CN110961644A - 新型球形粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型球形粉末及其制备方法。步骤如下：将电极和工件置于电源的两极，通过运动控制系统调整所述电极和工件的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体作用于所述电极和工件表面，使所述电极和工件表面熔融，形成熔融区，同时，在所述放电间隙引入流体介质，控制所述流体介质的流速，控制所述电极或工件的相对转速，引起电弧等离子体工作形态的改变，使所述熔融区产生微小爆炸，抛离并粉碎位于所述熔融区的材料，粉碎后的所述材料在所述流体介质中冷凝，收集冷凝后的微细球形粉末；所述电极设置有中空腔或所述工件设置有中空腔。上述方法制得的球形粉末粒径小、颗粒形状规则、球形度好、空心粉和卫星粉含量低。

Description

新型球形粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属粉末的制备领域，特别是涉及一种新型球形粉末及其制备方法。
背景技术
随着工业技术的不断发展，新型材料和成型技术不断推陈出新，并广泛应用在国防和民用核心设备上，而这些设备普遍要面对复杂恶劣的工作环境，这就要求新材料应当具有非常高的强度和韧性，以及非常高的抗蠕变、抗疲劳、抗氧化和抗腐蚀的能力。伴随着对新材料性能上的高要求，也带来了这类材料的制备变得非常困难的问题。目前，这类材料的产品和零件大多选择近净成型技术来制备，例如：粉末冶金法、增材制造(3D打印技术)和注射成型。金属粉末是这些成型技术中最重要的原材料之一，金属粉末的稳定性、球形度、纯度，对采用上述成型技术制备新材料的加工性能具有非常重要的影响。
传统工艺中，制备球形金属粉末的工艺主要有气雾化类和旋转电极类。国内外学者对上述工艺制备的金属粉末打印工件的组织性能进行了大量研究。有研究者对比了气雾化和旋转电极粉末用于3D打印制造零部件的性能，在同一工艺条件下，使用气雾化法制备的镍基高温合金粉末成型零部件的孔隙率是旋转电极法的25倍，这主要是由于金属粉末流动性以及空心粉等因素造成零部件成型过程中的产生了微裂纹和孔洞。Arash等人采用3D打印技术制备零部件对比结果表明，使用气雾化粉末成型的零部件孔隙数量是相同工艺下旋转电极粉末成型零部件的3倍；但气雾化粉末成型零部件的平均晶粒尺寸更细小。目前气雾化粉末用于增材制造零部件的优势在于工艺成熟稳定，粉末粒径小，组织细小、元素偏析少，有利于提高零部件力学性能，降低选区激光熔化工艺用粉成本；但空心粉和卫星粉等因素增加了零部件内孔隙含量和微裂纹增多的风险；旋转电极粉末用于增材制造零部件的优势在于空心粉和卫星球极少，零部件成型致密，表面粗糙度小，对断裂及疲劳性能有利，但粉末制备成本高，粒度范围分布较窄，粉末粒径较大，用于3D打印技术比较困难。
发明内容
基于此，本发明提供一种新型球形粉末的制备方法，制得的金属粉末粒径较小、颗粒形状规则、球形度好、空心粉和卫星粉含量低。
具体技术方案为：
一种新型球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
将电极和工件置于电源的两极，通过运动控制系统调整所述电极和工件的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体作用于所述电极和工件表面时，促使所述电极和工件表面熔融，形成熔融区，同时，在所述放电间隙引入流体介质，通过控制所述流体介质的流速，以及所述电极或工件的相对转速，引起电弧等离子体工作形态的改变，促使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，粉碎后的所述熔融材料在所述流体介质中冷凝，收集冷凝后的微细球形粉末；
所述电极设置有中空腔和/或所述工件设置有中空腔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的新型球形粉末的制备方法将电极和工件分别置于电源的两极，以电弧等离子体作为高密度的能量热源，作用于电极和工件表面，使电极和工件表面熔融，形成微小的熔坑，即熔融区，同时，在电极和工件之间通入流体介质，通过电极和工件的相对移位和流体介质的移弧耦合作用，将熔融区的材料连续的从熔坑中抛离，提高颗粒的排出率，提高生产效率。同时，控制电极的转速或工件的转速、控制流体介质的流速，能够改变电弧等离子体的工作状态，使熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于熔融区的材料，将材料进一步细化，然后，粉碎抛离的熔融区材料在流体介质中急速冷却，细小颗粒在冷凝过程中因表面张力的收缩作用固化成球形的粉末，收集冷却后的粉末即为新型球形粉末。通过上述方法，解决了目前雾化制粉技术空心球和卫星粉多，旋转电极制粉技术效率低、粉末粒径大等诸多问题，制得的球形粉末粒径较小、颗粒形状规则、球形度好、空心粉和卫星粉含量低。
附图说明
图1为电弧微爆技术生产粉末的原理示意图；
图2为实施例1的球形金属粉末示意图；
图3为实施例2的球形金属粉末示意图；
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种新型球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
将电极和工件置于电源的两极，通过运动控制系统调整所述电极和工件的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体作用于所述电极和工件表面时，促使所述电极和工件表面熔融，形成熔融区，同时，在所述放电间隙引入流体介质，通过控制所述流体介质的流速，以及所述电极或工件的相对转速，引起电弧等离子体工作形态的改变，促使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，粉碎后的所述熔融材料在所述流体介质中冷凝，收集冷凝后的微细球形粉末；
所述电极设置有中空腔和/或所述工件设置有中空腔。
其中，将电极和工件置于电源的两极，可以理解为：将所述电极连接到所述电源的阳极，将所述工件连接到所述电源的阴极。也可以理解为，将所述电极连接到所述电源的阴极，将所述工件连接到所述电源的阳极。这种方法突破了现有工艺中，一般只能将工件连接在电源阴极的限制，对工件的外型没有特别的限定，同时，通过调换电极和工件的极性，通过调换电极和工件的极性，也可以提高球形粉末制备过程中的效率以及细粉收得率。
当所述电极连接到电源的阳极时，电源驱动电极旋转，此时，电极设置有中空腔。可以理解地，设置有中空腔的电极为设置有单管、多管和中空嵌套的电极。
在一些优选的实施例中，电极为设置有单管的电极，其局部结构如图1左侧所示，所述单管电极设置有电极组件110以及位于所述电极组件之间的通道管120。通道管设置有一个进口，以及一个出口，流体介质可以从通道管中的进口进入，从通道管中的出口流出。通道管的出口朝向工件，这样可以使流体介质流向工件。此外，流体介质也可以从通道管外130进入，顺着电极组件外表面，流向工件。
可以理解地，流体介质可以分别单独地从电极的中空腔内或中空腔外引入，也可以同时从电极的中空腔内和中空腔外引入。从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。中空腔内和中空腔外引入的流体介质分别独立地选自水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
水基介质优选为蒸馏水。
当所述工件连接到电源的阳极时，电源驱动工件旋转。此时，工件设置有中空腔。流体介质可以分别单独地从工件的中空腔内或中空腔外引入，也可以同时从工件的中空腔内和中空腔外引入。流体介质从工件的中空腔外引入可以理解为：流体介质顺着工件外表面流向电极。从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。中空腔内和中空腔外引入的流体介质分别独立地选自水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
水基介质优选为蒸馏水。
所述电源为脉冲电源，脉冲宽度为2μs-200000μs，脉冲间隔为2μs-200000μs。调整所述电极和工件的间隙产生电弧等离子体，优选地，所述放电间隙，即所述电极的放电端与所述工件的表面的距离为0.1mm-100mm。该距离可使电弧等离子体能够作用于电极和工件，并能保证流体介质通过时，具有很大的压力。所述电弧等离子体的中心温度高达10000K，可熔化绝大多数的导电材料，工件表面在其作用下熔融，形成半径范围在0.5mm-2mm的微小熔坑，即熔融区，此时，电极相对于工件作高速旋转的机械运动。
优选地，电源的供电参数还包括：间隙电压为10-160V，放电电流为5A-1000A。
优选地，所述电极为铜电极或石墨电极。
启动电源的同时，于所述电极和工件之间通入流体介质。图1展示了一个优选的通入流体介质的实施方式，如1中箭头表示流体介质的流动方向。图1右侧放电间隙的放大图，210为电弧等离子体，220为熔坑。通过电极/工件的相对移位和流体介质的移弧耦合作用，将熔融区的材料连续的从熔坑中抛离，提高颗粒的排出率，提高加工效率。同时，控制电极的转速或工件的转速、控制流体介质的流速，能够改变电弧等离子体的工作状态，使熔融区产生微小爆炸，粉碎位于熔融区的材料，将材料进一步细化。
当电极连接电源阳极时，优选地，所述电极的转速为100r/min-60000r/min。同理，当工件连接电源阳极时，优选地，所述工件的转速为100r/min-60000r/min。
优选地，流体介质初始通入时的流速为0.5L/min-500L/min。
可以理解地，所述电极的材料和工件的材料可以是相同的，也可以是不同的。
由于电弧等离子体的中心温度高达10000K，熔化绝大多数的导电材料，因此上述方法适用于多种导电粉末的制备。
而且，上述方法对工件的外形不做过多要求，工件可以是棒状、块状等规则或不规则的形态。
微爆粉碎后的材料在流体介质中急速冷却，粉碎的细小颗粒在冷凝过程中因表面张力的收缩作用固化成球形的粉末，最终成型的粉末球形度好，收集该粉末即为新型球形粉末。
通过上述方法，解决了目前雾化制粉技术空心球和卫星粉多以及旋转电极制粉技术的诸多问题，制得的球形粉末粒径较小、颗粒形状规则、球形度好、空心粉和卫星粉含量低。
以下结合具体实施例进行说明。
实施例1
本实施例提供一种新型球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
以块状304不锈钢作为工件，尺寸为100mm*100mm*20mm，将其清洗去污后，连接电源的阴极。将设置有单管的石墨电极连接电源的正极。所述电极的放电端与所述工件之间的距离为0.5mm。所述多管即指位于电极组件之间的若干个通道管，所述通道管的出口朝向该块状304不锈钢。
设置供电参数为：间隙电压为45V-55V，放电电流为500A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，启动电源，控制所述电极的转速为5000r/min。同时，于若干个所述通道管中通入蒸馏水，通入时，其流速为50L/min。在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于石墨电极和工件表面，熔融的材料随着蒸馏水连续排出，爆炸粉碎，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
加工0.1h后，称量知金属工件减重290g，即上述方法的加工效率达到2900g/h。获得的球形粉末如图2所示。
实施例2
本实施例提供一种新型球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
以棒状TC4(钛合金)作为工件进行加工，外径为
Figure BDA0002264304960000071
内径为
Figure BDA0002264304960000072
长度为100mm，将其清洗去污后，连接电源的阳极。将TC4电极连接电源的阴极，所述电极的放电端与所述工件之间的距离为1mm，所述棒状TC4设置有一个通道管，所述通道管的出口朝向TC4电极。
设置供电参数为：间隙电压为45V-55V，放电电流为500A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，启动电源，控制所述管旋转电极的转速为3000r/min。同时，于所述通道管中和通道管为通入蒸馏水，通入时，其流速为50L/min。在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于电极和工件表面，熔融的材料随着蒸馏水连续排出，爆炸粉碎，最后在蒸馏水中冷凝成球形粉末。
加工0.5h后，称量知金属工件减重850g，即上述方法的加工效率达到1700g/h。获得的球形粉末如图3所示。
由图2和图3可知，采用实施例1和实施例2的制备方法，得到的球形粉末粒径较小、颗粒形状规则、球形度好、空心粉和卫星粉含量低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种新型球形粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电极和工件置于电源的两极，通过运动控制系统调整所述电极和工件的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体作用于所述电极和工件表面时，促使所述电极和工件表面熔融，形成熔融区，同时，在所述放电间隙引入流体介质，通过控制所述流体介质的流速，以及所述电极或工件的相对转速，引起电弧等离子体工作形态的改变，促使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，粉碎后的所述熔融材料在所述流体介质中冷凝，收集冷凝后的微细球形粉末；
所述电极设置有中空腔和/或所述工件设置有中空腔。
2.根据权利要求1所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，通过所述运动控制系统调整所述电极和工件的相对位置，得到理想放电状态的电弧等离子体。
3.根据权利要求1所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，所述电极连接所述电源的阳极，所述工件连接所述电源的阴极，所述设置有中空腔的电极为设置有单管、多管或中空嵌套的电极。
4.根据权利要求3所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，所述流体介质从所述电极的管内和/或管外引入。
5.根据权利要求1所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，所述电极连接所述电源的阴极，所述工件连接所述电源的阳极，所述工件设置有中空腔。
6.根据权利要求5所述的新型球形粉末的制备方，其特征在于，所述流体介质从所述工件的中空腔内和/或中空腔外引入。
7.根据权利要求1-6任一项所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体。
8.根据权利要求1-6任一项所述的新型球形金属粉末的制备方法，其特征在于，所述电源为直流脉冲电源、直流恒流电源，交流脉冲电源或交流恒流电源。
9.根据权利要求1-6任一项所述的新型球形粉末的制备方法，其特征在于，所述电极和工件均为导体材料或弱导电材料，所述电极和工件的材料相同或不相同。
10.一种权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的新型球形粉末。
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