一种适合批量制备高熔点易堵包金属的雾化制粉方法

技术领域

本发明涉及金属雾化制粉技术领域，具体是涉及一种适合批量制备高熔点易堵包金属的雾化制粉方法。

背景技术

随着增材制造、喷涂、注射成型等行业的发展，对于球形合金粉末的需求日益增加，特别是近几年3D打印行业迅猛发展，带动了球形合金粉末的应用量剧增，其主流工艺金属粉末由于应用及后续成型工艺要求不同，其制备方法也是各有不同，为满足增材制造装备及工艺要求，金属粉末必须具备较低的氧氮含量、良好的球形度、较窄的粒度分布区间和较高的松装密度等特征。

等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)、气雾化法(EIGA和VIGA)以及等离子球化法(PS)是当前增材制造用金属粉末的主要制备方法，四者均可制备球形或近球形金属粉末。其中PREP、PA、PS均是以等离子体为热源，由于等离子体温度较高，几乎能满足所有的金属及合金熔化，且整个过程原材料不污染，但是其对原材料的强度、尺寸等均有较为苛刻的要求，造成原材料成本高，且由于金属在液态停留的时间较短，因此制备的合金粉末合金化程度相对较低。

气雾化法主要有EIGA和VIGA两种，EIGA是电极感应气雾化，其也是以电极作为原材料，由于工艺的特殊性对于电极的致密度、尺寸等均有比较严苛的要求，存在合金化不充分的缺点，VIGA工艺是真空感应熔炼与气雾化结合的工艺，其对原材料的要求相对较低，且产能效率较高，但其缺点在于熔炼温度收到坩埚载体的限制，并且熔炼过程不可避免的导致了坩埚及炉衬材料放气、脱落，影响了材料的品质，最后VIGA工艺在雾化粘度、熔点较大的合金时，非常容易堵包，造成雾化中断，因此在实际生产时，上述工艺各自的特点使得制备粉末品类和性能均受到了一定的限制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种适合批量制备高熔点易堵包金属的雾化制粉方法，包括：

S1、配料

制定配比方案，选择较为合适的金属或合金块；将金属或合金块按照要求进行称重配比，得到金属原材料；

S2、抽真空环境

将金属原材料放置在水冷铜坩埚中，装料过程避免金属原材料搭接；随后盖上炉盖，开启磁悬浮熔炼设备真空系统，抽至设定的真空度；

S3、磁悬浮熔炼

达到设定的真空度后，通过梯度加热的方式提升功率；观测真空系统真空度恒定时，随后进一步提升功率；观察待金属原材料发红且微微产生熔化时，关闭真空抽气系统，充入惰性气体，继续加热升高功率，使金属原材料熔化；当熔液达到浇铸温度，在该功率条件下保持一段时间；

S4、雾化制粉

在磁悬浮熔炼工艺进行的同时，对雾化用中间包进行预热，待磁悬浮将原材料充分熔化并搅拌均匀后，得到金属熔液；然后对金属熔液进行气雾化制粉，得到高合金化球形合金粉；

S5、筛分

将高合金化球形合金粉进行筛分得到各种粒度的金属粉末。

进一步地，步骤S3所述梯度加热的方式提升功率，每个阶段的功率条件下分别保持5～10min。

说明：通过梯度加热可以防止起始功率过高导致设备损坏，还能够避免因阶段功率过高原材料大量放气无法快速排出造成金属氧化的问题发生。

进一步地，步骤S3所述惰性气体采用氩气，充入量为：-0.08～-0.01Mpa。

说明：充入惰性气体的目的是防止熔化过程中的液体飞溅。

进一步地，步骤S3中当熔液达到浇铸温度，在该功率条件下保持3～5分钟。

说明：达到浇铸温度后在该功率条件下保持3～5分钟可以确保原材料充分熔化，为后续气雾化的实施提供保证。

进一步地，步骤S4所述雾化用中间包预热功率为8～14kw，温度为1200～1500℃。

说明：对雾化用中间包进行预热，能够有效保持金属溶液的流动性。

进一步地，步骤S4所述气雾化制粉步骤为：将水冷铜坩埚内金属熔液倾倒入中间包，将金属熔液通过导流管流经由带有还原气氛的等力矩组成的环孔型喷射区域，利用压力为3～5Mpa的高压气流将金属熔液雾化破碎成大量细小液滴，细小液滴在飞行中凝固，得到高合金化球形合金粉。

说明：在雾化过程中利用环孔等离子体热气体破碎金属液流的雾化形式，防止了导流管因为冷却导致堵包现象的发生。

进一步地，所述导流管内径尺寸为3～7mm；所述金属液流采用等离子炬为破碎介质。

说明：采用等离子炬为破碎介质有效解决了导流管漏眼堵包造成的雾化中断问题，提高了粉末的球形度，制备出高合金化球形合金粉。

进一步地，所述高压气流为等离子炬，采用还原性气体。

说明：通过热气体破碎金属液流能够延长金属液滴的冷却时间，使得粉末的球形度更高，且避免堵包；采用还原性气体作为等离子介质，能够有效降低粉末的气体含量，使制备出的粉末具备高合金化、高球形度的特点。

进一步地，对金属液体进行雾化破碎的同时通入270～280℃的苯并三氮唑，所述苯并三氮唑通入量为金属液流重量的0.01～0.02％，且采用独立惰性气流作为动力进行输送。

说明：进行雾化破碎的同时通入苯并三氮唑能够提高制备粉末的抗氧化性，避免金属氧化变质。

进一步地，S1所述配料为：按照百分比含量为0.25～10％的Cr元素原料、0.1～3.95％的Nb元素原料、余量的Cu元素原料；或按照百分比含量为7～43％的Cr元素原料、余量的Cu元素原料进行配料。

说明：本方法可以制备CuCr10(wt.％)、CuCr25(wt.％)、CuCr30(wt.％)、CuCr35(wt.％)、CuCr40(wt.％)、CuCr4Nb2(at.％)、CuCr8Nb4(at.％)等需要的Cu、Cr、Nb等元素的原材料粉末，且不限于以上这些。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过磁悬浮熔炼和等离子炬雾化的方式，有效避免了熔化过程对原材料品类、形状、性能的苛刻要求，避免了以陶瓷坩埚为载体造成的坩埚脱落放气现象，避免金属熔液与陶瓷坩埚发生反应，而导致的成分偏差。

(2)本发明采用磁悬浮工艺，能够避免因为耐火材服役温度不足而造成的无法提升温度，能够熔化高熔点的金属，并提高金属熔液的过热度，避免金属熔液粘度太大导致的堵包问题；弥补耐火材料无法长期在高温下工作的缺陷，使得金属原材料得到充分的合金化。

(3)本发明在雾化过程采用环孔等离子体热气体破碎金属液流的雾化形式，防止了导流管因为冷却导致堵包现象的发生，以环孔等离子炬的方式对液流作用，不仅能够破碎金属液流，同时其提供的热量能够延迟凝固时间，从而得到高球形度的金属粉末，并有效提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。

实施例1

一种适合批量制备高熔点易堵包金属的雾化制粉方法，包括：

S1、配料

按照百分比含量为25％的Cr元素原料、余量的Cu元素原料进行配料，得到金属原材料；

S2、抽真空环境

将金属原材料放置在水冷铜坩埚中，装料过程避免金属原材料搭接；随后盖上炉盖，开启磁悬浮熔炼设备真空系统，抽至真空度为5Pa；

S3、磁悬浮熔炼

达到设定的真空度后，通过梯度加热的方式提升功率；观测真空系统真空度恒定时，随后进一步提升功率；观察待金属原材料发红且微微产生熔化时，关闭真空抽气系统，充入惰性气体，继续加热升高功率，使金属原材料熔化；当熔液温度达到2100℃，在该功率条件下保持4分钟；

所述梯度加热的方式提升功率步骤为：先将功率提升至20KW保持7.5min，再将功率升至40KW保持7.5min，然后将功率提升至80KW保持7.5min，再将功率提升至120KW保持7.5min，最后功率提升至140KW保持7.5min；所述惰性气体采用氩气，充入量为：-0.045Mpa；

S4、雾化制粉

在磁悬浮熔炼工艺进行的同时，对雾化用中间包进行预热，待磁悬浮将原材料充分熔化并搅拌均匀后，得到金属熔液；然后对金属熔液进行气雾化制粉，得到高合金化球形合金粉；所述雾化用中间包预热功率为11kw，温度为1350℃；

所述气雾化制粉步骤为：将水冷铜坩埚内金属熔液倾倒入中间包，将金属熔液通过导流管流经由带有还原气氛的等力矩组成的环孔型喷射区域，利用压力为3～5Mpa的高压气流将金属熔液雾化破碎成大量细小液滴，细小液滴在飞行中凝固，得到高合金化球形合金粉；

所述导流管内径尺寸为5mm；所述金属液流采用等离子炬为破碎介质；所述高压气流为等离子炬，采用还原性气体；

对金属液体进行雾化破碎的同时通入275℃的苯并三氮唑，所述苯并三氮唑通入量为金属液流重量的0.015％，且采用独立惰性气流作为动力进行输送；采用独立惰性气流是利用对应的独立气路通入苯并三氮唑；

S5、筛分

将高合金化球形合金粉进行筛分得到100～110um的金属粉末。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S3所述梯度加热的方式提升功率步骤为：先将功率提升至20KW保持5min，再将功率升至40KW保持5min，然后将功率提升至80KW保持5min，再将功率提升至120KW保持5min，最后功率提升至140KW保持5min。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S3所述梯度加热的方式提升功率步骤为：先将功率提升至20KW保持10min，再将功率升至40KW保持10min，然后将功率提升至80KW保持10min，再将功率提升至120KW保持10min，最后功率提升至140KW保持10min。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S3所述惰性气体采用氩气充入量为：-0.08Mpa。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S3所述惰性气体采用氩气充入量为：-0.01Mpa。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述雾化用中间包预热功率为8kw，温度为1200℃。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述雾化用中间包预热功率为14kw，温度为1500℃。

实施例8

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述利用压力为3Mpa的高压气流将金属熔液雾化破碎成大量细小液滴，细小液滴在飞行中凝固，得到高合金化球形合金粉。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述利用压力为5Mpa的高压气流将金属熔液雾化破碎成大量细小液滴，细小液滴在飞行中凝固，得到高合金化球形合金粉。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述导流管内径尺寸为3mm。

实施例11

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述导流管内径尺寸为7mm。

实施例12

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述对金属液体进行雾化破碎的同时通入270℃的苯并三氮唑，所述苯并三氮唑通入量为金属液流重量的0.01％。

实施例13

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S4所述对金属液体进行雾化破碎的同时通入280℃的苯并三氮唑，所述苯并三氮唑通入量为金属液流重量的0.02％。

实施例14

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S1所述配料为：按照百分比含量为7％的Cr元素原料、余量的Cu元素原料进行配料，得到金属原材料。

实施例15

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S1所述配料为：按照百分比含量为43％的Cr元素原料、余量的Cu元素原料进行配料，得到金属原材料。

实施例16

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S1所述配料为：按照百分比含量为0.25％的Cr元素原料、0.1％的Nb元素原料、余量的Cu元素原料。

实施例17

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S1所述配料为：按照百分比含量为5％的Cr元素原料、2％的Nb元素原料、余量的Cu元素原料。

实施例18

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤S1所述配料为：按照百分比含量为10％的Cr元素原料、3.95％的Nb元素原料、余量的Cu元素原料。

应用例：

1、探究梯度升温加热处理的不同参数对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、2、3作为实验对比，结果如下表1所示：

表1：实施例1、2、3各样本的性能测试表

结论：由表1结果可知，梯度加热的不同参数对所制备的金属粉末的球形率无明显影响，对密度影响较小，通过对比而言实施例1相对更优。

2、探究雾化用中间包预热的不同参数对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、6、7作为实验对比，结果如下表2所示：

表2：实施例1、6、7各样本的性能测试表

结论：由表2结果可知，雾化用中间包预热的不同参数对所制备的金属粉末的球形率无明显影响，对密度影响较小，通过对比而言实施例1相对更优。

3、探究高压气流压力的不同参数对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、8、9作为实验对比，结果如下表3所示：

表3：实施例1、8、9各样本的性能测试表

结论：由表3结果可知，雾化压力的不同参数对所制备的金属粉末的球形率有一定影响，对密度影响较小，通过对比而言实施例1相对更优。

4、探究通入苯并三氮唑的不同参数对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、12、13作为实验对比，结果如下表4所示：

表4：实施例1、12、13各样本的性能测试表

结论：由表4结果可知，雾化用中间包预热的不同参数对所制备的金属粉末的球形率无明显影响，对密度影响较小，通过对比而言实施例1相对更优。

5、探究磁悬浮熔炼对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、2、3及对照例1、2作为实验对比，结果如下表5所示：

对照例1与实施例1不同之处在于，所述熔炼方式采用真空感应熔炼，采用适合的陶瓷坩埚，将金属或合金块放置于陶瓷坩埚中，随后抽真空，当真空度满足要求后，通过梯度加热功率的方式，使得原材料加热至红热状态，待到坩埚内原材料开始微微熔化时，关闭真空系统，充入氩气至微正压，随后继续提升功率，直到原材料完全熔化；

对照例2与实施例1不同之处在于，雾化制粉过程中不采用环孔等离子炬的方式对液流作用。

表5：实施例1～3与对照例1、2各样本的性能测试表

结论：由表5数据可以看出采用本发明方法采用采用磁悬浮工艺，合金密度更高，材料更为致密；综合来看实施例1中的方法制备合金粉末性能最优，实施例3较实施例2更优；可以看出对照例2的球形率低于实施例1～3，采用环孔等离子炬的方式对液流作用对制备球形度高的合金粉末具有一定影响。

6、探究苯并三氮唑对所制备的金属粉末的影响。以实施例1、2、3及对照例2作为实验对比，结果如下表6所示：

对照例3与实施例1不同之处在于，对金属液体进行雾化破碎时不通入苯并三氮唑；

表6：实施例1～3、对照例2各样本的性能测试表

结论：由表6结果可知，通入苯并三氮唑对所制备的金属粉末的球形率无明显影响，对密度有一定影响，通过对比而言实施例1相对更优。