本發明屬于金屬及合金粉末制備技術領域，特別涉及一種增材制造用Waspalloy球形粉末的制備方法。

背景技術：

Waspalloy合金是一種以Cr、Co、Mo為主要強化元素的沉淀強化型高溫合金，在650 ℃以下，Waspalloy合金具有耐持久、抗疲勞、抗氧化和抗氯離子應力腐蝕裂紋等性能，該合金主要應用于燃氣渦輪發動機、核動力設備、宇航發動機和核反應堆等結構部件。

近年來，隨著激光鋪粉（SLM）、激光送粉（DED）、電子束鋪粉（EBM）等金屬增材制造技術的不斷發展，Waspalloy從傳統的鍛造高溫合金逐漸被開發為新型的粉末高溫合金從而提高合金性能、擴展應用范圍，市場對金屬粉末的需求量逐年增加。采用增材制造技術制備Waspalloy合金部件，不僅易于獲得微觀組織均勻、晶粒細小、幾何形狀復雜的零部件，而且能夠顯著提高材料利用率，有效避免設計制造昂貴的大功率鍛壓設備和精密模具。

目前，球形粉末的生產方法主要有惰性氣體霧化法、射頻等離子體粉末球化處理法和等離子霧化法等。其中，氣體霧化法是將母合金熔化，再利用霧化噴嘴產生的高壓、高速惰性氣體流沖擊金屬溶液形成小液滴，而后經瞬時凝固得到合金粉末。氣體霧化工藝一方面具有生產效率高、粉末粒度范圍寬泛、球形度較好等易于實現規模化生產的優點，另一方面粉末成品中容易存在空心粉及衛星粉所占比例較高、粉末流動性差、純凈度有限等粉末質量缺陷，因此氣霧化法并不適于大規模生產合金化程度高的Waspalloy合金粉末。射頻等離子霧化法以不規則合金粉為原料，對非球形粉進行二次熔化并利用表面張力和高溫度梯度將熔滴冷凝為球形顆粒。該方法制備的粉末具有球形度高、表面光潔、雜質含量低等優點，但是該工藝存在生產效率低、兩次制粉周期長、設備運行及維護成本高等缺點。等離子霧化法利用超高溫等離子束實現母合金熔煉和霧化制粉同步完成，所得粉末-270目粉末收得率高，粉末純凈度高。但是該工藝以直徑低于5mm的Waspalloy金屬絲材為原料，致使原料的生產難度和采購成本顯著提高。

因此，為解決超純凈、高品質Waspalloy合金球形粉末的大規模、低成本生產問題，避免其他Waspalloy合金粉末制備工藝所出現的問題，本發明提出了一種采用等離子旋轉電極法制備Waspalloy合金球形粉末的方法。

技術實現要素：

為克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種采用等離子旋轉電極法制備Waspalloy合金球形粉末的方法，解決上述Waspalloy合金球形粉末制備技術存在的缺點，并提供一種流動性好、純凈度高、粒徑細小、球形度高的Waspalloy合金球形粉末的制備方法，用于滿足多種金屬增材制造技術的市場需求。

本發明以滿足標準AMS 5706化學成分要求的Waspalloy合金棒材為原料，通過送料系統將棒材送入預抽真空并充入高純惰性氣體保護的霧化室中；采用高溫等離子弧將高速旋轉的圓柱形合金棒料逐步熔化，熔融部分在離心力作用下被甩成金屬液滴，液滴在惰性氣體環境中冷卻固化為球形粉末，經容器底部進入收料罐。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種增材制造用Waspalloy球形粉末的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）按照標準AMS 5706合金所需成分進行配料得到熔鑄原料，進行一次真空感應熔煉，去除一次熔煉的表面氧化皮，進行二次真空自耗重熔，得到相對密度在85%以上的Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料；

2）將步驟1）Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料鍛造得到Waspalloy合金棒材，經過車床和精密數控車床進行機械加工后得到符合等離子旋轉電極法要求的Waspalloy 合金電極棒；

3）將Waspalloy 合金電極棒置于霧化設備內，對整套制粉設備預抽真空處理，充入惰性保護氣體；

4）開啟霧化設備，利用等離子火炬加熱Waspalloy合金電極棒端面，使其熔化，在霧化室內進行離心霧化制粉；

5）通過粉末收集裝置得到超純凈Waspalloy合金球形粉末，粉末粒度在15-200μm之間，待粉末完全冷卻后按要求篩分并真空松散包裝。

所述熔鑄原料包括以下組分：按重量百分比為，18-21%的Cr，12-15%的Co，3.5-5.0%的Mo，1.2-1.6%的Al，2.75--3.25%的Ti；痕量元素C≤0.1%，Fe≤2%，Mn≤0.1%，S≤0.015%，P≤0.015%，Si≤0.15%，Cu≤0.1%，0.003-0.010%的B，0.020-0.080%的Zr，其余為Ni。

步驟1）所述的真空感應熔煉和真空自耗重熔的真空度不低于1×10-1 Pa。

所述的Waspalloy合金棒材致密度大于99%，無明顯疏松、縮孔等鑄造缺陷，直徑為10-90mm，長度為100-900mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μm。

所述預抽真空處理步驟包括：采用泵體進行抽真空，待設備真空度達到1×10^-3Pa-10×10^-3Pa時，充入氬氣和氦氣組成的混合惰性保護氣體，設備內的壓力為0.1×10⁵-3×10⁵ Pa，氣氛氧含量的質量百分數小于0.01%。

所述步驟4）中的霧化室內壁光滑，表面粗糙度小于1.6μm。

所述Waspalloy 合金電極棒轉速為10000-30000轉/分，Waspalloy 合金電極棒進給量為1-10毫米/秒，等離子槍功率100-400 kW之間。

所述步驟5）的Waspalloy合金球形粉末收集過程在惰性氣氛下進行，待Waspalloy合金球形粉末完全冷卻后密封并接入靜電去夾雜設備。

所述步驟5）的金屬球形粉末的篩分和真空松散包裝在惰性氣體保護下進行，惰性氣體為氬氣和氦氣組成的混合氣體。

本發明的有益效果在于：

1) 采用非轉移式等離子弧熔化技術，實現Waspalloy 合金快速、純凈熔化，未使用熔化坩堝，有效降低了雜質元素的引入。采用電極棒逐步進給量控制技術，能夠保證不同批次的粉末質量穩定性和一致性，易于大規模重復性生產。

2) 采用超高速離心霧化技術，顯著提高Waspalloy合金粉末的生產效率和-270目粉末收得率，具有球形度高、雜質含量低、流動性好等優點，并有效減少衛星粉和空心粉的形成，提高粉末成品率，特別適合作為金屬增材制造和熱等靜壓工藝的原料。

3) 采用氬氣和氦氣的混合惰性保護氣體，能夠有效降低金屬粉末氧含量，提高金屬粉末凝固速率，減少金屬粉末化學成分的顯微偏析，保證金屬球形粉末化學成分均勻性。

附圖說明

圖1是本發明等離子旋轉電極霧化法制粉的設備示意圖。

其中，1是惰性保護氣體霧化室； 2是電極棒安裝室；3是靜電分離和粉末收集的集成裝置；4是等離子旋轉陰電極；5是電極棒進給系統。

圖2是本發明制備的Waspalloy合金球形粉末低倍SEM微觀形貌圖。

圖3為本發明制備的Waspalloy合金球形粉末高倍SEM微觀形貌圖。

圖4為本發明制備的Waspalloy合金球形粉末高倍金相微觀組織圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。

實施例1：一種增材制造用Waspalloy球形粉末的制備方法，包括以下步驟：

采用主要元素的質量百分數為： Cr-18.3%、Co-12.5%、Mo-3.8%、Al-1.2%、Ti-2.8%， Fe-0.5%，Mn-0.03%，S-0.007%，P-0.006%，Si-0.08%，Cu-0.03%，B-0.004%，Zr-0.03%，C-0.003%， Ni-余量平衡，將原料置于真空度為0.1 Pa的真空感應爐中進行一次熔煉；去除一次熔煉的表面氧化皮，進行二次真空自耗重熔，真空度為0.05 Pa得到相對密度為95%的Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料；

通過等溫自由鍛得到致密度為99.6%的Waspalloy合金棒材，并經車床和精密數控車床的機械加工成直徑為75mm，長度為 850mm的Waspalloy合金電極棒；

將Waspalloy 合金電極棒置于電極棒安裝室2內，并對惰性保護氣體霧化室1內抽真空，待設備真空度達到1×10^-3 Pa時充入氬、氦混合惰性氣體，設備內惰性氣體壓力為0.3×10⁵ Pa；

開啟霧化設備制備球形粉末，利用等離子旋轉陰電極4和電極棒5產生的等離子火炬加熱Waspalloy合金電極棒端面，使其熔化，在惰性保護氣體霧化室1內進行離心霧化制粉，電極棒轉速為15000轉/分，電極棒進給量為 1mm/s；

所得超純凈Waspalloy合金球形粉末通過靜電分離部件除去非金屬夾雜后進入粉末收集罐3，待粉末完全冷卻后按要求篩分并真空松散包裝。

經測試分析可知，Waspalloy合金球形粉末平均粒徑為95μm，其中D10是68微米，D50是95微米，D90是124微米.粉末氧含量為500 ppm，夾雜物含量少于10顆/kg，Waspalloy合金粉末球形度好，表面光潔度高，基本消除衛星粉和空心粉現象，圖2所示為所得粉末的二次電子像。

實施例2：Waspalloy合金球形粉末的制備

采用主要元素的質量配比為：Cr-19.8%，Co-13.5%，Mo-4.4%，Al-1.4%，Ti-2.98%，Fe-1.3%，Mn-0.6%，S-0.011%，P-0.0010%，Si-0.12%，Cu-0.07%，B-0.007%，Zr-0.05%，C-0.006%，Ni-余量平衡，將原料置于真空度為0.05 Pa的真空感應爐中進行一次熔煉；去除一次熔煉的表面氧化皮，進行二次真空自耗重熔，真空度為0.01Pa得到相對密度為91%的Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料；

將Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料，通過等溫自由鍛得到致密度為99.5%的Waspalloy合金棒材，并加工成直徑為85mm，長度為500mm的Waspalloy合金電極棒；

將合金電極置于電極棒安裝室2內，并對惰性保護氣體霧化室1內抽真空，待設備真空度達到3×10^-3Pa時充入氬、氦混合惰性氣體，設備內惰性氣體壓力為1.8×10⁵ Pa；

開啟霧化設備制備球形粉末，利用等離子旋轉陰電極4和電極棒5產生的等離子火炬加熱Waspalloy合金電極棒端面，使其端面熔化，在惰性保護氣體霧化室1內進行離心霧化制粉，Waspalloy合金電極棒轉速為22000轉/分，電極棒進給量為 3mm/s；

所得超純凈Waspalloy合金球形粉末通過靜電分離部件除去非金屬夾雜后進入粉末收集罐3，待超純凈Waspalloy合金球形粉末完全冷卻后按要求篩分并真空松散包裝。

經測試分析可知，Waspalloy合金球形粉末平均粒徑為59μm，其中D10是34微米，D50是59微米，D90是78微米。粉末氧含量為600 ppm，夾雜物含量少于10 顆/kg，Waspalloy合金粉末球形度好，表面光潔度高，基本消除衛星粉和空心粉現象，圖3所示。

實施例3

采用主要元素的質量配比為：Cr-20.7%，Co-14.9%，Mo-4.7%，Al-1.6%，Ti-3.16%，Fe-1.8%，Mn-0.9%，S-0.015%，P-0.0013%，Si-0.14%，Cu-0.10%，B-0.009%，Zr-0.08%，C-0.009%，Ni-余量平衡，將原料置于真空度為0.05 Pa的真空感應爐中進行一次熔煉；去除一次熔煉的表面氧化皮，進行二次真空自耗重熔，真空度為0.01Pa得到相對密度為91%的Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料；

將Waspalloy母合金二次熔煉錠狀坯料，通過等溫自由鍛得到致密度為99.5%的Waspalloy合金棒材，并加工成直徑為10mm，長度為100mm的Waspalloy合金電極棒；

將合金電極置于電極棒安裝室2內，并對惰性保護氣體霧化室1內抽真空，待設備真空度達到9×10^-3Pa時充入氬、氦混合惰性氣體，設備內惰性氣體壓力為2.6×10⁵ Pa；

開啟霧化設備制備球形粉末，利用等離子旋轉陰電極4和電極棒5產生的等離子火炬加熱Waspalloy合金電極棒端面，使其端面熔化，在惰性保護氣體霧化室1內進行離心霧化制粉，Waspalloy合金電極棒轉速為30000轉/分，電極棒進給量為 3mm/s；

所得超純凈Waspalloy合金球形粉末通過靜電分離部件除去非金屬夾雜后進入粉末收集罐3，待超純凈Waspalloy合金球形粉末完全冷卻后按要求篩分并真空松散包裝。