[实用新型]一种基于等离子体雾化技术的金属粉末制备装置

说明书

技术领域

本实用新型属于金属粉末制备领域，具体涉及一种基于等离子体雾化技术的金属粉末制备方法及其装置。

背景技术

3D打印技术通过金属粉末在电子束等热源的作用下熔融并层层叠加以制备金属零件，几乎不受零件复杂程度的限制。相比与传统的制造工艺，3D打印技术可以显著降低材料、能源消耗和成本，因此，在航天、医疗、车辆和模具定制等领域有广阔的市场前景。

金属粉末的质量直接影响所制造金属零件的质量。为保证零件质量，需采用球形度高的金属颗粒。此外，金属颗粒的粒径也必须控制在一个合适的区间。比如，对于选择性激光熔融（SLM）打印技术，金属粉末的合适粒度为15-45μm，电子束熔融技术（EBM）所需的金属粉末粒径为45-106μm。

随着3D打印技术的快速发展，市场上对高质量金属颗粒的需求也增长迅速。但是，其受制于高质量金属粉末制造工艺的产量和成本，尤其是对于高熔点的纯金属和合金粉末。

金属粉末的生产工艺最核心的两个关键步骤是，先将金属材料加热熔融，然后借助外力将熔融液破碎雾化成小液滴。雾化方法主要有气体雾化法、等离子体雾化法和高速旋转离心法。目前国内外高熔点金属粉末的常见制备方法有水冷铜坩埚气雾化、电极感应熔炼气雾化、等离子体旋转电极法和等离子体雾化法。

水冷铜坩埚气雾化法采用水冷铜坩埚对金属材料进行熔炼，在铜坩埚底部有稳定流量和流速的向下液流，液流借助于高速气流的冲击而形成微小液滴。缺点是，金属材料会与坩埚接触从而溶入杂质，因此不适用于高纯度和高活性的金属粉末的生产制造。

电极感应熔炼气雾化法（EIGA）引入无坩埚的感应线圈对金属棒材进行熔融，避免了金属材料与坩埚的接触，从而保证了雾化粉末的纯净度。但是，EIGA技术通过增大感应电极原料棒材的直径来增加处理量和生产量，并没有实现长时间的连续进料。电极直径的增大也受到感应线圈等各方面的限制。此外，电极在加热过程中还存在液滴掉落，或者未完全融化断裂掉入导流管中而造成阻塞。

气雾化技术用大量的高速气体破碎金属熔融液体，所生产的小液滴没有足够的时间进行收缩球化。因此，会造成粉末球形度不够好，且有空心粉和卫星粉的现象。

等离子体旋转电极法采用等离子弧轰击置于高速旋转轴上高速旋转的阳极金属棒材，熔化的金属液滴在离心力的作用下沿切线方向上发散成小液滴，最终凝固球化成粉。等离子体旋转电极法不需要使用高速气流，避免空心粉的产生，但其对棒材的加工要求较高，且不能保证雾化的连续性。旋转电极的真空密封性和清洁度也是等离子旋转电极法的关键问题。受限于旋转速度，所制备的球形粉末的颗粒力度普遍在100μm到250μm，小于100μm的颗粒较少，因此不能满足一些3D打印工艺对粉末的要求。

热等离子体是气体在电弧放电或高频放电条件下电离所形成的由离子、电子和中性粒子组成的高能状态。其温度能达到10000K以上，因此可以将金属在瞬间熔化，并在高速等离子气流作用下雾化形成粉末。

US005707419A公开了一种等离子体雾化生产金属粉末的方法，通过对称分布的三个等离子炬释放的高温等离子火焰交汇将钛合金丝熔化并破碎成微细金属液滴。该方法能制取粒径在50到100的金属颗粒。然而缺点是，工艺的生产效率低，每小时只能生产1kg左右钛粉。

WO2016191854公开了一种提高等离子体雾化生产效率的方法，采用对称分布的三个等离子炬熔融雾化预热过的金属丝线，将系统工艺的生产能力提高到了5kg每小时，同时，将粉末的平均粒径降低到了45μm。

可见，采用等离子雾化法制备金属粉末，能极大地提高粉末的质量，包括球形度和粒径。尤其是对于高纯度钛或钛合金粉末，等离子雾化方法因其高能量密度火焰，能快速熔融金属丝材。熔融物在高温高速气流作用下粘性力小，极易破碎，并有足够的时间收缩冷凝成高球形度的钛粉颗粒。但是，目前并没有一种处理量大和生产效率高的等离子体雾化技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于等离子体雾化技术的金属粉末制备方法及其装置，可以解决现有技术中金属粉末生产效率低，不可以量产的问题。

技术方案：

一种基于等离子体雾化技术的金属粉末制备装置，包括给料室、感应加热熔融室、等离子炬室、雾化室和粉体收集室，

所述给料室的上端为动密封装置，内部设有多路金属丝连续进料机构和矫直机构，给料室的下方为感应加热熔融室，给料室和感应加热熔融室之间设有隔板，一根竖直的金属丝引导管贯穿在给料室和感应加热熔融室之间，所述感应加热熔融室内设有感应加热装置和磁约束装置；