CN109482895A - 一种3d打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，在超声紧耦合真空气雾化过程中，通过雾化室上端设置环形充气装置，引入外加气流改善雾化室回流气体运动轨迹，减少气雾化过程中已凝固颗粒再次进入区域与高温颗粒碰撞粘结几率，实现3D打印用低卫星球、高流动性的球形金属粉末制备。与现有技术相比，本发明方法的创新性在于引入外加气流改善雾化室回流气体运动轨迹，且在传统紧耦合雾化制粉技术基础上通过环形充气装置，即可实现低卫星球，高流动性金属粉末的生产，能够满足工业生产对于高品质球形金属粉末的各项需求。

Description

一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法
技术领域
本发明属于增材制造和粉末冶金技术领域，尤其是涉及一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法。
背景技术
金属3D打印技术运用了快速原型技术“离散+堆积”的增材制造思想，采用激光或者电子束等作为高能聚焦热源，以层状的形式将金属粉末熔化并逐层堆积，形成立体零件。
随着金属3D打印技术的发展，金属粉末耗材的品质对于整个体系的发展起到了至关重要的作用。作为成形原材料，金属粉末的特性将直接影响到3D打印成形过程能否稳定、高效地进行，并且对成形零件的形状、尺寸精度、组织及力学性能产生决定性影响。例如金属粉末的粒径匹配，影响到打印工艺的适配性；提高颗粒的球形度、减少卫星球比率，可以保证粉末良好的流动性，提高打印工艺稳定性；减少合金粉末氧含量、卫星球、夹杂和空心球比率，可以减少打印件组织内部缺陷的形成。因此，金属粉末材料是整个3D打印成形工艺的起点和根源。
为了保证3D打印过程中良好的稳定性和制件品质，3D打印用金属粉末需要具有良好的球形度，和较低的卫星球比例，才能保证打印过程中较好的流动性。目前高球形度低卫星球金属粉末打印耗材过度依赖于国外，并且在战略性新材料方面对我国实行限购政策，限制了我国金属3D打印技术整体水平的发展。
在产业化制备高球形度金属粉末方面，国内外目前主要以气雾化技术为主。在高压惰性气体的作用下，金属熔体被分散成细小颗粒，并在表面张力的作用下凝固成球形金属粉末。然而，采用气雾化制备的金属粉末，由于高温熔体和高压气体相互作用的复杂过程，雾化过程中的高速气流的混流过程中极易造成颗粒之间的粘结现象，形成卫星球，最终造成气雾化金属粉末流动性不足的缺点。
发明内容
为了改善气雾化技术制备金属粉末过程中的卫星球问题，特提出本项发明，以解决现阶段高球形度低卫星球率金属粉末的产业化生产难题，促进我国3D打印技术的发展。
本发明提出一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其目的是制备粒径在15～106μm粒径的高球形度低卫星球率的金属粉末，满足目前3D打印技术对于粉末流动性的需求，促进打印过程的稳定性和提高3D打印制件的品质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，在超声紧耦合真空气雾化过程中，通过雾化室上端设置环形充气装置，引入外加气流改善雾化室回流气体运动轨迹，减少气雾化过程中已凝固颗粒再次进入区域与高温颗粒碰撞粘结几率，实现3D打印用低卫星球、高流动性的球形金属粉末制备。
使用超声紧耦合气雾化装置进行超声紧耦合真空气雾化过程，所述超声紧耦合气雾化装置包括雾化室，在雾化室上方设置熔炼室，熔炼室内设置熔炼坩埚，熔炼坩埚出口伸入雾化室，在熔炼室与雾化室之间的隔板上设置气雾化喷盘，用于向熔炼坩埚出口喷出雾化气体，在雾化室的底部设置有第一粉末收集罐，在雾化室的侧壁设置旋风分离***，在旋风分离***下方设置有第二粉末收集罐，所述环形充气装置设置在雾化室上端。
所述环形充气装置设置在与气雾化喷盘平齐的位置，用于引入外加气流。
所述环形充气装置与气雾化喷盘安装在同一轴线上，直径根据雾化压力、雾化筒体大小等因素决定，直径大小为0.5m～2m。
所述环形充气装置包括本体，本体为环形结构，在本体内部开设有一个环形的气腔，在本体上设有与气腔连通的充气口，所述充气口用于向气腔充气，在气腔的下端开设发散充气口，所述发散充气口为环缝结构。
所述发散充气口由气腔贯穿至本体的底部，在本体上形成两个侧壁，所述发散充气口与气腔连通的一端窄，所述发散充气口位于本体底部的一端宽，所述发散充气口的两个侧壁的延长线所形成的夹角角度范围为15°～60°。
超声紧耦合气雾化采用高纯氩气和高纯氮气的一种，所引入的外加气流为高纯氩气或者高纯氮气的一种。
合金熔炼温度为700-1600℃，雾化压力为2.0-6.0MPa。
在金属熔体进入气雾化喷盘，开始雾化的同时，开启环形充气装置，环形充气装置充气压力为0.5-3.0MPa。
采用旋风分离***进行粉末收集后，通过筛分装置筛选出15～106μm粒径的金属粉末，可用于3D打印技术。
本发明的原理为是：通过环形充气装置在雾化室内引入外加气流，改变雾化室回流气体运动轨迹，减少气雾化过程中已凝固颗粒再次进入区域与高温颗粒碰撞粘结几率，实现3D打印用低卫星球、高流动性的球形金属粉末制备。
本发明技术方案在研究过程中，通过实际雾化试验，并结合流体力学计算模拟方法，确定环形充气装置的直径大小、发散角度以及压力大小等工艺参数，实现了补充气体改善雾化室回流气体运动轨迹的目的，揭示了气雾化过程中卫星球的形成机理，探索出了适合工业化生产3D打印用的低卫星球、高流动性的金属粉末的气雾化工艺方法。
本发明技术方案的优点在于，所制备的合金粉末，球形度高，卫星球少，流动性好，并且成分较低，工艺过程简单等，所制备的合金粉末完全满足金属3D打印技术的工艺要求。
附图说明
图1为超声紧耦合气雾化装置结构示意图；
图2为环形充气装置结构示意图；
图3为本发明方法实施例1所制备的Inconel 718高温合金粉末扫描电子显微镜观察图；
图4为传统气雾化方法所制备的Inconel 718高温合金粉末扫描电子显微镜观察图。
图中标号：1、熔炼室，2、熔炼坩埚，3、环形充气装置，4、气雾化喷盘，5、雾化室，6、第一粉末收集罐，7、第二粉末收集罐，8、旋风分离***，31、本体，32、气腔，33、充气口，34、发散充气口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，在超声紧耦合真空气雾化过程中，通过雾化室上端设置环形充气装置，引入外加气流改善雾化室回流气体运动轨迹，减少气雾化过程中已凝固颗粒再次进入区域与高温颗粒碰撞粘结几率，实现3D打印用低卫星球、高流动性的球形金属粉末制备。
参考图1，使用超声紧耦合气雾化装置进行超声紧耦合真空气雾化过程，超声紧耦合气雾化装置包括雾化室5，在雾化室5上方设置熔炼室1，熔炼室1内设置熔炼坩埚2，熔炼坩埚2出口伸入雾化室5，在熔炼室1与雾化室5之间的隔板上设置气雾化喷盘4，用于向熔炼坩埚2出口喷出雾化气体，在雾化室5的底部设置有第一粉末收集罐6，在雾化室5的侧壁设置旋风分离***8，在旋风分离***8下方设置有第二粉末收集罐7，环形充气装置3设置在雾化室5上端。环形充气装置3设置在与气雾化喷盘4平齐的位置，用于引入外加气流。环形充气装置3与气雾化喷盘4安装在同一轴线上，直径根据雾化压力、雾化筒体大小等因素决定，直径大小为0.5m～2m。
参考图2，环形充气装置3包括本体31，本体31为环形结构，在本体31内部开设有一个环形的气腔32，在本体31上设有与气腔32连通的充气口33，充气口33用于向气腔32充气，在气腔32的下端开设发散充气口34，发散充气口34为环缝结构。发散充气口34由气腔31贯穿至本体31的底部，在本体31上形成两个侧壁，发散充气口34与气腔32连通的一端窄，发散充气口33位于本体31底部的一端宽，发散充气口34的两个侧壁的延长线所形成的夹角角度范围为15°～60°。
超声紧耦合气雾化采用高纯氩气和高纯氮气的一种，所引入的外加气流为高纯氩气或者高纯氮气的一种。合金熔炼温度为700-1600℃，雾化压力为2.0-6.0MPa。在金属熔体进入气雾化喷盘4，开始雾化的同时，开启环形充气装置3，环形充气装置3充气压力为0.5-3.0MPa。采用旋风分离***8进行粉末收集后，通过筛分装置筛选出15～106μm粒径的金属粉末，可用于3D打印技术。
实施例2
本发明方法制备低卫星球、高球形度、流动性好的Inconel 718高温合金粉末方法，先在保护气体下进行合金熔炼，熔炼温度为1500℃。采用高纯氩气进行雾化，雾化压力为4MPa。在雾化的同时，开始环形充气装置，所充气体为高纯氩气，充气压力为1MPa。环形充气装置直径采用1.4m，发散角度为50度，雾化粉末经过采用旋风分离***进行粉末收集后，通过筛分装置筛选出15～106μm粒径的金属粉末，收得率达到75％。通过扫描电子显微镜观察，所制备粉末球形度高，卫星球少。采用霍尔流速计测量流动性达到11s。
本实施例所制备的Inconel 718高温合金粉末扫描电子显微镜观察图如图3所示，传统气雾化方法所制备的Inconel 718高温合金粉末扫描电子显微镜观察图如图4所示。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，在超声紧耦合真空气雾化过程中，通过雾化室上端设置环形充气装置，引入外加气流改善雾化室回流气体运动轨迹，减少气雾化过程中已凝固颗粒再次进入区域与高温颗粒碰撞粘结几率，实现3D打印用低卫星球、高流动性的球形金属粉末制备。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，使用超声紧耦合气雾化装置进行超声紧耦合真空气雾化过程，所述超声紧耦合气雾化装置包括雾化室(5)，在雾化室(5)上方设置熔炼室(1)，熔炼室(1)内设置熔炼坩埚(2)，熔炼坩埚(2)出口伸入雾化室(5)，在熔炼室(1)与雾化室(5)之间的隔板上设置气雾化喷盘(4)，用于向熔炼坩埚(2)出口喷出雾化气体，在雾化室(5)的底部设置有第一粉末收集罐(6)，在雾化室(5)的侧壁设置旋风分离***(8)，在旋风分离***(8)下方设置有第二粉末收集罐(7)，所述环形充气装置(3)设置在雾化室(5)上端。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，所述环形充气装置(3)设置在与气雾化喷盘(4)平齐的位置，用于引入外加气流。
4.根据权利要求2所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，所述环形充气装置(3)与气雾化喷盘(4)安装在同一轴线上。
5.根据权利要求1或2所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，所述环形充气装置(3)包括本体(31)，本体(31)为环形结构，在本体(31)内部开设有一个环形的气腔(32)，在本体(31)上设有与气腔(32)连通的充气口(33)，所述充气口(33)用于向气腔(32)充气，在气腔(32)的下端开设发散充气口(34)，所述发散充气口(34)为环缝结构。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，所述发散充气口(34)由气腔(31)贯穿至本体(31)的底部，在本体(31)上形成两个侧壁，所述发散充气口(34)与气腔(32)连通的一端窄，所述发散充气口(33)位于本体(31)底部的一端宽，所述发散充气口(34)的两个侧壁的延长线所形成的夹角角度范围为15°～60°。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，超声紧耦合气雾化采用高纯氩气和高纯氮气的一种，所引入的外加气流为高纯氩气或者高纯氮气的一种。
8.根据权利要求1所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，合金熔炼温度为700-1600℃，雾化压力为2.0-6.0MPa。
9.根据权利要求1所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，在金属熔体进入气雾化喷盘(4)，开始雾化的同时，开启环形充气装置(3)，环形充气装置(3)充气压力为0.5-3.0MPa。
10.根据权利要求2所述的一种3D打印用低卫星球金属粉末的气雾化制备方法，其特征在于，采用旋风分离***(8)进行粉末收集后，通过筛分装置筛选出15～106μm粒径的金属粉末，可用于3D打印技术。
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