一种高激光吸收率金属粉末的制备装置和制备方法

技术领域

本发明涉及粉体材料制备领域，具体涉及一种高激光吸收率金属粉末的制备装置和制备方法。

背景技术

金属粉末，尤其是球形金属粉末广泛应用于3D打印、注射成形等新型制造领域。3D打印因具有复杂结构成形、快速制备、高强度轻量化、材料利用率高的特点，使其成为先进制造工业领域投资比重最大和发展最快的技术之一。3D打印对金属粉末的要求主要是纯度高、球形度好、粒度分布窄、含氧量低、流动性好。随着各类粉末成型技术的发展，对高质量、低成本球形粉末的需求日益旺盛。

然而现有的3D打印金属粉末制备仍存在如下缺陷：

（1）现有技术适用于3D打印的金属粉末收得率较低、粒径分布范围不可调控。

金属3D打印中，粉末粒径分布是非常重要的一个参数。首先其关乎打印过程中的粉末流动性和密实性。合理的粉末粒径分布，颗粒之间的间隙较小，有利于实现更高的密实度和均匀的材料沉积，从而提高打印质量。其次粉末粒径分布不均匀还会导致打印表面的粗糙度增加，因为粒径较大的颗粒可能在表面形成凸起或粗糙点，降低打印零件的表面质量。另外，铺粉的密实性也会影响打印材料的机械性能。现有技术一次制得适用3D打印的金属粉收得率小于50%，二次复配需通过对已制得的球形粉进行筛分、混合的方式调控粉末的分布范围，无疑会提高增加粉末氧含量的风险。

（2）3D打印旧粉难以低成本再生利用

金属粉末在反复3D打印的过程中，经历多次高温烧结使得粒径和氧含量逐渐增大，呈现细长颗粒、卫星粉、不规则形状颗粒等状态，受限于现有制粉技术的原料要求和高成本，旧粉往往被低价出售不在用于3D打印。

（3）部分金属粉末激光吸收率低，3D打印成形效率低

金属粉末的激光吸收率较低直接导致3D打印过程中激光能量散失，熔池温度过低，成形产品会出现未熔合、孔洞、致密度低等缺陷，进一步影响成形件的力学、导热和导电性能。如15-53um范围的纯铜粉对1064nm波长激光的吸收率为22%，使得纯铜在增材制造应用领域仍存在一些挑战。

此外，现有球形金属粉末制备方法主要有气雾化法、等离子旋转电极雾化、等离子熔丝雾化等，上述制粉方法各有利弊，气雾化法制备的粉体粒度分布广、多卫星粉、存在气孔，等离子旋转电极雾化成本较高、合金元素易挥发，等离子熔丝雾化原料为特定丝材，粉末种类也受限。

因此，如何解决上述3D打印金属粉末制备的传统难点与缺陷，并提高金属粉末的激光吸收率，获得性能优秀的打印成品是本领域技术发展的重要方向。

而石墨烯是目前世界上最薄最坚硬的材料之一，其比表面积可达2630m

然而，目前规模制备石墨烯复合金属材料的方式多为物理共混，这种方式无法解决两相分散性和相容性问题，且受限于石墨烯粉体原料的品质，制得的复合材料也未能发挥石墨烯优异的性能。

此外，球形石墨烯金属粉体也难以连续化生产。重熔球化炉采用外加热方式，熔融态的微纳米级金属颗粒容易粘连在温度较高的内壁上，造成颗粒堆积、坠落，无法得到独立颗粒的球形粉末，也会影响石墨烯在颗粒表面的生长。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种高激光吸收率金属粉末的制备装置，包括：炉体、设于所述炉体顶部的送粉装置以及设于所述炉体底部的收集罐；

所述送粉装置包括进粉漏斗、进粉腔体、振动送粉器以及送粉阀门，所述进粉漏斗用于原料粉体下料，所述进粉漏斗下方连通所述进粉腔体，所述送粉阀门设于所述进粉腔体的尾端，与所述炉体的入口处连接，用于控制原料粉体落入所述炉体，所述振动送粉器设于所述送粉阀门的入口处，用于控制原料粉体送入送粉阀门的速率；

所述炉体内部包括反应室和粉末速冷室，所述反应室设于所述粉末速冷室的上方，所述反应室的底部连通有一第二气体进气口，第二气体进气口用于通入含碳源气体，顶部连通有一出气口，所述反应室对应的炉体壁设有加热棒；

所述反应室对应的炉体壁为夹层炉腔，所述夹层炉腔包括透气内炉管和炉体保温壳，所述炉体保温壳设于所述透气内炉管的外层，二者之间留有空间，所述空间连通有一第一气体进气口，所述第一气体进气口用于通入惰性气体，所述夹层炉腔内压力始终大于所述反应室内压力。

优选的，所述进粉腔体的内部设有分选装置，所述分选装置设于所述进粉漏斗的下方，将从所述进粉漏斗输送的金属粉进行目标粒径筛选，再输送至所述送粉阀门处，所述分选装置自上而下依次包括一级粉末分选筛网、粉末导流板以及二级粉末分选筛网，所述一级粉末分选筛网的网孔尺寸大于所述二级粉末分选筛网的网孔尺寸，所述粉末导流板设于所述一级粉末分选筛网的末端，与所述一级粉末分选筛网呈逆时针方向夹角，将从所述一级粉末分选筛网筛落的金属粉导流至所述二级粉末分选筛网上。所述送粉阀门包括一级粉末送粉阀门、二级粉末送粉阀门以及三级粉末送粉阀门，所述振动送粉器包括一级粉末送粉振动器、二级粉末送粉振动器以及三级粉末送粉振动器，所述一级粉末分选筛网的尾端连接所述一级粉末送粉振动器，通向所述一级粉末送粉阀门，所述二级粉末分选筛网的尾端连接所述二级粉末送粉振动器，通向所述二级粉末送粉阀门，所述进粉腔体的底壁连接所述三级粉末送粉振动器，通向所述三级粉末送粉阀门。

优选的，所述反应室的顶部设有旋转分散盘，所述旋转分散盘的高度低于所述三级粉末送粉阀门的高度。

优选的，所述透气内炉管的孔隙率为5%~50%，孔隙大小为100纳米至50微米。

一种利用前述高激光吸收率金属粉末的制备装置制备高激光吸收率金属粉末的制备方法，其步骤如下：

S1、将装置抽真空，打开所述第一气体进气口和所述出气口，从所述第一气体进气口向所述夹层炉腔内通入惰性气体，惰性气体经过所述透气内炉管均匀扩散至所述反应室，维持所述夹层炉腔内为正压，所述反应室内为标准大气压，同时加热棒加热升温至第一温度，第一温度为0~2800℃，反应室内形成加热区；

S2、从进粉漏斗加入原料粉体，原料粉体通过所述分选装置筛分为几个不同粒径区间，打开所述第二气体进气口通入含碳源气体，根据原料粉体所属的粒径区间确定并打开对应级别的所述送粉阀门，使粉体落在三级粉末送粉阀门下方的所述旋转分散盘上，由所述旋转分散盘进行均匀散料；

S3、粉体由所述旋转分散盘进入所述反应室后，落入加热区呈熔融态金属颗粒，含碳源气体从下往上进入加热区与熔融态金属颗粒接触，颗粒重熔球化的同时在表面生成石墨烯薄膜，表面生成石墨烯薄膜的熔融态金属颗粒继续下落至所述粉末速冷室，最后进入所述收集罐进行收集；

S4、反应完成后，所述送粉装置停止送粉，关闭所述第二气体进气口，从所述第一气体进气口持续通入惰性气体待所述反应室内降至室温后，密封分装所述收集罐中的石墨烯金属粉体。

在S2中，还包括级配，所述级配用于需要一定粒径分布比例的场合，通过打开不同的所述送粉阀门，将分选后的原料粉末按照预设比例进行混合。

优选的，所述原料粉体为回收的 3D 打印旧粉。

优选的，所述第一气体进气口通入的气体为包括惰性气体和氢气的混合气。

与现有技术相比，本发明可获得如下有益效果：

1、本发明成本低廉，可以实现金属粉末的连续高质量制备，避免了卫星粉、气孔粉的形成，通过筛分原料粒径，可100%保证收得的3D打印粉体材料粒径可控。

2、本发明的装置可以有效回收利用3D打印旧粉，将旧粉作为本发明装置的原料粉体，可重新球形化，利用甲烷分解生成的氢气进行还原，降低其氧含量，从而将废粉再次利用成为高附加值的3D打印粉体材料。

3、本发明设计有夹层炉腔，通入惰性气氛形成正压，惰性气体透过内炉管均匀扩散至反应室，可以有效防止金属粉末粘连在炉管内壁和含碳气体在温度较高的内炉管上分解、沉积。

4、本发明制备的3D打印粉体材料在金属表面包覆石墨烯层，有助于降低对激光的反射率，改善3D打印产品的成形效率和产品性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明高激光吸收率金属粉末的制备装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中使用的原料铜粉SEM图；

图3为本发明实施例中制备的石墨烯球形铜粉SEM图；

图4为本发明实施例中制备的石墨烯球形铜粉Raman图。

图中数字表示：

1、进粉漏斗， 2、一级粉末分选筛网， 3、粉末导流板， 4、二级粉末分选筛网， 5、振动送粉器， 6、一级粉末送粉阀门， 7、二级粉末送粉阀门， 8、三级粉末送粉阀门， 9、旋转分散盘， 10、出气口， 11、反应室， 12、透气内炉管， 13、加热棒， 14、炉体保温壳， 15、粉末速冷室， 16、收集罐， 17、第一气体进气口， 18、第二气体进气口。

具体实施方式

以下对本发明的各个方面进行进一步详述。

如图1所示，本发明提供一种高激光吸收率金属粉末的制备装置，包括：炉体、设于炉体顶部的送粉装置以及设于炉体底部的收集罐16：送粉装置包括进粉漏斗1、进粉腔体、振动送粉器5以及送粉阀门，进粉漏斗1用于原料粉体下料，所述进粉漏斗1下方连通进粉腔体，送粉阀门设于进粉腔体的尾端，与炉体的入口处连接，用于控制金属粉落入炉体，振动送粉器5设于送粉阀门的入口处，用于控制原料粉体送入送粉阀门的流量和速率；炉体内部包括反应室11和粉末速冷室15，反应室11设于粉末速冷室15的上方，反应室11对应的炉体壁是一夹层炉腔，所述夹层炉腔内可以设有加热棒13作为炉体的加热装置，加热棒13的位置不仅限于夹层炉腔内，只需要可以实现炉体加热的位置即可。

炉体采用常规的立式熔炼炉，进行球形金属粉加工时，从进粉漏斗1下料进入进粉腔体，由于振动送粉器5的工作特性，需要在倾斜面上进行振动送粉，通过不断的振动从而均匀可控地将原料粉体从斜面输送至送粉阀门。

作为优选的实施方式，进粉腔体不直接设于立式熔炼炉的正上方，而是偏设于立式熔炼炉的顶部侧壁。

作为优选的实施方式，本发明的进粉腔体的内部设有分选装置，分选装置设于进粉漏斗1的下方，将从进粉漏斗1输送的金属粉进行目标粒径筛选，再输送至送粉阀门处，分选装置自上而下依次包括一级粉末分选筛网2、粉末导流板3以及二级粉末分选筛网4，一级粉末分选筛网2的网孔尺寸大于二级粉末分选筛网4的网孔尺寸，粉末导流板3设于一级粉末分选筛网2的末端，与一级粉末分选筛网2呈逆时针方向夹角，将从一级粉末分选筛网2筛落的金属粉导流至二级粉末分选筛网4上。

分选装置用于根据加工需求选择原料粉体的粒径，本发明中设有两种不同孔径的筛网，上下排布，一级粉末分选筛网2的网孔尺寸大于二级粉末分选筛网4的网孔尺寸，粒径小于一级粉末分选筛网2网孔尺寸的原料粉末从网孔下落至二级粉末分选筛网4上。由于筛网存在一定长度，进分腔体又是斜面，过筛的小粒径原料粉体容易在重力作用下堆积在二级粉末分选筛网4的尾部，无法彻底在二级粉末分选筛网4上过筛，因此本实施例中在一级粉末分选筛网2的尾部设有粉末导流板3，粉末导流板3的长度不宜过短，要保证能够承接一级粉末分选筛网2的大部分落料并在其前端留有一段距离，以方便粉末导流板3承接的原料粉体落到下方二级粉末分选筛网4的前部。

作为优选的实施方式，送粉阀门包括一级粉末送粉阀门6、二级粉末送粉阀门7以及三级粉末送粉阀门8，振动送粉器5包括一级粉末送粉振动器、二级粉末送粉振动器以及三级粉末送粉振动器，一级粉末分选筛网2的尾端连接一级粉末送粉振动器，通向一级粉末送粉阀门6，二级粉末分选筛网4的尾端连接二级粉末送粉振动器，通向二级粉末送粉阀门7，进粉腔体的底壁连接三级粉末送粉振动器，通向三级粉末送粉阀门8。

不同的送粉阀门对应经过分选后的不同粒径的待用原料粉体，当需要某一粒径的原料粉体时，打开对应的送粉阀门向反应室11内下料即可，当需要不同粒径的原料粉体进行级配时，则可以在筛网筛分后打开不同的送粉阀门进行针对性混合。

作为优选的实施方式，反应室11的顶部设有旋转分散盘9，所述旋转分散盘9的高度低于所述三级粉末送粉阀门8的高度。

旋转分散盘9设于三级粉末送粉阀门8的下方，即所有送粉阀门均高于旋转分散盘9的位置，保证所有送粉阀门处下料的原料粉体均可以经过旋转分散盘9进行分散下料，在反应室11内均匀扩散。

作为优选的实施方式，夹层炉腔包括透气内炉管12和炉体保温壳14，炉体保温壳14设于透气内炉管12的外层，由隔热材料和金属外壳组成，透气内炉管12与炉体保温壳14二者之间留有空间，空间用于通入惰性气体。空间连通有一第一气体进气口17，第一气体进气口17用于通入惰性气体，反应室11的底部连通有一第二气体进气口18，第二气体进气口18用于通入含碳源气体，顶部连通有一出气口10，夹层炉腔内压力始终大于反应室11内压力。

透气内炉管12的材质可以为石墨、碳碳复合材料、金属、陶瓷等，向夹层炉腔内通入惰性气体，惰性气体透过透气内炉管12均匀扩散至反应室11，使得夹层炉腔内压力始终大于反应室11内压力，由于夹层炉腔内设有加热棒13，熔融态的金属粉末容易粘连在炉管内壁，此举通过惰性气体营造压力差，可以有效防止金属粉末粘连在炉管内壁，同时可以避免含碳源气体在温度较高的内炉管上分解、沉积。

本发明还提供一种利用前述高激光吸收率金属粉末的制备装置制备高激光吸收率金属粉末的制备方法，其步骤如下：

S1、将装置抽真空，打开第一气体进气口17和出气口10，从第一气体进气口17向夹层炉腔内通入惰性气体，通入速率为20-40L/min，所选惰性气体为氩气、氮气中的一种或混合气，惰性气体经过透气内炉管12均匀扩散至所述反应室11，维持夹层炉腔内为正压，反应室11内为标准大气压，同时加热棒13加热升温至第一温度，反应室11内形成加热区,加热区温度为1000-2600℃；

S2、从进粉漏斗1加入原料粉体，原料粉体可选机械破碎、电解、雾化等方式生产的单质金属粉、合金粉或回收的3D打印旧粉；原料粉体通过分选装置筛分为几个不同粒径区间，打开第二气体进气口18通入含碳源气体，碳源气体通入速率为0.4-1L/min，含碳源气体为碳氢化合物，可选甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、乙炔等，同时，在通入碳源气体时，第二气体进气口18也可以同时通入惰性气体，以平衡气体分压，惰性气体可以为氩气、氮气中的一种或混合气，通入速率为0-10 L/min，其与碳源气体之间的体积比为10-20比1，打开对应级别的送粉阀门，使粉体落在下方的旋转分散盘9上，由旋转分散盘9进行均匀散料，旋转分散盘9的转速可以根据原料粉体的粒径大小不同来进行转速调整，原料粉体下落速率为0-2kg/h；

S3、原料粉体由旋转分散盘9进入反应室11后，落入加热区呈熔融态金属颗粒，含碳源气体从下往上进入加热区与熔融态金属颗粒接触，颗粒重熔球化的同时在表面生成石墨烯薄膜，表面生成石墨烯薄膜的熔融态金属颗粒继续下落至粉末速冷室15，最后进入收集罐16进行收集；

S4、反应完成后，送粉装置停止送粉，关闭第二气体进气口18，从第一气体进气口17持续通入惰性气体待反应室11内降至室温后，密封分装收集罐16中的石墨烯金属粉体。

作为优选的实施方式，分选更具体地包括:

原料粉料下落至一级粉末分选筛网2，粒径大于所述一级粉末分选筛网2网孔尺寸的粉体无法通过，为一级粉末，在一级粉末送粉振动器的作用下输送至一级粉末送粉阀门6待用；

可通过的粉体从一级粉末分选筛网2落至粉末导流板3，从粉末导流板3的斜面滑落至二级粉末分选筛网4，粒径大于所述二级粉末分选筛网4网孔尺寸的粉体无法通过，为二级粉末，在二级粉末送粉振动器的作用下输送至二级粉末送粉阀门7待用；

可通过的粉体从二级粉末分选筛网4落至进粉腔体底部，为三级粉末，在三级粉末送粉振动器的作用下输送至三级粉末送粉阀门8待用；

作为优选的实施方式，此处的两次分选对应于两个分选筛网的设置，在其他的实施例中，还可以设置多个分选筛网从而进行多次的分选，分选后的粉末可分别进行制备，或根据一定的比例，混合后进行制备，在S2中，对应步骤还包括级配，级配用于需要一定粒径分布比例的场合，通过打开不同的所述送粉阀门，将原料粉末按照预设比例进行混合。如对制备的3D打印粉体材料有不同粒径的铺层需求，则可以在反应的不同时段打开相应阀门进行送料。

作为优选的实施方式，所述透气内炉管12的孔隙率为5%~50%，孔隙大小为100纳米至50微米；所述夹层炉腔通入惰性气体后的压力0.1~5MPa；所述加热棒13的加热温度为0~2800℃。

本发明还提供一种回收利用3D打印粉体材料旧粉制备高激光吸收率金属粉末的制备方法，将旧粉（即使用后已发生形变无法使用的旧3D打印粉体材料）作为原料粉体投入进粉漏斗1，旧粉落入加热区，高温下含碳源气体分解产生氢气，氢气对旧粉中的氧化金属进行氢还原，还原后的金属粉体在加热区呈熔融态金属颗粒，金属颗粒重熔球化的同时在金属粉体表面生成石墨烯薄膜，继续下落至粉末速冷室15，然后进入收集罐16进行收集。

其中，利用雾化法制备的铜粉作为原料粉体，使用本发明的装置制成石墨烯包覆的球形铜粉，可以作为本发明的一实施例，具体步骤如下：

S1，调节装置初始压力，将装置抽真空，打开第一气体进气口17和出气口10，从第一气体进气口17向夹层炉腔内通入30L/min氮气，夹层炉腔和反应室11换气至完全氮气状态，加热棒13加热，反应室11内升温至1300℃，第二气体进气口18通入8L/min氮气和0.6L/min 甲烷的混合气体，维持夹层炉腔内为正压，反应室11内为标准大气压；

S2、进行原料铜粉下料分选，从进粉漏斗1下原料铜粉，此处采用的原料铜粉为雾化法制备形成，一级粉末分选筛网2采用60微米孔径，选出粒径小于60微米的原料铜粉，打开二级粉末送粉阀门7和三级粉末送粉阀门8，粒径小于60微米的原料铜粉落在下方的旋转分散盘9上，再由所述旋转分散盘9对下方的反应室11进行均匀散料，以1kg/h速率将原料铜粉均匀下落；

S3、进行反应与收集，原料铜粉进入反应室11，此时加热区温度为1300℃，原料铜粉落入加热区呈熔融态铜粉颗粒，在表面张力作用下形成球，含碳源气体从下往上进入加热区与熔融态铜粉颗粒接触，铜粉颗粒重熔球化的同时在表面生成石墨烯薄膜，表面生成石墨烯薄膜的熔融态金属颗粒继续下落至粉末速冷室15迅速冷却，然后进入收集罐16进行收集；

S4、完成制备，按照目标生产需求，等反应完成后，送粉装置停止送粉，关闭第二气体进气口18，从第一气体进气口17持续通入惰性气体待反应室11内降至室温后，密封分装收集罐16中的石墨烯球形铜粉。

作为优选的实施方式，所述第一气体进气口17通入的气体为包括惰性气体和氢气的混合气。在第一气体进气口17通入包括惰性气体和氢气的混合气能够提升甲烷裂解产物中氢气的浓度，进一步提升石墨烯球形铜粉的制备效果。

经上述步骤制备的石墨烯包覆的球形铜粉，具有良好的导电性能，是压制成型的优质原料，如，将上述复合粉体装入直径为φ25mm的冷等静压模具中，在280MPa压力下压制成型，得到铜/石墨烯复合材料块体毛坯。将得到的毛坯放入烧结炉中，在氩气气氛保护下烧结成型，升温速率为10 ℃/min，热烧结温度为900℃，保温时间为1.5 h。将烧结后的棒材进行热挤压后测试，得铜烯合金得电导率为97.4%IACS，密度为8.71g/cm

如图2所示，本实施例中的原料铜粉之间粒径不同，形状各异，无法作为3D打印粉末来使用，而通过本发明装置制备处理后的石墨烯球形铜粉如电镜扫描SEM图3所示，呈现圆滑规则的球形，球形度好、粒度分布窄，如图4的本发明制备的石墨烯球形铜粉拉曼图谱显示，完全符合石墨烯包覆的特征，而不是石墨包覆。综上，认为本发明制备的石墨烯球形铜粉符合高质量石墨烯铜粉的要求，可用于3D打印。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。