一種制備3d打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高熔點(diǎn)金屬粉末制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結(jié)合制備3D打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著材料向輕小化、集成化方向不斷發(fā)展，球形粉末材料在電子封裝、能源材料、生物醫(yī)學(xué)等方面均有廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，尤其在3D打印方面。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)的制備技術(shù)，是一種運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微小構(gòu)件的制備，并且生產(chǎn)效率高，材料利用率高，無需模具。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，對3D打印用球形高熔點(diǎn)金屬粉末的需求也會越來越大，而3D打印用球形粉末需要滿足球形度高，良好的流動性及鋪展性，尺寸均勻可控，并且無衛(wèi)星滴。滿足3D打印要求的金屬粉末的制備已成為該行業(yè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
[0003]目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)金屬球形粉末的方法主要為霧化法，包含氣霧化法、水霧化法以及離心霧化法等。但是霧化法所制備粉末的尺寸分散度大，必須通過多次篩分才能得到滿足粒徑要求的粉末，使生產(chǎn)效率大大降低，尤其當(dāng)尺寸有嚴(yán)格要求時；霧化法易產(chǎn)生衛(wèi)星滴，使粉末表面粘連衛(wèi)星滴，降低粉末的流動性及鋪展性，無法滿足3D打印用粉末的要求。其他方法如切絲或打孔重熔法、均一液滴成型法都局限于制備低熔點(diǎn)的金屬粉末，目前對高熔點(diǎn)球形金屬粉末的制備處于空缺狀態(tài)。因此，有必要提供一種高熔點(diǎn)金屬粉末的制備方法及制備裝置以解決3D打印用粉體制備的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)上述提出的3D打印用金屬粉末制備過程中存在的圓球度差，鋪展性及流動性差等問題，而提供一種制備3D打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的方法與裝置。本發(fā)明主要結(jié)合脈沖微孔噴射法和離心霧化法兩種方法，能巧妙地制備出球形度高、具有良好流動性和鋪展性、尺寸均勻可控且無衛(wèi)星滴、滿足3D打印使用要求的高熔點(diǎn)金屬粉末。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0006]一種制備3D打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的裝置，包括殼體、設(shè)置于所述殼體內(nèi)的坩禍和設(shè)置于所述殼體下部的收集倉，所述坩禍置于所述殼體內(nèi)的上部，所述坩禍內(nèi)設(shè)有與設(shè)置在所述殼體外部的壓電陶瓷相連的傳動桿，所述傳動桿的下端對著所述坩禍底部的中心孔，所述中心孔底部固定有帶小孔的墊片，所述殼體上設(shè)有伸入于所述坩禍內(nèi)的上進(jìn)氣口和上排氣閥，所述殼體上還設(shè)有擴(kuò)散泵和機(jī)械泵，所述殼體上還設(shè)有腔體進(jìn)氣口和腔體排氣閥，其特征在于:
[0007]所述坩禍內(nèi)部設(shè)有熱電偶，所述坩禍外部設(shè)有加熱帶；
[0008]所述收集倉通過支架與所述殼體相固定，所述殼體和所述收集倉之間設(shè)有相貫通的、用于從所述帶小孔的墊片(20)上的小孔噴出的液滴滴落的環(huán)形降落管，所述收集倉腔體內(nèi)、與所述環(huán)形降落管下端相對的位置設(shè)有離心盤，所述離心盤由支撐柱支撐，所述收集倉底部設(shè)有收集槽。
[0009]為方便原料加入及成品收集，所述殼體的一側(cè)設(shè)有爐門，所述收集倉的一側(cè)設(shè)有收集倉門。傳動桿與坩禍頂部的連接處使用動態(tài)密封圈密封，傳動桿伸入到坩禍的腔體內(nèi)及熔體內(nèi)部，熔體在傳動桿的帶動下噴射出帶小孔的墊片的孔形成液滴，液滴自由下落通過環(huán)形降落管，降落到離心盤上，在離心力作用下破碎成更小液滴，并下落凝固形成金屬粉末，最后降落到收集槽中。收集槽的面積足夠大能夠完全收集金屬粉末，收集倉的高度滿足液滴經(jīng)離心破碎后自由下落時可完成凝固，收集倉的寬度滿足大于液滴經(jīng)離心破碎后的飛行距離，即液滴離心破碎后在下落過程中凝固成金屬粉末并降落到收集槽中。
[0010]進(jìn)一步地，在所述裝置自上而下的方向上，所述壓電陶瓷、所述傳動桿、所述坩禍、所述加熱帶、所述墊片及所述環(huán)形降落管位于同一軸線上。
[0011]進(jìn)一步地，所述離心盤放置的位置可使液滴下落到約二分之一離心盤半徑處。
[0012]進(jìn)一步地，所述坩禍上的中心孔直徑大于帶小孔的墊片的小孔直徑，所述帶小孔的墊片的小孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0013]進(jìn)一步地，所述帶小孔的墊片的材料與置于所述坩禍內(nèi)的熔融金屬的潤濕角大于90。。
[0014]進(jìn)一步地，所述離心盤為石墨圓盤，所述離心盤的轉(zhuǎn)速為10000rpm-40000rpm。
[0015]本發(fā)明還公開了采用上述裝置制備3D打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0016]①裝料:將原料研磨到預(yù)設(shè)的平均粒徑后裝入到坩禍內(nèi)密封；
[0017]②抽真空與加熱:利用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對所述坩禍和所述殼體抽真空，并充入高純度惰性氣體；根據(jù)待加熱原料的熔點(diǎn)設(shè)定加熱帶的加熱功率，待加熱溫度到熔點(diǎn)后保溫使原料完全熔化為熔體；手動調(diào)整傳動桿的位置至傳動桿與帶小孔的墊片之間為預(yù)設(shè)距離；
[0018]③噴射液滴:給壓電陶瓷輸入一定波型的脈沖信號，壓電陶瓷帶動傳動桿向下移動擠壓熔體，同時通過上進(jìn)氣口向坩禍中通入高純度惰性氣體，使所述坩禍的坩禍腔與所述殼體的腔體之間達(dá)到一定差壓，在差壓與脈沖的作用下，熔體從帶有小孔的墊片中的小孔噴出形成液滴；
[0019]④形成粉末:液滴自由下落通過環(huán)形降落管，降落到高速旋轉(zhuǎn)的離心盤上，在離心力的作用下液滴破碎成更小的微液滴，微液滴在下落過程中無容器凝固，形成金屬粉末，降落至收集槽中；
[0020]⑤收集粉末:制備結(jié)束后，停止加熱帶的加熱及離心盤的旋轉(zhuǎn)，關(guān)閉機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、腔體進(jìn)氣口、腔體排氣閥、上進(jìn)氣口和上排氣閥，打開收集倉門，取出收集槽中的金屬粉末。
[0021]進(jìn)一步地，所述原料研磨的平均粒徑為lcm-2cm，通過爐門裝入到所述坩禍中，原料放入量為所述坩禍容積的1/4-3/4。
[0022]進(jìn)一步地，手動調(diào)整傳動桿的位置至傳動桿與帶小孔的墊片之間的距離為2cm_5cm0
[0023]進(jìn)一步地，步驟③中，通入高純度惰性氣體后，使所述坩禍的坩禍腔與所述殼體的腔體之間達(dá)到差壓為0-200kPa。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)明設(shè)計了一種脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結(jié)合的可高效制備高熔點(diǎn)金屬球形粉末的裝置，坩禍中熔化的高熔點(diǎn)金屬材料在差壓和脈沖擾動的作用下，通過坩禍底部小孔噴出，形成均勻液滴，液滴降落至高速旋轉(zhuǎn)離心盤上，由于離心力的作用，均勻微滴被逐個破碎，形成尺寸更小的微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固形成粉末。脈沖微孔噴射法可以克服其他方法在高熔點(diǎn)金屬噴射上的不足，實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬均勻液滴的噴射，并且噴射出的液滴無衛(wèi)星滴，球形度高。
[0026]脈沖微孔噴射法生產(chǎn)的金屬粒子粒徑均一可控(相對偏差小于1.8%)，但單孔制備粒子的產(chǎn)量不足以滿足日益增加的需求量，與霧化法結(jié)合后，極大的提高了粉末的產(chǎn)量，而且霧化后液滴的尺寸大大減小。本發(fā)明中液滴噴射由脈沖微孔法完成，可以保證液滴的粒徑均一，質(zhì)量穩(wěn)定，再由離心霧化法破碎，即單個液滴經(jīng)過二次離心霧化，使成形的微液滴粒徑分布區(qū)間非常狹窄，產(chǎn)量高，滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
[0027]本發(fā)明的工藝方法可控性強(qiáng)，表現(xiàn)在如下幾點(diǎn):通過加熱帶可精確控制坩禍的加熱溫度；通過向坩禍與殼體內(nèi)通入惰性氣體，可控制坩禍與殼體內(nèi)的壓力差；坩禍底部帶小孔的墊片的小孔的尺寸可以控制液滴的尺寸，經(jīng)過離心霧化，進(jìn)一步控制金屬微粒子的粒徑分布；離心盤的轉(zhuǎn)速可控，即離心霧化的效果可控，進(jìn)一步可以控制金屬球形粉末的粒徑分布；工藝參數(shù)的可調(diào)節(jié)與可控制，可以獲得符合要求的粒徑分布及尺寸的球形金屬粉末，生廣效率大幅度提尚。
[0028]通過本發(fā)明能夠高效制備出滿足要求的3D打印用高熔點(diǎn)金屬粉末，粒徑可控、粒徑分布區(qū)間窄，圓球度高、無衛(wèi)星滴、流動性與鋪展性良好，且生產(chǎn)效率高、成本低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0029]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0030]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖中:1、壓電陶瓷2、動態(tài)密封圈3、坩禍腔4、傳動桿5、坩禍6、熔體7、加熱帶8、爐門9、殼體10、螺釘11、支架12、離心盤13、收集倉14、支撐柱15、收集倉門16、金屬粉末17、收集槽18、液滴19、環(huán)形降落管20、帶小孔的墊片21、腔體進(jìn)氣口 22、擴(kuò)散泵23、機(jī)械泵24、腔體排氣閥25、上進(jìn)氣口 26、上排氣閥。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，一種制備3D打印用超細(xì)球形高熔點(diǎn)金屬粉末的裝置，包括殼體9、設(shè)置于所述殼體9內(nèi)的坩禍5和設(shè)置于所述殼體9下部的收集倉13，所述坩禍5置于所述殼體9內(nèi)的上部，所述坩禍5內(nèi)部設(shè)有熱電偶，所述坩禍5外部設(shè)有加熱帶7 ;所述坩禍5內(nèi)設(shè)有與設(shè)置在所述殼體9外部的壓電陶瓷I相連的傳動桿4，所述傳動桿4與所述坩禍5頂部連接的位置設(shè)有動態(tài)密封圈2密封，所述傳動桿4的下端對著所述坩禍5底部的中心孔，所述中心孔底部固定有帶小孔的墊片20，所述帶小孔的墊片20可以為帶孔的螺栓，亦或者是其他帶孔的耐高溫耐腐蝕材料制成的墊片，通過螺釘10(如圖中所示)將帶小孔的墊片20固定在所述坩禍5底部，所述坩禍5上的中心孔直徑大于帶小孔的墊片20的小孔直徑，所述帶小孔的墊片20的小孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。所述帶小孔的墊片20的材料與置于所述坩禍5內(nèi)的熔融金屬6的潤濕角大于90°。
[0033]所述殼體9上設(shè)有伸入于所述坩禍5內(nèi)的上進(jìn)氣口 25和上排氣閥26，如圖所示，上進(jìn)氣口 25和上排氣閥26開設(shè)于所述坩禍5的頂部，在所述殼體9的側(cè)壁上還設(shè)有擴(kuò)散泵22和機(jī)械泵23，所述殼體9上還設(shè)有腔體進(jìn)氣口 21和腔體排氣閥24，所述殼體9的一側(cè)設(shè)有爐門8，所述收集倉13的一側(cè)設(shè)有收集倉門15。
[0034]所述收集倉13通過支架