一种用于制备3D打印金属粉末的气雾化装置的制作方法

本发明属于金属粉末制备技术与应用领域，特别涉及一种用于制备3D打印金属粉末的气雾化装置。

背景技术：

紧耦合雾化技术是一种对限制式喷嘴结构进行改造的雾化技术。由于其气流出口至液流的距离达到最短，因而提高了气体动能的传输效率。这种技术目前已被大多数雾化设备采用。雾化粉末的优点是微细粉末收得率高，粒径小(如铁合金粉末的平均粒度达(10～20μm)，粒度分布窄，冷却速度高，有利于快速冷凝合金或非晶合金粉末的生产。其缺点是当雾化气压增加到一定值时，导液管出口处将产生正压，使雾化过程不能进行。

层流雾化技术对常规喷嘴进行了改进，改进后的雾化喷嘴雾化效率高，粉末粒度分布窄，冷却速度达106～107K/s。在2.0MPa的雾化压力下，以Ar或N2为介质雾化铜、铝、316L不锈钢等，粉末平均粒度达到10μm。且气体消耗量低，经济效益显著，并且适用于大多数金属粉末的生产。其缺点是技术控制难度大，雾化过程不稳定，产量小(金属质量流率小于1kg/min)，不利于工业化生产。

超声紧耦合雾化技术是对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，使气流的出口速度超过声速，并且增加金属的质量流率。在雾化高表面能的金属如不锈钢时，粉末平均粒度可达20μm左右，粉末的标准偏差最低可以降至1.5μm。该技术的大大提高了粉末的冷却速度，可以生产快冷或非晶结的粉末。

申请号201410030935.4公开了一种三级雾化装置，但该装置在两级雾化结束后，由于金属液滴的在高压气体下的冷速极快，因此在喷嘴以外加入旋转破碎装置，使该装置无法保证粒径分布的均匀性和较高的球形度，不能满足3D打印对粉体特性的要求。

目前，国内合金粉末制造装备存在的主要问题集中在金属液滴雾化效率、球形化低及氧化、流动性较差等方面，包括：①制备粉末成分的稳定性(夹杂数量、成分均匀性)；②设备雾化效果的稳定性(球化度、流动性)；③设备出粉成品率问题(窄粒度段粉末成品率低)等。因此针对低氧含量、细粒径粉末等要求，尚需开展细粒径粉末气雾化制粉装备的研究工作。

技术实现要素：

对于国内适用于3D打印的金属粉末粒径粗、球型度低、粒径分布不均匀等状况，本发明的目的在于提供一种用于制备3D打印的金属粉末的气雾化装置。

本发明为一种用于制备3D打印金属粉末的气体雾化装置的技术方案为：

该气雾化装置包括上端盖、穿过上端盖轴心位置的导流管、固连于上端盖且对称于导流管设置的气腔室；

气腔室由内向外设置三层可拆卸的气体储存腔，分别为第一气体储存腔、第二气体储存腔、第三气体储存腔；

第一气体储存腔、第二气体储存腔、第三气体储存腔均连接在上端盖；第一气体储存腔、第二气体储存腔、第三气体储存腔分别固连紧耦合雾化喷嘴、层流雾化喷嘴、超声雾化喷嘴；

上端盖对称于轴线分别开有三个进气口，所述的进气口对应于各气体储存腔设置，且连通各气体储存腔的腔室。

优选的，气体储存腔与上端盖采用螺纹连接。

优选的，所述的超声雾化喷嘴采用环状拉瓦尔结构，该拉瓦尔结构收缩段连通第三气体储存腔的腔室。

优选的，超声雾化喷嘴的喷射顶角范围为30°-50°。

本发明相对于现有技术相比，具有以下的显著的优点：1、本发明通过在喷嘴结构中加入三层雾化结构，改善雾化效果和出粉成品率，实现成品粉末粒径的可控可调。2、通过上下调节导流管的位置，并装配不同的喷嘴，可实现超声紧耦合、超声层流的方式选择，可用于不同金属粉末，实现效率、节能、稳定性的综合优化，发挥各种雾化技术的优势，同时补足单一雾化技术中存在的问题，提高气雾化的稳定性。3、通过上端盖的三级螺纹设计，可以实现喷嘴简便更换，方便维修。

附图说明

图1为拆除了第一气体储存腔、第二气体储存腔和与其固连层流雾化喷嘴、超声雾化喷嘴单独使用紧耦合喷嘴时的结构示意图。

图2为拆除了第二气体储存腔和与其固连层流雾化喷嘴之后，使用紧耦合超声组合时的结构示意图。

图3为拆除了第一气体储存腔和与其固连紧耦合喷嘴之后，使用层流超声组合时的结构示意图。

图4为第一气体储存腔、第二气体储存腔、第三气体储存腔分别固连紧耦合雾化喷嘴、层流雾化喷嘴、超声雾化喷嘴完整装配图。

图5为层流喷嘴雾化喷嘴与导流管末端局部示意图。

其中，1-螺纹；2-进气口；3-第一气体储存腔；4-第二气体储存腔；5-第三气体储存腔；6-层流雾化喷嘴；7-拉瓦尔结构。

具体实施方式

本发明为一种用于制备3D打印金属粉末的气雾化装置，该气雾化装置包括上端盖、穿过上端盖轴心位置的导流管、固连于上端盖且对称于导流管设置的气腔室；

气腔室由内向外设置三层可拆的卸气体储存腔，分别为第一气体储存腔3、第二气体储存腔4、第三气体储存腔5；

第一气体储存腔3、第二气体储存腔4、第三气体储存腔5均连接在上端盖；第一气体储存腔、第二气体储存腔、第三气体储存腔分别固连紧耦合雾化喷嘴、层流雾化喷嘴6、超声雾化喷嘴；

上端盖对称于轴线分别开有三个进气口2，进气口2对应于各气体储存腔设置，且连通各气体储存腔的腔室。

气体储存腔与上端盖之间还可以采用采用螺纹1连接。

超声雾化喷嘴采用环状拉瓦尔结构7，该拉瓦尔结构收缩段连通第三气体储存腔5的腔室。

超声雾化喷嘴的喷射顶角范围为30°-50°。

该装置工作是通入惰性气体，可以防止氧化或空气中其他元素的污染，从而提高金属粉末的纯度。并且在通入喷嘴前经过预热，可以显著增加气体动能，实现增大气流速度的目的。其中，紧耦合雾化喷嘴通入氩气的压力范围为2-5MPa，层流雾化喷嘴通入氩气的压力范围为1-2MPa，超声雾化喷嘴通入氩气的压力范围为2-5MPa。

实施例1

拆除第二气体储存腔4、第三气体储存腔5以及与其固连的层流雾化喷嘴、超声雾化喷嘴。只选用紧耦合雾化喷嘴，制备钛铝合金粉末。该气雾装置具体工作过程如下：

(1)在上端盖上安装紧耦合雾化喷嘴(如图1所示)，调整导流管伸出雾化枪长度为3.5mm。

(2)将钛铝金属试块放入高频感应炉内，在氩气保护下加热至完全融化。

(3)调整紧耦合喷嘴通氩气压力为4Mpa。

(4)打开氩气阀，使氩气由进气口通入到第一气体储存腔3，经过短暂的压缩后，经由紧耦合喷嘴喷出。当熔融的钛铝合金液通过导流嘴流出时，被从紧耦合喷嘴射出的氩气破碎成小液滴。随后的小液滴下落到雾化室内冷却凝固成粉末。其中雾化室先抽真空，再通入氩气使雾化室内压力800Pa。

(5)最后制得钛铝合金粉末，含氧量小于500ppm，粒径分布在30-60μm之间，粒径分布窄且球形度高。

实施例2

拆除了第二气体储存腔4和与其固连层流雾化喷嘴6之后，使用紧耦合超声雾化喷嘴，制备钛铝合金粉末。

(1)在上端盖上安装紧耦合雾化喷嘴和超声雾化喷嘴(如图2所示)，超声雾化喷嘴喷射顶角为40°，调整导流管伸出雾化枪长度为3.5mm。

(2)将钛铝金属试块放入高频感应炉内，在氩气保护下加热至完全融化。

(3)紧耦合喷嘴通氩气压力为3Mpa，超声喷嘴通氩气压力为3Mpa。

(4)打开氩气阀，使氩气分别由各自的进气口通入到紧耦合雾化喷嘴和超声雾化喷嘴的气室，经过短暂的压缩后，经由各级的环形气孔处喷出。熔融金属液态或合金经过导流管到达紧耦合喷嘴处。第一级雾化是在距离紧耦合喷嘴出口处，被具有高冲击动量的雾化气流打散成雨伞状，同时在超声雾化气流的作用下，被第二道环形超声气流破碎成更小的液滴。随后的小液滴下落到雾化室内冷却凝固成粉末。其中雾化室先抽真空，再通入氩气使雾化室内压力800Pa。

(5)最后制得钛铝合金粉末，含氧量小于500ppm，粒径小于20-40μm之间，粒径分布窄且球形度高。

实施例3

拆除了第一气体储存腔3和与其固连紧耦合喷嘴之后，使用层流超声雾化喷嘴6，制备钛铝合金粉末。

(1)在上端盖上安装层流雾化喷嘴和超声雾化喷嘴(如图3所示)，超声雾化喷嘴喷射顶角为35°，调整导流管下沿与层流雾化喷嘴末端吻合。

(2)将钛铝金属试块放入高频感应炉内，在氩气保护下加热至完全融化。

(3)层流喷嘴通氩气压力为2Mpa，超声喷嘴通氩气压力为3Mpa。

(4)打开氩气阀，使氩气分别由各自的进气口通入到紧耦合雾化喷嘴和超声雾化喷嘴的气室。层流雾化的喷嘴中层流喷嘴部分的气孔形状与导流管末端相切(如图5)，使得在液流在通过喷嘴时，液流方向与气流方向一致，当液流与气流在经过喷嘴喷出时，压力得到释放，使得外部压力突然变小，将液流碎裂成极小的液滴。同时超声雾化喷嘴的气流聚焦点在层流雾化喷嘴下方，此时液滴并未来得及固化，可以使粒径较大的液滴进一步细化。其中雾化室先抽真空，再通入氩气使雾化室内压力为800Pa。

(5)最后制得的钛铝合金粉末，含氧量小于500ppm，粒径小于10-30μm之间，粒径分布窄且球形度高。