CN109482893A - 一种增材制造用球形金属粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增材制造用球形金属粉末的制备方法,包括以下步骤:气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。本发明通过施加电场控制细粒径粉末颗粒的飞行轨迹,减少颗粒间碰撞,有效降低卫星粉产生。本方法所制备粉末球形度高、流动性好,适用于作为增材制造用金属粉末。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域,特别涉及金属粉末材料制备技术领域。
背景技术
金属增材制造是近年来制造业领域兴起的一项新技术,相较于传统加工,其在复杂形状实现、产品定制化和材料利用率等方面具有独特优势。目前金属增材制造正在从模型设计逐渐应用于实际产品,其重要意义已经毋庸置疑,而随着金属增材制造的不断发展,增材制造粉末材料的需求也在日益增长。
不同类别的金属增材制造工艺所适用的粉末材料有所差异,但基本要求都是成分纯净、流动性好、粒径分布窄。基于上述要求,应用于增材制造的金属粉末多为球形粉末。目前,增材制造粉末材料的制备方法包括气雾化、等离子旋转电极、等离子火炬雾化、等离子球化等。其中,气雾化用于制备铁基、铝基、铜基、钴铬基等材料,后几种方法用于制备高熔点、高活性金属粉末。相较于其他球形粉末制备方法,气雾化的优势在于运行成本低、工艺简单、适用于规模化制备,但气雾化制备粉末存在卫星球、粉末粘连等问题,造成其流动性、松装密度等指标受限。虽然气雾化粉末能够满足当前多数增材制造工艺的使用要求,但近年来随着增材制造工艺和应用的不断深入,粉末材料的要求也在不断提高,但受限于粉末形貌,传统气雾化粉末在一些场合不能满足要求。其他如等离子旋转电极、等离子火炬雾化等方法制备铁基、铝基、铜基等粉末材料成本较高。因此提供一种高效低成本地高球形度金属粉末制备方法具有重要意义。
针对提高金属粉末的球形度,研究人员提出了多种方法。一类是在雾化过程中提高粉末的球形度,包括提高合金过热度、增加雾化压力、干预雾化气流、增大罐体尺寸等方法,但这些方法会一定程度地增加工艺不稳定因素,而且对粉末球形度的改善比较有限。另一类是通过后续处理改善粉末形貌,如等离子球化、高能球磨、气流磨等方法,但这些方法在成本和效率上都有限制。
发明内容
针对现有技术的上述问题,本发明提供一种增材制造用球形金属粉末的制备方法,所述方法能够降低卫星粉的比例,改善粉末形貌和提高流动性,满足流动性要求较高的增材制造工艺的需要。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种增材制造用球形金属粉末的制备方法,包括以下步骤:
气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;
静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;
其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。
本发明针对传统气雾化制备增材制造用金属粉末的技术缺陷,提出了一种有效改善粉末形貌的制备方法。在气体雾化工艺中,熔体破碎成金属液滴后随气流运动,由于气流场的复杂运动状态,不同大小、不同速度、不同凝固状态的金属颗粒相互碰撞形成卫星粉,限制了气雾化粉末的流动性、松装密度等指标。本发明通过在雾化工艺中引入静电技术,首先使金属液滴附带相同极性电荷。携带相同极性电荷的金属液滴存在一定的斥力,本身就能够减轻颗粒间碰撞。实际气雾化中卫星粉多由已经凝固的细小颗粒在雾化区域杂乱气流作用下附着到未凝固的较大颗粒表面而形成,考虑到雾化过程中高速气流运动状态的复杂性,本发明设计外加电场控制,通过所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,控制细粒径颗粒的运动轨迹,所述控制包括:使已凝固细颗粒粉末主要受到电场力的作用而远离雾化中心区域飞行,而电场力的作用对未凝固粗颗粒的影响有限,其主要还是在重力和雾化气体推力作用下沿雾化室下部和周壁落粉,从而减少已凝固细粉颗粒附着碰撞未凝固粗粉几率,从而有效改善粉末形貌,提高流动性和松装密度,满足流动性要求较高的增材制造工艺,如上供粉或同轴送粉工艺。
本发明的上述制备方法可适用用多种金属粉末的制备,包括但不限于不锈钢、工具钢、铝合金、铜合金、镍基高温合金、钛合金等。
其中,所述电荷供给装置包括但不限于感应充电、电晕充电、接触充电等方式。
进一步,所述气体雾化器雾化压力为3-5MPa。
进一步,所述电场强度为100V/m-800V/m。
进一步,所述细粒径粉末小于25μm。
进一步,还包括在收集器内收集粉末,并通过筛分、配比得到适应金属增材制造工艺需求的粉末。
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。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为实施例1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。
实施例1:
采用以下步骤制备用于选区激光熔化(SLM)用铜合金粉末:
步骤1:将金属或合金原料进行熔炼,得到金属熔体;
步骤2:气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;
步骤3:静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;
其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。
步骤4:在收集器内获取金属粉末后通过筛分得到选区激光熔化用粉。
具体为:其中步骤1金属为纯铜和纯锡单质金属,配料重量比例9:1,熔体温度900℃。步骤2中电荷供给装置为与产生正电荷的感应起电机相连的电荷供给棒,金属熔液与电荷供给棒接触,形成带电熔体。
实施例一中的控制策略为:根据CuSn10合金材质,设定雾化压力4.0MPa,电场强度为800V/m,目的是获得易于减少0-25μm细颗粒粉末对未凝固大颗粒的粘结。
本实施例一得到的CuSn10粉末如图1所示,由图1可见,粉末球形度好,且卫星粉末含量极低。成品粉末做显微镜观察粉末球形度平均值≥0.95,平均粒径为26.4微米,流动性12.5S/50g,松装密度4.8g/cm3,处理结束后在收集器中获取粉末后筛分为10-45μm的成品粉末。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
采用以下步骤制备用于选区激光熔化(SLM)用铝合金粉末:
步骤1:将金属或合金原料进行熔炼,得到金属熔体;
步骤2:气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;
步骤3:静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;
其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。
步骤4:在收集器内获取金属粉末后通过筛分得到选区激光熔化用粉。
具体为,其中步骤1合金为AlSi10Mg合金棒料,成分为Si:10.0-14.0%,Mg:0.25-0.45%,Fe<0.25%,Cu<0.05%,Mn<0.25%,Al余量,熔体温度720℃。步骤2中电荷供给装置为与感应起电机相连的电荷供给棒,金属熔液与电荷供给棒接触,形成带电熔体。
实施例二中的控制策略为:根据AlSi10Mg合金材质,设定雾化压力3.0MPa。电场强度为500V/m,目的是获得易于减少0-20μm细颗粒粉末对未凝固大颗粒的粘结。
本实施例二得到的AlSi10Mg粉末成品粉末做显微镜观察粉末球形度平均值≥0.9,平均粒径为31.12微米,流动性66S/50g,松装密度1.4g/cm3。处理结束后在收集器中获取粉末后筛分为15-53μm的成品粉末。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3:
采用以下步骤制备用于同轴送粉用铝合金粉末:
步骤1:将金属或合金原料进行熔炼,得到金属熔体;
步骤2:气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;
步骤3:静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;
其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。
步骤4:在收集器内获取金属粉末后通过筛分得到同轴送粉用粗粒径粉末。
具体为,其中步骤1其中步骤1合金为AlSi7Mg合金棒料,成分为Si:6.5-7.5%,Mg:0.45-0.6%,Ti:0.08-0.25%,Fe<0.2%,Cu<0.05%,Mn<0.2%,Al余量,熔体温度750℃。步骤2中电荷供给装置为与感应起电机相连的电荷供给棒,金属熔液与电荷供给棒接触,形成带电熔体。
实施例三中的控制策略为:根据AlSi7Mg合金材质,设定雾化压力3.5MPa。电场强度为400V/m,目的是获得易于减少0-15μm细颗粒粉末对未凝固大颗粒的粘结。
本实施例三得到的AlSi7Mg粉末成品粉末做显微镜观察粉末球形度平均值≥0.9。本实施例得到的AlSi7Mg粉末平均粒径为95.03微米,流动性44S/50g,松装密度1.46g/cm3。处理结束后在收集器中获取粉末后筛分为75-150μm的成品粉末。粉末在打印过程中流动性能良好,送粉均匀,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 (7)
1.一种增材制造用球形金属粉末的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
气雾化制粉,将金属熔体送入雾化器雾化为金属液滴,所述雾化器带有电荷供给装置,所述金属液滴在电荷供给装置的作用下带有同极性电荷;
静电场控制落粉,雾化区域两侧延伸至下方设置有由正负电极构成的水平静电场;
其中,根据金属粉末材质控制所述雾化器的气体压力和所述静电场的场强,使得在电场力、重力和雾化气体推力作用下,已凝固带同极性电荷细粉按远离未凝固粗粉的路径飞行落粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述金属粉末包括不锈钢、工具钢、铝合金、铜合金、镍基高温合金、钛合金。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电荷供给装置包括感应充电、电晕充电或接触充电。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述气体雾化器雾化压力为3-5MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电场强度为100V/m-800V/m。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述细粒径粉末小于25μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,还包括如下步骤:在收集器内收集粉末,并通过筛分、配比得到适应金属增材制造工艺需求的粉末。
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