一种利用电磁力制备金属粉末的装置及方法与流程

本发明属于材料制备领域，具体地，涉及一种金属粉末制备装置及方法，更具体地，涉及一种利用电磁力制备金属粉末的装置及方法。

背景技术

应用于金属3d打印的合金主要有铝硅alsi12和alsi10mg两种。alsi12是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；alsi10mg使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

目前的金属粉末制备技术集中在雾化法领域，雾化法包括二流雾化法、离心雾化、超声雾化、真空雾化等，种类繁多，基本满足了工业上的各种需求，但是雾化法的制备效率和制备成本大大受到雾化腔体和雾化喷嘴的限制，制备过程抗干扰性差、容错率小，设备参数一经固定难以修改，制备对象单一，人为可控性较弱。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用电磁力制备金属粉末的装置及制备方法，其目的在于利用脉冲磁体放电时电流变化产生不同方向的磁场，熔融金属液体在脉冲磁体放电时在不同磁场方向下受到吸引力或斥力，当受到强电磁斥力而向外喷射成为金属粉末，由此解决现有技术的金属粉末制备方法制备过程抗干扰性差、容错率小，设备参数一经固定难以修改，人为可控性较弱等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用电磁力制备金属粉末的装置，包括熔融金属供给单元、电磁力金属粉末制备单元和金属粉末收集单元；

所述熔融金属供给单元用于向所述电磁力金属粉末制备单元供给熔融金属，所述熔融金属在所述电磁力金属粉末制备单元完成金属粉末制备，制备得到的金属粉末被收集在所述金属粉末收集单元；

所述电磁力金属粉末制备单元包括脉冲磁体，所述脉冲磁体用于在磁体周围产生周期性的电磁吸引力和电磁排斥力；

所述电磁力金属粉末制备单元最外侧还包括外壳，所述外壳内壁设置有螺旋状的槽，所述螺旋状的槽内盛有冷却液，该冷却液沿所述外壳内壁周向回旋形成冷却液面层；

所述熔融金属受到所述电磁排斥力时，此排斥力产生的喷射压力将所述熔融金属向外喷射弹开，进入所述外壳内壁的冷却液中，形成金属粉末，所述金属粉末随着冷却液流入所述金属粉末收集单元，通过固液分离即获得所述金属粉末。

优选地，所述脉冲磁体置于脉冲磁体套内；所述脉冲磁体套上部外侧和下部外侧设置有遮罩板，所述遮罩板用于遮盖住所述脉冲磁体上部和下部的磁力线，使金属粉末集中在磁体中部磁力线最强的区域，完成金属粉末制备，保证金属粉末制备的均匀性；

所述熔融金属在重力作用下从所述熔融金属供给单元流出，沿着所述脉冲磁体套外壁流入所述电磁力金属粉末制备单元；所述脉冲磁体在周期性脉冲电流的作用下产生磁场力，对所述熔融金属在水平方向上产生周期性的电磁吸引力和电磁排斥力，所述熔融金属受到所述电磁吸引力时，紧贴所述脉冲磁体套外壁同时在重力作用下向下流动；在流经未被所述遮罩板覆盖的区域，所述熔融金属受到所述电磁排斥力时，此排斥力产生的喷射压力将所述熔融金属向外喷射弹开，进入所述外壳内壁的冷却液中，形成金属粉末，随着冷却液流入所述金属粉末收集单元，通过固液分离即获得所述金属粉末；未发生喷射的熔融金属沿着所述脉冲磁体套外壁流入熔融金属回收槽。

优选地，所述熔融金属供给单元包括熔融金属供给管道和金属液体容器，所述熔融金属供给单元的金属液体容器与所述电磁力金属粉末制备单元之间设置有隔热板，所述金属液体容器底部开设有环形通孔，所述隔热板也开设有环形通孔，且所述金属液体容器底部的环形通孔与所述隔热板的环形通孔相连通，所述金属液体自所述金属液体容器底部沿着该环形通孔流下，穿过所述隔热板的环形通孔，沿所述脉冲磁体套外壁在重力作用下向下流动。

优选地，所述金属液体容器与所述熔融金属回收槽之间设置有金属液体回流管道，通过液泵将所述熔融金属回收槽内的金属液体泵回所述金属液体容器中。

优选地，所述脉冲磁体为缠绕线圈组，通过调节脉冲电流强度，产生0～20mpa范围内的喷射压力。

优选地，所述脉冲磁体在周期性脉冲电流的作用下以不小于3.75×10⁴t/s的磁场变化率产生磁场力，所述熔融金属受到所述电磁排斥力时，此排斥力产生的喷射压力大于7.5mpa，将所述熔融金属向外喷射弹开，形成粒度小于60微米的金属粉末，并以大于200m/s的速度进入所述外壳内壁的冷却液中，随着冷却液流入所述金属粉末收集单元。

优选地，所述脉冲磁体套上部为锥形体。

优选地，所述脉冲磁体套和所述遮罩板均为陶瓷材质。

优选地，所述脉冲磁体线圈内部设置有磁体层间冷却系统。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的装置制备金属粉末的方法，包括如下步骤：

(1)将金属或金属合金熔融得到熔融金属液体，置于所述金属液体容器中；

(2)所述熔融金属液体自所述金属液体容器底部的环形通孔流出，穿过隔热板的环形通孔，沿着所述脉冲磁体套外壁向下流，同时所述脉冲磁体开始放电；

(3)所述金属液体先贴合在所述脉冲磁体套外壁流下，在流经不含有遮罩板区域，所述金属液体在脉冲磁力产生的排斥力作用下向外喷射，进入所述外壳内壁的冷却液中，随着冷却液流入所述金属粉末收集单元，在所述金属粉末收集单元通过固液分离即获得所述金属粉末；

(4)未发生喷射的熔融金属沿着所述脉冲磁体套外壁流入熔融金属回收槽，通过液泵泵回所述金属液体容器中。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供了一种利用电磁力制备铸造金属粉末的装置。其借助于通电脉冲线圈产生磁场，借助于导电金属液体在磁场中受到强电磁斥力而向外喷射细化，冷却后形成金属粉末，该金属粉末制备装置操作简单、可循环利用、可控性强、噪声小，且通过改变放电电压，可以对金属液体产生不同大小的喷射压力，可灵活应用于各种金属粉末的制备。

(2)本发明金属粉末制备装置中设置有遮罩板，该遮罩板设置于脉冲磁体外侧上部和下部，该遮罩板起到了三重作用：a.隔热，避免热量损失；b.为熔融金属液体流提供通路；c.遮盖住磁体上部和下部的磁力线，将喷射区域集中在磁体中部，有效避免了两端磁力线分布不均可能造成的喷射力不均、金属粉末颗粒参差不齐的情况。

(3)利用磁体内层线圈在电磁力作用下分离的特性，在脉冲磁体线圈内部设计轴向液氮冷却通道，从而将冷却介质直接引入磁体内部，达到磁体内部层间冷却的目的，有效节约了装置空间。

(4)对脉冲磁体放电间隙没有处理到的金属液进行二次收集后，利用液压泵直接把液体通过磁体中心孔通道泵回液体容器，实现了金属液体原料的高效循环利用。

附图说明

图1是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置及方法中脉冲磁体放电曲线；

图2是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置中脉冲磁体产生的磁力线示意图；

图3是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置优选实施方式；

图4是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置中脉冲磁体缠绕线圈组中心处截面图；

图5是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置中隔热板的截面图；

图6是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置外壁内侧供冷却液流动的螺旋槽；

图7是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置基于comsol平台的脉冲电流变化曲线仿真结果图；

图8是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置基于comsol平台的脉冲磁场磁通量变化曲线仿真结果图；

图9是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置基于comsol平台的电磁场强度分布仿真结果图；

图10是本发明利用电磁力制备金属粉末的装置基于comsol平台的电磁喷射压力仿真结果图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-熔融金属供给管道；2-金属液体容器；3-待处理金属液体；4-隔热板；5-冷却液供给阀；6-遮罩板；7-脉冲磁体套；8-外壳；9-金属收集腔；10-脉冲磁体；11-脉冲磁体冷却系统；12-金属液体回流管道；13-金属液体回收槽；14-液压泵；15-成品收集槽；16-金属粉末；17-环形通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种利用电磁力制备金属粉末的装置，包括熔融金属供给单元、电磁力金属粉末制备单元和金属粉末收集单元。

所述熔融金属供给单元用于向所述电磁力金属粉末制备单元供给熔融金属，所述熔融金属在所述电磁力金属粉末制备单元完成金属粉末制备并被收集在所述金属粉末收集单元。

电磁力金属粉末制备单元包括脉冲磁体，所述脉冲磁体用于在磁体周围产生周期性的电磁吸引力和电磁排斥力，脉冲磁体为缠绕线圈组，脉冲磁体置于脉冲磁体套内；脉冲磁体套上部优选为锥形体，便于金属液体向下流动。脉冲磁体线圈内部设置有磁体层间冷却系统，优选线圈内部设计轴向液氮冷却通道。

脉冲磁体套上部外侧和下部外侧设置有遮罩板，所述遮罩板用于遮盖住所述脉冲磁体上部和下部的磁力线，使金属粉末集中在磁体中部磁力线最强的区域完成金属粉末制备。遮罩板形状贴合磁体套即可，上部和下部的遮罩板可以相同也不可不同，其目的在于遮挡住脉冲磁体上部和下部较弱的磁力线。该遮罩板设置于脉冲磁体外侧上部和下部，该遮罩板起到了三重作用：a.隔热，避免热量损失；b.为熔融金属液体流提供通路；c.遮盖住磁体上部和下部的磁力线，将喷射区域集中在磁体中部，有效避免了两端磁力线分布不均可能造成的喷射力不均、金属粉末颗粒参差不齐的情况。

脉冲磁体套和遮罩板均优选为陶瓷材质。

电磁力金属粉末制备单元最外侧还包括外壳，所述外壳内壁设置有螺旋状的锯齿槽，所述螺旋状的锯齿槽内盛有低温冷却液，锯齿槽为低温冷却液提供流通通路，该冷却液沿所述外壳内壁周向回旋形成冷却液面层。

熔融金属在重力作用下从所述熔融金属供给单元流出，沿着所述脉冲磁体套外壁流入所述电磁力金属粉末制备单元；所述脉冲磁体在周期性脉冲电流的作用下对所述熔融金属在水平方向上产生周期性的电磁吸引力和电磁排斥力，所述熔融金属受到所述电磁吸引力时，紧贴所述脉冲磁体套外壁同时在重力作用下向下流动；在流经未被所述遮罩板覆盖的区域，所述熔融金属受到所述电磁排斥力时，所述熔融金属向外喷射，进入所述外壳内壁的冷却液中，随着冷却液流入所述金属粉末收集单元，在所述金属粉末收集单元通过固液分离即获得所述金属粉末；未发生喷射的熔融金属沿着所述脉冲磁体套外壁流入熔融金属回收槽。

熔融金属供给单元包括熔融金属供给管道和金属液体容器，所述熔融金属供给单元的金属液体容器与所述电磁力金属粉末制备单元之间设置有隔热板，所述金属液体容器底部开设有环形通孔，所述隔热板也开设有环形通孔，且所述金属液体容器底部的环形通孔与所述隔热板的环形通孔相连通，所述金属液体自所述金属液体容器底部沿着该环形通孔流下，穿过所述隔热板的环形通孔，沿所述脉冲磁体套外壁在重力作用下向下流动。隔热板可以为各种形状，比如圆形或方形，该隔热板起到支撑和隔热作用。

金属液体容器与所述熔融金属回收槽之间设置有金属液体回流管道，通过液泵将所述熔融金属回收槽内的金属液体泵回所述金属液体容器中。

本发明提供的利用电磁力制备金属粉末的装置，包括熔融金属供给单元、电磁力金属粉末制备单元和金属粉末收集单元。熔融金属供给单元用于提供熔融金属液体，电磁力金属粉末制备单元用于将金属液体导入并在其产生的强电磁斥力作用下向外喷射出去，经冷却液冷却后收集分离至金属粉末收集单元。

利用上述装置制备金属粉末的方法，包括如下步骤：

(1)将金属或金属合金熔融得到熔融金属液体，置于所述金属液体容器中；

(2)所述熔融金属液体自所述金属液体容器底部的环形通孔流出，沿着所述脉冲磁体套外壁向下流，同时所述脉冲磁体开始放电；

(3)所述金属液体先贴合在所述脉冲磁体套外壁流下，在流经不含有遮罩板区域，并受到脉冲磁体产生的电磁排斥力时，所述金属液体受到强烈的喷射压力而向外喷射，从而进入所述外壳内壁的冷却液中，随着冷却液流入所述金属粉末收集单元，在所述金属粉末收集单元通过固液分离即获得所述金属粉末。

(4)未发生喷射的熔融金属沿着所述脉冲磁体套外壁流入熔融金属回收槽，通过液泵泵回所述金属液体容器中。

本发明采用的脉冲磁体充电曲线图如图1所示，脉冲磁体产生的磁力线如图2所示。脉冲磁体开始放电后，电流逐渐增大，向上的磁通量逐渐增多，陶瓷脉冲磁体套不受力，而外表面流动的熔融金属由于楞次定律，产生感应涡流以阻碍向上的磁通量继续变大，即与脉冲线圈磁场感应出相反磁场，此时线圈中涡流方向与金属液体感应出的电流方向相反，水平方向上受到洛伦兹电磁吸引力，垂直方向上，金属液体同时受到向下的重力和向上的摩擦力，由于流体动摩擦因数非常小，熔融金属所受摩擦力远小于其自身的重力，因此金属液体贴着陶瓷脉冲磁体套的外壁向下流动；脉冲电流达到最大后，迅速下降，向上的磁通量骤然减少，根据楞次定律，此时外表面流动的熔融金属迅速产生反方向涡流以增补向上的磁通量，即与脉冲线圈磁场感应出相同方向的磁场，此时线圈中电流与金属液体感应出的电流方向相同，金属液体受到一个强大的电磁斥力而向外喷射成为粉末状。

本发明金属液体受到的强电磁排斥力大小与脉冲磁体磁场强度随时间的变化率紧密相关，根据不同的金属内部结构对爆破力的要求不同，通过调节脉冲电流脉宽及幅值，可以对液态熔融金属薄膜产生0～20mpa范围内任意大小的喷射压力。以制备铝硅alsi10mg金属粉末为例，本发明脉冲磁体产生的磁场强度随时间的变化率至少为3.75×10⁴t/s，产生约7.5mpa的喷射压力，熔融金属喷射形成粒度小于60微米的金属粉末后，以200m/s的速度向外喷射进入所述金属粉末制备装置外壳内壁并进入温度小于10℃的冷却水中。

本发明脉冲磁体的供电方式可以为蓄电池与fpga脉冲触发器集成供电，也可以连接电源线供电，优选蓄电池供电。

本发明提出的电磁力制备金属粉末的装置可适用于各种金属粉末的制备，包括制备3d打印用的原料金属粉末。

实施例1

图3为本发明利用电磁力制备金属粉末的装置其中的一种优选实施方式，熔融金属供给单元包括熔融金属供给管道1和金属液体容器2。熔融金属供给管道1用于将熔融状态的待处理金属液体3导流到金属液体容器2中。

电磁力金属粉末制备单元包括脉冲磁体10，脉冲磁体10为缠绕线圈组，用于在磁体周围产生瞬间的强电磁斥力，绕组中心处截面图如图4所示。该脉冲磁体产生的磁场强度随时间的变化率快慢取决于具体处理的金属粉末内部结构应力大小。脉冲磁体线圈内部设置有脉冲磁体冷却系统11，其为磁体层间冷却系统，通过线圈内部设计轴向液氮冷却通道来实现。脉冲磁体10置于脉冲磁体套7内，脉冲磁体套7为封闭腔体；脉冲磁体套7上部和下部外侧设置有遮罩板6，遮罩板6用于遮盖住磁体上部和下部的磁力线，使金属粉末集中在磁体中部磁力线最强的区域完成金属粉末制备。由于磁体两端磁场分布不均，且强度较磁体中部有所减弱，设置遮罩板6以用于控制金属液体只在磁体中部被电磁力作用而粉碎为金属粉末。遮罩板6设置如图1所示。

熔融金属供给单元的金属液体容器2与电磁力金属粉末制备单元之间设置有隔热板4，金属液体容器2底部向下开设有环形通孔，且该环形通孔穿过隔热板4，金属液体自所述金属液体容器2底部沿着该环形通孔流下，经过隔热板4，沿脉冲磁体套7外壁向下流动。隔热板4为圆形，该隔热板起到支撑和隔热作用，隔热板中心部分的环形通孔与金属液体容器2的底部的环形通孔相连通。隔热板4截面示意图如图5所示。其中心圆形通孔用于连接设置金属液体回流管道12，环形通孔用于连接脉冲磁体套7外壁，使得金属液体自金属液体容器流下，穿过该环形通孔向下沿着脉冲磁体套7外壁流动，流经上下两端设置有遮罩板处，金属液体不能向外喷射，只有在脉冲磁体中部，具有强磁场的强电磁斥力作用下，喷射进入外壳8内壁的冷却液中。

电磁力金属粉末制备单元外部还设置有外壳8，外壳8可以为筒状体外壳，如图6所示，外壳8内壁设置有螺旋状的槽(具体设置方式可参考专利107096921a)，该螺旋状的槽内盛有冷却液，该冷却液自冷却液供给阀5进入外壳8并沿外壳内壁周向回旋形成冷却液面层。螺旋状的槽使冷却液向筒状体外壳8的内壁切线方向喷射流出，从而使冷却液沿筒状体外壳8周向回旋而在内壁上形成冷却液面层，以接收高速喷射弹出的金属粉末颗粒。该筒状体外壳外侧设置有冷却液供给阀5，用于向该外壳内壁持续提供冷却液。筒状体外壳与脉冲磁体套7之间构成金属收集腔9。

脉冲磁体熔融金属从熔融金属供给单元沿着脉冲磁体套外壁流入电磁力金属粉末制备单元，流经脉冲磁体套中部时，在强电磁斥力作用下，熔融金属向外喷射，进入脉冲陶瓷套7与筒状体外壳8之间构成的金属收集腔9，进一步进入所述外壳内壁的冷却液中，随着冷却液流入金属粉末收集单元，在金属粉末收集单元通过固液分离即获得所述金属粉末16，收集在成品收集槽15中；在两次放电间隔或者流经遮罩板区域，未发生喷射的熔融金属沿着脉冲磁体套7外壁流入金属液体回收槽13。

金属液体容器与熔融金属回收槽之间设置有金属液体回流管道，通过液泵将所述熔融金属回收槽内的金属液体泵回所述金属液体容器中。金属回流管道12可拆卸，为液压泵14泵上来的金属液体输送回金属液体容器2提供通道。

金属液体容器2通过通孔连接熔融金属供给管道1，下部通过通孔连接金属液体回流管道12，金属液体容器2底部开设有环形通孔17，金属液体自该环形通孔流出，穿过隔热板4，持续流出，设置流速至少使金属液体铺满脉冲磁体套外壁。脉冲磁体套上部为锥形体，中部为柱状体，以便于金属液体顺利持续且以合适的流速沿着脉冲磁体套外壁流下。脉冲磁体套和所述遮罩板均为陶瓷材质。

基于上述装置，以铝合金金属为例，制备alsi12/alsi10mg粉末，包括如下步骤：

(1)将3d打印原料alsi12/alsi10mg在熔炼炉中熔炼，温度在650℃以上时即可全部熔化，将熔化的铝合金导入石墨坩埚，控制温度在730℃左右，达到工业中常用重力浇铸的温度要求；这里石墨坩埚即为本发明所述的金属液体容器。

(2)石墨坩埚内的熔融状态金属液体顺石墨坩埚底部环形通孔流出，布满下方陶瓷外壁，同时陶瓷腔体内部脉冲磁体开始放电，放电电压为15kv，基于cosmol平台进行计算，仿真结果如图7所示，120μs内产生的放电电流约为26.8ka；如图8所示，120μs内产生的磁感应强度约为4.5t，磁场强度变化率约为3.75×10⁴t/s，脉冲电流到达峰值时的磁场强度分布情况如图9所示。

(3)脉冲电流周期性充放电的作用下，金属液体先受电磁吸引力紧密贴合在陶瓷容器外壁，再受到磁场强度剧烈变化下由同向感应涡流引起的的强烈电磁斥力，alsi12/alsi10mg金属液体厚度为0.4mm时，可产生7.5mpa的喷射压力，使金属液体向外均匀喷射成为金属粉末，以200m/s的速度进入内周面有边旋转边流下的冷却液层的冷却用筒体，与冷却液混合流下后进入金属粉末收集槽，抽干冷却液即可得到金属粉末成品。由电磁感应作用产生的喷射压力仿真结果如图10所示。

(4)两次放电间隔中留下的熔融金属则继续顺着陶瓷外套流进回收槽，再通过回收槽底部液压泵，从磁体中心通孔处的管道重新泵回石墨坩埚，以达到循环利用的目的。

通过上所述装置与方法，制备得到的3d打印原料alsi12/alsi10mg金属粉末粒度小于60微米，且粉末粒度范围分布窄。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。