[發明專利]等離子球化脫氧3D打印金屬粉體制備裝置

有效

• 申請號: 202110415580.0
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113134617B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 趙玉剛;趙國勇;劉廣新;孟建兵;張桂香;趙傳營;李偉;殷鳳仕;張海云;高躍武
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B22F9/14
• 分類號: B22F9/14;B22F1/065;B22F1/145;B22F1/142;B33Y70/00
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本發明公開了等離子球化脫氧3D打印金屬粉體制備裝置，該裝置包括氣站、高壓精密送粉系統、高頻感應等離子體發生器、3D打印金屬粉體除氧冷凝室、粉末收集除塵系統，采用高頻感應等離子體將粒徑大小基本一致的外形不規則金屬粉末顆粒加熱熔融形成金屬微液滴，在金屬微液滴下落的過程中用一氧化碳氣體對其進行噴射，使得金屬微液滴中的氧原子與一氧化碳分子產生化學反應生成二氧化碳，從而減少金屬微液滴中氧的含量，再經快速冷凝獲得粒徑基本一致的3D打印金屬粉體。本裝置制備的3D打印金屬粉體不僅流動性好、含氧量低，而且粒徑均勻、無空心，適合高質量3D打印金屬粉體的大批量制備。

技術領域

本發明屬于3D打印金屬粉體制備技術領域，特別涉及一種等離子球化脫氧3D打印金屬粉體制備設備。

背景技術

近年來，國內外增材制造技術迅速發展，加工方法、設備、技術都在不斷革新優化，原材料品質和性能的提高已經成為促進增材制造領域進步的重要階梯，相關工藝對金屬粉末材料的要求也越發苛刻，不僅要求金屬粉末具有優良的球形度和粒徑分布來保證加工過程良好的流動性，還要求粉末具有較高的純度和低的氧含量。常見的增材制造用金屬材料有鐵基合金、鈦基合金、鎳基合金、鋁合金、銅合金及貴金屬等。隨著增材制造技術在各領域的不斷發展，對其原材料的品質要求也越來越嚴格，金屬粉末的球形度、純凈度、粒徑分布、流動性都對成形零件的質量產生至關重要的影響。目前，增材制造專用金屬粉末制備方法主要有霧化法和等離子法兩種。其中霧化法主要包括水霧化和氣霧化兩種方法，等離子法主要包括等離子旋轉電極霧化、等離子熔絲霧化、等離子球化三種方法。

1、霧化法

（1）水霧化：水霧化是以水為霧化介質，破碎金屬液流的霧化制粉方式，其優勢在于設備構造簡單、效率高、霧化成本低；但與氣霧化相比，制備的粉末雜質含量高、球形度差，這歸因于高溫下活性金屬易與霧化介質發生反應導致含氧量增加，同時水的比熱容大，霧化破碎的金屬液滴迅速凝固階段多呈現不規則狀，難以滿足金屬 3D 打印對粉末的質量要求。

（2）氣霧化：氣霧化制粉法是指利用高速氣流將液態金屬流擊碎形成小液滴，隨后快速冷凝得到成形粉末。與水霧化主要區別于霧化介質的改變，目前氣霧化生產的粉末約占世界粉末總產量的 30%~50%；該方法制備的金屬粉末具有粒度細小(粉末粒徑＜150 μm)、球形度較好、純度高、氧含量低、成形速度快、環境污染小等優點，該類技術適用于絕大多數金屬及合金粉末的生產，是增材制造用金屬粉末制備的主流方法。

2、等離子法

（1）等離子旋轉電極霧化：等離子旋轉電極霧化技術最初起源于俄羅斯，該方法采用同軸的等離子弧為熱源，首先在惰性氣體氛圍下，等離子弧加熱熔化快速旋轉的自耗電極，旋轉棒料端面因受熱熔化形成液膜，隨后在離心力作用下于熔池邊緣霧化成熔滴，熔滴在飛行過程中受表面張力作用冷卻凝固最終形成球形粉末。該技術可通過調節等離子弧電流的大小和自耗電極轉速來調控粉末的粒徑，提高特定粒徑粉末的收得率，有益于制備高球形度、高致密度、低孔隙率、低氧含量、表面光潔的球形粉末，且基本不存在空心粉、衛星粉，有效減少增材制造技術生產過程中的球化、團聚及引入雜質元素而帶來的氣孔、開裂現象。

（2）等離子熔絲霧化：等離子熔絲霧化工藝是由加拿大高級粉末及涂層公司率先提出并獲得專利權，該技術以規定尺寸的金屬絲材為原材料，通過送絲系統按照特定速率送入霧化爐內，經出口處環形等離子體火炬加熱裝置，在聚焦等離子弧的作用下進行熔融霧化，最終得到金屬粉末。整個流程在氬氣氛圍下進行，熔融霧化過程無外來雜質干擾，產品純凈度高，由于采用金屬絲材為加工原材料，通過控制進給速度可獲得特定粒徑分布的粉末，提高了粉末的品質穩定性，低濃度的懸浮顆粒能夠有效防止形成伴生顆粒，從而使粉末具備較好的流動性，十分有利于制備高純度、高球形度的金屬粉末。