排出由超声雾化产生的粉末的方法和实施该方法的设备与流程

1.本发明涉及一种用于由超声雾化产生的呈滴和粉末形式的材料的气体驱动输送的设备。


背景技术：

2.生产高质量金属粉末的方法中的一者是超声雾化方法。这种粉末被用作用于增材技术中的3d打印、粉末冶金(烧结)和金属涂覆的原料。在这种方法中，金属在连接到超声波振动源的超声震荡单元(sonotrode)上熔化。超声震荡单元使用从外部提供的振动能量喷射熔融金属滴，并且进一步，液体被熔融金属池中在超声波刺激下形成的表面张力波(capillary wave)破碎。
3.在超过雾化材料特定的振动幅值的临界水平之后由于液体中驻波的不稳定性而发生雾化。在克服粘性力和表面张力之后，喷射单个滴，并且然后在再次达到不稳定性之后重复该过程。
4.在其他雾化设备中(例如，来自leybold-heraeus gmbh的de3150221a1，来自general electric的us3275787a、cn1422718a)，所产生的粉末在超声震荡单元下通过重力落下。这种解决方案的缺点是雾化腔室的较大尺寸，以及因此受控的压力和纯度下的较大容积。而且，在原料的熔化中的干扰的情况下，例如由于不均匀的进料或热能供应的变化，存在熔融金属溢出粉末容器的风险。


技术实现要素：

5.本发明揭示了一种用于滴喷射并且然后在受控的轨迹下吹动滴直到它们固化成粉末形式的系统。所公开的解决方案允许针对特定材料特性优化其冷却时间(这通常与原料焓和熔化温度以及粉末的第一步骤分类有关)，以最大化所需的颗粒大小的输出。典型地，优选用于增材制造的粉末呈20至80微米的粒度分布d10至d90的形式，而雾化参数是针对特定的原料设定的，以便得到30和60微米之间的平均颗粒大小d50。
6.本发明的主题是一种用于去除在超声雾化的过程中产生的粉末的设备，其特征在于，该设备包括雾化腔室，该雾化腔室配备有气体入口、气体出口和引导元件，该引导元件用于在腔室中分布惰性气体并且在那里稳定其气体速度廓线。
7.优选地，引导元件适于主要垂直于熔体从超声震荡单元喷射的方向分布气体。
8.优选地，该设备被配置成使得流过腔室的气体的速度廓线使得其在横截面a-a下游直到出口的任何点的最大速度小于横截面上的平均速度的5倍，优选地小于横截面上的平均速度的2倍。
9.优选地，来自引导元件的流出量在下部部分中较大，以便于为超声震荡单元下游(即，在横截面a-a后面)的滴上的空气动力阻力提供附加的向上矢量。
10.优选地，引导元件适于在从(绝对值)10kpa至600kpa的压力范围中并且在垂直于气体路径的横截面中以从0.2至25m/s的平均速度廓线气体。
11.优选地，腔室的最大高度h为600mm，并且腔室的最大宽度s为600mm。
12.优选地，腔室的主轴的倾斜角度能够从水平方向在α＝ 45
°
到α＝-5
°
的范围内调节。
13.优选地，腔室从入口到出口的容积不超过0.5m3。
14.优选地，腔室包括用于超声震荡单元的端口，优选地在腔室的下部部分中，优选地以其允许熔融金属从竖直方向在角度β＝
±
30
°
内向上喷射的方式调节。
15.优选地，腔室包括用于至少一个或多个材料进料器的外部供应的端口。
16.优选地，设备包括提供热源以熔化进料材料，热源优选地使用电力。
17.优选地，气体入口被设置在材料进料器中和/或热源入口中和/或作为独立的端口和/或上述的任意组合中。
18.优选地，腔室和/或其出口被配置成由液体冷却，优选地，在腔室、出口和超声震荡单元周围的水套中进行热交换。
19.优选地，锥形的出口被向下引导，优选地将加速的气体导向至粉末分离装置(例如，旋风分离器(cyclone))，并且然后到气体过滤系统。
20.本发明还涉及一种去除在超声雾化过程中产生的粉末的方法，其特征在于，惰性气体流在从0.1bara至6bara的压力范围中和在垂直于气体路径的横截面中以从0.2直到25m/s的平均速度被引导到腔室中的雾化区中。气体以这种方式基本上垂直于滴喷射的方向分布，即，滴被雾化腔室中的气体夹带并吹向其出口，优选地沿着水平轨迹，并且同时它们在飞行中通过与冷的进入气体进行热交换而被冷却，直到获得固体状态(粉末)。
21.优选地，选择腔室尺寸、气体配置和流量及其参数，使得滴不会与腔室和出口壁碰撞，直到它们的温度下降到以开尔文度表示的熔点的90％以下。
22.优选地，惰性气体的入口温度由外部冷却设备控制。
23.优选地，在超声震荡单元下游流动的气体流在空间上是均匀的或涡旋的，其中涡旋由倾斜的引导元件和/或腔室中的端口的不对称位置和/或通过混合来自引导元件、热源、进料器和/或其他点的气体流而生成。
24.优选地，流过腔室(1)的气体的速度廓线使得其在横截面a-a下游直到出口(8)的任何点的最大速度小于横截面上的平均速度的5倍，优选地小于横截面上的平均速度的2倍。
25.本发明的优点：
26.·
腔室的小容积减少了系统中的惰性气体的量，并且减少了将大气从空气交换到清洁(即无氧)所需的启动时间。该设备具有小尺寸，并且可以用于实验室和工业应用两者。
27.·
滴的冷却时间由滴直到它们冷却成粉末的飞行距离控制；参数(诸如：增加/减少气体速度、压力和温度)允许在腔室容积及其出口内的期望位置处获得粉末。
28.·
腔室普遍用于各种金属及他们的合金——通过选择超声震荡单元上的幅值和气体速度廓线(可选地，其温度和压力)，人们可以在极轻或低熔点金属(以及也是低焓)(例如铝)到重金属(例如钢、黄铜)或具有高熔点和高焓的金属(例如1600℃以上的钴超合金、镍和钛合金))的范围内容易地控制滴/粉末轨迹。
29.·
在优选的示例中，腔室的侧壁和出口通道可以被附加地冷却(例如利用水套)，以接纳来自气体的热量并加速滴的冷却过程。
附图说明
30.现在将参照附图在实施例中说明本发明，在附图中：
31.图1示意性地示出了根据本发明的腔室横截面以及垂直于腔室的主轴线的截面(a)上的视图。
32.图2是带有所标注的尺寸和角度的腔室的图，
33.图3示出了安装在腔室入口上的引导元件的示例。
34.图4是带有在a-a下游的腔室部分中的垂直于横截面a-a的气体(6)的无量纲速度廓线的图表。
具体实施方式
35.腔室(1)在垂直于从超声震荡单元(2)喷射的方向的方向上显著较长。在一个端部上，惰性气体入口(6)是内置的，并且在另一端部上是变窄的(锥形)出口(8)，优选地通过连接件(9)接合到粉末和气体分离设备。腔室配备有引导元件(7)，该引导元件用于在腔室(1)内分布清洁和冷气体(6)，并且该引导元件稳定腔室中的速度廓线。惰性气体路径(11)基本上垂直于来自超声震荡单元(2)的熔融金属的喷射方向。
36.引导元件(偏转器特征)(7)的功能是使在超声震荡单元(2)周围的气体流分布均匀，这降低了熔融金属池上方的湍流和温度、稳定了雾化过程，并且有助于保持池中的期望温度。流过腔室(1)的气体的速度廓线应当是其在横截面a-a下游直到出口(8)的任何点的最大速度小于横截面上的平均速度的5倍(优选地小于2倍)，而最低速度保持在腔室中心，并且在接近于腔室壁较大，优选地在腔室底部上最高。
37.在来自图4的图表上示出了最佳速度廓线，其中无量纲速度是指垂直于横截面a-a的平均速度。由于气体速度靠近壁越多就越高的事实，滴在那里更多地被空气动力阻力夹带，因此他们不太可能撞击壁并粘到壁上，因为滴流动方向被更高速度的气体流更有力地偏转。因此，这种速度廓线最小化了粉末在从超声震荡单元喷射和放置在出口(8)下游的粉末容器之间的长度上的损失。为了获得这种速度廓线，惰性气体(6)从腔室(1)的侧部或冷端部喷射到引导元件(7)，其中流入的流可以在到腔室(1)的几个通道(6)之间进行划分。
38.引导元件(7)可以采取在其圆周上具有至少六个孔的环的形式。优选地，来自引导元件的流出量在下部部分中较大——如图4的图表上利用竖直路径(h)中的速度剖面针对虚线所示——以便于为滴上的空气动力阻力提供附加的向上矢量，降低在超声震荡单元支撑件周围的温度，并延长滴的下降路径和冷却时间。通过选择通道的不同间距和直径，可以使腔室(1)的操作适应不同密度的金属(例如，从铝到银)的雾化。图3(从腔室内部进行的视图)中示出了实施例。
39.超声震荡单元(2)安装在雾化腔室(1)的下部部分中，在其表面上方喷射熔融金属滴，其中滴喷射方向具有从竖直方向的角度β＝
±
30
°
。金属滴在工作气体中冷却，由于气体移动和与其的热交换而保持球形形状。熔融材料滴沿着接近水平的轨迹(10)输送，并且同时通过利用惰性气体进行对流和辐射在飞行中冷却，直到获得固体状态(粉末)。金属滴在惰性气体中冷却，同时由于滴中表面张力的能量而保持他们的球形形状。
40.腔室(1)是以这种方式能够调节的，即，腔室的主轴线可参考水平方向形成从 45
°
到-5
°
的角度α。腔室的斜率α可以在设备上改变，以适应具有更大或更小颗粒密度或直径的
粉末的轨迹的特性。
41.腔室的横截面(相对于所得到的气流轴线)可以是任何形式，例如圆形、椭圆形、矩形，并且可以沿着气体流动的方向修改。
42.在腔室(1)中，存在用于以下的外部连接件(端口)：
43.·
超声震荡单元(2)，
44.·
来自外部的一个或多个进料器(3)(例如，线材或棒材进料器)，
45.·
用于熔化材料的热源(5)，优选地使用电力(4)，例如电弧焊炬(gtaw、gmaw)、等离子炬(ptaw)、感应加热器，
46.·
在从(绝对值)10kpa至600kpa的压力范围中和在垂直于气体路径的横截面中在从0.2到25m/s的平均速度下的带有用于特殊用途(例如，用于降低表面张力和滴大小、减少原料中存在的氧、类似于镁的氧化性合金的情况下的防火保护等)的可选添加剂的惰性气体(例如氮气、氩气、氦气)，其中气体可以从独立端口(单个或几个)、热源端口(5)或熔体进料器端口(3)或使用这些端口的任何组合进行供应，
47.·
水或其他冷却介质，其中在腔室、出口和超声震荡单元周围的水套中发生热交换。