一种电弧制备高熔点合金粉末的装置和方法

本发明涉及合金粉末的制备技术领域，具体涉及一种电弧制备高熔点合金粉末的装置和方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

伴随着增材制造的发展，对各种合金粉末的需求越来越多。国内外常用的合金粉末的制备方法一般来说有四种，即雾化、电解沉积、化学还原以及机械粉碎等，其中雾化法因可以获得球形粉末而成为制备增材制造用粉末的主流手段。雾化法是以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其他方式将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法，不但可以制取pb、sn、zn、cu、fe、ni等金属粉末，也可制取铝合金、锌合金、镍合金以及不锈钢等合金粉末。雾化制粉时先用电炉或感应炉将金属原料熔炼为成分合格的合金液体(一般过热100～150℃)，然后将其注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，通过喷嘴时与高速气流或水流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成合金粉末。从目前采用的雾化制粉手段可以看出，雾化制粉需要很高的熔炼温度，一般设备能达到的温度不超过1600摄氏度，如果需要高熔点材料进行制粉，无论是设备还是成本上都有不小的挑战。而其他的一些制粉手段很多也需要实现将所制备的合金材料熔炼均匀才可以进行，对于高熔点的材料，如何冶炼成均匀没有偏析的大块材料也是一难题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种电弧制备高熔点合金粉末的装置和方法，利用电弧的高温性能，配合成分合适的实芯焊丝或者药芯焊丝，电弧加热焊丝形成熔滴的过程中完成冶金反应，并利用高速气体快速吹散熔滴形成细小的颗粒，实现制粉的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，提供一种电弧制备高熔点合金粉末的装置，包括：

粉末收集装置，以及，

发生电弧的熔化极和非熔化极，熔化极和非熔化极均插入所述收集装置的开口；熔化极中通过金属丝材，非熔化极中设置有钨极；熔化极中通过的金属丝材连接电弧发生电源的正极，钨极连接电弧发生电源的负极，电弧在金属丝材与钨极之间起弧；

雾化喷管，所述雾化喷管设置在电弧的一侧，雾化喷管喷出的高速气体直接喷到电弧燃烧形成的熔滴上，进行旁路侧吹，将熔滴进一步细小雾化；

送丝装置，用于向熔化极内输送金属丝材。

在本发明的第二方面，提供一种电弧制备高熔点合金粉末的方法，包括如下步骤：

(1)向粉末收集装置中装入保护性介质；

(2)熔化极中的金属丝材连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接电弧发生电源的负极，供电使电弧在金属丝材与钨极之间起弧并稳定燃烧，金属丝材熔化形成熔滴；

(3)金属丝材熔化形成的熔滴在熔化极同轴气体、钨极同轴气体及旁路雾化喷管的吹力作用下喷入下方的粉末收集装置，熔滴冷却后形成一定粒径范围的合金粉末，筛选出所需要粒度的粉末，即得高熔点合金粉末。

本发明的具体实施方式具有以下有益效果：

(1)成本低廉，易于实现，不涉及真空系统及复杂的加热保温装置，利用电弧冶金反应来实现合金化；

(2)所形成的熔滴为球形，可满足增材制造对球形粉末的形状要求；可根据电流调整粉末的粒度分布，电流越大，熔化极送丝速度越快，得到的粉末粒度越小；

(3)制粉效率高，当熔滴过渡达到射流过渡状态时，所获得的粉末大部分分布在20-300微米范围内；

(4)可制备的粉末种类灵活，不再依赖于实芯焊丝的种类，只要能拉拔成药芯焊丝的金属粉都可以用这种方法制备，包括铝基、铜基、铁基、镍基以及钛基等；对于难熔的合金，难以利用传统雾化法制粉，可以根据成分配比拉拔成药芯焊丝后采用此法制粉，完全避开了整体熔炼困难、偏析严重等问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的电弧制粉装置示意图；

图2为本发明实施例2采用实芯奥氏体不锈钢焊丝获得粉末的粒径分布；

图3为本发明实施例4钛皮药芯焊丝获得粉末的粒径分布；

其中，1、电弧发生电源，2、熔化极，3、非熔化极，4、钨极，5、粉粒，6、冷却液，7、收集器，8、电弧，9、熔滴，10、旁路侧吹雾化喷管，11、金属丝材，12、送丝装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种实施方式中，提供了一种电弧制备高熔点合金粉末的装置，包括：

粉末收集装置，以及，

发生电弧的熔化极和非熔化极，熔化极和非熔化极均插入所述收集装置的开口；熔化极中通过金属丝材，非熔化极中设置有钨极；熔化极中通过的金属丝材连接电弧发生电源的正极，钨极连接电弧发生电源的负极，电弧在金属丝材与钨极之间起弧；

雾化喷管，所述雾化喷管设置在电弧的一侧，雾化喷管喷出的高速气体直接喷到电弧燃烧形成的熔滴上，进行旁路侧吹，将熔滴进一步细小雾化；

送丝装置，用于向熔化极内输送金属丝材。

在一种具体的实施方式中，所述粉末收集装置为容器结构，其中设置有保护性介质；进一步优选的，所述保护性介质选自惰性气体或液氮中的一种或两种；

在一种具体的实施方式中，所述熔化极中有可连续送丝的送丝管及氩气管道；

在一种具体的实施方式中，所述非熔化极中还设置有氩气保护管及水冷管；

在一种具体的实施方式中，所述熔化极与非熔化极呈一定的夹角，夹角范围10-90度；

在一种具体的实施方式中，所述电弧稳定燃烧的电流范围150-900a，电弧电压20-50v；

在一种具体的实施方式中，所述雾化喷管喷出的高速气体为惰性保护气体，进一步优选为氩气；

在一种具体的实施方式中，所述雾化喷管内部具有拉瓦尔喷管结构，增加雾化喷管喷出气体的速度；

本发明具体实施方式中负极采用非熔化的钨极，这样正极金属丝形成的熔滴更容易控制在一定范围内；并且本发明具体实施方式中采用了旁路侧吹的雾化喷管装置，雾化喷管具有使气体流动加速的喉管结构(拉瓦尔喷管)，喷出的高速气体直接喷到所形成的熔滴上面，使其尽快脱离金属丝端部并分散成小熔滴。

本发明的一种实施方式中，提供了一种电弧制备高熔点合金粉末的方法，包括如下步骤：

(1)向粉末收集装置中装入保护性介质；

(2)熔化极中的金属丝材连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接电弧发生电源的负极，供电使电弧在金属丝材与钨极之间起弧并稳定燃烧，金属丝材熔化形成熔滴；

(3)金属丝材熔化形成的熔滴在熔化极同轴气体、钨极同轴气体及旁路雾化喷管的吹力作用下喷入下方的粉末收集装置，熔滴冷却后形成一定粒径范围的合金粉末，筛选出所需要粒度的粉末，即得高熔点合金粉末。

在一种具体的实施方式中，所述金属丝材设置有同轴气体保护，所述同轴保护气体流量为10～20l/min；进一步优选的，所述同轴保护气体为氩气。

在一种具体的实施方式中，所述旁路雾化喷管中吹出的是氩气气流；旁路吹气的氩气流量为20～40l/min。

在一种具体的实施方式中，所述金属丝材选自实芯金属焊丝或药芯焊丝。

本发明利用的电弧加热温度高，可局部形成液态金属，另外液态金属在自由冷却过程中也容易形成球形；电弧冶金反应也使得采用药芯焊丝进行冶炼也成为了可能(电弧温度为6000～8000℃，形成的熔滴平均温度为2000℃)，即不需要提前制备出合金锭，由元素粉末组成的药芯焊丝利用电弧冶金反应可得到想要的合金粉末。

本发明利用电弧所形成的熔滴过渡实现合金粉末的制备，主要利用电弧的高温实现合金的熔化及相应的冶金反应，与雾化制粉所不同的是本发明只需形成少量局部熔化，而不是数公斤以上的整体冶炼，因此避免了复杂的加热、保温及抽真空设备。一方面电弧的温度能满足高熔点材料熔化的要求，另一方面所形成的熔滴为球形，可满足球形粉末的形状要求，同时通过电弧电流的控制，还可以调整熔滴颗粒尺寸的分布。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的解释和说明。

实施例1

如图1所示，一种电弧制备高熔点合金粉末的装置，包括：收集器7、熔化极2、非熔化极3，熔化极2和非熔化极3均插入收集器7的开口；收集器7为容器结构，其中设置有保护性介质，所述保护性介质选自惰性气体或液氮中的一种或两种；

熔化极2中设置有金属丝材11，非熔化极3中设置有钨极4；金属丝材11连接电弧发生电源1的正极，钨极4连接电弧发生电源1的负极，电弧在金属丝材11与钨极4之间起弧；

所述熔化极2上设置有同轴保护气体；所述非熔化极3上设置有同轴保护气体及水冷装置；

如图1所示，所述电弧制备高熔点合金粉末的装置还包括旁路侧吹雾化喷管10和送丝装置12；旁路侧吹雾化喷管10设置在电弧的一侧，旁路侧吹雾化喷管10的喷嘴中喷出的氩气直接喷到电弧燃烧形成的熔滴上；旁路侧吹雾化喷管10上具有拉瓦尔喷管结构；

送丝装置12用于向熔化极2输送金属丝材11，金属丝材11选自实芯金属焊丝或药芯焊丝。

实施例2

采用实施例1所述的装置制备激光增材制造的不锈钢粉末：

焊丝采用直径1.2mm的er308不锈钢焊丝，粉末收集熔滴的收集器中装入液氮；

熔化极中的er308不锈钢焊丝连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接电弧发生电源的负极，使电弧在er308不锈钢焊丝与钨极之间起弧并稳定燃烧；在电流为300a的时候，er308不锈钢焊丝同轴气保护氩气流量为15l/min，非熔化极的氩气流量为15l/min，旁路侧吹雾化喷管气流量为30l/min，所形成的熔滴直接喷射到液氮中，收集得到的金属粉末；

收集所获得金属粉末粒径分布如图2所示，粒径主要分布在100-200微米之间。

实施例3

采用实施例1所述的装置制备铁基非晶粉末：

焊丝采用高纯铁皮包裹金属粉末拉拔制成的药芯焊丝，所述焊丝名义成分为fe67cu2nb3si19b9，焊丝的直径为2.0mm；收集粉末的粉末收集器中装入液氮；

熔化极中的药芯焊丝连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接焊接电源的负极，使电弧在药芯焊丝与钨极之间起弧并稳定燃烧；在电流为350a的时候，药芯焊丝同轴气保护氩气流量为15l/min，非熔化极的氩气流量为15l/min，旁路侧吹雾化喷管的氩气流量为30l/min，所形成的熔滴直接喷射到液氮中，收集得到铁基非晶粉末，可进一步用于喷涂。

实施例4

采用实施例1所述的装置制备高熵合金粉末：

焊丝采用纯钛皮包裹金属粉末拉拔制成的药芯焊丝，所述焊丝的成分为crnbta0.5ti1.5v，焊丝的直径2.0mm；粉末收集熔滴的收集器中装入液氮；

熔化极中的药芯焊丝连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接电弧发生电源的负极，使电弧在药芯焊丝与钨极之间起弧并稳定燃烧；在电流为400a的时候，药芯焊丝同轴气保护氩气流量为10l/min，非熔化极的氩气流量为10l/min，旁路侧吹雾化喷管氩气流量为30l/min，所形成的熔滴直接喷射到液氮中，收集得到高熵合金粉末，粉末粒径分布如图3所示，可进一步用于热压合成大块状材料。

实施例5

采用实施例1所述的装置制备高熵合金粉末：

焊丝采用纯镍皮包裹金属粉末拉拔制成的药芯焊丝，所述焊丝的成分为al10ni35ti20zr35，焊丝的直径2.0mm；粉末收集熔滴的收集器中装入液氮；

熔化极中的药芯焊丝连接电弧发生电源的正极，非熔化极中的钨极连接电弧发生电源的负极，使电弧在药芯焊丝与钨极之间起弧并稳定燃烧；在电流为450a的时候，药芯焊丝同轴气保护氩气流量为20l/min，非熔化极的氩气流量为20l/min，旁路侧吹雾化喷管氩气流量为30l/min，所形成的熔滴直接喷射到液氮中，收集得到高熵合金粉末，可进一步用于热压合成大块状材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。