CN108907210A - 一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，属于增材制造领域。可针对不同的增材制造工艺对粉末的不同需求，对雾化粉末进行机械球磨、等离子球化，通过不同直径的磨球配伍和球磨参数协同作用，磨球制备得到所需粒径范围的球磨粉末，然后使用等离子球化对球磨粉末进行球化处理，得到粒径分布均匀、实心无缺陷、球形度高、流动性好的粉末，该粉末完全满足增材制造要求。

Description

一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法
技术领域
本发明提供一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，属于增材制造领域。
背景技术
增材制造技术在制备复杂形状构件方面具有独特的优势，同时可以提升生产效率和减少材料浪费，在航空航天、交通运输、生物医疗等领域有广阔的应用前景。
增材制造对粉末的需求量大、质量要求高，特别是要求无空心缺陷、球形度高、粒径分布均匀。其中，增材制造除对空心缺陷和球形度要求以外，粉床融合通常要求粉末粒径小于50μm，同轴送粉要求粉末粒径为15-100μm范围内。目前，增材制造用粉末主要采用气体雾化(AA)、等离子旋转电极(PREP)雾化等方法制备。其中，气体雾化制备的粉末细粉(粒径＜50μm)收得率高，但是空心粉末和卫星粉末多；旋转电极雾化制备的粉末综合质量好，但是细粉(粒径＜50μm)收得率低。
针对上述问题，中国专利(CN107999776A)公开了一种3D打印金属粉末的制备工艺，包括预处理混料、熔炼、金属粉浆料制备和鼓气雾化等，认为制备的3D打印金属颗粒粒径更小，球形度好，晶相结构更加稳定，使得金属粉末的粒径均匀性优异。中国专利(CN106112000A)公开了一种3D打印金属粉末的制备方法，包括配料、熔炼、脱氧、造渣、捞渣处理、鼓气成球、雾化成形、收集等步骤。在雾化成形之前，增加了鼓气成球的工艺：将氩气按照一定的比例注入到待用合金中，形成内部为氩气的待用合金液态珠，在雾化的过程中，由于温度的略微降低，同时压强降低，氩气作为动力极快地使金属体积扩大，然后经过雾化喷嘴的作用，同时氩气的扩张作用，使得雾化后的金属颗粒的粒径更小，粒度小于20μm的粉末一次成品率≥40％，球形度≥90％。中国专利(CN105344436A)公开了一种消除雾化合金粉末空心缺陷的方法，对雾化合金粉末进行短时间球磨处理，消除粉末颗粒内部空心缺陷，获得实心粉末。但该方法制备的粉末球形度低，流动性差，难以用于增材制造。
本发明提出一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，对雾化粉末进行高速长时间球磨，细化并初步控住粉末粒径及其粒径分布，消除空心缺陷，然后采用等离子球化处理得到高球形度、无空心缺陷、粒度分布均匀的金属粉末，完全满足增材制造的要求，提高了粉末利用率，未见国内外有相关的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前雾化粉末中粒径范围宽、卫星粉末多、存在大量空心缺陷的问题，采用本发明方法制得的粉末，粉末粒径均匀、实心无缺陷、球形度好、流动性高，满足增材制造要求。
本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，可针对不同的增材制造工艺对粉末粒径的不同需求，对雾化粉末进行球磨处理，通过磨球配伍和球磨参数的协同作用，使粉末变形、破碎，得到所需粒径范围的球磨粉末，并消除空心缺陷；然后使用等离子球化对球磨粉末进行球化处理，得到高球形度的粉末；最后对粉末进行筛分，去除少量异形、大尺寸粉末，得到完全满足增材制造要求的粒径均匀的实心球形金属粉末。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，通过对雾化金属粉末进行机械球磨、等离子球化实现，具体包括以下步骤：
(1)机械球磨；
(2)等离子球化；
(3)等离子球化粉末筛分；
所述的机械球磨中的磨球材料为不锈钢、硬质合金中的一种；
所述的机械球磨工艺中，加入雾化粉末总质量的0-0.9％、优选为0-0.6％的过程控制剂；所述机械球磨的转速大于等于200r/min、时间大于等于20h。入少量的过程控制剂的加入可以尽可能提高粉末的质量；但不能添加过多，过度加入，不仅影响粉末的质量，而且在球化过程中极易出现烟雾，产生碳残留。
所述等离子球化时，控制功率小于等于30kw。
所述等离子球化时，控制功率小于等于30kw、优选为小于等于28kw。
所述的等离子球化工艺，该工艺只对原料粉末有球化作用，并无破碎、细化粉末、改变粉末粒径的作用，使用该工艺处理的粉末粒径范围及分布与原料粉末保持一致。若原料粉末粒径分布均匀、实心无缺陷，则该工艺处理后粉末粒径分布均匀、实心无缺陷；反之若粉末粒径分布宽、具有空心缺陷则该工艺处理后粉末粒径分布宽、具有空心缺陷。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，所述的金属包括镍基、钴基、铁基、铝基、铜基和钛基纯金属及其合金中的一种。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，所述雾化金属粉末的粒度小于等于200μm。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，当增材制造所用粉末粒径为15-100μm时，磨球直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm，其质量比为1:2:1:5，球料比为8-12:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速200-250r/min,时间为20-30h。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，当增材制造所用粉末粒径为15-53μm时，磨球直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm，其质量比为1:1:1:2，球料比为10-14:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速280-330r/min,时间30-40h。
上述球磨工艺优选为湿磨。湿磨时，酒精根据实际需求加入。球磨完成后，过滤，滤液中会带走一部分加入的硬脂酸，使得残存于粉体中硬脂酸降到了一个极低的值。当然为了追求更高的粉末质量，也可在过滤后，对固体进行丙酮冲洗，过滤，进一步去除硬脂酸。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，所述等离子球化的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，球化速度为1-2kg/h。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，等离子球化粉末的筛分在充入有氩气气氛保护的真空手套箱内完成。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，所述的等离子球化工艺，球化后粉末球形度可达90％以上。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，经球磨和等离子球化处理后，所述的粉末中，粒径为15-100μm增材制造所用粉末的产率大于等于95％；
所述球磨的条件参数为：按质量比1:2:1:5依次选用磨球直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm的磨球，按球料质量比为8-12:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速200-250r/min,时间为20-30h；
所述等离子球化处理的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw、优选为10-25kw。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，经球磨和等离子球化处理后，所述的粉末中，粒径为15-53μm增材制造所用粉末的产率大于等于90％；优化后，粒径为15-53μm增材制造所用粉末的产率可大于等于92％。
所述球磨的条件参数为：按质量比1:1:1:2依次选用磨球直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm的磨球，按球料质量比为10-14:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速280-330r/min,时间30-40h；
所述等离子球化处理的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw、优选为10-25kw。
本发明一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，首次提出采用球磨来作为粉末粒径和粉末粒径分布初次控制(同时也是粒径的主要控制环节)，然后辅助低功率的等离子球化，完成对成品的粒径、球形度和实心度的控制的方案。
本发明的优点和积极效果：
(1)本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，采用不同直径的磨球进行配伍，再配合对球磨转速和时间的控制，对粉末进行多方位立体撞击，使得粉末变形、焊合、破碎，达到改变粉末粒径分布和消除空心粉末目的，通过适量参数的等离子球化处理，最终得到粉末粒径集中、实心无缺陷、球形度高、流动性好的增材制造用金属粉末。
(2)本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，采用不同直径的磨球配伍，结合不同球磨转速和球磨时间的协同作用，可达到控制粉末粒径及其分布的效果，适用于不同增材制造工艺对粉末粒径及其分布的要求。相比于现有球磨+等离子球化工艺中的球磨工艺，本发明通过提高球磨转磨转速和球磨时间以及配合适量的过程控制剂，来完成对粉末粒径及其分布初次控制；同时实现了粉末颗粒的密实，为得到实心球形粉提供了必要条件。
(3)本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，通过对球磨粉末等离子球化处理，最终粉末的球形度可达90％以上，满足增材制造的要求。相比于现有的球磨+等离子球化工艺中的等离子球化参数，本发明通过降低等离子功率、气体的流量，使得其实现只完成球化的功能；配合球磨工艺参数，实现对粉末粒径和粉末粒径分布的再次精准控制。
(4)本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，雾化合金粉末的球磨处理、等离子球化处理和筛分都在氩气保护气氛下进行，可严格控制粉末中的氧气含量。
综上所述，本发明提供了一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，可针对不同的增材制造工艺对粉末粒径的不同需求，通过不同直径的磨球配伍和球磨参数的协同作用，利用磨球制备得到所需粒径范围的粉末，然后使用等离子球化对球磨粉末进行球化处理，最后对粉末进行筛分，可得到粒径分布窄、实心无缺陷、球形度高、流动性好的粉末，该粉末完全满足增材制造要求。
附图说明
图1为实施例1所制备的粉末形貌图
图2为实施例2所制备的粉末形貌图
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步的阐述。
实施例一：
采用氩气雾化制取Renè104镍基高温合金粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，放入雾化粉末总质量的0.5％的硬脂酸以防止冷焊，根据球料质量比10:1，磨球的直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm，其质量比为1:2:1:5，称取磨球1500g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数225r/min，机械球磨时间25h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为4L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为5L/min，氩气等离子气体20L/min，功率25kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-100μm的粉末，几乎无纳米粉末的产生，见图1(其产率为96％)。所制备粉末实心无缺陷、球形度高，经检测粉末D10为34.5μm，D50为58.6μm，D90为87.9μm，粉末流动性好可用于粉床融合增材制造。
对比例1
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：等离子球化时，将功率提升至60kw；其所得产物中，粒径为15-100μm的粉末的产率为86％；且出现纳米级别的颗粒。
对比例2
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：添加硬脂酸的量为2％；采用磨球的直径大小为10mm、8mm、5mm＝1:2:1；进行球磨；球磨后；等离子球化时，控制功率为45kw；粒径为15-100μm的粉末的产率为89％；且所得产物中，粉体的流动性也差于实施例1并同时检出碳含量超标。
对比例3：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：球磨时间为50h；进行球磨；球磨后；等离子球化后；粒径为15-100μm的粉末的产率为81％。
对比例4：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：球磨转速为350r/min；进行球磨；球磨后；等离子球化后；粒径为15-100μm的粉末的产率为83％。
实施例二：
采用氩气雾化制取Renè104镍基高温合金粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，根据球料比11:1，磨球的直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm，其质量比为1:1:1:2，称取磨球1650g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数300r/min，机械球磨时间35h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为4L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为5L/min，氩气等离子气体20L/min，功率20kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-53μm的粉末，几乎无纳米粉末的产生(其产率为90％)，见图2。所制备粉末实心无缺陷、球形度高，经检测粉末D10为17.4μm，D50为29.7μm，D90为42.4μm，粉末流动性好可用于增材制造。
实施例三：
采用氩气雾化制取316L不锈钢粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，放入雾化粉末总质量的0.6％的硬脂酸以防止冷焊，根据球料比12:1，磨球的直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm，其质量比为1:2:1:5，称取磨球1800g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数250r/min，机械球磨时间30h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为3L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为5L/min，氩气等离子气体15L/min，功率20kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-100μm的粉末，几乎无纳米粉末的产生(其产率为95％)。所制备粉末粒径分布集中、实心无缺陷、球形度高，粉末流动性好，可用于增材制造。
实施例四：
采用氩气雾化制取316L不锈钢粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，放入雾化粉末总质量的0.9％的硬脂酸以防止冷焊，根据球料比14:1，磨球的直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm，其质量比为1:1:1:2，称取磨球2100g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数300r/min，机械球磨时间40h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为3L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为5L/min，氩气等离子气体15L/min，功率15kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-53μm的粉末(其产率为92％)，几乎无纳米粉末的产生。所制备粉末粒径分布集中、实心无缺陷、球形度高，粉末流动性好，可用于增材制造。
实施例五：
采用氩气雾化制取AlSi10Mg合金粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，放入雾化粉末总质量的0.6％的硬脂酸以防止冷焊，根据球料比10:1，磨球的直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm，其质量比为1:2:1:5，称取磨球1500g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数200r/min，机械球磨时间20h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为6L/min，氩气等离子气体15L/min，功率15kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-100μm的粉末(其产率为96％)，几乎无纳米粉末的产生。所制备粉末粒径分布集中、实心无缺陷、球形度高，粉末流动性好，可用于增材制造。
实施例六：
采用氩气雾化制取AlSi10Mg合金粉末，经筛分后得到粒径＜200μm的粉末，然后将粉末进行机械球磨，每一球磨罐放入150g粉末，放入雾化粉末总质量的0.6％的硬脂酸以防止冷焊，根据球料比12:1，磨球的直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm，其质量比为1:1:1:2，称取磨球1800g放入球磨罐中。对球磨罐密封，进行抽真空，真空度小于等于0.1Pa，充入高纯氩气。将球磨罐装入立式行星式球磨机，设置机械球磨参数，转数300r/min，机械球磨时间35h，进行机械球磨。
对收集的粉末进行等离子球化处理，球化处理参数为：球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2L/min，氩气冷却气体35L/min，氩气分散气体为6L/min，氩气等离子气体15L/min，功率12kw，球化速度为1kg/h。
球化后的粉末在充入氩气保护气体的手套箱中进行筛分，可得到粉末粒径为15-53μm的粉末(其产率为91％)，几乎无纳米粉末的产生。所制备粉末粒径分布集中、实心无缺陷、球形度高，粉末流动性好，可用于增材制造。

Claims (10)

1.一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：通过对雾化金属粉末进行机械球磨、等离子球化实现，具体包括以下步骤：
(1)机械球磨；
(2)等离子球化；
(3)等离子球化粉末筛分；
所述的机械球磨中的磨球材料为不锈钢、硬质合金中的一种；
所述的机械球磨工艺中，加入雾化粉末总质量的0-0.9％的过程控制剂；所述机械球磨的转速大于等于200r/min、时间大于等于20h；
所述等离子球化时，控制功率小于等于30kw。
2.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：所述的金属包括镍基、钴基、铁基、铝基、铜基和钛基纯金属及其合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：所述过程控制剂为硬脂酸。
4.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：当增材制造所用粉末粒径为15-100μm时，其制备条件为：磨球直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm，其质量比为1:2:1:5，球料比为8-12:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速200-250r/min，时间为20-30h。
5.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：当增材制造所用粉末粒径为15-53μm时，其制备条件为：磨球直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm，其质量比为1:1:1:2，球料比为10-14:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速280-330r/min,时间30-40h。
6.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：所述等离子球化的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw。
7.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：经球磨和等离子球化处理后，所的粉末中，粒径为15-100μm增材制造所用粉末的产率大于等于95％；
所述球磨的条件参数为：按质量比1:2:1:5依次选用磨球直径大小为10mm、8mm、5mm、3mm的磨球，按球料质量比为8-12:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速200-250r/min,时间为20-30h；
所述等离子球化处理的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw。
8.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：经球磨和等离子球化处理后，所的粉末中，粒径为15-53μm增材制造所用粉末的产率大于等于90％；
所述球磨的条件参数为：按质量比1:1:1:2依次选用磨球直径大小为20mm、10mm、8mm、5mm的磨球，按球料质量比为10-14:1，球磨罐内充氩气保护气体，采用行星式球磨机进行球磨，转速280-330r/min,时间30-40h；
所述等离子球化处理的参数为，球化过程中通入氩气保护，氩气载气流量为2-9L/min，氩气冷却气体20-70L/min，氩气分散气体为1-8L/min，氩气等离子气体10-30L/min，功率10-30kw。
9.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：球化速度为1-2kg/h。
10.根据权利要求1所述的一种制备增材制造用实心球形金属粉末的方法，其特征在于：等离子球化粉末的筛分在充入有氩气气氛保护的真空手套箱内完成。
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