一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置及方法与流程

本技术涉及金属粉末表面改性，尤其是涉及一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置及方法。

背景技术：

1、金属粉末表面包覆纳米氧化物、碳化物、氮化物或其他纳米增强颗粒，能够改善增强相的分布均匀性，提高材料的强度、耐磨性和高温稳定性。对于增材制造用金属粉末，还需要在实现纳米颗粒均匀包覆的同时，尽量保持金属粉末原有的球形度和流动性。

2、现有金属粉末纳米颗粒包覆方法主要包括高能球磨、机械搅拌、湿法分散及振动混合等。高能球磨容易造成金属粉末变形、破碎或污染；湿法分散工艺较为复杂，并可能出现纳米颗粒二次团聚及溶剂残留等问题。

3、声共振混合技术通过使装有粉末的容器产生接近系统固有频率的周期性机械振动，促使粉末颗粒相互碰撞，实现纳米颗粒的解团聚及其在金属粉末表面的附着。该技术无需设置搅拌部件，有利于减少金属粉末的形貌损伤。

4、但是，现有声共振混合装置通常采用单个或少量反应容器。当采用多层、多容器结构提高处理通量时，不同层以及同一层中心位置与外围位置的支承条件和机械阻抗存在差异，容易造成各反应容器的振动幅值和相位不一致，进而影响纳米颗粒包覆的均匀性和批次一致性。

5、此外，多层结构中的紧固力可能直接作用于支承板、容器壁或密封件，造成结构变形、密封状态不一致以及振动能量损失。在持续振动条件下，连接部位还可能发生松动，使装置的振动响应发生变化。

6、因此，需要提供一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置，在保证多个反应子腔相互独立和密封的基础上，提高振动能量传递的稳定性，减小不同层及不同位置子腔之间的振动响应差异，从而提高纳米颗粒包覆的均匀性和处理一致性。

技术实现思路

1、为了减小不同层及不同位置子腔之间的振动响应差异，从而提高纳米颗粒包覆的均匀性和处理一致性，本技术提供一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置及方法。

2、一方面，本技术提供的一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置采用如下的技术方案：

3、一种高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置，包括声振激励模块以及与所述声振激励模块刚性连接的主反应容器，所述主反应容器包括与所述声振激励模块刚性连接的壳体以及与所述壳体刚性连接的包覆模块；

4、所述包覆模块包括沿振动传递方向层叠设置的多个包覆层组、贯穿多个所述包覆层组的贯穿式紧固件，以及设置于相邻所述包覆层组之间的刚性传能支承套筒；

5、每个所述包覆层组均包括粉末子腔阵列、均声阻抗调控结构和封闭组件，所述粉末子腔阵列包括用于容纳粉末的中心子腔以及环绕所述中心子腔设置的多个用于容纳粉末的外围子腔，所述中心子腔和所述外围子腔分别具有独立开口，所述封闭组件能够封堵各所述独立开口；

6、所述均声阻抗调控结构包括支承板以及设置于所述支承板上的环—辐式加强结构，所述粉末子腔阵列设置于所述支承板上；所述环—辐式加强结构包括围绕所述中心子腔设置的内圈加强部、围绕多个所述外围子腔设置的外圈加强部以及连接所述内圈加强部与所述外圈加强部的径向加强部；

7、所述刚性传能支承套筒的一端与一个所述包覆层组的环—辐式加强结构抵接，另一端与相邻所述包覆层组的封闭组件抵接；所述贯穿式紧固件将多个所述包覆层组和所述刚性传能支承套筒预紧连接，以形成沿所述振动传递方向延伸的刚性预紧传能链。

8、通过采用上述技术方案，声振激励模块产生的低频机械振动首先传递至壳体，再由壳体传递至包覆模块。贯穿式紧固件对多层包覆层组和刚性传能支承套筒施加预紧力，使原本分散设置的多个包覆层组形成连续的刚性预紧传能链，能够降低层间连接间隙及接触松动造成的能量损失，使振动沿层叠方向传递至各包覆层组。各包覆层组设置相互独立的中心子腔和外围子腔，并由封闭组件封堵各独立开口，使各中心子腔和外围子腔相互隔离，既可在单次处理中同时容纳多份粉末，提高处理通量，又可避免不同子腔之间的粉末串混。

9、贯穿式紧固件将多个包覆层组和刚性传能支承套筒预紧连接，使环—辐式加强结构、刚性传能支承套筒和封闭组件保持稳定抵接，从而形成沿包覆层组层叠方向连续的刚性预紧传能链。该结构能够减小层间装配间隙，降低持续振动过程中因接触面分离、层间碰撞或连接松动造成的能量损失和连接刚度变化，提高振动能量向不同层包覆层组传递的稳定性。

10、振动能量到达各包覆层组后，经支承板和环—辐式加强结构向中心子腔和外围子腔分配。内圈加强部和外圈加强部分别形成中心区域和外围区域的环向传力路径，径向加强部则在中心区域和外围区域之间形成径向传力路径，从而协调两区域的局部刚度和机械阻抗，减小中心子腔与外围子腔之间的振动幅值及相位差异。

11、另一方面，在共振或近共振状态下，粉末颗粒的相对运动、碰撞和摩擦强度对振动响应较为敏感。上述刚性预紧传能链与均声阻抗调控结构相配合，使各层及各位置子腔获得较为一致的振动输入，有利于使各中心子腔和外围子腔内的粉末处于相近的运动状态，从而促进纳米颗粒解团聚并附着于金属粉末表面，降低中心位置与外围位置、上层与下层之间的包覆差异，提高包覆均匀性和批次一致性。

12、优选地，所述贯穿式紧固件包括贯穿螺杆以及与所述贯穿螺杆螺纹连接的紧固螺母，所述贯穿螺杆的一端设有螺头，另一端依次穿过多个所述包覆层组后与所述紧固螺母连接，以将多个所述包覆层组和所述刚性传能支承套筒压紧于所述螺头与所述紧固螺母之间。

13、通过采用上述技术方案，螺头和紧固螺母分别从刚性预紧传能链的两端施加轴向夹紧力，使多个包覆层组和刚性传能支承套筒形成整体连接。通过调节紧固螺母，可以改变轴向预紧力，补偿加工和装配误差，并使各套筒端面及层间抵接面保持充分接触，提高装配可靠性和振动传递重复性。

14、优选地，所述径向加强部与所述内圈加强部和所述外圈加强部的连接处设有加强环部，所述贯穿螺杆穿过所述加强环部；所述刚性传能支承套筒套设于所述贯穿螺杆外，其一端与一个所述包覆层组的所述加强环部抵接，另一端与相邻所述包覆层组的所述封闭组件抵接。

15、通过采用上述技术方案，加强环部能够提高贯穿螺杆穿设位置周围的局部刚度，减少预紧力和周期性载荷造成的支承板局部变形。刚性传能支承套筒套设于贯穿螺杆外，还能够对贯穿螺杆形成径向约束，并将轴向预紧力和振动载荷传递至加强环部及封闭组件，使紧固位置同时构成稳定的层间承力节点和振动传递节点。

16、优选地，所述紧固螺母为六角螺母，所述均声阻抗调控结构上设有凸起部，所述凸起部位于所述六角螺母的转动路径上，并能够与所述六角螺母的外周部抵接，以限制所述六角螺母转动。

17、通过采用上述技术方案，当六角螺母在周期性振动作用下产生松动转动趋势时，其外周部能够与凸起部抵接，由凸起部对六角螺母形成机械限位，从而减少紧固螺母自行转动及预紧力衰减。该结构不依赖单纯的摩擦防松，有利于维持刚性预紧传能链的长期稳定性。

18、优选地，多个所述包覆层组沿竖直方向依次设置于所述壳体内，位于最上层的所述包覆层组的封闭组件包括顶部盖板，所述顶部盖板覆盖位于最上层的所述粉末子腔阵列，并通过连接件固定于所述壳体的顶端。

19、通过采用上述技术方案，顶部盖板既能够封闭最上层粉末子腔阵列，又能够对包覆模块形成顶部约束。顶部盖板与壳体固定后，可以限制包覆模块在振动过程中的相对位移，并使多个包覆层组稳定保持在壳体内部，便于包覆模块的整体安装和拆卸。

20、优选地，所述壳体与所述顶部盖板之间形成围绕所述包覆模块设置的冷却腔室，所述冷却腔室与所述中心子腔及所述外围子腔相互隔离；所述壳体设有分别与所述冷却腔室连通的冷媒入口和冷媒出口。

21、通过采用上述技术方案，冷媒能够由冷媒入口进入冷却腔室，吸收声振处理过程中产生的热量后由冷媒出口排出，以控制包覆模块及粉末的温升；冷却腔室与中心子腔及外围子腔相互隔离，可避免冷媒与粉末接触而造成污染或粉末性能变化。

22、优选地，每个所述粉末子腔阵列中的外围子腔的数量为六个，六个所述外围子腔沿所述中心子腔的周向均匀分布，每个所述径向加强部均设置于相邻两个所述外围子腔之间。

23、通过采用上述技术方案，六个外围子腔沿中心子腔周向均匀分布，有利于使支承板上的粉末载荷和结构质量呈周向均衡状态；径向加强部设置于相邻外围子腔之间，既可避让外围子腔的安装或成形区域，又能在中心区域与外围区域之间建立均匀分布的径向传力通道，从而减少支承板偏载和局部振动集中。

24、优选地，所述中心子腔和外围子腔分别形成于独立杯状容器内，所述独立杯状容器可拆卸地安装于所述支承板。

25、通过采用上述技术方案，各独立杯状容器能够分别从支承板上拆装，便于逐个子腔进行装料、取料、清洁和更换。当不同子腔用于处理不同粉末配方时，还可以通过更换独立杯状容器减少残留粉末造成的交叉污染；当单个杯状容器损坏时，无需整体更换支承板，有利于降低维护成本。

26、优选地，所述支承板上设有与所述中心子腔以及所述外围子腔对应的盲孔，所述中心子腔和外围子腔形成于所述盲孔内。

27、通过采用上述技术方案，粉末子腔直接形成于支承板上的盲孔内，使支承板同时承担子腔成形、粉末容纳和振动传递功能，能够减少独立容器和定位构件的数量，降低子腔与支承板之间的装配间隙，并提高二者之间的结构整体性和传能效率。盲孔底壁还能够使不同子腔相互隔离，防止粉末沿支承板厚度方向串料。

28、第二方面，本技术提供一种采用上述高通量声共振金属粉末纳米颗粒包覆装置进行金属粉末纳米颗粒包覆的方法，包括以下步骤：

29、s1、按照预设配比将金属粉末和纳米颗粒装入多个所述中心子腔和外围子腔，并通过所述封闭组件封堵所述中心子腔和外围子腔的独立开口，以完成多个所述包覆层组的装料和封闭；

30、s2、沿振动传递方向层叠设置多个所述包覆层组，并在相邻所述包覆层组之间设置所述刚性传能支承套筒，使所述刚性传能支承套筒的一端与一个所述包覆层组的环—辐式加强结构抵接，另一端与相邻所述包覆层组的封闭组件抵接；通过所述贯穿式紧固件将多个所述包覆层组和所述刚性传能支承套筒预紧连接，以形成包覆模块以及沿所述振动传递方向延伸的刚性预紧传能链；

31、s3、将所述包覆模块安装于所述壳体，并使所述包覆模块与所述壳体刚性连接；

32、s4、启动所述声振激励模块并调节激振频率，使所述主反应容器处于共振或近共振状态；所述声振激励模块产生的振动经所述壳体和所述刚性预紧传能链传递至各所述包覆层组，并通过所述环—辐式加强结构传递至所述中心子腔和外围子腔，使所述金属粉末和纳米颗粒发生相对运动、碰撞及摩擦，以使所述纳米颗粒附着于所述金属粉末的表面；

33、s5、达到预设声振处理时间后，停止所述声振激励模块，解除所述封闭组件对所述中心子腔和外围子腔的封堵，并取出完成纳米颗粒包覆的金属粉末。

34、通过采用上述技术方案，在装料和封闭后，多个包覆层组通过贯穿式紧固件及刚性传能支承套筒形成稳定的刚性预紧传能链；声振激励模块产生的振动经该传能链逐层传递，并由各层环—辐式加强结构向中心子腔和外围子腔分配。金属粉末与纳米颗粒在周期性惯性力作用下发生循环、碰撞和摩擦，使团聚的纳米颗粒逐渐解聚，并通过吸附、摩擦压附或机械嵌入作用附着于金属粉末表面。该方法能够同时处理多个子腔中的粉末，并减小不同层位和不同位置之间的处理差异，从而提高包覆效率、包覆均匀性和批次一致性。

35、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

36、1.通过设置多个沿振动传递方向层叠的包覆层组，并在每个包覆层组中设置中心子腔和多个外围子腔，能够在一次声振处理过程中同时对多份粉末进行纳米颗粒包覆，在保持各份粉末相互隔离的同时提高单批次处理量，适于金属粉末的高通量、批量化加工；

37、2.通过贯穿式紧固件将多个包覆层组和刚性传能支承套筒预紧连接，使各构件之间保持稳定的刚性接触，形成连续的刚性预紧传能链，能够减少振动传递过程中因连接间隙、局部松动或构件碰撞造成的能量损失，提高振动能量在不同包覆层组之间的传递效率和一致性；

38、3.环—辐式加强结构通过内圈加强部、径向加强部和外圈加强部形成由中心向外围延伸的振动传递路径，可对支承板不同区域的刚度和声阻抗进行协调，使振动能量较为均匀地传递至中心子腔和各外围子腔，从而减小同一包覆层组内不同子腔之间的振幅差异，提高各子腔内粉末运动状态的一致性；

39、4.声振激励模块使主反应容器工作于共振或近共振状态，能够以较低的激振输入获得较强的粉末运动响应，促使金属粉末与纳米颗粒持续发生分散、碰撞、摩擦及挤压作用，既有利于破坏纳米颗粒的团聚状态，又能够提高纳米颗粒与金属粉末表面的接触概率和结合稳定性，从而改善包覆层的均匀性；

40、5.各子腔相互独立并由封闭组件进行封堵，能够防止处理过程中粉末由一个子腔进入另一子腔，降低不同批次或不同配比粉末之间发生混料和交叉污染的可能性；同时，独立杯状容器或支承板盲孔两种子腔形式可分别满足便捷拆装清理和一体化刚性传能的使用需求，提高装置对不同粉末处理工艺的适应能力。