CN111390193A - 一种无卫星球高球形度3d打印增材制造金属粉末及其制备方法与设备 - Google Patents

一种无卫星球高球形度3d打印增材制造金属粉末及其制备方法与设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料领域，具体公开了一种无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末及其制备方法与设备。本发明采用“环气流壁反卫星球”真空惰性气体雾化方法，先采用真空中频熔炼炉将金属材料熔化，然后使用超音速气体将熔化的金属熔体破碎、冷却制得具有一定粒度范围的金属合金粉末，在“环气流壁反卫星球”装置的辅助作用下，制备的3D打印增材制造金属合金粉末具有球形度高、卫星球少、流动性好和氧含量低的特点。本发明所采用的制粉方法，是一种新型的工艺简单、易于操作、产品粒度集中、球形度高、卫星球少、流动性好和氧含量低的3D打印增材制造金属合金粉末的制备方法。

Description

一种无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末及其制备方 法与设备
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末及其制备方法与设备。
背景技术
近年来世界各国正在不断加强3D打印技术的研发及应用。美国将“3D打印”研发中心作为新建的15个国家制造创新中心之首；欧洲航天局公布“将3D打印带入金属时代”的计划，旨在为宇宙飞船、飞机和聚变项目制造零部件，实现由一整块金属构成、不需要焊接或熔合的整颗卫星的整体制造；我国地方政府也非常重视3D打印产业，珠海、青岛、四川双流、南京等地先后建立了多个3D打印技术产业创新中心和科技园。
3D打印对原材料的要求比较苛刻，首先满足激光工艺的适用性；其次，低氧含量、细粒径、高球形度的钛及钛合金粉末或镍基、钴基高温合金粉末。目前高端的合金粉末和制造设备还主要依靠进口。
目前国内尚未针对3D打印技术用粉末开展相应的研究，如粉末成分、夹杂、物理性能对3D打印相关技术的影响及适应性。因此，本发明针对卫星球少、氧含量低、粉末粒径细以及球形度高的铝合金、钛合金、铁基合金以及镍基合金等金属合金粉末进行研究制备；并提高金属粉末产品成分纯度、物理性能的稳定性以及成品率。
发明内容
为解决上述问题，本发明首要目的在于提供一种环气流壁反卫星球的气雾化设备。
本发明再一目的在于提供一种通过上述设备制备无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末的方法。本方法可以有效提升金属粉末的球形度，减少粉末的“卫星球”含量，并减小粒度分布范围。
本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种环气流壁反卫星球的气雾化设备，包括中间包、雾化器、环气流壁反卫星球装置、雾化室；
所述中间包与雾化器相连，所述雾化器与雾化室相连；所述环气流壁反卫星球装置为垂直向下的小孔位于雾化室的顶部，并均匀地分布在雾化器的周围。
优选的，所述环气流壁反卫星球装置的孔径为1～10mm；更优选为3～5mm。所述雾化器具有拉瓦尔气体流道。
一种通过上述设备制备无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末的方法，具体为将金属原材料熔炼得到金属熔体，然后在环气流壁反卫星球的气雾化设备中使用超音速气体将熔化的金属熔体破碎成金属粉末。
进一步地，所述无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属原材料采用真空中频熔炼炉熔炼得到金属熔体；然后将所得金属熔体置于中间包并流向雾化器；
(2)将气体引入具有拉瓦尔气体流道的雾化器，并破碎步骤(1)所得金属熔体；
(3)在环气流壁反卫星球装置中通入辅助气，同时步骤(2)中破碎后的金属熔体在雾化室中冷却，最终收集得到金属粉末。
进一步地，步骤(1)所述的金属原材料为金属镍、金属钴、金属铬、金属铁、金属钛、金属铝、金属钼、金属钨等高纯原料中的至少一种。所述金属原材料的纯度大于99.9％。
进一步地，步骤(1)所述的各种金属原材料装填入真空中频熔炼炉并熔化。
进一步地，步骤(2)所述气体为氮气或惰性气体，压力为3.0～6.0MPa，流量为30.0～40.0m3/h。所述气体经过拉瓦尔喷嘴加速形成超音速气体。
进一步地，步骤(2)所述的超音速气体将金属熔体破碎成尺寸为0-150μm的金属熔滴，尺寸不为0；然后在“环气流壁反卫星球”装置下球化、冷却、收集得到球形度好、纯度高的金属粉末。
进一步地，步骤(3)所述辅助气为氮气或惰性气体，压力为0.5～1.0MPa，流量为10.0～30.0m3/h。
一种新型无卫星球高球形度3D打印增材制造金属合金粉末，通过上述方法制备得到。
本发明的有益效果如下：
本发明制备金属合金粉末的方法中，由于“环气流壁反卫星球装置”在雾化过程中通过外部补充气体，减小主气流周围产生负压涡流，从而减少雾化周边区域漂浮的超细粉末，从而使得金属粉末表面“卫星球”吸附极少甚至没有，粉末球形度高，粉末流动性大大提高。
附图说明
图1为本发明雾化及辅助装置示意图；
图中包括：1-中间包、2-雾化器、3-环气流壁反卫星球装置、4-雾化室。
图2为本发明实施例1雾化制备的In718高温合金粉末微观形貌。
图3为本发明对比例1雾化制备的In718高温合金粉末微观形貌。
具体实施方式
下面通过结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细描述。
参考图1，本发明中使用的环气流壁反卫星球的气雾化设备，包括中间包、雾化器、环气流壁反卫星球装置、雾化室；
所述中间包1与雾化器2相连，所述雾化器2与雾化室4相连；所述环气流壁反卫星球装置3为垂直向下的小孔位于雾化室4的顶部，并均匀地分布在雾化器2的周围。
所述环气流壁反卫星球装置3的孔径为1～10mm；所述雾化器具有拉瓦尔气体流道。
氮气或惰性气体经雾化器中的拉瓦尔喷嘴加速而形成超音速气体破碎金属粉末，由于雾化气体的速度超过音速，致使在主气流周围产生负压涡流。由环气流壁反卫星球装置喷出的氮气或惰性气体，可以减小主气流周围产生负压涡流，从而可以减少雾化周边区域漂浮的超细粉末，从而使得金属粉末表面“卫星球”吸附极少甚至没有，粉末球形度高，粉末流动性大大提高。
实施例1：In718高温合金粉末的制粉方法，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99.9％的金属镍、金属铬、金属钼、金属铌、金属铁、金属铝、金属钛装填入真空中频熔炼炉并熔化。
(2)将超音速氩气引入拉瓦尔雾化器，压力为3.5MPa，流量为35m3/h。“环气流壁反卫星球”装置孔径为3.5mm，并控制通入压力为1.0MPa，流量为15.0m3/h的氩气。
(3)将经过超音速气体破碎的金属熔滴冷却、收集。
经过检验可得，粒径为15-53μm的粉末霍尔流速为16.3s/50g，且粉末球形度高，“卫星球”含量少。图2为本发明实施例1雾化制备的In718高温合金粉末微观形貌。
实施例2：1.2709模具钢粉末的制粉方法，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99.9％的金属铁、金属镍、金属铬、金属钼和金属铝装填入真空中频熔炼炉并熔化。
(2)将超音速氩气引入拉瓦尔雾化器，压力为3.0MPa，流量为30m3/h。“环气流壁反卫星球”装置孔径为5.0mm，并控制通入压力为1.2MPa，流量为18.0m3/h的氩气。
(3)将经过超音速气体破碎的金属熔滴冷却、收集。
经过检验可得，粒径为15-53μm的粉末霍尔流速为16.1s/50g，且粉末球形度高，“卫星球”含量少。
实施例3：CoCrWMo合金粉末的制粉方法，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99.9％的金属钴、金属铬、金属钼和金属钨装填入真空中频熔炼炉并熔化。
(2)将超音速氩气引入拉瓦尔雾化器，压力为3.0MPa，流量为30m3/h。“环气流壁反卫星球”装置孔径为4.0mm，并控制通入压力为1.2MPa，流量为18.0m3/h的氩气。
(3)将经过超音速气体破碎的金属熔滴冷却、收集。
经过检验可得，粒径为15-53μm的粉末霍尔流速为14.5s/50g，且粉末球形度高，“卫星球”含量少。
对比例1：In718高温合金粉末的制粉方法，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99.9％的金属镍、金属铬、金属钼、金属铌、金属铁、金属铝和金属钛装填入真空中频熔炼炉并熔化。
(2)将超音速氩气引入拉瓦尔雾化器，压力为3.5MPa，流量为35m3/h。
(3)将经过超音速气体破碎的金属熔滴冷却、收集。
经过检验可得，与实施例1相比，对比例1所得产物的粒径为15-53μm的粉末霍尔流速为23.5s/50g，且粉末球形度差，“卫星球”含量多。图3为本发明对比例1雾化制备的In718高温合金粉末微观形貌。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，在本发明的精神和原则内可以有各种更改和变化，这些等同的变型或替换等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环气流壁反卫星球的气雾化设备，其特征在于：包括中间包、雾化器、环气流壁反卫星球装置、雾化室；
所述中间包与雾化器相连，所述雾化器与雾化室相连；所述环气流壁反卫星球装置为垂直向下的小孔位于雾化室的顶部，并均匀地分布在雾化器的周围。
2.根据权利要求1所述的环气流壁反卫星球的气雾化设备，其特征在于：所述环气流壁反卫星球装置的孔径为1～10mm；所述雾化器具有拉瓦尔气体流道。
3.根据权利要求1所述的环气流壁反卫星球的气雾化设备，其特征在于：所述环气流壁反卫星球装置的孔径为3～5mm。
4.一种通过权利要求1所述的气雾化设备制备无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末的方法，其特征在于：具体为将金属原材料熔炼得到金属熔体，然后在环气流壁反卫星球的气雾化设备中使用超音速气体将熔化的金属熔体破碎成金属粉末。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将金属原材料采用真空中频熔炼炉熔炼得到金属熔体；然后将所得金属熔体置于中间包并流向雾化器；
(2)将气体引入具有拉瓦尔气体流道的雾化器，并破碎步骤(1)所得金属熔体；
(3)在环气流壁反卫星球装置中通入辅助气，同时步骤(2)中破碎后的金属熔体在雾化室中冷却，最终收集得到金属粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的金属原材料为金属镍、金属钴、金属铬、金属铁、金属钛、金属铝、金属钨和金属钼中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述辅助气为氮气或惰性气体，压力为0.5～1.0MPa，流量为10.0～30.0m3/h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述气体为氮气或惰性气体，压力为3.0～6.0MPa，流量为30.0～40.0m3/h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述气体经过拉瓦尔喷嘴加速形成超音速气体；所述的超音速气体将金属熔体破碎成尺寸为0-150μm的金属熔滴，尺寸不为0。
10.一种根据权利要求4～9任一项所述方法而制成的无卫星球高球形度3D打印增材制造金属粉末。
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