一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺的制作方法

本发明属于金属增材制造与修复技术原材料制备领域，具体涉及一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺。

背景技术：

相对于传统机械加工的“减材制造”，增材制造与修复是基于原材料离散-堆积原理自下而上的加法制造过程。金属增材制造与修复技术是利用专用的金属粉末材料按照熔融、喷射等方式逐层堆积制造与修复的，可以用于单件小批量复杂构件，如涡轮发动机工作叶片、飞机起落架、飞机发动机以及工业用燃气轮机等的加工制造与修复，在航空航天、国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域复杂曲面构件的增材与修复中具有重要的应用价值。

增材制造与修复用的原材料粉末的质量直接关系到增材制造过程的成形性及最终成型件的质量，不同于传统的粉末冶金的原材料，增材制造与修复工艺对金属粉末的收得率、流动性及纯度等有较高的要求，同时，还要兼顾金属粉末制备工艺的效率和成本，避免金属粉末材料的成本偏析等问题。

目前广泛使用的制粉方法主要有：真空感应气雾化法、等离子旋转电极雾化制粉和电极感应气雾化法。真空感应气雾化法制粉法在熔炼及雾化的过程中液态金属与坩埚内壁及陶瓷漏嘴接触，易污染金属熔体，难以满足杂质含量要求较高粉末的制备。等离子旋转电极雾化法制备的粉末平均粒径相对较大，且生产成本较高。电极感应气雾化法(electrodeinductionmeltinggasatomization，eiga)制粉技术是目前比较先进的一种制粉技术，制粉过程中熔化的金属液不与坩埚、导液管接触，瞬时熔炼雾化，有效避免杂质元素的混入，粉末杂质可控，纯度较高。但该制备方法是一个多因素耦合的复杂过程，受雾化压力、熔炼温度等多个工艺参数以及材料本身的物理化学性质等多因素互相作用的影响，需要对铁粉制备过程的多因素耦合优化设计，探明各因素对粉末性能的影响机制，才能制备出适于增材制造与修复的高质量高硬度铁粉。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，该工艺可以制得粒径分布在53-180μm区间的粉末占比高达68.24％、含氧量低于0.008％的高球形度、流动性(14.1s/50g)较好的高硬度铁粉，且工艺成本低，满足高质量增材制造与修复的需求。

为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，包括以下步骤：

1)按质量百分比，c:0.12～0.2％，ni:1.5～2.8％，si:0.5～1％，cr:16～17％，b:0.4～1％，v:0.1～0.3％，p:≤0.03％，s:≤0.03％，以及余量为fe；将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬制备母合金电极棒；

2)将母合金电极棒转输进至感应加热室，调整熔炼功率，母合金电极切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金电极棒为金属熔液；

3)在感应加热室与雾化室之间的压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入雾化室，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作，使得金属熔液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

4)液滴在雾化室中冷却，凝固成球形粉末，筛分后得到增材制造与修复用铁粉。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬采用真空感应冶炼与真空自耗重熔技术制备母合金电极棒。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，熔炼功率为15～25kw。

本发明进一步的改进在于，进行步骤3)前，对雾化室进行抽真空，然后充入氩气，调节感应加热室和雾化室分别为正压和负压。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，当液流自由落至雾化室的高压氩气喷口处时，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，感应加热室与雾化室之间的压强差为33.5～36.5kpa。

本发明进一步的改进在于，，步骤4)中，氩气温度在20～80℃范围内，雾化压力在1.0～2.0mpa范围内。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，增材制造与修复用铁粉的粒度为53-180μm。

与现有eiga制粉技术相比，本发明的有益效果在于，本发明工艺制备的高硬度铁粉在增材制造与修复技术所要求的粒度范围(53-180μm)内的粉末收得率明显提高，显著降低了粉末耗材成本。此外，本发明提出制粉过程中气体介质的温度对粉末流动性及收得率有较为显著的影响，通过多工艺耦合优化设计，得到球形度好、流动性好、含氧量低，可作为航空航天、国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域高硬度复杂精密结构件增材制造与修复用的粉末材料。

进一步的，所述感应线圈的熔炼功率范围是15～25kw，通过熔炼功率的调控，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.70范围内波动，其中熔炼功率为20kw时标准差最小，粉末分布最集中；通过熔炼功率的调节，能够控制粉末收得率在56.04％～60.59％区间内波动，随着熔炼功率的增大，合金液滴不容易成球，容易形成不规则的废渣，粉末收得率有所降低，

进一步的，氩气温度范围是20～80℃，通过雾化气体温度的调控，能够控制粉末分布标准差在1.66～1.70范围内波动，其中雾化气体温度是40℃时粉末分布最分散；通过述雾化气体温度的调节，能够控制粉末收得率在54.88％～61.23％区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，收得率达到61.23％；通过雾化气体温度的调节，能够控制粉末流动性在12.83～13.48s/50g区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，粉末流动性达到13.48s/50g。

进一步的，雾化压力范围是1.0～2.0mpa，通过雾化压力的调控，能够控制粉末中值粒径在87.6～100.03μm区间范围内波动，雾化压力越大，中值粒径越小；通过雾化压力的调节，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.73范围内波动，其中雾化压力为1.5mpa时粉末分布最为分散；通过雾化压力的调节，能够控制粉末收得率在51.88％～64.53％区间内波动，其中雾化压力为1.5mpa时粉末收得率可达64.53％；通过雾化压力的调节，能够控制粉末流动性在12.84～13.59s/50g区间内波动，随着雾化压力的增大，粉末流动性有所改善。本发明中中采用雾化气体温度、熔炼功率及雾化压力的耦合优化工艺对粉末的收得率、粒度分布及卫星粉的抑制都有较为显著的改善效果。

附图说明

图1为熔炼功率对粉末性能的影响。

图2为雾化气体温度对粉末性能影响。

图3为雾化压力对粉末性能的影响。

图4为实施例2、实施例4、实施例8制备得到的高硬度马氏体粉末的表面形貌。其中，(a)为实施例4，(b)为实施例8，(c)为实施例2，(d)为实施例8。

图5为实施例1-9正交试验各参数下的粒径分布图。其中，(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为实施例3，(d)为实施例4，(e)为实施例5，(f)为实施例6，(g)为实施例7，(h)为实施例8，(i)为实施例9。

具体实施方式

根据本发明的精神，结合具体实施例将本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种基于eiga制粉技术的增材制造与修复用高硬度粉末的制备工艺，是基于传统eiga制粉工艺，探索发现气体介质温度对粉末流动性及收得率影响机制，借助调节气体介质温度、熔炼功率及雾化压力耦合工艺的优化，实现对高硬度铁粉收得率及流动性进行调控的一种方法。具体包括以下步骤：

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.12～0.2％，ni:1.5～2.8％，si:0.5～1％，cr:16～17％，b:0.4～1％，v:0.1～0.3％，p:≤0.03％，s:≤0.03％，以及fe余量；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在15～25kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差(33.5～36.5kpa)的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在20～80℃(优选30～80℃)范围内，雾化压力在1.0～2.0mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。

上述步骤s3中，所述母合金棒料尺寸为φ45×600mm，s3中2)所述导气管调节的感应加热室和雾化室分别呈微正压和微负压，感应加热室和雾化室二者压强差为33.5～36.5kpa。

上述步骤s3中，所述感应线圈的熔炼功率范围是15～25kw，通过熔炼功率的调控，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.70范围内波动，其中熔炼功率为20kw时标准差最小，粉末分布最集中；通过熔炼功率的调节，能够控制粉末收得率在56.04％～60.59％区间内波动，随着熔炼功率的增大，合金液滴不容易成球，容易形成不规则的废渣，粉末收得率有所降低，如图1所示。

上述步骤s3中，所述氩气温度范围是20～80℃，通过雾化气体温度的调控，能够控制粉末分布标准差在1.66～1.70范围内波动，其中雾化气体温度是40℃时粉末分布最分散；通过述雾化气体温度的调节，能够控制粉末收得率在54.88％～61.23％区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，收得率达到61.23％；通过雾化气体温度的调节，能够控制粉末流动性在12.83～13.48s/50g区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，粉末流动性达到13.48s/50g，如图2所示。

上述步骤s3中，所述雾化压力范围(即超音速氩气的压力范围)是1.0～2.0mpa，通过雾化压力的调控，能够控制粉末中值粒径在87.6～100.03μm区间范围内波动，雾化压力越大，中值粒径越小；通过雾化压力的调节，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.73范围内波动，其中雾化压力为1.5mpa时粉末分布最为分散；通过雾化压力的调节，能够控制粉末收得率在51.88％～64.53％区间内波动，其中雾化压力为1.5mpa时粉末收得率可达64.53％；通过雾化压力的调节，能够控制粉末流动性在12.84～13.59s/50g区间内波动，随着雾化压力的增大，粉末流动性有所改善，如图3所示。

本发明提出雾化气体温度、熔炼功率及雾化压力的耦合优化工艺对粉末的收得率、粒度分布及卫星粉的抑制都有较为显著的改善效果，如图2～4所示。

本发明中采用的合金成分，使得最终制得的是高硬度铁粉。

下面为具体实施例。

实施例1

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.16％，ni:2.0％，si:1％，cr:16％，b:0.62％，v:0.20％，p:0.02％，s:0.02％，以及fe：79.9％；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在15kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在20℃范围内，雾化压力在1mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。

实施例2

实施例2与实施例1不同之处在于，母合金制备时母合金成分参见表2，以及制备工艺参见表1，其他与实施例相同。

实施例3

实施例3与实施例1不同之处在于，母合金制备时母合金成分参见表2，以及制备工艺参见表1，其他与实施例相同。

实施例4

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.19％，ni:2.05％，si:1％，cr:16％，b:0.611％，v:0.209％，p:0.02％，s:0.02％，以及fe：79.9％；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在15kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在40℃范围内，雾化压力在1.5mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。该粉末的成分见表2。

本实施例4的制备工艺为雾化气体温度为40℃、熔炼功率为15kw、雾化压力为1.5mpa，感应加热室和雾化室的压强差为35kpa，制得的粉末表面形貌良好，粉末流动性为13.40s/50g，粒径分布在53-180μm之间的粉末质量占比高达68.24％(表1所示)。本发明实施例4所得粉末氧含量为46ppm，氮含量为45ppm。

实施例5

实施例5与实施例1不同之处在于，制备工艺参见表1，其他与实施例1相同。

实施例6

实施例6与实施例1不同之处在于，制备工艺参见表1，其他与实施例1相同。

实施例7

实施例7与实施例1不同之处在于，制备工艺参见表1，其他与实施例1相同。

实施例8

实施例8与实施例1不同之处在于，制备工艺参见表1，其他与实施例1相同。

实施例9

实施例9与实施例1不同之处在于，制备工艺参见表1，其他与实施例1相同。

实施例10

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.12％，ni:2.8％，si:1％，cr:16％，b:1％，v:0.30％，p:0.03％，s:0.02％，余量为fe；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在15kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在20℃范围内，雾化压力在1mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。

实施例11

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.2％，ni:1.5％，si:0.7％，cr:16.5％，b:0.7％，v:0.20％，p:0.02％，s:0.03％，余量为fe；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在25kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在60℃范围内，雾化压力在2mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。

实施例12

s1、原材料准备：按照组分配比要求选用镍硼合金、钒铁合金、金属铁、高纯镍、石墨碳颗粒和金属铬作为母合金熔炼制备的原材料；

s2、母合金制备：采用真空感应冶炼(vim)结合真空自耗重熔(var)技术制备300㎏母合金电极棒，母合金成分按质量百分比计包括，c:0.15％，ni:2.3％，si:0.5％，cr:17％，b:0.4％，v:0.10％，p:0.01％，s:0.01％，余量为fe；

s3、eiga制粉过程包括以下步骤：

1)将均匀化处理后的尺寸为φ45×600mm的300㎏母合金棒料安装在送料室内；

2)对雾化室进行抽真空，当压力降至0.1pa以下时，充入99.999％以上高纯氩气，通过导气管调节感应加热室和雾化室分别为微正压和微负压；便于液体从加热室流向雾化室。

3)通过自动送料系统旋转输进母合金棒材至感应加热室，调整熔炼功率在20kw范围内，然后棒材切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金棒料为金属熔液；

4)在微压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入导流管，并从导流管流入雾化室，当液流自由落至高压氩气喷口处时，开启高纯氩气(99.999％)进行雾化操作，调节氩气温度及雾化压力，氩气温度在80℃范围内，雾化压力在1.8mpa范围内，使得合金液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；

5)液滴在雾化室中自然冷却，最终凝固成球形粉末，落入收粉仓；

s4、粉末筛分与收集：在惰性气体保护下，将收粉仓中的金属粉末进行机械振动与气流分级筛分，对筛分好的用于增材制造与修复的53-180μm粒度区间高硬度粉末进行抽真空密封包装。

表1实施例1-9中粉末制备工艺所得试验结果

表2实施例1-4合金成分

图4为正交试验制备得到的高硬度马氏体粉末的表面形貌，不同制备工艺参数下的视场中都能看到大小不一的粉末。其中，图4(a)所示粉末粒度分布相对比较均匀，“卫星球”较少，视场内未观察到未成形粉，为气雾化压力、熔炼功率及雾化气体加热温度较为合适时制备得到的粉末形貌(实施例4工艺)。图4(b)中细粉占的比例变多，并且在中部区域发生了细粉团聚的现象，这会对粉末的流动性产生不利影响，当气雾化压力过高或雾化气体加热温度过慢时容易得到这种粉末形貌(实施例8工艺)。图4(c)所示视场中存在很多未成形的不规则物质粘连在粉末上，当雾化压力下过低或熔炼功率过大时容易得到这种粉末形貌(实施例2工艺)。图4(d)所示为粉末一次破碎后遗留下来的未球化金属熔液，当雾化气体温度过低时容易得到这种粉末形貌(实施例8工艺)。图4(b)-(d)所示均为粉末形貌缺陷，均会对粉末流动性产生影响。

对不同工艺下电极感应雾化制粉过程中气雾化压力、熔炼功率及雾化气体温度对粉末中值粒径、粒度分布标准差、粉末流速及粉末收得率的影响进行了研究，试验结果如表1所示，9组参数制备的粉末粒径分布区间及d50有所不同，函数曲线(fd)和累计粒径分布函数曲线(ld)，满足(1)式，制得的粉末粒径均呈对数正态分布，各参数在中值粒径d50处出现了峰值，粒径分布宽窄也有所变化，9组工艺制备粉末的函数曲线(fd)和累计粒径分布函数曲线(ld)关系如图5所示。

从图5可以看出，实施例2、实施例4、实施例8的工艺下制得粉末在中值粒径d50处均出现了峰值，其中，实施例4工艺制得的粉末在40-180um范围内粒径分布较宽。

本发明通过eiga制粉过程中气体温度、熔炼功率及雾化压力主要工艺参数的优化设计可以实现对该高硬度铁粉粒度分布及流动性的较好的调控效果，最终得到粉末收得率高、节约成本、流动性好的满足增材制造与修复用高硬度铁粉的制备工艺。

本实施例仅用以说明本发明方法，并非限定方法所涉及的工艺、参数范围，本领域工作人员对本发明的做的其它修改或同等替换，只要不脱离本发明的精神范围，均应涵盖在本发明的专利的权利要求范围之中。