一种3D打印金属粉体材料制造设备及方法与流程

本发明涉及金属粉体材料的制造设备及材料制造方法，更具体地涉及一种新型高效率制备高纯度、高熔点3d打印金属粉体材料制造设备以及一种新型高效率制备高纯度、高熔点3d打印金属粉体材料制造方法的领域。

背景技术：

3d打印技术被誉为第三次工业技术革命，寻求一种或多种适用于金属3d打印粉体材料制备的工艺及成套技术装备是3d打印行业亟待解决的关键问题之一。目前，国内大部分金属3d打印粉体材料，特别是钛合金、铝合金、钴铬合金等粉体材料依靠进口，价格高昂，而国内打印粉体制备技术发展较为缓慢，主要体现在产量小、成本高、粉末批次稳定性差等问题。

目前，现有无坩埚感应熔炼气雾化制粉技术具有以下技术问题：

一、采用开放式雾化喷嘴进行粉体制备，细粉末出粉率较低。细粉末出粉率的高低取决于高压惰性气体与金属液滴的相互作用，高压气体经过雾化喷嘴进入雾化桶后会迅速扩散，高压气体的能量在扩散过程中部分能量会发生损失。相对于气体刚从喷口喷出时，气体经过一段飞行距离后作用到金属液滴上的能量减弱，气体速度降低，因此降低了惰性气体和金属液滴之间的气液速度比和气液质量比，不利于金属液滴的破碎，形成的金属粉末较粗；

二、一根棒材熔炼雾化完成之后，将下一根棒材加入到加料仓中，然后需要进行抽真空和惰性气体置换操作，耗费时间较长，生产效率较低，生产成本较高，且熔炼雾化结束后预合金棒材剩余的回料头需要经过加料仓取出，此时的回料头仍处于高温状态，经空气后极易发生氧化和氮化现象，这就给回料头的回收利用增加了难度；

三、现有技术中过滤除尘装置多采用布袋除尘和立式滤芯除尘装置，两者存在明显的缺陷是无法将雾化得到金属粉体分类收集，且立式滤芯除尘装置在除尘过程中过滤得到金属粉末易堵塞前一级滤芯，需要人工定期清洗，甚至降低滤芯使用寿命。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种3d打印金属粉体材料制造设备，另一方面本发明提供一种3d打印金属粉体材料制造方法。

本发明的技术方案是：

作为本发明的一方面，提供了一种3d打印金属粉体材料制造设备，包括加料装置、熔炼装置、雾化装置及集粉系统。所述的加料装置、熔炼装置和雾化装置从上至下依次设置，雾化装置的出料口通过管路连接集粉系统的进料口，输出金属粉体。

进一步地，加料装置包括依次连接的一级加料仓和主加料仓，加料仓间设有仓门，熔炼装置包括主熔炼室和副熔炼室，所述的主熔炼室设置于主加料仓的下方，主熔炼室的进料口与主加料仓的出料口相对应，主熔炼室和副熔炼室之间设有仓门，前述副熔炼室用于存储预合金棒材熔炼后的废料，其中棒料转移机构选择传输带的形式。

进一步地，一级加料仓内设有棒料传输机构，棒料传输机构上设有原料盘悬挂结构，用于固定原料盘，前述原料盘用于挂装预合金棒材；主加料仓内设有机械手升降机构，能够抓取原料盘悬挂结构并且降至主熔炼室的相应位置；一级加料仓和副熔炼室通过管路连接第一真空泵。

进一步地，原料盘设有4～6个卡槽，前述卡槽均匀分布在圆盘表面，各个卡槽的位置距离原料盘的圆周边缘距离为30～50mm。

进一步地，主加料仓和主熔炼室之间设有可自由开关的盖板，主加料仓和主熔炼室分别通过管路连接第二真空泵。

进一步地，主熔炼室中具有加热熔化装置，前述加热熔化装置包括感应加热线圈和电源，所述的电源固定在主熔炼室的侧壁，电源的正负极分别连接感应加热线圈的两端，前述感应加热线圈与其下方雾化装置的雾化器位于同一轴线上，并且前述感应加热线圈处于预合金棒材的旋转轨迹上，所述的感应加热线圈采用紫铜圆管，锥角为40～60°，所述感应加热线圈为3～4匝，从上至下采用上大下小的倒锥形设计，感应加热的主要优点是加热速度快，加热温度高，可快速熔化高熔点的金属棒材。因此，理论上本发明专利提供的设备及方法，可以用于制备包括但不限于高熔点的镍基高温合金、钛合金、铌合金等。加热熔化装置的熔炼功率和棒料进给速度相互调节使得预合金棒材在感应加热线圈中的相对位置保持不变，熔炼功率为10～30kw，棒料进给速度为30～60mm/min。向感应加热线圈中通入去离子水用于冷却线圈，同时定期清洗紫铜管中的水垢等，保证其冷却效果。

进一步地，雾化装置内设有雾化和雾化桶，所述的雾化桶上部具有锥形面，前述锥形面与雾化装置的侧壁形成预合金棒材的预存空间；其中，雾化器于处主熔炼室和雾化桶之间，所述雾化器包括储气腔及循环环形水冷结构，其中储气腔为环形腔体，位于循环环形水冷结构的下方，循环环形水冷结构和储气腔的内壁形成倒梯形通道。雾化器为开放式雾化器。雾化桶采用锥形设计主要有两点关键作用：一是起到压缩气体的作用。气体经雾化器喷出后发生膨胀扩散，发散的气体中部分沿着锥形面向下运动，部分气体撞击到气墙和锥形壁面后发生反弹作用，气体有向雾化桶中间运动的趋势，这样气体因扩散而损失的能量减少，作用到金属液滴上的能量增多，有利于金属液滴的破碎形成细粉末；二是雾化桶上部采用锥形设计后，在原圆桶状雾化桶上部留有合适大小的空间，在熔炼雾化过程中，待熔炼的预合金棒材可在升降机构和原料盘的作用下暂时存储在由雾化桶上部的锥形面所预留的空间内，可实现棒材的连续供给。因此，雾化桶采用锥形设计既有利提高细粉的产率，也有利于提高生产效率。采用开放式雾化器避免金属液滴出现挂壁、堵炉现象，生产效率高，且不会引入夹杂，因此适合生产高纯度的3d打印金属粉体材料的制备。在该开放式雾化器的上部设计环形水冷结构，水冷结构的设计有利于增强雾化器的散热效果，延长雾化器的使用寿命。在整体设备中雾化器安装在主熔炼室与雾化桶中间的法兰板中间位置，在进行感应加热熔化高熔点合金棒料时，熔炼室处于较高温度，此时雾化器上部完全暴露在高温环境内。长时间处于高温环境下，雾化器容易出现变形情况。雾化器是气雾化制粉的关键部件，雾化器发生极小的变形就会影响金属粉末细粉的出粉率及粉末性能。因此需要设计水冷结构来冷却雾化器。本设计采用环形水冷结构，设计出水口和进水口，有效降低雾化器的承受温度，延长了雾化器的使用寿命。

进一步地，集粉系统包括旋风桶、一级集粉装置、二级集粉装置、三级集粉装置、一级过滤除尘装置、二级过滤除尘装置、除尘风机以及排风口，旋风桶的进料口通过管路连接雾化桶的出料口，旋风桶的一出料口连接位于其下方的一级集粉装置，另一出料口通过管路连接二级集粉装置和三级集粉装置，三级集粉装置的后端连接排风口，三级集粉装置和排风口之间的管路上设有除尘风机，一级过滤除尘装置设置在二级集粉桶装置与三级集粉装置之间的管路上，二级过滤除尘装置设置在三级集粉装置与气动阀门之间的管路上。采用本专利设计的过滤除尘装置，粉末经二级过滤除尘装置后，不会存在粉末落入一级过滤除尘装置中造成堵塞现象，因此本专利设计的一级过滤除尘使用寿命较长。

作为本发明的另一方面，提供了一种3d打印金属粉体材料制造方法，包括：

一种3d打印金属粉体材料制造方法，其特征在于包括以下步骤：

s1、连续棒料供给步骤：将预合金棒材插入原料盘，挂装在原料盘悬挂结构上，放置于一级加料仓中的棒料传输机构上，通过第一真空泵对一级加料仓进行抽真空处理，然后通过补气装置向一级加料仓中充入氩气，通过棒料传输机构将预合金棒材由一级加料仓转移到主加料仓；

关闭一级加料仓与主加料仓中间的仓门，打开一级加料仓的仓门，进行预合金棒材补料；

s2、预合金棒材熔化步骤：前述预合金棒材由一级加料仓转移到主加料仓后，开启第一真空泵和第二对设备主体进行抽真空处理，然后通过补气装置充入氩气，其中设备主体包括主加料仓、主熔炼室、副熔炼室、雾化桶、旋风桶、一级集粉装置、二级集粉装置、三级集粉装置、一级过滤除尘装置和二级过滤除尘装置；

通过机械手升降机构将预合金棒材抓取，伸到感应加热线圈中，打开感应加热电源，使得其中任一根预合金棒材位于感应加热线圈中进行熔化，其它待熔化的预合金棒材下降暂存在由雾化桶上部锥形面与雾化装置侧壁形成的预存空间内，熔化完成后机械手升降机构旋转将余下棒材依次熔化，熔化结束后，通过机械手升降机构将原料盘以及熔炼后的废料转移到副熔炼室存储；

s3、气雾化制粉步骤：将高压惰性气体充入储气腔，预合金棒材经感应加热线圈熔化后的金属液滴与前述储气腔中喷出的气体在雾化桶发生撞击形成金属粉末材料。

s4、分级集粉步骤：金属粉末材料经过旋风桶将部分粉末收集于一级集粉装置中，剩余的粉末随气流继续通过，未经过一级过滤除尘装置的较粗粉末被收集于二级集粉装置中，剩余的粉末继续进入二级过滤除尘装置，未通过的细粉被收集于三级集粉装置中，通过二级过滤除尘装置的金属粉末经除尘风机处理，随惰性气体由排风口排入空气；

前述步骤s1和s2中，抽真空处理使真空达到10^-2pa～10^-3pa，所述充入氩气使其压力值达到1.02～1.03个标准大气压。

本发明的优点与积极效果为：

本发明采用无坩埚高频感应加热的方式熔炼预合金棒材，可制备高熔点、高纯度镍、钛、铌合金等3d打印金属粉末。

本发明设计三级加料仓结构，采用连续供给预合金棒材的方式、设计一级加料仓和主加料仓进行生产，设计两级熔炼室结构，主熔炼室用于熔炼预合金棒材，副熔炼室用于存储剩余的回料头，可实现从熔炼棒材到雾化制粉的低成本、连续、稳定、高效生产。

本发明的雾化桶上部采用锥形面的设计，既为熔炼雾化时待熔化的预合金棒材留足了存储空间，实现高效率生产，又提高了高压惰性气体的能量利用率，提高了细粉产品收得率，可达到30～40％。

本发明采用三级集粉装置，二级过滤除尘装置，可将不同品质等级的3d打印金属粉末分类收集、存储，还可防止较细粉末落入一级过滤除尘装置中发生堵塞，提高了过滤除尘装置的使用效果和使用寿命，最终排入空气中的惰性气体满足环保要求而无污染。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2感应加热线圈、预合金棒材以及雾化桶的对应关系图。

图3开放式雾化器示意图。

其中，1、第一真空泵，2、第二真空泵，3、棒料传输机构，4、原料盘悬挂结构，5、机械手升降机构，6、一级加料仓，7、预存空间，8、主加料仓，9、主熔炼室，10、副熔炼室，11、原料盘，12、预合金棒材，13、感应加热线圈，14、雾化器，15、雾化桶，16、锥形面，17、旋风桶，18、一级集粉装置，19、二级集粉装置，20、三级集粉装置，21、一级过滤除尘装置，22、二级过滤除尘装置，23、除尘风机，24、排风口，25、循环水冷结构，26、储气腔，27、气动阀门。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

首先，描述根据本发明一种3d打印金属粉体材料制造设备的示例的整个构造。一种新型高效率制备3d打印金属粉体材料的制造设备包括加料装置、熔炼装置、雾化装置及集粉系统，所述的加料装置、熔炼装置和雾化装置从上至下依次设置，雾化装置的出料口通过管路连接集粉系统的进料口，输出金属粉体。

如图1所示，加料装置包括依次连接的一级加料仓6、和主加料仓8，加料仓间设有仓门，熔炼装置包括主熔炼室9和副熔炼室10，所述的主熔炼室9设置于主加料仓8的下方，主熔炼室9的进料口与主加料仓8的出料口相对应，主熔炼室9和副熔炼室10之间设有仓门，前述副熔炼室10用于存储预合金棒材12熔炼后的废料。一级加料仓6内设有棒料传输机构3，棒料传输机构3上设有原料盘悬挂结构4，用于固定原料盘11，前述原料盘11用于挂装预合金棒材12，一级加料仓6通过管路连接第一真空泵1。主加料仓8内内设有机械手升降机构5，主加料仓8和主熔炼室9之间设有可自由开关的盖板，主加料仓8和主熔炼室9分别通过管路连接第二真空泵2。主熔炼室9中具有加热熔化装置，前述加热熔化装置包括感应加热线圈13和电源，所述的电源固定在主熔炼室9的侧壁，电源的正负极分别连接感应加热线圈13的两端，前述感应加热线圈13与其下方雾化装置的雾化器14位于同一轴线上。并且，如图2所示，前述感应加热线圈13处于预合金棒材12的环形旋转轨迹上，所述的感应加热线圈13采用紫铜圆管，锥角为40°，所述线圈为3匝，从上至下采用倒锥形设计。感应加热线圈13中通入去离子水用于冷却线圈，同时定期清洗紫铜管中的水垢等，保证其冷却效果。加热熔化装置的熔炼功率和棒料进给速度可相互调节，熔炼功率为10kw，棒料进给速度为30～60mm/min。雾化装置内设有雾化器14和雾化桶15，所述的雾化桶15上部具有锥形面16，前述锥形面16与雾化装置的侧壁形成预合金棒材12的预存空间7；其中，雾化器14处于主熔炼室9和雾化桶15之间。集粉系统包括旋风桶17、一级集粉装置18、二级集粉装置19、三级集粉装置20、一级过滤除尘装置21、二级过滤除尘装置22、除尘风机23以及排风口24，旋风桶17的进料口通过管路连接雾化桶15的出料口，旋风桶17的一出料口连接位于其下方的一级集粉装置18，另一出料口通过管路连接二级集粉装置19和三级集粉装置20，三级集粉装置20的后端连接排风口24，三级集粉装置20和排风口24之间的管路上设有除尘风机23，一级过滤除尘装置21设置在二级集粉桶装置19与三级集粉装置20之间的管路上，二级过滤除尘装置22设置在三级集粉装置20与气动阀门27之间的管路上。

如图2所示，原料盘中有6个预合金棒材的槽位。6个槽位分布在圆盘表面(均布)，各个槽位距离原料盘圆周边缘的距离为30mm。

开放式雾化器的空间结构，如图3所示，装置中设有储气腔26为环形腔体，位于循环环形水冷结构25的下方，循环环形水冷结构25和储气腔26的内壁形成倒梯形通道。

下文，描述根据本发明一种3d打印金属粉体材料制造方法的实施例。

将预合金棒材12插入原料盘11，挂装在原料盘悬挂结构4上，放置于一级加料仓6中的棒料传输机构3上，通过第一真空泵1对一级加料仓6进行抽真空处理，至真空度达到1×10^-2pa，然后通过补气装置向一级加料仓6中充入氩气，至压力值达到1.02个标准大气压，保证一级加料仓6中的压力值稍大于炉外工作环境中压力值。

一级加料仓6完成抽真空及氩气置换工作后，通过棒料传输机构3(棒料传输机构可以采用传送带)将预合金棒材由一级加料仓6转移到主加料仓8中(主加料仓中，在其与一级加料仓之间的仓门旁设有原料盘悬挂结构放置台，当仓门开启时，前述棒料传输机构将原料盘悬挂结构传输至前述放置台上，待机械手升降机构5抓取)，关闭一级加料仓6与主加料仓8中间的仓门，打开一级加料仓6的仓门，进行预合金棒材12补料；

前述预合金棒材由一级加料仓6转移到主加料仓8后，开启第二真空泵2对设备主体进行抽真空处理，极限真空可达到1×10^-2pa。然后通过补气装置充入氩气，使炉内压力值达到1.02个标准大气压，保证炉内压力稍大于炉外工作环境压力。

完成设备炉体的抽真空及氩气置换等操作后，通过机械手升降机构5将预合金棒材12抓取，伸到感应加热线圈13中，打开感应加热电源，设置熔炼功率和棒料进给速度。本发明设计的熔炼功率为10kw，棒料进给速度为30mm/min。此时原料盘和雾化桶上部锥形设计的相对位置如图3所示：使得其中任一根预合金棒材12位于感应加热线圈13中进行熔化，其它待熔化的预合金棒材12下降暂存在由雾化桶上部锥形面16与雾化装置侧壁形成的预存空间7内，熔化完成后机械手升降机构5旋转将余下棒材依次熔化。

预合金棒材熔化完成后，剩余一定大小的回料头需要回收。熔炼结束后，通过机械手升降机构5，将原料盘11输送至副熔炼室10中，待生产完成后集中回收。副熔炼室10设计取样窗口，待回料头完成冷却后可将副熔炼室中的回料头取出。

预合金棒材从主加料仓中进入主熔炼室，在感应加热线圈加热后，金属棒材下端锥部熔化为金属液滴。金属液滴经过感应线圈、雾化器后，自由落体进入雾化桶。在雾化制粉过程中，高压惰性气体进入雾化器的储气腔26中，并沿着气体通道向雾化器中心汇聚。金属液滴熔化后，在高压气体的抽吸力和自身重力下沿着雾化器中心自由下落，与雾化器中喷出的惰性气体发生撞击，经过破碎、球化、冷凝等过程后形成金属粉末材料。

预合金棒材经过熔炼、雾化后形成3d打印金属粉体材料，大多数粉体材料经过旋风桶17后会收集于一级集粉装置18中，一级集粉装置中的粉末具有高纯度、高出粉率的特点，可满足航空航天、医疗等领域应用。剩余的粉末随气流继续通过，未经过一级过滤除尘装置21的较粗粉末被收集于二级集粉装置19中，剩余的粉末继续进入二级过滤除尘装置22，未通过的细粉被收集于三级集粉装置20中，通过二级过滤除尘装置22的剩余少量金属粉末经除尘风机23处理，随惰性气体由排风口24排入空气。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。