一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置及其去除方法与流程

1.本发明属于高性能粉末制造技术领域，具体涉及一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置及其去除方法。


背景技术：

2.3d打印作为一项先进制造技术，可实现新型网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，将成为第三次工业革命的核心关键技术。其中，金属3d打印工艺中，金属球形粉末是关键原材料，需要保证足够的流动性和堆积密度，确保粉末输送的稳定流畅性以及高堆积密度。因此，需要采用各种球形化技术来获得球形粉末。
3.目前，生产3d打印金属球形粉末材料主要有气体雾化法(ga)、离心雾化法(prep)，以及主要用于难熔金属的等离子球化法(ps)。这些方法制备的粉末中，由于工艺本身的局限或者工艺控制不当，容易产生一些未被球形化或者球形效果不佳的粉末颗粒，如ga粉末颗粒可能存在椭球、瘪球和卫星球，prep粉末颗粒也可能存在瘪球、哑铃连带状颗粒，ps粉末可能存在一些未被球化的颗粒或者赘生物较多的球形颗粒。这些未被球形化或者球形效果不佳的粉末颗粒，将影响整体粉末的流动性效果，从而影响3d打印使用的性能效果。
4.针对以上情况，在生产过程中改进优化工艺参数，提高球形率是途径之一。但是由于技术本身的局限性，球形率达到上限难以再提高；或者通过降低生产效率来提高球形率，这样造成产能的损失下降。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置及其去除方法，把球形粉末中夹杂的一些未被球形化或者球形效果不佳的不规则颗粒去除掉，提高球形粉末的球形率，从而提高粉末流动性和堆积密度，进一步提升粉末性能。
6.本发明提供一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置，所述装置包括料斗、倾斜平板、水平台面和收料装置，所述料斗位于所述倾斜平板上方，所述收料装置位于所述水平台面的下方；所述倾斜平板的斜度为θ(即所述倾斜平板与水平方向之间有夹角θ)，所述水平台面平行于水平方向；所述倾斜平板的下端连接在所述水平台面的一端，所述收料装置设置于所述水平台面的另一端。
7.根据本发明的实施方案，所述倾斜平板的长度与所述水平台面的长度比值范围为8
‑
20，优选为10
‑
15。
8.根据本发明的实施方案，所述水平台面的长度为5
‑
50mm。
9.根据本发明的实施方案，所述倾斜平板的斜度θ为10
°‑
70
°
，优选为10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
。
10.根据本发明的实施方案，所述料斗和所述倾斜平板可调节的固定在支撑架上。优选地，支撑架上还设有支撑杆，所述料斗和所述倾斜平板可通过所述支撑杆调节高度或斜度，从而使漏斗的下端部和倾斜平板间距尽量小。
11.根据本发明的实施方案，所述倾斜平板和所述水平台面可拆卸的设置在所述装置上，并根据需要更换。
12.根据本发明的实施方案，所述倾斜平板和水平台面的表面粗糙度ra小于0.2μm。优选地，所述倾斜平板和水平台面选自不锈钢板、玻璃板等表面粗糙度ra小于0.2μm的材料，当球形粉末在倾斜平板上滑动时，球形粉末与倾斜平板之间产生的阻力较小，在球形粉末在重力作用下沿倾斜平板向下运动时，可以获得足够的动能，滚动前进到设于水平台面另一端的收料装置中或水平台面靠近收料装置的一端；而不规则颗粒则在倾斜平板上不能获得足够的动能，当其落到水平台面上时，不规则颗粒的动能迅速降低为零，停留在水平台面靠近倾斜平板一端，甚至停留在倾斜平板上。
13.根据本发明的实施方案，所述收料装置包括球形颗粒收料罐和不规则颗粒收料罐。
14.根据本发明的实施方案，所述料斗的下端设有下料口。
15.优选地，所述料斗的下料口为长形的窄口。优选地，所述窄口的宽度为1
‑
5mm。
16.根据本发明的实施方案，所述漏斗上的窄漏口可与所述倾斜平板接触或不接触，目的在于避免球形粉末从料斗的窄漏口下落至倾斜平板时被弹飞出装置之外。
17.在本发明的一个实施方案中，所述下料口的下端与所述倾斜平板的上表面之间具有间隙。优选地，所述间隙为1
‑
3mm，优选为2.5mm。
18.根据本发明的实施方案，球形粉末的平均粒径为15
‑
500μm。
19.根据本发明的实施方案，球形粉末的流动性20
‑
40s/50g。
20.根据本发明的实施方案，球形粉末选自金属粉末、非金属粉末或者高分子粉末中的至少一种。
21.根据本发明的实施方案，所述球形粉末中包括不规则颗粒和球形颗粒。
22.优选地，球形颗粒占球形粉末的质量比为80
‑
95wt％，例如，80wt％、82wt％、85wt％、88wt％、90wt％、93wt％、95wt％或任意两个数值之间的范围。
23.优选地，所述不规则颗粒包括片状颗粒、类球形颗粒、半球形颗粒等中的至少一种。
24.本发明还提供一种球形粉末中不规则颗粒的去除方法，通过上述去除球形粉末中不规则颗粒的装置去除球形粉末中不规则颗粒。
25.根据本发明的实施方案，上述去除方法，具体步骤如下：
26.(1)将球形粉末盛至料斗中；
27.(2)球形粉末从料斗落至下方的倾斜平板上，球形粉末沿倾斜平板滑落，球形粉末中的球形颗粒滚落至收料装置，不规则颗粒滚落至水平台面，实现球形颗粒与不规则颗粒分离。
28.根据本发明的实施方案，所述球形粉末、球形颗粒和不规则颗粒具有如上所述定义。
29.根据本发明的实施方案，在上述去除方法中，每次在所述料斗中添加的球形粉末量不做具体限定，每次处理时，料斗中的添加量不能太多，根据实际情况添加，目的在于防止球形粉末堆积在倾斜平板上，影响去除球形粉末中不规则颗粒的操作。示例性地，所述料斗中添加的球形粉末可以为料斗体积的1/5
‑
1/3或1/10
‑
1/5。
30.根据本发明的实施方案，添加球形粉末时，添加速度可根据实际操作进行调整，从而防止粉末撞击倾斜平板，弹飞出装置之外。例如，球形粉末的添加速度为1
‑
100g/min。
31.根据本发明的实施方案，在去除不规则颗粒前，球形粉末还可进行脱水处理，例如热处理或真空热处理，从而提高待处理粉末的流动性。
32.根据本发明的实施方案，在步骤(1)添加球形粉末前，还需对倾斜平板和水平台面进行清理。本发明对清理不做具体限定，可采用本领域常用的技术手段进行清理，例如采用溶剂擦拭清理、毛刷轻扫，比如采用无水乙醇擦拭。
33.根据本发明的实施方案，球形粉末粒径为15
‑
500μm。
34.根据本发明的实施方案，球形粉末是具有一定流动性的粉末。示例性地，球形粉末的流动性20
‑
40s/50g，例如20s/50g、25s/50g、30s/50g、35s/50g、40s/50g。
35.根据本发明的实施方案，球形粉末选自金属粉末、非金属粉末或者高分子粉末中的任一种。
36.优选地，所述金属粉末选自niti、tc4、ta31、ti、316、316l、304、w、wc、mo、more、au、ag、cu中的任一种。
37.优选地，所述非金属粉末选自氧化锆球形粉末、氧化铝、氮化铝、氧化硅、硅、氧化铈、氧化钇中的任一种。
38.优选地，高分子粉末选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛树脂、脲醛树脂、聚丁二烯(顺丁橡胶)、聚异戊二烯(异戊橡胶)、氯丁橡胶、丁基橡胶中的任一种。
39.根据本发明的实施方案，通过上述方法得到的球形颗粒，流动性较球形粉末提高了8
‑
15％。
40.本发明还提供一种球形粉末中不规则颗粒含量的测量方法，所述测量方法包括上述去除方法。
41.根据本发明的实施方案，球形粉末中不规则颗粒含量的测量方法，具体包括如下步骤：
42.(a1)称取质量为m的球形粉末；
43.(a2)将球形粉末采用上述去除方法；
44.(a3)收集球形粉末中的球形颗粒，称重记为m；
45.(a4)计算球形粉末中不规则颗粒的百分比含量：(m
‑
m)/m
×
100％。
46.根据本发明的实施方案，所述去除方法具有如上所述定义。
47.根据本发明的实施方案，m优选为100
‑
1000g。
48.根据本发明的实施方案，在步骤(a1)中，将质量为m的球形粉末均分为n份，优选地，n为10
‑
1000等份。
49.根据本发明的实施方案，为了保证测量方法的准确性，步骤(a2)中，所述料斗中添加的球形粉末小于料斗体积的1/3，示例性地，球形粉末为料斗体积的1/5
‑
1/3或1/10
‑
1/5。
50.根据本发明的实施方案，添加球形粉末时，添加速度可根据实际操作进行调整，从而防止粉末撞击倾斜平板，弹飞出装置之外。例如，球形粉末的添加速度为1
‑
100g/min。
51.根据本发明的实施方案，球形粉末粒径为15
‑
500μm。
52.根据本发明的实施方案，球形粉末的流动性为20
‑
40s/50g，例如20s/50g、25s/50g、30s/50g、35s/50g、40s/50g。
53.优选地，所述球形粉末具有如上所述定义。
54.本发明还提供通过上述装置或上述球形粉末中不规则颗粒的去除方法得到的球形粉末在3d打印中的应用。优选地，所述3d打印包括slm 3d打印。
55.优选地，所述球形粉末经3d打印后得到实体。优选地，所述实体的致密度为99.8％。
56.本发明的有益效果：
57.1.本发明利用球形粉末中球形颗粒和非球形颗粒流动性的差异，提供一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置，实现去除球形粉末中不规则粉末，提高了球形粉末的球形率、流动性。
58.2.通过本发明的去除方法，可以去除球形颗粒上的一些黏附灰份(如ps法制备中形成的一些纳米絮状物质)，以及一些流动性差的小颗粒球形颗粒，且去除过程中材料损耗小，不会造成球性粉末的浪费；同时，本发明的去除方法还提高了用于3d打印球形粉末的质量，从而增加了3d打印使用的性能效果。
59.3.本发明的去除球形粉末中不规则颗粒的装置和去除方法，操作简单，不仅可实现小批量的球形粉末去除操作，也可以制成大尺寸装置，并实现自动化，从而在制粉生产线上使用。
60.4、本发明的球形粉末中不规则颗粒含量的测量方法，测量方法误差小，可操作性强，适用于测量各种球形粉末中的不规则颗粒含量。
附图说明
61.图1是本发明的一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置图；其中，1
‑
支撑架，2
‑
料斗，3
‑
支撑杆，4
‑
倾斜平板，5
‑
支撑杆，6
‑
水平台面、7
‑
收料罐。
62.图2是实施例1中未经过去除的niti球形粉末(通过ps法制备)的扫描电镜图。
63.图3是实施例1中去除不规则颗粒后的niti球形粉末扫描电镜图。
64.图4是实施例1中被去除的不规则颗粒扫描电镜图。
65.图5是对比例1中去除不规则颗粒后的niti球形粉末扫描电镜图。
具体实施方式
66.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
67.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
68.一种去除球形粉末中不规则颗粒的装置如图1所示，最上面是料斗2，料斗2的下料口为长形的窄口，窄口可为1
‑
5mm，在料斗2之下固定放置一块倾斜平板4，料斗2下料口和倾斜平板4间距尽量小；倾斜平板4的长度30
‑
260mm，倾斜平板4的斜度为10
°‑
70
°
。倾斜平板4下端连接一段水平台面6，水平台面6的长度5
‑
50mm，水平台面6的下方放置收料罐7。料斗2、倾斜平板4分别通过支撑架1、支撑杆3和支撑杆5来调节其固定位置高度或斜度。倾斜平板4和水平台面6可拆卸的设置在所述装置上，并根据需要更换长度。
69.其中，倾斜平板4和水平台面6的表面需光洁，可以用不锈钢板、玻璃板等材料制备。
70.在本发明的一个具体实施方式中，倾斜平板4和水平台面6的材料选自不锈钢板、玻璃板等表面粗糙度ra小于0.2μm的材料。
71.在本发明中，采用上述装置分离去除不规则粉末颗粒的具体步骤如下：
72.(1)用勺子等工具将混有不规则颗粒的粉末盛至料斗2中，由于粉末具有一定的流动性，粉末在料斗2中将会铺开；
73.(2)粉末在料斗2中铺开的同时，会从料斗2下端长形的窄漏口中下落至下方的倾斜平板4上，粉末沿倾斜平板4滑落，球形粉末滑落的速度比较快，而不规则粉末的速度比较慢；
74.(3)当粉末落在倾斜平板4下方的水平台面6时，球形粉末颗粒的动能较大，将继续前进，滚落到水平台面6下方的收料罐7中；而不规则粉末颗粒或者球形度较差的粉末颗粒，由于在倾斜平板4上获得的动能不够大，当其落到水平台面6上时，动能将减小，直至为零，停留在水平台面6上；
75.(4)移开球形粉末收料罐7，换另一盛收不规则粉末的收料罐7，用工具轻敲倾斜平板4和水平台面6，并用毛刷轻扫，让不规则粉末落入不规则粉末收料罐7；
76.(5)重新换上球形粉末收料罐7，从步骤(1)开始。
77.本发明分离去除不规则粉末颗粒的原理如下：
78.球形粉末颗粒和不规则粉末颗粒在倾斜平板4表面上滚动时，由于球形粉末颗粒和倾斜平板4之间是点接触，与斜坡之间产生的阻力较小，在颗粒重力沿倾斜平板4斜面方向分力的作用下，动能逐渐增大，当碰到障碍物或者落在水平端面上时，可以在原有动能的驱动下继续滚动前进，离开水平台面6落入；而对于不规则粉末颗粒，由于颗粒和倾斜平板4之间的接触面较大，产生较大阻力，不规则粉末颗粒有可能停留在倾斜平板4上，也有可能继续沿斜坡滑下运动，但因其动能较小，当碰到障碍物或者落在水平台面6上时，原有动能的驱动力不足以让不规则粉末颗粒继续前进或者离开水平台面6。因此，就可以从球形粉末中去除不规则颗粒，从而提高粉末颗粒的流动性。
79.粉末颗粒从倾斜平板的顶端位置出发，到达水平台面6末端时，粉末颗粒的动能表达式如下：
80.e＝1/2mv2＝mgl1sinθ
‑
u1mgl1cosθ
‑
u2mgl2‑
e1。
81.其中，e为动能，m为粒子的质量，v为速度，g为重力加速度，l1为倾斜平板的长度，θ为倾斜平板的斜度，l2为水平台面的长度，u1和u2分别为颗粒在倾斜平板或者水平台面上的摩擦系数，e1为颗粒离开倾斜平板到达水平台面时的能量损失。
82.由于球形粉末颗粒和不规则粉末颗粒在倾斜平板4或者水平台面6上的摩擦系数u1和u2是不相同的，由于不规则粉末颗粒和倾斜平板4之间的接触面较大，不规则粉末颗粒在流动的过程中，摩擦系数更大，能量损失e1相对较大，通过上述公式可知，不规则粉末颗粒在倾斜平板和水平台面上运动的距离较短，从而实现从球形粉末中去除不规则粉末颗粒的目的。
83.在本发明的一个具体实施方式中，所述倾斜平板的长度l1、所述水平台面的长度l2需符合如下关系：所述l1/l2的取值范围为8
‑
20，优选为10
‑
15。
84.以下实施例中，球形粉末的流动性均采用霍尔流速计和gb/t 1482
‑
2010测试方法得到。
85.实施例1
86.(1)以niti球形粉末(平均粒径d50为53
‑
250微米)为原料，从图2中可以看出，该原料中含有不规则颗粒和球形颗粒；
87.(2)采用图1所示的装置，设置倾斜平板长度l1＝260mm，斜度θ＝36
°
，水平台面l2＝20mm，料斗下粉间隙d＝2.5mm；
88.(3)用勺子定量装原料niti球形粉末50克，盛至料斗中，粉末在料斗中将会铺开，并从料斗下端长形的窄漏口中下落至下方的倾斜平板上，粉末沿倾斜平板滑落到水平台面上并落入收料罐，另有少量粉末留在倾斜平板和水平台面上；
89.(4)移开球形粉末收料罐，换另一盛收不规则粉末的收料罐，用工具轻敲倾斜平板和水平台面，并用毛刷轻扫，让不规则粉末落入不规则粉末收料罐；
90.(5)重新换上球形粉末收料罐，重复步骤(1)
‑
(4)；
91.(6)处理量达1000克后，称量球形粉末收料罐中的粉末为913.4克，不规则粉末收料罐中的粉末为86.1克；计算可知，niti球形粉末中的不规则颗粒含量为8.61wt％。
92.采用扫描电镜分别显微观察处理前的niti球形粉末、去除不规则颗粒后的niti球形粉末和被去除的不规则颗粒，如图2、图3、图4所示。
93.分别测试处理前和去除不规则颗粒后的niti球形粉末，流动性如表1所示，处理前粉末流动性为31.48s/50g，去除不规则颗粒后，流动性参数更好，达28.72s/50g。
94.表1：实施例1
‑
3和对比例1的处理前后的粉末的流动性变化结果
[0095] 处理前流动性s/50g处理后流动性s/50g实施例131.4828.72实施例234.2426.38实施例320.2319.10对比例131.4829.98
[0096]
实施例2
[0097]
本实施例去除不规则颗粒的方法同实施例1，区别在于，调节倾斜平板斜度的斜度θ＝70
°
，处理的球形粉末为tc4球形粉末(平均粒径d50为15
‑
53微米)。
[0098]
处理后计算tc4球形粉末中的不规则颗粒含量为20.10wt％。分别测试处理前、后tc4球形粉末的流动性结果，如表1所示。根据结果可知，tc4球形粉末流动性提高，处理前为34.24s/50g，处理后为26.38s/50g。
[0099]
取本实施例处理前和处理后的tc4球形粉末，在相同的条件下(激光功率170w，脉冲占空比80％)，采用自主研发的m100激光3d打印机，分别进行slm 3d打印实体。未去除不规则颗粒的处理前的tc4球形粉末打印后，致密度为99.3％，而去除不规则颗粒的处理后的tc4球形粉末打印后，致密度为99.8％。由此可知，未去除不规则颗粒的tc4球形粉末，因流动性较差，松装密度降低，在进行slm 3d打印铺粉过程中，粉末填充的密度较低，容易形成气孔，打印后存在气孔缺陷，造成致密度下降，最终会影响材料的机械强度。
[0100]
实施例3
[0101]
本实施例去除不规则颗粒的方法同实施例1，区别在于，调节倾斜平板斜度的斜度
θ＝20
°
，水平台面l2＝30mm，处理的球形粉末为氧化锆球形粉末(平均粒径d50为150微米)。
[0102]
处理后计算氧化锆球形粉末中的不规则颗粒含量为5.30％。
[0103]
分别测试处理前、后氧化锆球形粉末的流动性结果，如表1所示。根据结果可知，氧化锆球形粉末流动性提高，处理前为20.23s/50g，处理后为19.10s/50g。
[0104]
对比例1
[0105]
本对比例与实施例1的方法相同，区别在于，倾斜平板长度l1＝200mm，l2＝30mm，即l1/l2＝6.67。
[0106]
图5为本对比例去除不规则颗粒后的niti球形粉末的扫描电镜图。由图5结果可知，采用本对比例的装置去除后的niti球形粉末中，仍混有少量的不规则颗粒。
[0107]
处理后计算niti球形粉末中的不规则颗粒含量为7.35wt％(实验结果应小于实施例1的8.61wt％)。分别测试去除不规则颗粒前、后的niti球形粉末，流动性如表1所示，处理前粉末流动性为31.48s/50g；去除不规则颗粒后，流动性为29.98s/50g，与实施例1相比，本对比例去除不规则颗粒后的niti球形粉末的流动性较差。
[0108]
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。