一种3D打印用HastelloyX合金粉末的制备方法与流程

本发明涉及一种金属粉末的制备方法，尤其是涉及一种3d打印用hastelloyx合金粉末的制备方法，属于增材制造领域。

背景技术：

3d打印是一种以数字模型文件为基础，以粉末状、丝状金属或高分子等为原料，利用激光或电子束等手段，通过逐层堆积的方式来构造物体的快速成型技术。该技术无需原坯和模具，不仅简化了产品的设计、验证程序，而且缩短了产品的研制周期，提高了生产效率，降低了产品成本。3d打印技术是世界范围内高速发展的新高科技产业，应用领域极其广泛，尤其在航空航天领域，具有广阔的应用前景。金属3d打印技术作为整个3d打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照加工热源及粉末添置方式，主要分为以下三类：①激光选区熔化技术(selectivelasermelting,slm)是采用激光有选择性地分层烧结金属粉末，并使烧结成形的固化层累积叠加生成所需形状的零件，slm最大的特点是采用高功率激光器对金属粉末进行直接熔化成形，以达到比较致密的组织结构；②激光立体成形技术(lasersolidforming，lsf)是指在基底合金表面上预置或同步送给所选择的金属熔覆材料，然后经激光处理使之与基底表层同时熔化，并快速凝固成与基底材料呈冶金结合的表面层，从而显著改变基底材料的耐磨、耐蚀、耐热等特性的工艺方法；③电子束熔融技术(electronbeammelting,ebm)与slm非常相似，最基本的差别在于热源不同。ebm采用电子束作为热源，保持零件建造过程温度在退火温度，对零件微观结构有明显影响。

hastelloyx合金是主要用铬、钼固溶强化的镍基高温合金，具有优异的抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的冷、热加工成型和焊接性能，长期使用温度达到900℃，广泛应用于航空航天、国防军工、化工等行业。采用铸造、锻造等传统工艺制造的hastelloyx合金零件，分别存在宏观成分偏析和材料利用率低的缺点，而3d打印技术可直接制造出成分均匀、尺寸精度接近成品的高温合金部件，提高了材料利用率并大大降低制造成本，引发了全球航空航天制造业的广泛关注。

3d打印技术不仅要求高温合金粉末纯度高、氧含量低，还要求粉末球形度高、粒度分布均匀，以及良好的流动性。目前高温合金粉末的主要是气雾化法和等离子旋转电极法等。气雾化法的基本原理是用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并快速凝固形成粉末；等离子旋转电极法的主要原理是将采用等离子弧使合金棒料发生局部熔化，同时合金电极在惰性气体中高速旋转，在离心力作用下熔化的金属形成合金粉末。两者相比，雾化法制得粉末粒度较细，但是传统雾化工艺易造成粉末夹杂含量高，卫星球、空心球粉末；等离子旋转电极法制备的粉末，球形度高，纯净度高，但是粉末粒度较粗，不适用于3d打印技术，因此，采用新型雾化技术，综合一系列粉末处理工艺，提供一种制备3d打印用高温合金粉末的方法至关重要。

真空电极感应熔化气雾化技术是在真空气雾化技术的基础上发展起来的一种新型工艺。它具有材料不易氧化、金属粉末冷却快速、自动化程度较高等优点。该技术的主要原理是将合金棒料作为自耗电极，在不使用熔炼坩埚的情况下进行感应熔化，通过将缓慢旋转的金属电极以一定的速度降低至一个环形感应线圈中进行感应熔化，电极液滴自由落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气进行雾化。该技术最大优点是避免了传统的坩埚熔炼工艺掺入的非金属杂质，大大提高了被熔炼金属的纯净度，降低了金属熔体的氧化程度，特别能够满足3d打印技术对于金属粉末性能的要求，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。

目前国内外对3d打印技术的研究对集中在成形工艺方面，而在3d打印专用金属粉末的特性分析、制备工艺的方面研究较少，尤其是在航空航天领域应用最为广泛的hastelloyx合金粉末，基本靠国外进口，并且国内还没有企业能够规模化生产3d打印用hastelloyx合金粉末，材料问题已经成为制约我国3d打印技术发展的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末的制备方法。本发明将传统气雾化技术与中频感应熔炼技术相结合，避免了传统气雾化技术的缺点，并通过一系列先进的粉末后处理技术，得到的粉末具有球形度高、粒度分布均匀、氧含量低、杂质含量极低、激光烧结成形稳定等性能特点，适用于航空航天领域需要。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)棒料加工：按照hastelloyx的成分，fe：17％～20％，cr：20.5％～23％，co：0.5％～2.5％，mo：8％～10％，w：0.2％～1％，c：0.05％～0.15％，si≤1％，mn≤1％，p≤0.04％，s≤0.03％，熔炼制取hastelloyx合金棒材，随后对棒材进行加工，根据中频感应线圈的尺寸决定hastelloyx合金棒料的加工直径，制成直径35～50mm，长度500～550mm，一端开v形槽口，另一端呈50°～80°锥角的棒料；

(2)熔炼雾化：通过夹持机构将加工后的棒料固定在进料机构下端，在进料机构的作用下，棒料同时进行轴向直线运动和旋转运动，雾化前将hastelloyx合金棒料下降，并使其锥形部分伸入感应线圈里，保持棒料中心处于线圈中心位置，棒料外表面与感应线圈的距离保持在10～15mm；依次通过机械泵、罗茨泵，对熔化室和雾化塔进行抽真空处理，当真空度达到10^-2～10^-1pa时，向熔化室和雾化塔充入惰性气体，待熔化室压力达到10⁵pa左右；开启中频感应电源，对棒材进行加热，加热功率15～40kw，棒料熔化后在底部锥尖处汇成液滴或液流；以高纯氩气或氮气作为雾化介质，通过紧耦合环缝喷嘴形成超音速气流，雾化气流压力控制在2～4mpa，雾化时向熔化室充入高纯氩气，保持熔化室与雾化塔的压力差范围在0.01～0.02mpa，防止熔化室与雾化塔的压差过大形成较多空心粉，在高速气流的冲击作用下，熔化的金属液滴形成微小液滴，在雾化塔里冷却凝固成固态粉末颗粒，在大功率旋风分离器的作用下，粉末降落在雾化冷却塔锥形底部，被气流带入粉末收集装置中；

(3)振动筛分：对雾化制得的hastelloyx合金粉末进行分级处理，通过送料装置，以一定的速率将粉末均匀地从不同目数的筛网自上而下进行筛分，每层筛网固定超声振动器，通过调节超声波频率，得到不同粒径范围的粉末，粉末在振动筛分过程中，均在高纯氩气保护下进行，防止粉末发生氧化；

(4)气流分级：对于粒径小于15μm的粉末，采用气流旋分的方法进行分离，分级前对设备整体抽真空，工作时通入高纯氩气，通过调节气流量来去除不同尺寸的微小颗粒；

(5)真空脱气：将经过筛分、分级处理的hastelloyx合金粉末置于真空脱气炉，真空度保持在10^-2～10^-1pa，炉内温度为100～200℃，脱气时间5～10h；

(6)配比、包装：收集经过脱气干燥处理的hastelloyx合金粉末，按照不同3d打印技术对于粉末材料粒径分布的要求，进行质量配比，其中激光选区熔化成形技术：15～53μm；激光立体成形技术：45～150μm；电子束熔融技术：45～106μm，并在氩气保护下进行包装，最终制得适用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末。

常规的hastelloyx合金粉末雾化技术多采用陶瓷坩埚与中间漏包熔炼相结合的方式，制得的粉末中会掺杂一定量的非金属杂质，该杂质主要来源于坩埚耐火材料和中间漏包，杂质会降低粉末的流动性，影响3d打印过程中铺送粉末的流畅程度，同时对成形零件的微观组织和力学性能也产生不利影响。本发明的制备方法将hastelloyx合金棒料作为自耗电极，直接进行感应熔化，极大地减少非金属杂质的引入，避免了因杂质掺入对3d打印成形过程及最终零件性能造成的不利影响。

目前采用粉末处理工艺流程制备得到的用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末，只对粉末进行简单筛分，得到粒径范围合适的粉末后直接用于3d打印设备。但是同样粒径范围、不同粒度配比的粉末，其3d打印成形效果相差很大；当粉末粒径小于15μm时，会出现较为严重的“团聚”现象，造成粉末流动性降低，不利于3d打印成形。

本发明创新性地运用超声振动筛分与气流分级相结合的方法，大大提高了粉末的处理效率，制备的hastelloyx合金粉末，其平均粒径小于铺粉堆积层厚度及输送粉末的管径，对不同粒度级别的粉末按质量进行精确配比，保证铺粉后形成高致密度的粉末层，在3d打印成形过程中，不发生“飞溅”现象，成型零件变形小、精度高，机械性能可以满足不同场合的使用要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明针对不同金属3d打印技术特点，结合不同的粉末制备技术，制备的hastelloyx合金粉末纯净度高、杂质和氧含量低、颗粒球形度高、粒径分布均匀、不同粒径级别的粉末配比关系适当，具有良好的流动性和较高的松装密度，满足适合于激光或电子束3d打印成形技术对于粉末性能的特殊要求。

2、本发明制备的hastelloyx合金粉末，微细粉末的收得率高，其中粒径≤45μm的粉末收得率高于40％，用于slm成形技术，粒径≥45μm的粉末可用于lsf、ebm技术，通过气流分级去除的粒径≤15μm可用于传统粉末注塑成形，大大降低了生产成本，具有制备过程污染小、真正实现了“绿色”制造。

附图说明

图1为hastelloyx合金棒料加工后结构示意图；

图2为真空电极感应熔化气雾化装置原理图；

图3为气流分级装置原理图；

图4为本发明制得hastelloyx合金粉末粒径分布图；

图5为本发明制得hastelloyx合金粉末颗粒sem形貌图一；

图6为本发明制得hastelloyx合金粉末颗粒sem形貌图二。

具体实施方式

一种用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)棒料加工：按照hastelloyx的成分，fe：17％～20％，cr：20.5％～23％，co：0.5％～2.5％，mo：8％～10％，w：0.2％～1％，c：0.05％～0.15％，si≤1％，mn≤1％，p≤0.04％，s≤0.03％，熔炼制取hastelloyx合金棒材，随后对棒材进行加工，根据中频感应线圈的尺寸决定hastelloyx合金棒料的加工直径，制成直径35～50mm，长度500～550mm，一端开v形槽口，另一端呈50°～80°锥角的棒料，hastelloyx合金棒料加工后结构如图1所示；

(2)熔炼雾化：熔炼雾化制粉的设备，如图2所示，包括上下设置的送料机构1、熔化室6与雾化塔4，连续送料器1用于将hastelloyx合金棒料垂直送入熔化室6内，在熔化室6内设置感应线圈2，在雾化塔4上方设置超音速雾化喷嘴3，雾化塔4还通过输粉管道连接有粉末收集罐5。雾化制粉过程为：通过夹持机构将加工后的棒料固定在进料机构下端，在进料机构的作用下，棒料同时进行轴向直线运动和旋转运动，雾化前将hastelloyx合金棒料下降，并使其锥形部分伸入感应线圈里，保持棒料中心处于线圈中心位置，棒料外表面与感应线圈的距离保持在10～15mm；依次通过机械泵、罗茨泵，对熔化室和雾化塔进行抽真空处理，当真空度达到10^-2～10^-1pa时，向熔化室和雾化塔充入惰性气体，待熔化室压力达到10⁵pa左右；开启中频感应电源，对棒材进行加热，加热功率15～40kw，棒料熔化后在底部锥尖处汇成液滴或液流；以高纯氩气或氮气作为雾化介质，通过超音速雾化喷嘴(紧耦合环缝喷嘴)形成超音速气流，雾化气流压力控制在2～4mpa，雾化时向熔化室充入高纯氩气，保持熔化室与雾化塔的压力差范围在0.01～0.02mpa，防止熔化室与雾化塔的压差过大形成较多空心粉，在高速气流的冲击作用下，熔化的金属液滴形成微小液滴，在雾化塔里冷却凝固成固态粉末颗粒，在大功率旋风分离器的作用下，粉末降落在雾化冷却塔锥形底部，被气流带入粉末收集罐中；

(3)振动筛分：对雾化制得的hastelloyx合金粉末进行分级处理，通过送料装置，以一定的速率将粉末均匀地从不同目数的筛网自上而下进行筛分，每层筛网固定超声振动器，通过调节超声波频率，得到不同粒径范围的粉末，粉末在振动筛分过程中，均在高纯氩气保护下进行，防止粉末发生氧化；

(4)气流分级：对于粒径小于15μm的粉末，采用气流旋分的方法进行分离，分级前对设备整体抽真空，工作时通入高纯氩气，通过调节气流量来去除不同尺寸的微小颗粒；气流分级装置如图3所示，包括顺序相连的进料装置7、分级系统8、旋风收集器9、脉冲除尘器10及引风机11，在旋风收集器9、脉冲除尘器10下方设置有收料箱12。

(5)真空脱气：将经过筛分、分级处理的hastelloyx合金粉末置于真空脱气炉，真空度保持在10^-2～10^-1pa，炉内温度为100～200℃，脱气时间5～10h；

(6)配比、包装：收集经过脱气干燥处理的hastelloyx合金粉末，按照不同3d打印技术对于粉末材料粒径分布的要求，进行质量配比，其中激光选区熔化成形技术：15～53μm；激光立体成形技术：45～150μm；电子束熔融技术：45～106μm，并在氩气保护下进行包装，最终制得适用于3d打印技术的hastelloyx合金粉末。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

用于激光选区熔化技术(slm)的hastelloyx合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)棒料加工：对hastelloyx合金棒材进行加工，制成直径35mm，长度500mm，一端开v形槽口，另一端呈50°锥角的棒料；

(2)熔炼雾化：通过夹持机构将加工后的棒料固定在进料机构下端，在进料机构的作用下，棒料同时进行轴向直线运动和旋转运动，雾化前将hastelloyx合金棒料下降，并使其锥形部分伸入感应线圈内；依次通过机械泵、罗茨泵，对熔化室和雾化塔进行抽真空处理，当真空度达到10^-2～10^-1pa时，向熔化室和雾化塔充入惰性气体，待熔化室压力达到10⁵pa左右；开启中频感应电源，对棒材进行加热，加热功率40kw，棒料熔化后在底部锥尖处汇成液滴或液流；以高纯氩气或氮气作为雾化介质，通过紧耦合环缝喷嘴形成超音速气流，雾化气流压力控制在4mpa，在高速气流的冲击作用下，熔化的金属液滴形成微小液滴，在雾化塔里冷却凝固成固态粉末颗粒；

(3)振动筛分：对雾化制得的hastelloyx合金粉末进行分级处理，通过送料装置，以一定的速率将粉末均匀地从不同目数的筛网自上而下进行筛分，每层筛网固定超声振动器，通过调节超声波频率，得到粒径≤45μm的粉末；

(4)气流分级：采用气流旋分的方法进行分离，通过调节气流量来去除粒径≤15μm的微小颗粒；

(5)真空脱气：将经过筛分、分级处理的hastelloyx合金粉末置于真空脱气炉，真空度保持在10^-2～10^-1pa，炉内温度为130℃，脱气时间6h；

(6)配比、包装：收集经过脱气干燥处理的hastelloyx合金粉末，在氩气保护下进行包装，最终制得适用于slm成形技术的hastelloyx合金粉末。

本实施例制备得到的hastelloyx合金粉末，粒径分布如图4所示，sem形貌如图5、6所示，经检测氧含量为0.02％，平均粒径28.79μm，球形度大于0.9，松装密度4.47g/cm³，粉末在eosm280设备上进行零件slm成型，铺粉过程中粉末流动性好，加工过程无“球化”现象，成型零件变形小、组织均匀，最大抗拉强度达到850mpa以上，能够满足零件的使用要求。

实施例2

用于激光立体成形技术(lsf)的hastelloyx合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)棒料加工：对hastelloyx合金棒材进行加工，制成直径40mm，长度550mm，一端开v形槽口，另一端呈60°锥角的棒料；

(2)熔炼雾化：通过夹持机构将加工后的棒料固定在进料机构下端，在进料机构的作用下，棒料同时进行轴向直线运动和旋转运动，雾化前将hastelloyx合金棒料下降，并使其锥形部分伸入感应线圈内；依次通过机械泵、罗茨泵，对熔化室和雾化塔进行抽真空处理，当真空度达到10^-2～10^-1pa时，向熔化室和雾化塔充入惰性气体，待熔化室压力达到10⁵pa左右；开启中频感应电源，对棒材进行加热，加热功率20kw，棒料熔化后在底部锥尖处汇成液滴或液流；以高纯氩气或氮气作为雾化介质，通过紧耦合环缝喷嘴形成超音速气流，雾化气流压力控制在3mpa，在高速气流的冲击作用下，熔化的金属液滴形成微小液滴，在雾化塔里冷却凝固成固态粉末颗粒；

(3)振动筛分：对雾化制得的hastelloyx合金粉末进行分级处理，通过送料装置，以一定的速率将粉末均匀地从不同目数的筛网自上而下进行筛分，每层筛网固定超声振动器，通过调节超声波频率，得到粒径45～150μm的粉末；

(4)气流分级：采用气流旋分的方法进行分离，通过调节气流量来去除粉末中粒径≤15μm的微小颗粒；

(5)真空脱气：将经过筛分、分级处理的hastelloyx合金粉末置于真空脱气炉，真空度保持在10^-2～10^-1pa，炉内温度为140℃，脱气时间8h；

(6)配比、包装：收集经过脱气干燥处理的hastelloyx合金粉末，在氩气保护下进行包装，最终制得适用于lsf成形技术的hastelloyx合金粉末。

本实施例制备得到的hastelloyx合金粉末，经检测氧含量为0.03％，平均粒径98.79μm，球形度大于0.9，松装密度4.83g/cm³，粉末在blt-c600设备上进行lsf成型，粉末流动性好，送粉流畅，激光烧结过程中飞溅小，零件变形在±0.5mm，最大抗拉强度达到1050mpa以上，延伸率大于40％，满足承力场合的使用要求。

实施例3

用于电子束熔融技术(ebm)的hastelloyx合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)棒料加工：对hastelloyx合金棒材进行加工，制成直径50mm，长度550mm，一端开v形槽口，另一端呈70°锥角的棒料；

(2)熔炼雾化：通过夹持机构将加工后的棒料固定在进料机构下端，在进料机构的作用下，棒料同时进行轴向直线运动和旋转运动，雾化前将hastelloyx合金棒料下降，并使其锥形部分伸入感应线圈里；依次通过机械泵、罗茨泵，对熔化室和雾化塔进行抽真空处理，当真空度达到10^-2～10^-1pa时，向熔化室和雾化塔充入惰性气体，待熔化室压力达到10⁵pa左右；开启中频感应电源，对棒材进行加热，加热功率30kw，棒料熔化后在底部锥尖处汇成液滴或液流；以高纯氩气或氮气作为雾化介质，通过紧耦合环缝喷嘴形成超音速气流，雾化气流压力控制在3.5mpa，在高速气流的冲击作用下，熔化的金属液滴形成微小液滴，在雾化塔里冷却凝固成固态粉末颗粒；

(3)振动筛分：对雾化制得的hastelloyx合金粉末进行分级处理，通过送料装置，以一定的速率将粉末均匀地从不同目数的筛网自上而下进行筛分，每层筛网固定超声振动器，通过调节超声波频率，得到粒径45～106μm的粉末；

(4)气流分级：采用气流旋分的方法进行分离，通过调节气流量来去除粉末中粒径≤15μm的微小颗粒；

(5)真空脱气：将经过筛分、分级处理的hastelloyx合金粉末置于真空脱气炉，真空度保持在10^-2～10^-1pa，炉内温度为150℃，脱气时间7h；

(6)配比、包装：收集经过脱气干燥处理的hastelloyx合金粉末，在氩气保护下进行包装，最终制得适用于lsf成形技术的hastelloyx合金粉末。

本实施例制备得到的hastelloyx合金粉末，经检测氧含量为0.02％，平均粒径68.79μm，球形度大于0.9，松装密度4.65g/cm³，粉末在arcamq10设备上进行ebm成型，铺粉均匀流畅，成型件组织应力低，组织致密，无气孔、疏松等缺陷，最大抗拉强度达到950mpa以上，延伸率大于35％，满足承力场合的使用要求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。