本实用新型属于金属粉末制备领域，具体涉及一种制备低氧球形金属粉末的设备，适用于各类金属材料及陶瓷材料球形粉末的制备。
背景技术：
球形金属粉末是金属增材制造重要的原材料，近年随着金属增材制造技术获得了快速的发展与应用，生产出高品质低成本的球形金属粉成为影响金属增材制造技术应用与推广范围的重要因素。现有制备球形金属粉末的方法主要有雾化法、旋转电极法和等离子球化法。雾化法是将金属熔融，用高速惰性气体气流克服熔融金属表面张力，将熔融金属击碎成小金属液滴，凝固形成球形金属粉末，雾化法主要存在细粉得粉率低于20％、氧含量高、空心球、行星球、球形度低、生产成本高、不能制备高熔点金属粉末等问题；旋转电极法采用转速高速旋转电机产生大的离心力克服熔融金属表面张力，将熔融金属破碎成细小液滴，凝固形成球形金属粉末，旋转电极法主要存在细粉得粉率低于15％、不能制备高熔点金属粉末等问题，目前还不具备工业化生产能力；等离子球化法用来制备金属粉末，具有细粉得粉率大于90％的优点，但等离子球化法制备活性金属和合金粉末的原料为低氧活性金属和合金粉末，而低氧粉末原料较难获得，成为等离子球化法制备金属粉末的瓶颈。
技术实现要素：
为了解决上述现有球形金属粉末制备方法中存在的细粉得粉率低、高含氧量、行星球、空心球、球形度很差、高熔点材料等材料难以成粉等技术问题及生产成本高、设备成本高等成本问题，本实用新型提出了一种制备低氧球形金属粉末的设备。
一种制备低氧球形金属粉末的设备，该设备包括：雾化室、保护气循环装置、激光器光学系统、高频振动装置和集粉器；
雾化室的相对两侧面分别设置有进气口和出气口，雾化室底面靠近进气口的位置设置有光学系统安置孔；
保护气循环装置的两端分别连接在雾化室的进气口和出气口，在保护气循环装置和雾化室的内部形成保护气的循环通道；
激光器光学系统设置在雾化室的底面，激光器光学系统通过所述光学系统安置孔能够将激光束发射进入雾化室内部；
所述高频振动装置位于雾化室内部，所述高频振动装置能够固定安装金属棒，并能够控制金属棒移动，固定后的金属棒的表面能够被激光器光学系统发出的激光束照射；
集粉器位于雾化室下方，与雾化室内部相通，并位于激光器光学系统远离雾化室进气口的一侧。
进一步地，所述保护气循环装置包括进气管、出气管和过滤器；
进气管的一端与雾化室的进气口连接，外部保护气通过进气管的另一端进入进气管，再经由雾化室的进气口进入雾化室内部；出气管的一端与过滤器连接，出气管的另一端连接到保护气循环控制装置；所述过滤器一端与雾化室的出气口连接，过滤器的另一端连接到出气管。
进一步地，所述保护气循环控制装置一端与进气管连接，保护气循环控制装置的另一端与出气管连接；所述保护气循环控制装置设置有排气装置。
进一步地，所述保护气循环装置还包括保护气进口电磁阀和真空泵，进气管的所述另一端设置所述保护气进口电磁阀，真空泵设置在出气管的管路上。
进一步地，所述高频振动装置包含高频振动器、换能器、变幅杆和运动控制器；
高频振动器经换能器将能量输出到变幅杆，变幅杆能够固定安装所述金属棒，运动控制器能够控制金属棒的移动。
进一步地，运动控制器为Z轴运动控制器，运动控制器位于雾化室内部上方，所述变幅杆固定在运动控制器的下方，所述变幅杆下方能够固定金属棒，运动控制器能够控制金属棒上下移动。
进一步地，所述激光器光学系统包含有依次放置的脉冲或连续激光器、准直镜、振镜、场镜和窗口镜；
所述窗口镜设置在光学系统安置孔中，激光器发出的激光束经准直镜、振镜、场镜后，经窗口镜进入雾化室内部，所述激光束采用小光斑脉冲激光束。
进一步地，所述制备低氧球形金属粉末的设备还包括压力传感器、氧气传感器和氮气传感器，压力传感器、氧气传感器和氮气传感器设置在雾化室内部。
本实用新型的有益效果：
1.激光加工全程在高纯保护气氛不会引入外来杂质污染，且冷却速度高达104—108℃/s，加工热效应小，金属液滴和金属棒材快速冷却至常温，避免了金属球形粉末持续高温下氧化，球形粉氧含量易控制，热影响范围小的特点，熔融金属液滴快速冷却凝固，在降落过程中即冷却至常温，降低了粉末高温下持续氧化，易得到地氧含量金属球形粉；
2.激光加工冷却速度快，金属棒热影响区小，避免了金属棒的高温持续氧化，设备无需做隔热防护，降低了设备的防护难度；
3.采用小光斑脉冲激光束熔融金属棒，单次脉冲激光产生的单个熔池体积可精准控制，熔融金属被高频超声振落击碎凝固形成的球形粉粒径不大于熔池体积，球形粉末粒径可控制在较小范围内，细粉得粉率大于90％；
4.采用超声高频振动产生的张力波克服界面张力和熔池表面张力振离和破碎熔融金属，无需消耗大量的高纯惰性气体，工艺能耗低，大幅度降低了金属球形粉的生产成本；
5.可采用多束激光同时工作，生产效率线性提高，本实用新型提出的设备具有极强的扩展性；
6.无需用高压高纯惰性气体破碎熔滴，不会产生因气体卷入金属液滴形成空心球，液滴下落方向一致，下落速度均匀，不易产生行星球；
7.激光可熔融高熔点金属或陶瓷材料，可制备高熔点金属球形粉，设备适用材料范围广。
附图说明
图1是本实用新型提出的制备低氧球形金属粉末的设备结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。
本实用新型提出的一种制备低氧球形金属粉末的设备，如图1所示，该设备包括：雾化室1、保护气循环装置、激光器光学系统5、高频振动装置和集粉器9。
雾化室1的相对两侧面分别形成有进气口和出气口，进气口和出气口可以分别形成在雾化室1的左右两侧面或前后两侧面。雾化室1底面靠近进气口的位置形成有光学系统安置孔。
保护气循环装置的两端分别连接在雾化室1的进气口和出气口，从而在保护气循环装置和雾化室1的内部形成保护气的循环通道。
激光器光学系统5设置在雾化室1的底面，激光器光学系统5通过所述光学系统安置孔，可以将激光束发射进入雾化室1内部。
所述高频振动装置位于雾化室1内部，所述高频振动装置可以固定金属棒6，并使得固定后的金属棒6的表面能够被激光器光学系统5发出的激光束照射。
集粉器9位于雾化室1下方，与雾化室1内部相通，并位于激光器光学系统5远离雾化室1进气口的一侧。集粉器9与雾化室1可以为一体成型的结构，也可以与雾化室1为分离结构，集粉器9与雾化室1密封连接。
进一步地，所述保护气循环装置包括进气管2和出气管10。
进气管2的一端与雾化室1的进气口连接，外部保护气通过进气管2的另一端进入进气管2，再经由雾化室1的进气口进入雾化室1的内部。本领域技术人员知晓，进气管2与雾化室1可以为一体成型的结构，也可以与雾化室1为分离结构，进气管2与雾化室1密封连接。优选地，进气管2的所述另一端设置有保护气进口电磁阀，从而可以控制进气量。
出气管10的一端与雾化室1的出气口连接，出气管10的另一端连接到进气管2，从而使得进入雾化室1内部的保护气循环回进气管2，并再次进入雾化室1内部。
为了防止循环回进气管2的保护气中存在过细粉末，所述保护气循环装置还包括过滤器3，所述过滤器3设置在出气管10内部。优选地，过滤器3靠近雾化室1的出气口。
所述保护气循环装置还包括保护气循环控制装置4，保护气循环控制装置4位于出气管10的管路上，出气管10被保护气循环控制装置4分隔成沿保护气循环方向的前端管路和后端管路。保护气循环控制装置4可以控制雾化室1内部气氛循环流动。优选地，所述前端管路和后端管路的管径不同，前端管路的管径比后端管路的管径大。更优选地，过滤器3设置在雾化室1的出气口和保护器循环控制装置4之间。
保护气循环控制装置4可以使雾化室1内部气氛循环流动，还可以通过调节保护气气流速率，将球形粉末吹送到集粉器9，过细的粉末吹送至出气管10，经过滤器3进行过滤。
所述保护气循环控制装置4设置有排气装置11，排气装置11可以排出保护气，降低雾化室1内的压力。
所述保护气循环装置还包括真空泵，真空泵设置在出气管的管路上，用于对循环通道进行抽真空处理。在制备金属粉末之前，真空泵可以与保护气进口电磁阀配合，保证在雾化室1内部能够形成高纯保护气氛，避免外来杂质的污染。
所述高频振动装置包含高频振动器、换能器、变幅杆7和运动控制器8。高频振动器为具有自动追频功能的超声波发生器或其他振动器，高频振动器经换能器将能量输出到变幅杆7。变幅杆7可以固定安装金属棒6。运动控制器8控制金属棒6的移动，当金属棒6垂直安装时，运动控制器8为Z轴运动控制器，运动控制器8位于雾化室1内部上方，所述变幅杆7固定在运动控制器8的下方，所述变幅杆7下方可固定金属棒6，运动控制器8可以控制金属棒6上下移动。优选地，金属棒6与所述变幅杆7通过螺纹固定连接。
所述激光器光学系统5包含有依次放置的脉冲或连续激光器、准直镜、振镜、场镜和窗口镜。所述窗口镜设置在光学系统安置孔中。激光器发出的激光束经准直镜、振镜、场镜后，经窗口镜进入雾化室1内部。所述激光束优选采用小光斑脉冲激光束，通过采用小光斑脉冲激光束熔融金属棒6，使得单次脉冲激光产生的单个熔池体积可精准控制，熔融金属被高频超声振落击碎凝固形成的球形粉粒径不大于熔池体积，球形粉末粒径可控制在较小范围内，细粉得粉率大于90％。
激光器光学系统5控制激光束的运动，使发射的激光束扫描到金属棒6的下端面，激光束加热金属棒6的下端面，使被加热面表面局部熔融，从而在金属棒6表面形成连续或准连续分布的微小熔池，金属棒6在高频振动装置的变幅杆7的控制下做高频振动，使得熔池的金属液滴克服固液界面张力脱离金属断面，或克服表面张力被超声波击碎，形成细小的金属液滴，在重力作用下往下掉落，掉落过程中快速凝固形成细小粉末颗粒，粉末颗粒被保护气吹送进集粉器9。
为了对雾化室1内部的情况进行监控，所述制备低氧球形金属粉末的设备还包括压力传感器12、氧气传感器13和氮气传感器14，压力传感器12、氧气传感器13和氮气传感器14设置在雾化室1内部，优选地，压力传感器12、氧气传感器13和氮气传感器14设置在雾化室1内部上方。
本实用新型提出的设备采用不低于20KHZ的高频振动产生的张力波，克服较小的金属固-液制界面张力和熔融金属表面张力，制备得到球形金属粉粒径小于60微米的细粉得粉率大于90％、球形粉氧含量低、空星球及行星球率低、球形度高、粉末流动性好、适用材料范围广、设备及工艺简单易操作、生产成本低。
下面对所述设备制备低氧球形金属粉末的方法进行说明。该制备方法主要包括以下步骤：
S1、将金属棒6的上端部与高频振动装置的变幅杆7螺纹连接固定；
S2、循环开启真空泵和保护气进口电磁阀，保护气从进气管2进入雾化室1内部，置换雾化室1内部气氛，使氧含量和氮气含量低于10ppm，关闭保护气进口电磁阀；
S3、开启激光器光学系统5的激光器，在100—2000W调节激光器功率，扫描速率0.5—5m/s扫描熔融金属棒6，控制熔池深度在10-500μm；
S4、开启有自动追频功能的高频振动器，调节振动频率20—100KHZ，振幅5-50μm，克服固-液界面张力和熔融金属表面张力，将变幅杆7上固定的金属棒6下端面的熔融金属振离金属棒6，并破碎形成小液滴，掉落凝固，形成球形金属粉末；
S5、开启保护气循环控制装置4，调节气流流动速率，雾化室1内气氛循环流动，将球形粉末吹送到集粉器9，过细的粉末吹送至出气管10内部的过滤器3；
S6、激光扫描每熔融一层，运动控制器8控制金属棒6下移一位移，下移位移为熔池深度，直到工艺结束。工艺结束的条件可以是当前的金属棒6熔融完，或者是当前金属棒6未熔融完而整个制备工艺完成。当前金属棒熔融完，还可以重新安装新的金属棒，继续制备金属粉末。
其中，在雾化室1内氧气含量和氮气含量高于10ppm时，保护气进气管电磁阀自动开启，在雾化室1内超压时，排气装置11启动，使雾化室1内氧气和氮气含量低于10ppm。
以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。