本实用新型涉及TC4合金粉末制备技术领域，更具体的说，涉及一种拉瓦尔管、喷嘴结构及TC4合金粉末的制备装置。
背景技术：
TC4(Ti-6Al-4V)材料以其优异的力学性能而广泛应用在航空航天、核能、舰船领域，以及优异的生物相容性而应用在生物医学领域。随着3D打印技术的发展，TC4材料零部件也越来越多的被增材工艺制造，尤其对于一些特殊领域关键部件的高效低成本制备，以及部分损坏部件的还原修复，但是TC4合金粉末以及打印制品价格昂贵限制了其在各个领域的广泛应用。
目前，3D打印TC4合金粉末制备工艺有三种，一种为电极感应熔化惰性气体雾化(Electrode Induction Melting Inert GasAtomization,EIGA)，将电极形式的TC4预合金棒通过缓慢旋转方式送至环形感应线圈中进行感应熔化，随后电极熔滴落入气体雾化喷嘴，借助惰性气体破碎雾化进行粉末制备；另一种为等离子雾化(PlasmaAtomization,PA)，将TC4丝材通过送丝机构以轴向方式送入三个等离子射流的汇聚中心，利用等离子的热能和动能，加热熔化丝材、破碎雾化进行粉末制备；第三种为等离子旋转电极(Plasma Rotation Electrode Process,PREP)，利用等离子射流的热能加热高速旋转的TC4预合金棒端面，端面材料熔化后形成的液膜在离心力的作用下被甩出该棒材端面，破碎雾化形成粉末。
其中，PREP工艺制备的粉末球形度最好，但粉末粒径较其它两种较大，细粒径粉末收的率低，不适合铺粉工艺增材制造(仅适合同轴送粉工艺)；工艺EIGA和PA制备的粉末含有卫星球，球形度不如PREP，含氧量也高于PREP，但是该两种工艺细粒径粉末收的率高，适合铺粉工艺增材制造；三种工艺制备的TC4合金粉末成本较高(合金粉末的价格大约为丝材的五倍，棒材的十倍)，进一步限制了采用3D打印工艺制备TC4零部件的更广泛应用。
因此，如何提供一种低成本的3D打印TC4合金粉末的制备装置显得尤为必要。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种拉瓦尔管、喷嘴结构及TC4合金粉末的制备装置，能够实现低成本的3D打印TC4合金粉末的制备，进而降低3D打印TC4合金制品的成本，将会推动其在更广泛领域应用。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种拉瓦尔管，包括压缩段和扩张段，所述压缩段与扩张段交界处设有喉部，所述压缩段设有入口，所述扩张段设有出口，所述入口的直径为18.2mm，所述喉部的直径为2.7mm，所述出口的直径为4.96mm；所述压缩段长度为42.4mm，所述扩张段长度为57.6mm。
一种喷嘴结构，包括如上述的一种拉瓦尔管，阴极送丝管和阳极送丝管，所述拉瓦尔管位于所述阴极送丝管和阳极送丝管之间，所述阴极送丝管和阳极送丝管的交汇点与所述拉瓦尔管的出口之间的距离为5-15mm。
优选的，所述阴极送丝管和阳极送丝管的夹角为30°-80°，所述阴极送丝管中丝材直径为2-4mm，所述阳极送丝管中丝材直径为2-4mm。
一种TC4合金粉末的制备装置，包括如上述任一所述的一种喷嘴结构和雾化塔，所述喷嘴结构安装在所述雾化塔上方的入口处，所述拉瓦尔管连接有氩气源，所述拉瓦尔管与所述氩气源之间设有用于处理氩气的气体处理装置，所述制备装置包括电源，所述电源给阳极送丝管或/和阴极送丝管供电。
优选的，所述气体处理装置用于将氩气压缩至压力3-6MPa，所述气体处理装置将气体加热至200℃。
优选的，所述阴极送丝管中送丝速率为5-10m/min，所述阳极送丝管中送丝速率为5-10m/min。
优选的，还包括机械泵和罗茨泵，用于将所述雾化塔抽真空；所述制备装置还包括检测雾化塔内氧气含量的氧气检测器。
优选的，还包括除尘装置，所述除尘装置连接到雾化塔的粉末出口处，所述除尘装置用于过滤旋风气流分级后的微细粉末。
优选的，还包括振动筛分装置，用于将超音速破碎雾化后的粉末进行惰性气体保护筛选。
优选的，还包括与雾化塔连接的冷却水装置，用于冷却雾化塔；所述制备装置还包括用于净化氩气的氩气净化装置，所述氩气净化装置连接在所述氩气源与所述雾化塔之间。
本实用新型中的TC4合金粉末的制备装置由于包括一种喷嘴结构和雾化塔，所述喷嘴结构安装在所述雾化塔上方的入口处，所述拉瓦尔管连接有氩气源，所述拉瓦尔管与所述氩气源之间设有用于处理氩气的气体处理装置，所述制备装置包括电源，所述电源给阳极送丝管或/和阴极送丝管供电；而所述喷嘴结构包括拉瓦尔管，上述拉瓦尔管的入口直径为18.2mm，所述喉部直径为2.7mm，所述出口直径为4.96mm；所述压缩段长度为42.4mm，所述扩张段长度为57.6mm。采用这种方式，可以在雾化塔被抽真空后，使用高压氩气通过拉瓦尔管后实现的超音速射流进行雾化；然后将自耗电极TC4丝材通过喷嘴均匀送入电弧，加热熔化，随后被超音速氩气破碎雾化；制备的粉末首先经过旋风分级，实现微细粉末的去除；然后经过振动筛筛分出3D打印粒径的粉末；采用低成本的超音速电弧雾化装置，实现低成本的3D打印TC4合金粉末的制备，进而降低TC4合金制品的成本，将会推动其在更广泛领域应用。
附图说明
图1是本实用新型实施例的拉瓦尔管的示意图；
图2是本实用新型实施例的喷嘴结构的示意图；
图3是本实用新型实施例的TC4合金粉末的制备装置的示意图。
附图标记：
100-拉瓦尔管，101-压缩段，102-扩张段，103-喉部，104-入口，105-出口，110-喷嘴结构，200-阴极送丝管，201-交汇点，300-阳极送丝管，L-距离，α-夹角，400-雾化塔，401-氩气源，402-气体处理装置，403-电源，404-机械泵，405-罗茨泵，406-氧气检测器，407-除尘装置，408-过滤旋风，409-振动筛分装置，410-3D打印TC4合金粉末，411-冷却水装置，412-氩气净化装置。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本实施例公开一种拉瓦尔管(De-Laval管)100，包括压缩段101和扩张段102，所述压缩段101与扩张段102交界处设有喉部103，所述压缩段101设有入口104，所述扩张段102设有出口105，所述入口104的直径为18.2mm，所述喉部103的直径为2.7mm，所述出口105的直径为4.96mm；所述压缩段101的长度为42.4mm，所述扩张段102的长度为57.6mm。
采用本实施例中的拉瓦尔管100，可高效的使用氩气对丝材进行破碎雾化，得到的细粒径粉末适合使用在3D打印领域，本实施例中采用对拉瓦尔管100的优化设计得到3D打印TC4合金粉末，成本低、适用范围广，具有很好的经济性和工业实用性。
如图1至图3所示，本实施例中还公开一种喷嘴结构110，包括如上述的一种拉瓦尔管100，阴极送丝管200和阳极送丝管300，所述拉瓦尔管100位于所述阴极送丝管200和阳极送丝管300之间，所述阴极送丝管200和阳极送丝管300的交汇点201与所述拉瓦尔管100的出口105之间的距离L为5-15mm。本实施例中所说的阴极送丝管200和阳极送丝管300的交汇点201可为阴极送丝管200的轴线和阳极送丝管300的轴线的交汇点201。其中上述的一种拉瓦尔管也即拉瓦尔管100包括压缩段101和扩张段102，所述压缩段101与扩张段102交界处设有喉部103，所述压缩段101设有入口104，所述扩张段102设有出口105，所述入口104的直径为18.2mm，所述喉部103的直径为2.7mm，所述出口105的直径为4.96mm；所述压缩段101的长度为42.4mm，所述扩张段102的长度为57.6mm。采用这种喷嘴结构110，可以使阴极送丝管200和阳极送丝管300与拉瓦尔管100之间紧密配合，从而高效的使用氩气对丝材进行破碎雾化，得到适合3D打印的细粒径粉末，成本低、适用范围广，具有很好的经济性和工业实用性。
阴极送丝管200和阳极送丝管300的几何夹角α为30°-80°，所述阴极送丝管200中丝材直径为2-4mm，所述阳极送丝管300中丝材直径为2-4mm。本实施例中的阴极送丝管200和阳极送丝管300的夹角为阴极送丝管200的轴线和阳极送丝管300的轴线交汇后所形成的夹角。
如图1至图3所示，本实施例中公开一种3D打印TC4合金粉末的制备装置，包括如上述任一所述的一种喷嘴结构110和雾化塔400，所述喷嘴结构110安装在所述雾化塔400上方的入口处，所述拉瓦尔管100连接有氩气源401，所述拉瓦尔管100与所述氩气源401之间设有用于处理氩气的气体处理装置402，所述制备装置包括电源403，所述电源403给阳极送丝管300或/和阴极送丝管200供电。
其中，上述任一所述的一种喷嘴结构110，包括如上述的一种拉瓦尔管100，阴极送丝管200和阳极送丝管300，所述拉瓦尔管100位于所述阴极送丝管200和阳极送丝管300之间，所述阴极送丝管200和阳极送丝管300的交汇点201与所述拉瓦尔管100的出口105之间的距离L为5-15mm。其中上述的一种拉瓦尔管100也即拉瓦尔管100包括压缩段101和扩张段102，所述压缩段101与扩张段102交界处设有喉部103，所述压缩段101设有入口104，所述扩张段102设有出口105，所述入口104的直径为18.2mm，所述喉部103的直径为2.7mm，所述出口105的直径为4.96mm；所述压缩段101的长度为42.4mm，所述扩张段102的长度为57.6mm。
本实用新型实施例中的3D打印TC4合金粉末的制备装置由于包括一种喷嘴结构110和雾化塔400，所述喷嘴结构110安装在所述雾化塔400上方的入口处，所述拉瓦尔管100连接有氩气源401，所述拉瓦尔管100与所述氩气源401之间设有用于处理氩气的气体处理装置402，所述制备装置包括电源403，所述电源403给阳极送丝管300或/和阴极送丝管200供电；而所述喷嘴结构110包括拉瓦尔管100，上述拉瓦尔管100的入口104的直径为18.2mm，所述喉部103的直径为2.7mm，所述出口105的直径为4.96mm；所述压缩段101的长度为42.4mm，所述扩张段102的长度为57.6mm。采用这种方式，可以在将雾化塔400抽真空后，使用高压氩气通过拉瓦尔管100后实现的超音速射流进行雾化；然后将自耗电极TC4丝材通过喷嘴结构110均匀送入电弧，加热熔化，随后被超音速氩气破碎雾化；制备的粉末首先经过旋风分级，实现微细粉末的去除；然后经过振动筛筛分出适合3D打印粒径的粉末；采用低成本的超音速电弧雾化装置，实现低成本的3D打印TC4合金粉末的制备，进而降低TC4合金制品的成本，将会推动其在更广泛领域应用。
本实施例中，超音速电弧雾化枪由双送丝结构加拉瓦尔管(De-Laval管)100构成，电弧阴极和阳极双丝材物理交汇点201与拉瓦尔管100的出口之间距离L为5-15mm。两丝材通过导电嘴后夹角α为30°-80°，丝材直径为2-4mm,送丝速度5-10m/min。De-Laval管(拉瓦尔管管100)气体入口104直径18.2mm,喉部103直径2.7mm,出口105直径4.96mm；压缩段101长度42.4mm,扩张段102长度57.6mm，惰性气体氩气入口104压力3-6MPa,气体预热温度200℃，使得超音速出口气体速度达到800m/s。
超音速电弧喷涂为一种相对成熟的喷涂工艺，由于得到的涂层相对普通电弧喷涂有较高的致密度而被广泛使用，它的原理是将丝材作为电极(单丝或者双丝)，利用阴极和阳极之间的电弧加热熔化丝材，借助超音速射流加速熔滴、破碎雾化，随后以相对较高的速度撞击基体，扁平化冷却凝固，最后形成所需要的涂层。超音速电弧雾化为该喷涂过程的一个中间步骤，得益于拉瓦尔管结构的不断优化使得超音速射流的获得成为可能，将TC4丝材作为电弧的阴极和阳极，借助超音速射流惰性气体氩气破碎雾化粉末，冷却凝固形成所需要的3D打印粉末。
超音速电弧雾化装置包含电源控制系统、雾化塔室、抽真空系统、高压雾化气体、氩气回收净化系统、粉末收集系统、冷却水系统、旋风气流分级及除尘系统，并且采用超音速惰性气体氩气为雾化气体、电弧为热源，丝材TC4作为电弧的阴极和阳极。
气体处理装置402用于将氩气压缩至压力3-6MPa，并加热至200℃。这样可以使氩气具有更高的能量，从而提高丝材破碎雾化的效率。
阴极送丝管200中的送丝速率为5-10m/min，所述阳极送丝管300中的送丝速率为5-10m/min。
本实用新型实施例中的3D打印TC4合金粉末的制备装置还包括机械泵404和罗茨泵405，用于将所述雾化塔抽真空；所述制备装置还包括检测雾化塔内氧气含量的氧气检测器406，可以实时检测雾化塔的含氧量。
本实用新型实施例中的3D打印TC4合金粉末的制备装置还包括除尘装置407，所述除尘装置407连接到雾化塔的粉末出口处，所述除尘装置407用于去除经过过滤旋风408的微细粉末。
本实用新型实施例中的3D打印TC4合金粉末的制备装置还包括振动筛分装置409，用于将超音速破碎雾化后的粉末进行筛分，从而得到适合3D打印的TC4合金粉末410。
本实用新型实施例中的3D打印TC4合金粉末的制备装置还包括与雾化塔连接的冷却水装置411，用于冷却雾化塔；所述制备装置还包括用于净化氩气的氩气净化装置412，所述氩气净化装置412连接在所述氩气源401与所述雾化塔之间。
本实施例实施例中，超音速电弧雾化制备TC4合金粉末步骤：
步骤一：将雾化喷枪置于雾化塔内，调整电极丝材夹角以及与拉瓦尔管出口轴向距离；
步骤二：双级真空泵抽雾化塔室压力低至10-2Pa，在线检测雾化塔室含氧量(控制雾化过程粉末氧含量增量小于100ppm)；
步骤三：高压氩气通过拉瓦尔管后实现超音速射流；
步骤四：将自耗电极TC4丝材均匀送入电弧，加热熔化，随后被超音速氩气破碎雾化；
步骤五：制备的粉末首先经过旋风分级，实现微细粉末的去除；然后经过振动筛筛分出适合3D打印粒径的粉末。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。