一种生产3d打印用金属合金球形粉体的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明通过等离子体技术与流化床快速冷却技术相结合批量生产金属合金粉体， 设及一种生产3的T印用金属合金球形粉体的装置及其方法，属3的T印技术领域。
【背景技术】
[0002] 3D打印（增材制造)技术，尤其是复杂金属构件的3D打印技术，已经成为全球最关 注的新兴技术之一。与传统的机加工工艺相比，3D打印技术因不受零件的几何形状限制、减 少了昂贵的费用、缩短了研发时间、人力成本低、无需前处理和后处理工艺，使其成为一个 非常有潜力的技术。为了获得优质的金属合金成形件，除工艺、设备和软件等重要条件外， 金属合金粉体材料是一个关键因素。
[0003] 目前合金粉末制备方法主要有等离子旋转电极、单棍快泽、水雾化法和惰性气体 雾化法等，其中旋转电极法的优点是产品球形度好，但因其动平衡问题，只能生产20目左右 的粗粉;单棍快泽法制备的粉末多为不规则形状、杂质含量高；水雾化法由于降溫速度太 快，存在着易造成微粉形状不规则和球形度不好，W及产品中氧含量过高的缺点；虽然惰性 气体雾化法生产产品的球形度有较大提高，细粉收率较高，但是其产品的球形度仍不能满 足3D打印的要求，仍需要对其中的球形产品进行精选，难度较大。近几年，人们提出采用等 离子体方法对不规则金属或合金微细粉体进行球化成形的方法，但有两个问题一直没有很 好地解决：（1)金属颗粒快速冷却问题。目前主要采用器壁水夹套的方法对高溫的粉体产品 进行冷却，效率很低，效果很差。使得生产产量很小，只能维持在lOOg/minW内，难W进行设 备的放大和批量化生产。（2)降低产品氧含量问题。基于等离子体的高溫特点，在工作气体 中加入还原性气体对金属原粉中的氧进行还原，但均不够彻底，况且由于产品粉体的冷却 问题，多数还是选择了水激冷，造成了二次氧污染。
【发明内容】
[0004] 本发明为解决目前技术中存在的问题，提供一种生产3D打印用金属合金球形粉体 的装置及其方法，它能使得金属中的氧能够彻底清除，批量生产产品，并可避免二次氧污 染。
[0005] 本发明采用W下技术方案予W实现：
[0006] -种生产3D打印用金属合金球形粉体的装置，它包括从上往下依次安装的惰性气 体置换罐、加料布料器、等离子体加热融化炉、球化成形室、流化床快速冷却器，所述加料布 料器、等离子体加热融化炉、球化成形室和流化床快速冷却器依次同轴安装。
[0007] 所述惰性气体置换罐的下部设有惰性气体进口，上侧部设有惰性气体出口，顶部 设有金属合金粉末原料加入口，所述惰性气体置换罐的数量为1个或1个W上。
[000引所述加料布料器的上部中间设有工作气体进口，中间一侧设有保护气体进口，所 述惰性气体进口和工作气体进口相通。
[0009]所述球化成形室上部设有四个沿圆周方向均匀分布的冷却还原气体进口管，所述 球化成形室的内壁衬有耐高溫的耐火材料。
[0010] 所述流化床快速冷却器内部为处于流化状态的金属合金球形粉体产品颗粒，内埋 设有蛇管式间接换热水冷器，侧壁的下部设有金属合金微细粉体产品出口，下部设有惰性 流化气体进口及分布管，底部设有大颗粒副产品出口，上侧部设有气体排出口，所述气体排 出口沿圆周均匀径向分布四个。
[0011] 所述等离子体加热融化炉采用直流电弧等离子体发生器，或是扩散电弧等离子体 发生器，或是感应等离子体发生器。
[0012] 所述流化床快速冷却器为由惰性气体作为流化气体介质、产品微细球形金属合金 粉体流化颗粒介质的流化床。
[0013] 优选的，所述等离子体加热融化炉的结构根据所采用的等离子发生器的类型做适 当的调整;其功率为50~lOOOkW，并根据原粉材料的性质和生产能力的大小对其实际操作 功率进行实时调整。
[0014] 优选的，所述球化成形室的内径等于其上方等离子体加热融化炉内径的1.5倍~ 2.0倍，其高度为0.5m~1.5m。
[0015] 优选的，所述冷却还原气体进口管距球化成形室顶部0.0^11~0.25m，并与球化成 形室外壁的切线成30°~40°的角度，四个冷却还原气体进口管前端所构成的圆的直径为等 离子体加热融化炉内径的1.2倍~1.4倍，冷却还原气体进口管的直径为Φ 10mm~Φ 25mm。
[0016] 优选的，所述冷却还原气体进口管距球化成形室顶部0.20m，并与球化成形室外壁 的切线为35°的角度，四个冷却还原气体进口管前端所构成的圆的直径为等离子体加热融 化炉内径的1.4倍，冷却还原气体进口管的直径为Φ 14mm。
[0017] 优选的，所述流化床快速冷却器的内径为Φ 1.5m~Φ 3. Om，高度为2. Om~3. Om;其 中金属合金球形粉体产品颗粒形成的流化床的高度根据产量大小在0.5m~2.0m范围内做 相应的调整;流化床快速冷却器内的蛇管式间接换热水冷器内采用循环冷却水作为移热介 质，换热面积为100m2~300m2。
[0018] -种使用上述装置生产3D打印用金属合金球形粉体的方法，包括如下步骤：
[0019] 将粒度为〇.5μπι-100皿目的金属合金粉末原料经金属合金粉末原料加入口加入惰 性气体置换罐中，经惰性气体进口通入惰性气体进行置换，使惰性气体置换罐的惰性气体 出口出来的气体中氧气含量小于0.01 %，关闭惰性气体进口的阀和惰性气体出口的阀。
[0020] 向加料布料器中通入工作气体和保护气体，开启等离子体电源，使等离子体加热 融化炉中产生等离子体炬，开启惰性气体进口的阀，携带着金属合金粉末原料进入加料布 料器中，金属合金粉末原料被均匀分散地通过等离子体加热融化炉的烙融室内的等离子炬 中，使得金属合金粉末原料部分烙融或表面烙融，颗粒中所含的氧化物也被工作气中的还 原性气体所部分还原，随后，粉体颗粒进入球化成形室中，在降落和迅速降溫的过程中，依 靠金属烙融液的表面张力使颗粒变成球状;与此同时，颗粒中未反应的氧被通过冷却还原 气体进口管进入的还原性气体进一步反应而清除，已经降溫凝固的粉体颗粒随后落入下方 的流化床快速冷却器，通过与其中处于流化状态的溫度较低的金属合金球形粉体产品颗粒 进行直接换热，快速被冷却至l〇〇°C W下，通过金属合金球形微细粉体产品出口的卸料阀被 连续或间歇放出进入下一步的颗粒精选工序。
[0021 ]较大的颗粒，由于不能被流化而沉到流化床底部，可经底部的卸料口卸出。惰性流 化气体由流化床快速冷却器下部的流化气体进口及分布管进入流化床，将其中的微细球形 颗粒吹起并使其处于流化状态，逸出流化床层的气体与上部进入的气体一起，通过气体排 出口进入后续的气固分离工序，经分离后的气体经气体输送设备返回到流化床底部的流化 气体进口及分布管而循环使用。
[0022] 所述进入加料布料器中的工作气体为氣气，或是氣气中含有1 %~5 %的氨气或C0 气的混合气。
[0023] 所述进入加料布料器中保护气体和进入流化床快速冷却器的惰性流化气体均为 氣气。
[0024] 所述进入球化成形室的还原气为氣气中含有1%~5%的氨气或C0气的混合气。
[0025] 优选的，所述的冷却还原气体进口管中混合气的气速为20m/s~80m/s.
[0026] 优选的，所述流化床快速冷却器中的空塔操作气速为该流化颗粒初始流化速度的 3.0倍~5.0倍。
[0027] 本发明与现有技术相比具有W下显著的优点：
[0028] (1)表面烙融的金属合金粉体降落冷凝过程中，通过通入二次还原性气体，使仍处 于高溫的球化成形阶段的粉体进一步还原，使得金属中的氧能够彻底清除。（2)采用流化床 对高溫金属合金粉体进行骤冷，依靠流化床极高的传热冷却作用，大量高溫金属合金粉体 将被快速冷却，使得批量生产成为可能。（3)由于骤冷过程不设及高溫粉体与含氧物质的接 触，也避免了二次氧污染，保证了产品中氧含量的达标。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明装置结构示意图；
[0030] 图2为本发明装置A-A向截面图；
[0031 ]图3为本发明本发明装置B-B向截面图；
[0032] 图中各部件标号说明：
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