本发明专利技术涉及一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的装置，包括自动进给系统、绝缘动密封装置、环形气雾化喷嘴、雾化室、电弧阴极熔炼井、散热罩、防护罩、收粉罐、超音速气体粉碎磨和射频等离子反应器，本发明专利技术还涉及一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的方法，该方法首先采用气雾化装置对原钛粉进行初级制粉，然后再利用粉碎，将钛粉粒度进一步的缩小，进而采用等离子体装置加工钛粉，利用射频等离子体的高能特性，将形状不规则的钛粉颗粒用携带气体注入等离子体炬，不规则的钛粉被迅速加热而熔化，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，并在极高的温度梯度下迅速凝固，形成球形度好、纯度高、含氧量低的超细微球形钛粉。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的装置及其方法，属于金属粉末制备
技术介绍
3D打印技术特别适于开发高附加值复杂结构产品、个性化定制和应用于大规模生产前设计与研发的验证等环节。与目前国际先进水平相比，我国在3D打印所需成形材料的研发方面尚有很大差距，材料设计和制备工艺目前主要跟踪国外进展。在3D打印用成形材料产品方面，国内所需的细粒径球形钛及钛合金粉末等几乎完全依赖进口。高质量的3D打印用成形材料的缺乏是制约我国3D打印技术推广与应用的瓶颈要素之一。对于3D打印用细颗粒金属钛粉末，工艺过程对粉末材料具有很高的要求，如粒径范围20-50微米、高球形度、低氧含量等。现有的钛粉制备技术主要有:电化学法、机械球磨法、还原法等。目前现有的制备方法出的钛或钛合金粉末形貌难以控制，粒径较粗大且分布范围较宽。其中，电化学、还原法成本较高，且使用的溶剂和还原剂多有剧毒，并容易引入卤素、硫等杂质；球磨法只能用于脆性材料，通常氧含量较高且无法控制粉末颗粒形貌。因此，目前紧迫需求低成本、高纯度、粒径可控的3D打印用金属或合金粉末的制备方法。针对上述领域背景，为了解决现有技术的局限，本专利技术提供一种适用于3D打印技术的超细微球形钛粉的装置及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生产效率高、球形度好，含氧量低且生产成本低廉的制备3D打印用的超细微球形钛粉的装置及其方法。本专利技术为了达到上述专利技术目的，采取以下的技术方案: 一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的装置，包括自动进给系统、绝缘动密封装置、环形气雾化喷嘴、雾化室、电弧阴极熔炼井、散热罩、防护罩、收粉罐、超音速气体粉碎磨和射频等离子反应器，所述的雾化室上方设置自动进给系统，所述自动进给系统与雾化室安装有绝缘动密封装置，所述绝缘动密封装置下方设置环形气雾化喷嘴，所述环形气雾化喷嘴中心安装有电弧阴极熔炼井，在所述雾化室的内部设置有散热罩，散热罩顶部安装有防护罩，所述雾化室的下方设有收粉罐，所述收粉罐下方连接有超音速气体粉碎磨，该超音速气体粉碎磨与所述射频等离子反应器连接，其中，所述射频等离子反应器包括密封环境的反应器本体、设置在反应器本体上的石英管，套装在石英管的外壁上的高频感应线圈，以及与反应器本体上部密封连接的原料粉注入管、工作气体输入管和保护气体输入管，所述原料粉注入管设置在反应器本体的中心，且与超音速气体粉碎磨的出料口密封连接，所述工作气体输入管和保护气体输入管分别位于原料粉注入管的左右两侧，所述反应器本体的下部还设有快速冷凝室，快速冷凝室的下方设有钛粉收集区。进一步的，所述自动进给系统、绝缘动密封装置以及电弧阴极熔炼井安装在同一轴线上。进一步的，所述散热罩、防护罩的中心与电弧阴极熔炼井的中心在同一轴线上。进一步的，所述钛棒材的规格为Φ50ι?πιΧ500mm。进一步的，所述装置的极限真空度为1X10 5Pa0进一步的，所述电弧阴极熔炼井的井壁周围安装有阴极电源及稳弧线圈，熔炼井下部设有引弧器。进一步的，所述的雾化室外壁设有循环冷却水，观察孔和真空接口 ；所述的收粉罐带有水冷系统。进一步的，所述的反应器本体上还设置有水冷系统。同时，本专利技术还提供了一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的方法，包括以下步骤: (1)对整个装置抽真空，真空度达到IX 10 5Pa,然后将惰性气体氩气充满整个装置； (2)将钛棒材由自动进给系统通过动密封装置送达雾化室内的电弧阴极熔炼井内部，将高纯度的钛块材作为阳极，将熔炼井作为阴极，在惰性气体氩气的环境下，通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为1000A，电弧电压为50V ; (3)在高强度电弧的作用下，钛棒材进行初级熔化形成连续的金属液流或液滴； (4)获得的金属液流或液滴在重力的作用下自由下落，离开高强度电弧加热区后，被环形气雾化喷嘴产生的惰性气流粉碎成细小的金属液滴，雾化气体的压力为5?lOMPa，雾化气体流量为50-150L/S ; (5)金属液滴在降落过程中，经过球化、冷却凝固成钛粉末，落入雾化室下端的收粉罐内形成初级钛粉末，此时，钛粉的粒度为50-100 μπι ; (6)将收粉罐内的初级钛粉导入到超音速气体粉碎磨内，进行粉碎，粉碎得到粒度为30-80 μπι的二级钛粉末； (7)将上述的二级钛粉末作为原料，采用射频等离子体进行球化处理，具体采用以下步骤:采用氩气作为等离子气体，即工作气体，射频等离子体输出功率为30kw-80kw ;保护气体和工作气体使用氩气，保护气流量选择在0.8m3/h-l.9m3/h，工作气体流量选择在0.5m3/h-1.5m3/h，使形成稳定的等离子炬；然后采用氩气作为载气将二级钛粉末输送至等离子炬中央，输送粉末的速率选择在40g/min-200g/min，二级钛粉末在下落过程中经过等离子炬被迅速加热而熔化，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，然后在氩气的保护下快速进入冷凝室进行迅速冷却凝固，形成球形度很高的超细微球形钛粉末。进一步的，所述的超细微球形钛粉末的粒度为10?50 μπι，氧含量为0.05?0.2wt%0本专利技术提供的制备方法的工艺流程和原理是:采用高纯金属钛棒材为原料，在惰性气体的环境下，通过电弧加热形成金属熔液或滴流，然后再通过高压雾化喷嘴制备初级的球形钛粉；初级球形钛粉粒度较大，通过超音速气体粉碎磨将其得到粒度较小的二级球形钛粉，最后将制备得到的二级球形钛粉注入到射频等离子体炬反应器反应，将粒度较大的钛粉在等离子炬中被迅速加热而熔化，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，并在极高的温度梯度下迅速凝固，形成球形度好、纯度高、含氧量低的超细微球形钛粉。由于等离子体具有高温、高焓、高活性和温度梯度大的特性，用等离子体作热源在微米亚微米以及某些纳米粉末材料的球化处理方面，具有较大的技术优势。同时，射频等离子技术和设备由于其不带入任何杂质、运行持续稳定、材料处理速度快、产能高和设备造价适中，因此更广泛地应用于粉末材料
，并且射频等离子技术能够制备出组分均匀、缺陷少、流动性好、球形度好的钛粉，因此是一种较好的解决技术途径，这也是本专利技术采取射频等离子技术的原因。本专利技术的有益效果:本专利技术将电弧熔炼技术和真空惰性气体雾化制备技术结合在一起，颠覆了传统气雾化制粉技术中上部熔炼下部雾化的特点，实现了金属熔炼装置在雾化喷嘴下方，达到钛粉末的紧耦合气雾化制备方式，避免了传统紧耦合气雾化方式中由于熔炼坩祸、导流系统对金属熔体的污染；同时本专利技术射频技术中采用的高温球化和快速冷凝球化技术，能够提高钛粉的球形度和纯度，同时减少了球化过程中钛粉的氧化问题，同时粉末从等离子体中心上部注入，体积大，加热充分，无电极污染；本专利技术所制备的超细微球形钛粉氧含量低，不超过0.20wt%o本专利技术制备的粉末具有很好的球形度，粉末性能一致性好、成本低、球化率高，流动性好、适合工业化当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备3D打印用的超细微球形钛粉的装置，包括自动进给系统、绝缘动密封装置、环形气雾化喷嘴、雾化室、电弧阴极熔炼井、散热罩、防护罩、收粉罐、超音速气体粉碎磨和射频等离子反应器，其特征在于，所述的雾化室上方设置自动进给系统，所述自动进给系统与雾化室安装有绝缘动密封装置，所述绝缘动密封装置下方设置环形气雾化喷嘴，所述环形气雾化喷嘴中心安装有电弧阴极熔炼井，在所述雾化室的内部设置有散热罩，散热罩顶部安装有防护罩，所述雾化室的下方设有收粉罐，所述收粉罐下方连接有超音速气体粉碎磨，该超音速气体粉碎磨与所述射频等离子反应器连接，其中，所述射频等离子反应器包括密封环境的反应器本体、设置在反应器本体上的石英管，套装在石英管的外壁上的高频感应线圈，以及与反应器本体上部密封连接的原料粉注入管、工作气体输入管和保护气体输入管，所述原料粉注入管设置在反应器本体的中心，且与超音速气体粉碎磨的出料口密封连接，所述工作气体输入管和保护气体输入管分别位于原料粉注入管的左右两侧，所述反应器本体的下部还设有快速冷凝室，快速冷凝室的下方设有钛粉收集区。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程一民，程一军，张永杰，王全喜，郑云萍，孙虎林，韩凌江，孟群喜，张承华，
申请(专利权)人：山西卓锋钛业有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14
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