增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置

本发明涉及3d打印，更具体的说是增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置。

背景技术：

1、3d打印技术是一种采用激光对材料逐道熔化、逐层堆积，可实现任意复杂形状“近净”成型的变革性制造技术。与传统的车削加工等减材和等材制造技术不同，增材制造通过逐层熔化堆积的方式得到复杂的零件构型，具有短周期、低成本、省材料等独特优势。更为重要的是，3d打印在制造体积小、结构复杂的物体方面有很大的优势，因此3d打印技术有着极为广阔的发展前景。

2、但上述3d打印技术，在目前的专利以及研究中有通过改变3d打印中气体和颗粒速度的不同来影响3d打印的质量，例如：双拉瓦尔效应冷式熔滴累积的3d打印焊枪装置及焊接方法)，但未有人对其进行定量的研究。本发明公开可测试不同颗粒的气携性能，得到不同角度以及不同种类、尺寸的颗粒的临界速度。同时，高速颗粒进入熔池熔池的行为，通常是通过数值模拟方法，来计算单一某一方面的表现，如熔池的张力大小例如：一种选区激光熔化技术下熔池表面力的高精度计算方法，难以得到颗粒的沉降速度等结果，且缺少实验来证明数值分析结果的准确性.本发明公开可直观观察到不同速度下、不同种类、尺寸颗粒落入模拟熔池中的动态行为。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明公开发明了一种增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置。以便解决气体速度难以选择以及金属颗粒滴入熔池时易引起溅射或沉降不足的问题。

2、测量金属颗粒的气携性能时，可得到不同角度下气体携带微米金属颗粒的临界速度，气体处于临界速度时，在测量管道中会出现明显的颗粒带，此时的速度我们称之为临界速度，因此通过角度调节装置设定好角度后，可通过气体流量控制器来调节气体速度，再通过伯努利方程计算出测量管道中气体的速度。

3、增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，包括粉末供应系统、测试系统、成像系统、试验台固定系统，其特征在于：四个系统协同配合可以完成增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试。

4、所述粉末供应系统包括粉末漏斗、粉末流量控制器、粉末混合三通、氩气瓶、气体管道a、气体流量控制器、气体管道b、气体管道c和气体管道d。

5、所述粉末混合三通的上侧为粉料进口，右侧为气体进口，左侧为气粉混合出口；

6、所述粉末漏斗连接在漏斗支架的上部，粉末流量控制器连接在粉料进口处；

7、所述氩气瓶上连接有气体管道a，气体管道a与气体流量控制器连接，气体流量控制器与气体管道b连接，气体管道b与气体进口连接，气体管道c与气粉混合出口连接；气体管道c与盘管a连接，盘管a与气体管道d连接。

8、所述测试系统包括盘管a、矩形玻璃管、盘管b、喷嘴和玻璃槽；

9、所述盘管a与气体管道c连接，气体管道d与盘管a连接，气体管道d与矩形玻璃管连接，矩形玻璃管与盘管b连接，盘管b与喷嘴连接，喷嘴设置在玻璃槽的上部。

10、所述矩形玻璃管用于气携性能测试，矩形玻璃管由测试管主体、测试管方向指针、量角板、角度调节滑块和支撑杆五部分组成；测试管主体和测试管方向指针之间为刚性连接，二者始终保持平行；测试管方向指针分别和量角板测量中心以及支撑杆通过铆钉连接，测试管方向指针允许和二者相对转动；量角板和平板通过螺栓连接，量角板和角度调节滑块组成导轨滑块结构，二者允许相对平移；支撑杆和角度调节滑块通过铆钉连接，二者允许相对转动，通过上下移动角度调节滑块实现测试管方向指针角度调节；

11、测试管主体部分分为内层玻璃管和外层玻璃管两部分，测试管主体用于临界速度的测量，在气体达到临界速度时会在测试管主体中出现粉末带，通过测试在不同角度下，不同材质、直径、尺寸和形状的金属粉末出现粉末带的速度，得出该条件下的临界速度。

12、所述测试管方向指针、量角板、角度调节杆用于规定矩形玻璃管的不同角度，在0～90°之间调节。

13、所述玻璃槽用于容纳高粘度1～50mpa·s液体，观察到高速颗粒0.5～5m/s从气体环境中入射高粘度液体后的动力学行为。

14、所述所述成像系统包括显示器、显微高速摄影机和显微目镜，所述显示器连接显微高速摄影机，用于将显微高速摄影机的电信号转换为可视信号；

15、所述显微高速摄影机，用于观察颗粒入水时的微观高速动态行为；

16、所述显微目镜用于观察临界速度时矩形玻璃管中出现的颗粒带。

17、所述试验台固定系统包括平板、背板和漏斗支架，平板上固定有背板，平板上固定有漏斗支架，粉末漏斗固定在漏斗支架上，盘管a、玻璃槽、粉末混合三通、显微高速摄影机和气体流量控制器均设置在平板上；矩形玻璃管、矩形玻璃管和显示器均设置在背板上。

18、本发明公开的有益效果是：

19、一、能够测量不同材质、直径、尺寸和形状金属颗粒在不同角度下的气携性能。可通过调节矩形玻璃管道的倾斜角度及气体流量控制计，来直接得到颗粒的入射角度以及空气在管道中的流速，再通过伯努利方程的计算即可得到气体在玻璃管道中的流速，从而测得不同条件下的金属颗粒的气携性能，对合理控制气体流速，减少气体速度过高导致金属颗粒速度过快引起的高能耗以及进入熔池后导致的熔池飞溅或形状不稳定具有重要意义。

20、二、具备观察高速颗粒0.5～5m/s从气体环境中入射高粘度1～50mpa·s液体后的动力学行为。通过高粘度液体模拟熔池，利用高速摄像机拍照从而可以得到高速微米金属颗粒在进入熔池后可能发生的详细的动态信息，有助于我们深入的连接金属微米颗粒用熔池之间可能发生的相互作用，可以直观的观察到不同速度下液体进入熔池后熔池形状的变化以及金属颗粒在熔池中的沉积速度，来观察影响3d打印质量的孔隙、颗粒堆积及不均匀现象的产生原因，为解决3d打印中结构缺陷及不均匀性方面均有重要价值。

技术特征：

1.增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，包括粉末供应系统、测试系统、成像系统、试验台固定系统，其特征在于：四个系统协同配合完成增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试，粉末供应系统和测试系统相连接，粉末供应系统、测试系统和成像系统设置在试验台固定系统上。

2.根据权利要求1所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述粉末供应系统包括粉末漏斗(1.1)、粉末流量控制器(1.2)、粉末混合三通(1.3)、氩气瓶(1.4)、气体管道a(1.5)、气体流量控制器(1.6)、气体管道b(1.7)、气体管道c(1.8)和气体管道d(1.9)。

3.根据权利要求2所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述粉末混合三通(1.3)的上侧为粉料进口，右侧为气体进口，左侧为气粉混合出口；

4.根据权利要求3所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述氩气瓶(1.4)上连接有气体管道a(1.5)，气体管道a(1.5)与气体流量控制器(1.6)连接，气体流量控制器(1.6)与气体管道b(1.7)连接，气体管道b(1.7)与气体进口连接，气体管道c(1.8)与气粉混合出口连接；气体管道c(1.8)与盘管a(2.1)连接，盘管a(2.1)与气体管道d(1.9)连接。

5.根据权利要求4所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述测试系统包括盘管a(2.1)、矩形玻璃管(2.2)、盘管b(2.3)、喷嘴(2.4)和玻璃槽(2.5)；

6.根据权利要求5所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述矩形玻璃管(2.2)用于气携性能测试，矩形玻璃管(2.2)由测试管主体(2.2.1)、测试管方向指针(2.2.2)、量角板(2.2.3)、角度调节滑块(2.2.4)和支撑杆(2.2.5)五部分组成；测试管主体(2.2.1)和测试管方向指针(2.2.2)之间为刚性连接，二者始终保持平行；测试管方向指针(2.2.2)分别和量角板(2.2.3)测量中心以及支撑杆(2.2.5)通过铆钉连接，测试管方向指针(2.2.2)允许和二者相对转动；量角板(2.2.3)和平板(4.1)通过螺栓连接，量角板(2.2.3)和角度调节滑块(2.2.4)组成导轨滑块结构，二者允许相对平移；支撑杆(2.2.5)和角度调节滑块(2.2.4)通过铆钉连接，二者允许相对转动，通过上下移动角度调节滑块(2.2.4)实现测试管方向指针(2.2.2)角度调节；

7.根据权利要求6所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述测试管方向指针、量角板、角度调节杆用于规定矩形玻璃管的不同角度，在0～90°之间调节。

8.根据权利要求6所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述玻璃槽(2.5)用于容纳高粘度1～50mpa·s液体，观察到高速颗粒0.5～5m/s从气体环境中入射高粘度液体后的动力学行为。

9.根据权利要求6所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述所述成像系统包括显示器(3.1)、显微高速摄影机(3.2)和显微目镜(3.3)，所述显示器连接显微高速摄影机，用于将显微高速摄影机的电信号转换为可视信号；

10.根据权利要求9所述的增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置，其特征在于：所述试验台固定系统包括平板(4.1)、背板(4.2)和漏斗支架(4.3)，平板(4.1)上固定有背板(4.2)，平板(4.1)上固定有漏斗支架(4.3)，粉末漏斗(1.1)固定在漏斗支架(4.3)上，盘管a(2.1)、玻璃槽(2.5)、粉末混合三通(1.3)、显微高速摄影机(3.2)和气体流量控制器(1.6)均设置在平板(4.1)上；矩形玻璃管(2.2)、矩形玻璃管(2.2)和显示器(3.1)均设置在背板(4.2)上。

技术总结本发明公开发明了一种用于增材制造金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试装置。测试对象主要是微米级金属颗粒，也适用于非金属粉末颗粒测试。该装置一个功能是可以在非水平输送管道中测试颗粒被携带的临界气体速度，为直接能量沉积粉末稳定高效输送提供多功能测试装置。该装置另一个功能是可以测试和观测高速颗粒从气体环境中入射高粘度液体后的动力学行为，为基于直接能量沉积的增材制造技术中粉末入射熔池后的动力学行为研究提供多功能观测装置。该装置主要包括粉末供应系统、测试系统、成像系统、实验台固定系统。四个系统协同配合可以完成增材制造中金属粉末的气携性能和颗粒入水动态行为测试。技术研发人员：姚利明,靳翔,周德开,范纵衡,吴英丹,郑孝源受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25