CN105689728A - 一种生产3d打印用金属合金球形粉体的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置及其方法，其装置包括从上往下依次安装的惰性气体置换罐、加料布料器、等离子体加热融化炉、球化成形室、流化床快速冷却器，本发明方法在利用热等离子体球化微细金属合金粉体的基础上，采用二次进入还原性气体，使处于球化成形阶段的高温粉体被进一步还原；在装置的底部，采用由惰性气体与目的产品球形金属合金粉体构成的流化床对高温粉体进行骤冷，依靠流化床极高的传热冷却作用，高温金属合金粉体被快速冷却，使得批量生产成为可能；同时由于该冷却方法不涉及高温粉体与含氧物质的接触，避免了二次氧污染，从而保证了产品中氧含量的达标。

Description

一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置及其方法
技术领域
本发明通过等离子体技术与流化床快速冷却技术相结合批量生产金属合金粉体，涉及一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置及其方法，属3D打印技术领域。
背景技术
3D打印(增材制造)技术，尤其是复杂金属构件的3D打印技术，已经成为全球最关注的新兴技术之一。与传统的机加工工艺相比，3D打印技术因不受零件的几何形状限制、减少了昂贵的费用、缩短了研发时间、人力成本低、无需前处理和后处理工艺，使其成为一个非常有潜力的技术。为了获得优质的金属合金成形件，除工艺、设备和软件等重要条件外，金属合金粉体材料是一个关键因素。
目前合金粉末制备方法主要有等离子旋转电极、单棍快淬、水雾化法和惰性气体雾化法等，其中旋转电极法的优点是产品球形度好，但因其动平衡问题，只能生产20目左右的粗粉；单棍快淬法制备的粉末多为不规则形状、杂质含量高；水雾化法由于降温速度太快，存在着易造成微粉形状不规则和球形度不好，以及产品中氧含量过高的缺点；虽然惰性气体雾化法生产产品的球形度有较大提高，细粉收率较高，但是其产品的球形度仍不能满足3D打印的要求，仍需要对其中的球形产品进行精选，难度较大。近几年，人们提出采用等离子体方法对不规则金属或合金微细粉体进行球化成形的方法，但有两个问题一直没有很好地解决：(1)金属颗粒快速冷却问题。目前主要采用器壁水夹套的方法对高温的粉体产品进行冷却，效率很低，效果很差。使得生产产量很小，只能维持在100g/min以内，难以进行设备的放大和批量化生产。(2)降低产品氧含量问题。基于等离子体的高温特点，在工作气体中加入还原性气体对金属原粉中的氧进行还原，但均不够彻底，况且由于产品粉体的冷却问题，多数还是选择了水激冷，造成了二次氧污染。
发明内容
本发明为解决目前技术中存在的问题，提供一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置及其方法，它能使得金属中的氧能够彻底清除，批量生产产品，并可避免二次氧污染。
本发明采用以下技术方案予以实现：
一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，它包括从上往下依次安装的惰性气体置换罐、加料布料器、等离子体加热融化炉、球化成形室、流化床快速冷却器，所述加料布料器、等离子体加热融化炉、球化成形室和流化床快速冷却器依次同轴安装。
所述惰性气体置换罐的下部设有惰性气体进口，上侧部设有惰性气体出口，顶部设有金属合金粉末原料加入口，所述惰性气体置换罐的数量为1个或1个以上。
所述加料布料器的上部中间设有工作气体进口，中间一侧设有保护气体进口，所述惰性气体进口和工作气体进口相通。
所述球化成形室上部设有四个沿圆周方向均匀分布的冷却还原气体进口管，所述球化成形室的内壁衬有耐高温的耐火材料。
所述流化床快速冷却器内部为处于流化状态的金属合金球形粉体产品颗粒，内埋设有蛇管式间接换热水冷器，侧壁的下部设有金属合金微细粉体产品出口，下部设有惰性流化气体进口及分布管，底部设有大颗粒副产品出口，上侧部设有气体排出口，所述气体排出口沿圆周均匀径向分布四个。
所述等离子体加热融化炉采用直流电弧等离子体发生器，或是扩散电弧等离子体发生器，或是感应等离子体发生器。
所述流化床快速冷却器为由惰性气体作为流化气体介质、产品微细球形金属合金粉体流化颗粒介质的流化床。
优选的，所述等离子体加热融化炉的结构根据所采用的等离子发生器的类型做适当的调整；其功率为50～1000kW，并根据原粉材料的性质和生产能力的大小对其实际操作功率进行实时调整。
优选的，所述球化成形室的内径等于其上方等离子体加热融化炉内径的1.5倍～2.0倍，其高度为0.5m～1.5m。
优选的，所述冷却还原气体进口管距球化成形室顶部0.05m～0.25m，并与球化成形室外壁的切线成30°～40°的角度，四个冷却还原气体进口管前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉内径的1.2倍～1.4倍，冷却还原气体进口管的直径为φ10mm～φ25mm。
优选的，所述冷却还原气体进口管距球化成形室顶部0.20m，并与球化成形室外壁的切线为35°的角度，四个冷却还原气体进口管前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉内径的1.4倍，冷却还原气体进口管的直径为φ14mm。
优选的，所述流化床快速冷却器的内径为φ1.5m～φ3.0m，高度为2.0m～3.0m；其中金属合金球形粉体产品颗粒形成的流化床的高度根据产量大小在0.5m～2.0m范围内做相应的调整；流化床快速冷却器内的蛇管式间接换热水冷器内采用循环冷却水作为移热介质，换热面积为100m2～300m2。
一种使用上述装置生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，包括如下步骤：
将粒度为0.5μm-100μm目的金属合金粉末原料经金属合金粉末原料加入口加入惰性气体置换罐中，经惰性气体进口通入惰性气体进行置换，使惰性气体置换罐的惰性气体出口出来的气体中氧气含量小于0.01％，关闭惰性气体进口的阀和惰性气体出口的阀。
向加料布料器中通入工作气体和保护气体，开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉中产生等离子体炬，开启惰性气体进口的阀，携带着金属合金粉末原料进入加料布料器中，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉的熔融室内的等离子炬中，使得金属合金粉末原料部分熔融或表面熔融，颗粒中所含的氧化物也被工作气中的还原性气体所部分还原，随后，粉体颗粒进入球化成形室中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力使颗粒变成球状；与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管进入的还原性气体进一步反应而清除，已经降温凝固的粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒进行直接换热，快速被冷却至100℃以下，通过金属合金球形微细粉体产品出口的卸料阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。
较大的颗粒，由于不能被流化而沉到流化床底部，可经底部的卸料口卸出。惰性流化气体由流化床快速冷却器下部的流化气体进口及分布管进入流化床，将其中的微细球形颗粒吹起并使其处于流化状态，逸出流化床层的气体与上部进入的气体一起，通过气体排出口进入后续的气固分离工序，经分离后的气体经气体输送设备返回到流化床底部的流化气体进口及分布管而循环使用。
所述进入加料布料器中的工作气体为氩气，或是氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气。
所述进入加料布料器中保护气体和进入流化床快速冷却器的惰性流化气体均为氩气。
所述进入球化成形室的还原气为氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气。
优选的，所述的冷却还原气体进口管中混合气的气速为20m/s～80m/s.
优选的，所述流化床快速冷却器中的空塔操作气速为该流化颗粒初始流化速度的3.0倍～5.0倍。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：
(1)表面熔融的金属合金粉体降落冷凝过程中，通过通入二次还原性气体，使仍处于高温的球化成形阶段的粉体进一步还原，使得金属中的氧能够彻底清除。(2)采用流化床对高温金属合金粉体进行骤冷，依靠流化床极高的传热冷却作用，大量高温金属合金粉体将被快速冷却，使得批量生产成为可能。(3)由于骤冷过程不涉及高温粉体与含氧物质的接触，也避免了二次氧污染，保证了产品中氧含量的达标。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明装置A-A向截面图；
图3为本发明本发明装置B-B向截面图；
图中各部件标号说明：
1、惰性气体置换罐；2、加料布料器；3、等离子体加热融化炉；4、球化成形室；5、流化床快速冷却器；6、工作气体进口；7、和保护气体进口；8、冷却还原气体进口管；9、气体排出口；10、金属合金球形粉体产品颗粒；11、蛇管式间接换热水冷器；12、流化气体进口及分布管；13、大颗粒副产品出口；14、金属合金球形微细粉体产品出口；15、惰性气体进口；16、惰性气体出口；17、金属合金粉末原料加入口。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见图1至图3，本发明一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是它包括从上往下依次安装的惰性气体置换罐(1)、加料布料器(2)、等离子体加热融化炉(3)、球化成形室(4)、流化床快速冷却器(5)，所述加料布料器(2)、等离子体加热融化炉(3)、球化成形室(4)和流化床快速冷却器(5)依次同轴安装。
所述惰性气体置换罐(1)的下部设有惰性气体进口(15)，上侧部设有惰性气体出口(16)，顶部设有金属合金粉末原料加入口(17)，所述惰性气体置换罐(1)的数量为1个或1个以上。
所述加料布料器(2)的上部中间设有工作气体进口(6)，中间一侧设有保护气体进口(7)，所述惰性气体进口(15)和工作气体进口(6)相通。
所述球化成形室(4)上部设有4个沿圆周方向均匀分布的冷却还原气体进口管(8)，所述球化成形室(4)的内壁衬有耐高温的耐火材料。
所述流化床快速冷却器(5)内部为处于流化状态的金属合金球形粉体颗粒(10)，并埋设有蛇管式间接换热水冷器(11)，侧壁的下部设有金属合金球形微细粉体产品出口(14)，下部设有惰性流化气体进口及分布管(12)，底部设有大颗粒副产品出口(13)，上侧部设有气体排出口(9)，所述气体排出口(9)沿圆周均匀径向分布四个。
所述等离子体加热融化炉(3)采用直流电弧等离子体发生器，或是扩散电弧等离子体发生器，或是感应等离子体发生器。
所述流化床快速冷却器(5)为由惰性气体作为流化气体介质、产品微细球形金属合金粉体流化颗粒介质的流化床。
所述等离子体加热融化炉(3)的结构根据所采用的等离子发生器的类型做适当的调整；其功率为50～1000kW，并根据原粉材料的性质和生产能力的大小对其实际操作功率进行实时调整。
所述球化成形室(4)的内径等于其上方等离子体加热融化炉(3)内径的1.5倍～2.0倍，其高度为0.5m～1.5m。
所述冷却还原气体进口管(8)距球化成形室(4)顶部0.05m～0.25m，并与球化成形室(4)外壁的切线成30°～40°，最佳为35°的角度，四个个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉(3)内径的1.2倍～1.4倍。冷却还原气体进口管(8)的直径为φ10mm～φ25mm。
优选的，所述冷却还原气体进口管(8)距球化成形室(4)顶部0.20m，并与球化成形室(4)外壁的切线为35°的角度，四个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉(3)内径的1.4倍，冷却还原气体进口管(8)的直径为φ14mm。
所述流化床快速冷却器(5)的内径为φ1.5m～φ3.0m，高度为2.0m～3.0m；其中金属合金球形粉体产品颗粒(10)形成的流化床的高度根据产量大小在0.5m～2.0m范围内做相应的调整；流化床快速冷却器(5)内的蛇管式间接换热水冷器(11)内采用循环冷却水作为移热介质，换热面积为100m2～300m2。
使用上述装置生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，包括如下步骤：
将粒度为0.5μm-100μm目的金属合金粉末原料经金属合金粉末原料加入口(17)加入惰性气体置换罐(1)中，经惰性气体进口(15)通入惰性气体进行置换，使惰性气体置换罐(1)的惰性气体出口(16)出来的气体中氧气含量小于0.01％，关闭惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀。
向加料布料器(2)中通入工作气体和保护气体，开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉(3)中产生等离子体炬，开启惰性气体进口(15)的阀，携带着金属合金粉末原料进入加料布料器(2)中，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉(3)的熔融室内的等离子炬中，使得金属合金粉末原料部分熔融或表面熔融，颗粒中所含的氧化物也被工作气中的还原性气体所部分还原，随后，粉体颗粒进入球化成形室(4)中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力颗粒变成球状；与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管(8)进入的还原性气体进一步反应而清除，已经降温凝固的粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器(5)，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒(10)进行直接换热，快速被冷却至100℃以下，通过金属合金球形微细粉体产品出口(14)的卸料阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。
较大的颗粒，由于不能被流化而沉到流化床底部，可经底部的卸料口(13)卸出。惰性流化气体由流化床快速冷却器(5)下部的进口分布管(12)进入流化床，将其中的微细球形颗粒吹起并使其处于流化状态，逸出流化床层的气体与上部进入的气体一起，通过气体排出口(9)进入后续的气固分离工序，经分离后的气体经气体输送设备返回到流化床底部的进口分布管(12)而循环使用；
所述进入加料布料器(2)中的工作气体为氩气，或是氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气。
所述进入加料布料器(2)中保护气体和进入流化床快速冷却器(5)的惰性流化气体均为氩气。
所述进入球化成形室(4)的还原气为氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气。
所述的冷却还原气体进口管(8)中混合气的气速为20m/s～80m/s。
所述流化床快速冷却器(5)中的空塔操作气速为该流化颗粒初始流化速度的3.0倍～5.0倍。
所述加料布料器(2)的结构形式根据下方的等离子体发生器的形式不同做适当的调整，以使原粉均匀分布于下方的等离子炬中。
下面为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不限于以下实施例所述内容。
实施例1
以水喷雾法生产的100目及更细小的316L不锈钢粉末为原料，生产20μm-80μm的球形316L不锈钢粉体产品，产量为80kg/h。
本实施例直流电弧感应等离子体发生器，最大功率为800kW，生产中实际功率调节为500kW。球化成形室(4)的内径等于其上方等离子体加热融化炉3内径的1.6倍，其高度为1.0m；冷却还原气体进口管(8)位于距球化成形室(4)顶部0.10m，与球化成形室(4)中四个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热熔化炉内径的1.3倍。冷却还原气体进口管(8)的直径为φ12mm。流化床快速冷却器(5)的内径为φ1.5m，高度为2.5m。蛇管式间接换热水冷器(11)的换热面积为175m2。
称量500kg316L不锈钢粉末原料经金属合金粉末原料加入口(17)加入惰性气体置换罐(1)中，开启惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀，调节进口气体氩气的流量为10l/min通入惰性气体进行置换，10分钟后开始检测惰性气体置换罐(1)的惰性气体出口(16)出来的气体中氧气含量，当其小于0.01％时，关闭惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀。
向流化床快速冷却器(5)中填加316L不锈钢20μm-80μm球形粉体产品，使其固定床层高度达到1.0m。
向加料布料器(2)中通入工作气体和保护气体，工作气体为氩气，流量为300l/min；保护气体为氩气，流量为30l/min。打开冷却还原气体进口管(8)的阀门，调节氩气和氢气的流量，使得混合气中氩气含量为98.0％，并使其均匀分布于四个冷却还原气体进口管8中，每个冷却还原气体进口管8中的气速达到50m/s。
开启惰性流化气体进口及分布管进口(12)的阀门，调节进入惰性气体氩气的流量，使流化床中的空塔气速为316L不锈钢50μm球形粉体产品初始流化速度的4.0倍，约为0.5m/s。开启气体排出口(9)的阀门，开启后续的分离及气体循环***动力设备，使惰性气体实现循环使用和操作。进入流化床快速冷却器(5)的惰性流化气体通过10μm-80μm316L不锈钢球形粉末床，并将其流化起来。开启蛇管式间接换热水冷器(11)的进水阀门和出口阀门，并调节冷却水流量达到30m3/h。
开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉(3)中产生等离子体炬。开启惰性气体进口(15)的阀门，调节氩气的流量为3l/min，使氩气携带着金属合金粉末原料进入加料布料器(2)中。通过加料布料器(2)，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉(3)的加热熔融室的等离子炬中，使得金属合金粉末原料部分熔融或表面熔融，金属颗粒中所含的氧化物被工作气中的还原性气体所部分还原。随后，金属颗粒进入球化成形室(4)中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力使颗粒变成球状。与此同时，金属颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管(8)进入的还原性气体进一步反应而清除。已经降温凝固的金属粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器(5)，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒(10)进行直接换热，快速被冷却至100℃以下。通过金属合金球形微细粉体产品出口(14)的阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。每隔30min，开启大颗粒副产品出口(13)的阀一次，放出沉积在底部的大颗粒副产品。
本实施例生产的产品与原粉的性能指标对比情况见附表1，其中霍尔速度代表了应用于3D打印中粉体颗粒的流动性。
实施例2
以惰性气体喷雾法生产的100目及更细小的Ti6Al4V合金粉末为原料，生产20μm-80μm的球形Ti6Al4V合金粉体产品，产量为100kg/h。
本实施例采用感应等离子体发生器，最大功率为1000kW，生产中实际功率调节为500kW-800kW。球化成形室(4)的内径等于其上方等离子体加热融化炉3内径的1.8倍，其高度为1.3m；冷却还原气体进口管(8)位于距球化成形室(4)顶部0.20m，与球化成形室(4)中4个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热熔化炉内径的1.4倍。冷却还原气体进口管(8)的直径为φ14mm。流化床快速冷却器(5)的内径为φ1.8m，高度为3.0m。蛇管式间接换热水冷器(11)的换热面积为200m2。
称量500kgTi6Al4V合金粉末原料经金属合金粉末原料加入口(17)加入惰性气体置换罐(1)中，开启惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀，调节进口气体氩气的流量为10l/min通入惰性气体进行置换，10分钟后开始检测惰性气体置换罐(1)的惰性气体出口(16)出来的气体中氧气含量，当其小于0.01％时，关闭惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀。
向流化床快速冷却器(5)中填加20μm-80μm目的球形Ti6Al4V合金粉体产品，使其固定床层高度达到1.0m。
向加料布料器(2)中通入工作气体和保护气体，工作气体为氩气，流量为300l/min；保护气体为氩气，流量为30l/min。打开冷却还原气体进口管(8)阀门，调节氩气和氢气的流量，使得混合气中氩气含量为98.0％，并使其均匀分布于四个冷却还原气体进口管(8)中，每个进口管中的气速达到50m/s。
开启惰性流化气体进口及分布管进口(12)的阀门，调节进入惰性气体氩气的流量，使流化床中的空塔气速为50μm球形Ti6Al4V合金粉体产品初始流化速度的3.0倍，约为0.40m/s。开启气体排出口(9)的阀门，开启后续的分离及气体循环***动力设备，使惰性气体实现循环使用和操作。进入流化床快速冷却器(5)的惰性流化气体通过10μm-100μm的球形Ti6Al4V合金粉体床，并将其流化起来。开启蛇管式间接换热水冷器(11)的进水阀门和出口阀门，并调节冷却水流量达到30m3/h。
开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉(3)中产生等离子体炬。开启惰性气体进口(15)的阀，调节氩气的流量为3l/min，使氩气携带着金属合金粉末原料进入加料布料器(2)中。通过加料布料器(2)，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉(3)的加热熔融室的等离子炬中，使得Ti6Al4V合金粉末原料部分熔融或表面熔融，颗粒中所含的氧化物被工作气中的还原性气体所部分还原。随后，粉体颗粒进入球化成形室(4)中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力使颗粒变成球状。与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管(8)进入的还原性气体进一步反应而清除。已经降温凝固的粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器(5)，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒(10)进行直接换热，快速被冷却至100℃以下。通过金属合金球形微细粉体产品出口(14)的阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。每隔30min，开启大颗粒副产品出口(13)的阀一次，放出沉积在底部的大颗粒副产品。
本实施例生产的产品与原料的性能指标对比情况见附表1。
实施例3
以惰性气体喷雾法生产的小于100目的金属钛粉末为原料，生产20μm-80μm的球形金属钛粉体产品，产量为120kg/h。
本实施例采用扩散电弧等离子体发生器，最大功率为1000kW，生产中实际功率调节为500kW-600kW。球化成形室(4)的内径等于其上方等离子体加热熔化炉内径的1.8倍，其高度为1.2m；冷却还原气体进口管(8)位于距球化成形室(4)顶部0.15m，与球化成形室(4)中四个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉内径的1.25倍。冷却还原气体进口管(8)的直径为φ10mm。流化床快速冷却器(5)的内径为φ1.3m，高度为2.2m。蛇管式间接换热水冷器(11)的换热面积为250m2。
称量500kg金属钛粉末原料经金属合金粉末原料加入口(17)加入惰性气体置换罐(1)中，开启惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀，调节进口气体氩气的流量为10l/min通入惰性气体进行置换，10分钟后开始检测惰性气体置换罐(1)的惰性气体出口(16)出来的气体中氧气含量，当其小于0.01％时，关闭惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀。
向流化床快速冷却器(5)中填加20μm-80μm的球形金属钛粉，使其固定床层高度达到1.2m。
向加料布料器(2)中通入工作气体和保护气体，工作气体为氩气，流量为250l/min；保护气体为氩气，流量为20l/min。打开冷却还原气体进口管(8)阀门，调节氩气和氢气的流量，使得混合气中氩气含量为97.0％，并使其均匀分布于四个冷却还原气体进口管(8)中，每个冷却还原气体进口管(8)中的气速达到60m/s。
开启惰性流化气体进口及分布管进口(12)的阀门，调节进入惰性气体氩气的流量，使流化床中的空塔气速为50μm球形金属钛粉体初始流化速度的5.0倍，约为0.6m/s。开启气体排出口(9)的阀门，开启后续的分离及气体循环***动力设备，使惰性气体实现循环使用和操作。进入流化床快速冷却器(5)的惰性流化气体通过金属钛球形粉末床，并将其流化起来。开启蛇管式间接换热水冷器(11)的进水阀门和出口阀门，并调节冷却水流量达到30m3/h。
开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉(3)中产生等离子体炬。开启惰性气体进口(15)的阀，调节氩气的流量为5l/min，使氩气携带着金属合金粉末原料进入加料布料器(2)中。通过加料布料器(2)，粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉(3)的加热熔融室的等离子炬中，使得金属合金粉末原料部分熔融或表面熔融，颗粒中所含的氧化物被工作气中的还原性气体所部分还原。随后，粉体颗粒进入球化成形室(4)中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力使颗粒变成球状。与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管(8)进入的还原性气体进一步反应而清除。已经降温凝固的粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器(5)，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒(10)进行直接换热，快速被冷却至100℃以下。通过金属合金球形微细粉体产品出口(14)的阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。每隔30min，开启大颗粒副产品出口(13)的阀一次，放出沉积在底部的大颗粒副产品。
本实施例生产的产品与原粉的性能指标对比情况见附表1。
表1产品性能对比表

Claims (10)

1.一种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是它包括从上往下依次安装的惰性气体置换罐(1)、加料布料器(2)、等离子体加热融化炉(3)、球化成形室(4)、流化床快速冷却器(5)，所述加料布料器(2)、等离子体加热融化炉(3)、球化成形室(4)和流化床快速冷却器(5)依次同轴安装；
所述惰性气体置换罐(1)的下部设有惰性气体进口(15)，上侧部设有惰性气体出口(16)，顶部设有金属合金粉末原料加入口(17)，所述惰性气体置换罐(1)的数量为1个或1个以上；
所述加料布料器(2)的上部中间设有工作气体进口(6)，中间一侧设有保护气体进口(7)，所述惰性气体进口(15)和工作气体进口(6)相通；
所述球化成形室(4)上部设有四个沿圆周方向均匀分布的冷却还原气体进口管(8)，所述球化成形室(4)的内壁衬有耐高温的耐火材料；
所述流化床快速冷却器(5)内部为处于流化状态的金属合金球形粉体产品颗粒(10)，内埋设有蛇管式间接换热水冷器(11)，侧壁的下部设有金属合金球形微细粉体产品出口(14)，下部设有惰性流化气体进口及分布管(12)，底部设有大颗粒副产品出口(13)，上侧部设有气体排出口(9)，所述气体排出口(9)沿圆周均匀径向分布四个；
所述等离子体加热融化炉(3)采用直流电弧等离子体发生器，或是扩散电弧等离子体发生器，或是感应等离子体发生器。
2.如权利要求1所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述流化床快速冷却器(5)为由惰性气体作为流化气体介质、产品微细球形金属合金粉体流化颗粒介质的流化床。
3.如权利要求1所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述等离子体加热融化炉(3)的结构根据所采用的等离子发生器的类型做适当的调整；其功率为50～1000kW，并根据原粉材料的性质和生产能力的大小对其实际操作功率进行实时调整。
4.如权利要求1所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述球化成形室(4)的内径等于其上方等离子体加热融化炉(3)内径的1.5倍～2.0倍，其高度为0.5m～1.5m。
5.如权利要求1所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述冷却还原气体进口管(8)距球化成形室(4)顶部0.05m～0.25m，并与球化成形室(4)外壁的切线成30°～40°的角度，四个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉(3)内径的1.2倍～1.4倍，冷却还原气体进口管(8)的直径为φ10mm～φ25mm。
6.如权利要求5所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述冷却还原气体进口管(8)距球化成形室(4)顶部0.20m，并与球化成形室(4)外壁的切线为35°的角度，四个冷却还原气体进口管(8)前端所构成的圆的直径为等离子体加热融化炉(3)内径的1.4倍，冷却还原气体进口管(8)的直径为φ14mm。
7.如权利要求1所述的生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，其特征是，所述流化床快速冷却器(5)的内径为φ1.5m～φ3.0m，高度为2.0m～3.0m；其中金属合金球形粉体产品颗粒(10)形成的流化床的高度根据产量大小在0.5m～2.0m范围内做相应的调整；流化床快速冷却器(5)内的蛇管式间接换热水冷器(11)内采用循环冷却水作为移热介质，换热面积为100m2～300m2。
8.一种使用权利要求1所述装置生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，其特征是，包括如下步骤：
将粒度为0.5μm-100μm目的金属合金粉末原料经金属合金粉末原料加入口(17)加入惰性气体置换罐(1)中，经惰性气体进口(15)通入惰性气体进行置换，使惰性气体置换罐(1)的惰性气体出口(16)出来的气体中氧气含量小于0.01％，关闭惰性气体进口(15)的阀和惰性气体出口(16)的阀；
向加料布料器(2)中通入工作气体和保护气体，开启等离子体电源，使等离子体加热融化炉(3)中产生等离子体炬，开启惰性气体进口(15)的阀，携带着金属合金粉末原料进入加料布料器(2)中，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉(3)的熔融室内的等离子炬中，使得金属合金粉末原料部分熔融或表面熔融，颗粒中所含的氧化物也被工作气中的还原性气体所部分还原，随后，粉体颗粒进入球化成形室(4)中，在降落和迅速降温的过程中，依靠金属熔融液的表面张力颗粒变成球状；与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原气体进口管(8)进入的还原性气体进一步反应而清除，已经降温凝固的粉体颗粒随后落入下方的流化床快速冷却器(5)，通过与其中处于流化状态的温度较低的金属合金球形粉体产品颗粒(10)进行直接换热，快速被冷却至100℃以下，通过金属合金球形微细粉体产品出口(14)的卸料阀被连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序；
较大的颗粒，由于不能被流化而沉到流化床底部，可经底部的卸料口(13)卸出，惰性流化气体由流化床快速冷却器(5)下部的流化气体进口及分布管(12)进入流化床，将其中的微细球形颗粒吹起并使其处于流化状态，逸出流化床层的气体与上部进入的气体一起，通过气体排出口(9)进入后续的气固分离工序，经分离后的气体经气体输送设备返回到流化床底部的流化气体进口及分布管(12)而循环使用；
所述进入加料布料器(2)中的工作气体为氩气，或是氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气；
所述进入加料布料器(2)中保护气体和进入流化床快速冷却器(5)的惰性流化气体均为氩气；
所述进入球化成形室(4)的还原气为氩气中含有1％～5％的氢气或CO气的混合气。
9.如权利要求8所述生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，其特征是，所述的冷却还原气体进口管(8)中混合气的气速为20m/s～80m/s。
10.如权利要求8所述生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，其特征是，所述流化床快速冷却器(5)中的空塔操作气速为该流化颗粒初始流化速度的3.0倍～5.0倍。
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