[发明专利]基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法

说明书

一种用于电弧放电制造金属微细颗粒的工艺方法，将两块金属母材分别连接到放电电源的正、负两极上，再由机床的伺服控制来保证两块金属母材之间形成电弧放电所需的放电间隙，然后在放电间隙之间施加高速流体介质，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，在两块金属母材之间形成电弧放电蚀除金属母材形成金属微细颗粒，从而实现将金属母材加工制造成金属微细颗粒。本发明利用电弧放电时产生的瞬时高温蚀除金属母材，采用复合断弧机制：保证电弧放电稳定、高效的进行，即可简单、方便、经济地实现电弧放电制造金属微细颗粒的工艺方法。

技术领域

本发明公开了一种制造金属微细颗粒的加工方法，具体为基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法。

背景技术

3D打印、激光熔覆等增材制造技术为当前研究的热门领域。比之传统的减材料制造技术，制约增材制造过程涉及大量的固体金属材料，用于零件的打印成型或者金属基体的熔覆修整。然而，如何高效、经济的加工制备3D打印和激光熔覆等增材制造技术所需要的金属微细颗粒是现今一个较大的难题。

现今，制备金属粉末的方法中已经有涉及利用电火花等离子体放电产生的高温熔化金属或导电材料来制备金属粉末。比如文献披露利用火花等离子体进行高温合金粉末制备的方法(于军等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J].金属学报.44(7),2008:892-896)和文献公开利用火花等离子体放电制备粉末技术(郭双全,等.火花等离子体放电制备粉末技术[J]，材料导报.24(10),2010:112-116)，然而由于电火花放电能量较低，使得粉末制备效率低下，因此严重制约着火花等离子体放电制备粉末技术的推广和应用。

相比于火花放电产生的等离子体，电弧放电产生的热等离子具有能量密度更大和温度更高等特点，利用电弧放电生产的瞬时高温(10000K以上)可在瞬间熔化金属材料。因此，利用电弧放电等离子体高效、经济地制备金属微细颗粒将是一种有效的途径。与此同时，在现有技术在制备微细颗粒和金属粉末中，大量采用电弧放电技术。比如专利文献CN201010164462.9所公开了利用电弧放电产生的高温加热金属，使之成为金属蒸汽，并各种通过冷却方法使得金属颗粒降温后形成微细颗粒；又如专利CN104690282A公开了一种放电爆炸法纳米金属粉末加工工艺，该方法通过金属丝固定在一个充满惰性气体的反应室中，通过电容器施加15KV的高压和500-800KA的电流，在瞬时放电作用下的高能脉冲使金属丝蒸发、爆炸而形成纳米粉体。然而，上述文献公布的方法存在一些不足，如单次制备粉末数量有限、生产制备效率较低和制备单位体积的粉末能耗高等缺点，因此很难满足3D打印和激光熔覆等增材制造技术所需要的金属微细颗粒大规模、经济、高效的制备。

同样，专利文件CN201510159503.8公开的3D打印用微细球形钛粉的制备方法，该方法采用块状金属钛工件，在氢气和惰性气体保护下，金属材料作为电极通过电流，产生电弧放电后熔化、蒸发电极材料，再通过冷却各种方法使得气态或液体金属材料形成粒径20-50nm的氢化钛颗粒，然后在后期处理得到微米级球形钛粉；由于该方法并未涉及到控制放电电弧状态的断弧机制，极易导致颗粒的烧蚀损伤，并且会造成制备过程中出现短路现象，从而使制备过程很难持续稳定的进行。又如专利文献CN02141780.6公开的液相电弧制备超细颗粒和一维纳米材料的方法，该方法所披露的制备手段是利用反应器和嵌合于反应器上的电极，并将反应器中加入反应液体，使得电极前段浸没在液体中并调整电极件的距离为1-10mm，电源通电后基于电弧放电产生微细颗粒。该方法所用的反应液体为液氮、液氦或高纯水，电弧放电持续的时间为30分钟。然而，该专利文献所述方法为利用浸没在反应液中电极放电实现颗粒制备，其缺点有：1)液氮、液氦等气体温度低，电极放置操作困难，而高存水在电弧放电产生离子放电作用下，电导率上升明显，需增加离子交换系统。2)利用电极浸没的方式，缺乏有效的短路预防措施，并且由于电极损耗导致连续制备困难。