本發(fā)明屬于金屬粉末制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于等離子體霧化技術(shù)的金屬粉末制備方法及其裝置。

背景技術(shù)：

3d打印技術(shù)通過金屬粉末在電子束等熱源的作用下熔融并層層疊加以制備金屬零件，幾乎不受零件復(fù)雜程度的限制。相比與傳統(tǒng)的制造工藝，3d打印技術(shù)可以顯著降低材料、能源消耗和成本，因此，在航天、醫(yī)療、車輛和模具定制等領(lǐng)域有廣闊的市場前景。

金屬粉末的質(zhì)量直接影響所制造金屬零件的質(zhì)量。為保證零件質(zhì)量，需采用球形度高的金屬顆粒。此外，金屬顆粒的粒徑也必須控制在一個合適的區(qū)間。比如，對于選擇性激光熔融（slm）打印技術(shù)，金屬粉末的合適粒度為15-45μm，電子束熔融技術(shù)（ebm）所需的金屬粉末粒徑為45-106μm。

隨著3d打印技術(shù)的快速發(fā)展，市場上對高質(zhì)量金屬顆粒的需求也增長迅速。但是，其受制于高質(zhì)量金屬粉末制造工藝的產(chǎn)量和成本，尤其是對于高熔點的純金屬和合金粉末。

金屬粉末的生產(chǎn)工藝最核心的兩個關(guān)鍵步驟是，先將金屬材料加熱熔融，然后借助外力將熔融液破碎霧化成小液滴。霧化方法主要有氣體霧化法、等離子體霧化法和高速旋轉(zhuǎn)離心法。目前國內(nèi)外高熔點金屬粉末的常見制備方法有水冷銅坩堝氣霧化、電極感應(yīng)熔煉氣霧化、等離子體旋轉(zhuǎn)電極法和等離子體霧化法。

水冷銅坩堝氣霧化法采用水冷銅坩堝對金屬材料進行熔煉，在銅坩堝底部有穩(wěn)定流量和流速的向下液流，液流借助于高速氣流的沖擊而形成微小液滴。缺點是，金屬材料會與坩堝接觸從而溶入雜質(zhì)，因此不適用于高純度和高活性的金屬粉末的生產(chǎn)制造。

電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（eiga）引入無坩堝的感應(yīng)線圈對金屬棒材進行熔融，避免了金屬材料與坩堝的接觸，從而保證了霧化粉末的純凈度。但是，eiga技術(shù)通過增大感應(yīng)電極原料棒材的直徑來增加處理量和生產(chǎn)量，并沒有實現(xiàn)長時間的連續(xù)進料。電極直徑的增大也受到感應(yīng)線圈等各方面的限制。此外，電極在加熱過程中還存在液滴掉落，或者未完全融化斷裂掉入導(dǎo)流管中而造成阻塞。

氣霧化技術(shù)用大量的高速氣體破碎金屬熔融液體，所生產(chǎn)的小液滴沒有足夠的時間進行收縮球化。因此，會造成粉末球形度不夠好，且有空心粉和衛(wèi)星粉的現(xiàn)象。

等離子體旋轉(zhuǎn)電極法采用等離子弧轟擊置于高速旋轉(zhuǎn)軸上高速旋轉(zhuǎn)的陽極金屬棒材，熔化的金屬液滴在離心力的作用下沿切線方向上發(fā)散成小液滴，最終凝固球化成粉。等離子體旋轉(zhuǎn)電極法不需要使用高速氣流，避免空心粉的產(chǎn)生，但其對棒材的加工要求較高，且不能保證霧化的連續(xù)性。旋轉(zhuǎn)電極的真空密封性和清潔度也是等離子旋轉(zhuǎn)電極法的關(guān)鍵問題。受限于旋轉(zhuǎn)速度，所制備的球形粉末的顆粒力度普遍在100μm到250μm，小于100μm的顆粒較少，因此不能滿足一些3d打印工藝對粉末的要求。

熱等離子體是氣體在電弧放電或高頻放電條件下電離所形成的由離子、電子和中性粒子組成的高能狀態(tài)。其溫度能達到10000k以上，因此可以將金屬在瞬間熔化，并在高速等離子氣流作用下霧化形成粉末。

us005707419a公開了一種等離子體霧化生產(chǎn)金屬粉末的方法，通過對稱分布的三個等離子炬釋放的高溫等離子火焰交匯將鈦合金絲熔化并破碎成微細金屬液滴。該方法能制取粒徑在50到100的金屬顆粒。然而缺點是，工藝的生產(chǎn)效率低，每小時只能生產(chǎn)1kg左右鈦粉。

wo2016191854公開了一種提高等離子體霧化生產(chǎn)效率的方法，采用對稱分布的三個等離子炬熔融霧化預(yù)熱過的金屬絲線，將系統(tǒng)工藝的生產(chǎn)能力提高到了5kg每小時，同時，將粉末的平均粒徑降低到了45μm。

可見，采用等離子霧化法制備金屬粉末，能極大地提高粉末的質(zhì)量，包括球形度和粒徑。尤其是對于高純度鈦或鈦合金粉末，等離子霧化方法因其高能量密度火焰，能快速熔融金屬絲材。熔融物在高溫高速氣流作用下粘性力小，極易破碎，并有足夠的時間收縮冷凝成高球形度的鈦粉顆粒。但是，目前并沒有一種處理量大和生產(chǎn)效率高的等離子體霧化技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于等離子體霧化技術(shù)的金屬粉末制備方法及其裝置，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬粉末生產(chǎn)效率低，不可以量產(chǎn)的問題。

技術(shù)方案：

一種基于等離子體霧化技術(shù)的金屬粉末制備裝置，包括給料室、感應(yīng)加熱熔融室、等離子炬室、霧化室和粉體收集室，

所述給料室的上端為動密封裝置，內(nèi)部設(shè)有多路金屬絲連續(xù)進料機構(gòu)和矯直機構(gòu)，給料室的下方為感應(yīng)加熱熔融室，給料室和感應(yīng)加熱熔融室之間設(shè)有隔板，一根豎直的金屬絲引導(dǎo)管貫穿在給料室和感應(yīng)加熱熔融室之間，所述感應(yīng)加熱熔融室內(nèi)設(shè)有感應(yīng)加熱裝置和磁約束裝置；

所述感應(yīng)加熱熔融室下方為等離子體炬室，所述等離子炬室為錐形體，其錐面位置設(shè)有若干個均勻排列的等離子炬通入等離子炬室內(nèi)部，所述等離子炬室的下部連接霧化室，所述霧化室的底部為倒錐體形并與下面的粉體收集室相連；霧化室的下部中央位置設(shè)有氣體出口管道，所述氣體出口管道連通旋風(fēng)分離器。

進一步的，所述霧化室的壁面設(shè)有冷卻水套，用于冷卻在霧化室形成的技術(shù)液滴為金屬粉末。

進一步的，所述霧化室倒錐體上部設(shè)有若干個環(huán)繞霧化室均勻排列的吹掃裝置，采用氬氣定期吹掃沉積在霧化室底部倒錐體壁面上的顆粒物。所述霧化室上位于吹掃裝置的上部設(shè)有冷卻風(fēng)管，用于進一步冷卻高溫金屬粉體。

進一步的，所述氣體出口管道的出口處設(shè)有遮流板，目的在于從四周吸入氣體，引導(dǎo)霧化室上部霧化區(qū)域氣流向四周擴散，從而使液滴盡可能分散開來，避免液滴碰撞形成衛(wèi)星粉末。

進一步的，所述等離子炬數(shù)量為4個，所述等離子炬發(fā)出的高能量密度等離子束匯聚于一個焦點，所述焦點位于所述多束金屬絲組的徑向截面中心點上，所述多個等離子炬圍繞所述截面中心線旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)置。

進一步的，所述感應(yīng)加熱裝置為感應(yīng)線圈，所述磁約束裝置為磁懸浮線圈，磁懸浮線圈位于感應(yīng)線圈的下方，所述兩組線圈可以獨自控制，頻率和功率可控，所述磁懸浮約束線圈頻率較所述感應(yīng)線圈小。

本發(fā)明還提供一種基于等離子體技術(shù)制備金屬粉末的方法，包括如下幾個步驟：

1）進料，所述進料的原材料為多束金屬絲，金屬絲從外部的絲軸通過動密封裝置進入進料室內(nèi)，通過進料機構(gòu)和矯直機構(gòu)后，金屬絲引導(dǎo)管輸送金屬絲到感應(yīng)加熱熔融室，然后停止進料，

2)對整個系統(tǒng)進行抽真空，真空度至少需要達到1×10-4pa后，氬氣從進料室頂部進入，填充整個系統(tǒng)，使設(shè)備內(nèi)部氣體壓力為0.1mpa；

3）啟動感應(yīng)加熱裝置和磁約束裝置，開始繼續(xù)進料，金屬絲在感應(yīng)加熱裝置和磁約束裝置作用下，金屬絲形成熔融狀態(tài)的金屬液流，以穩(wěn)定的速率和流量隨金屬絲進入等離子炬室；

4）等離子炬進一步加熱熔融步驟3）得到的金屬液流并破碎熔融液，形成金屬液滴；

5）上述金屬液滴進入霧化室，在重力沉降過程中冷卻凝結(jié)成金屬粉末，大粒徑的金屬粉末進入霧化室底部的粉末收集室，小粒徑的金屬粉末隨同氣體一起從氣體出口管道流入旋風(fēng)分離器實現(xiàn)氣固分離。

進一步的，所述金屬絲為純鈦、ti-6al-4v等鈦合金材料，也可以是鎢金屬絲等高熔點金屬。

進一步的，所述金屬絲的數(shù)量為1-4根。相比于金屬棒材，金屬絲能較易實現(xiàn)連續(xù)進料，而多路金屬絲也保證了金屬絲材料單位長度上的金屬材料與大直徑的金屬棒材相當，從而保證系統(tǒng)的高的進料量，絲路的進料速度可控，因此如有必要，也可實現(xiàn)工藝在低進料量條件下運行。

進一步的，所述金屬絲的直徑范圍為0.2~20mm。

上述方法中采用感應(yīng)加熱裝置對金屬絲進行預(yù)熱熔融，金屬絲線在預(yù)熱熔融后進入等離子體霧化區(qū)，可以縮短其在等離子炬火焰作用下被加熱至完全熔融所需的時間，從而可以實現(xiàn)金屬絲線以較快的速度進入等離子霧化區(qū)，此方法可以充分利用等離子體的霧化功能，等離子的預(yù)熱加熱熔融功能可以很大程度上由感應(yīng)加熱承擔(dān)。

上述方法還采用磁懸浮和磁約束技術(shù)，金屬絲材在感應(yīng)加熱的作用下，在感應(yīng)加熱區(qū)下部時，金屬絲材表面溫度會先達到熔融狀態(tài)，因而會形成成液滴墜落，但是在磁懸浮技術(shù)的作用下，此部分液滴會保持與金屬絲材同步進入等離子霧化區(qū)，從而保證了等離子體霧化區(qū)進料的穩(wěn)定。此外，也保證了可以安全地將金屬絲材加熱到一個更高的溫度，降低其在等離子炬作用下完全熔融所需時間。

有益效果：本發(fā)明將多路金屬絲傳送技術(shù)、高頻熔煉技術(shù)、磁懸浮技術(shù)和等離子體霧化制備技術(shù)結(jié)合在一起，本發(fā)明能實現(xiàn)在保證連續(xù)進料的同時，實現(xiàn)進料量成若干倍數(shù)增加;下部的感應(yīng)加熱能充分加熱金屬絲線束到熔融或者部分熔融狀態(tài)，同時實現(xiàn)未熔融部分和熔融部分的進料穩(wěn)定，避免金屬絲線熔融物的崩落;在感應(yīng)加熱的輔助下，等離子炬的霧化作用得到極大地釋放，相比于傳統(tǒng)的等離子體霧化制備技術(shù)，在保證金屬顆粒球形度和粒徑的前提下，實現(xiàn)高熔點金屬粉末制造量成倍數(shù)增加。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為金屬絲各絲路的分隔裝置示意圖。

圖3為等離子體炬布置俯視示意圖。

圖4為等離子體炬與金屬絲主視示意圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例和附圖進一步闡明本發(fā)明的相關(guān)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。

實施例1

如圖1-4所示，基于等離子體霧化技術(shù)的金屬粉末制備裝置，包括給料室1、感應(yīng)加熱熔融室2、等離子炬室5、霧化室7和粉體收集室8，

給料室1的上端為動密封裝置101，給料室1內(nèi)部設(shè)有多路金屬絲連續(xù)進料機構(gòu)和矯直機構(gòu)102，給料室1的下方為感應(yīng)加熱熔融室2，給料室1和感應(yīng)加熱熔融室2之間設(shè)有隔板3，一根豎直的金屬絲引導(dǎo)管4貫穿在給料室1和感應(yīng)加熱熔融室2之間，感應(yīng)加熱熔融室2內(nèi)設(shè)有感應(yīng)加熱裝置和磁約束裝置，感應(yīng)加熱裝置為感應(yīng)線圈，所述磁約束裝置為磁懸浮線圈，磁懸浮線圈位于感應(yīng)線圈的下方，所述兩組線圈可以獨自控制，頻率和功率可控，所述磁懸浮約束線圈頻率較所述感應(yīng)線圈小。感應(yīng)加熱裝置可以加熱金屬絲束到完全熔融或者絲束外層熔融狀態(tài)，磁約束裝置位于感應(yīng)加熱裝置的下面，用于約束處于熔融狀態(tài)的金屬液體，防止其從完全熔融或者部分熔融的金屬絲上剝落或者崩落，保證金屬液流以穩(wěn)定的速率和流量隨金屬絲進入所述等離子炬室，進行霧化；

感應(yīng)加熱熔融室2下方為等離子炬室5，等離子炬室5為錐形體，其錐面位置設(shè)有若干個均勻排列的等離子炬6通入等離子炬室5內(nèi)部，等離子炬6可發(fā)出高能量密度和高溫的等離子束，用于進一步加熱并熔融所述的部分熔融的金屬絲束或者所述的完全熔融液，并破碎熔融液，形成金屬液滴；

等離子炬室5的下部連接霧化室7，用于霧化金屬熔融液流，并冷凝所述金屬液滴，霧化室7的底部為倒錐體形并與下面的粉體收集室8相連；霧化室7的下部中央位置設(shè)有氣體出口管道9，氣體出口管道9連通旋風(fēng)分離器10。霧化室7的壁面設(shè)有冷卻水套，用于冷卻在霧化室7形成的金屬液滴為金屬粉末。

霧化室倒錐體上部設(shè)有若干個環(huán)繞霧化室均勻排列的吹掃裝置11，采用氬氣定期吹掃沉積在霧化室底部倒錐體壁面上的顆粒物。霧化室7上位于吹掃裝置11的上部設(shè)有冷卻風(fēng)管12，用于進一步冷卻高溫金屬粉體。

氣體出口管道9的出口處設(shè)有遮流板13，目的在于從四周吸入氣體，引導(dǎo)霧化室7上部霧化區(qū)域氣流向四周擴散，從而使液滴盡可能分散開來，避免液滴碰撞形成衛(wèi)星粉末。

等離子炬6數(shù)量為4個（如圖3），等離子炬6發(fā)出的高能量密度等離子束匯聚于一個焦點，所述焦點位于所述多束金屬絲組的徑向截面中心點上（如圖4），所述多個等離子炬6圍繞所述截面中心線旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)置。

實施例2金屬粉末制備方法

本實施例選取4根直徑為10mm的ti-6al-4v鈦合金金屬絲綸14（如圖2），分別穿過動密封裝置101、通過進料機構(gòu)和矯直機構(gòu)102后，金屬絲引導(dǎo)管4輸送金屬絲14到感應(yīng)加熱熔融室2，測試正常后關(guān)閉進料系統(tǒng)電源，關(guān)閉進料室。然后對整套系統(tǒng)進行抽真空，真空度達到1x10^-4pa后，采用高純氬氣噴入系統(tǒng)，使設(shè)備內(nèi)部氣體壓力恢復(fù)到常壓0.1mpa。開啟感應(yīng)加熱裝置和磁約束裝置，開啟進料裝置，使其工作。

金屬絲14垂直向下，在高頻電磁場內(nèi)預(yù)熱升溫到接近熔化溫度，完全熔融，或者金屬絲外層熔融，熔融或者部分熔融的金屬絲繼續(xù)向下運動，進入磁懸浮感應(yīng)區(qū)域，在磁力的約束和作用下，防止出現(xiàn)金屬絲完全熔斷崩落或者金屬熔融液滴墜落；感應(yīng)加熱金屬線圈和磁約束線圈可以分別控制，頻率和功率根據(jù)運行情況可調(diào)控；

金屬絲14進入等離子體室5，已經(jīng)接近熔融的金屬絲14在高溫的等離子火焰中升溫迅速，被高溫高速惰性氣體沖擊打散，進行一次破碎。因為四根等離子炬6對稱均勻分布，兩個鏡像分布的等離子炬6氣流在交匯處相擊，緊接著對一次破碎的液滴進行二次破碎。在高溫等離子火焰的作用下，液滴極易在極短時間時間被加熱到高溫，表面張力減小，從而極易被破碎成更小的金屬液滴，也有足夠的時間進行收縮形成球形度高的金屬粉末，金屬液滴進入霧化室7，在重力沉降過程中冷卻凝結(jié)成金屬粉末，大粒徑的金屬粉末進入霧化室7底部的粉體收集室8，小粒徑的金屬粉末隨同氣體一起從氣體出口管道13流入旋風(fēng)分離器10實現(xiàn)氣固分離。

上述所有步驟在惰性氣體條件下進行。該方法制備的鈦合金金屬粉末的產(chǎn)量可達20kg/h。

本發(fā)明中未做特別說明的均為現(xiàn)有技術(shù)或者通過現(xiàn)有技術(shù)即可實現(xiàn)，而且本發(fā)明中所述具體實施案例僅為本發(fā)明的較佳實施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。