一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的装置及方法，用于增材制造技术(3D打印)所用金属和陶瓷粉体的制造方法，特别是高熔点难熔金属和多元合金化粉体。
【背景技术】
[0002]随着增材制造技术(3D打印)快速兴起，在航天、航空和能源领域有广泛应用前景，在复杂结构件和梯度材料制造中，有传统制造方法不可比拟的优势。其中，增材制造所用粉体材料是该技术应用的关键。
[0003]目前增材制造技术所用材料主要集中在:钛镍合金、钢铁、陶瓷、镁铝合金及钴、铼等稀有金属材料。
[0004]以往，根据粉末冶金发展来的粉体制造方法，不能很好地满足增材制造需要。颗粒的高球型度、粒度、粒度分布、松装比、含氧及夹杂量和成品率都不稳定。虽然现有方法中，物理制粉法(气雾化、水雾化、真空雾化、等离子旋转电极和射频等离子体炬雾化)及化学方法制造的粉体有所改善，但不能有效同时满足上述全部要求。而且制造成本高，制粉类型单一，对高熔点材料很难奏效。已知的射频等离子体法虽然效果比较理想，但至少需要在已经加工细化的粉体基础上再次制造，而且不能一次直接制成合金化粉体。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的方法，是利用等离子电弧采用三根电极，或根据不同材料换用不用形式电极来蒸发金属原料棒成雾状电浆体，即为所要制造粉体材料成分相同的棒材、丝材，或陶瓷棒，原料棒在中心，电弧在周围。而后利用惰性气体流将雾化的金属雾吹入收集装置，随着温度和气压骤降迅速冷却凝固成粉体；便于机械化生产，大大降低粉体制造成本。在这一过程中，金属雾滴在气压差和表面张力作用下自然膨胀成球体，粉体圆整性好、粒度分布均匀、含氧和夹杂量极低。而且粉体粒度可以根据用粉要求，通过等离子弧输出热量和保护气体气压等参数调整。随后进行粉体回收包装。粉体粒度可为0.1~100μπι之间。实现粉体制造一次成型。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的装置，通过专用的夹具和推进装置连续供给棒料，使设备连续制粉，其采用模块化方式组装，其中，等离子发生器(电极数量、电源连接方式)及喷嘴(扩容腔长度、出口角度)根据所制材料性质(熔点、沸点、饱和蒸汽压与自由能等)，可由工程热物理和材料热力学原理计算得出，而后选择，结构合理，操作方便。
[0007]本发明的技术方案是这样实现的:一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的装置，由扩容室喷嘴、喷嘴水冷却进口、喷嘴水冷却出口、等离子弧发生器电极、保护气体进口、推进杆、原料棒夹具组成，其特征在于:扩容室喷嘴的为耐高温陶瓷材料，喷嘴水冷却进口设在扩容室喷嘴的下端，喷嘴水冷却出口设在扩容室喷嘴的上端，等离子弧发生器电极布置在扩容室喷嘴内，为径向面互成120°角的三根阴极，保护气体进口采用氩气或其他惰性保护气体布置在等离子弧发生器电极后侧，原料棒通过送料装置上的进料口进入加热区的等离子弧发生器电极内腔，送料装置由两组相同结构的推进器组成，其中推进器的四根推进杆为两根带螺纹的丝杠和两根光杠是与前端固定法兰盘和后端固定法兰盘的法兰孔周围焊接的套筒固定连接的，其中丝杠与套筒插接处嵌入两块轴承，外侧为推力轴承，在前端固定法兰盘上进料口附近加装有触点返回开关，原料棒夹具前端通过轴承固定在运动法兰中心孔中，原料棒夹具为8瓣颚式夹子，前端固定法兰盘、后端固定法兰盘和运动法兰盘上均开有四个孔，两个带螺纹的孔，两个不带螺纹的孔，其中两根带螺纹的丝杠与法兰盘连接做往复运动，两根光杠作为支撑滑道使运动法兰盘在其上运动。
[0008]所述的扩容室喷嘴外壁有硅酸铝保温棉隔层，隔层外包裹陶泥密封。
[0009]所述推进器上的法兰盘为6个，其中包括两组前端固定法兰盘、后端固定法兰盘和运动法兰盘，在两组运动法兰盘轴承固定有原料棒夹具。
[0010]所述的推进器中的第一组的后端固定法兰盘与第二组前端固定法兰盘通过焊接方式连接。
[0011]所述的扩容室喷嘴的出口角度为5° — 75°，出口末段内径01在5毫米---190毫米，圆弧半径r在5毫米一 130毫米，出口中段队在3毫米一 150毫米，圆弧半径R在25毫米一 550晕米，出口前段03在20晕米一 900晕米，喷嘴总长在50晕米一 1500晕米。
[0012]所述的前端法兰盘的盘面内嵌入电动机驱动丝杠运动。
[0013]所述的运动法兰盘的盘面内嵌入电动机驱动原料棒夹具运动。
[0014]所述的等离子弧发生器电极为三组，为非转移弧，其中下面两组电极的夹角为115°，另两组相互夹角为122.5°。
[0015]—种多电极等离子弧连续制造金属粉末的方法，其特征在于具体步骤如下:1)、生产时首先在保护气体进口充入惰性气体，排空扩容室喷嘴内部空气，随后启动等离子弧发生器电极，一般调节输出电流范围为20安培至300安培，等离子弧发生器电极温度5000°C至 30000。。；
2)、完成步骤1后，启动送料装置第二组推进器的运动法兰和原料棒夹具，原料棒夹具夹持原料棒向前端行进，每次工作的第一根原料棒要先将尖端打磨成圆锥状；
3)、待第二组原料棒夹具夹持原料棒接触到第二组推进器前端固定法兰盘中心孔附近的触点返回开关后，这时第一组推进器的运动法兰盘上的原料棒夹具开始启动，接替夹紧原料棒开始前进，同时第二组推进器的前端固定法兰盘上的电动机驱动运动法兰盘上的原料棒夹具返回原位置；
4)、待第一组原料棒夹具夹持原料棒接触到第一组推进器前端固定法兰盘中心孔附近的触点返回开关后，同样原理由电动机驱动返回，去迎接第二组驱动器重新送进的原料棒，第一组原料棒与第二组原料棒首尾端部通过摩擦焊相连，摩擦焊动力由第一组的原料棒夹具与返回时处于紧闭状态的第二组原料棒夹具共同旋转提供；
5)、每根原料棒都通过这种方法往复运动完成给料，如果使用焊丝，则省去摩擦焊连接第一组原料棒与第二组原料棒步骤，
6)、当旋转送进的原料棒进入等离子弧发生器电极区时，原料棒在环绕的等离子弧中心区域，经过高温等离子弧瞬时加热蒸发，成雾状电浆体，伴随着保护气体进口吹入的惰性气流冲入扩容室喷嘴，形成爆喷；
7)、在扩容室喷嘴内达到暂时热力学平衡状态，表面自由能趋使雾滴颗粒呈圆球状，随后跟随惰性气流被吹入扩容室喷嘴出口处前端的收集室；
8)，收集室外壁采用包覆式循环水或液氮循环冷却，保持温度在_5°C至5°C，由于环境温度骤降、气压也由于伯努利原理，瞬时形成了一个气压差，外界气压小于雾滴内部压力，又进一步迫使雾滴颗粒膨胀呈球形，且瞬时凝固制得的粉末。
[0016]9)，停机时，先停止供料，然后将等离子弧发生器电极熄弧，最后再停止通惰性气体，这一顺序也适用于设备停机检修情况。
[0017]本发明的积极效果是便于机械化生产，大大降低粉体制造成本。在这一过程中，金属雾滴在气压差和表面张力作用下自然膨胀成球体，粉体圆整性好、粒度分布均匀、含氧和夹杂量极低。而且粉体粒度可以根据用粉要求，通过等离子弧输出热量和保护气体气压等参数调整。随后进行粉体回收包装。粉体粒度可为0.1~100μπι之间。实现粉体制造一次成型。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图。
[0019]图2为推进器法兰盘一侧剖面图。
[0020]图3为推进器法兰盘另一侧剖面图。
[0021]图4为本发明的扩容室嗔嘴结构不意图。
[0022]图5为本发明的送料装置第二组推进器工作时的示意图。
[0023]图6为本发明的送料装置第一组推进器和第二组推进器连续送料的示意图。
[0024]图7为本发明的送料装置第二组推进器续料的示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述:如图1-4所示，一种多电极等离子弧连续制造金属粉末的装置，由扩容室喷嘴1、喷嘴水冷却进口 2、喷嘴水冷却出口 16、等离子弧发生器电极3、保护气体进口 4、触点返回开关5、原料棒夹具7、原料棒夹具端部的齿牙8、运动法兰盘9、前端固定法兰盘10、后端固定法兰盘15、丝杠11、光杠12、夹具电动机13、丝杠电动机14组成，其特征在于:扩容室喷嘴1为耐高温陶瓷材料，喷嘴水冷却进