[发明专利]金属基陶瓷3D打印复合粉体等离子制备装置

说明书

本发明公开了金属基陶瓷3D打印复合粉体等离子制备装置，该装置由气站、高压精密送粉系统、高频感应等离子体发生器、陶瓷微粉喷嘴、金属基陶瓷粉体合成冷凝室、粉末收集除尘系统组成，采用高频感应等离子体将金属粉末颗粒加热熔融形成熔融金属微液滴，在熔融金属微液滴下落的过程中用含有陶瓷微粉的气流对其进行喷射形成含有陶瓷微粉的熔融金属微液滴，经快速冷凝形成陶瓷相与金属相牢固结合的球形金属基陶瓷粉体。本装置制备的金属基陶瓷3D打印复合粉体不仅球形度高、流动性好、金属相与陶瓷相分布均匀且结合牢固，适合基陶瓷复合粉体的批量制备。

技术领域

本发明属于金属基陶瓷粉体制备技术领域，特别涉及金属基陶瓷3D打印复合粉体等离子制备装置。

背景技术

近年来，国内外增材制造技术迅速发展，加工方法、设备、技术都在不断革新优化，原材料品质和性能的提高已经成为促进增材制造领域进步的重要阶梯，相关工艺对金属粉末材料的要求也越发苛刻，不仅要求金属粉末具有优良的球形度和粒径分布来保证加工过程良好的流动性，还要求粉末具有较高的纯度和低的氧含量。常见的增材制造用金属材料有铁基合金、钛基合金、镍基合金、铝合金、铜合金及贵金属等。随着增材制造技术在各领域的不断发展，对其原材料的品质要求也越来越严格，金属粉末的球形度、纯净度、粒径分布、流动性都对成形零件的质量产生至关重要的影响。目前，增材制造专用金属粉末制备方法主要有雾化法和等离子法两种。其中雾化法主要包括水雾化和气雾化两种方法，等离子法主要包括等离子旋转电极雾化、等离子熔丝雾化、等离子球化三种方法。

1、雾化法

（1）水雾化：水雾化是以水为雾化介质，破碎金属液流的雾化制粉方式，其优势在于设备构造简单、效率高、雾化成本低；但与气雾化相比，制备的粉末杂质含量高、球形度差，这归因于高温下活性金属易与雾化介质发生反应导致含氧量增加，同时水的比热容大，雾化破碎的金属液滴迅速凝固阶段多呈现不规则状，难以满足金属 3D 打印对粉末的质量要求。

（2）气雾化：气雾化制粉法是指利用高速气流将液态金属流击碎形成小液滴，随后快速冷凝得到成形粉末。与水雾化主要区别于雾化介质的改变，目前气雾化生产的粉末约占世界粉末总产量的 30%~50%；该方法制备的金属粉末具有粒度细小(粉末粒径＜150 μm)、球形度较好、纯度高、氧含量低、成形速度快、环境污染小等优点，该类技术适用于绝大多数金属及合金粉末的生产，是增材制造用金属粉末制备的主流方法。

2、等离子法

（1）等离子旋转电极雾化：等离子旋转电极雾化技术最初起源于俄罗斯，该方法采用同轴的等离子弧为热源，首先在惰性气体氛围下，等离子弧加热熔化快速旋转的自耗电极，旋转棒料端面因受热熔化形成液膜，随后在离心力作用下于熔池边缘雾化成熔滴，熔滴在飞行过程中受表面张力作用冷却凝固最终形成球形粉末。该技术可通过调节等离子弧电流的大小和自耗电极转速来调控粉末的粒径，提高特定粒径粉末的收得率，有益于制备高球形度、高致密度、低孔隙率、低氧含量、表面光洁的球形粉末，且基本不存在空心粉、卫星粉，有效减少增材制造技术生产过程中的球化、团聚及引入杂质元素而带来的气孔、开裂现象。

（2）等离子熔丝雾化：等离子熔丝雾化工艺是由加拿大高级粉末及涂层公司率先提出并获得专利权，该技术以规定尺寸的金属丝材为原材料，通过送丝系统按照特定速率送入雾化炉内，经出口处环形等离子体火炬加热装置，在聚焦等离子弧的作用下进行熔融雾化，最终得到金属粉末。整个流程在氩气氛围下进行，熔融雾化过程无外来杂质干扰，产品纯净度高，由于采用金属丝材为加工原材料，通过控制进给速度可获得特定粒径分布的粉末，提高了粉末的品质稳定性，低浓度的悬浮颗粒能够有效防止形成伴生颗粒，从而使粉末具备较好的流动性，十分有利于制备高纯度、高球形度的金属粉末。