CN114160814B - 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法,属于金属激光增材制造技术领域。该装置包括高通量混粉器和同轴送粉喷头,高通量混粉器包括进粉器、出粉器、混粉腔体和混粉锥体,进粉器外接进粉管,出粉器通过粉末输送通道与同轴送粉喷头的进粉端连通,进粉器和出粉器均固定设置在混粉腔体的底端,进粉器的出粉口与混粉腔体内部连通,出粉器的进粉口与混粉腔体内部连通,混粉锥体固定设置在混粉腔体内的顶部,混粉锥体的中心轴与混粉腔体的中心轴位于同一直线上。原料粉末分别通过高通量混粉器的进粉管进入高通量混粉器的混粉腔体中,粉末冲击混粉锥体和混粉腔体内壁实现雾化和混合,形成均匀混合粉。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法,属于激光增材制造技术领域。
背景技术
金属激光增材制造工艺集高性能金属材料制备和复杂结构零件成形制造于一体。作为金属增材制造的主流技术之一,与粉床式金属激光增材制造工艺相比,同轴送粉式金属激光增材制造具有柔性高、成形快、可打印高性能大型复杂结构件等优势。因此,该工艺具有广阔的应用前景。
由于同轴送粉式金属激光增材制造过程中具有相当快的熔化和凝固特性,目前用于该工艺的粉末材料,主要以用于热喷涂工艺的粉末材料为主。因此,开发适用于该工艺的新型合金粉末体系,或在三维尺度上构建化学元素梯度变化等特殊结构,对于拓展该工艺的应用范围具有极其重要的意义。为了实现这一目标,混合粉末总是预先通过球磨法等物理法或液相法等化学方法制备,然后预设在金属基材上或通过同步送粉法输送到激光熔池中。这意味着混合粉末的制备过程和混合粉末的熔化、凝固过程是独立进行的,难以发挥该工艺的独特优势。
发明内容
本发明针对无法实现多种粉末稳定且均匀混合的技术难题,提出一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法,本发明利用惰性气体赋予粉末材料动能,使得粉末材料在雾化过程中实现混合,在混合过程中实现雾化,雾化后的粉末在粉末自身惯性和载气动能的作用下,与混粉腔内壁面反复发生碰撞,同时增加粉末颗粒之间的混乱度,从而形成均匀混合粉,有效解决多种粉末材料难以稳定且均匀混合的问题。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是:
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,包括高通量混粉器1和同轴送粉喷头4,高通量混粉器1包括汇聚式进粉管道15、出粉管道16、混粉腔体14和混粉锥体13,
汇聚式进粉管道15外接进粉管,出粉管道16通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通,汇聚式进粉管道15和出粉管道16均固定设置在混粉腔体14的底端,汇聚式进粉管道15的出粉口与混粉腔体14内部连通,出粉管道16的进粉口与混粉腔体14内部连通,混粉锥体13固定设置在混粉腔体14内的顶部,混粉锥体13的中心轴与混粉腔体14的中心轴位于同一直线上;
所述高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器,中心一路出粉式混粉器的出粉管道16为1个,出粉管道16固定设置在混粉腔体14的底端中心,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的底端边缘;
多路出粉式混粉器的出粉管道16为2个时,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心,出粉管道16固定设置在混粉腔体14的边缘且出粉管道16与汇聚式进粉管道15位于同一直径上;
多路出粉式混粉器的出粉管道16不少于3个时,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心,出粉管道16沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的边缘;
所述高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器时,高通量混粉器1与同轴送粉喷头4之间设置有分粉器2,出粉管道16与分粉器2的分粉器粉末入口10连通,分粉器2的分粉器粉末出口11通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通,分粉器2内设置有分粉锥12,分粉锥12的截面直径向下逐渐增大;
所述汇聚式进粉管道15顶端的截面直径小于底端的截面直径,汇聚式进粉管道15从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构;出粉管道16顶端的截面直径大于底端的截面直径,出粉管道16从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构;
所述汇聚式进粉管道15的汇聚角度θ为15~90°,具有汇聚角θ的送粉管道既增强粉末的雾化程度,同时也能为粉末提供与垂直送粉管道不同的动能;
在粉末的混合阶段,雾化后的粉末在气流剪切流动的作用下实现了粉末间的混合;混粉锥的锥角大小不仅会导致混粉腔内的体积发生变化,从而影响气流的剪切流动强度,而且影响粉末的混合效果;
混粉锥体13的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系:
h<2b/3
根据tan(α/2)=a/2h,得
tan(α/2)>3a/4b
式中,a-混粉腔的底面直径;b-混粉腔的高度;α-混粉锥的锥角;h-混粉锥的高度;
混粉锥角α越大,混粉腔的体积V越大,在气体流量不变的条件下,混粉腔体积的增大将减弱腔内气流剪切流动的强度,从而减弱粉末的混合效果,而过小的混粉锥角将导致气流的剪切流动区域面积变小,也会使粉末的混合效果降低;混粉锥角α的大小根据混粉腔体积大小的需求及送粉管道汇聚角θ的大小进行调整,合理的体积大小和角度匹配是保证粉末充分雾化、混合的必要条件;
混粉锥的锥角为30~120°;
混粉腔的体积公式和混粉锥角α的变化范围可得混粉腔的体积范围:
0.01πb3<V<0.44πb3
式中:b-混粉腔的高度,V-混粉腔体积;
所述同轴送粉喷头4包括激光通道5、喷头粉末输送管7、环形包围式冷却水舱9、进水管8和排水管,同轴送粉喷头4为椎体结构,激光通道5竖直开设在同轴送粉喷头4中心的轴线上,环形包围式冷却水舱9设置在激光通道5的外侧,环形包围式冷却水舱9的顶端相对设置进水管8和排水管,喷头粉末输送管7均匀设置在环形包围式冷却水舱9的外侧,喷头粉末输送管7的延长线相交于同轴送粉喷头4中心轴线上。
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法,采用所述气雾化混粉装置,具体步骤如下:
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器;
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ,计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1,再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围;
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段,在粉末雾化阶段,不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体,在气体流量≥16L/min的条件下,喷射进入混粉腔内,粉末流冲击到混粉锥体表面时,实现粉末的雾化;在粉末雾化的过程中,不同粉末雾化的重叠区域处,实现粉末初步混合;在粉末混合阶段,雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内,粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能,与混粉腔内壁面反复发生碰撞,反复的碰撞过程促进粉末的混合,形成均匀的混合粉体;
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造。
所述粉末动能E的表达式为:
式中:E-粉末动能,ρp-粉末密度,R-粉末粒径,vp-粉末速度;
在惰性气体支持下,混粉腔内不同种类粉末的雾化程度决定了后续粉末混合过程中粉末混合前的初始状态,在混粉腔中,粉末实现充分雾化,能使不同种类粉末在剪切流动中的混合效果发挥到最大限度;
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1=E·sinθ
式中:θ-送粉管道的汇聚角;E1-具有汇聚角θ送粉管道中粉末的动能;E-垂直送粉管道中粉末的动能;
粉末流量M影响混合粉末中不同种类粉末的含量,粉末的流量M与粉末本身的密度、流动性有关,还受载气气体的属性、流速、汇聚角θ的影响;
不同粉末采用不同汇聚角θ的送粉管道,可以让不同粉末具有不同且稳定的质量流量,从而对混合后粉末中不同种类粉末含量进行调整;
当气流量为16L/min时,不同种类粉末的送粉量M变化范围:
(6.25×10-4b3π)·1/vH<M<(27.50×10-4b3π)·1/vH
式中:vH-粉末的霍尔流速,M-送粉量。
本发明的高通量激光增材制造的气雾化混粉原理(见图1):通过在送粉器与同轴送粉喷头之间增设混粉器,实现在激光增材制造过程中对至少三种粉末实现边混合边打印的目的;混粉器采用了冲击雾化的原理,可使至少三种粉末实时变比例混合,雾化后的三种粉末,在混粉腔内气流运动和与混粉腔内壁反复碰撞的双重作用下实现混合。
本发明的有益效果:
(1)本发明的气雾化混粉方法,使得多种粉末与惰性气流相互作用的效果发挥到最大限度,在粉末雾化的同时实现混合,在粉末混合的同时实现雾化;
(2)本发明不仅突破了传统增材制造复合材料需要预先球磨混粉的瓶颈,而且可以实现材料成分在三维空间内的连续变化;
(3)本发明的气雾化混粉装置不仅能与环形同轴送粉喷头相连,从而实现高通量超高速激光增材制造,而且还可以与三路汇聚式同轴送粉喷头相连,满足新合金的快速开发和高性能复合材料、功能梯度材料复杂结构件的快速制造;
(4)本发明的装置结构简单,通用性强,不仅可以用于同轴送粉激光增材制造工艺过程中,而且可以与粉床式激光增材制造工艺中的装置耦合,实现高精度、高性能、大型复杂结构件的快速制造,还可用于其它需实现多种粉末混合的材料制备、合成与加工工艺过程。
附图说明
图1为用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置原理图;
图2为用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置结构示意图;
图3为实施例1中心一路出粉式混粉器和分粉器、三路汇聚式同轴送粉喷头连接示意图;
图4为实施例1分粉器结构示意图,(a)为俯视图,(b)为C-C面剖视图,(c)为D-D面剖视图;
图5为实施例1三路汇聚式同轴送粉喷头结构示意图,(a)为俯视图,(b)为A-A面剖视图,(c)为B-B面剖视图;
图6为实施例2双路出粉式混粉器和同轴环形送粉喷头连接示意图;
图7为实施例2同轴环形送粉喷头结构示意图,(a)为俯视图,(b)为A-A面剖视图;
图8为实施例3三路出粉式混粉器和三路汇聚式同轴送粉喷头连接示意图;
图9为实施例3三路汇聚式同轴送粉喷头结构示意图,(a)为俯视图,(b)为A-A面剖视图,(c)为B-B面剖视图;
图10为实施例1中心一路出粉式混粉器结构示意图,(a)为立体图,(b)为俯视图,(c)为A-A面剖视图;
图11为实施例2双路出粉式混粉器,(a)为立体图,(b)为俯视图,(c)为A-A面剖视图;
图12为实施例3三路出粉式混粉器,(a)为立体图,(b)为俯视图,(c)为A-A面剖视图;
图中:1-混粉器、2-分粉器、3-粉末输送通道、4-同轴送粉喷头、5-激光通道、6-喷头粉末入口、7-喷头粉末输送管道、8-冷却水入口、9-环形包围式冷却水舱、10-分粉器粉末入口、11-分粉器粉末出口、12-分粉锥、13-混粉锥体、14-混粉腔、15-汇聚式进粉管道、16-出粉管道;
图13为实施例1混合粉末的均匀性结果图;
图14为实施例2混合粉末的均匀性结果图;
图15为实施例3混合粉末的均匀性结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1~5、10所示,一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,包括高通量混粉器1和同轴送粉喷头4,高通量混粉器1包括汇聚式进粉管道15、出粉管道16、混粉腔体14和混粉锥体13,
汇聚式进粉管道15外接进粉管,出粉管道16通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通,汇聚式进粉管道15和出粉管道16均固定设置在混粉腔体14的底端,汇聚式进粉管道15的出粉口与混粉腔体14内部连通,出粉管道16的进粉口与混粉腔体14内部连通,混粉锥体13固定设置在混粉腔体14内的顶部,混粉锥体13的中心轴与混粉腔体14的中心轴位于同一直线上;
高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器,中心一路出粉式混粉器的出粉管道16为1个,出粉管道16固定设置在混粉腔体14的底端中心,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的底端边缘;
高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器时,高通量混粉器1与同轴送粉喷头4之间设置有分粉器2,出粉管道16与分粉器2的分粉器粉末入口10连通,分粉器2的分粉器粉末出口11通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通,分粉器2内设置有分粉锥12,分粉锥12的截面直径向下逐渐增大;
汇聚式进粉管道15顶端的截面直径小于底端的截面直径,汇聚式进粉管道15从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构;出粉管道16顶端的截面直径大于底端的截面直径,出粉管道16从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构;
汇聚式进粉管道15的汇聚角度θ为15~90°,具有汇聚角θ的送粉管道既增强粉末的雾化程度,同时也能为粉末提供与垂直送粉管道不同的动能;
在粉末的混合阶段,雾化后的粉末在气流剪切流动的作用下实现了粉末间的混合;混粉锥的锥角大小不仅会导致混粉腔内的体积发生变化,从而影响气流的剪切流动强度,而且影响粉末的混合效果;
混粉锥体13的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系:
h<2b/3
根据tan(α/2)=a/2h,得
tan(α/2)>3a/4b
式中,a-混粉腔的底面直径;b-混粉腔的高度;α-混粉锥的锥角;h-混粉锥的高度;
混粉锥角α越大,混粉腔的体积V越大,在气体流量不变的条件下,混粉腔体积的增大将减弱腔内气流剪切流动的强度,从而减弱粉末的混合效果,而过小的混粉锥角将导致气流的剪切流动区域面积变小,也会使粉末的混合效果降低;混粉锥角α的大小根据混粉腔体积大小的需求及送粉管道汇聚角θ的大小进行调整,合理的体积大小和角度匹配是保证粉末充分雾化、混合的必要条件;
混粉锥的锥角为30~120°;
混粉腔的体积公式和混粉锥角α的变化范围可得混粉腔的体积范围:
0.01πb3<V<0.44πb3
式中:b-混粉腔的高度,V-混粉腔体积;
同轴送粉喷头4包括激光通道5、喷头粉末输送管7、环形包围式冷却水舱9、进水管8和排水管,同轴送粉喷头4为椎体结构,激光通道5竖直开设在同轴送粉喷头4中心的轴线上,环形包围式冷却水舱9设置在激光通道5的外侧,环形包围式冷却水舱9的顶端相对设置进水管8和排水管,喷头粉末输送管7均匀设置在环形包围式冷却水舱9的外侧,喷头粉末输送管7的延长线相交于同轴送粉喷头4中心轴线上;
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法,采用气雾化混粉装置,具体步骤如下:
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器;
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ,计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1,再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围;
粉末动能E的表达式为:
式中:E-粉末动能,ρp-粉末密度,R-粉末粒径,vp-粉末速度;
在惰性气体支持下,混粉腔内不同种类粉末的雾化程度决定了后续粉末混合过程中粉末混合前的初始状态,在混粉腔中,粉末实现充分雾化,能使不同种类粉末在剪切流动中的混合效果发挥到最大限度;
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1=E·sinθ
式中:θ-送粉管道的汇聚角;E1-具有汇聚角θ送粉管道中粉末的动能;E-垂直送粉管道中粉末的动能;
粉末流量M影响混合粉末中不同种类粉末的含量,粉末的流量M与粉末本身的密度、流动性有关,还受载气气体的属性、流速、汇聚角θ的影响;
不同粉末采用不同汇聚角θ的送粉管道,可以让不同粉末具有不同且稳定的质量流量,从而对混合后粉末中不同种类粉末含量进行调整;
当气流量为16L/min时,不同种类粉末的送粉量M变化范围:
(6.25×10-4b3π)·1/vH<M<(27.50×10-4b3π)·1/vH
式中:vH-粉末的霍尔流速,M-送粉量;
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段,在粉末雾化阶段,不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体,在气体流量≥16L/min的条件下,喷射进入混粉腔内,粉末流冲击到混粉锥体表面时,实现粉末的雾化;在粉末雾化的过程中,不同粉末雾化的重叠区域处,实现粉末初步混合;在粉末混合阶段,雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内,粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能,与混粉腔内壁面反复发生碰撞,反复的碰撞过程促进粉末的混合,形成均匀的混合粉体;
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造;
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同种类的粉末经高通量混粉器雾化混合后,由一路粉管送入分粉器中,一路粉末由分粉器分成三路粉末,三路粉末再通过粉末输送通道输送到三路汇聚式同轴送粉喷头中,送粉喷头将混合后的三路粉末汇聚至激光熔池中;
本实施例混合粉末的均匀性见图13,从图13可知,三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
实施例2:本实施例用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置与实施例1的用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置基本相同,不同之处在于:如图6、7和11所示,出粉管道16通过粉末输送通道3直接与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通,多路出粉式混粉器的出粉管道16为2个时,即高通量混粉器为双路出粉式混粉器,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心,出粉管道16固定设置在混粉腔体14的边缘且出粉管道16与汇聚式进粉管道15位于同一直径上;
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同种类的粉末经高通量混粉器雾化混合后,混合粉末从高通量混粉器中直接送至同轴环形送粉喷头中,再由同轴环形送粉喷头快速输送到激光熔池中;
本实施例混合粉末的均匀性见图14,从图14可知,三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
实施例3:本实施例用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置与实施例2的用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置基本相同,不同之处在于:如图8、9和12所示,多路出粉式混粉器的出粉管道16为3个时,即高通量混粉器为三路出粉式混粉器,汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心,出粉管道16沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的边缘;
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同的粉末经高通量混粉器雾化混合后,经粉末输送通道输送至三路汇聚式同轴送粉喷头中,最后由送粉喷头将三路混合后的粉末汇聚送入激光熔池中;
本实施例混合粉末的均匀性见图15,从图15可知,三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,其特征在于:包括高通量混粉器(1)和同轴送粉喷头(4),高通量混粉器(1)包括汇聚式进粉管道(15)、出粉管道(16)、混粉腔体(14)和混粉锥体(13),
汇聚式进粉管道(15)外接进粉管,出粉管道(16)通过粉末输送通道(3)与同轴送粉喷头(4)的喷头粉末入口(6)连通,汇聚式进粉管道(15)和出粉管道(16)均固定设置在混粉腔体(14)的底端,汇聚式进粉管道(15)的出粉口与混粉腔体(14)内部连通,出粉管道(16)的进粉口与混粉腔体(14)内部连通,混粉锥体(13)固定设置在混粉腔体(14)内的顶部,混粉锥体(13)的中心轴与混粉腔体(14)的中心轴位于同一直线上;
所述汇聚式进粉管道(15)的汇聚角度θ为15~90°,混粉锥体(13)的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系:
h<2b/3
根据tan(α/2)=a/2h,得
tan(α/2)>3a/4b
式中,a-混粉腔的底面直径;b-混粉腔的高度;α-混粉锥的锥角;h-混粉锥的高度;
混粉腔的体积范围为
0.01πb3<V<0.44πb3
式中:b-混粉腔的高度,V-混粉腔体积。
2.根据权利要求1所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,其特征在于:高通量混粉器(1)为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器,中心一路出粉式混粉器的出粉管道(16)为1个,出粉管道(16)固定设置在混粉腔体(14)的底端中心,汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)周向均匀固定设置在混粉腔体(14)的底端边缘;
多路出粉式混粉器的出粉管道(16)为2个时,汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)的直径等距固定设置在混粉腔体(14)的中心,出粉管道(16)固定设置在混粉腔体(14)的边缘且出粉管道(16)与汇聚式进粉管道(15)位于同一直径上;
多路出粉式混粉器的出粉管道(16)不少于3个时,汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)的直径等距固定设置在混粉腔体(14)的中心,出粉管道(16)沿混粉腔体(14)周向均匀固定设置在混粉腔体(14)的边缘。
3.根据权利要求2所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,其特征在于:高通量混粉器(1)为中心一路出粉式混粉器时,高通量混粉器(1)与同轴送粉喷头(4)之间设置有分粉器(2),出粉管道(16)与分粉器(2)的分粉器粉末入口(10)连通,分粉器(2)的分粉器粉末出口(11)通过粉末输送通道(3)与同轴送粉喷头(4)的喷头粉末入口(6)连通,分粉器(2)内设置有分粉锥(12),分粉锥(12)的截面直径向下逐渐增大。
4.根据权利要求1所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,其特征在于:汇聚式进粉管道(15)顶端的截面直径小于底端的截面直径,汇聚式进粉管道(15)从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构;出粉管道(16)顶端的截面直径大于底端的截面直径,出粉管道(16)从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构。
5.根据权利要求2或3所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置,其特征在于:同轴送粉喷头(4)包括激光通道(5)、喷头粉末输送管(7)、环形包围式冷却水舱(9)、进水管(8)和排水管,同轴送粉喷头(4)为椎体结构,激光通道(31)竖直开设在同轴送粉喷头(4)中心的轴线上,环形包围式冷却水舱(9)设置在激光通道(31)的外侧,环形包围式冷却水舱(9)的顶端相对设置进水管(8)和排水管,喷头粉末输送管(7)均匀设置在环形包围式冷却水舱(9)的外侧,喷头粉末输送管(7)的延长线相交于同轴送粉喷头(4)中心轴线上。
6.一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法,其特征在于:采用权利要求1~5任一项所述气雾化混粉装置,具体步骤如下:
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器;
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ,计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1,再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围;
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段,在粉末雾化阶段,不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体,在气体流量≥16L/min的条件下,喷射进入混粉腔内,粉末流冲击到混粉锥体表面时,实现粉末的雾化;在粉末雾化的过程中,不同粉末雾化的重叠区域处,实现粉末初步混合;在粉末混合阶段,雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内,粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能,与混粉腔内壁面反复发生碰撞,反复的碰撞过程促进粉末的混合,形成均匀的混合粉体;
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造。
7.根据权利要求6所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法,其特征在于:粉末动能E的表达式为:
式中:E-粉末动能,ρp-粉末密度,R-粉末粒径,vp-粉末速度;
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1=E·sinθ
式中:θ-送粉管道的汇聚角。
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