雾化室、用于制备金属粉末的装置及其使用方法与流程

本发明涉及3d打印增材制造和冶金技术领域，具体涉及一种雾化室、用于制备金属粉末的装置及其使用方法。

背景技术：

金属粉末是材料产业的重要分支，利用金属粉末制备出的工件，具有其他材料所无法获得的优异性能。因此，金属粉末在航空航天、电子信息、冶金、能源、电力、医疗等领域有着广泛的应用前景。随着3d打印技术的发展，金属粉末的应用领域也进一步扩大，同时也对粉末的品质、成本等提出了更高的要求。

超声雾化是近年发展起来的一种新的雾化技术，利用该方法可以获得球形度高且粒度范围窄的高性能金属粉末。但由于其核心部件压电陶瓷的居里温度较低，因此只能制备低熔点的金属或合金粉末；另外，由于工作时，变幅杆与金属液存在温差，两者接触易结壳，影响超声雾化效果。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的是现有技术中无法制备熔点较高的金属粉末、变幅杆易结壳的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种雾化室，该雾化室包括控制器、与气源连接的雾化室本体、与所述雾化室本体的底部连通的第一收粉罐以及设置在所述雾化室本体内的变幅杆、换能器、第一加热单元和电磁感应片；所述第一加热单元设于所述变幅杆上，所述变幅杆的第一端为锥形伞状结构，所述变幅杆的第二端通过所述换能器与所述电磁感应片连接，所述电磁感应片上缠绕有电磁线圈，所述电磁线圈和所述第一加热单元均与所述控制器连接。

其中，所述锥形伞状结构的锥度为120-160°。

其中，还包括冷却单元，所述电磁感应片插设在所述冷却单元中，所述冷却单元上开设有进口和出口，所述进口临近所述电磁感应片设置，所述出口设置在所述冷却单元的底部。

其中，所述控制器上设有电源按钮、启动/停止按钮。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于制备金属粉末的装置，该装置包括补料室、熔炼室、真空泵组以及上述所述的雾化室，所述补料室通过所述熔炼室与所述雾化室本体的顶部连通，所述补料室与所述熔炼室之间设有可开闭的闸板，所述补料室、所述熔炼室和所述雾化室本体分别与所述真空泵组连接。

其中，所述补料室包括与所述气源连通的补料室本体以及设置在所述补料室本体内的补料坩埚和第一驱动单元；所述补料室本体的底部通过所述闸板与所述熔炼室连通，所述补料坩埚由所述第一驱动单元带动翻转、用于向所述熔炼室提供金属料坯，所述补料坩埚的翻转角度可调。

其中，所述熔炼室包括与所述补料室连通的熔炼室本体以及设置在所述熔炼室本体内的熔炼坩埚、中间包坩埚、导流管、第二驱动单元和第二加热单元；所述熔炼坩埚由所述第二驱动单元带动翻转、用于向所述中间包坩埚内浇注熔融金属液，所述熔炼坩埚的翻转角度可调，所述中间包坩埚的底部通过所述导流管与所述雾化室本体连通，所述导流管上设有所述第二加热单元。

其中，还包括旋风分离器，所述旋风分离器包括连接管道、收粉阀门、分离器本体和第二收粉罐，所述分离器本体的顶部设有所述收粉阀门、底部与所述第二收粉罐连通，所述分离器本体的上部通过所述连接管道与所述雾化室本体的侧部连通。

其中，所述真空泵组包括机械泵以及与所述机械泵连接的罗茨泵，所述补料室、所述熔炼室和所述雾化室本体分别与所述机械泵连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于制备金属粉末的装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

s1、当熔炼坩埚中装入指定量的金属料坯后，停止第一驱动单元、关闭闸板，分别将熔炼室本体和雾化室本体与机械泵连通，依次启动机械泵和罗茨泵，并跳转执行步骤s2；

s2、当熔炼室本体和雾化室本体内压力达到10pa后，关闭机械泵和罗茨泵，将雾化室本体与气源连通，使保护气体充入熔炼室本体和雾化室本体中，并跳转执行在步骤s3；

s3、当熔炼室本体和雾化室本体内的压力达到0.01-0.08mpa后，关闭气源，启动熔炼坩埚，并跳转执行步骤s4；

s4、当熔炼坩埚中的金属料坯的熔点达到第一温度后，启动中间包坩埚，所述第一温度的范围为150-200℃，并跳转执行步骤s5；

s5、当中间包坩埚的温度达到所述第一温度后，依次启动第二驱动单元、冷却单元、电磁线圈、第一加热单元、第二加热单元和收粉阀门，并跳转执行步骤s6；

s6、运行指定时间后，打开补料室本体，向补料坩埚中补入金属料坯，并跳转执行步骤s7；

s7、关闭补料室本体，将补料室本体与机械泵连通，依次启动机械泵和罗茨泵，并跳转执行步骤s8；

s8、当补料室本体内压力达到10pa后，关闭机械泵和罗茨泵，将补料室本体与气源连通，使保护气体充入补料室本体中，并跳转执行在步骤s9；

s9、当补料室内的压力达到0.01-0.08mpa，关闭气源，打开闸板，启动第一驱动单元，并跳转执行步骤s1。

(三)有益效果

本发明通过在变幅杆上设置第一加热装置，不仅减小了变幅杆与金属液之间的温度差，而且有效避免了金属液在变幅杆顶部结壳造成的超声特性变化、输出功率降低的现象发生，保证了超声雾化效果；另外，通过采用居里温度较高的电磁感应片，扩大了适用范围，解决了高熔点金属或合金难以通过超声雾化技术制备的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种雾化室的示意图；

图2是本发明实施例的一种用于制备金属粉末的装置的示意图。

附图标记：

1、补料室本体；1-1、气缸；1-2、连杆；1-3、补料坩埚；

1-4、闸板；2、熔炼室本体；2-1、手柄；2-2、熔炼坩埚；

2-3、中间包坩埚；2-4、导流管；2-5、第二加热单元；

3、真空泵组；3-1、机械泵；3-2、罗茨泵；4、雾化室本体；

4-11、变幅杆；4-12、第一加热单元；4-13、换能器；

4-14、冷却单元；4-15、电磁感应片；4-16、进口；4-17、出口；

4-2、第一收粉罐；4-3、控制器；4-31、电源按钮；

4-32、启动/停止按钮；5、分离器本体；5-1、连接管道；

5-2、收粉阀门；5-3第二收粉罐。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

结合图1和图2所示，本发明实施例提供了一种雾化室，该雾化室包括控制器4-3、与气源连接的雾化室本体4、与雾化室本体4的底部连通的第一收粉罐4-2以及设置在雾化室本体4内的变幅杆4-11、换能器4-13、第一加热单元4-12和电磁感应片4-15；第一加热单元4-12设于变幅杆4-11上，变幅杆4-11的第一端为锥形伞状结构，其中，锥形伞状结构的锥度为120-160°，变幅杆4-11的第二端通过换能器4-13与电磁感应片4-15连接，电磁感应片4-15上缠绕有电磁线圈，电磁线圈和第一加热单元4-12均与控制器4-3连接。

使用时，当熔融的金属液落到锥形伞状结构上时，金属液会在表面张力和自身重力的作用下均匀铺展在锥形伞状结构的表面，也就是说，锥形伞状结构的表面会形成一层厚度均匀的金属液膜。当电磁线圈通电后，变幅杆4-11会发生超声振动，其超声振动频率优选为20khz-100khz、输出功率为1400w-2000w，附着在其表面的金属液会随着振动被破碎成微小的金属液滴。另外，在向该在雾化室本体4内喷射金属液之前，需先开启第一加热单元4-12将变幅杆4-11加热至需雾化的金属对应的熔点，以减小变幅杆4-11与金属液之间的温度差，避免金属液在变幅杆4-11顶部结壳，其中，变幅杆4-11的温度不高于1700℃。

另外，还包括冷却单元4-14，电磁感应片4-15插设在冷却单元4-14中，冷却单元4-14上开设有进口4-16和出口4-17，进口4-16临近电磁感应片4-15设置，出口4-17设置在冷却单元4-14的底部。其中，可选用水或液压油作为冷却液。随着熔融金属液不断喷入雾化室本体4中，电磁感应片4-15受金属液的影响，自身温度会不断上升，而电磁感应片4-15长时间处于高温状态时极易失效，通过冷却液不断与电磁感应片4-15进行热交换，可保证电磁感应片4-15始终处于最佳工作温度，进而可大大延长电磁感应片4-15的使用寿命。另外，通过将进口4-16设置在电磁感应片4-15附近，可使冷却液直接冲刷电磁感应片4-15表面，进而可增大扰流、减小传热热阻、提高传热效率。

优选地，控制器4-3上设有电源按钮4-31、启动/停止按钮4-32。

实施例2

本发明实施例提供了一种用于制备金属粉末的装置，该装置包括补料室、熔炼室、真空泵组3以及上述的雾化室，补料室通过熔炼室与雾化室本体4的顶部连通，补料室与熔炼室之间设有可开闭的闸板1-4，补料室、熔炼室和雾化室本体4分别与真空泵组3连接。

本实施例中的雾化室的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。

其中，补料室包括与气源连通的补料室本体1以及设置在补料室本体1内的补料坩埚1-3和第一驱动单元；补料室本体1的底部通过闸板1-4与熔炼室连通，补料坩埚1-3由第一驱动单元带动翻转、用于向熔炼室提供金属料坯，补料坩埚1-3的翻转角度可调，从而补料坩埚1-3可根据实际需求向熔炼室内补充指定量的金属料坯。

进一步地，第一驱动单元包括基座、连杆1-2和气缸1-1，气缸1-1设置在补料室本体1的顶部，气缸1-1的活塞杆插设在补料室本体1内；连杆1-2的一端与气缸1-1的活塞杆铰接、另一端与补料坩埚1-3的中上部铰接，基座设置在补料室本体1的下部的一侧，补料坩埚1-3的下部的一侧与基座铰接。由此，当气缸1-1的活塞杆向下移动时，气缸1-1的活塞杆便通过连杆1-2带动补料坩埚1-3翻转，进而就可将补料坩埚1-3中的金属料坯倒入熔炼室内。实际使用时，通过控制气缸1-1的活塞杆的伸缩量就可实现补料坩埚1-3翻转角度的调节，进而就可向熔炼室内补充指定量的金属料坯。

其中，熔炼室包括与补料室连通的熔炼室本体2以及设置在熔炼室本体2内的熔炼坩埚2-2、中间包坩埚2-3、导流管2-4、第二驱动单元和第二加热单元2-5；熔炼坩埚2-2由第二驱动单元带动翻转、用于向中间包坩埚2-3内浇注熔融金属液，熔炼坩埚2-2的翻转角度可调，由此熔炼坩埚2-2浇注时可将部分熔融金属液浇注到中间包坩埚2-3中，也可将全部熔融金属液浇注到中间包坩埚2-3中；中间包坩埚2-3的底部通过导流管2-4与雾化室本体4连通，导流管2-4上设有第二加热单元2-5。其中，导流管2-4内流道的截面积由上至下逐渐减小，且该流道出口处的直径为1-3mm。

由此，熔炼坩埚2-2将其内部的金属料坯加热至熔融状态后，第二驱动单元便可带动熔炼坩埚2-2翻转，使熔炼坩埚2-2内的部分熔融金属液浇注到中间包坩埚2-3中；然后补料室向熔炼坩埚2-2补入新的金属料坯，由于熔炼坩埚2-2内还剩余有熔融的金属液，所以新补入的金属料坯会浸入到这些剩余的熔融的金属液中，从而再次熔炼时，新补入的金属料坯会受热更均匀，加热效率也会更高。另外，由于熔炼坩埚2-2每次只需补入少量金属料坯，因此补料室可完成多次补料，整个过程中无需打开炉门，进而可保证熔炼室本体2内的热量不会散失，使熔炼效率大大提高。而金属液浇注到中间包坩埚2-3中并进入导流管2-4后，由于导流管2-4与熔融金属液之间存在温差，金属液会被冷却降温为流动性较差的半凝固状态，并滞留和封堵在导流管2-4中，待中间包坩埚2-3内熔炼的金属液稳定后，启动第二加热单元2-5对导流管2-4内部的金属液进行加热，金属液熔化均匀后将形成均匀稳定的小束流，从导流管2-4出口喷出，由于导流管2-4内流道的截面积由上至下逐渐减小，可使金属液的流出速率大于流入速率，这样更有利于小束流的流出，从而可形成连续的液流。

进一步地，第二驱动单元包括主轴和手柄2-1，主轴的一端与手柄2-1连接、另一端穿过熔炼室本体2的侧壁与熔炼坩埚2-2连接，通过手动扳动手柄2-1就可控制熔炼坩埚2-2的翻转角度，进而就可控制熔炼坩埚2-2向中间包坩埚2-3的浇注量。

更优选地，第二驱动单元还包括电机和变速箱，电机通过变速箱与主轴传动连接；变速箱具有拨叉，拨叉用于控制变速箱内的齿轮与电机上的齿轮之间的离合。由此不仅可实现熔炼坩埚2-2的自动翻转，而且还可精准、高效的向中间包坩埚2-3浇注定量的金属液，且在电机出现故障时还可以及时切换为手柄2-1控制，以保证熔炼操作持续不间断进行。

另外，还包括旋风分离器，旋风分离器包括连接管道5-1、收粉阀门5-2、分离器本体5和第二收粉罐5-3，分离器本体5的顶部设有收粉阀门5-2、底部与第二收粉罐5-3连通，分离器本体5的上部通过连接管道5-1与雾化室本体4的侧部连通。由于，分离器本体5通过连接管道5-1与雾化室本体4连通，当打开收粉阀门5-2时，气源喷入雾化室本体4中的部分气体会通过收粉阀门5-2排出，从而在雾化室本体4中形成的尺寸较小的金属液滴就会随气流进入分离器本体5中，并最终在自身重力作用和分离器本体5的壁面约束下落入第二收粉罐5-3中。由此，通过设置旋风分离器5，就可将雾化室本体4中形成的金属液滴按照尺寸进行分类收集，具体地，较大尺寸的金属液滴由于较重，无法随流过收粉阀门5-2的气流进入分离器本体5，只会在自身重力作用下落入第一收粉罐4-2中；而较小尺寸的金属液滴由于较轻，会随收粉阀门5-2形成的气流进入分离器本体5，并最终落入第二收粉罐5-3中。

优选地，真空泵组3包括机械泵3-1以及与机械泵3-1连接的罗茨泵3-2，补料室、熔炼室和雾化室本体4分别与机械泵3-1连接。

实施例3

本发明实施例提供了一种用于制备金属粉末的装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

s1、当熔炼坩埚2-2中装入指定量的金属料坯后，停止第一驱动单元、关闭闸板1-4，分别将熔炼室本体2和雾化室本体4与机械泵3-1连通，依次启动机械泵3-1和罗茨泵3-2：具体地，首先启动机械泵3-1，将熔炼室本体2和雾化室本体4抽真空至500pa；然后在启动罗茨泵3-2，对熔炼室本体2和雾化室本体4继续抽真空，并跳转执行步骤s2；

s2、当熔炼室本体2和雾化室本体4内压力达到10pa后，关闭机械泵3-1和罗茨泵3-2，将雾化室本体4与气源连通，使保护气体充入熔炼室本体2和雾化室本体4中，并跳转执行在步骤s3，其中，保护气体可为氩气；

s3、当熔炼室本体2和雾化室本体4内的压力达到0.01-0.08mpa后，关闭气源，启动熔炼坩埚2-2即启动缠绕在熔炼坩埚2-2上的加热部件，并跳转执行步骤s4；其中，该加热部件可以是电磁感应线圈，也可以是电阻。

s4、当熔炼坩埚2-2中的金属料坯的熔点达到第一温度后，即当熔炼坩埚2-2内的金属料坯全部转变为熔融的金属液时，启动中间包坩埚2-3即启动缠绕在中间包坩埚2-3上的加热器，第一温度的范围为150-200℃，并跳转执行步骤s5；

s5、当中间包坩埚2-3的温度达到第一温度后，依次启动第二驱动单元、冷却单元4-14、电磁线圈、第一加热单元4-12、第二加热单元2-5和收粉阀门5-2，使第二驱动单元带动熔炼坩埚2-2翻转，将熔化均匀的部分金属液浇注到中间包坩埚2-3内，中间包坩埚2-3内的金属液在重力作用下，从导流管2-4以30kg/h的速率喷出，形成小束流喷射；喷射到变幅杆4-11上的金属液会在表面张力和自身重力的作用下均匀铺展在锥形伞状结构的表面，当电磁线圈通电后，变幅杆4-11发生超声振动使附着在其表面的金属液破碎成微小的金属液滴，金属液滴被振落下来后，在表面张力的作用下收缩、凝固成金属粉末，其中较大颗粒的金属粉末直接落入第一收粉罐4-2中，较小颗粒的金属粉末随收粉阀门5-2形成的气流进入分离器本体5，并最终落入第二收粉罐5-3中，接着跳转执行步骤s6；

s6、运行指定时间后即熔炼坩埚2-2内剩余1/2的金属液时，打开补料室本体1，向补料坩埚1-3中补入金属料坯，并跳转执行步骤s7；

s7、关闭补料室本体1，将补料室本体1与机械泵3-1连通，依次启动机械泵3-1和罗茨泵3-2：具体地，首先启动机械泵3-1，将补料室本体1抽真空至500pa；然后在启动罗茨泵3-2，对补料室本体1继续抽真空，并跳转执行步骤s8；

s8、当补料室本体1内压力达到10pa后，关闭机械泵3-1和罗茨泵3-2，将补料室本体1与气源连通，使保护气体充入补料室本体1中，并跳转执行在步骤s9，其中，保护气体可为氩气；

s9、当补料室内的压力达到0.01-0.08mpa，关闭气源，打开闸板1-4，启动第一驱动单元，使第一驱动单元带动补料坩埚1-3翻转，并跳转执行步骤s1。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。