本發明涉及一種金屬粉末的制備方法，尤其是涉及一種3d打印用hastelloyx合金粉末的制備方法，屬于增材制造領域。

背景技術：

3d打印是一種以數字模型文件為基礎，以粉末狀、絲狀金屬或高分子等為原料，利用激光或電子束等手段，通過逐層堆積的方式來構造物體的快速成型技術。該技術無需原坯和模具，不僅簡化了產品的設計、驗證程序，而且縮短了產品的研制周期，提高了生產效率，降低了產品成本。3d打印技術是世界范圍內高速發展的新高科技產業，應用領域極其廣泛，尤其在航空航天領域，具有廣闊的應用前景。金屬3d打印技術作為整個3d打印體系中最前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。按照加工熱源及粉末添置方式，主要分為以下三類：①激光選區熔化技術(selectivelasermelting,slm)是采用激光有選擇性地分層燒結金屬粉末，并使燒結成形的固化層累積疊加生成所需形狀的零件，slm最大的特點是采用高功率激光器對金屬粉末進行直接熔化成形，以達到比較致密的組織結構；②激光立體成形技術(lasersolidforming，lsf)是指在基底合金表面上預置或同步送給所選擇的金屬熔覆材料，然后經激光處理使之與基底表層同時熔化，并快速凝固成與基底材料呈冶金結合的表面層，從而顯著改變基底材料的耐磨、耐蝕、耐熱等特性的工藝方法；③電子束熔融技術(electronbeammelting,ebm)與slm非常相似，最基本的差別在于熱源不同。ebm采用電子束作為熱源，保持零件建造過程溫度在退火溫度，對零件微觀結構有明顯影響。

hastelloyx合金是主要用鉻、鉬固溶強化的鎳基高溫合金，具有優異的抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的冷、熱加工成型和焊接性能，長期使用溫度達到900℃，廣泛應用于航空航天、國防軍工、化工等行業。采用鑄造、鍛造等傳統工藝制造的hastelloyx合金零件，分別存在宏觀成分偏析和材料利用率低的缺點，而3d打印技術可直接制造出成分均勻、尺寸精度接近成品的高溫合金部件，提高了材料利用率并大大降低制造成本，引發了全球航空航天制造業的廣泛關注。

3d打印技術不僅要求高溫合金粉末純度高、氧含量低，還要求粉末球形度高、粒度分布均勻，以及良好的流動性。目前高溫合金粉末的主要是氣霧化法和等離子旋轉電極法等。氣霧化法的基本原理是用高速氣流將液態金屬流破碎成小液滴并快速凝固形成粉末；等離子旋轉電極法的主要原理是將采用等離子弧使合金棒料發生局部熔化，同時合金電極在惰性氣體中高速旋轉，在離心力作用下熔化的金屬形成合金粉末。兩者相比，霧化法制得粉末粒度較細，但是傳統霧化工藝易造成粉末夾雜含量高，衛星球、空心球粉末；等離子旋轉電極法制備的粉末，球形度高，純凈度高，但是粉末粒度較粗，不適用于3d打印技術，因此，采用新型霧化技術，綜合一系列粉末處理工藝，提供一種制備3d打印用高溫合金粉末的方法至關重要。

真空電極感應熔化氣霧化技術是在真空氣霧化技術的基礎上發展起來的一種新型工藝。它具有材料不易氧化、金屬粉末冷卻快速、自動化程度較高等優點。該技術的主要原理是將合金棒料作為自耗電極，在不使用熔煉坩堝的情況下進行感應熔化，通過將緩慢旋轉的金屬電極以一定的速度降低至一個環形感應線圈中進行感應熔化，電極液滴自由落入氣體霧化噴嘴系統，利用惰性氣進行霧化。該技術最大優點是避免了傳統的坩堝熔煉工藝摻入的非金屬雜質，大大提高了被熔煉金屬的純凈度，降低了金屬熔體的氧化程度，特別能夠滿足3d打印技術對于金屬粉末性能的要求，已成為高性能及特種合金粉末制備技術的主要發展方向。

目前國內外對3d打印技術的研究對集中在成形工藝方面，而在3d打印專用金屬粉末的特性分析、制備工藝的方面研究較少，尤其是在航空航天領域應用最為廣泛的hastelloyx合金粉末，基本靠國外進口，并且國內還沒有企業能夠規?；a3d打印用hastelloyx合金粉末，材料問題已經成為制約我國3d打印技術發展的問題之一。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末的制備方法。本發明將傳統氣霧化技術與中頻感應熔煉技術相結合，避免了傳統氣霧化技術的缺點，并通過一系列先進的粉末后處理技術，得到的粉末具有球形度高、粒度分布均勻、氧含量低、雜質含量極低、激光燒結成形穩定等性能特點，適用于航空航天領域需要。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒料加工：按照hastelloyx的成分，fe：17％～20％，cr：20.5％～23％，co：0.5％～2.5％，mo：8％～10％，w：0.2％～1％，c：0.05％～0.15％，si≤1％，mn≤1％，p≤0.04％，s≤0.03％，熔煉制取hastelloyx合金棒材，隨后對棒材進行加工，根據中頻感應線圈的尺寸決定hastelloyx合金棒料的加工直徑，制成直徑35～50mm，長度500～550mm，一端開v形槽口，另一端呈50°～80°錐角的棒料；

(2)熔煉霧化：通過夾持機構將加工后的棒料固定在進料機構下端，在進料機構的作用下，棒料同時進行軸向直線運動和旋轉運動，霧化前將hastelloyx合金棒料下降，并使其錐形部分伸入感應線圈里，保持棒料中心處于線圈中心位置，棒料外表面與感應線圈的距離保持在10～15mm；依次通過機械泵、羅茨泵，對熔化室和霧化塔進行抽真空處理，當真空度達到10^-2～10^-1pa時，向熔化室和霧化塔充入惰性氣體，待熔化室壓力達到10⁵pa左右；開啟中頻感應電源，對棒材進行加熱，加熱功率15～40kw，棒料熔化后在底部錐尖處匯成液滴或液流；以高純氬氣或氮氣作為霧化介質，通過緊耦合環縫噴嘴形成超音速氣流，霧化氣流壓力控制在2～4mpa，霧化時向熔化室充入高純氬氣，保持熔化室與霧化塔的壓力差范圍在0.01～0.02mpa，防止熔化室與霧化塔的壓差過大形成較多空心粉，在高速氣流的沖擊作用下，熔化的金屬液滴形成微小液滴，在霧化塔里冷卻凝固成固態粉末顆粒，在大功率旋風分離器的作用下，粉末降落在霧化冷卻塔錐形底部，被氣流帶入粉末收集裝置中；

(3)振動篩分：對霧化制得的hastelloyx合金粉末進行分級處理，通過送料裝置，以一定的速率將粉末均勻地從不同目數的篩網自上而下進行篩分，每層篩網固定超聲振動器，通過調節超聲波頻率，得到不同粒徑范圍的粉末，粉末在振動篩分過程中，均在高純氬氣保護下進行，防止粉末發生氧化；

(4)氣流分級：對于粒徑小于15μm的粉末，采用氣流旋分的方法進行分離，分級前對設備整體抽真空，工作時通入高純氬氣，通過調節氣流量來去除不同尺寸的微小顆粒；

(5)真空脫氣：將經過篩分、分級處理的hastelloyx合金粉末置于真空脫氣爐，真空度保持在10^-2～10^-1pa，爐內溫度為100～200℃，脫氣時間5～10h；

(6)配比、包裝：收集經過脫氣干燥處理的hastelloyx合金粉末，按照不同3d打印技術對于粉末材料粒徑分布的要求，進行質量配比，其中激光選區熔化成形技術：15～53μm；激光立體成形技術：45～150μm；電子束熔融技術：45～106μm，并在氬氣保護下進行包裝，最終制得適用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末。

常規的hastelloyx合金粉末霧化技術多采用陶瓷坩堝與中間漏包熔煉相結合的方式，制得的粉末中會摻雜一定量的非金屬雜質，該雜質主要來源于坩堝耐火材料和中間漏包，雜質會降低粉末的流動性，影響3d打印過程中鋪送粉末的流暢程度，同時對成形零件的微觀組織和力學性能也產生不利影響。本發明的制備方法將hastelloyx合金棒料作為自耗電極，直接進行感應熔化，極大地減少非金屬雜質的引入，避免了因雜質摻入對3d打印成形過程及最終零件性能造成的不利影響。

目前采用粉末處理工藝流程制備得到的用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末，只對粉末進行簡單篩分，得到粒徑范圍合適的粉末后直接用于3d打印設備。但是同樣粒徑范圍、不同粒度配比的粉末，其3d打印成形效果相差很大；當粉末粒徑小于15μm時，會出現較為嚴重的“團聚”現象，造成粉末流動性降低，不利于3d打印成形。

本發明創新性地運用超聲振動篩分與氣流分級相結合的方法，大大提高了粉末的處理效率，制備的hastelloyx合金粉末，其平均粒徑小于鋪粉堆積層厚度及輸送粉末的管徑，對不同粒度級別的粉末按質量進行精確配比，保證鋪粉后形成高致密度的粉末層，在3d打印成形過程中，不發生“飛濺”現象，成型零件變形小、精度高，機械性能可以滿足不同場合的使用要求。

與現有技術相比，本發明具有以下優點及有益效果：

1、本發明針對不同金屬3d打印技術特點，結合不同的粉末制備技術，制備的hastelloyx合金粉末純凈度高、雜質和氧含量低、顆粒球形度高、粒徑分布均勻、不同粒徑級別的粉末配比關系適當，具有良好的流動性和較高的松裝密度，滿足適合于激光或電子束3d打印成形技術對于粉末性能的特殊要求。

2、本發明制備的hastelloyx合金粉末，微細粉末的收得率高，其中粒徑≤45μm的粉末收得率高于40％，用于slm成形技術，粒徑≥45μm的粉末可用于lsf、ebm技術，通過氣流分級去除的粒徑≤15μm可用于傳統粉末注塑成形，大大降低了生產成本，具有制備過程污染小、真正實現了“綠色”制造。

附圖說明

圖1為hastelloyx合金棒料加工后結構示意圖；

圖2為真空電極感應熔化氣霧化裝置原理圖；

圖3為氣流分級裝置原理圖；

圖4為本發明制得hastelloyx合金粉末粒徑分布圖；

圖5為本發明制得hastelloyx合金粉末顆粒sem形貌圖一；

圖6為本發明制得hastelloyx合金粉末顆粒sem形貌圖二。

具體實施方式

一種用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒料加工：按照hastelloyx的成分，fe：17％～20％，cr：20.5％～23％，co：0.5％～2.5％，mo：8％～10％，w：0.2％～1％，c：0.05％～0.15％，si≤1％，mn≤1％，p≤0.04％，s≤0.03％，熔煉制取hastelloyx合金棒材，隨后對棒材進行加工，根據中頻感應線圈的尺寸決定hastelloyx合金棒料的加工直徑，制成直徑35～50mm，長度500～550mm，一端開v形槽口，另一端呈50°～80°錐角的棒料，hastelloyx合金棒料加工后結構如圖1所示；

(2)熔煉霧化：熔煉霧化制粉的設備，如圖2所示，包括上下設置的送料機構1、熔化室6與霧化塔4，連續送料器1用于將hastelloyx合金棒料垂直送入熔化室6內，在熔化室6內設置感應線圈2，在霧化塔4上方設置超音速霧化噴嘴3，霧化塔4還通過輸粉管道連接有粉末收集罐5。霧化制粉過程為：通過夾持機構將加工后的棒料固定在進料機構下端，在進料機構的作用下，棒料同時進行軸向直線運動和旋轉運動，霧化前將hastelloyx合金棒料下降，并使其錐形部分伸入感應線圈里，保持棒料中心處于線圈中心位置，棒料外表面與感應線圈的距離保持在10～15mm；依次通過機械泵、羅茨泵，對熔化室和霧化塔進行抽真空處理，當真空度達到10^-2～10^-1pa時，向熔化室和霧化塔充入惰性氣體，待熔化室壓力達到10⁵pa左右；開啟中頻感應電源，對棒材進行加熱，加熱功率15～40kw，棒料熔化后在底部錐尖處匯成液滴或液流；以高純氬氣或氮氣作為霧化介質，通過超音速霧化噴嘴(緊耦合環縫噴嘴)形成超音速氣流，霧化氣流壓力控制在2～4mpa，霧化時向熔化室充入高純氬氣，保持熔化室與霧化塔的壓力差范圍在0.01～0.02mpa，防止熔化室與霧化塔的壓差過大形成較多空心粉，在高速氣流的沖擊作用下，熔化的金屬液滴形成微小液滴，在霧化塔里冷卻凝固成固態粉末顆粒，在大功率旋風分離器的作用下，粉末降落在霧化冷卻塔錐形底部，被氣流帶入粉末收集罐中；

(3)振動篩分：對霧化制得的hastelloyx合金粉末進行分級處理，通過送料裝置，以一定的速率將粉末均勻地從不同目數的篩網自上而下進行篩分，每層篩網固定超聲振動器，通過調節超聲波頻率，得到不同粒徑范圍的粉末，粉末在振動篩分過程中，均在高純氬氣保護下進行，防止粉末發生氧化；

(4)氣流分級：對于粒徑小于15μm的粉末，采用氣流旋分的方法進行分離，分級前對設備整體抽真空，工作時通入高純氬氣，通過調節氣流量來去除不同尺寸的微小顆粒；氣流分級裝置如圖3所示，包括順序相連的進料裝置7、分級系統8、旋風收集器9、脈沖除塵器10及引風機11，在旋風收集器9、脈沖除塵器10下方設置有收料箱12。

(5)真空脫氣：將經過篩分、分級處理的hastelloyx合金粉末置于真空脫氣爐，真空度保持在10^-2～10^-1pa，爐內溫度為100～200℃，脫氣時間5～10h；

(6)配比、包裝：收集經過脫氣干燥處理的hastelloyx合金粉末，按照不同3d打印技術對于粉末材料粒徑分布的要求，進行質量配比，其中激光選區熔化成形技術：15～53μm；激光立體成形技術：45～150μm；電子束熔融技術：45～106μm，并在氬氣保護下進行包裝，最終制得適用于3d打印技術的hastelloyx合金粉末。

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

用于激光選區熔化技術(slm)的hastelloyx合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒料加工：對hastelloyx合金棒材進行加工，制成直徑35mm，長度500mm，一端開v形槽口，另一端呈50°錐角的棒料；

(2)熔煉霧化：通過夾持機構將加工后的棒料固定在進料機構下端，在進料機構的作用下，棒料同時進行軸向直線運動和旋轉運動，霧化前將hastelloyx合金棒料下降，并使其錐形部分伸入感應線圈內；依次通過機械泵、羅茨泵，對熔化室和霧化塔進行抽真空處理，當真空度達到10^-2～10^-1pa時，向熔化室和霧化塔充入惰性氣體，待熔化室壓力達到10⁵pa左右；開啟中頻感應電源，對棒材進行加熱，加熱功率40kw，棒料熔化后在底部錐尖處匯成液滴或液流；以高純氬氣或氮氣作為霧化介質，通過緊耦合環縫噴嘴形成超音速氣流，霧化氣流壓力控制在4mpa，在高速氣流的沖擊作用下，熔化的金屬液滴形成微小液滴，在霧化塔里冷卻凝固成固態粉末顆粒；

(3)振動篩分：對霧化制得的hastelloyx合金粉末進行分級處理，通過送料裝置，以一定的速率將粉末均勻地從不同目數的篩網自上而下進行篩分，每層篩網固定超聲振動器，通過調節超聲波頻率，得到粒徑≤45μm的粉末；

(4)氣流分級：采用氣流旋分的方法進行分離，通過調節氣流量來去除粒徑≤15μm的微小顆粒；

(5)真空脫氣：將經過篩分、分級處理的hastelloyx合金粉末置于真空脫氣爐，真空度保持在10^-2～10^-1pa，爐內溫度為130℃，脫氣時間6h；

(6)配比、包裝：收集經過脫氣干燥處理的hastelloyx合金粉末，在氬氣保護下進行包裝，最終制得適用于slm成形技術的hastelloyx合金粉末。

本實施例制備得到的hastelloyx合金粉末，粒徑分布如圖4所示，sem形貌如圖5、6所示，經檢測氧含量為0.02％，平均粒徑28.79μm，球形度大于0.9，松裝密度4.47g/cm³，粉末在eosm280設備上進行零件slm成型，鋪粉過程中粉末流動性好，加工過程無“球化”現象，成型零件變形小、組織均勻，最大抗拉強度達到850mpa以上，能夠滿足零件的使用要求。

實施例2

用于激光立體成形技術(lsf)的hastelloyx合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒料加工：對hastelloyx合金棒材進行加工，制成直徑40mm，長度550mm，一端開v形槽口，另一端呈60°錐角的棒料；

(2)熔煉霧化：通過夾持機構將加工后的棒料固定在進料機構下端，在進料機構的作用下，棒料同時進行軸向直線運動和旋轉運動，霧化前將hastelloyx合金棒料下降，并使其錐形部分伸入感應線圈內；依次通過機械泵、羅茨泵，對熔化室和霧化塔進行抽真空處理，當真空度達到10^-2～10^-1pa時，向熔化室和霧化塔充入惰性氣體，待熔化室壓力達到10⁵pa左右；開啟中頻感應電源，對棒材進行加熱，加熱功率20kw，棒料熔化后在底部錐尖處匯成液滴或液流；以高純氬氣或氮氣作為霧化介質，通過緊耦合環縫噴嘴形成超音速氣流，霧化氣流壓力控制在3mpa，在高速氣流的沖擊作用下，熔化的金屬液滴形成微小液滴，在霧化塔里冷卻凝固成固態粉末顆粒；

(3)振動篩分：對霧化制得的hastelloyx合金粉末進行分級處理，通過送料裝置，以一定的速率將粉末均勻地從不同目數的篩網自上而下進行篩分，每層篩網固定超聲振動器，通過調節超聲波頻率，得到粒徑45～150μm的粉末；

(4)氣流分級：采用氣流旋分的方法進行分離，通過調節氣流量來去除粉末中粒徑≤15μm的微小顆粒；

(5)真空脫氣：將經過篩分、分級處理的hastelloyx合金粉末置于真空脫氣爐，真空度保持在10^-2～10^-1pa，爐內溫度為140℃，脫氣時間8h；

(6)配比、包裝：收集經過脫氣干燥處理的hastelloyx合金粉末，在氬氣保護下進行包裝，最終制得適用于lsf成形技術的hastelloyx合金粉末。

本實施例制備得到的hastelloyx合金粉末，經檢測氧含量為0.03％，平均粒徑98.79μm，球形度大于0.9，松裝密度4.83g/cm³，粉末在blt-c600設備上進行lsf成型，粉末流動性好，送粉流暢，激光燒結過程中飛濺小，零件變形在±0.5mm，最大抗拉強度達到1050mpa以上，延伸率大于40％，滿足承力場合的使用要求。

實施例3

用于電子束熔融技術(ebm)的hastelloyx合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒料加工：對hastelloyx合金棒材進行加工，制成直徑50mm，長度550mm，一端開v形槽口，另一端呈70°錐角的棒料；

(2)熔煉霧化：通過夾持機構將加工后的棒料固定在進料機構下端，在進料機構的作用下，棒料同時進行軸向直線運動和旋轉運動，霧化前將hastelloyx合金棒料下降，并使其錐形部分伸入感應線圈里；依次通過機械泵、羅茨泵，對熔化室和霧化塔進行抽真空處理，當真空度達到10^-2～10^-1pa時，向熔化室和霧化塔充入惰性氣體，待熔化室壓力達到10⁵pa左右；開啟中頻感應電源，對棒材進行加熱，加熱功率30kw，棒料熔化后在底部錐尖處匯成液滴或液流；以高純氬氣或氮氣作為霧化介質，通過緊耦合環縫噴嘴形成超音速氣流，霧化氣流壓力控制在3.5mpa，在高速氣流的沖擊作用下，熔化的金屬液滴形成微小液滴，在霧化塔里冷卻凝固成固態粉末顆粒；

(3)振動篩分：對霧化制得的hastelloyx合金粉末進行分級處理，通過送料裝置，以一定的速率將粉末均勻地從不同目數的篩網自上而下進行篩分，每層篩網固定超聲振動器，通過調節超聲波頻率，得到粒徑45～106μm的粉末；

(4)氣流分級：采用氣流旋分的方法進行分離，通過調節氣流量來去除粉末中粒徑≤15μm的微小顆粒；

(5)真空脫氣：將經過篩分、分級處理的hastelloyx合金粉末置于真空脫氣爐，真空度保持在10^-2～10^-1pa，爐內溫度為150℃，脫氣時間7h；

(6)配比、包裝：收集經過脫氣干燥處理的hastelloyx合金粉末，在氬氣保護下進行包裝，最終制得適用于lsf成形技術的hastelloyx合金粉末。

本實施例制備得到的hastelloyx合金粉末，經檢測氧含量為0.02％，平均粒徑68.79μm，球形度大于0.9，松裝密度4.65g/cm³，粉末在arcamq10設備上進行ebm成型，鋪粉均勻流暢，成型件組織應力低，組織致密，無氣孔、疏松等缺陷，最大抗拉強度達到950mpa以上，延伸率大于35％，滿足承力場合的使用要求。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。