CN208696304U - 一种低压直流等离子枪制备3d打印用钛粉的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，包括：水冷粉末脱氢破碎球化塔、等离子枪组件、送粉系统、粉末收集罐、氩气塔、传感器组件、以及控制系统；其中，所述等离子枪组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且至少具有两个等离子枪，所述送粉系统也设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且所述送粉系统的送粉入口设置在所述等离子枪组件的等离子枪中央位置，所述粉末收集罐设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔底部，所述氩气塔与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔连接用于填充氩气，所述传感器组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔内。本实用新型提高了3D打印用钛粉的生产效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料技术领域，更具体的是涉及一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置。
背景技术
钛材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀、可焊接性好、生物相容性好等特点而被广泛应用于各个领域，可以为航空航天、核能、船舶、石油化工、汽车等多个行业提供高质量的金属部件。
3D打印，即增材制造技术，通过材料叠加的方式实现部件的直接快速打印，大大缩短产品的研发周期；另外，由于打印过程不受空间的限制，可以实现任意复杂镂空部件的制造，大大增强设计的自由度，突破传统加工制备工艺的限制。随着3D打印技术的发展，对高品质球形钛粉的需求也在不断增加。
目前，常见的球形钛粉制备工艺有如下三种方法：电极感应熔炼惰性气体雾化法，等离子旋转电极离心雾化法，射频等离子球化法。
电极感应熔炼惰性气体雾化法(Electrode Induction Gas Atomization,EIGA)，是将经过真空自耗电弧熔炼得到的钛棒通过缓慢旋转方式送至感应线圈中，被加热熔化，随后熔融液体落入雾化喷嘴，借组惰性气体的动能破碎雾化制备粉末。
等离子旋转电极离心雾化法(Plasma Rotation Electrode Process,PREP)，利用等离子体的热焓加热熔化钛棒端面，熔融液体在钛棒高速旋转离心力作用下被甩出端面，破碎雾化后形成粉末。
射频等离子球化(Radio Frequency Plasma Spheroidization,RFPS)，在高频电源作用下，氩气被电离，形状不规则的钛粉被载气送入等离子炬中，吸收大量热后表面迅速熔化，在表面张力作用下发生球化，冷却凝固形成球形粉末。
EIGA和PREP工艺制备钛粉，一方面，首先需要将海绵钛压实并焊接成为棒料，在真空或惰性气氛中使得作为自耗电极的棒料与水冷铜坩埚之间产生电弧，加热熔化电极棒料，形成熔池，然后结晶凝固形成铸锭，一般需要经过至少两次的真空自耗熔炼来保证均匀性和纯净度；其二，制备的适合3D打印工艺的粉末收得率低，EIGA工艺制备的细粉末收得率为10-20％(小于53μm)，而PREP工艺制备的球形粉末由于粒径较大，不适合激光粉末床成形工艺；RFPS技术直接将不规则海绵钛粉作为原料进行球化处理，但是该工艺生产效率低，钛粉末处理能力为2-5kg/h,不能满足工业化的要求，而且设备价格昂贵，进一步限制其广泛应用。因此，研发一种高效、低成本制备高流动性3D打印钛粉末的装置显得尤为必要。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，提高了生产效率、降低成本。
为了实现上述的目的，本实用新型所提供的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，包括：水冷粉末脱氢破碎球化塔、等离子枪组件、送粉系统、粉末收集罐、氩气塔、传感器组件、以及控制系统；其中，所述等离子枪组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且至少具有两个等离子枪，所述送粉系统也设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且所述送粉系统的送粉入口设置在所述等离子枪组件的等离子枪中央位置，所述粉末收集罐设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔底部，所述氩气塔与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔连接用于填充氩气，所述传感器组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔内。
优选的，所述两个等离子枪设置夹角为30-45°以使等离子射流也在30-45°的角度。
优选的，所述氩气塔包括：等离子枪连接口用于给等离子枪提供氩气，用于形成等离子射流；以及球化塔连接口用于回填水冷粉末脱氢破碎球化塔，实现一定的工作压力。
优选的，所述真空泵组件包括：扩散泵、罗茨泵以及机械泵。
优选的，所述真空泵组件与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔的连通管道上还设置有一除尘器。
优选的，所述传感器组件包括氧气传感器以及压力传感器。
优选的，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔为双层水冷式结构，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔的冷却水入口设置在塔底一侧，冷却水出口设置在塔顶一侧。
优选的，所述等离子枪为低压等离子枪，其包括一个铈钨阴极以及两个内衬钨紫铜阳极，所述两个阳极采用串联结构。
优选的，所述阳极的内径为6-10mm。
优选的，还包括与所述粉末收集罐连接的钝化处理装置以及气流分级筛。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型中，等离子组件设置在水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部，脱氢破碎后的粉末在被等离子射流加热融化后飞出，在球化塔内快速冷却凝固，形成球形粉末，其破碎和球化同步进行，缩短粉末制备的工艺流程，提高了生产效率。
附图说明
图1为本实用新型一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
本实用新型提出了一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，本实施例的装置采用粒度100-250μm的低成本不规则形状TiH2粉末作为原材料，该装置包括：水冷粉末脱氢破碎球化塔100、等离子枪组件105、送粉系统106、粉末收集罐112、氩气塔102、传感器组件107、以及控制系统104。其中，所述等离子枪组件105设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100顶部且至少具有两个等离子枪，所述送粉系统106也设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100顶部且所述送粉系统106的送粉入口设置在所述等离子枪组件105的等离子枪中央位置，所述粉末收集罐112设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100底部，所述氩气塔102与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔连接用于填充氩气，所述传感器组件107设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100内。
在本实施例中，所述两个等离子枪采用低压等离子枪，通过电源103供电，所述两个等离子枪设置夹角为30-45°以使等离子射流也在30-45°的角度,使得等离子射流能够充分的加热TiH2粉末材料。
在本实施例中，所述氩气塔包括：等离子枪连接口用于给等离子枪提供氩气，用于形成等离子射流；以及球化塔连接口用于回填水冷粉末脱氢破碎球化塔，实现一定的工作压力。
在本实施例中，所述真空泵组件包括三级真空泵，分别包括：扩散泵109、罗茨泵110以及机械泵111，采用三级真空泵结构，使得水冷粉末脱氢破碎球化塔100内部能达到高真空状态，使得塔内氧气含量达到预期值。
在本实施例中，所述真空泵组件与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100的连通管道上还设置有一除尘器108。
本实施例中，所述传感器组件107包括氧气传感器以及压力传感器，氧气传感器用于检测塔内的氧气含量，压力传感器用于检测内部的压力。
在本实施例中，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔100为双层水冷式结构，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔的冷却水入口113设置在塔底一侧，冷却水出口101设置在塔顶一侧。双层水冷式结构冷却速度快，能及时冷却等离子射流对水冷粉末脱氢破碎球化塔100的辐射热。
在本实施例中，所述等离子枪包括一个铈钨阴极以及两个内衬钨紫铜阳极，所述两个阳极采用串联结构，其中所述阳极的内径为6-10mm。
本实施例的工作原理如下：
本实施例采用低成本不规则形状TiH2粉末(100-250μm)作为原材料，将TiH2粉末通过送粉系统以轴向方式通过载气氩气送入交汇的等离子射流中心，TiH2粉末吸收大量热量并发生脱氢反应，由于短时间内释放的大量氢气来不及扩散而产生应力，使得结构疏松、脆性大的TiH2粉末发生破碎，即“氢爆”；破碎后的Ti粉末在等离子射流中被进一步加热熔化，熔融液滴在表面张力作用下发生球化现象，在飞出等离子射流后冷却凝固形成球形钛粉末。
本实施例中，等离子枪电流300-500A，电压80-120V，等离子气体为高纯氩气(99.999％)，氩气流量50-120L/min,氩气压力0.2-0.3MPa；TiH2粉末通过氧化铝送粉管以轴向方式送入到等离子射流交汇处，送粉气体为氩气，氩气压力为0.2-0.3MPa，送粉速率100-500g/min；两等离子枪射流夹角为30-45°。
基于以上装置，低压等离子破碎球化制备钛粉末步骤如下：
步骤一：将等离子枪置于立式雾化塔顶部，调整两个等离子枪的夹角为30-45°；
步骤二：打开真空泵组件抽水冷粉末脱氢球化塔100使室压力低于10-2Pa，然后通过氩气塔回填氩气，压力达到1000-10000Pa，利用氧气传感器在线检测塔室含氧量(小于10ppm)；
步骤三：点火等离子枪，逐步增加电流至设定值；打开送粉系统进行送粉，将TiH2粉末送入等离子射流中心；
步骤四：TiH2粉末被等离子射流加热，发生脱氢破碎；
步骤五：破碎后的粉末进一步被等离子射流加热熔化，熔融液滴在表面张力作用下发生球化，然后在飞出等离子射流后在水冷粉末脱氢球化塔100塔内快速冷却凝固，形成球形粉末落入粉末收集罐；
步骤六：粉末收集罐体内粉末经过钝化处理和气流分级筛分后真空包装。
利用本实施例所提供的装置，TiH2粉末经过处理后得到的钛粉末(小于53μm)氧含量取决于原料品质，氧增量小于400ppm。
上述实施例仅用于说明本实用新型的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，都应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，包括：水冷粉末脱氢破碎球化塔、低压直流等离子枪组件、送粉系统、粉末收集罐、氩气塔、传感器组件、以及控制系统；其中，所述等离子枪组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且至少具有两个等离子枪，所述送粉系统也设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔顶部且所述送粉系统的送粉入口设置在所述等离子枪组件的等离子枪中央位置，所述粉末收集罐设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔底部，所述氩气塔与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔连接用于填充氩气，所述传感器组件设置在所述水冷粉末脱氢破碎球化塔内。
2.根据权利要求1所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述两个等离子枪设置夹角为30-45°以使等离子射流也在30-45°的角度。
3.根据权利要求1所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述氩气塔包括：等离子枪连接口用于给等离子枪提供氩气，用于形成等离子射流；以及球化塔连接口用于回填水冷粉末脱氢破碎球化塔，实现一定的工作压力。
4.根据权利要求3所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述装置还包括真空泵组件，所述真空泵组件包括：扩散泵、罗茨泵以及机械泵。
5.根据权利要求3所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述传感器组件包括氧气传感器以及压力传感器。
6.根据权利要求4所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述真空泵组件与所述水冷粉末脱氢破碎球化塔的连通管道上还设置有一除尘器。
7.根据权利要求1所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔为双层水冷式结构，所述水冷粉末脱氢破碎球化塔的冷却水入口设置在塔底一侧，冷却水出口设置在塔顶一侧。
8.根据权利要求1所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述等离子枪为低压等离子枪，其包括一个铈钨阴极以及两个内衬钨紫铜阳极，所述两个阳极采用串联结构。
9.根据权利要求8所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，所述阳极的内径为6-10mm。
10.根据权利要求1所述的一种低压直流等离子枪制备3D打印用钛粉的装置，其特征在于，还包括与所述粉末收集罐连接的钝化处理装置以及气流分级筛。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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