[发明专利]一种增材制造用镍基高温合金粉末的制备方法及装置

说明书

本发明提供了一种增材制造用镍基高温合金粉末的制备方法及装置，第一步：将合金锭作为电极在环形感应线圈中无接触进行电极熔化，电极熔滴落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气体进行雾化；第二步：微细合金液滴在未凝固或半凝固的液滴进入旋转的水平圆盘，液滴快速凝固成金属粉末；第三步：金属粉末自由落体至旋转滚筒上，金属粉末和非金属夹杂物带上负电荷；获得的负电荷的金属粉末立即被接地的金属旋转滚筒传走,在离心力和重力的共同作用下从旋转滚筒前方落下,进入成品集粉罐。制备装置包括熔炼炉、真空炉和集粉罐，所述熔炼炉下方连接真空炉，所述真空炉下方连接集粉罐；所述熔炼炉内设置有熔炼室、熔炼线圈、合金棒电极、雾化器、喷嘴和隔板。

技术领域

本发明涉及高温合金及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种增材制造用镍基高温合金粉末的制备方法及装置。

背景技术

据证券机构分析测算我国2030年前高温合金需求增量有望达到70.12万吨，对应年需求量复合增长率 10%，整体需求保持快速增长。未来高温合金的需求增长来源最主要是航空航天领域，军用或民用航空发动机未来10年仍将保持稳步增长趋势，且伴随我国航空发动机研发生产能力的提升，国产化步伐加快，航空航天高温合金需求或加速增长。

作为工业界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术，是国家战略计划得以实施，政治形势得以展现的后援保障领域。而金属3D技术作为一项全新的制造技术，其在航空航天领域的应用优势突出，服务效益明显。主要体现在以下几个方面：(1)缩短新型航空航天装备的研发周期。金属3D打印技术让高性能金属零部件，尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短。无需研发零件制造过程中使用的模具，这将极大的缩短产品研发制造周期。(2)提高材料的利用率，节约昂贵的战略材料，降低制造成本。航空航天制造领域大多都是在使用价格昂贵的战略材料，比如像镍基高温合金等难加工的金属材料。传统制造方法对材料的使用率很低，一般不会大于10%，甚至仅为2%-5%。材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长。金属3D打印技术作为一种近净成型技术，只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有时甚至是达到了90%以上。这不仅降低了制造成本，节约了原材料，更是符合国家提出的可持续发展战略。（3）优化零件结构，减轻重量，减少应力集中，增加使用寿命。3D技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。

目前3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法主要有真空感应熔炼气雾化（VIGA）、电极感应熔炼气雾化（EIGA）和等离子旋转电极雾化（PREP）三种。

VIGA法采用坩埚熔炼合金材料，合金液经中间包底部导流管流至雾化喷嘴处，被高速气体冲击破碎，雾化成微米级尺度的细小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。优点是细粉收得率高、成本低、辅助工序少，缺点是卫星粉多、空心粉多、非金属夹杂；EIGA法将预合金棒金属电极降至一个环形感应线圈中进行电极熔化，电极熔滴落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气体进行雾化。优点是细粉收得率高、夹杂少、工艺简单，缺点是气体消耗大，空心粉多；PREP法是将金属加工成棒材并利用等离子体加热棒端，同时棒料进行高速旋转，依靠离心力使熔化液滴细化，在惰性气体环境中凝固并在表面张力作用下球化形成粉末。优点是粒度分布窄、少无空心粉、球形度高，缺点是粉末粒度粗、原料加工成本高、生产效率低。

例如中国专利CN201410779257.1公开了一种3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，该方法通过镍基高温合金的真空熔炼、脱气、精炼、雾化、筛分工艺获得满足3D打印需求的高性能镍基高温合金粉末，但是该技术方案中工艺步骤较多，工作比较繁杂。

3D打印用镍基高温合金粉末，特别是航空航天用高温合金粉末，因为工作环境高温高压，对性能要求，特别是高温性能和疲劳性能极高，因此要求粉末材料粒度分布合理（细粉多）、球形度高、空心粉少、氧含量低、少无夹杂，从生产角度讲，力求生产效率高、成本低。目前3种制备方法都存在一些无法克服的技术难题。