一种适用于3D打印的金属粉末制备方法及装置与流程

本发明涉及3D打印增材制造领域以及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种金属粉末制备方法及装置。

背景技术：

随着加工技术的发展及革新，粉末材料在汽车、冶金、航天、航空、交通运输、生物医学等领域的应用越来越广泛，尤其是随着3D打印技术的迅猛发展，制造领域对于金属粉末的需求更为迫切。高性能的金属粉末具有流动性好、粒度范围窄、成分均匀等特点，需要采用先进的制备技术才能获得。目前，国内外生产金属球形粉末的主要方式是雾化法，国内雾化制粉技术水平与国外差距较大，制备的金属粉末粒度范围大，必须经过多次筛分及检验才能得到所需的粒径，生产效率极低，且存在粒度分布不均匀、粉末球形度不佳、颗粒表面存在卫星球以及存在一定数量的空心粉末等缺陷，致使大量高性能金属粉末依赖进口，严重制约国内金属3D打印增材制造行业的发展。因此，开发制粉设备，提高金属粉末的制备技术水平及工艺具有重要的现实意义。

在众多金属粉末制备工艺中，旋转离心法制粉以其独特的粒径尺寸，形貌可控性和较高生产效率，已成为目前制备金属或合金粉末的一种重要方法。但现有旋转离心金属粉末制备方法的雾化效果仍不理想，产品质量及生产效益都较低。

技术实现要素：

本发明的其中一个目的是提出一种适用于3D打印的金属粉末制备方法及装置，解决了现有技术存在金属粉末制备方法的雾化效果仍不理想的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种适用于3D打印的金属粉末制备方法，包括：

(1)将待熔化的金属放入熔炼坩埚内；

(2)设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，在惰性保护气氛下将金属在熔炼坩埚内熔化；

(3)熔融的液态金属通过熔炼坩埚底部导流嘴引流到高速旋转的中间包坩埚内，在离心力作用下液态金属流至中间包坩埚圆周面，通过圆周面的流出孔甩成金属液滴；

(4)金属液滴在表面张力的作用下形成球形，在炉腔内飞行并冷却凝固成金属球。

优选地，所述方法中设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa，启动自动排气。

本发明还提供了一种适用于3D打印的金属粉末制备装置，包括炉体，所述炉体包括炉腔还包括：

用于对金属进行加热的加热装置；

用于充入惰性气体的进气管；

机械泵、罗茨泵以及扩散泵，所述机械泵、罗茨泵以及扩散泵用于所述炉腔抽真空。

熔炼坩埚、中间包坩埚以及电机，所述熔炼坩埚置于所述中间包坩埚的顶部，所述中间包坩埚与所述电机连接，所述熔炼坩埚底部设有导流嘴，所述中间包坩埚圆周面设置有流出孔。

优选地，所述加热装置为以环绕的方式设置在所述熔炼坩埚的感应线圈。

优选地，还包括，用于对所述惰性气体的体量进行检测的检测装置，以及用于当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa时，进行排气的排气管。

优选地，还包括，在金属充分熔化后，用于向所述炉腔内通入相同惰性气体的增压管。

优选地，所述炉体还包括炉盖，所述炉盖设置在所述炉腔开口处。

优选地，所述中间包坩埚内底部结构为锥体。

优选地，所述流出孔尺寸相同。

优选地，所述中间包坩埚顶部有挡边。

优选地，供金属液滴飞行的炉体由所述炉腔、炉盖组成，为环饼状。

优选地，还包括设置在所述炉腔底部的集粉罐，以及设置在所述炉腔与所述集粉罐之间的球阀。

优选地，所述电机的转速为1000rpm-40000rpm。

基于上述技术方案，本发明实施例解决了现有技术存在金属粉末制备方法的雾化效果仍不理想的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所提供的金属粉末制备方法的流程图；

图2为本发明实施例优选实施方式所提供的金属粉末制备的示意图；

图3为本发明实施例优选实施方式所提供的熔炼坩埚及中间包坩埚的示意图；

图4为图3中Ι区域局部放大图。

附图标记：中间包坩埚1、流出孔1-1、锥体1-2、熔炼坩埚2、导流嘴2-1、感应线圈3、进气管4、增压管5、排气管6、炉盖7、机械泵8、罗茨泵9、扩散泵10、炉腔11、电机12、球阀13、集粉罐14。

具体实施方式

下面可以参照附图图1～图4以及文字内容理解本发明的内容以及本发明与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。需要说明的是：本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓：可以将本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。

本发明实施例提供了一种适用于3D打印的金属粉末制备方法及装置。下面结合图1～图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种适用于3D打印的金属粉末制备方法包括：

S101，将待熔化的金属放入熔炼坩埚2内；

S102,设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，在惰性保护气氛下将金属在熔炼坩埚2内熔化；

S103，熔融的液态金属通过熔炼坩埚2底部导流嘴2-1引流到高速旋转的中间包坩埚1内，在离心力作用下液态金属流至中间包坩埚1圆周面，通过圆周面的流出孔1-1甩成金属液滴；

S104，金属液滴在表面张力的作用下形成球形，在炉腔11内飞行并冷却凝固成金属球。

本发明的工作过程具体为：将待熔化的金属放入熔炼坩埚2内，其中熔炼坩埚2外部设有加热装置，通过将熔炼坩埚2加热进而加热其内部放置的待熔化金属，使待熔化金属熔化成液态金属；具体的，熔化的环境为抽真空至6.63×10^-3Pa后，然后充入高纯度的惰性气体，惰性气体优选为氩气，在惰性气体的保护环境下将金属熔化，可以使得金属的熔化效率提高和熔化后的液态金属尽可能减少被氧化；熔化后的金属通过熔炼坩埚2底部的导流嘴2-1引流到高速旋转的中间包坩埚1中，在离心力的作用下液态金属流至中间包坩埚1的圆周面上，通过中间包坩埚1圆周面上的流出孔1-1甩成金属液滴，被甩出的金属液滴在表面张力的作用下形成球形，在炉腔11内飞行并冷却凝固成金属球。其中与中间包坩埚1连接电机12，为中间包坩埚1旋转提供动力支持。

通过本发明实施例所提供的方法制备金属粉末使得金属的熔化过程处于抽真空反充惰性气体的环境下，尽可能减小产品被氧化的几率，主要可以解决现有技术中产品氧化严重的技术问题。

优选地，所述方法中设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa，启动自动排气。该步骤为对充入的惰性气体的体量进行检测，当检测到反充至设备的高纯度惰性气体体量大于0.08MPa时，则启动自动排气，通过增加检测所充入的惰性气体的体量，可以达到控制所充入的惰性气体的量，其中一方面可以使整个设备都处于一种预设的环境下生产，另一方面也可以避免资源不必要的浪费。

如图2所示，本发明还提供了一种适用于3D打印的金属粉末制备装置，包括炉体，所述炉体包括炉腔11，还包括：

用于对金属进行加热的加热装置；

用于充入惰性气体的进气管4；

机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10，所述机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10用于所述炉腔11抽真空。

熔炼坩埚2、中间包坩埚1以及电机12，所述熔炼坩埚2置于所述中间包坩埚1的顶部，所述中间包坩埚1与所述电机12连接，所述熔炼坩埚2底部设有导流嘴2-1，所述中间包坩埚1圆周面设置有流出孔1-1。

通过本实施例提供的适用于3D打印的金属粉末制备装置制备金属粉末的工作过程如下:将待熔化的金属置于炉腔11内的熔炼坩埚2中，其中通过加热装置对待熔化的金属进行加热，使之熔化为液态金属，通过机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10对炉腔11进行抽真空处理，在抽真空之后，通过进气管4给炉腔11充入惰性气体，熔化的液态金属通过熔炼坩埚2底部的导流嘴2-1流入高速旋转的中间包坩埚1中，其中中间包坩埚1高速旋转的动力来源于与中间包坩埚1连接电机，由电机提供动力支持，使得中间包坩埚1高速旋转，产生离心力，在离心力的作用下，中间包坩埚1内的液态金属从其圆周面上设置的流出孔1-1甩出，被甩出的金属液滴在表面张力的作用下形成球形，在炉腔11内飞行并冷却凝固成金属球。

本实施例所提供的适用于3D打印的金属粉末制备装置制备金属粉末，通过采用机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10对炉腔11进行抽真空处理，可以使得金属的熔化过程即是处在真空环境下，可以最大程度降低产品被氧化的可能性，另外，通过这种泵相结合的方式进行抽真空处理，可以更便捷和准确地控制抽真空的状态和炉内的气压，使得金属液滴在炉腔11内冷却凝固成具有高球形度、球径尺寸均匀的金属球，从而进一步提高产品制备的效率。

优选的，所述加热装置为以环绕的方式设置在所述熔炼坩埚2的感应线圈3，通过环绕的方式设置，可以使金属熔化的更加均匀和充分，由此形成的液态金属有较好的一致性，对于最终冷却凝固成金属球的一致性均有影响，所以通过这种方式可以提高金属粉末的质量。

优选地，所述装置还包括，用于对所述惰性气体的体量进行检测的检测装置，以及用于当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa时，进行排气的排气管6。通过检测装置对充入的惰性气体的体量进行实时检测，当体量大于0.08MPa时，通过排气管6进行排气，通过设置检测装置，可以达到控制所充入的惰性气体的量，其中一方面可以使整个设备都处于一种预设的环境下生产，另一方面也可以避免资源不必要的浪费。

优选地，还包括，在金属充分熔化后，用于向所述炉腔11内通入相同惰性气体的增压管5。在金属充分熔化后，通过增压管5向炉腔11内通入与熔化阶段所充入的同一种惰性气体，以使得熔炼坩埚2内与炉腔11内产生压差，便于液态金属由导流嘴2-1流出，形成稳定的射流，顺利进入到中间包坩埚1中。

优选地，所述炉体还包括炉盖7，所述炉盖7设置在所述炉腔11开口处。

优选地，所述中间包坩埚1内底部结构为锥体1-2，通过设置为锥体形状，可以解决现有离心法制粉中熔化的液态金属不能均匀地分布，进而影响生成的金属粉末的质量。

优选地，所述流出孔1-1尺寸相同，将流出孔的尺寸设置为相同，可以用于形成尺寸均匀的金属液滴，进而控制由此所形成的金属粉末的尺寸，更好地提高所制备的金属粉末的质量。

优选地，所述中间包坩埚1顶部有挡边，通过设置档边，可以防止熔化后的液态金属被甩出，从而使被甩出的液态金属液滴最大限度地形成金属粉末。

优选地，供金属液滴飞行的炉体由所述炉腔11、炉盖7组成，具体为环饼状。

优选地，所述装置还包括设置在所述炉腔11底部的集粉罐14，以及设置在所述炉腔11与所述集粉罐14之间的球阀13，其中金属粉末通过球阀13的开合获得，并由集粉罐14收集。

其中电机12的转速可在1000rpm-40000rpm范围内进行调节，以适应不同流动性能的液态金属，例如，当某液态金属的流动性较好时，金属液滴甩出所需的离心力相对较小，故此时可以将电机12的转速设置为一个相对较小的值，比如5000rpm，而当某液态金属的流动性较差时，金属液滴甩出所需的离心力相对较大，故此时可以将电机12的转速设置为一个相对较小的值，比如30000rpm，由此，根据液态金属不同的流动性能，对电机12的转速进行调节，可以实现节能的功效。

A1、一种适用于3D打印的金属粉末制备方法，包括：

(1)将待熔化的金属放入熔炼坩埚2内；

(2)设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，在惰性保护气氛下将金属在熔炼坩埚2内熔化；

(3)熔融的液态金属通过熔炼坩埚2底部导流嘴2-1引流到高速旋转的中间包坩埚1内，在离心力作用下液态金属流至中间包坩埚1圆周面，通过圆周面的流出孔1-1甩成金属液滴；

(4)金属液滴在表面张力的作用下形成球形，在炉腔11内飞行并冷却凝固成金属球。

A2、根据A1所述的方法，所述方法中设备抽真空至6.63×10^-3Pa后，反充高纯度的惰性气体，当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa，启动自动排气。

B3、一种适用于3D打印的金属粉末制备装置，包括炉体，所述炉体包括炉腔11，其特征在于，还包括：

用于对金属进行加热的加热装置；

用于充入惰性气体的进气管4；

机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10，所述机械泵8、罗茨泵9以及扩散泵10用于所述炉腔11抽真空。

熔炼坩埚2、中间包坩埚1以及电机12，所述熔炼坩埚2置于所述中间包坩埚1的顶部，所述中间包坩埚1与所述电机12连接，所述熔炼坩埚2底部设有导流嘴2-1，所述中间包坩埚1圆周面设置有流出孔1-1。

B4、根据B3所述的装置，所述加热装置为以环绕的方式设置在所述熔炼坩埚2的感应线圈3。

B5、根据B3所述的装置，还包括，用于对所述惰性气体的体量进行检测的检测装置，以及用于当反充高纯度的惰性气体的体量大于0.08MPa时，进行排气的排气管6。

B6、根据B3所述的装置，还包括，在金属充分熔化后，用于向所述炉腔11内通入相同惰性气体的增压管5。

B7、根据B3所述的装置，所述炉体还包括炉盖7，所述炉盖7设置在所述炉腔11开口处。

B8、根据B3所述的装置，所述中间包坩埚1内底部结构为锥体1-2。

B9、根据B3所述的装置，所述流出孔1-1尺寸相同。

B10、根据B3所述的装置，所述中间包坩埚1顶部有挡边。

B11、根据B3所述的装置，供金属液滴飞行的炉体由所述炉腔11、炉盖7组成，为环饼状。

B12、根据B3所述的装置，还包括设置在所述炉腔11底部的集粉罐14，以及设置在所述炉腔11与所述集粉罐14之间的球阀13。

B13、根据B3所述的装置，所述电机12的转速为1000rpm-40000rpm。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。