一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将气雾化预合金粉体和稀土氧化物粉体混合后进行高能球磨，得到氧化物弥散强化钢粉体；(2)将得到的所述氧化物弥散强化钢粉体和气流磨介质混合后加入流化床中并排出所述流化床内的空气，得到载料流化床。(3)将得到的所述载料流化床进行加热并通入混合气，待所述载料流化床中粉体的流化状态稳定后，控制所述混合气的流量，达到预设反应时间后，冷却，从所述载料流化床中得到所述钢球形粉体。具有制备过程简单、生产成本低，效率高、杂质引入量少，工程放大易实现等优点，球形度＞75d1/da，粒度为10

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法


[0001]本专利技术涉及3D打印领域，具体涉及一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法。

技术介绍

[0002]氧化物弥散强化钢具有高温蠕变性能好、抗辐照损伤性能优异以及极端环境下组织稳定性高等优点，被认为是第四代核反应堆关键部件的理想候选材料。其优异的力学性能和组织稳定性主要源自于基体内部弥散分布的纳米氧化物颗粒，通过钉扎位错和晶界的方式对金属基体进行强化作用，并且通过对辐照空洞和氦泡等缺陷的高效捕获抑制辐照损伤。氧化物弥散强化钢传统制备路线是采用高能机械球磨将预合金雾化粉和纳米氧化钇进行机械合金化，然后采用热等静压或热挤压对机械合金化粉体进行成形，然后通过熔融焊接和机加工得到氧化物弥散强化钢制品。然而，氧化物弥散强化钢在焊接过程中纳米氧化物颗粒容易团聚长大或烧损成渣，导致氧化物弥散强化钢制品焊接区域性能严重衰退，无法在运行环境以为苛刻的核反应堆中安全服役。
[0003]金属3D打印是一种通过材料逐层累积制造零部件的近净成形新技术，具有节约成本、高自由度设计、高精度成形等优点，已广泛用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的科学研究和生产中，其打印部件在航空航天、生物医疗、国防技术等领域逐步得到验证性应用。如CN105364065A公开了一种用于3D打印的金属粉料及其制备方法，以及3D打印方法，用于3D打印的金属粉料的制备方法包括以下步骤：以粒径在20-60微米范围内的铁基合金粉末作为基体，以粒径均在50纳米-2微米范围内的氧化铁粉末和碳粉作为添加物，混合均匀，获得金属粉料；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4:1-8.8:1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1:100-1:400的范围内。制得上述金属粉料后，采用微喷射粘结的3D打印方法将所述金属粉料打印成三维坯体；将所述三维坯体进行脱脂烧结，烧结温度不低于900℃，获得3D打印制品。本专利技术的金属粉料，用于3D打印方法中制得的打印制品的致密度较高。
[0004]CN110499463A公开了一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，该方法以微波作为能量，使用超级铁精矿作为原料，煤粉作为还原剂，生产出高纯度海绵铁，再进行熔炼喷吹生产316L不锈钢3D打印粉末的制备方法。该方法针对现有技术存在废钢原料纯度低、杂质成分复杂等问题，提供了一种基于微波还原铁矿石技术的316L不锈钢气雾化3D打印金属粉末的制备方法，通过微波加热铁矿石，煤粉还原冶炼出高纯度海绵铁替代废钢用于制备3D打印金属粉末的真空气雾化工艺，实现了高质量3D打印金属粉末的制造。
[0005]此外，金属3D打印技术具有熔体冷却速度快和熔池组织形成时间短等特点，有望实现氧化物弥散强化钢复杂零部件和核反应堆复杂结构件精准成形的同时，保留纳米氧化物颗粒的理想结构尺寸和分布状态，维持氧化物弥散强化钢在组织和性能方面的优势。然而，当前3D打印氧化物弥散强化钢技术发展缓慢，主要原因是缺乏可用于3D打印的高质量
氧化物弥散强化钢粉体原料，如前文所述，传统方法通过高能机械球磨得到的机械合金化氧化物弥散强化粉体，该过程的目的是在粉体中纳米氧化物团簇，这也是后期得到纳米氧化物弥散颗粒的核心和关键。然而，高能球磨将诱发氧化物弥散强化钢粉体严重变形，球磨后的粉体普遍呈扁片状或不规则形状，显著降低了粉体的球形度和流动性，造成3D打印制品内出现大量孔隙、裂纹等缺陷，甚至出现无法成形的现象。
[0006]目前，国内外研究团队主要通过改变球磨参数来降低机械合金化对粉体球形度和流动性的破坏程度，然而机械球磨时间减少或者球磨能量输入降低将严重影响氧化物纳米团簇的引入，造成3D打印氧化物弥散强化钢制品性能远低于传统粉末冶金氧化物弥散强化钢。对此，国内尝试采用等离子体球化技术对已经机械合金化的氧化物弥散强化钢粉体进行处理。其原理是通过等离子体将粉体熔化，依靠自身球化效应或对粉体形貌的修饰提高球形度和流动性，然而，该方法存在两个问题：(1)粉体中纳米团簇在熔融后形成氧化物颗粒，球化后粉体在3D打印过程中发生二次熔化和凝固，导致已经形成的纳米氧化物颗粒在熔体中快速长大或烧损成渣；(2)该技术存在成本高、规模化生产难等问题，这限制了其在3D打印用氧化物弥散强化钢粉体原料生产中的应用。
[0007]即目前仍然缺乏一种能够对机械合金化氧化物弥散强化钢粉体的球化处理方法，实现高质量3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的低成本制备。

技术实现思路

[0008]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法，解决了高质量3D打印用氧化物弥散强化钢粉体缺乏难题，突破了3D打印氧化物弥散强化钢技术发展瓶颈，所得粉体的球形度＞75d1/da，粒度为10-100μm，流动性数值＜20s/50g，氧含量＜3500ppm。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]本专利技术提供了一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0011](1)将气雾化预合金粉体和稀土氧化物粉体混合后进行高能球磨，得到氧化物弥散强化钢粉体；
[0012](2)将步骤(1)得到的所述氧化物弥散强化钢粉体和气流磨介质混合后加入流化床中并排出所述流化床内的空气，得到载料流化床；
[0013](3)将步骤(2)得到的所述载料流化床进行加热，待所述载料流化床中粉体的流化状态稳定后通入混合气，控制所述混合气的流量，达到预设反应时间后，冷却，从所述载料流化床中得到所述钢球形粉体。
[0014]通过利用高能球磨和流化床制备了高质量3D打印用氧化物弥散强化钢球粉体，具有制备过程简单、生产成本低，效率高、杂质引入量少，工程放大易实现等优点。利用高能球磨和流化床间的协同效果实现了高质量3D打印用氧化物弥散强化钢粉体的制备，球形度＞75d1/da，粒度为10-100μm，流动性数值＜20s/50g，氧含量＜3500ppm。
[0015]本专利技术中，冷却过程中先通入混合气冷却10-30min后通入氢气进行冷却，混合气为氩气、氮气、氖气或氦气等和氢气的混合气。混合气中氮气或惰性气体的流量为0.4-2m/min，氢气的流量为0.1-1m/min。冷却10-30min后氢气的流量为0.1-1.5m/min。
[0016]本专利技术中所述高能球磨为现有技术的常规手段。
[0017]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述气雾化预合金粉体包括基体Fe和合金元素。
[0018]优选地，所述合金元素包括Cr、Ni、Mo、W、Ti、Zr或Hf中的1种或至少2种的组合。
[0019]优选地，步骤(1)所述气雾化预合金粉体中基体Fe以质量百分含量计为40-95.5％，余量为合金元素，例如可以是40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或95.5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用氧化物弥散强化钢球形粉体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将气雾化预合金粉体和稀土氧化物粉体混合后进行高能球磨，得到氧化物弥散强化钢粉体；(2)将步骤(1)得到的所述氧化物弥散强化钢粉体和气流磨介质混合后加入流化床中并排出所述流化床内的空气，得到载料流化床；(3)将步骤(2)得到的所述载料流化床进行加热，待所述载料流化床中粉体的流化状态稳定后通入混合气，控制所述混合气的流量，达到预设反应时间后，冷却，从所述载料流化床中得到所述钢球形粉体。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述气雾化预合金粉体包括基体Fe和合金元素；优选地，所述合金元素包括Cr、Ni、Mo、W、Ti、Zr或Hf中的1种或至少2种的组合；优选地，步骤(1)所述气雾化预合金粉体中基体Fe以质量百分含量计为40-95.5％，余量为合金元素；优选地，步骤(1)所述气雾化预合金粉体的纯度＞98％；优选地，步骤(1)所述气雾化预合金粉体的形状为球形；优选地，步骤(1)所述气雾化预合金粉体的粒度＜150μm。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述稀土氧化物粉体包括氧化钇粉体；优选地，步骤(1)所述稀土氧化物粉体的粒度＜500nm；优选地，步骤(1)所述稀土氧化物粉体的纯度＞97％。4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合中氧化物弥散强化钢粉体和气流磨介质的质量比＞3:1；优选地，步骤(2)所述气流磨介质为硬度高于氧化物弥散强化钢粉体的球形陶瓷粉体；优选地，所述球形陶瓷粉体为氧化锆、氧化铝或碳化钨中的1种或至少2种的组合；优选地，所述球形陶瓷粉体的粒度为100-300μm；优选地，所述球形陶瓷粉体的纯度＞99.9％；优选地，所述球形陶瓷粉体的纯度＞99.99％；优选地，步骤(2)所述流化床的材质包括高纯石英或者不锈钢；优选地，所述高纯石英的纯度≥99.5％；优选地，步骤(2)所述排出所述流化床内的空气采用通入保护气的形式排出空气；优选地，所述保护气包括氮气和/或惰性气体；优选地，所述保护气的纯度＞99.99％。5.如权利要求1-4任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：李少夫，杨亚锋，崔景毅，胡超权，王宇枭，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：