一種生產(chǎn)3d打印用金屬合金球形粉體的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通過(guò)等離子體技術(shù)與流化床快速冷卻技術(shù)相結(jié)合批量生產(chǎn)金屬合金粉體， 設(shè)及一種生產(chǎn)3的T印用金屬合金球形粉體的裝置及其方法，屬3的T印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印（增材制造)技術(shù)，尤其是復(fù)雜金屬構(gòu)件的3D打印技術(shù)，已經(jīng)成為全球最關(guān) 注的新興技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝相比，3D打印技術(shù)因不受零件的幾何形狀限制、減 少了昂貴的費(fèi)用、縮短了研發(fā)時(shí)間、人力成本低、無(wú)需前處理和后處理工藝，使其成為一個(gè) 非常有潛力的技術(shù)。為了獲得優(yōu)質(zhì)的金屬合金成形件，除工藝、設(shè)備和軟件等重要條件外， 金屬合金粉體材料是一個(gè)關(guān)鍵因素。
[0003] 目前合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快澤、水霧化法和惰性氣體 霧化法等，其中旋轉(zhuǎn)電極法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品球形度好，但因其動(dòng)平衡問(wèn)題，只能生產(chǎn)20目左右 的粗粉;單棍快澤法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高；水霧化法由于降溫速度太 快，存在著易造成微粉形狀不規(guī)則和球形度不好，W及產(chǎn)品中氧含量過(guò)高的缺點(diǎn)；雖然惰性 氣體霧化法生產(chǎn)產(chǎn)品的球形度有較大提高，細(xì)粉收率較高，但是其產(chǎn)品的球形度仍不能滿 足3D打印的要求，仍需要對(duì)其中的球形產(chǎn)品進(jìn)行精選，難度較大。近幾年，人們提出采用等 離子體方法對(duì)不規(guī)則金屬或合金微細(xì)粉體進(jìn)行球化成形的方法，但有兩個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有很 好地解決：（1)金屬顆?？焖倮鋮s問(wèn)題。目前主要采用器壁水夾套的方法對(duì)高溫的粉體產(chǎn)品 進(jìn)行冷卻，效率很低，效果很差。使得生產(chǎn)產(chǎn)量很小，只能維持在lOOg/minW內(nèi)，難W進(jìn)行設(shè) 備的放大和批量化生產(chǎn)。（2)降低產(chǎn)品氧含量問(wèn)題?；诘入x子體的高溫特點(diǎn)，在工作氣體 中加入還原性氣體對(duì)金屬原粉中的氧進(jìn)行還原，但均不夠徹底，況且由于產(chǎn)品粉體的冷卻 問(wèn)題，多數(shù)還是選擇了水激冷，造成了二次氧污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決目前技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種生產(chǎn)3D打印用金屬合金球形粉體 的裝置及其方法，它能使得金屬中的氧能夠徹底清除，批量生產(chǎn)產(chǎn)品，并可避免二次氧污 染。
[0005] 本發(fā)明采用W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種生產(chǎn)3D打印用金屬合金球形粉體的裝置，它包括從上往下依次安裝的惰性氣 體置換罐、加料布料器、等離子體加熱融化爐、球化成形室、流化床快速冷卻器，所述加料布 料器、等離子體加熱融化爐、球化成形室和流化床快速冷卻器依次同軸安裝。
[0007] 所述惰性氣體置換罐的下部設(shè)有惰性氣體進(jìn)口，上側(cè)部設(shè)有惰性氣體出口，頂部 設(shè)有金屬合金粉末原料加入口，所述惰性氣體置換罐的數(shù)量為1個(gè)或1個(gè)W上。
[000引所述加料布料器的上部中間設(shè)有工作氣體進(jìn)口，中間一側(cè)設(shè)有保護(hù)氣體進(jìn)口，所 述惰性氣體進(jìn)口和工作氣體進(jìn)口相通。
[0009]所述球化成形室上部設(shè)有四個(gè)沿圓周方向均勻分布的冷卻還原氣體進(jìn)口管，所述 球化成形室的內(nèi)壁襯有耐高溫的耐火材料。
[0010] 所述流化床快速冷卻器內(nèi)部為處于流化狀態(tài)的金屬合金球形粉體產(chǎn)品顆粒，內(nèi)埋 設(shè)有蛇管式間接換熱水冷器，側(cè)壁的下部設(shè)有金屬合金微細(xì)粉體產(chǎn)品出口，下部設(shè)有惰性 流化氣體進(jìn)口及分布管，底部設(shè)有大顆粒副產(chǎn)品出口，上側(cè)部設(shè)有氣體排出口，所述氣體排 出口沿圓周均勻徑向分布四個(gè)。
[0011] 所述等離子體加熱融化爐采用直流電弧等離子體發(fā)生器，或是擴(kuò)散電弧等離子體 發(fā)生器，或是感應(yīng)等離子體發(fā)生器。
[0012] 所述流化床快速冷卻器為由惰性氣體作為流化氣體介質(zhì)、產(chǎn)品微細(xì)球形金屬合金 粉體流化顆粒介質(zhì)的流化床。
[0013] 優(yōu)選的，所述等離子體加熱融化爐的結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的等離子發(fā)生器的類型做適 當(dāng)?shù)恼{(diào)整;其功率為50~lOOOkW，并根據(jù)原粉材料的性質(zhì)和生產(chǎn)能力的大小對(duì)其實(shí)際操作 功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0014] 優(yōu)選的，所述球化成形室的內(nèi)徑等于其上方等離子體加熱融化爐內(nèi)徑的1.5倍~ 2.0倍，其高度為0.5m~1.5m。
[0015] 優(yōu)選的，所述冷卻還原氣體進(jìn)口管距球化成形室頂部0.0^11~0.25m，并與球化成 形室外壁的切線成30°~40°的角度，四個(gè)冷卻還原氣體進(jìn)口管前端所構(gòu)成的圓的直徑為等 離子體加熱融化爐內(nèi)徑的1.2倍~1.4倍，冷卻還原氣體進(jìn)口管的直徑為Φ 10mm~Φ 25mm。
[0016] 優(yōu)選的，所述冷卻還原氣體進(jìn)口管距球化成形室頂部0.20m，并與球化成形室外壁 的切線為35°的角度，四個(gè)冷卻還原氣體進(jìn)口管前端所構(gòu)成的圓的直徑為等離子體加熱融 化爐內(nèi)徑的1.4倍，冷卻還原氣體進(jìn)口管的直徑為Φ 14mm。
[0017] 優(yōu)選的，所述流化床快速冷卻器的內(nèi)徑為Φ 1.5m~Φ 3. Om，高度為2. Om~3. Om;其 中金屬合金球形粉體產(chǎn)品顆粒形成的流化床的高度根據(jù)產(chǎn)量大小在0.5m~2.0m范圍內(nèi)做 相應(yīng)的調(diào)整;流化床快速冷卻器內(nèi)的蛇管式間接換熱水冷器內(nèi)采用循環(huán)冷卻水作為移熱介 質(zhì)，換熱面積為100m2~300m2。
[0018] -種使用上述裝置生產(chǎn)3D打印用金屬合金球形粉體的方法，包括如下步驟：
[0019] 將粒度為〇.5μπι-100皿目的金屬合金粉末原料經(jīng)金屬合金粉末原料加入口加入惰 性氣體置換罐中，經(jīng)惰性氣體進(jìn)口通入惰性氣體進(jìn)行置換，使惰性氣體置換罐的惰性氣體 出口出來(lái)的氣體中氧氣含量小于0.01 %，關(guān)閉惰性氣體進(jìn)口的閥和惰性氣體出口的閥。
[0020] 向加料布料器中通入工作氣體和保護(hù)氣體，開啟等離子體電源，使等離子體加熱 融化爐中產(chǎn)生等離子體炬，開啟惰性氣體進(jìn)口的閥，攜帶著金屬合金粉末原料進(jìn)入加料布 料器中，金屬合金粉末原料被均勻分散地通過(guò)等離子體加熱融化爐的烙融室內(nèi)的等離子炬 中，使得金屬合金粉末原料部分烙融或表面烙融，顆粒中所含的氧化物也被工作氣中的還 原性氣體所部分還原，隨后，粉體顆粒進(jìn)入球化成形室中，在降落和迅速降溫的過(guò)程中，依 靠金屬烙融液的表面張力使顆粒變成球狀;與此同時(shí)，顆粒中未反應(yīng)的氧被通過(guò)冷卻還原 氣體進(jìn)口管進(jìn)入的還原性氣體進(jìn)一步反應(yīng)而清除，已經(jīng)降溫凝固的粉體顆粒隨后落入下方 的流化床快速冷卻器，通過(guò)與其中處于流化狀態(tài)的溫度較低的金屬合金球形粉體產(chǎn)品顆粒 進(jìn)行直接換熱，快速被冷卻至l〇〇°C W下，通過(guò)金屬合金球形微細(xì)粉體產(chǎn)品出口的卸料閥被 連續(xù)或間歇放出進(jìn)入下一步的顆粒精選工序。
[0021 ]較大的顆粒，由于不能被流化而沉到流化床底部，可經(jīng)底部的卸料口卸出。惰性流 化氣體由流化床快速冷卻器下部的流化氣體進(jìn)口及分布管進(jìn)入流化床，將其中的微細(xì)球形 顆粒吹起并使其處于流化狀態(tài)，逸出流化床層的氣體與上部進(jìn)入的氣體一起，通過(guò)氣體排 出口進(jìn)入后續(xù)的氣固分離工序，經(jīng)分離后的氣體經(jīng)氣體輸送設(shè)備返回到流化床底部的流化 氣體進(jìn)口及分布管而循環(huán)使用。
[0022] 所述進(jìn)入加料布料器中的工作氣體為氣氣，或是氣氣中含有1 %~5 %的氨氣或C0 氣的混合氣。
[0023] 所述進(jìn)入加料布料器中保護(hù)氣體和進(jìn)入流化床快速冷卻器的惰性流化氣體均為 氣氣。
[0024] 所述進(jìn)入球化成形室的還原氣為氣氣中含有1%~5%的氨氣或C0氣的混合氣。
[0025] 優(yōu)選的，所述的冷卻還原氣體進(jìn)口管中混合氣的氣速為20m/s~80m/s.
[0026] 優(yōu)選的，所述流化床快速冷卻器中的空塔操作氣速為該流化顆粒初始流化速度的 3.0倍~5.0倍。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
[0028] (1)表面烙融的金屬合金粉體降落冷凝過(guò)程中，通過(guò)通入二次還原性氣體，使仍處 于高溫的球化成形階段的粉體進(jìn)一步還原，使得金屬中的氧能夠徹底清除。（2)采用流化床 對(duì)高溫金屬合金粉體進(jìn)行驟冷，依靠流化床極高的傳熱冷卻作用，大量高溫金屬合金粉體 將被快速冷卻，使得批量生產(chǎn)成為可能。（3)由于驟冷過(guò)程不設(shè)及高溫粉體與含氧物質(zhì)的接 觸，也避免了二次氧污染，保證了產(chǎn)品中氧含量的達(dá)標(biāo)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明裝置A-A向截面圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明本發(fā)明裝置B-B向截面圖；
[0032] 圖中各部件標(biāo)號(hào)說(shuō)明：
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