一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法与流程

本发明属于金属及合金粉末制备技术领域，特别涉及一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法。

背景技术：

Waspalloy合金是一种以Cr、Co、Mo为主要强化元素的沉淀强化型高温合金，在650 ℃以下，Waspalloy合金具有耐持久、抗疲劳、抗氧化和抗氯离子应力腐蚀裂纹等性能，该合金主要应用于燃气涡轮发动机、核动力设备、宇航发动机和核反应堆等结构部件。

近年来，随着激光铺粉（SLM）、激光送粉（DED）、电子束铺粉（EBM）等金属增材制造技术的不断发展，Waspalloy从传统的锻造高温合金逐渐被开发为新型的粉末高温合金从而提高合金性能、扩展应用范围，市场对金属粉末的需求量逐年增加。采用增材制造技术制备Waspalloy合金部件，不仅易于获得微观组织均匀、晶粒细小、几何形状复杂的零部件，而且能够显著提高材料利用率，有效避免设计制造昂贵的大功率锻压设备和精密模具。

目前，球形粉末的生产方法主要有惰性气体雾化法、射频等离子体粉末球化处理法和等离子雾化法等。其中，气体雾化法是将母合金熔化，再利用雾化喷嘴产生的高压、高速惰性气体流冲击金属溶液形成小液滴，而后经瞬时凝固得到合金粉末。气体雾化工艺一方面具有生产效率高、粉末粒度范围宽泛、球形度较好等易于实现规模化生产的优点，另一方面粉末成品中容易存在空心粉及卫星粉所占比例较高、粉末流动性差、纯净度有限等粉末质量缺陷，因此气雾化法并不适于大规模生产合金化程度高的Waspalloy合金粉末。射频等离子雾化法以不规则合金粉为原料，对非球形粉进行二次熔化并利用表面张力和高温度梯度将熔滴冷凝为球形颗粒。该方法制备的粉末具有球形度高、表面光洁、杂质含量低等优点，但是该工艺存在生产效率低、两次制粉周期长、设备运行及维护成本高等缺点。等离子雾化法利用超高温等离子束实现母合金熔炼和雾化制粉同步完成，所得粉末-270目粉末收得率高，粉末纯净度高。但是该工艺以直径低于5mm的Waspalloy金属丝材为原料，致使原料的生产难度和采购成本显著提高。

因此，为解决超纯净、高品质Waspalloy合金球形粉末的大规模、低成本生产问题，避免其他Waspalloy合金粉末制备工艺所出现的问题，本发明提出了一种采用等离子旋转电极法制备Waspalloy合金球形粉末的方法。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种采用等离子旋转电极法制备Waspalloy合金球形粉末的方法，解决上述Waspalloy合金球形粉末制备技术存在的缺点，并提供一种流动性好、纯净度高、粒径细小、球形度高的Waspalloy合金球形粉末的制备方法，用于满足多种金属增材制造技术的市场需求。

本发明以满足标准AMS 5706化学成分要求的Waspalloy合金棒材为原料，通过送料系统将棒材送入预抽真空并充入高纯惰性气体保护的雾化室中；采用高温等离子弧将高速旋转的圆柱形合金棒料逐步熔化，熔融部分在离心力作用下被甩成金属液滴，液滴在惰性气体环境中冷却固化为球形粉末，经容器底部进入收料罐。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按照标准AMS 5706合金所需成分进行配料得到熔铸原料，进行一次真空感应熔炼，去除一次熔炼的表面氧化皮，进行二次真空自耗重熔，得到相对密度在85%以上的Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料；

2）将步骤1）Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料锻造得到Waspalloy合金棒材，经过车床和精密数控车床进行机械加工后得到符合等离子旋转电极法要求的Waspalloy 合金电极棒；

3）将Waspalloy 合金电极棒置于雾化设备内，对整套制粉设备预抽真空处理，充入惰性保护气体；

4）开启雾化设备，利用等离子火炬加热Waspalloy合金电极棒端面，使其熔化，在雾化室内进行离心雾化制粉；

5）通过粉末收集装置得到超纯净Waspalloy合金球形粉末，粉末粒度在15-200μm之间，待粉末完全冷却后按要求筛分并真空松散包装。

所述熔铸原料包括以下组分：按重量百分比为，18-21%的Cr，12-15%的Co，3.5-5.0%的Mo，1.2-1.6%的Al，2.75--3.25%的Ti；痕量元素C≤0.1%，Fe≤2%，Mn≤0.1%，S≤0.015%，P≤0.015%，Si≤0.15%，Cu≤0.1%，0.003-0.010%的B，0.020-0.080%的Zr，其余为Ni。

步骤1）所述的真空感应熔炼和真空自耗重熔的真空度不低于1×10-1 Pa。

所述的Waspalloy合金棒材致密度大于99%，无明显疏松、缩孔等铸造缺陷，直径为10-90mm，长度为100-900mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μm。

所述预抽真空处理步骤包括：采用泵体进行抽真空，待设备真空度达到1×10^-3Pa-10×10^-3Pa时，充入氩气和氦气组成的混合惰性保护气体，设备内的压力为0.1×10⁵-3×10⁵ Pa，气氛氧含量的质量百分数小于0.01%。

所述步骤4）中的雾化室内壁光滑，表面粗糙度小于1.6μm。

所述Waspalloy 合金电极棒转速为10000-30000转/分，Waspalloy 合金电极棒进给量为1-10毫米/秒，等离子枪功率100-400 kW之间。

所述步骤5）的Waspalloy合金球形粉末收集过程在惰性气氛下进行，待Waspalloy合金球形粉末完全冷却后密封并接入静电去夹杂设备。

所述步骤5）的金属球形粉末的筛分和真空松散包装在惰性气体保护下进行，惰性气体为氩气和氦气组成的混合气体。

本发明的有益效果在于：

1) 采用非转移式等离子弧熔化技术，实现Waspalloy 合金快速、纯净熔化，未使用熔化坩埚，有效降低了杂质元素的引入。采用电极棒逐步进给量控制技术，能够保证不同批次的粉末质量稳定性和一致性，易于大规模重复性生产。

2) 采用超高速离心雾化技术，显著提高Waspalloy合金粉末的生产效率和-270目粉末收得率，具有球形度高、杂质含量低、流动性好等优点，并有效减少卫星粉和空心粉的形成，提高粉末成品率，特别适合作为金属增材制造和热等静压工艺的原料。

3) 采用氩气和氦气的混合惰性保护气体，能够有效降低金属粉末氧含量，提高金属粉末凝固速率，减少金属粉末化学成分的显微偏析，保证金属球形粉末化学成分均匀性。

附图说明

图1是本发明等离子旋转电极雾化法制粉的设备示意图。

其中，1是惰性保护气体雾化室； 2是电极棒安装室；3是静电分离和粉末收集的集成装置；4是等离子旋转阴电极；5是电极棒进给系统。

图2是本发明制备的Waspalloy合金球形粉末低倍SEM微观形貌图。

图3为本发明制备的Waspalloy合金球形粉末高倍SEM微观形貌图。

图4为本发明制备的Waspalloy合金球形粉末高倍金相微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法，包括以下步骤：

采用主要元素的质量百分数为： Cr-18.3%、Co-12.5%、Mo-3.8%、Al-1.2%、Ti-2.8%， Fe-0.5%，Mn-0.03%，S-0.007%，P-0.006%，Si-0.08%，Cu-0.03%，B-0.004%，Zr-0.03%，C-0.003%， Ni-余量平衡，将原料置于真空度为0.1 Pa的真空感应炉中进行一次熔炼；去除一次熔炼的表面氧化皮，进行二次真空自耗重熔，真空度为0.05 Pa得到相对密度为95%的Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料；

通过等温自由锻得到致密度为99.6%的Waspalloy合金棒材，并经车床和精密数控车床的机械加工成直径为75mm，长度为 850mm的Waspalloy合金电极棒；

将Waspalloy 合金电极棒置于电极棒安装室2内，并对惰性保护气体雾化室1内抽真空，待设备真空度达到1×10^-3 Pa时充入氩、氦混合惰性气体，设备内惰性气体压力为0.3×10⁵ Pa；

开启雾化设备制备球形粉末，利用等离子旋转阴电极4和电极棒5产生的等离子火炬加热Waspalloy合金电极棒端面，使其熔化，在惰性保护气体雾化室1内进行离心雾化制粉，电极棒转速为15000转/分，电极棒进给量为 1mm/s；

所得超纯净Waspalloy合金球形粉末通过静电分离部件除去非金属夹杂后进入粉末收集罐3，待粉末完全冷却后按要求筛分并真空松散包装。

经测试分析可知，Waspalloy合金球形粉末平均粒径为95μm，其中D10是68微米，D50是95微米，D90是124微米.粉末氧含量为500 ppm，夹杂物含量少于10颗/kg，Waspalloy合金粉末球形度好，表面光洁度高，基本消除卫星粉和空心粉现象，图2所示为所得粉末的二次电子像。

实施例2：Waspalloy合金球形粉末的制备

采用主要元素的质量配比为：Cr-19.8%，Co-13.5%，Mo-4.4%，Al-1.4%，Ti-2.98%，Fe-1.3%，Mn-0.6%，S-0.011%，P-0.0010%，Si-0.12%，Cu-0.07%，B-0.007%，Zr-0.05%，C-0.006%，Ni-余量平衡，将原料置于真空度为0.05 Pa的真空感应炉中进行一次熔炼；去除一次熔炼的表面氧化皮，进行二次真空自耗重熔，真空度为0.01Pa得到相对密度为91%的Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料；

将Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料，通过等温自由锻得到致密度为99.5%的Waspalloy合金棒材，并加工成直径为85mm，长度为500mm的Waspalloy合金电极棒；

将合金电极置于电极棒安装室2内，并对惰性保护气体雾化室1内抽真空，待设备真空度达到3×10^-3Pa时充入氩、氦混合惰性气体，设备内惰性气体压力为1.8×10⁵ Pa；

开启雾化设备制备球形粉末，利用等离子旋转阴电极4和电极棒5产生的等离子火炬加热Waspalloy合金电极棒端面，使其端面熔化，在惰性保护气体雾化室1内进行离心雾化制粉，Waspalloy合金电极棒转速为22000转/分，电极棒进给量为 3mm/s；

所得超纯净Waspalloy合金球形粉末通过静电分离部件除去非金属夹杂后进入粉末收集罐3，待超纯净Waspalloy合金球形粉末完全冷却后按要求筛分并真空松散包装。

经测试分析可知，Waspalloy合金球形粉末平均粒径为59μm，其中D10是34微米，D50是59微米，D90是78微米。粉末氧含量为600 ppm，夹杂物含量少于10 颗/kg，Waspalloy合金粉末球形度好，表面光洁度高，基本消除卫星粉和空心粉现象，图3所示。

实施例3

采用主要元素的质量配比为：Cr-20.7%，Co-14.9%，Mo-4.7%，Al-1.6%，Ti-3.16%，Fe-1.8%，Mn-0.9%，S-0.015%，P-0.0013%，Si-0.14%，Cu-0.10%，B-0.009%，Zr-0.08%，C-0.009%，Ni-余量平衡，将原料置于真空度为0.05 Pa的真空感应炉中进行一次熔炼；去除一次熔炼的表面氧化皮，进行二次真空自耗重熔，真空度为0.01Pa得到相对密度为91%的Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料；

将Waspalloy母合金二次熔炼锭状坯料，通过等温自由锻得到致密度为99.5%的Waspalloy合金棒材，并加工成直径为10mm，长度为100mm的Waspalloy合金电极棒；

将合金电极置于电极棒安装室2内，并对惰性保护气体雾化室1内抽真空，待设备真空度达到9×10^-3Pa时充入氩、氦混合惰性气体，设备内惰性气体压力为2.6×10⁵ Pa；

开启雾化设备制备球形粉末，利用等离子旋转阴电极4和电极棒5产生的等离子火炬加热Waspalloy合金电极棒端面，使其端面熔化，在惰性保护气体雾化室1内进行离心雾化制粉，Waspalloy合金电极棒转速为30000转/分，电极棒进给量为 3mm/s；

所得超纯净Waspalloy合金球形粉末通过静电分离部件除去非金属夹杂后进入粉末收集罐3，待超纯净Waspalloy合金球形粉末完全冷却后按要求筛分并真空松散包装。