CN109014198A - 一种制备高性能纯钼金属件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种无模具制备高性能纯钼金属件的方法，属于粉末增材制造技术领域。首先采用三次气流磨技术处理得到流动性良好的钼粉，处理后的钼粉颗粒由团聚状态到分散状态、由不规则多晶形到近球形且粒径分布更窄，以满足增材制造工艺的要求。然后将钼粉在氢气气氛下还原处理以降低其氧含量。同时，通过计算机建模软件设计出复杂形状的工件示意图以及最优的加工策略(如扫描速度、扫描间距、扫描层厚和扫描方向等)，导出参数文件实现建模。将还原后的钼粉装入SLM选区激光熔化设备并导入参数文件，制备出最终复杂形状的钼金属件。该发明显著优化了原料粉末和SLM加工参数、降低了能耗，制备出的钼金属件接近全致密、组织结构均匀、综合力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于粉末增材制造技术领域，特别提供了一种制备高性能纯钼金属件的方法。
背景技术
钼的熔点高、饱和蒸气压低、线膨胀系数小、高温强度较高、较小的比电阻和膜应力、较好的耐酸碱性能以及良好的环保性能；钼金属件在热场、隔热屏、真空镀膜等领域具有广泛的应用。钼金属件的制造通常采用传统粉末冶金工艺，即“钼粉的制备－冷等静压－感应烧结－变形处理”，钼的高熔点导致钼粉烧结致密化困难，需要较高的烧结温度，造成较大的制造能耗；并且在制造形状复杂的件时往往还需较多的机加工和后处理。粉末冶金方法烧结温度对组织的影响很大，温度不同，组织不同，晶粒大小也不同。粉末压制时需要使用坩埚，模具等，容易造成污染，难以制备高纯度的钼板坯。不仅如此，使用模具也难以制备形状复杂和特定尺寸的钼金属件。选区激光熔化技术在制备形状各异的纯Mo金属件领域有着广泛的应用。选区激光熔化(SLM)是一种新型的AM/3D打印技术，它具有无模具生产，快速制备出任何形状的三维部件等独特优势。但选区激光熔化制备钼金属件存在两个问题：易开裂和致密度偏低，大大增加了材料制备加工难度，零件制造成本非常高。难以制备出高致密且性能优异的3D打印纯钼产品的原因主要有两点：一是3D打印往往需要选用流动性非常好的球形粉末，而现有的钼粉团聚现象严重，流动性差，不宜直接用于激光快速成形。采用等离子球化工艺虽然能够制备出球形度高的球形钼粉，但是球形粉末产率低，粉末粒径分布不均匀，制备成本高，因此粒径分布均匀、低氧含量钼粉的制备技术限制了激光快速成形件制备技术的发展；二是钼的SLM制备过程中的“球化”现象(导致产品低致密度)和“网格裂纹”现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用选区激光熔化(SLM)技术制备复杂形状的高性能纯钼金属件的方法。以高纯多晶形钼粉为原料，通过改变钼粉颗粒由团聚状态到分散状态、由不规则多晶形到近球形且粒径分布更窄，以满足增材制造工艺过程中粉末高流动性的要求。该方法有助于解决钼产品致密化困难和加工难度高问题，还能显著降低粉末制备成本和工艺能耗。
一种制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：首先采用多次气流磨技术处理得到分散均匀、粒度分布窄的近球形钼粉，然后在氢气氛围的高温炉中对钼粉进行还原，得到低氧含量且流动性良好的还原钼粉；将气流磨后不同粒径的近球形钼粉混合；同时，通过计算机建模软件设计出复杂形状的工件示意图以及控制扫描速度、扫描间距、扫描层厚和扫描方向，导出打印文件；清洗选区激光熔化设备的送粉罐，打印室，确保打印环境纯净无污染；接着，将粉末装入SLM装置并导入打印文件制备出复杂形状的钼金属件，制备工艺如图1所示，具体工艺步骤为：
1、气流磨处理钼粉：原料粉末为粒径不等的多晶形钼粉，采用对喷式气流磨装置。设定研磨腔压力为0.5～1.0MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.05％，在分选轮的频率为15～60Hz的范围内对钼粉进行处理。采用三次气流磨工艺，即第一次气流磨在45～60Hz高频对钼粉进行初步分散和整形，第二次气流磨在30～45Hz中频对钼粉进行再次分散和整形，第三次气流磨在15～30Hz低频进一步对钼粉整形并粒径筛分，使粉末表面更加圆滑，进一步提高粉末的流动性，气流磨最后得到粒度分布窄、分散良好的近球形钼粉；
2、粉末还原：将气流磨处理后的混合钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600～650℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60～120min得到低氧含量的钼粉；
3、建模：首先用3D Max软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在Materialise Magics软件导出参数文件。以激光能量密度表征加工参数，如附图2所示；
4、选区激光熔化(SLM)成形：首先将模型文件导入SLM选区激光熔化设备的计算机系统，将还原后的气流磨钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，待建造室内氧含量≤0.05％后方可启动激光扫描，实现全程全自动打印成形。最终得到复杂形状且高致密(>98％)的钼金属件。
进一步地，所述的目标高致密度钼金属件，纯度为99.99％以上，致密度达98％以上。
进一步地，采用三次气流磨工艺处理后的钼粉平均粒径分布窄，粉末分散良好，形貌呈现近球形，流动性好，比表面积增大，烧结活性提高，可获得良好的熔池，提高打印质量。
进一步地，采用管式炉还原后钼粉的氧含量≤0.01％。
进一步地，SLM各个工作参数为：激光功率E为380W，扫描速度200～700mm/s，扫描间距80～120μm，扫描层厚30～50μm，建造舱氧含量≤0.05％，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，可以减弱裂纹扩展行为，平衡残余应力，获得高性能的纯钼金属件。
本发明从优化原料粉末的角度出发，对原料钼粉进行气流磨处理，增强原料粉末的流动性，提高粉末激光吸收率，实现致密化。并设计出最优的制备加工参数加以建模，采用选区激光熔化(SLM)3D打印技术，设计出特定的扫描策略减弱裂纹扩展行为，平衡残余应力，提高材料性能，制备具有复杂形状的高性能纯钼金属件。
此技术方案的主要技术优点在于：
(1)气流磨处理原料多晶钼粉，可得到近球形的钼粉，改变钼粉流动性，比表面积增大，烧结活性提高，钼粉充分熔融，获得良好的熔池，提高打印质量；
(2)采用管式炉氢气还原可以进一步降低钼粉含氧量。
(3)首次采用45°旋转交替网格式的扫描策略，减弱裂纹扩展行为，平衡残余应力，制备具有复杂形状的高性能纯钼金属件。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为激光扫描策略示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
原料粉末为平均粒径约15μm的多晶形钼粉，共15kg，采用对喷式气流磨装置。设定研磨腔压力为0.5～1.0MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.5％。第一次气流磨在45～60Hz处理，第二次气流磨在30～45Hz处理，第三次气流磨在15～30Hz处理，最后得到平均粒径约为10μm的近球形钼粉。将得到的钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600～650℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60～120min。用3D Max软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在Materialise Magics软件导出参数文件。用无水乙醇分别清洗送料罐，送粉器，铺粉器和基板，吹风机吹干。用氩气枪吹洗建造室和余料回收管。把还原后的混合钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，建造室内氧含量≤0.05％。选区激光熔化参数设置为：激光功率E为380W，扫描速度v为300mm/s，扫描间距h为20μm，扫描层厚为30μm，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，实现全程全自动打印成形。最终得到复杂形状钼金属件，致密度>98.9％。
实施例2
原料粉末为平均粒径约30μm的多晶形钼粉，共15kg，采用对喷式气流磨装置。设定研磨腔压力为0.5～1.0MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.5％。第一次气流磨在45～60Hz处理，第二次气流磨在30～45Hz处理，第三次气流磨在15～30Hz处理，最后得到平均粒径约为26μm的近球形钼粉。将得到的钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600～650℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60～120min。用3D Max软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在Materialise Magics软件导出参数文件。用无水乙醇分别清洗送料罐，送粉器，铺粉器和基板，吹风机吹干。用氩气枪吹洗建造室和余料回收管。把还原后的混合钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，建造室内氧含量≤0.05％。选区激光熔化参数设置为：激光功率E为380W，扫描速度v为400mm/s，扫描间距h为50μm，扫描层厚为35μm，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，实现全程全自动打印成形。最终得到复杂形状钼金属件，致密度>98.5％。
实施例3
原料粉末为平均粒径约30μm的多晶形钼粉，共15kg，采用对喷式气流磨装置。设定研磨腔压力为0.6MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.5％。第一次气流磨在45Hz处理，第二次气流磨在45Hz处理，第三次气流磨在30Hz处理，最后得到平均粒径约为30μm的近球形钼粉。将得到的钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600～650℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60～120min。用3D Max软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在Materialise Magics软件导出参数文件。用无水乙醇分别清洗送料罐，送粉器，铺粉器和基板，吹风机吹干。用氩气枪吹洗建造室和余料回收管。把还原后的混合钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，建造室内氧含量≤0.05％。选区激光熔化参数设置为：激光功率E为380W，扫描速度v为400mm/s，扫描间距h为50μm，扫描层厚为35μm，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，实现全程全自动打印成形。最终得到复杂形状钼金属件，致密度>99.5％。
实施例4
原料粉末为平均粒径约30μm的多晶形钼粉，共15kg，采用对喷式气流磨装置。设定研磨腔压力为0.9MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.5％。第一次气流磨在45Hz处理，第二次气流磨在30Hz处理，第三次气流磨在15Hz处理，最后得到平均粒径约为21μm的近球形钼粉。将得到的钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60min。用3DMax软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在Materialise Magics软件导出参数文件。用无水乙醇分别清洗送料罐，送粉器，铺粉器和基板，吹风机吹干。用氩气枪吹洗建造室和余料回收管。把还原后的混合钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，建造室内氧含量≤0.05％。选区激光熔化参数设置为：激光功率E为380W，扫描速度v为400mm/s，扫描间距h为50μm，扫描层厚为40μm，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，实现全程全自动打印成形。最终得到复杂形状钼金属件，致密度>99％。
以上所述仅为本发明的实施例子，不因此限制本发明的专利使用范围，凡直接或间接运用在其他相关的技术领域，或者利用本发明说明书内容所作的等效结构或类似的生产流程，均将包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：首先采用多次气流磨技术处理得到分散均匀、粒度分布窄的近球形钼粉，然后在氢气氛围的高温炉中对钼粉进行还原，得到低氧含量且流动性良好的还原钼粉；将气流磨后不同粒径的近球形钼粉混合；同时，通过计算机建模软件设计出复杂形状的工件示意图以及控制扫描速度、扫描间距、扫描层厚和扫描方向，导出打印文件；清洗选区激光熔化设备的送粉罐，打印室，确保打印环境纯净无污染；接着，将粉末装入SLM装置并导入打印文件制备出复杂形状的钼金属件，具体工艺步骤为：
步骤一、采用对喷式气流磨装置对原料钼粉进行处理，设定研磨腔压力为0.5～1.0MPa，采用氮气作为研磨介质，使研磨腔内氧含量≤0.5％，在分选轮的频率为15～60Hz的范围内对钼粉进行处理；采用三次气流磨工艺，即第一次气流磨在45～60Hz高频对钼粉进行初步分散和整形，第二次气流磨在30～45Hz中频对钼粉进行再次分散和整形，第三次气流磨在15～30Hz低频进一步对钼粉整形并粒径筛分，最后得到平均粒径分布均匀、粒度分布窄、分散良好的近球形钼粉；
步骤二、粉末还原：将气流磨处理后的混合钼粉放入管式炉中，通入高纯氢气，于600～650℃、升温速率为7℃/min的条件下还原60～120min得到低氧含量的钼粉；
步骤三、首先用3D Max软件绘制零件三维示意图，然后设置加工参数，在MaterialiseMagics软件导出参数文件；
步骤四、采用SLM选区激光熔化设备，首先将模型文件导入计算机系统，把气流磨处理且还原后的钼粉载入送粉罐，随后在钼基板铺上层厚约为50μm的粉末，采用高纯氩气进行保护，待建造室内氧含量≤0.05％后方可启动激光扫描，实现全程全自动打印成形，最终得到复杂形状且高致密的钼金属件。
2.根据权利要求1所述的制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：所述的目标高致密度钼金属件，纯度为99.99％以上，致密度达98％以上。
3.根据权利要求1所述的制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：采用三次气流磨工艺处理后的钼粉平均粒径分布窄，粉末分散良好，形貌呈现近球形，流动性好，比表面积增大，烧结活性提高，可获得良好的熔池，提高打印质量。
4.根据权利要求1所述的制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：采用管式炉还原后钼粉的氧含量≤0.01％。
5.根据权利要求1所述的制备高性能纯钼金属件的方法，其特征在于：SLM各个工作参数为：激光功率E为380W，扫描速度200～700mm/s，扫描间距80～120μm，扫描层厚30～50μm，建造舱氧含量≤0.05％，扫描策略采用45°旋转交替网格式扫描，可以减弱裂纹扩展行为，平衡残余应力，获得高性能的纯钼金属件。
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