制备3D打印用CoCrWMo合金球形粉末的方法与流程

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种制备3D打印用CoCrWMo合金球形粉末的方法，特别强调制备方法的工艺参数选择。

背景技术：

钴基合金由于其优异的热强性能、耐蚀性能以及耐磨性能而受到了广泛的应用，在一些工况恶劣的环境中甚至不可替代，如核能工业、燃气轮机工业、医学领域以及航空航天工业。钴基合金的制备方法主要包括铸造、变形、热喷涂、热等静压、激光选区熔化等。铸造 CoCrMo 合金是在上世纪 50 年代就开始被应用在人工关节假体的制造，国外研究人员对铸造钴铬钼合金进行工艺研究，发现其耐腐蚀能力较强。随着几十年来制造技术的发展，CoCrMo合金的增材制造方法也逐步成熟，在个性化、定制化等方面，比传统加工工艺更具有优势，且成型件具有良好的性能。国内外越来越多的学者采用激光选区熔化、电子束选区熔化等技术成型各类钴基合金，在生物医疗领域得到了广阔的应用。

目前，3D打印用钴基合金球形粉末的制备方法为气雾化法（Gas Atomization，GA），该方法成本相对较低，但粉末纯净度较差，常伴有卫星粉、空心粉等缺陷，这些性能对3D打印的应用是极为不利的。

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等离子旋转电极法制备3D打印用CoCrWMo合金球形粉末的方法，等离子旋转电极法（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）制备粉末的氧含量更低、粒度分布范围更窄、球形率更好，并且粉末的松装密度和流动性显著优于GA法制备的粉末，PREP法制备的钴基合金粉末在3D打印领域具有更广阔的前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：制备3D打印用CoCrWMo合金球形粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）采用二次及以上真空自耗感应熔炼制得CoCrWMo铸态合金棒料，并精加工成合金棒料；

2）对等离子旋转电极制粉设备的制粉室抽真空度后，向制粉室充入He、Ar混合气体0.7~0.9MPa，He气占80～90%，Ar气占20～10%；

3）等离子枪电流为1100~1500A，电压为50~65V，合金棒料的转速为14000~18000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为30~50mm，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器，制得CoCrWMo合金球形粉末。

步骤1）所述的合金棒料直径为70~80mm，长度为600~700mm，表面粗糙度≤2.0μm，直线度≤0.5mm/700mm。

所述的制粉室的真空度应达到4~5×10^-5mmHg。

所述的CoCrWMo合金球形粉末粒度区间为0~250μm，其流动性为14.1~15.1s，松装密度为5.08~5.18g/cm³，振实密度为5.36~5.63g/cm³。

所述的CoCrWMo合金球形粉末粒度区间为0~45μm，其收得率为15~35%。

所述的CoCrWMo铸态合金棒料包括以下组分：按质量百分比，25~27%的Cr ，4~5%的Mo，0.08~0.13%的Ni，0.85~1.10%的Si，4.50~4.99%的W，0.01~0.02%的C，其余为Co。

本发明的有益效果是：

a.采用本发明方法制备的CoCrWMo合金球形粉末球形度率高（>99%），表面光洁度好，见附图1。

b.本方法可通过控制合金棒料的转速，等离子枪的电流、电压等参数，制备出不同粒度区间的合金粉末。

c.本方法制备的合金粉末流动性、松装密度、振实密度等工艺性能良好。

附图说明

图1是CoCrWMo合金球形粉末的形貌。

图2是实施例1制备的CoCrWMo合金球形粉末未筛分的形貌。

图3是实施例1制备的CoCrWMo合金球形粉末0~45μm的形貌。

具体实施方式

本发明采用等离子旋转电极法制备3D打印用CoCrWMo合金球形粉末，超高速旋转的合金棒端部在同轴的等离子体电弧加热源的作用下熔化成液膜，并在离心力作用下向电极端外缘甩出，在空中破碎成球并快速凝固，最终落入制粉室下方的粉末收集器。

实施例1

1）采用二次及以上真空自耗感应熔炼制得CoCrWMo铸态合金棒料，并精加工成合金棒料；精加工制得合金棒料直径为75mm，长度为670mm，表面粗糙度为2.0μm，直线度为0.5mm/670mm；

2）将合金棒料装入制粉设备传动室后，关闭等离子旋转电极制粉设备的制粉室并抽真空，当真空度达到4×10^-5mmHg后，向制粉室充入He、Ar混合气体0.7MPa，He气占80%，Ar气占20%；

3）等离子枪电流为1100A，电压为50V，合金棒料的转速为14000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为30mm，制得的CoCrWMo合金球形粉末落入粉末收集器内，其形貌见附图2。可以发现粉末球形率高，表面光洁度好。经检测，合金粉末的流动性为15.1s，松装密度为5.08g/cm³，振实密度为5.36g/cm³。

合金粉末经325目筛网筛分后，0~45μm粉末收得率为15%，其形貌见附图3。

实施例2

1）采用二次及以上真空自耗感应熔炼制得CoCrWMo铸态合金棒料，并精加工成合金棒料，精加工制得合金棒料直径为75mm，长度为670mm，表面粗糙度为1.8μm，直线度为0.29mm/670mm；

2）将合金棒料装入制粉设备传动室后，关闭等离子旋转电极制粉设备的制粉室并抽真空，当真空度达到4×10^-5mmHg后，向制粉室充入He、Ar混合气体0.8MPa，He气占85%，Ar气占15%；

3）等离子枪电流为1300A，电压为60V，合金棒料的转速为16000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为40mm，制得的CoCrWMo合金球形粉末落入粉末收集器内。可以发现粉末球形率高，表面光洁度好。经检测，CoCrWMo合金球形粉末的流动性为14.7s，松装密度为5.13g/cm³，振实密度为5.46g/cm³。

CoCrWMo合金球形粉末经325目筛网筛分后，0~45μm粉末收得率为24%。

实施例3

1）采用二次及以上真空自耗感应熔炼制得CoCrWMo铸态合金棒料，并精加工成合金棒料；精加工制得合金棒料直径为80mm，长度为700mm，表面粗糙度为1.6μm，直线度为0.25mm/670mm；

2）将合金棒料装入制粉设备传动室后，关闭等离子旋转电极制粉设备的制粉室并抽真空，当真空度达到5×10^-5mmHg后，向制粉室充入He、Ar混合气体0.9MPa，He气占90%，Ar气占10%；

3）等离子枪电流为1500A，电压为65V，合金棒料的转速为18000r/min，等离子枪与合金棒料之间的距离为50mm，制得的CoCrWMo合金球形粉末落入粉末收集器内。可以发现粉末球形率高，表面光洁度好。经检测，CoCrWMo合金球形粉末的流动性为14.1s，松装密度为5.18g/cm³，振实密度为5.63g/cm³。

CoCrWMo合金球形粉末经325目筛网筛分后，0~45μm粉末收得率为35%。