[发明专利]超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统

说明书

本发明公开了一种超声振动雾化制备金属粉末的装置、方法以及3D打印系统，包括：超声波振动系统、超声波变幅装置、金属丝、锁紧系统、送丝系统以及热源；超声波振动系统与超声波变幅装置连接，所述超声波变幅装置为筒状或者至少在前端部设置空腔；所述金属丝通过送丝系统穿过所述空腔；在所述超声波变幅装置上设置锁紧系统；所述热源设置在所述空腔的出口位置处。本发明有益效果：以金属丝作为变幅杆负载进行超声振动雾化，可在真空条件下进行，不消耗惰性气体，避免粉末污染；可采用连续送丝的方式进行连续制粉。

技术领域

本发明涉及金属3D打印技术领域，尤其涉及一种超声振动雾化制备金属粉末的装置、工作方法和以其为辅助的3d打印系统。

背景技术

金属3D打印(也称增材制造、快速成形)技术主要有丝/粉熔化沉积法和粉末选区熔化法等。粉末选区熔化法一般是先用制粉装置制备球形粉末，然后利用3D打印设备进行布粉、选区熔化并逐步成形得到所需形状和性能的零件。制粉和成形过程一般是在不同装置中分别完成的，工艺和设备都非常复杂，成本居高不下。

目前制备球形粉末的方法主要有惰性气体雾化、射频等离子雾化、旋转电极雾化等等，设备昂贵、效率低下，粉末容易氧化。

超声雾化制备金属粉末，是利用超声波的空化作用与张力波效应，将金属熔体破碎成细小液滴，凝固后成为球形粉末，一般包括超声波气雾化和超声波振动雾化等方式。超声波气雾化是将超声波与气体雾化相结合，如瑞典的Kohlswa工艺，利用超声振动能量和气流冲击动能使液流破碎,可提高气雾化效率，但是气雾化需要消耗大量的惰性气体，而且容易形成空心颗粒和卫星颗粒。Ruthardt提出的超声波振动雾化是将金属熔体流至超声工具头表面上铺展成液膜,被超声波击碎、激起成液滴从振动面上飞出凝固成球形粉末。超声波振动雾化可以在真空环境下制备金属粉末，避免气体介质的影响，但受变幅杆和工具头材料的限制，这种方法对高熔点金属适应性不好，而且超声工具头与金属熔体相接触时产生空化腐蚀。

王志刚、吴胜举等人将待制粉末的金属棒作为超声换能器的变幅杆负载,连接在变幅杆的输出端,并作为氩弧等离子体发生器的阳极,使其按照超声换能器工作频率振动,利用等离子体加热使金属棒顶端表面熔化，并在超声波作用下雾化成粉末。由于金属棒不断被消耗，频率发生变化，逐渐失去谐振、雾化的条件，不能实现连续雾化制粉。

中国专利CN201310377275.2公开了一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法，将金属棒料安装在变幅杆上，利用等离子弧轰击棒料使其熔化，然后通过超声振动使金属液雾化并凝固成球形粉末。这种装置仍然存在不能连续生产的问题，而且不能在真空下使用，粉末易受污染。

3D打印成形使用的热源有激光、电子束等高能束，辐照到平铺的粉末床上使其发生选择熔化(或烧结)。电子束与激光相比,具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高且稳定等优点,但是电子束作用在球形粉末上极易出现“吹粉”(粉末溃散)。为解决这个问题，一般采用搭配非球形粉以及预热粉末等方法。通过底板对粉末进行预热，随扫描零件厚度增加，热阻增大。

综上所述，现有的金属3D打印技术存在如下技术问题：

(1)3D打印所需的球形金属粉末，现有制备方法需要消耗大量惰性气体，粉末在储运过程中容易氧化。

(2)常规超声波振动雾化制粉，不适用于高熔点金属；以待制粉金属直接作为变幅杆的负载进行雾化制粉时，因为金属消耗导致频率变化，难以连续制粉。

(3)常规3D打印技术是将制粉和打印分开进行，需要不同的装置，成本太高，粉末储运过程中容易氧化。另外3D打印对粉末形状和粒度有苛刻的要求，特别是电子束打印时“吹粉”问题难以解决。

发明内容