[发明专利]一种高效制备金属球形超细粉体的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于球形微粒子制备的技术领域，具体地说是一种电磁力切割毛细管射流制备粒子技术与离心雾化法结合的高效制备金属球形超细粉体的装置及方法。

背景技术

随着加工技术的不断发展与革新，球形粉末材料在电子封装、精密制备、生体材料等方面均有广泛应用，随着3D打印技术的发展，球形粉末制备技术在此方面尤为受到关注。3D打印技术与传统加工技术不同，其以金属粉末、高分子材料等可粘合材料为原料，以逐层沉积的方式来制备物件，其生产效率高，原料浪费少，可制造结构复杂的工件。在3D打印技术迅猛发展的同时，3D打印用球形金属粉末的需求也越发急迫。3D打印用球形粉末需具有优良的流动性及铺展性，高球形度的特点，且其需满足尺寸均匀可控、无卫星滴的要求，这也是3D打印技术发展的限制因素。

目前国内外生产金属球形粉末的主要方式有：雾化法，包括气雾化法、水雾化法、离心雾化法等。但上述方法得到的粉末分散度较大，必须经过多次筛选才能得到满足要求的粉末，成品率低；此外，雾化法易产生卫星滴，因粉末表面粘连卫星滴，其流动性和铺展性均会下降。因此，该方法生产的粉末无法满足要求。

发明内容

根据上述提出的3D打印用金属球形粉末制备过程中存在的圆球度差，铺展性及流动性差等问题，而提供一种高效制备金属球形超细粉体的装置及方法。本发明主要结合电磁力切割毛细管射流制备微粒子技术和离心雾化法两种方法，从而能够制备出圆球度高、流动性好、铺展性优良且尺寸均匀、无卫星滴的符合3D打印使用要求的金属粉末。

本发明采用的技术手段如下：

一种高效制备金属球形超细粉体的装置，包括壳体、设置于所述壳体内的坩埚和粉末收集区，所述粉末收集区置于所述壳体的底部，所述坩埚置于所述粉末收集区的上部，所述壳体上设有伸入于所述坩埚内的坩埚进气管，所述壳体上还设有与所述坩埚相连通的机械泵和扩散泵，所述壳体上还设有腔体进气管，其特征在于：

所述坩埚内部设有热电偶，所述坩埚外部设有感应加热器，所述坩埚底部设有带小孔的喷嘴，所述喷嘴下方设有集中器，所述集中器的外周设有感应线圈；

所述粉末收集区包括设置在所述壳体底部的收集盘和设置于所述收集盘上方的与电机相连的用于雾化金属液滴的旋转圆盘。

所述壳体体积足够液滴经离心、破碎后的飞行降落范围，能够保证微液滴不会凝固在腔体内壁，收集盘的面积足够大能够收集金属粉末。

进一步地，所述喷嘴的小孔的孔径范围在0.02mm-2.0mm之间。

进一步地，所述坩埚的材料与置于所述坩埚内的熔融金属的润湿角大于90°。

进一步地，所述旋转圆盘为石墨圆盘，所述旋转圆盘的转速为10000rpm-40000rpm。

进一步地，与所述旋转圆盘在同一水平面的所述壳体上设有用于高速摄影机摄影的观察窗。

本发明还公开了高效制备金属球形超细粉体的方法，其特征在于包括如下步骤：

①装料：将待熔融的金属材料放入设置在壳体内上部的坩埚内后密封，所述坩埚的底部设有喷嘴；

②抽真空：利用机械泵和扩散泵对所述坩埚和所述壳体抽真空，并充入高纯度惰性保护气体，使壳体内压力达到预设值；

③加热：使用感应加热器将所述坩埚内的金属材料熔化，并通过所述坩埚内设置的热电偶实时监测所述坩埚内的温度，待金属材料完全熔化后保温；

④制备粉末：将调制交流电信号施加给设置在所述壳体中部与所述喷嘴对准的集中器外周的感应线圈，通过设置在所述壳体上并伸入于所述坩埚内的坩埚进气管将高纯度惰性保护气体通入，使所述坩埚与所述壳体内产生一定的差压，在该差压的作用下，熔融金属从喷嘴中流出并形成毛细管射流，毛细管射流在感应线圈对其施加的电磁力作用下断裂成均一液滴，液滴自由降落在高速旋转的旋转圆盘上，在离心力的作用下，液滴被破碎成微液滴，微液滴经自由降落凝固形成金属粉末；

⑤粒子收集：用设置于所述壳体底部的收集盘收集金属粉末。

进一步地，所述调制交流电信号的电流有效值为30A-60A，载波频率为3MHz-30MHz，调制频率为200Hz-20000Hz，占空比为50％。

进一步地，所述喷嘴的小孔的孔径范围在0.02mm-2.0mm之间。

进一步地，所述高纯度惰性保护气体为氦气、氩气。

进一步地，所述壳体内抽真空后的压力达到0.1MPa，金属材料完全熔化后保温时间为15-20分钟；步骤④中，所述坩埚与所述壳体内产生的差压为0-200kPa。