CN114523116B - 一种解决激光球化设备沾粉问题的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种解决激光球化设备沾粉问题的方法及装置，所述设备包括放电区，所述放电区包括放电极及加在所述放电极上的电压，所述电压的正极与收粉器连接；所述电压的负极一分为三，第一处与放电极相连接，第二处与放电区底部相连接，第三处与球化区漏斗状金属管相连接。本发明利用同极电荷相斥的原理，将送至放电区的金属粉末附上阴离子和阳离子；其中大部分被荷电的金属离子粉末因为同极电荷相斥并在送粉气的作用下向前传输，最终在第一路气体的作用下到达球化区，进而使被激光熔化的金属粉末在重力、第二路气体、抽气以及异性电荷相吸的作用下落到收粉器，并基于表面张力的作用而形成球形颗粒，从而避免了金属粉末沾管的问题。

Description

一种解决激光球化设备沾粉问题的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种解决激光球化设备沾粉问题的方法及装置，属于金属粉末制备领域。

背景技术

与传统技术相比，3D打印通过摒弃生产线从而降低了成本，并大幅减少了材料浪费。目前已在工业设计、机械制造、航空航天、军事、建筑、医学、首饰等领域都得到了应用。随着3D打印技术应用的日益广泛，对耗材的需求量也越来越大。因此，提高金属粉末球化设备的产量迫在眉睫。

激光球化的原理是利用连续高功率的激光，将金属粉末熔化并在表面张力的作用下形成球形粉末。在激光球化金属粉末的设备中，因为大量送粉会导致一部分金属粉末沾在管壁上。而沾壁的金属粉末，一方面增加了激光球化设备的清洁难度；另一方面沾壁的金属粉末被激光束的边缘光长时间照射之后会与管壁熔在一起，从而导致管壁内径变小，进而使送粉量变小，严重的甚至还会堵住金属管，并最终影响激光球化设备的产能。

因此，如何提高激光球化设备的产能，并解决激光球化金属粉末设备中因大量送粉导致金属粉末沾壁问题的方法及设备成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

为了改善上述技术问题，本发明提供一种激光球化设备，所述设备包括放电区，所述放电区包括放电极及加在所述放电极上的电压，所述电压的正极与收粉器连接，且正极接地；所述电压的负极一分为三，第一处与放电极相连接，第二处与放电区底部相连接，第三处与球化区漏斗状金属管相连接。

根据本发明的实施方案，所述放电区还包括腔体，所述放电极设置于腔体内。优选地，所述负极的第一处、第二处分别施加于放电极与腔体的下端。优选地，所述腔体还可通过橡胶密封圈与相邻部件绝缘连接。

根据本发明的实施方案，所述放电极与正极之间的距离为1～3cm，示例性为2cm，施加在腔体上的电压为4000-10000V，例如为6000V。(本领域技术人员可以理解，施加在腔体上的电压与腔体上下两端的距离成正比)。

根据本发明的实施方案，所述放电极呈锥形，电压通过放电极的尖端放电，尖端由多根锯齿状的芒刺组成，且尖端朝向金属粉末输送方向。优选地，所述放电极可以设置于腔体的上端或下端，优选设置于腔体的上端。

根据本发明的实施方案，所述设备还包括送粉器，用于填装金属粉末并将金属粉末送至放电区。

根据本发明的实施方案，所述送粉器还设置有送粉气入口。优选地，所述送粉气为惰性气体，例如氩气。通入惰性气体一方面可以降低金属粉末的活性，另一方面还可作为金属粉末的载体，使金属粉末通过送粉气被输送至放电区。高压使得放电极的尖端放电，放电极附近的空气被高压电离成阴离子和阳离子，并使送粉器送出的金属粉末经过放电区时被荷电，即被附上阴离子和阳离子。

根据本发明的实施方案，所述设备还包括球化区，从放电区输出的粉末经过球化区被激光加热熔化形成球形粉末。

根据本发明的实施方案，所述球化区还包括激光发生器，所述激光发生器位于所述漏斗状金属管内，所述漏斗状金属管整套***内具有惰性气氛。优选地，所述激光发生器位于漏斗状金属管上方，且漏斗状金属管与下方的收粉器贯通连接。

进一步地，所述漏斗状金属管与相邻部分通过橡胶密封圈绝缘连接。

优选地，漏斗状金属管的漏斗口的尺寸为8-12mm，例如为10mm。

优选地，所述激光发生器发出的激光经过整形后，在球化区的光斑大小与漏斗状金属管的漏斗口尺寸接近。

根据本发明的实施方案，所述漏斗状金属管的细端侧面施加有电压，且与施加在腔体上的电压极性相同。由于通过球化区的金属粉末被附上了阴离子，根据同极电荷相斥原理，因而可以极大地避免金属粉末沾管。

根据本发明的实施方案，所述球化区还包括第一进气口及第二进气口，所述第一进气口设置在激光发生器上部，第二进气口设置于漏斗状金属管的细端的侧面。

优选地，所述第二进气口设有两个，相对设置于漏斗状金属管细端的两侧。进一步地，所述第二进气口的气道与漏斗状金属管的细端边缘相切。

优选地，所述第二进气口通入的气体为惰性气体，例如为氩气。

其中，从第一进气口通入的辅助气能够促进金属粉末向下传输到漏斗状金属管的细端球化区，而从第二进气口通入的气体则可进一步帮助金属粉末更顺畅地通过漏斗状金属管的细端，以避免金属粉末堆积。从而解决了因激光的边缘光长时间照射，粉末与漏斗状金属管熔在一起，使得金属管的内径变小，导致送粉量变小，影响激光球化设备产能甚至堵管的技术难题。

根据本发明的实施方案，所述激光球化设备内具有惰性气氛，例如为氩气。

根据本发明的实施方案，所述收粉器的上端与电压的正极相连接，且与施加在腔体上的电压极性相反。被激光熔化的金属粉末在重力、第二气体、抽气以及异性电荷相吸的作用下落到收粉器内，并在此过程中由于表面张力的作用而形成球形颗粒。

进一步地，所述收粉器与相邻部分通过橡胶密封圈绝缘连接。根据本发明的实施方案，所述收粉器的侧面设置有抽气口。通过抽气可使激光球化设备处于气压平衡状态。

本发明还提供一种解决激光球化制备球形粉末存在粘粉问题的方法或提供一种激光球化制备球形粉末的方法，包括使用上述激光球化设备制备球形粉末。

优选地，所述方法包括对放电区、球化区、收粉器分别施加电压，将金属粉末送至放电区并被荷电，然后在球化区形成球形粉末，并被收粉器收集。

根据本发明的实施方案，所述方法还包括由送粉气作为载体，将金属粉末从送粉器送至放电区。

根据本发明的实施方案，所述方法包括如下步骤：

(1)打开真空泵抽气，并将球化设备内充满惰性气体；

(2)对放电区、球化区、收粉器施加电压；

(3)打开激光发生器；

(4)打开送粉器，将金属粉末原料通过送粉器传输至放电区被荷电；

(5)通过激光熔化被荷电的金属粉末原料并形成球形粉末；

(6)所述球形粉末被收粉器收集。

根据本发明的实施方案，步骤(5)中，所述被荷电的金属粉末原料在惰性气氛下熔化成粉末液滴，所述粉末液滴在惰性气氛下冷却并在表面张力作用下形成球形粉末。

本发明的有益效果:

本发明利用同极电荷相斥的原理，将送粉器的金属粉末送至放电区，并在放电区被附上阴离子和阳离子。其中少部分阳离子粉末会吸附在放电极上，而大部分阳离子粉末则会吸附在放电区的底部，进而使剩下所有的阴离子粉末因为同极电荷相斥并在送粉气的作用下向前传输，最终在第一气体的作用下到达球化区。球化区的漏斗状金属管也接电源负极，基于同极电荷相斥原理，极大程度上避免了金属粉末沾管，解决了激光球化设备中因大量送粉导致金属粉末沾在管壁上的问题。而被激光熔化的金属粉末在重力、第二气体、抽气以及异性电荷相吸的作用下会落到收粉器，并在此过程中由于表面张力的作用而形成球形颗粒。在此过程中，被吸附在放电区底部的金属粉末，可以收集起来作为下一次球化的金属原粉，再次由送粉器输送到球化设备中。

在没有使用本发明之前，本球化设备工作半小时后，由于激光光斑边缘光的长时间照射，漏斗状金属管的细端明显有金属粉熔融，金属管口径明显变小，有堵管的危险。使用本发明之后，可以连续工作24小时不沾粉。按照每小时2.5kg的送粉量，则本发明激光球化设备可以连续产出球形粉末30kg左右。(因为有一部分被吸附在放电区底部，可以取出循环利用。)将球化后的粉末取样，并在电镜下观察球化度及球化率，统计球化率可达97％左右。

附图说明

图1为激光球化设备的结构示意图；

附图标记：1、送粉器；2、放电区；3、放电极；4、送粉气入口；5、激光发生器；6、第一进气口；7、球化区；8、第二进气口；9、抽气口；10、收粉器；11、负极；12、正极。

图2为实施例2制得的钛合金球化粉末的电镜图，标尺300μm。

具体实施方式

实施例1

参照图1，一种激光球化设备，所述设备包括放电区2，放电区2包括放电极3及加在放电极3上的电压，电压的正极12与收粉器10连接，且正极12接地；电压的负极11一分为三，第一处与放电极3相连接，第二处与放电区2底部相连接，第三处与球化区7漏斗状金属管相连接。

【放电区】

放电区2还包括腔体，放电极3设置于腔体内，负极的第一处、第二处分别施加于放电极3与腔体的下端。进一步地，腔体还可通过橡胶密封圈与相邻部件绝缘连接。

放电极3与正极之间的距离为1～3cm，示例性为2cm，施加在腔体上的电压为4000-10000V，例如6000V左右。

放电极3呈锥形，电压通过放电极3的尖端放电，尖端由多根锯齿状的芒刺组成，且尖端朝向金属粉末输送方向。

在实际使用过程中，放电极3可以设置于腔体的上端或下端，优选设置于腔体的上端。

【送粉器】

所述设备还包括送粉器1，用于填装金属粉末并将金属粉末送至放电区2。

送粉器1还设置有送粉气入口4。优选地，送粉气为惰性气体，例如氩气。

【球化区】

所述设备还包括球化区7，从放电区2输出的粉末经过球化区被激光加热熔化形成球形粉末。

球化区7还包括激光发生器5，激光发生器5位于漏斗状金属管内，漏斗状金属管整套***内具有惰性气氛。优选地，激光发生器5位于漏斗状金属管上方，且漏斗状金属管与下方的收粉器10贯通连接。

进一步地，漏斗状金属管与相邻部分通过橡胶密封圈绝缘连接。

漏斗状金属管的漏斗口的尺寸为8-12mm，例如为10mm。

激光发生器5发出的激光经过整形后，在球化区7的光斑大小与漏斗状金属管的漏斗口尺寸接近。

漏斗状金属管的细端侧面施加有电压，且与施加在腔体上的电压极性相同。

球化区还包括第一进气口6及第二进气口8，第一进气口6设置在激光发生器5上部，第二进气口8设置于漏斗状金属管的细端的侧面。

第二进气口8设有两个，相对设置于漏斗状金属管细端的两侧。进一步地，第二进气口8的气道与漏斗状金属管细端边缘相切。

第二进气口8通入的气体为惰性气体，例如为氩气。

具体地，激光球化设备内具有惰性气氛，例如为氩气。

【收粉器】

收粉器10的上端与电压的正极12相连接，且与施加在腔体上的电压极性相反。被激光熔化的金属粉末在重力、第二气体、抽气以及异性电荷相吸的作用下落到收粉器10内，并在此过程中由于表面张力的作用而形成球形颗粒。

进一步地，收粉器与相邻部分通过橡胶密封圈绝缘连接。

收粉器10的侧面设置有抽气口。通过抽气可使激光球化设备处于气压平衡状态。

实施例2

采用实施例1的激光球化设备制备球形粉末的方法，包括如下方法：

(1)打开所有气路：打开真空泵，通过激光球化设备上的气压表确定设备的密闭性。打开氩气阀，将氩气分成三路充入球化设备：第一路通过送粉气入口给送粉器通入氩气，作为钛合金非球形粉末的载体，送气量为6L/min，送粉量为2.5kg/h；第二路给第一进气口，送气量为50L/min；第三路给两个第二进气口，送气总量为40L/min。第二进气口的气道与漏斗状金属管细端边缘相切，目的是为了更顺畅地将球化后的钛合金粉末传输到收粉器。这三路氩气总量与真空泵的抽气量，使得激光球化设备内气压处于-20kpa；

(2)将放电极、放电区腔体的下端(底部)、球化区漏斗状金属管的细端侧面分别连上6000V电源的负极，收粉器的上端连接电源的正极，同时将正极接地；

(3)将激光发生器打开，功率开至8000W；

(4)将送粉器的钛合金金属粉末送至放电区，并在放电区被附上阴离子和阳离子(因为放电极的面积很小，所以少部分阳离子粉末吸附在放电极上，大部分阳离子粉末吸附在放电区的底部。剩下所有的阴离子粉末因为同极电荷相斥并在送粉气的作用下向前传输)，最终在第一路气体的作用下到达球化区；

(5)激光发生器发出的激光将放电区输送过来的钛合金金属粉末加热，导致球化设备中的温度、气压上升，此时激光球化设备基本达到气压平衡状态，气压表显示此时设备中气压值为--2kPa(因为球化区的漏斗状金属管接电源负极，同极电荷相斥，很大程度上避免了金属粉末沾管)；

(6)被激光熔化的钛合金金属粉末在重力、第二路气体、抽气口抽气以及异性电荷相吸的作用下落到收粉器，并在此过程中由于表面张力的作用而形成球形颗粒。

本实施例的激光球化设备连续工作24小时不沾粉。按照每小时2.5kg的送粉量，则该激光球化设备可以连续产出30kg左右钛合金球形粉末供3D打印机使用。(因为有一部分被吸附在放电区底部，可以取出循环利用。)

将球化后的钛合金球形粉末取样，并在电镜下观察球化度及球化率，结果如图2所示。从图中可以统计出钛合金球形粉末的球化率可达97％左右。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光球化设备，其特征在于，所述设备包括送粉器、放电区、球化区；

所述送粉器包括送粉气入口，所述送粉气为惰性气体，送粉器用于填装金属粉末并通过惰性气体将金属粉末送至放电区；

所述放电区包括腔体、放电极及加在所述放电极上的电压，所述放电极设置于腔体内，所述电压的正极与收粉器连接，且正极接地；所述电压的负极一分为三，第一处与放电极相连接，第二处与腔体底部相连接，第三处与球化区漏斗状金属管相连接；

所述球化区包括激光发生器，所述激光发生器位于漏斗状金属管上方，且漏斗状金属管与下方的收粉器贯通连接，所述漏斗状金属管的细端侧面施加有电压，且与施加在腔体上的电压极性相同；

所述球化区还包括第一进气口及第二进气口，所述第一进气口设置在激光发生器上部，第二进气口设置于漏斗状金属管的细端的侧面；所述第二进气口设有两个，相对设置于漏斗状金属管细端的两侧，且第二进气口的气道与漏斗状金属管的细端边缘相切；

所述收粉器的上端与电压的正极相连接，且与施加在腔体上的电压极性相反。

2.如权利要求1所述的激光球化设备，其特征在于，所述放电极与电压的一极之间的距离为1～3cm。

3.如权利要求1所述的激光球化设备，其特征在于，所述放电极呈锥形，尖端由多根锯齿状的芒刺组成，且尖端朝向金属粉末输送方向。

4.如权利要求1-3任一项所述的激光球化设备，其特征在于，

所述收粉器的侧面设置有抽气口。

5.一种解决激光球化制备球形粉末存在粘粉问题的方法或一种激光球化制备球形粉末的方法，其特征在于，包括使用权利要求1-4任一项所述的激光球化设备制备球形粉末。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：由送粉气作为载体，将金属粉末从送粉器送至放电区；对放电区、球化区、收粉器分别施加电压，将金属粉末送至放电区并被荷电，然后在球化区形成球形粉末，并被收粉器收集。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述激光球化制备球形粉末的方法，包括如下步骤：

(1)打开真空泵抽气，并将球化设备内充满惰性气体；

(2)对放电区、球化区、收粉器施加电压；

(3)打开激光发生器；

(4)打开送粉器，将金属粉末原料通过送粉器传输至放电区被荷电；

(5)通过激光熔化被荷电的金属粉末原料并形成球形粉末；

(6)所述球形粉末被收粉器收集。

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