本發(fā)明涉及3d打印增材制造和冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種真空電弧制備金屬粉末的裝置及方法。

背景技術(shù)：

金屬粉末是材料產(chǎn)業(yè)的重要分支，利用金屬粉末制備出的工件，具有其他材料所無法獲得的優(yōu)異性能。因此，金屬粉末在冶金、能源、電子、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展，金屬粉末的應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)大。

目前，國內(nèi)外制備金屬粉末時主要采用帶有坩堝的高壓氣霧化法。采用這種方法時，金屬溶液與構(gòu)成坩堝的耐火材料接觸，產(chǎn)生非金屬夾雜物污染，導(dǎo)致制備的金屬粉末純度降低；另外，金屬粉末顆粒的形狀和尺寸較難控制，通常獲得的顆粒形狀不夠規(guī)則，必須經(jīng)過多次篩分及檢驗才能得到3d打印所需的小于53μm粒度范圍，且該粒度范圍粉末收得率不到30％，生產(chǎn)效率極低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有技術(shù)中金屬粉末純度低、形狀不規(guī)則、收得率低的技術(shù)問題。

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種真空電弧制備金屬粉末的裝置，該裝置包括霧化單元、第一收粉單元、真空泵組以及儲存有第一金屬絲和第二金屬絲的裝料單元，所述裝料單元的一端設(shè)有所述真空泵組、另一端與所述霧化單元的頂部或側(cè)部連通，所述裝料單元用于向所述霧化單元輸送第一金屬絲和第二金屬絲，所述霧化單元分別與氣源和電源連接、用于霧化所述第一金屬絲和第二金屬絲，所述第一收粉單元與所述霧化單元的底部連通。

其中，所述霧化單元包括霧化罐和霧化器，所述霧化器的兩側(cè)分別與電源和氣源連接，所述霧化器的一端伸入所述裝料單元中、另一端分別與所述第一金屬絲、所述第二金屬絲和所述霧化罐的頂部連接，所述霧化罐的底部與所述第一收粉單元連通。

其中，所述霧化罐包括殼體和頂蓋，所述頂蓋蓋設(shè)在所述殼體的頂部，所述頂蓋上設(shè)有進(jìn)氣口，所述霧化器通過所述進(jìn)氣口與所述殼體內(nèi)部連通，所述殼體上設(shè)有冷卻通道，所述冷卻通道的進(jìn)水口和出水口分別設(shè)于所述殼體的下部和上部。

其中，所述霧化器包括霧化器本體、兩個傳動輪和兩個導(dǎo)電嘴，所述霧化器本體的內(nèi)部由上至下依次設(shè)有相互連通的第一通道、氣室、第二通道和喇叭口，所述第一通道和氣源連接，所述喇叭口與所述霧化罐的頂部連通，所述霧化器本體的兩側(cè)由上至下依次對稱設(shè)有第一導(dǎo)向孔和第二導(dǎo)向孔，所述傳動輪設(shè)于位于所述霧化器本體的同一側(cè)的所述第一導(dǎo)向孔和所述第二導(dǎo)向孔之間，所述導(dǎo)電嘴的一端設(shè)于所述第二導(dǎo)向孔下方、另一端傾斜向下延伸至喇叭口內(nèi)，兩個所述導(dǎo)電嘴分別于電源的正、負(fù)極連接。

其中，所述裝料單元包括裝料殼體以及均設(shè)置在所述裝料殼體內(nèi)的絲盤支架和兩個金屬絲盤，所述真空泵組與所述裝料殼體的頂部連接，所述裝料殼體罩設(shè)在所述霧化器上，每個所述金屬絲盤通過所述絲盤支架架設(shè)在所述霧化器上方，兩個所述金屬絲盤分別用于纏繞所述第一金屬絲和所述第二金屬絲。

其中，所述裝料單元還包括與所述絲盤支架連接的導(dǎo)向板，所述導(dǎo)向板設(shè)置在所述金屬絲盤與所述霧化器之間，所述導(dǎo)向板上設(shè)有用于引導(dǎo)第一金屬絲和第二金屬絲的兩個第三導(dǎo)向孔。

其中，還包括第二收粉單元，所述第二收粉單元包括連接管道、第二閥門、第二收粉殼體和第二收粉罐，所述連接管道的一端與所述霧化單元的側(cè)部連通、另一端與所述第二收粉殼體的上部連通，所述第二收粉殼體的頂部設(shè)有所述第二閥門、底部與所述第二收粉罐連通。

其中，所述第一收粉單元包括第一收粉殼體、第一閥門和第一收粉罐，所述第一收粉殼體的一端與所述霧化單元的底部連通、另一端通過所述第一閥門與所述第一收粉罐連通。

其中，所述真空泵組包括依次連接的機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵，所述裝料單元與所述機(jī)械泵連接。

為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種真空電弧制備金屬粉末的方法，該方法包括以下步驟：

將第一金屬絲和第二金屬絲的頂端分別依次穿過對應(yīng)的第三導(dǎo)向孔、第一導(dǎo)向孔、轉(zhuǎn)輪、第二導(dǎo)向孔和導(dǎo)電嘴，并使第一金屬絲和第二金屬絲的頂端伸出導(dǎo)電嘴后相接觸；

依次啟動機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵，直至裝料殼體內(nèi)壓力達(dá)到10^-3pa；

將冷卻通道的進(jìn)水口和出水口分別與進(jìn)水管道和出水管道連通；

接通氣源，使工作氣體噴入第一通道；

接通與兩個導(dǎo)電嘴連接的電源，同時啟動金屬絲盤；

依次開啟第二閥門和第一閥門；

運(yùn)行指定時間后，關(guān)閉氣源、電源、第一閥門和第二閥門，取出第一收粉罐和第二收粉罐。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷，通過利用裝料單元實時向霧化單元補(bǔ)給第一金屬絲和第二金屬絲，使第一金屬絲和第二金屬絲在霧化單元內(nèi)不斷起弧熔化形成金屬液、同時金屬液又被來自氣源的氣體吹散成微小的球形液滴，從而不僅使得金屬粉末的形狀和尺寸易于控制，而且避免了其他材質(zhì)的污染，提高了金屬粉末的純度和收得率；另外，由于第一金屬絲和第二金屬絲僅在接觸點產(chǎn)生電弧，起弧熔化范圍小，且裝料單元中的第一金屬絲和第二金屬絲一直處于真空環(huán)境從而進(jìn)一步保證了金屬粉末成分的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中一種真空電弧制備金屬粉末的裝置的正視圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中另一種真空電弧制備金屬粉末的裝置的正視圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中一種真空電弧制備金屬粉末的裝置的左視圖；

圖4是圖3中a處的局部放大圖；

圖5是圖3中b處的局部放大圖；

圖6是圖3中i處的局部剖視圖；

圖7是本發(fā)明實施例2中采用一種真空電弧制備金屬粉末的方法制備的鐵粉的粒度分布圖。

附圖標(biāo)記：

1、霧化單元；1-1、霧化罐；1-11、進(jìn)水口；1-12、出水口；

1-2、霧化器；1-21、第一導(dǎo)向孔；1-22、第二導(dǎo)向孔；

1-23、傳動輪；1-24、導(dǎo)電嘴；1-25、第一通道；1-26、氣室；

1-27、第二通道；1-28、喇叭口；2、裝料單元；2-1、裝料殼體；

2-2、金屬絲盤；2-3、絲盤支架；2-4、導(dǎo)向板；

3、第一收粉單元；3-1、第一收粉殼體；3-2、第一閥門；

3-3、第一收粉罐；4、真空泵組；5、第二收粉單元；

5-1、第二收粉殼體；5-2、第二閥門；5-3、第二收粉罐；

5-4、連接管道。

具體實施方式

為使發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合發(fā)明中的附圖，對發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诎l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，術(shù)語“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在發(fā)明中的具體含義。

實施例1

結(jié)合圖1至圖3所示，本發(fā)明提供了一種真空電弧制備金屬粉末的裝置，該裝置包括霧化單元1、第一收粉單元3、真空泵組4以及儲存有第一金屬絲和第二金屬絲的裝料單元2，裝料單元2的一端設(shè)有真空泵組4、另一端與霧化單元1的頂部或側(cè)部連通，裝料單元2用于向霧化單元1輸送第一金屬絲和第二金屬絲，霧化單元1分別與氣源和電源連接、用于霧化第一金屬絲和第二金屬絲，第一收粉單元3與霧化單元1的底部連通。

使用時，首先，將第一金屬絲和第二金屬絲通過霧化單元1與電源的正、負(fù)極連接，并使第一金屬絲和第二金屬絲的頂端伸入霧化單元1中、且保持接觸；接著，啟動真空泵組4，直至裝料單元2中的壓力達(dá)到指定值；然后，接通氣源，使氣體不斷噴入霧化單元1中；接下來，接通霧化單元1的電源，開始霧化第一金屬絲和第二金屬絲，并同時啟動裝料單元2，由于此時第一金屬絲和第二金屬絲分別通過霧化單元1與電源的正、負(fù)極接通，也就是說此時第一金屬絲和第二金屬第的極性相反，第一金屬絲和第二金屬絲的接觸點處的金屬絲會在霧化單元1中不斷起弧熔化形成金屬液，而金屬液又會被噴入霧化單元1中的氣體吹散成多個微小的球形液滴，球形液滴在霧化單元1內(nèi)飛行、通過液態(tài)表面張力收縮、冷卻、凝固成金屬粉末，并最終會在重力作用下直接落入第一收粉單元3中，與此同時，隨著伸入霧化單元1中的第一金屬絲和第二金屬絲的不斷熔化，裝料單元2會實時向霧化單元1補(bǔ)給第一金屬絲和第二金屬絲；最后，運(yùn)行指定時間后，關(guān)閉氣源和電源，取下第一收粉單元3。

由此可知，利用該裝置制備金屬粉末時，只需第一金屬絲和第二金屬絲在接觸點起弧熔化形成金屬液、再通過噴射氣體將金屬液在霧化單元1中吹散成微小的液滴，整個過程中金屬液未與其他部件接觸，因此大大提高了金屬粉末的純度和收得率；另外，由于第一金屬絲和第二金屬絲僅在接觸點產(chǎn)生電弧，起弧熔化范圍小，且裝料單元2中的第一金屬絲和第二金屬絲一直處于真空環(huán)境從而進(jìn)一步保證了金屬粉末成分的穩(wěn)定性。

其中，霧化單元1包括霧化罐1-1和霧化器1-2，霧化器1-2的兩側(cè)分別與電源和氣源連接，霧化器1-2的一端伸入裝料單元2中、另一端分別與第一金屬絲、第二金屬絲和霧化罐1-1的頂部連接，霧化罐1-1的底部與第一收粉單元3連通。優(yōu)選地，霧化罐1-1的側(cè)壁上設(shè)有觀察窗、以便工作人員通過觀察窗了解霧化過程，同時可及時監(jiān)控到第一金屬絲和第二金屬絲的消耗情況。由此第一金屬絲和第二金屬絲通過與霧化器1-2連接就可伸入到霧化罐1-1中，當(dāng)需要制備金屬粉末時，就可接通與霧化器1-2連接的電源，即第一金屬絲和第二金屬絲通過霧化器1-2分別與電源的正、負(fù)極連接。其中，霧化罐1-1可為一體結(jié)構(gòu)，也可為分體結(jié)構(gòu)，例如，霧化罐1-1包括罐體和頂蓋，罐體的頂部和底部均具有開口，頂蓋設(shè)置在罐體的頂部開口上。霧化罐1-1采用分體式結(jié)構(gòu)好處在于，便于后期清潔、維修。

結(jié)合圖4和圖5所示，霧化罐1-1包括殼體和頂蓋，頂蓋蓋設(shè)在殼體的頂部，頂蓋上設(shè)有進(jìn)氣口，霧化器1-2通過進(jìn)氣口與殼體內(nèi)部連通，殼體上設(shè)有冷卻通道，冷卻通道的進(jìn)水口1-11和出水口1-12分別設(shè)于殼體的下部和上部。由此，在制備金屬粉末的過程中，可將冷卻通道的進(jìn)水口1-11和出水口1-12分別與進(jìn)水管道和出水管道連通，由于球形液滴的體積和重量較小，因此球形液滴在霧化罐1-1內(nèi)的下落速度較慢，其可通過導(dǎo)熱、輻射傳熱等方式與冷卻通道中的循環(huán)水進(jìn)行充分的換熱，并在落入第一收粉單元3之前轉(zhuǎn)變成金屬粉末。

優(yōu)選地，如圖6所示，霧化器1-2包括霧化器1-2本體、兩個傳動輪1-23和兩個導(dǎo)電嘴1-24，霧化器1-2本體的內(nèi)部由上至下依次設(shè)有相互連通的第一通道1-25、氣室1-26、第二通道1-27和喇叭口1-28，第一通道1-25和氣源連接，喇叭口1-28與霧化罐1-1的頂部連通，霧化器1-2本體的兩側(cè)由上至下依次對稱設(shè)有第一導(dǎo)向孔1-21和第二導(dǎo)向孔1-22，傳動輪1-23設(shè)于位于霧化器1-2本體的同一側(cè)的第一導(dǎo)向孔1-21和第二導(dǎo)向孔1-22之間，導(dǎo)電嘴1-24的一端設(shè)于第二導(dǎo)向孔1-22下方、另一端傾斜向下延伸至喇叭口1-28內(nèi)，兩個導(dǎo)電嘴1-24分別于電源的正、負(fù)極連接。更優(yōu)選地，兩個導(dǎo)電嘴1-24的軸線之間的夾角為60-90°

由此，當(dāng)準(zhǔn)備制備金屬粉末時，首先需將第一金屬絲和第二金屬絲的頂端分別依次穿過對應(yīng)的第一導(dǎo)向孔1-21、轉(zhuǎn)輪、第二導(dǎo)向孔1-22和導(dǎo)電嘴1-24，并使第一金屬絲和第二金屬絲的頂端伸出導(dǎo)電嘴1-24后相接觸。當(dāng)接通電源時，第一金屬絲和第二金屬絲便通過兩個導(dǎo)電嘴1-24分別與電源的正、負(fù)極連接。當(dāng)接通氣源時，氣體便依次通過第一通道1-25、氣室1-26、第二通道1-27和喇叭口1-28，最終噴入霧化罐1-1內(nèi)。

更優(yōu)選地，第二通道1-27的橫截面尺寸遠(yuǎn)小于氣室1-26和喇叭口1-28的橫截面尺寸，這樣設(shè)置的好處在于：一方面、氣體從氣源噴入第一通道1-25時，氣體的流速和流量均較大，為避免大量氣體瞬間噴入霧化罐1-1內(nèi)，氣室1-26可起到緩沖氣體的作用；另一方面、通過在氣室1-26和喇叭口1-28之間設(shè)置橫截面尺寸較小的第二通道1-27，既可以控制噴入霧化罐1-1內(nèi)的氣體流量，又可以保證氣體的噴入速度。

其中，裝料單元2包括裝料殼體2-1以及均設(shè)置在裝料殼體2-1內(nèi)的絲盤支架2-3和兩個金屬絲盤2-2，真空泵組4與裝料殼體2-1的頂部連接，裝料殼體2-1罩設(shè)在霧化器1-2上，每個金屬絲盤2-2通過絲盤支架2-3架設(shè)在霧化器1-2上方，兩個金屬絲盤2-2分別用于纏繞第一金屬絲和第二金屬絲。優(yōu)選地，第一金屬絲和第二金屬絲的材質(zhì)相同、直徑均為0.5-3mm。安裝時，可分別將第一金屬絲和第二金屬絲的一端纏繞在對應(yīng)的金屬絲盤2-2上、另一端與霧化器1-2連接，并使第一金屬絲和第二金屬絲與霧化器1-2連接的一端通過霧化器1-2伸入霧化罐1-1中、且相互保持接觸。

其中，裝料單元2還包括與絲盤支架2-3連接的導(dǎo)向板2-4，導(dǎo)向板2-4設(shè)置在金屬絲盤2-2與霧化器1-2之間，導(dǎo)向板2-4上設(shè)有用于引導(dǎo)第一金屬絲和第二金屬絲的兩個第三導(dǎo)向孔。

另外，還包括第二收粉單元5，第二收粉單元5包括連接管道5-4、第二閥門5-2、第二收粉殼體5-1和第二收粉罐5-3，連接管道5-4的一端與霧化單元1的側(cè)部連通、另一端與第二收粉殼體5-1的上部連通，第二收粉殼體5-1的頂部設(shè)有第二閥門5-2、底部與第二收粉罐5-3連通。

由于，第二收粉殼體5-1通過連接管道5-4與霧化單元1連通，當(dāng)打開第二閥門5-2時，氣源噴入霧化單元1中的部分氣體會通過第二閥門5-2排出，從而在霧化單元1中形成的尺寸較小的球形液滴或金屬粉末會隨氣流進(jìn)入第二收粉殼體5-1中，并最終在自身重力作用和第二收粉殼體5-1的壁面約束下落入第二收粉罐5-3中。由此，通過設(shè)置第二收粉單元5，就可將霧化單元1中形成的球形液滴或金屬粉末按照尺寸進(jìn)行分類收集，具體地，較大尺寸的球形液滴或金屬粉末由于較重，無法隨流過第二閥門5-2的氣流進(jìn)入第二收粉殼體5-1，只會在自身重力作用下落入第一收粉單元3中；而較小尺寸的球形液滴或金屬粉末由于較輕，會隨第二閥門5-2形成的氣流進(jìn)入第二收粉殼體5-1，并最終落入第二收粉罐5-3中。

優(yōu)選地，第一收粉單元3包括第一收粉殼體3-1、第一閥門3-2和第一收粉罐3-3，第一收粉殼體3-1的一端與霧化單元1的底部連通、另一端通過第一閥門3-2與第一收粉罐3-3連通。當(dāng)制備金屬粉末時，打開第一閥門3-2后，第一收粉殼體3-1和第一收粉罐3-3就彼此連通，落入第一收粉殼體3-1中的球形液滴或金屬粉末就可進(jìn)入第一收粉罐3-3中。當(dāng)制備完成時，就可關(guān)閉第一閥門3-2，并將第一收粉罐3-3拆卸下來。

優(yōu)選地，真空泵組4包括依次連接的機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵，裝料單元2與機(jī)械泵連接。

實施例2

為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種真空電弧制備金屬粉末的方法，該方法包括以下步驟：

將第一金屬絲和第二金屬絲的頂端分別依次穿過對應(yīng)的第三導(dǎo)向孔、第一導(dǎo)向孔1-21、轉(zhuǎn)輪、第二導(dǎo)向孔1-22和導(dǎo)電嘴1-24，并使第一金屬絲和第二金屬絲的頂端伸出導(dǎo)電嘴1-24后相接觸；其中，第一金屬絲和第二金屬絲均是直徑為2mm的鐵基合金絲；

依次啟動機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵，直至裝料殼體2-1內(nèi)壓力達(dá)到10^-3pa；

將冷卻通道的進(jìn)水口1-11和出水口1-12分別與進(jìn)水管道和出水管道連通；

接通氣源，使工作氣體噴入第一通道1-25；其中，氣源可為空氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w。例如，氣源可為成本較低、且易于獲得的空氣。

接通與兩個導(dǎo)電嘴1-24連接的電源，同時啟動金屬絲盤2-2，由于此時第一金屬絲和第二金屬絲極性相反，第一金屬絲和第二金屬絲的接觸點處的金屬絲會在霧化罐1-1中不斷起弧熔化形成金屬液，與此同時，隨著伸入霧化罐1-1中的第一金屬絲和第二金屬絲的不斷熔化，兩個金屬絲盤2-2會不斷轉(zhuǎn)動，以使纏繞在其上的第一金屬絲和第二金屬絲通過霧化器1-2不斷自動進(jìn)給到霧化罐1-1中；

依次開啟第二閥門5-2和第一閥門3-2；

運(yùn)行指定時間后，關(guān)閉氣源、電源、第一閥門3-2和第二閥門5-2，取出第一收粉罐3-3和第二收粉罐5-3。如圖7所示，第一收粉罐3-3和第二收粉罐5-3中最終收集的金屬粉末中粒度范圍在15-53μm的金屬粉末占60％，由此可見采用本發(fā)明的方法制備的金屬粉末比傳統(tǒng)制備方法制備的金屬粉末的收得率提高了一倍。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。