一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法技术

一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法，属于3D打印技术领域。包括将铝合金加工成棒料，直径为35～70mm；将棒料安装在送料装置上，进行抽真空处理并充入氩气保护气体；加热棒料，尖端金属熔化温度超过铝合金熔点5～30℃后打开风机进行雾化；金属液流在高速气体的冲击作用下形成球形铝合金粉末。优点在于，制备出的铝合金粉末粒度细小、均匀，流动性好、氧含量低，有效节约制造成本。

Method for preparing spherical aluminum alloy powder for 3D printing

The invention relates to a method for preparing spherical aluminum alloy powder for 3D printing, which belongs to the technical field of 3D printing. Including the Aluminum Alloy processed into a bar, the diameter of 35 ~ 70mm; the bar is installed on the feeding device, vacuum processing and filling argon gas; heating bar, the temperature of the molten metal tip more than Aluminum Alloy melting point of 5 to 30 DEG C after open fan atomization; the formation of spherical Aluminum Alloy powder the impact of liquid metal flow in the gas under high speed. The utility model has the advantages of small and uniform particle size, good fluidity and low oxygen content, and can effectively save manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于3D打印
，特别涉及一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法。尤其涉及一种3D打印用高纯球形铝合金粉末的制备方法。
技术介绍
3D打印，被称为引发第三次技术革命的智能制造技术，彻底改变了传统金属零件，特别是高性能、难加工、构型复杂等金属零件的加工模式，在航空航天、汽车制造领域有着广阔的应用。金属3D打印技术是整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，也是今后3D打印技术的主要发展方向。球形金属粉末是金属3D打印的原材料和耗材，也是限制3D打印技术发展的巨大瓶颈。因此，3D打印专用材料的研发是3D打印技术发展的重中之重。高性能金属粉末的制备受到工业发达国家的高度重视。我国的金属粉体行业发展滞后，产品单一，粉末品质较差，高性能金属粉末尚需大量依赖进口，极大制约了我国航空航天产业的发展。铝合金密度小，比强度高，生产制造成本低，是航空航天用关键承力零部件的原材料。航空航天用复杂形状零部件多采用粉末冶金及3D打印方法制备，组织和性能均匀，近净成形且加工余量小。伴随着我国航空航天技术的飞速发展，作为粉末冶金及3D打印技术的原材料，高性能球形铝合金粉末的研制迫在眉睫。3D打印对球形粉末的粒度、流动性、纯度、氧含量要求较高，而目前我国与3D打印用粉体材料制备工艺有关的专利或文献较少。一种制备3D打印用超细球形金属粉末的方法及装置，申请号201510044848.9，公开了一种超细球形金属粉末的制备方法，但是金属熔体仍采用坩埚熔炼的方法制备。用于激光3D打印的球形TC4钛合金粉末及其制备方法，申请号201610025205.4，公开了一种真空感应气雾化法制备球形TC4钛合金粉末的方法，所采用的材料及工艺参数与本专利完全不同。文章《氮气雾化Al-20Si-7.5Ni-3Cu-1Mg-0.25Fe合金粉末形貌及组织》刊登于塑性工程学报，利用激光粒度分析仪等设备对合金粉末的粒度分布、组织、形貌、组成相和相演变规律进行了研究，并没有提及氮气雾化制备合金粉末的工艺方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法，解决了目前金属粉体产品单一、品质差且制造成本偏高的问题。一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法是一种由电极感应线圈加热、将熔化态铝合金直接雾化制成铝合金粉末的无坩埚熔炼法。包括加工棒料、送料、感应熔炼、雾化、筛分等制备过程。一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法，其步骤及参数控制如下：1、将铝合金加工成棒料。棒料的直径为35～70mm，在距离棒料顶端10mm处加工出3～10mm宽的凹槽，便于安装到送料装置上；棒料末端加工成圆锥状，锥度为60～120°。2、将洁净的铝合金棒料安装在连续送料装置上，调节卡具上的螺钉，保证棒料具有良好的垂直度。依次打开机械泵和罗茨泵，对装料室、熔炼室、雾化室进行抽真空处理，极限真空度为1×10-4～1×10-2Pa，充入氩气保护气体，调节熔炼室压力为0～0.50MPa，装料室与熔炼室的压差为0.001～0.05MPa；3、启动送料装置，将铝合金棒料送递至熔炼室，下降速度为1～5mm/s，自转速度为100～500r/s。电极感应线圈的锥度为40～60°，管径为10～15mm，管间距为20～30mm，线圈最大中心距为100～150mm，待棒料传送至线圈中部时，棒料停止下降。启动加热电源，调节功率至10～30KW；加热棒料，待尖端金属熔化，温度超过铝合金熔点5～30℃后打开风机，使熔化金属在风机吸力作用下形成连续、稳定的液流，并将送料装置的下降速度调节至0.005～0.08mm/s，自转速度调节至100～500r/s，加热功率调节至15～40kw。4、采用拉瓦尔环缝式紧耦合喷嘴对合金液流进行雾化，中心距为10～40mm，出气口汇聚角度为10～40°，喷嘴喷出总压力为1～6MPa，气体流量为800～2000m3/h，金属液流在高速气体的冲击作用下形成球形铝合金粉末。5、冷却后的铝合金粉末汇集至二级旋风分离收粉装置中，在高纯氩气气氛下筛分，不同粒径等级的粉末进行惰性气体保护封装。采用本专利技术方法制备的3D打印用高纯铝合金粉末的粒度为0～53μm，氧含量为500～1300ppm，纯度高，流动性好，满足航空航天3D打印关键零部件的使用要求本专利技术适用于铝合金牌号ISO 3522-2007、GB/T 1173-2013和GB/T 3190-2008全部产品牌号，主要材质为纯铝、Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Zn系铝合金。本专利技术的优点在于：采用连续送料装置将铝合金棒料传递至熔炼室，通过高频感应线圈加热直接将棒料熔化，形成连续液流，进入雾化室。在整个过程中，避免了合金与坩埚接触，保证了粉末的纯净度，能够制备出纯度高、球形度好、氧含量低、粒度分布窄、流动性好的符合3D打印要求的高纯球形铝合金粉末。本专利技术的制备方法主要工作在于：1、送料进给及装卡结构优化。通过对传动装置螺距、转速及装卡部位螺钉尺寸的控制，调整棒料的对中度及进给速度，在熔炼过程中实现连续送料。2、高频铜感应线圈的设计。通过对感应线圈管径、管层间距、中心距及冷却水流速等参数的控制，调整熔炼室内部的温度场分布，在铝合金棒料的熔化端形成连续、稳定的液流。3、喷嘴结构优化。通过对喷嘴出气口汇聚角度、中心距、雾化压力、气体流量等参数的控制，调整气流与金属液流的动力交互作用，以便获得具有良好性能(球形度、均匀度等)的粉末。本专利技术制备方法的原理基于高速气流击碎金属液流的二流雾化法，采用感应线圈将铝合金棒料熔炼成连续、稳定的液流，通过对喷嘴气体流量、出气口总压力等工艺的控制，提高气体动能与金属液滴表面能之间的转化效率，形成细小的粉末。本专利技术的优点在于：1、以铝合金棒料为原料，采用传动装置实现连续送料，高频铜感应线圈进行熔炼，避免了合金熔体与坩埚接触，减少了杂质元素的混入及坩埚中的熔体残留，提高了材料利用率及粉末纯净度。2、采用的拉瓦尔环缝式紧耦合喷嘴为切向进气，气体流量为800～2000m3/h，喷嘴喷出总压力为1～6MPa，能够有效将铝合金液流破碎成细小颗粒，从而保证粉末粒度为0～53μm。3、采用本专利技术制备的球形铝合金粉末粒度细小、均匀，流动性好、球形度高、氧含量低，细粉收得率高达25％。附图说明图1为本专利技术制备的微细球形Al-Si-10Mg铝合金粉末的粒度分布图。具体实施方式实施例1高纯Al-Si-10Mg合金球形粉末制备1、将高纯Al-Si-10Mg合金加工成直径为45mm的棒料，在距离棒料顶端10mm处加工5×5mm的凹槽，尾端加工成90°度的锥形；2、将洁净的铝合金棒料安装在连续送料装置上，对装料室、熔炼室、雾化室进行抽真空处理，极限真空度为1×10-4Pa，充入氩气保护气体，熔炼室气压为0.11MPa；3、启动送料装置，棒料的下降速度为1mm/s，自转速度为100r/s，待棒料运送至感应线圈中部时，棒料停止下降，启动加热电源，功率为10kw，电极感应线圈的锥度为60°，管径为15mm，管间距为20mm，线圈最大中心距为150m，熔炼室温度超过铝合金熔点5℃后，开启风机，将送料装置下降速度调节至0.02mm/s，加热功率调节至30kw，形成连续、稳定的液流；4、采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：1)将铝合金加工成棒料，棒料直径为35～70mm，在距离棒料顶端10mm处加工出3～10mm宽的凹槽，便于安装到送料装置上；棒料末端加工成圆锥状，锥度为60～120°；2)将洁净的铝合金棒料安装在连续送料装置上，调节卡具上的螺钉，保证棒料具有良好的垂直度；依次打开机械泵和罗茨泵，对装料室、熔炼室、雾化室进行抽真空处理，充入氩气保护气体，调节熔炼室压力为0～0.50MPa，装料室与熔炼室的压差为0.001～0.05MPa；3)启动送料装置，将铝合金棒料送递至熔炼室，下降速度为1～5mm/s，自转速度为100～500r/s；电极感应线圈的锥度为40～60°，管径为10～15mm，管间距为20～30mm，线圈最大中心距为100～150mm，待棒料传送至线圈中部时，棒料停止下降；启动加热电源，调节功率至10～30KW；加热棒料，待尖端金属熔化，温度超过铝合金熔点5～30℃后打开风机，使熔化金属在风机吸力作用下形成连续、稳定的液流，并将送料装置的下降速度调节至0.005～0.08mm/s，自转速度调节至100～500r/s，加热功率调节至15～40kw；4)采用拉瓦尔环缝式紧耦合喷嘴对合金液流进行雾化，中心距为10～40mm，出气口汇聚角度为10～40°，喷嘴喷出总压力为1～6MPa，气体流量为800～2000m3/h，金属液流在高速气体的冲击作用下形成球形铝合金粉末；5)冷却后的铝合金粉末汇集至二级旋风分离收粉装置中，在高纯氩气气氛下筛分，不同粒径等级的粉末进行惰性气体保护封装。...

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用球形铝合金粉末的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：1)将铝合金加工成棒料，棒料直径为35～70mm，在距离棒料顶端10mm处加工出3～10mm宽的凹槽，便于安装到送料装置上；棒料末端加工成圆锥状，锥度为60～120°；2)将洁净的铝合金棒料安装在连续送料装置上，调节卡具上的螺钉，保证棒料具有良好的垂直度；依次打开机械泵和罗茨泵，对装料室、熔炼室、雾化室进行抽真空处理，充入氩气保护气体，调节熔炼室压力为0～0.50MPa，装料室与熔炼室的压差为0.001～0.05MPa；3)启动送料装置，将铝合金棒料送递至熔炼室，下降速度为1～5mm/s，自转速度为100～500r/s；电极感应线圈的锥度为40～60°，管径为10～15mm，管间距为20～30mm，线圈最大中心距为100～150mm，待棒料传送至线圈中部时，棒料停止下降；启动加热电源，调节功率至10～30KW；加热棒料，待尖端金属熔化，温度超过铝合金熔点5～30℃后打开风机，使熔化金属在风机吸力作用下形成连续、稳定的液流，并将送料装置的下降速度调节至0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：马腾，高正江，高鑫，张飞，李建群，刘敬轩，
申请(专利权)人：中航迈特粉冶科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13