一种制备金属粉体的系统及方法
技术领域
本发明涉及粉体冶金领域，具体涉及一种制备颗粒粒径小的金属粉体的系统及方法。
背景技术
金属3D打印中，其金属原材料，或者为丝状、或者为粉体。通常，利用粉体作为原材料打印时，具有更好的打印精度、速率及更高的打印质量。
应用于3D打印的金属粉体，其球形度越高，则越容易得到高质量的3D打印制品;而其粒径分布，兼顾打印能量效率、打印精度和打印速度的要求，一般认为粉体粒径在50微米以下、比如10至30微米时具有最佳打印能力。
现有的等离子体炬旋转电极制粉技术，其获得的金属粉体的粒径绝大多数在50微米以上，无法满足3D打印要求的既具有良好球形度、又具有粒径小于50微米这一对3D打印用金属粉体性能的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备金属粉体的系统及方法，解决现有技术中的等离子体炬旋转电极制粉过程获得粉体的粒径在50微米以上的不足。
为解决上述问题，本发明提供了一种制备金属粉体的系统，所述系统包括制粉腔室;位于所述制粉腔室底部的可拆卸连接的粉体收集室;位于所述制粉腔室一侧的用于旋转和推进棒状阳极的旋转供给装置;位于所述旋转供给装置中的棒状阳极;位于所述制粉腔室另一侧依次设置的等离子体炬喷嘴和等离子体炬;与所述制粉腔室密封连通的真空装置和输气装置，用于对所述制粉腔室抽真空和输入惰性气体;为所述系统提供动力的电源;其中所述旋转供给装置、所述棒状阳极、所述等离子体炬喷嘴和所述等离子体炬同轴设置;并且所述棒状阳极和所述等离子体炬喷嘴相对;其中，磁场装置套接于所述旋转供给装置的内壁和/或所述等离子体炬喷嘴的外壁。
优选地，所述磁场装置是电磁线圈，所述电磁线圈串接于所述电源的电路。
优选地，所述磁场装置是永磁体。
优选地，所述磁场装置的内径大于所述棒状阳极的外径，并且所述磁场装置的外径小于所述旋转供给装置的内径。
优选地，所述磁场装置的内径大于所述等离子体炬喷嘴的外径。
优选地，设置于所述旋转供给装置的所述磁场装置的磁极方向和设置于所述等离子体炬喷嘴的所述磁场装置的磁极方向相反。
优选地，所述永磁体是环形永磁体。
优选地，所述磁场装置产生的磁场强度在10至10000高斯之间。
优选地，所述磁场装置产生的磁场强度在200至2000高斯之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用本发明的第一方面所述的系统制备金属粉体的方法，所述方法包括如下步骤：
a.打开电源;
b.启动真空装置，对制粉腔室进行抽真空;
c.启动输气装置，对所述制粉腔室输入惰性气体;
d.启动旋转供给装置，将棒状阳极供给至始终距离等离子体炬喷嘴5至10厘米的位置;
e.启动磁场装置，使得所述磁场装置产生的磁场强度在10至10000高斯之间;
f.启动等离子体炬，进行燃弧工作，形成等离子体射流喷射至所述棒状阳极;
g.所述棒状阳极消耗完毕时，停止所述真空装置、所述输气装置、所述旋转供给装置、所述磁场装置、所述等离子体炬，关闭电源，拆卸粉体收集室，取出粉体。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：在现有的等离子体炬旋转电极制粉系统中，增加了套接于旋转供给装置的内壁和/或等离子体炬喷嘴的外壁的磁场装置，使得从等离子体炬喷嘴喷射出来的等离子体射流的能量最大限度的聚集在棒状阳极释放，从而提高了等离子体射流能量密度、升高了形成的液滴温度，使得制备的粉体颗粒粒径更小。
附图说明
图1是本发明的制备金属粉体的系统的结构示意图。
附图标号：
1.制粉腔室;2.等离子体炬;3.旋转供给装置;4.粉体收集室;5.磁场系统;6.输气装置;7.电源;8.真空装置;9.喷嘴;10.棒状阳极。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
对于等离子体炬旋转电极制粉技术而言，其粒径与等离子体射流能量、棒状阳极旋转速率之间有如下关系：
式中，vD为粉体冷却前液滴的颗粒粒径，为棒状阳极的转速，R为棒状阳极的直径，ρ为棒状阳极的比重，κ为静电引力常数，π为圆周率，a为原子空间表征尺度，x为与带电电荷数量数关的系数。
因为a为与温自度由成原正子比空(间类似大热小，膨胀)，所以，温度越高、粒径越小。从等离子体炬的角度来看，是尽可能提高输出的能量密度、以及尽可能的让等离子体射流聚集，从而提高棒状阳极液化点的温度，实现更细粉体的制备。
另一方面，带电颗粒在磁场中运动时，如果运动方向与磁场磁力线方向一致，则带电颗粒不会受到磁场的作用，如果带电颗粒有垂直于磁场方向的分速度，则在磁场作用下，带电颗粒将在磁场作用下，环绕磁力线做螺旋(带电颗粒同时存在平行于磁场的分速度)运动，即，带电颗粒将被约束在磁场中进行运动，这样，带电颗粒的能量，将因此被约束在磁场范围内，不会扩散到其它无关区域而白白浪费损失。基于这一原理，设计了本发明。
如图1所示，显示了本发明的制备金属粉体的系统的结构示意图。其中，所述系统包括：制粉腔室1;位于所述制粉腔室1底部的可拆卸连接的粉体收集室4;位于所述制粉腔室1一侧的用于旋转和推进棒状阳极的旋转供给装置3;位于所述旋转供给装置3中的棒状阳极10;位于所述制粉腔室1另一侧依次设置的等离子体炬喷嘴9和等离子体炬2;与所述制粉腔室1密封连通的真空装置8和输气装置6，用于对所述制粉腔室1抽真空和输入惰性气体;为所述系统提供动力的电源7;其中所述旋转供给装置3、所述棒状阳极10、所述等离子体炬喷嘴9和所述等离子体炬2同轴设置;并且所述棒状阳极10和所述等离子体炬喷嘴9相对;其中，磁场装置5套接于所述旋转供给装置3的内壁和/或所述等离子体炬喷嘴9的外壁。也就是说，磁场装置5单独套接于所述旋转供给装置3的内壁、或单独套接于所述等离子体炬喷嘴9的外壁、或磁场装置5同时套接于所述旋转供给装置3的内壁和所述等离子体炬喷嘴9的外壁均具有磁场约束作用，都能够起到等离子体射流能量聚集的作用，均可实现本发明。其中，所述真空装置8、所述输气装置6、所述旋转供给装置3、所述等离子体炬2分别设置有各自独立的控制电源，并且均串接于为所述系统提供动力的电源7。另外，对于所述磁场装置5，如果是电磁线圈，也设置有控制电源，并且串接于所述电源7的电路;如果是永磁体，那么不需要设置控制电源。所述从等离子体炬喷嘴9喷射到棒状阳极10的等离子体射流，在所述磁场装置5产生的磁场作用下，等离子体射流的直径变小，这样等离子体射流作用在棒状阳极10的面积变小，在等离子体炬2输出能量不变的情况下，棒状阳极10作业区的能量密度更高，进而获得的棒状阳极10产生的液滴的温度更高，在离心作用下甩出的液滴的粒径更小，即实现了更小粒径粉体的制备。
优选地，所述磁场装置5是电磁线圈，所述电磁线圈串接于所述电源7的电路。从而便于所述系统进行工作时启动磁场装置5，使得所述磁场装置5产生一定的磁场强度。
优选地，所述磁场装置5是永磁体。所述永磁体经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，所以不需要设置控制电源。
优选地，所述磁场装置5的内径大于所述棒状阳极10的外径，并且所述磁场装置5的外径小于所述旋转供给装置3的内径。从而所述磁场装置5套接于所述旋转供给装置3的内壁，并且不会妨碍所述棒状阳极10在其中的旋转和推进，套接于所述旋转供给装置3的内壁的所述磁场装置5单独实现磁场作用，或与套接于所述等离子体炬喷嘴9的外壁的所述磁场装置5共同实现磁场作用。
优选地，所述磁场装置5的内径大于所述等离子体炬喷嘴9的外径。从而所述磁场装置5套接于所述等离子体炬喷嘴9的外壁，套接于所述等离子体炬喷嘴9的外壁的所述磁场装置5单独实现磁场作用，或与套接于所述旋转供给装置3的内壁的所述磁场装置5共同实现磁场作用。
优选地，设置于所述旋转供给装置3的所述磁场装置5的磁极方向和设置于所述等离子体炬喷嘴9的所述磁场装置5的磁极方向相反。从而磁场方向顺着等离子体射流方向，即，等离子体射流为从等离子体炬喷嘴9到棒状阳极10，磁场方向则同样为从等离子体炬2到棒状阳极10;其中，磁场的方向，仅指磁力线的平行状态，具体磁场磁极的设置，从等离子体炬喷嘴9到棒状阳极10，是N极到S极。或从等离子体炬喷嘴9到棒状阳极10的磁场磁极的设置也可以是S极到N极，均可起到约束带电离子的作用。
优选地，所述永磁体是环形永磁体。从而所述环形永磁体便于套接于所述旋转供给装置3的内壁，并且不会妨碍所述棒状阳极10在其中的旋转和推进。
优选地，所述磁场装置5产生的磁场强度在10至10000高斯之间。
优选地，所述磁场装置5产生的磁场强度在200至2000高斯之间。
为解决上述问题，本发明还提供一种利用所述系统进行制备金属粉体的方法，所述方法包括如下步骤：
a.打开电源7;
b.启动真空装置8，对制粉腔室1进行抽真空;
c.启动输气装置6，对所述制粉腔室1输入惰性气体;
d.启动旋转供给装置3，将棒状阳极10供给至始终距离等离子体炬喷嘴9约5至10厘米的位置;
e.启动磁场装置5，使得所述磁场装置5产生的磁场强度在10至10000高斯之间;对于所述磁场装置5，如果是电磁线圈，也设置有控制电源，并且串接于所述电源7的电路;如果是永磁体，那么不需要设置控制电源，不存在启动问题;
f.启动等离子体炬2，进行燃弧工作，形成等离子体射流喷射至所述棒状阳极10;
g.所述棒状阳极10消耗完毕时，停止所述真空装置8、所述输气装置6、所述旋转供给装置3、所述磁场装置5、所述等离子体炬2，关闭电源7，拆卸粉体收集室4，取出粉体。
从而在等离子体炬旋转电极金属制粉技术的基础上，增加了磁场装置5，使得从等离子体炬喷嘴9喷射出来的等离子体射流不会四散，在磁场作用下，射流的直径变小，等离子体射流作用在棒状阳极10端面的面积变小，而是更多地聚集到其端面，这样在等离子体炬2输出能量不变的情况下，提高了喷射到棒状阳极10端面的等离子体射流的能量密度和形成的液滴的温度，在离心作用下甩出的液滴的粒径更小，即实现了更小粒径粉体的制备。
实施例一：
本发明的等离子体炬旋转电极制粉系统的结构特征为：制粉腔室1为不锈钢制造，腔室立式圆柱结构，空间尺寸为：直径2000mm、高度500mm，侧立放置;旋转供给装置3、其中的棒状阳极10和等离子体炬2安装在制粉腔室1的竖直中心，相互正对;旋转供给装置3输送的原材料棒状阳极10的直径为80mm;磁场装置5由分别套接于所述旋转供给装置3的内壁和套接于所述等离子体炬喷嘴9的外壁的环形钕铁硼永磁体组成，其中位于等离子体炬喷嘴9对着棒状阳极10方向的永磁体磁极为N极，而棒状阳极10对着等离子体炬喷嘴9方向的永磁体磁极为S极，磁场测量表明，位于等离子体炬喷嘴9与棒状阳极10中心连线中间点的磁场强度为600高斯;制粉腔室1的底部，设置通过管道等可拆卸连接于其下方的粉体收集室4;等离子体炬2与棒状阳极10之间，外接有最大输入功率为300kW的电源7;棒状阳极10在旋转供给装置3的控制下启动后能够高速转动。
金属旋转棒状阳极10由拟制备的基础金属粉体材料316不锈钢组成。生产准备为，将加工好的316不锈钢棒状阳极10安装于旋转供给装置3，对制粉腔室1通过真空装置8抽真空排除制粉腔室1内的杂质空气，然后通过输气装置6通入惰性Ar气体作为工艺气体，加入的Ar气体的量，使得制粉腔室1内的压强达到1.5个大气压。
生产工艺过程为：首先测试磁场装置5，保证磁场装置5产生的磁场正常;接着启动系统工作，棒状阳极10的旋转速度为8万转/分，等离子体炬2的工作功率为100kW，等离子体炬2的钨电极与棒状阳极10的端面始终保持间距约5至10厘米的位置，通过步进电机推动棒状阳极10不断向等离子体炬2的方向供给，供给速率为2mm/s;制粉过程中，制粉腔室1环境Ar气体的气压强保持1.5个大气压不变。在棒状阳极10消耗完毕时，停止所述真空装置8、所述输气装置6、所述旋转供给装置3、所述磁场装置5、所述等离子体炬2，关闭电源7，拆卸粉体收集室4，取出粉体，整个制粉工艺过程完成。
本发明形成的粉体，与现有的等离子体炬旋转电极制粉技术获得的粉体比较，其粒径显著降低;现有的等离子体炬旋转电极制粉技术获得的粉体的粒径，一般在50微米以上，而本发明的具有磁场系统的等离子体炬旋转电极制粉技术获得粉体的粒径大小在30至50微米之间。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
