喷口41外围的通槽，其引导气流呈倒锥形喷射，锥角为β；所述主雾化气流喷口41为拉尔瓦环缝；所述高频感应线圈60包括同轴设置的第一线圈61和第二线圈62，第一线圈61和第二线圈62通过导线单独控制；第一线圈61位于第二线圈62的上方，第二线圈62为锥台形线圈，其锥角在30-60°之间；所述熔化中心位于第二线圈62内，α<β，所述α＝30-50°，所述β＝20-40°。此技术方案构成了基础实施方式。

第一实施例

如图2所示，在基础实施方式的基础上，将所述第一线圈61设置为锥台形线圈，第二线圈62顶端线圈的内径比第一线圈61内径小，第一线圈61的锥角小于第二线圈62的锥角，第一线圈61的锥角在30-50°之间。将第一线圈设置成锥台形的目的是让两个线圈的磁力线减少交叉干扰。

第二实施例

如图3所示，在基础实施方式的基础上，第一实施例的技术方案，设置第一线圈61为筒状线圈，第二线圈62顶端线圈的内径与第一线圈61内径相同。还包括2-4个微波发射器90，其波导管位于第二线圈的底部，且沿水平圆周均匀分布，其所在圆周的圆心位于高频感应线圈60轴线上，其波导管发射口均指向熔化中心，所述波导管外表面包覆电磁屏蔽层。电磁屏蔽层可以如果单独使用电磁屏蔽膜，有可能会因为高温导致使用寿命较短，在电磁屏蔽膜上附加的一层隔热层，隔热层与电磁屏蔽层之间使用铜制的毛细管进行水冷或是其他冷却液冷却，防止波导管收到电磁力作用升温变形。

还包括一个固定在雾化喷盘30上的丝材稳定筒70，其与输送给进孔同轴，丝材稳定筒70中心孔的内径大于丝材10的外径，二者之差不大于2mm。

第三实施例

如图4所示，在基础实施方式的基础上，第一实施例的技术方案，设置第一线圈61为筒状线圈，第二线圈62顶端线圈的内径与第一线圈61内径相同。还包括2-4个微波发射器90，其波导管位于第一和第二线圈的之间，且沿水平圆周均匀分布，其所在圆周的圆心位于高频感应线圈60轴线上，其波导管发射口均指向熔化中心，所述波导管外表面包覆电磁屏蔽层。电磁屏蔽层可以如果单独使用电磁屏蔽膜，有可能会因为高温导致使用寿命较短，在电磁屏蔽膜上附加的一层隔热层，隔热层与电磁屏蔽层之间使用铜制的毛细管进行水冷或是其他冷却液冷却，防止波导管收到电磁力作用升温变形。

还包括一个固定在雾化喷盘30上的丝材稳定筒70，其与输送给进孔同轴，丝材稳定筒70中心孔的内径大于丝材10的外径，二者之差不大于2mm。

所述丝材稳定筒70底端伸出雾化喷盘30伸入第一线圈61内，位于第一线圈的顶部，伸入过多容易受到高温导致的温度应力，丝材稳定筒70由耐高温陶瓷制成。

通过实验中国专利(公布号CN107900366A，名称：气雾化连续制备3D打印用钛或钛合金粉末的装置及方法)与基础实施方式以及三个实施例生产同样的两种金属粉进行对比，生产十个批次,工艺参数和过程：选取直径为3mm的丝材，开启给进设备，给进速度为20mm/s。设置喷盘主雾化气流喷口与喷盘辅助保护气流喷口在同一水平高度。首先对整套雾化设备抽真空，设备内部压强为2.0×10^-3Pa，后冲入保护氩气，设备内部压强为0.04MPa，然后重复以上操作一次。开启电磁屏蔽环系统冷却水，开启高频感应线圈系统冷却水。丝材进入高频感应线圈后，开启高频感应电源，过热度控制在300±20k，开启雾化喷盘，主雾化喷盘压强设置为4MPa，辅助保护气流压强设置为4MPa，进行雾化。雾化结束后将制备的3D打印用钛及钛合金粉末收集。十次生产粉料，进行筛分，对-100目即150um以下的物料进行统计：

由以上结果可知：

1、该装置能够有效的收窄金属粉的粒径范围，减小峰值对应的粒径；

2、磁性材料实用该装置粒径收窄的效果更佳显著，主要原因在于设备同样的参数下，磁性材料如铁基材料受到电磁力影响跟大，冲击面积更大。

3、两个锥台形的线圈比一个筒状一个锥台形线圈的效果要好。

4、增加了微波之后能够一定程度的增加了设备可调整的工具，使用好微波的辅助能够进一步降低分料粒径。

5、微波最好从上向下发射到熔融面与气流交汇的面上，从数据上看，这样更有利于获得更细的粉料。

该装置在对不同种类金属进行生产时，可以根据材料磁导系数，通过调整第一和第二线圈的电流大小、交变的频率控制熔融的位置，使熔融点与雾化点重合。设备可以设置一个透明的观察孔进行可视化的调整，开始也可以设置摄像机，对气流冲击过程进行录制，然后回看来辅助调整过程。根据生产的结果，即分料的粒径等参数，调整电磁力大小、风速等参数，能够获得最佳的效果。

最大的好处在于，提供了气雾化的可控程度，增加了对气雾化过程的调整的手段，能够对气雾化的结果进行改进。此外，在比现有技术更优的范围内，能够对产品粒径结果进行控制。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气雾化生产3D打印用金属粉的装置，所述装置自上而下包括雾化喷盘固定顶板(20)、雾化喷盘(30)、电磁屏蔽环(50)以及高频感应线圈(60)；

其中，所述雾化喷盘(30)和雾化喷盘固定顶板(20)通过固定螺栓(80)固定连接；所述雾化喷盘固定顶板(20)及雾化喷盘(30)中心位置设有金属丝材(10)输送给进孔；

所述雾化喷盘(30)与电磁屏蔽环(50)以所述输送给进孔轴心同轴安装；

所述雾化喷盘(30)包括主雾化气流喷口(41)和辅助保护气流喷口(42)；

经所述主雾化气流喷口(41)喷出的雾化气流在所述丝材(10)上汇聚形成雾化中心，所述雾化中心与主雾化气流喷口(41)的连线构成与轴线夹角为α的圆锥面；所述雾化中心与所述高频感应线圈(60)加热丝材(10)端部形成的熔化中心重合；

喷盘辅助保护气流喷口(42)为环孔布置，数量在4-10个，

其特征在于，

所述环孔为设置在主雾化气流喷口(41)外围的通槽，其引导气流呈倒锥形喷射，锥角为β；

所述主雾化气流喷口(41)为拉尔瓦环缝；

所述高频感应线圈(60)包括同轴设置的第一线圈(61)和第二线圈(62)，第一线圈(61)和第二线圈(62)通过导线单独控制；

第一线圈(61)位于第二线圈(62)的上方，第二线圈(62)为锥台形线圈，其锥角在30-60°之间；

所述熔化中心位于第二线圈(62)内，α<β，所述α＝30-50°，所述β＝20-40°。

2.根据权利要求1所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，所述第一线圈(61)为筒状线圈，第二线圈(62)顶端线圈的内径与第一线圈(61)内径相同。

3.根据权利要求1所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，所述第一线圈(61)为锥台形线圈，第二线圈(62)顶端线圈的内径比第一线圈(61)内径小，第一线圈(61)的锥角小于第二线圈(62)的锥角，第一线圈(61)的锥角在30-50°之间。

4.根据权利要求1至3任一项所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，还包括2-4个微波发射器(90)，其波导管位于第一线圈(61)和第二线圈(62)之间，且沿水平圆周均匀分布，其所在圆周的圆心位于高频感应线圈(60)轴线上，其波导管发射口均指向熔化中心，所述波导管外表面包覆电磁屏蔽层。

5.根据权利要求4所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，还包括一个固定在雾化喷盘(30)上的丝材稳定筒(70)，其与输送给进孔同轴，丝材稳定筒(70)中心孔的内径大于丝材(10)的外径，二者之差不大于2mm。

6.根据权利要求5所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，所述丝材稳定筒(70)底端伸出雾化喷盘(30)伸入第一线圈(61)内，丝材稳定筒(70)由耐高温陶瓷制成。

7.根据权利要求1至3任一项所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，还包括2-4个微波发射器(90)，其波导管位于第二线圈(62)的底侧，且沿其底端线圈周向均匀分布，波导管发射口均指向熔化中心，所述波导管外表面包覆电磁屏蔽层。

8.根据权利要求7所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，还包括一个固定在雾化喷盘(30)上的丝材稳定筒(70)，其与输送给进孔同轴，丝材稳定筒(70)中心孔的内径大于丝材(10)的外径，二者之差不大于2mm。

9.根据权利要求8所述的气雾化生产3D打印用金属粉的装置，其特征在于，所述丝材稳定筒(70)底端伸出雾化喷盘(30)伸入第一线圈(61)内，丝材稳定筒(70)由耐高温陶瓷制成。