一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺制造技术

一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬制备母合金电极棒；将母合金电极棒转输进至感应加热室，母合金电极切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金电极棒为金属熔液，金属熔液流从感应加热室流入雾化室，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作，使得金属熔液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴，冷却即可。本发明专利技术提出制粉过程中气体介质的温度对粉末流动性及收得率有较为显著的影响，通过多工艺耦合优化设计，得到球形度好、流动性好、含氧量低，可作为航空航天、国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域高硬度复杂精密结构件增材制造与修复用的粉末材料。

A technology of aerosol preparation of iron powder for additive Manufacture and repair

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺
本专利技术属于金属增材制造与修复技术原材料制备领域，具体涉及一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺。
技术介绍
相对于传统机械加工的“减材制造”，增材制造与修复是基于原材料离散-堆积原理自下而上的加法制造过程。金属增材制造与修复技术是利用专用的金属粉末材料按照熔融、喷射等方式逐层堆积制造与修复的，可以用于单件小批量复杂构件，如涡轮发动机工作叶片、飞机起落架、飞机发动机以及工业用燃气轮机等的加工制造与修复，在航空航天、国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域复杂曲面构件的增材与修复中具有重要的应用价值。增材制造与修复用的原材料粉末的质量直接关系到增材制造过程的成形性及最终成型件的质量，不同于传统的粉末冶金的原材料，增材制造与修复工艺对金属粉末的收得率、流动性及纯度等有较高的要求，同时，还要兼顾金属粉末制备工艺的效率和成本，避免金属粉末材料的成本偏析等问题。目前广泛使用的制粉方法主要有：真空感应气雾化法、等离子旋转电极雾化制粉和电极感应气雾化法。真空感应气雾化法制粉法在熔炼及雾化的过程中液态金属与坩埚内壁及陶瓷漏嘴接触，易污染金属熔体，难以满足杂质含量要求较高粉末的制备。等离子旋转电极雾化法制备的粉末平均粒径相对较大，且生产成本较高。电极感应气雾化法(electrodeinductionmeltinggasatomization，EIGA)制粉技术是目前比较先进的一种制粉技术，制粉过程中熔化的金属液不与坩埚、导液管接触，瞬时熔炼雾化，有效避免杂质元素的混入，粉末杂质可控，纯度较高。但该制备方法是一个多因素耦合的复杂过程，受雾化压力、熔炼温度等多个工艺参数以及材料本身的物理化学性质等多因素互相作用的影响，需要对铁粉制备过程的多因素耦合优化设计，探明各因素对粉末性能的影响机制，才能制备出适于增材制造与修复的高质量高硬度铁粉。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，该工艺可以制得粒径分布在53-180μm区间的粉末占比高达68.24％、含氧量低于0.008％的高球形度、流动性(14.1s/50g)较好的高硬度铁粉，且工艺成本低，满足高质量增材制造与修复的需求。为达到本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，包括以下步骤：1)按质量百分比，C:0.12～0.2％，Ni:1.5～2.8％，Si:0.5～1％，Cr:16～17％，B:0.4～1％，V:0.1～0.3％，P:≤0.03％，S:≤0.03％，以及余量为Fe；将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬制备母合金电极棒；2)将母合金电极棒转输进至感应加热室，调整熔炼功率，母合金电极切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金电极棒为金属熔液；3)在感应加热室与雾化室之间的压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入雾化室，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作，使得金属熔液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；4)液滴在雾化室中冷却，凝固成球形粉末，筛分后得到增材制造与修复用铁粉。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬采用真空感应冶炼与真空自耗重熔技术制备母合金电极棒。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，熔炼功率为15～25kW。本专利技术进一步的改进在于，进行步骤3)前，对雾化室进行抽真空，然后充入氩气，调节感应加热室和雾化室分别为正压和负压。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，当液流自由落至雾化室的高压氩气喷口处时，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)中，感应加热室与雾化室之间的压强差为33.5～36.5kPa。本专利技术进一步的改进在于，，步骤4)中，氩气温度在20～80℃范围内，雾化压力在1.0～2.0MPa范围内。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)中，增材制造与修复用铁粉的粒度为53-180μm。与现有EIGA制粉技术相比，本专利技术的有益效果在于，本专利技术工艺制备的高硬度铁粉在增材制造与修复技术所要求的粒度范围(53-180μm)内的粉末收得率明显提高，显著降低了粉末耗材成本。此外，本专利技术提出制粉过程中气体介质的温度对粉末流动性及收得率有较为显著的影响，通过多工艺耦合优化设计，得到球形度好、流动性好、含氧量低，可作为航空航天、国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域高硬度复杂精密结构件增材制造与修复用的粉末材料。进一步的，所述感应线圈的熔炼功率范围是15～25kW，通过熔炼功率的调控，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.70范围内波动，其中熔炼功率为20kW时标准差最小，粉末分布最集中；通过熔炼功率的调节，能够控制粉末收得率在56.04％～60.59％区间内波动，随着熔炼功率的增大，合金液滴不容易成球，容易形成不规则的废渣，粉末收得率有所降低，进一步的，氩气温度范围是20～80℃，通过雾化气体温度的调控，能够控制粉末分布标准差在1.66～1.70范围内波动，其中雾化气体温度是40℃时粉末分布最分散；通过述雾化气体温度的调节，能够控制粉末收得率在54.88％～61.23％区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，收得率达到61.23％；通过雾化气体温度的调节，能够控制粉末流动性在12.83～13.48s/50g区间内波动，其中雾化气体温度是40℃时，粉末流动性达到13.48s/50g。进一步的，雾化压力范围是1.0～2.0MPa，通过雾化压力的调控，能够控制粉末中值粒径在87.6～100.03μm区间范围内波动，雾化压力越大，中值粒径越小；通过雾化压力的调节，能够控制粉末分布标准差在1.65～1.73范围内波动，其中雾化压力为1.5MPa时粉末分布最为分散；通过雾化压力的调节，能够控制粉末收得率在51.88％～64.53％区间内波动，其中雾化压力为1.5MPa时粉末收得率可达64.53％；通过雾化压力的调节，能够控制粉末流动性在12.84～13.59s/50g区间内波动，随着雾化压力的增大，粉末流动性有所改善。本专利技术中中采用雾化气体温度、熔炼功率及雾化压力的耦合优化工艺对粉末的收得率、粒度分布及卫星粉的抑制都有较为显著的改善效果。附图说明图1为熔炼功率对粉末性能的影响。图2为雾化气体温度对粉末性能影响。图3为雾化压力对粉末性能的影响。图4为实施例2、实施例4、实施例8制备得到的高硬度马氏体粉末的表面形貌。其中，(a)为实施例4，(b)为实施例8，(c)为实施例2，(d)为实施例8。图5为实施例1-9正交试验各参数下的粒径分布图。其中，(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为实施例3，(d)为实施例4，(e)为实施例5，(f)为实施例6，(g)为实施例7，(h)为实施例8，(i)为实施例9。具体实施方式根据本专利技术的精神，结合具体实施例将本专利技术做进一步的详细说明。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：/n1)按质量百分比，C:0.12～0.2％，Ni:1.5～2.8％，Si:0.5～1％，Cr:16～17％，B:0.4～1％，V:0.1～0.3％，P:≤0.03％，S:≤0.03％，以及余量为Fe；将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬制备母合金电极棒；/n2)将母合金电极棒转输进至感应加热室，调整熔炼功率，母合金电极切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金电极棒为金属熔液；/n3)在感应加热室与雾化室之间的压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入雾化室，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作，使得金属熔液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；/n4)液滴在雾化室中冷却，凝固成球形粉末，筛分后得到增材制造与修复用铁粉。/n

【技术特征摘要】
1.一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)按质量百分比，C:0.12～0.2％，Ni:1.5～2.8％，Si:0.5～1％，Cr:16～17％，B:0.4～1％，V:0.1～0.3％，P:≤0.03％，S:≤0.03％，以及余量为Fe；将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬制备母合金电极棒；
2)将母合金电极棒转输进至感应加热室，调整熔炼功率，母合金电极切割感应线圈内的磁感线产生热，熔化母合金电极棒为金属熔液；
3)在感应加热室与雾化室之间的压强差的作用下，金属熔液流从感应加热室流入雾化室，通过高压氩气喷口通入氩气进行雾化操作，使得金属熔液流在超音速氩气气流的撞击下破碎成液滴；
4)液滴在雾化室中冷却，凝固成球形粉末，筛分后得到增材制造与修复用铁粉。


2.根据权利要求1所述的一种增材制造与修复用铁粉的气雾化制备工艺，其特征在于，步骤1)中，将镍硼合金、钒铁合金、铁、镍、石墨碳颗粒和铬采用真空感应冶炼与真空自耗重熔技术制备母合金电极棒。


3.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建勋，刘艳，邱长军，张林杰，朱红梅，尤奇燊，陈勇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61