一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的裝置及方法，用于增材制造技術(shù)(3D打印)所用金屬和陶瓷粉體的制造方法，特別是高熔點(diǎn)難熔金屬和多元合金化粉體。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著增材制造技術(shù)(3D打印)快速興起，在航天、航空和能源領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和梯度材料制造中，有傳統(tǒng)制造方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。其中，增材制造所用粉體材料是該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]目前增材制造技術(shù)所用材料主要集中在:鈦鎳合金、鋼鐵、陶瓷、鎂鋁合金及鈷、錸等稀有金屬材料。
[0004]以往，根據(jù)粉末冶金發(fā)展來(lái)的粉體制造方法，不能很好地滿(mǎn)足增材制造需要。顆粒的高球型度、粒度、粒度分布、松裝比、含氧及夾雜量和成品率都不穩(wěn)定。雖然現(xiàn)有方法中，物理制粉法(氣霧化、水霧化、真空霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極和射頻等離子體炬霧化)及化學(xué)方法制造的粉體有所改善，但不能有效同時(shí)滿(mǎn)足上述全部要求。而且制造成本高，制粉類(lèi)型單一，對(duì)高熔點(diǎn)材料很難奏效。已知的射頻等離子體法雖然效果比較理想，但至少需要在已經(jīng)加工細(xì)化的粉體基礎(chǔ)上再次制造，而且不能一次直接制成合金化粉體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的方法，是利用等離子電弧采用三根電極，或根據(jù)不同材料換用不用形式電極來(lái)蒸發(fā)金屬原料棒成霧狀電漿體，即為所要制造粉體材料成分相同的棒材、絲材，或陶瓷棒，原料棒在中心，電弧在周?chē)?。而后利用惰性氣體流將霧化的金屬霧吹入收集裝置，隨著溫度和氣壓驟降迅速冷卻凝固成粉體；便于機(jī)械化生產(chǎn)，大大降低粉體制造成本。在這一過(guò)程中，金屬霧滴在氣壓差和表面張力作用下自然膨脹成球體，粉體圓整性好、粒度分布均勻、含氧和夾雜量極低。而且粉體粒度可以根據(jù)用粉要求，通過(guò)等離子弧輸出熱量和保護(hù)氣體氣壓等參數(shù)調(diào)整。隨后進(jìn)行粉體回收包裝。粉體粒度可為0.1~100μπι之間。實(shí)現(xiàn)粉體制造一次成型。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的裝置，通過(guò)專(zhuān)用的夾具和推進(jìn)裝置連續(xù)供給棒料，使設(shè)備連續(xù)制粉，其采用模塊化方式組裝，其中，等離子發(fā)生器(電極數(shù)量、電源連接方式)及噴嘴(擴(kuò)容腔長(zhǎng)度、出口角度)根據(jù)所制材料性質(zhì)(熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、飽和蒸汽壓與自由能等)，可由工程熱物理和材料熱力學(xué)原理計(jì)算得出，而后選擇，結(jié)構(gòu)合理，操作方便。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的裝置，由擴(kuò)容室噴嘴、噴嘴水冷卻進(jìn)口、噴嘴水冷卻出口、等離子弧發(fā)生器電極、保護(hù)氣體進(jìn)口、推進(jìn)桿、原料棒夾具組成，其特征在于:擴(kuò)容室噴嘴的為耐高溫陶瓷材料，噴嘴水冷卻進(jìn)口設(shè)在擴(kuò)容室噴嘴的下端，噴嘴水冷卻出口設(shè)在擴(kuò)容室噴嘴的上端，等離子弧發(fā)生器電極布置在擴(kuò)容室噴嘴內(nèi)，為徑向面互成120°角的三根陰極，保護(hù)氣體進(jìn)口采用氬氣或其他惰性保護(hù)氣體布置在等離子弧發(fā)生器電極后側(cè)，原料棒通過(guò)送料裝置上的進(jìn)料口進(jìn)入加熱區(qū)的等離子弧發(fā)生器電極內(nèi)腔，送料裝置由兩組相同結(jié)構(gòu)的推進(jìn)器組成，其中推進(jìn)器的四根推進(jìn)桿為兩根帶螺紋的絲杠和兩根光杠是與前端固定法蘭盤(pán)和后端固定法蘭盤(pán)的法蘭孔周?chē)附拥奶淄补潭ㄟB接的，其中絲杠與套筒插接處嵌入兩塊軸承，外側(cè)為推力軸承，在前端固定法蘭盤(pán)上進(jìn)料口附近加裝有觸點(diǎn)返回開(kāi)關(guān)，原料棒夾具前端通過(guò)軸承固定在運(yùn)動(dòng)法蘭中心孔中，原料棒夾具為8瓣顎式夾子，前端固定法蘭盤(pán)、后端固定法蘭盤(pán)和運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)上均開(kāi)有四個(gè)孔，兩個(gè)帶螺紋的孔，兩個(gè)不帶螺紋的孔，其中兩根帶螺紋的絲杠與法蘭盤(pán)連接做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩根光杠作為支撐滑道使運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)在其上運(yùn)動(dòng)。
[0008]所述的擴(kuò)容室噴嘴外壁有硅酸鋁保溫棉隔層，隔層外包裹陶泥密封。
[0009]所述推進(jìn)器上的法蘭盤(pán)為6個(gè)，其中包括兩組前端固定法蘭盤(pán)、后端固定法蘭盤(pán)和運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)，在兩組運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)軸承固定有原料棒夾具。
[0010]所述的推進(jìn)器中的第一組的后端固定法蘭盤(pán)與第二組前端固定法蘭盤(pán)通過(guò)焊接方式連接。
[0011]所述的擴(kuò)容室噴嘴的出口角度為5° — 75°，出口末段內(nèi)徑01在5毫米---190毫米，圓弧半徑r在5毫米一 130毫米，出口中段隊(duì)在3毫米一 150毫米，圓弧半徑R在25毫米一 550暈米，出口前段03在20暈米一 900暈米，噴嘴總長(zhǎng)在50暈米一 1500暈米。
[0012]所述的前端法蘭盤(pán)的盤(pán)面內(nèi)嵌入電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)。
[0013]所述的運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)的盤(pán)面內(nèi)嵌入電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原料棒夾具運(yùn)動(dòng)。
[0014]所述的等離子弧發(fā)生器電極為三組，為非轉(zhuǎn)移弧，其中下面兩組電極的夾角為115°，另兩組相互夾角為122.5°。
[0015]—種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的方法，其特征在于具體步驟如下:1)、生產(chǎn)時(shí)首先在保護(hù)氣體進(jìn)口充入惰性氣體，排空擴(kuò)容室噴嘴內(nèi)部空氣，隨后啟動(dòng)等離子弧發(fā)生器電極，一般調(diào)節(jié)輸出電流范圍為20安培至300安培，等離子弧發(fā)生器電極溫度5000°C至 30000。。；
2)、完成步驟1后，啟動(dòng)送料裝置第二組推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)法蘭和原料棒夾具，原料棒夾具夾持原料棒向前端行進(jìn)，每次工作的第一根原料棒要先將尖端打磨成圓錐狀；
3)、待第二組原料棒夾具夾持原料棒接觸到第二組推進(jìn)器前端固定法蘭盤(pán)中心孔附近的觸點(diǎn)返回開(kāi)關(guān)后，這時(shí)第一組推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)上的原料棒夾具開(kāi)始啟動(dòng)，接替夾緊原料棒開(kāi)始前進(jìn)，同時(shí)第二組推進(jìn)器的前端固定法蘭盤(pán)上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)上的原料棒夾具返回原位置；
4)、待第一組原料棒夾具夾持原料棒接觸到第一組推進(jìn)器前端固定法蘭盤(pán)中心孔附近的觸點(diǎn)返回開(kāi)關(guān)后，同樣原理由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)返回，去迎接第二組驅(qū)動(dòng)器重新送進(jìn)的原料棒，第一組原料棒與第二組原料棒首尾端部通過(guò)摩擦焊相連，摩擦焊動(dòng)力由第一組的原料棒夾具與返回時(shí)處于緊閉狀態(tài)的第二組原料棒夾具共同旋轉(zhuǎn)提供；
5)、每根原料棒都通過(guò)這種方法往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成給料，如果使用焊絲，則省去摩擦焊連接第一組原料棒與第二組原料棒步驟，
6)、當(dāng)旋轉(zhuǎn)送進(jìn)的原料棒進(jìn)入等離子弧發(fā)生器電極區(qū)時(shí)，原料棒在環(huán)繞的等離子弧中心區(qū)域，經(jīng)過(guò)高溫等離子弧瞬時(shí)加熱蒸發(fā)，成霧狀電漿體，伴隨著保護(hù)氣體進(jìn)口吹入的惰性氣流沖入擴(kuò)容室噴嘴，形成爆噴；
7)、在擴(kuò)容室噴嘴內(nèi)達(dá)到暫時(shí)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，表面自由能趨使霧滴顆粒呈圓球狀，隨后跟隨惰性氣流被吹入擴(kuò)容室噴嘴出口處前端的收集室；
8)，收集室外壁采用包覆式循環(huán)水或液氮循環(huán)冷卻，保持溫度在_5°C至5°C，由于環(huán)境溫度驟降、氣壓也由于伯努利原理，瞬時(shí)形成了一個(gè)氣壓差，外界氣壓小于霧滴內(nèi)部壓力，又進(jìn)一步迫使霧滴顆粒膨脹呈球形，且瞬時(shí)凝固制得的粉末。
[0016]9)，停機(jī)時(shí)，先停止供料，然后將等離子弧發(fā)生器電極熄弧，最后再停止通惰性氣體，這一順序也適用于設(shè)備停機(jī)檢修情況。
[0017]本發(fā)明的積極效果是便于機(jī)械化生產(chǎn)，大大降低粉體制造成本。在這一過(guò)程中，金屬霧滴在氣壓差和表面張力作用下自然膨脹成球體，粉體圓整性好、粒度分布均勻、含氧和夾雜量極低。而且粉體粒度可以根據(jù)用粉要求，通過(guò)等離子弧輸出熱量和保護(hù)氣體氣壓等參數(shù)調(diào)整。隨后進(jìn)行粉體回收包裝。粉體粒度可為0.1~100μπι之間。實(shí)現(xiàn)粉體制造一次成型。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為推進(jìn)器法蘭盤(pán)一側(cè)剖面圖。
[0020]圖3為推進(jìn)器法蘭盤(pán)另一側(cè)剖面圖。
[0021]圖4為本發(fā)明的擴(kuò)容室嗔嘴結(jié)構(gòu)不意圖。
[0022]圖5為本發(fā)明的送料裝置第二組推進(jìn)器工作時(shí)的示意圖。
[0023]圖6為本發(fā)明的送料裝置第一組推進(jìn)器和第二組推進(jìn)器連續(xù)送料的示意圖。
[0024]圖7為本發(fā)明的送料裝置第二組推進(jìn)器續(xù)料的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述:如圖1-4所示，一種多電極等離子弧連續(xù)制造金屬粉末的裝置，由擴(kuò)容室噴嘴1、噴嘴水冷卻進(jìn)口 2、噴嘴水冷卻出口 16、等離子弧發(fā)生器電極3、保護(hù)氣體進(jìn)口 4、觸點(diǎn)返回開(kāi)關(guān)5、原料棒夾具7、原料棒夾具端部的齒牙8、運(yùn)動(dòng)法蘭盤(pán)9、前端固定法蘭盤(pán)10、后端固定法蘭盤(pán)15、絲杠11、光杠12、夾具電動(dòng)機(jī)13、絲杠電動(dòng)機(jī)14組成，其特征在于:擴(kuò)容室噴嘴1為耐高溫陶瓷材料，噴嘴水冷卻進(jìn)