CN109108301A - 基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法 - Google Patents

基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法 Download PDF

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程志瑶
李建明
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Abstract

本发明公开了基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，包括以下步骤：步骤1，先将金属母材进行预热处理；步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。本发明以激光束作为热源，以激光功率和激光扫描速度作为热输入的控制参量；利用激光辐照向金属母材表面快速传输热量并形成熔池，通过调控热输入控制参量和金属母材预热温度来精确控制熔池尺寸；再使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成粉末，在熔池尺寸、熔池表面温度和高速气流的耦合调控下实现雾化粉末的粒径控制。

Description

基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法
技术领域
本发明涉及金属材料粉碎作业技术领域，具体涉及基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法。
背景技术
金属粉体的制取方法可以分成机械法和物理化学法两大类。机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。物理化学法则是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。
雾化法是常用的粉末制备方法之一，它将金属液或合金液直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150μm，然后凝固成为粉末。雾化法可以用来制取多种金属粉末，也可制取各种预合金粉末。实际上，任何能形成液体的材料都可以进行雾化。用于制造大颗粒粉末的工艺称为“制粒”。它是让金属液通过小孔或筛网自动地注入空气或水中，冷凝后便得到金属粉末。这种方法制得的粉末粒度较粗，一般为0.5～1mm。借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为水雾化或气雾化。用离心力破碎液流称为离心雾化，在真空中雾化叫做真空雾化，利用超声波能量来实现液流的破碎称作超声波雾化。
传统的雾化制粉工艺中，熔体的尺寸处于随机状态，因此粉末的粒度分布较为随机，想要进一步提高粉末球形度也比较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的雾化制粉工艺中，熔体的尺寸处于随机状态，较难控制粉末的粒度分布，因此粉末的粒度分布较为随机，，本发明提供了解决上述问题的基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，本发明提出的激光作为热源的雾化制粉方法可以精确控制熔体尺寸，并进一步达到粉末粒径控制和提高球形度的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，包括以下步骤：
步骤1，先将金属母材进行预热处理；
步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。
进一步地，所述步骤2中，激光束与金属母材相对运动关系为：
a、金属母材固定，激光束相对金属母材移动；具体可采用机械臂、激光振镜等技术手段实现；
b、激光束保持固定，金属母材相对激光束移动；具体可采用数控机床等工作平台；
c、激光束与金属母材以独立或联动关系同时相对移动，即激光束和金属母材均可以独立移动，也可以联动，可以耦合两种或多种技术手段来实现。
进一步地，通过调节激光束的热输入控制参量和/或金属母材预热温度以控制金属母材上的熔池尺寸大小。
进一步地，所述热输入控制参量包括激光功率和激光扫描速度。
通过调控热输入控制参量和金属母材预热温度来精确控制熔池尺寸，其中热输入的控制参量是激光功率和激光扫描速度。提高激光功率或降低激光扫描速度，可以提升单位时间单位面积的热输入，从而增加熔池体积；反之，降低激光功率或提高激光扫描速度，可以降低单位时间单位面积的热输入，从而减小熔池体积。在热输入控制参量入不变时，可以通过提高金属母材预热温度的方法来增加熔池尺寸；金属母材预热可以通过感应加热或电阻加热等手段实现。
进一步地，通过耦合调控熔池尺寸、熔池表面温度以及高速气流压力以控制金属粉末的粒径分布。
增加熔池尺寸可以降低毛细作用力，增加熔池表面温度可以降低表面张力，提高雾化气体的流速可以增加破碎熔体的作用力，三者耦合调控可以减小粉末粒径；反之，减小熔池尺寸可以提高毛细作用力，降低熔池表面温度可以增加表面张力，降低雾化气体的流速可以减小破碎熔体的作用力，三者耦合调控可以增粗粉末粒径。耦合调控的熔池尺寸范围是0.01至20mm、熔池表面平均温度的调控范围是母材熔点至沸点，高速气流压力的调控范围是0.1至20MPa。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明通过感应加热或电阻加热作为金属母材预热温度的调控措施，使用激光辐照的能量熔化金属母材，以金属母材预热温度、激光功率、激光扫描速度作为调控熔池尺寸的工艺参数。然后使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成粉末，以熔池尺寸、熔池表面温度和高速气流的流速作为调控粉末粒径的工艺参数。
1、本发明与传统雾化制粉使用的热源不同，本发明以激光束作为热源，对金属母材的形状尺寸没有任何特殊要求；
2、传统雾化制粉工艺，熔体尺寸较大，熔体尺寸可控性差，不利于粉末粒径的控制；本发明的热源尺寸可控，进一步的可以实现熔池尺寸的控制，从而可以实现粉末粒径的精确调控；
3、本发明通过传统雾化制粉工艺制备难熔金属较为困难，本发明提供的激光雾化制粉方法不受金属母材熔点的限制，且可以用于多种不同熔点的金属材料的雾化制粉。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的雾化原理结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-金属母材，2-高速气流，3-激光束，4-熔池，5-粉末。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，如图1所示，具体操作如下：
步骤1，先将金属母材1进行预热处理；
步骤2，以激光束3作为热源，辐照向金属母材1表面传输热量、并在金属母材1上形成熔池4，同时使用高速气流2将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末5。通过调节激光束3的热输入控制参量和/或金属母材1预热温度以控制金属母材上1的熔池4尺寸大小；通过耦合调控熔池4尺寸、熔池4表面温度以及高速气流2流速以控制金属粉末5的粒径分布；所述热输入控制参量包括激光功率和激光扫描速度。
其中，激光束3与金属母材1相对运动关系为：
a、金属母材1固定，激光束3相对金属母材移动；
b、激光束3保持固定，金属母材1相对激光束移动；
c、激光束3与金属母材1以独立或联动关系同时相对移动。
实施例2
本实施例提供了基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，具体步骤如下：
步骤1，选取板状的CMSX-4合金作为金属母材，厚度为5cm，熔点约1400℃，先通过电阻加热将金属母材进行预热处理，将预热温度为T1＝500℃的金属母材作为原材料；
步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。其中，激光束与金属母材相对运动关系为：金属母材固定，激光束相对金属母材移动。具体操作过程中控制参数如下：
激光直径：d＝2mm
激光功率：P＝3000W
激光束和金属母材相对移动速度：v＝5000mm/min
熔池尺寸约为：3mm
高速气流的种类：氩气
高速气流压力：p＝3MPa
最终获得的粉体粒径分布为20-150μm，粉体平均粒径大小为60μm。
实施例3
本实施例提供了基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，具体步骤如下：
步骤1，选取板状的HR2合金作为金属母材，厚度为5cm，熔点约1400℃，先通过电阻加热将金属母材进行预热处理，将预热温度为T1＝25℃的金属母材作为原材料；
步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。其中，激光束与金属母材相对运动关系为：金属母材固定，激光束相对金属母材移动。具体操作过程中控制参数如下：
激光直径：d＝1.5mm
激光功率：P＝3000W
激光束和金属母材相对移动速度：v＝4000mm/min
熔池尺寸约为：3mm
高速气流的种类：氩气
高速气流压力：p＝3.5MPa
最终获得的粉体粒径分布为10-100μm，粉体平均粒径大小为40μm。
实施例4
本实施例提供了基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，具体步骤如下：
步骤1，选取板状的7075合金作为金属母材，厚度为3cm，熔点约为650℃，先通过电阻加热将金属母材进行预热处理，将预热温度为T1＝25℃的金属母材作为原材料；
步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。其中，激光束与金属母材相对运动关系为：激光束保持固定，金属母材相对激光束移动。具体操作过程中控制参数如下：
激光直径：d＝1mm
激光功率：P＝2000W
激光束和金属母材相对移动速度：v＝3000mm/min
熔池尺寸约为：3mm
高速气流的种类：氩气
高速气流压力：p＝2.5MPa
最终获得的粉体粒径分布为10-85μm，粉体平均粒径大小为35μm。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，先将金属母材进行预热处理；
步骤2，以激光束作为热源，辐照向金属母材表面传输热量、并在金属母材上形成熔池，同时使用高速气流将熔体破碎成小液滴并随后凝固成金属粉末。
2.根据权利要求1所述的基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，其特征在于，所述步骤2中，激光束与金属母材相对运动关系为：
a、金属母材固定，激光束相对金属母材移动；
b、激光束保持固定，金属母材相对激光束移动；
c、激光束与金属母材以独立或联动关系同时相对移动。
3.根据权利要求1所述的基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，其特征在于，通过调节激光束的热输入控制参量和/或金属母材预热温度以控制金属母材上的熔池尺寸大小。
4.根据权利要求3所述的基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，其特征在于，所述热输入控制参量包括激光功率和激光扫描速度。
5.根据权利要求3所述的基于激光熔化的金属材料雾化制粉方法，其特征在于，通过耦合调控熔池尺寸、熔池表面温度以及高速气流压力以控制金属粉末的粒径分布。
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