一種高效制備金屬球形超細粉體的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于球形微粒子制備的技術領域，具體地說是一種電磁力切割毛細管射流制備粒子技術與離心霧化法結合的高效制備金屬球形超細粉體的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著加工技術的不斷發(fā)展與革新，球形粉末材料在電子封裝、精密制備、生體材料等方面均有廣泛應用，隨著3D打印技術的發(fā)展，球形粉末制備技術在此方面尤為受到關注。3D打印技術與傳統(tǒng)加工技術不同，其以金屬粉末、高分子材料等可粘合材料為原料，以逐層沉積的方式來制備物件，其生產(chǎn)效率高，原料浪費少，可制造結構復雜的工件。在3D打印技術迅猛發(fā)展的同時，3D打印用球形金屬粉末的需求也越發(fā)急迫。3D打印用球形粉末需具有優(yōu)良的流動性及鋪展性，高球形度的特點，且其需滿足尺寸均勻可控、無衛(wèi)星滴的要求，這也是3D打印技術發(fā)展的限制因素。
[0003]目前國內外生產(chǎn)金屬球形粉末的主要方式有:霧化法，包括氣霧化法、水霧化法、離心霧化法等。但上述方法得到的粉末分散度較大，必須經(jīng)過多次篩選才能得到滿足要求的粉末，成品率低；此外，霧化法易產(chǎn)生衛(wèi)星滴，因粉末表面粘連衛(wèi)星滴，其流動性和鋪展性均會下降。因此，該方法生產(chǎn)的粉末無法滿足要求。

【發(fā)明內容】

[0004]根據(jù)上述提出的3D打印用金屬球形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，而提供一種高效制備金屬球形超細粉體的裝置及方法。本發(fā)明主要結合電磁力切割毛細管射流制備微粒子技術和離心霧化法兩種方法，從而能夠制備出圓球度高、流動性好、鋪展性優(yōu)良且尺寸均勻、無衛(wèi)星滴的符合3D打印使用要求的金屬粉末。
[0005]本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0006]一種高效制備金屬球形超細粉體的裝置，包括殼體、設置于所述殼體內的坩禍和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述殼體的底部，所述坩禍置于所述粉末收集區(qū)的上部，所述殼體上設有伸入于所述坩禍內的坩禍進氣管，所述殼體上還設有與所述坩禍相連通的機械泵和擴散泵，所述殼體上還設有腔體進氣管，其特征在于:
[0007]所述坩禍內部設有熱電偶，所述坩禍外部設有感應加熱器，所述坩禍底部設有帶小孔的噴嘴，所述噴嘴下方設有集中器，所述集中器的外周設有感應線圈；
[0008]所述粉末收集區(qū)包括設置在所述殼體底部的收集盤和設置于所述收集盤上方的與電機相連的用于霧化金屬液滴的旋轉圓盤。
[0009]所述殼體體積足夠液滴經(jīng)離心、破碎后的飛行降落范圍，能夠保證微液滴不會凝固在腔體內壁，收集盤的面積足夠大能夠收集金屬粉末。
[0010]進一步地，所述噴嘴的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0011]進一步地，所述坩禍的材料與置于所述坩禍內的熔融金屬的潤濕角大于90°。
[0012]進一步地，所述旋轉圓盤為石墨圓盤，所述旋轉圓盤的轉速為10000rpm-40000rpm。
[0013]進一步地，與所述旋轉圓盤在同一水平面的所述殼體上設有用于高速攝影機攝影的觀察窗。
[0014]本發(fā)明還公開了高效制備金屬球形超細粉體的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0015]①裝料:將待熔融的金屬材料放入設置在殼體內上部的坩禍內后密封，所述坩禍的底部設有噴嘴；
[0016]②抽真空:利用機械泵和擴散泵對所述坩禍和所述殼體抽真空，并充入高純度惰性保護氣體，使殼體內壓力達到預設值；
[0017]③加熱:使用感應加熱器將所述坩禍內的金屬材料熔化，并通過所述坩禍內設置的熱電偶實時監(jiān)測所述坩禍內的溫度，待金屬材料完全熔化后保溫；
[0018]④制備粉末:將調制交流電信號施加給設置在所述殼體中部與所述噴嘴對準的集中器外周的感應線圈，通過設置在所述殼體上并伸入于所述坩禍內的坩禍進氣管將高純度惰性保護氣體通入，使所述坩禍與所述殼體內產(chǎn)生一定的差壓，在該差壓的作用下，熔融金屬從噴嘴中流出并形成毛細管射流，毛細管射流在感應線圈對其施加的電磁力作用下斷裂成均一液滴，液滴自由降落在高速旋轉的旋轉圓盤上，在離心力的作用下，液滴被破碎成微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固形成金屬粉末；
[0019]⑤粒子收集:用設置于所述殼體底部的收集盤收集金屬粉末。
[0020]進一步地，所述調制交流電信號的電流有效值為30A-60A，載波頻率為3MHz-30MHz，調制頻率為 200Hz_20000Hz，占空比為 50%。
[0021]進一步地，所述噴嘴的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0022]進一步地，所述高純度惰性保護氣體為氦氣、氬氣。
[0023]進一步地，所述殼體內抽真空后的壓力達到0.1MPa，金屬材料完全熔化后保溫時間為15-20分鐘；步驟④中，所述坩禍與所述殼體內產(chǎn)生的差壓為0-200kPa。
[0024]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)明設計了一種電磁力切割毛細管射流制備微粒子技術與離心霧化法結合的高效制備金屬球形超細粉體的裝置，坩禍中熔化的金屬材料在壓力的作用下，通過坩禍底部的帶小孔的噴嘴射出，形成毛細管射流，同時感應線圈產(chǎn)生電磁力，將該電磁力經(jīng)集中器作用于毛細管射流上，毛細管射流在表面張力和電磁力擾動的共同作用下，逐漸形成臘腸式液滴串，最終離散成尺寸大小一致、間距相等的液滴，液滴自由降落至高速旋轉的圓盤上，由于離心力的作用，液滴被逐個破碎成微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固成粉末。利用電磁力切割毛細管射流生產(chǎn)的金屬粒子粒徑均一(相對偏差小于1.8% )、圓球度高、熱履歷一致，但單孔噴嘴制備粒子產(chǎn)量無法滿足需求，與霧化法結合后，大幅提升了金屬粉末的生產(chǎn)率。本發(fā)明中產(chǎn)生的金屬球形超細粉體結合兩種方法的優(yōu)點，粒徑尺寸均勻、生產(chǎn)效率尚，可彳兩足工業(yè)生廣。
[0026]本發(fā)明的工藝方法可控性強，表現(xiàn)如下:通過感應加熱器可精確控制坩禍溫度，通過向坩禍與殼體內通入惰性氣體，可控制坩禍與殼體的壓力差，從而控制射流的速度；坩禍底部設置的噴嘴的小孔尺寸可控制射流尺寸，從而控制金屬粒子的粒徑；旋轉圓盤的轉速可控，可以進一步控制金屬粉末的粒徑分布；工藝參數(shù)可調節(jié)、控制，減小了產(chǎn)生的金屬液滴與設定液滴尺寸的誤差，因此可以獲得尺寸均勻的金屬球形超細粉體，生產(chǎn)效率高。
[0027]本發(fā)明能夠高效制備出同時滿足要求的不同粒徑的大小均一、圓球度高、熱履歷一致、粒徑可控的金屬球形超細粉體，且生產(chǎn)效率高、結構簡單、成本低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0029]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0030]圖2是本發(fā)明調制交流電信號的示意圖。
[0031]圖中:1、坩禍2、感應加熱器3、腔體進氣管4、感應線圈5、集中器6、液滴7、旋轉圓盤8、電機9、坩禍進氣管10、機械泵11、擴散泵12、殼體13、噴嘴14、毛細管射流15、觀察窗16、高速攝影機17、金屬粉末18、收集盤。
【具體實施方式】
[0032]如圖1所示，一種高效制備金屬球形超細粉體的裝置，包括殼體12、設置于所述殼體12內的坩禍I和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述殼體12的底部，所述坩禍I置于所述粉末收集區(qū)的上部，所述殼體12上設有伸入于所述坩禍I內的坩禍進氣管9，在本實施例中，所述殼體12頂部還設有與所述坩禍I相連通的機械泵10和擴散泵11，所述殼體12的側壁上設有腔體進氣管3。
[0033]所述坩禍I內部設有熱電偶，所述坩禍I外部設有感應加熱器2，所述坩禍I底部設有帶小孔的噴嘴13，所述噴嘴13的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間；
[0034]所述噴嘴13下方設有集中器5，所述集中器5的外周設有感應線圈4 ;
[0035]所述粉末收集區(qū)包括設置在所述殼體底部的收集盤18和設置于所述收集盤18上方的與電機8相連的用于霧化金屬液滴的旋轉圓盤7，所述旋轉圓盤7為石墨圓盤，所述旋轉圓盤7的轉速為10000rpm-40000rpm。
[0036]與所述旋轉圓盤7在同一水平面的所述殼體12上設有用于高速攝影機16攝影的觀察窗15。
[0037]所述坩禍I的材料與置于所述坩禍I內的熔融金屬的潤濕角大于90°。
[0038]所述殼體12的體積足夠液滴6經(jīng)離心、破碎后的飛行降落范圍，能夠保證微液滴不會凝固在殼體12的內壁，收集盤18位于殼體12底部，面積足夠大能夠收集金屬粉末17。
[0039]工作時，機械泵10和擴散泵11用于對殼體12和坩禍I抽取真空；坩禍I底部安裝有與殼體12相連的噴嘴13，利用感應加熱器2對坩禍I中需制備的材料進行加熱，并通過坩禍進氣管9和腔體進氣管3向坩禍I和殼體12中通入高純度惰性保護氣體，如氦氣、氬氣，使坩禍I和殼體12之間保持穩(wěn)定的壓力差，在該壓力差作用下，噴嘴13中可產(chǎn)生毛細管射流14 ;感應線圈4和集中器5安裝在噴嘴13下方，在對感應線圈4施加調制交流電信號時，感應線圈4會向毛細管射流14施加電