一种3D打印用金属粉末及其制备装置和方法与流程

本发明涉及金属粉末技术领域，更具体地，涉及一种3d打印用金属粉末及其制备装置和方法。

背景技术：

3d打印技术以计算机3维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品，在制造业领域迅速发展，近年来已经成为全球最关注的新兴技术之一，尤其在航空航天、汽车等高端技术领域及国防装备建设中具有重要的应用和发展前景。

用于3d打印的金属粉末对产品的微观结构，物理性能起到决定性的影响，行业内定义粉末为尺寸小于1mm的金属颗粒群。粉末原料除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末粒径细小、杂质含量低、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求，根据不同的3d打印工艺，金属粉末的最优粒径1~150μm目范围内，不同的打印工艺对金属粉末粒径要求稍有区别。国内3d打印用金属粉末多采用雾化制粉技术，但是存在产量小、产品粒度分布不均匀，球形度低，大多处于实验水平且致力于雾化喷嘴的研究，无法实现商业化大批量生产，3d打印材料大多依赖进口，价格昂贵，致使生产成本提高，大大限制了3d打印技术在我国的应用及推广。因此，积极开展3d打印用金属粉末的制备研究，以期实现批量化生产是十分必要的。

气体雾化法是粉末冶金工业中应用最成熟、用量最大的粉末生产方法，也是粉末冶金零件制造用粉末的基础，其制备过程中避免了熔融金属与空气的直接接触，一直被视为制备低氧含量、低杂质含量、高球形度等高端金属粉末的有效途径。本发明提出了一种双层环孔喷嘴、造粒分级一体化的气雾化制粉装置，可显著提高雾化制粉效率，降低粉末粒度，提高金属粉末产品的球形度，制备出满足3d打印要求的金属粉末产品。其雾化造粒系统结构简单，同时减少了筛分设备的投入，降低了能耗，降低生产成本，提高了生产效率

目前国内3d打印金属粉末原料普遍存在颗粒球形度低、粒径分布宽，尺寸偏小的问题，大多依赖进口，价格昂贵，致使生产成本提高，大大限制了3d打印技术在我国的应用及推广。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题针对国内3d打印用金属粉末多采用雾化制粉技术，但是存在产量小、产品粒度分布不均匀，球形度低的问题，本发明提供一种3d打印用金属粉末制备装置，使制备出的金属粉末具有粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等优点，满足3d打印原材料要求。

本发明还提供一种3d打印用金属粉末的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种3d打印用金属粉末的制备方法，采用气体雾化法，包括：

设置供给液体金属的反应装置；所述反应装置出口处设有导流槽，在所述导流槽下端设置用于破碎液体金属的喷嘴；所述喷嘴设有内环喷孔和外环喷孔；

设置可旋转的环形波纹板，所述环形波纹板设在喷嘴下方；

在所述环形波纹板的离心方向设置多级筛网；

所述反应装置中的液态金属在氮气的压力下从导流槽流出，在导流槽下端所述喷嘴喷出的高速气体击碎液态金属，形成金属液滴并使其表层急速冷却，高温金属颗粒在旋转的环形波纹板上旋转甩出，在离心力作用下，高温金属颗粒分别经过多级筛分，最终得到3d打印用金属粉末。

本发明为了提高3d打印用金属粉末产量，降低成本，采用本领域成熟的气体雾化法为基础，创造性的采用双层环孔喷嘴喷出的高速气体来击碎金属液流，提高雾化制粉效率，打破了常规技术中采用雾化器的思维；为了配合高速气体击碎的金属液流，采用了超高转速的环形波纹板进行二次破碎，来有效辅助高温金属颗粒旋转增加其球形度，然后通过多级筛网将细颗粒筛除，有效降低颗粒粒径范围，减少了后期粉末处理的设备投入，达到3d打印粉末要求。

优选地，所述环形波纹板的转速为10000～30000转/min。

提供一种制备3d打印用金属粉末装置，包括反应装置、气雾化装置和冷却塔造粒分级装置；所述反应装置通过气雾化装置与冷却塔造粒分级装置连接；

所述气雾化装置包括导流槽和喷嘴；所述导流槽与反应装置连接，所述导流槽的另一端设有喷嘴，所述喷嘴包括内环喷孔和外环喷孔；

所述冷却塔造粒分级装置包括可旋转的环形波纹板和多级筛网，所述环形波纹板设在喷嘴下方，在所述环形波纹板的离心方向设置多级筛网。

本发明反应装置用于提供液态金属，雾化装置用于击碎液态金属，创造性地采用内、外环喷孔设计，通过双重高速气流击碎液体金属，提高雾化制粉效率；雾化装置形成的金属液滴在冷却塔造粒分级装置中急速冷却，然后落在高速旋转的环形波纹板上进行二次破碎，在离心作用下通过多级筛分来降低颗粒粒径范围，从而达到造粒分级一体化的目的，极大提高了生产效率的同时，也实现了产品粒度和球形度的要求。

优选地，所述喷嘴的内环喷孔形成喷射的角度α为60～90°。

优选地，所述喷嘴的外环喷孔形成喷射的角度β为40～60°。

优选地，所述环形波纹板的波峰与波谷高度差为0.5～5mm。

优选地，所述环形波纹板采用石墨材料。

优选地，所述多级筛网包括一级筛网和二级筛网，所述一级筛网的目数为120～160目，所述二级筛网的目数为800～1200目。

本发明还提供一种采用上述方法和设备制备得到的3d打印金属粉末。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明3d打印用金属粉末的制备方法采用本领域成熟的气体雾化法为基础，液态金属依次通过双层环孔喷嘴、环形波纹板、多级筛网，可显著提高雾化制粉效率，降低粉末粒度，提高金属粉末产品的球形度，制备出满足3d打印要求的金属粉末产品。

本发明3d打印用金属粉末装置采用造粒分级一体化设计，装置结构简单；采用造粒分级一体化设计减少了筛分设备的投入，降低了能耗，降低生产成本；提高了生产效率。

本发明双层环孔喷嘴设计，显著提高雾化制粉效率，降低粉末粒度，采用环形波纹石墨板设计可以有效提高金属粉末产品的球形度，缩小粉末粒径范围；配合环形波纹石墨板在离心作用下，通过设置多级筛网来减少后期粉末处理设备投入，节能降耗，降低生产成本。

本发明制备得到的3d打印用金属粉末产品粒度分布均匀、粒经主要分布在20μm～45μm之间。

附图说明

图1气雾化装置示意图。

图2制备3d打印用金属粉末装置示意图。

图3实施例2制备得到的d打印用金属粉末激光粒度分析结果图。

图4实施例2制备得到的d打印用金属粉末sem图。

其中，1-氮气瓶，2-氮气调节阀，3-氮气进口，4-氮气介入管，5-进料口，6-搅拌轴，7-放气阀，8-反应釜，9-夹套，10-出料阀，11-喷嘴，12-冷却塔、13、冷却塔防护罩，14、16-一级不锈钢筛，15、17-二级不锈钢筛，18-环形波纹石墨板，19-传动轴，20-电机，21、24-一级粉末出料仓，22、25-二级粉末出料仓，23、26-三级粉末出料仓，27-导流槽，28-喷嘴外壳，29-气体喷孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1～2所示，本实施例提供一种制备3d打印用金属粉末装置，包括反应装置、气雾化装置和冷却塔造粒分级装置；反应装置通过气雾化装置与冷却塔造粒分级装置连接；

反应装置包括氮气瓶1、氮气调节阀2、氮气进口3、氮气介入管4、进料口5、搅拌轴6、放气阀7、反应釜8、夹套9和出料阀10，氮气瓶1通过氮气调节阀2调节氮气进入氮气进口3，氮气进口3的氮气通过氮气介入管4进入反应釜8中，反应釜8上设有搅拌轴6、进料口5、放气阀7、夹套9和出料阀10，出料阀10与气雾化装置连接；

气雾化装置包括喷嘴11、导流槽27和气体喷孔29；导流槽27的一端与出料阀10连接，导流槽27的另一端设有喷嘴11，喷嘴11包括气体喷孔29和喷嘴外壳28，气体喷孔29外设有喷嘴外壳28，气体喷孔29包括内环喷孔和外环喷孔，气体喷孔29的内环喷孔形成喷射的角度α为60～90°，气体喷孔29的外环喷孔形成喷射的角度β为40～60°，

冷却塔造粒分级装置包括冷却塔12、冷却塔防护罩13、多级筛网、环形波纹石墨板18、传动轴19、电机20；冷却塔防护罩13设在冷却塔12上，冷却塔12内设有多级筛网、环形波纹石墨板18、传动轴19和电机20，传动轴19和电机20组成传动系统控制环形波纹石墨板18旋转；环形波纹石墨板18的波峰与波谷高度差为0.5～5mm，多级筛网包括目数为120～160目的一级不锈钢筛14和16、目数为800～1200目的二级不锈钢筛15和17，冷却塔12上设有与多级筛网配合的一级粉末出料仓21和24、二级粉末出料仓22和25、三级粉末出料仓23和26。

实施例2

本实施例提供一种3d打印用金属粉末的制备方法，采用实施例1的设备，并配合气体雾化法，包括：

设置供给液体金属的反应装置；反应装置出口处设有导流槽27，在导流槽27下端设置用于破碎液体金属的喷嘴11；喷嘴11设有内环喷孔和外环喷孔；

设置可旋转的环形波纹石墨板18，环形波纹石墨板18设在喷嘴11下方；

在环形波纹石墨板18的离心方向设置多级筛网；

反应装置中的液态金属在氮气的压力下从导流槽27流出，在导流槽27下端喷嘴11喷出的高速气体击碎液态金属，形成金属液滴并使其表层急速冷却，高温金属颗粒在旋转的环形波纹石墨板18上旋转甩出，环形波纹石墨板18的转速为10000～30000转/min，在离心力作用下，高温金属颗粒分别经过多级筛分，最终得到3d打印用金属粉末。

本实施例制备得到的3d打印用金属粉末的性能如图3～图4所示。