CN107225232A - 一种增材制造用金属粉末的制备方法 - Google Patents

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朱学新
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刘建
王志刚
安宁
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Abstract

本发明涉及一种增材制造用金属粉末的制备方法，该方法以特定粒度范围的粉末为原料，通过整形处理得到适用于增材制造工艺的金属粉末。粉末原料包括但不限于气雾化、水雾化、破碎等方法制备的不锈钢、工具钢、铝合金、铜合金、镍基高温合金、钛合金粉末等。与现有技术相比，该方法可以高效率、低成本地制备流动性好、松装密度高、球形度好的金属粉末，满足了增材制造对金属粉末的技术要求。

Description

一种增材制造用金属粉末的制备方法
技术领域
本发明属于球形粉体材料的制备技术领域，涉及一种增材制造用金属粉末的制备方法。
背景技术
增材制造技术又称为3D打印技术，它是通过逐层叠加的方式来构造物体。相对于传统的减材或等材制造，增材制造在复杂形状实现、材料利用率等方面具有明显优势。可以预见，在工业制造步入智能化、精密化的新阶段，3D打印将取得广泛应用。近年来，3D打印技术正逐渐应用于实际产品的制造，特别是金属3D打印，发展尤为迅速。而在金属3D打印中，粉末材料的性能很大程度上决定了打印成品的性能，因此也成为制约该项技术发展的关键因素。
在金属3D打印中，粉末材料的流动性指标尤为关键，因为无论是铺粉还是送粉，都需要粉末能够流畅地展开或流出。也正是因为这一点，金属3D打印的粉末材料一般都要求为球形粉末。目前能够用于3D打印的金属材料包括钛、铝、不锈钢、工具钢等，这些材料的球形粉末制备主要以气雾化法为主，另外还包括等离子旋转电极、等离子火炬雾化等方法。后两种方法主要用于钛粉制备，但由于粉末粒径和制备成本的问题限制了其应用范围，而应用最为广泛的气雾化法又不同程度地存在卫星球、粉末粘连等问题，极大地制约了粉末的流动性能。因此提供一种高效率、低成本的3D打印粉末制备方法十分重要。
针对3D打印用金属粉末，研究人员提出了很多解决粉末流动性的方法。常规提高粉末的流动性的方法一种是在雾化过程中提高粉末的球形度，包括增大罐体尺寸、提高合金过热度、增加雾化压力、干预雾化气流等方法，但这些方法除增加生产成本之外，还会增加工艺不稳定因素，而且很难保证全粒度范围粉末的高球形度。另一种是通过后续处理改善流动性，大致分为两类，一是改变粉末形貌，如等离子球化，二是添加分散剂降低粉末粘连和团聚。等离子球化需要建立高温等离子体，而且粉末流量较小(＜10KG/h)，所以在成本和效率上都有限制。添加分散剂给粉末引入了杂质，对3D打印成品性能极为不利。另外还有利用球形介质与粉体作用进行表面球化的方法，但这种方法易产生污染且处理速度较慢。
发明内容
本发明为克服3D打印金属粉末制备存在的技术缺陷，提供了一种生产流动性好、松装密度高、球形度好的金属粉末的方案，利用该方法可以快速、低成本地制备满足3D打印要求的金属粉末。
一种增材制造用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
(1)获取需求粒度范围的金属粉末；
(2)将步骤(1)所述的金属粉末送入整形设备，在所述整形设备内所述金属粉末在颗粒间相互摩擦、揉搓、研磨及与设备相互作用下形成球形；
(3)在收集器内收集粉末后直接得到或通过筛分、配比得到金属增材制造工艺用金属粉末。
进一步，步骤(1)中所述的金属粉末包括但不限于不锈钢粉末、工具钢粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、镍基高温合金粉末、钛合金粉末。
进一步，步骤(1)中所述的金属粉末是由包括但不限于水雾化、气雾化、破碎、电解、或还原工艺制备的。
进一步，步骤(1)中所述的需求粒度范围是指不同金属增材制造工艺需求的粒度范围或预先设定的粒度范围，所述粒度范围的粒度上限为250微米。
进一步，步骤(2)中所述整形设备为盘磨装置；所述盘磨装置包括两个相对运动的磨盘，粉末在两个磨盘之间依靠颗粒间的研磨、揉搓和摩擦的相互作用及与磨盘的相互作用形成球形粉末。
进一步，所述的金属增材制造工艺包括激光熔覆。
本发明针对增材制造用金属粉末对流动性的要求，提出了一套高效、低成本的处理工艺用于球形粉末制备。处理过程中粉末在颗粒间研磨、搓揉和摩擦的相互作用以及与设备相互作用下渐变为球形，有效改善了粉末形貌，提高了流动性和松装密度。
本发明所提供方法具有可处理粉末的粒度范围广(0-250μm)、处理速度快(＞200kg/h)、过程中不引入杂质、能耗低等特点，而且本方法兼具改善粉末形貌和降低粉末团聚的能力，能够极大地提高粉末的流动性和松装密度，非常适用于制备3D打印用金属粉末。值得一提的是，虽然目前应用于3D打印的粉末主要以球形粉末制备方法为主，但其他制备方法如水雾化法、电解法等制取的粉末也有应用于3D打印的趋势，本方法也可应用于此类粉末改善形貌、提高流动性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1为实施例1中处理后的粉末形貌图。
图2为实施例2中处理后的粉末形貌图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出
实施例1：
一种三维印刷工艺(3DP)用316L不锈钢粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：获取需求粒度范围的金属粉末；
步骤2：将步骤1的粉末送入整形设备；
步骤3：在收集器内直接获取处理后的316L不锈钢粉末；
其中步骤1获取的金属粉末为气雾化法制备的316L不锈钢粉末，成分为C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Ni:10.0-14.0，Cr:16.0-18.0，Mo:2.0-3.0，粒度为20-45μm。步骤2中粉末流量为500KG/h。处理结束后在收集器中直接获取成品粉末。本实施例得到的316L不锈钢粉末形貌如图1所示，平均粒径为30.59μm，流动性14.5S/50g，松装密度4.2g/cm3。粉末在打印过程中流动性能良好，成形零件变形小，组织均匀，力学性能满足使用要求。
实施例2：
一种选区激光熔化工艺(SLM)用模具钢粉末的制备方法，包括如下步骤：步骤1：获取需求粒度范围的金属粉末；
步骤2：将步骤1的粉末送入整形设备；
步骤3：将收集器内的粉末经过筛分得到15-53微米粒度的粉末；
其中步骤1获取的金属粉末为气雾化法制备的模具钢粉末，成分为标准1.2709牌号，粒度为-100目。步骤2中粉末流量为700KG/h。处理结束后将收集器内的粉末经过筛分获取15-53μm的成品粉末。本实施例得到的模具钢粉末形貌如图2所示，平均粒径为34.56μm，流动性13.7S/50g，松装密度4.15g/cm3。粉末在打印过程中流动性能良好，组织均匀，力学性能满足使用要求。
实施例3：
一种三维印刷工艺(3DP)用铜合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：获取需求粒度范围的金属粉末；
步骤2：将步骤1的粉末送入整形设备；
步骤3：在收集器内直接获取处理后的铜合金粉末；
其中步骤1获取的金属粉末为气雾化法制备的CuSn合金粉末，粒度为15-53μm。步骤2中粉末流量为400KG/h。处理结束后在收集器中直接获取成品粉末。本实施例得到的CuSn粉末平均粒径为33.9微米，流动性11S/50g，松装密度4.85g/cm3。粉末在打印过程中流动性能良好，成形零件变形小，组织均匀，力学性能满足使用要求。
实施例4：
一种激光熔覆工艺用316L粉末的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：获取需求粒度范围的金属粉末；
步骤2：将步骤1的粉末送入整形设备；
步骤3：在收集器内直接获取处理后的不锈钢粉末；
其中步骤1获取的金属粉末为气雾化法制备的316L合金粉末，粒度为53-105μm。步骤2中粉末流量为800KG/h。处理结束后在收集器中直接获取成品粉末。本实施例得到的316L粉末平均粒径为71.21μm，流动性14s/50g，松装密度4.5g/cm3。粉末在激光熔覆过程中出粉流畅，成品满足使用要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取需求粒度范围的金属粉末；
(2)将步骤(1)所述的金属粉末送入整形设备，在所述整形设备内，金属粉末在颗粒间相互摩擦、揉搓、研磨及与设备相互作用下形成球形；
(3)在收集器内收集粉末后直接得到或通过筛分、配比得到金属增材制造工艺用金属粉末。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的金属粉末包括但不限于不锈钢粉末、工具钢粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、镍基高温合金粉末、钛合金粉末。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的金属粉末是由包括但不限于水雾化、气雾化、破碎、电解、或还原工艺制备的。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造工艺用金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的需求粒度范围是指不同金属增材制造工艺需求的粒度范围或预先设定的粒度范围，所述粒度范围的粒度上限为250微米。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述整形设备为盘磨装置；所述盘磨装置包括两个相对运动的磨盘，粉末在两个磨盘之间依靠颗粒间的研磨、揉搓和摩擦的相互作用及与磨盘的相互作用形成球形粉末。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述的金属增材制造工艺包括激光熔覆。
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