3D打印合金粉末的快速制备方法与流程

本发明涉及3d打印用材料技术领域，尤其涉及一种3d打印合金粉末的快速制备方法。

背景技术：

金属合金3d打印是整个3d领域中最具有潜力，也是最前沿的技术。3d打印金属合金粉末是打印金属构件的关键材料，其制备难度大，因此价格居高不下，严重限制了金属合金3d打印技术的发展。3d打印金属合金粉末的颗粒通常要求颗粒均匀、成分均匀、氧含量低、球形度好且流动性好。常用的3d打印金属合金粉末包括钴铬合金，钛合金，不锈钢等。目前，高端3d打印金属合金粉末的制备技术主要被国外公司垄断。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种制备的金属合金粉末具有球形度高、产率高、尺寸小、氧含量低及成分均匀的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种3d打印合金粉末的快速制备方法，所述方法使用3d打印合金粉末的快速制备装置，其特征在于包括如下步骤：

向熔炼载料器内的熔炼坩埚中加入固体金属合金，将一段与熔炼坩埚的熔炼坩埚喷嘴的内径相同的固体金属合金丝插入熔炼坩埚喷嘴内，将熔炼坩埚喷嘴上的喷嘴侧口堵塞，将旋转充气盖及熔炼载料器密封连接，同时向等离子电极组件的多个等离子电极棒的水冷孔中通入循环水来冷却等离子电极组件内的绝缘送料管；

关闭金属粉出料口，通过炉体上与雾化室连通的第一平衡气压阀门以及与所述熔炼室相连通的第二平衡气压阀门，将炉体上侧的熔炼室及炉体下侧的雾化室抽真空后充入惰性气体至10⁵pa，保持内外压力差平衡；启动加热器对载料熔炼旋转器进行加热，直至熔炼坩埚内的固体金属合金熔化为金属合金熔体；此时由于绝缘送料管被多个等离子电极棒中的循环水冷却而使得熔炼坩埚喷嘴内的金属合金熔体流至绝缘送料管位置后凝固为固体，分割了熔炼室及雾化室；启动炉体外的旋转器转动驱动装置使得旋转杆带动载料熔炼旋转器高速转动，通过旋转充气管向载料熔炼旋转器内充入高压气体；

启动第一旋转电极及第二旋转电极，待第一旋转电极及第二旋转电极转动平稳后，启动多个等离子电极棒，使得多个等离子电极棒与第一旋转电极及第二旋转电极间形成等离子电弧；随着熔炼旋转器的旋转，当等离子电极棒与对熔炼坩埚喷嘴相对时，离子电极棒通过绝缘送料侧口以及喷嘴侧口对固体金属合金进行瞬间放电；切断多个等离子电极棒内的循环水，多个等离子电极棒发热、等离子电弧及金属合金熔体的温度共同对熔炼坩埚喷嘴内的固体金属合金进行加热使其熔化，随之载料熔炼旋转器内的金属合金熔体借助内部高压及其本身的高速旋转使其依次经过熔炼坩埚喷嘴侧口以及绝缘送料侧口后冲出至等离子电弧下方，形成初步雾化的金属液滴，初步雾化的金属液滴被等离子电弧进一步加热，使其撞击到高速旋转的第一旋转电极及第二旋转电极表面；

初步雾化的金属液滴撞击高速旋转的第一旋转电极及第二旋转电极后在撞击力及离心力的作用下进一步破碎，每一个初步雾化的金属液滴除一小部分粘在第一旋转电极及第二旋转电极表面后，其余部分分散为更为细小的高速运行金属液滴；

高速运行的金属液滴进入冷却室后形成金属合金粉末，并喷至输送带上，在打开炉体下侧的金属粉出料口后，通过第一平衡气压阀门持续向雾化室中充入惰性气体，惰性气体通过金属粉出料口将已经雾化的金属合金粉末吹出炉体，完成金属合金粉末的制备。

进一步的技术方案在于：所述快速制备装置包括炉体，所述炉体内通过隔板分隔成熔炼室和雾化室两部分，位于上侧的所述熔炼室内设置有载料熔炼旋转器，所述旋转器内设置有熔炼坩埚，所述熔炼坩埚的熔炼坩埚喷嘴穿过所述隔板且使得熔炼坩埚喷嘴下端的喷嘴侧口位于所述隔板之下，所述旋转器的上端设置有旋转杆，所述旋转杆的上端延伸至所述炉体外，所述旋转杆内设置有与所述旋转器相连通的充气孔，所述炉体的外侧设置有与所述旋转杆相连接的旋转器转动驱动装置，所述旋转器的外侧设置有加热器，所述加热器用于对所述熔炼坩埚进行加热，位于所述挡板下侧的熔炼坩埚喷嘴的外侧套设有等离子电极组件，且所述等离子电极组件位于所述喷嘴侧口的上侧，所述熔炼坩埚喷嘴的下侧设置有第一旋转电极和第二旋转电极，所述等离子组件中的等离子电极棒通电时所述第一旋转电极的表面与所述等离子电极棒的下端之间以及所述第二旋转电极的表面与所述等离子电极棒的下端之间形成等离子电弧，所述第一旋转电极和第二旋转电极在炉体外旋转电极驱动装置的驱动下向内相对转动；所述第一旋转电极和第二旋转电极的下侧设置有冷却室，所述冷却室的下侧设置有传送装置，所述传送装置延伸至所述雾化室下侧的金属粉末出料口内，所述炉体上分别设置有与雾化室连通的第一平衡气压阀门以及与所述熔炼室相连通的第二平衡气压阀门。

进一步的技术方案在于：所述挡板的上表面设置有转动轴承，所述载料熔炼旋转器的下端与所述转动轴承的内圈固定连接后穿过所述挡板。

进一步的技术方案在于：所述等离子电极组件包括绝缘送料管，所述绝缘送料管的下端封闭，且所述绝缘送料管与所述喷嘴侧口相对应的位置设置有绝缘送料侧口，所述绝缘送料管的外周设置有若干根等离子电极棒，所述等离子电极棒的外侧设置有与所述等离子电极棒个数相同的离子电极夹块，所述离子电极夹块之间通过夹块绝缘板进行分隔，所述等离子电机棒上设置有水冷孔。

进一步的技术方案在于：所述等离子电极组件还包括等离子电极导线，每个电极夹块均与一条等离子电极导线相连，所述等离子电极导线从所述挡板内穿出所述炉体；等离子电极棒的分布沿着第一旋转电极与第二旋转电极的对称线对称分布。

进一步的技术方案在于：冷却室的上端具有进料口，所述冷却室的外周设置有冷却水管。

进一步的技术方案在于：所述传送装置包括输送轮和输送带，所述输送带通过所述输送轮进行驱动。

进一步的技术方案在于：所述载料熔炼旋转器包括旋转充气盖以及熔炼载料器，所述旋转充气盖与所述熔炼载料器之间密封固定连接，所述旋转杆位于所述旋转充气盖上。

进一步的技术方案在于：所述第一转电极及第二旋转电极使用具有导电特性的高温材质制作，或者使用铜材质进行制作；铜材质的第一转电极及第二旋转电极内部设计水路，以便起到冷却作用。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述快速制备方法在具有载料熔炼旋转器的绝缘送料侧口周边布置多个等离子电极棒，等离子电极下方布置两个高速旋转的旋转电极，等离子电极棒与旋转电极间形成等离子电弧，等离子电弧加热旋转电极，并预热绝缘送料侧口。载料熔炼旋转器内部形成高压，在高压及高速旋转的作用下金属液通过绝缘送料侧口喷射至等离子弧中，被雾化并进一步喷至高温旋转电极上，旋转电极进一步将金属液雾化并缩小尺寸，经过冷却室冷却形成可用于3d打印的金属及合金粉末。该方法制备的金属合金粉末具有球形度高、产率高、尺寸小及成分均匀的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中所述快速制备装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述快速制备装置中局部放大结构示意图；

图3是本发明实施例所述等离子电极组件中的部分剖视结构示意图；

图4是本发明实施例所述快速制备装置中熔炼坩埚的结构示意图；

图5是本发明实施例所述快速制备装置中绝缘送料管的结构示意图；

其中：1：炉体；2：载料熔炼旋转器；2-1：旋转充气盖；2-2：熔炼载料器；2-3：旋转杆；2-4：充气孔；3：加热器；4：金属合金熔体；5：隔板；6-1：等离子电极导线；6-2：离子电极夹块；6-3：夹块绝缘板；7：等离子电极棒；7-1：水冷孔；8：等离子电弧；9：第一旋转电极；10：冷却室；11：冷却水管；12：金属合金粉；13：金属粉出料口；14：输送轮；15：输送带；16：第一平衡气压阀门；17：雾化室；18：第二旋转电极；19：绝缘送料管；19-1：绝缘送料侧口；20：转动轴承；21：熔炼室；22：第二平衡气压阀门；23：熔炼坩埚；23-1：熔炼坩埚喷嘴；23-2、喷嘴侧口。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图2和图4所示，本发明实施例公开了一种3d打印合金粉末的快速制备装置，包括炉体1，所述炉体1内通过隔板5分隔成熔炼室21和雾化室17两部分，位于上侧的所述熔炼室21内设置有载料熔炼旋转器2，所述旋转器内设置有熔炼坩埚23，所述熔炼坩埚23的熔炼坩埚喷嘴23-1穿过所述隔板5且使得熔炼坩埚喷嘴23-1下端的喷嘴侧口23-2位于所述隔板5之下。所述旋转器的上端设置有旋转杆2-3，所述旋转杆2-3的上端延伸至所述炉体1外，所述旋转杆2-3内设置有与所述旋转器相连通的充气孔2-4，所述炉体1的外侧设置有与所述旋转杆2-3相连接的旋转器转动驱动装置，所述旋转器的外侧设置有加热器3，所述加热器3用于对所述熔炼坩埚23进行加热。

位于所述挡板5下侧的熔炼坩埚喷嘴23-1的外侧套设有等离子电极组件，且所述等离子电极组件位于所述喷嘴侧口23-2的上侧，所述熔炼坩埚喷嘴23-1的下侧设置有第一旋转电极9和第二旋转电极18，优选的，所述第一转电极9及第二旋转电极18使用具有导电特性的高温材质制作，或者使用铜材质进行制作。所述等离子组件中的等离子电极棒7通电时所述第一旋转电极9的表面与所述等离子电极棒7的下端之间以及所述第二旋转电极18的表面与所述等离子电极棒7的下端之间形成等离子电弧8。

所述第一旋转电极9和第二旋转电极18在炉体外旋转电极驱动装置的驱动下向内相对转动；铜材质的第一转电极9及第二旋转电极18内部设计水路，以便起到冷却作用；所述第一旋转电极9和第二旋转电极18的下侧设置有冷却室10，所述冷却室10的下侧设置有传送装置，所述传送装置延伸至所述雾化室17下侧的金属粉末出料口13内，所述炉体1上分别设置有与雾化室17连通的第一平衡气压阀门16以及与所述熔炼室21相连通的第二平衡气压阀门22。为了保证所述载料熔炼旋转器2转动的稳定性，在所述挡板5的上表面设置有转动轴承20，所述载料熔炼旋转器2的下端与所述转动轴承20的内圈固定连接后穿过所述挡板5，通过所述转动轴承20支撑所述载料熔炼旋转器2，使其转动更稳定。

如图2、图3和图5所示，所述等离子电极组件包括绝缘送料管19，所述绝缘送料管19的下端封闭，且所述绝缘送料管19与所述喷嘴侧口23-2相对应的位置设置有绝缘送料侧口19-1。绝缘送料侧口19-1连通绝缘送料管19内部与外部，绝缘送料侧口19-1与绝缘送料管19的金属合金熔体的喷射方向形成锐角。熔炼坩埚喷嘴23-1插入绝缘送料管19，并与绝缘送料侧口19-1的内端口平齐。所述绝缘送料管19的外周设置有若干根等离子电极棒7，所述等离子电极棒7的外侧设置有与所述等离子电极棒7个数相同的离子电极夹块6-2，所述离子电极夹块6-2之间通过夹块绝缘板6-3进行分隔，所述等离子电机棒7上设置有水冷孔7-1。如图1和图2所示，所述等离子电极组件还包括等离子电极导线6-1，每个电极夹块6-2均与一条等离子电极导线6-1相连，所述等离子电极导线6-1从所述挡板内穿出所述炉体；等离子电极棒7的分布沿着第一旋转电极9与第二旋转电极18的对称线对称分布。多个等离子电极棒7不仅提供电弧，同时还给绝缘送料管19中的金属合金熔体进一步加热，防止喷嘴侧口23-2及绝缘送料侧口19-1堵塞。

如图1所示，冷却室10的上端具有进料口，所述冷却室10的外周设置有冷却水管11。所述传送装置包括输送轮14和输送带15，所述输送带15通过所述输送轮14进行驱动。

如图4所示，所述载料熔炼旋转器2包括旋转充气盖2-1以及熔炼载料器2-2，所述旋转充气盖2-1与所述熔炼载料器2-2之间密封固定连接，所述旋转杆2-3位于所述旋转充气盖2-1上。

本发明还公开了一种3d打印合金粉末的快速制备方法，所述方法使用所述快速制备装置，包括如下步骤：

向熔炼载料器2-2内的熔炼坩埚23中加入固体金属合金，将一段与熔炼坩埚23的熔炼坩埚喷嘴23-1的内径相同的固体金属合金丝插入熔炼坩埚喷嘴23-1内，将熔炼坩埚喷嘴23-1上的喷嘴侧口23-2堵塞，先用金属丝堵住，熔炼坩埚喷嘴23-1及喷嘴侧口23-2内的缝隙变得很小，熔炼阶段熔体通过这些缝隙时容易被冷却，不至于没有被冷却彻底突然流下；将旋转充气盖2-1及熔炼载料器2-2密封连接，同时向等离子电极组件的多个等离子电极棒7的水冷孔中通入循环水来冷却等离子电极组件内的绝缘送料管19；

关闭金属粉出料口13，通过炉体上与雾化室17连通的第一平衡气压阀门16以及与所述熔炼室21相连通的第二平衡气压阀门22，将炉体1上侧的熔炼室21及炉体1下侧的雾化室17抽真空后充入惰性气体至10⁵pa，保持内外压力差平衡；启动加热器3对载料熔炼旋转器2进行加热，直至熔炼坩埚23内的固体金属合金熔化为金属合金熔体4；此时由于绝缘送料管19被多个等离子电极棒7中的循环水冷却而使得熔炼坩埚喷嘴23-1内的金属合金熔体4流至绝缘送料管19位置后凝固为固体，分割了熔炼室21及雾化室17；启动炉体1外的旋转器转动驱动装置使得旋转杆2-3带动载料熔炼旋转器2高速转动，通过旋转充气管2-4向载料熔炼旋转器2内充入高压气体；

启动第一旋转电极9及第二旋转电极18，待第一旋转电极9及第二旋转电极18转动平稳后，启动多个等离子电极棒7，使得多个等离子电极棒7与第一旋转电极9及第二旋转电极18间形成等离子电弧8；随着熔炼旋转器2的旋转，当等离子电极棒7与对熔炼坩埚喷嘴23-1相对时，离子电极棒7通过绝缘送料侧口19-1以及喷嘴侧口23-2对固体金属合金进行瞬间放电。切断多个等离子电极棒7内的循环水，多个等离子电极棒7发热、等离子电弧8及金属合金熔体4的温度共同对熔炼坩埚喷嘴23-1内的固体金属合金进行加热使其熔化，随之载料熔炼旋转器2内的金属合金熔体4借助内部高压及其本身的高速旋转使其依次经过熔炼坩埚喷嘴侧口23-2以及绝缘送料侧口19-1后冲出至等离子电弧8下方，形成初步雾化的金属液滴，初步雾化的金属液滴被等离子电弧8进一步加热，使其撞击到高速旋转的第一旋转电极9及第二旋转电极18表面；

初步雾化的金属液滴撞击高速旋转的第一旋转电极9及第二旋转电极18后在撞击力及离心力的作用下进一步破碎，每一个初步雾化的金属液滴除一小部分粘在第一旋转电极9及第二旋转电极18表面后，其余部分分散为更为细小的高速运行金属液滴；

高速运行的金属液滴进入冷却室10后形成金属合金粉末12，并喷至输送带15上，在打开炉体下侧的金属粉出料口13后，通过第一平衡气压阀门16持续向雾化室17中充入惰性气体，惰性气体通过金属粉出料口13将已经雾化的金属合金粉末12吹出炉体1，完成金属合金粉末12的制备。

所述快速制备装置及方法在具有载料熔炼旋转器的绝缘送料侧口周边布置多个等离子电极棒，等离子电极下方布置两个高速旋转的旋转电极，等离子电极棒与旋转电极间形成等离子电弧，等离子电弧加热旋转电极，并预热绝缘送料侧口。载料熔炼旋转器内部形成高压，在高压及高速旋转的作用下金属液通过绝缘送料侧口喷射至等离子弧中，被雾化并进一步喷至高温旋转电极上，旋转电极进一步将金属液雾化并缩小尺寸，经过冷却室冷却形成可用于3d打印的金属及合金粉末。该装置和方法制备的金属合金粉末具有球形度高、产率高、尺寸小及成分均匀的特点。