[发明专利]一种用于制备3D打印合金粉末的丝材及制粉方法

说明书

本发明所述的用于制备3D打印合金粉末的丝材，包括丝材本体，丝材本体包括容纳腔、以及位于容纳腔内可等离子雾化合金化形成3D打印用合金粉末的金属单质体。本发明的丝材设有容纳腔，由于容纳腔中的金属单质体可按需加入，易于成分调整，且避开熔炼和轧制和拉拔工序，降低了生产成本，适合于小批量、合金成分设计的科研。本发明所述的3D打印合金粉末的制备方法，包括将丝材送入汇聚等离子射流中心，丝材在等离子射流中熔化并合金化，随后被等离子射流雾化，雾化小液滴在飞出等离子射流后发生冷却凝固，形成3D打印合金粉末。本发明制备合金粉末的方法与PREP和EIGA工艺比较，合金粉末粒径小，有利于提高细粒径粉末的收得率，并且可以实现合金成分的低成本调控。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种粉芯丝材等离子雾化制备3D打印钛合金粉末的方法。

背景技术

目前，商用3D打印钛合金粉末制备方法主要包括等离子旋转电极雾化法(PREP)、电极感应气雾化法(EIGA)、机械合金化法(MA)、以及等离子雾化法(PA)。

PREP工艺将钛合金加工成棒料并利用等离子体加热熔化棒料端面，同时棒料进行高速旋转，熔化液滴在离心力作用下被甩出，随后在惰性气体环境中冷却并在表面张力作用下发生球化，最终形成球形粉末。由于粉末粒径即液滴尺寸的大小受限于棒料的转速，导致雾化粉末粒径较大，难以满足激光选区熔化工艺要求。

EIGA雾化工艺采用了无坩埚且无导流管设计，避免了钛合金液在熔炼和导流过程中陶瓷材料的污染问题，但细粒径粉末(小于53μm)收得率偏低，雾化粉末含卫星球和空心粉缺陷。

MA法是将元素粉末或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨料之间长时间的冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，并最终通过原子扩散实现合金化，但粉末形貌不规则，流动性差，且不可避免的含有磨球剥落杂质。

最近发展起来的丝材等离子雾化技术(PA)采用汇流等离子炬加热熔化丝材，同时熔融钛合金液在超音速等离子射流撞击条件下发生雾化破碎，随后破碎小液滴在飞出等离子射流后冷却凝固，形成球形粉末，粉末粒径适合选区激光熔化工艺的要求。但PA技术为加拿大APC和PyroGenesis公司所拥有(US5707419，CN108025364，CN 108025365)，对中国实施严格的技术封锁。

PA技术制备的钛合金粉末因具有优异的性能，受到科研院所和企业的广泛关注。成都优材科技有限公司专利(CN106378460B)将钛合金丝材送入汇聚等离子射流，提出将雾化液滴通过300～500℃氩气进行层流冷却，进而得到高球形度粉末。湖南久泰冶金科技有限公司专利(CN205414417U)同样将丝材送入汇聚等离子射流中心实现雾化，提出了一种避免超细粉末粘接雾化炉壁的装置。北京金物科技发展有限公司专利(CN108161019A)公开了一种感应加热与射频等离子熔炼及气体雾化相结合的技术，属于气体雾化方法，与EIGA类似。杭州卓工新材料科技有限公司专利(CN210387591U)公开了一种感应加热气体雾化钛合金粉末的装置，属于气体雾化方法，也与EIGA类似。

但是，受限于加拿大公司针对PA技术的垄断，国内3D打印钛合金粉末仍然采用PREP和EIGA工艺进行制备。到目前为止，未见可商业化的国产PA设备及PA钛合金粉末。

发明内容

本发明的首要目的在于解决现有技术中合金粉末制备不能很好的满足小批量生产、成分设计需求的问题，采用专利(CN110039061A)研发的超音速等离子炬以及汇聚等离子射流结构，将粉芯丝材送入等离子射流的汇聚中心，在高焓等离子射流加热条件下熔化并实现合金化，熔融合金液随后被超音速等离子射流雾化破碎的技术方案，避免了常规制备钛合金丝材过程中的熔炼以及轧制和多次拉拔工序，缩短了雾化钛合金粉末工艺流程，并且粉芯丝材易于调整材料成分，降低材料开发成本，提供一种用于制备3D打印钛合金粉末的丝材。

本发明的另一个目的在于，解决现有技术中低熔点金属单质在合金化过程中容易烧损的问题，提供一种防烧损的粉芯丝材。