CN109014228A - 一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，通过将铜合金锻态合金棒料作为阳电极置于雾化设备内，利用雾化设备对铜合金锻态合金棒料进行转动雾化，利用惰性气体保护的密闭容器里，铸锭加工成形的金属棒料作为阳电极，通过旋转电刷与主轴摩擦接触生成的低压强电流传导给金属棒料的端头，使其与密闭体内的阴极之间的狭小空间产生等离子弧，其端面受等离子弧加热而熔融为液体，在电极高速旋转的离心率将液体抛出并粉碎为细小液滴，高温小液滴冷凝过程在表面张力的作用下固化成球形。本发明工艺参数控制简单、易操作、生产效率高，生产的粉末球形度高、粒度范围窄、颗粒表面光滑洁净，少空心粉和卫星粉、同时气体夹杂少，粉末品质高。

Description

一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法

技术领域

本发明涉及3D打印铜合金粉末原材料制备技术领域，具体涉及是一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法。

背景技术

以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，势必推动第三次工业革命。近几年，3D打印设备逐渐成熟，但目前用于3D打印的材料种类少、性能不稳定，成为制约3D打印技术发展和应用的瓶颈问题。目前，多数定制化的高端金属粉末主要依赖于进口，而国外厂商常将原材料和设备捆绑高价销量，极大的制约了我国3D打印技术的发展。

目前，对于铺粉式金属3D打印而言，电子束和激光热源成为主流，而其铺粉要求极高，比如粉体流动性好，颗粒直径和形貌合理搭配，成分要均匀，铺粉要平整等要求，这些要求实现，粉末化学和物理性能稳定是前提。在高性能金属构件直接采用3D打印技术方面，需要粒径细而窄、粒径均匀、球形度高、氧含量低的各类金属粉末，而且高性能金属构件直接制造技术只配套适宜的金属粉末材料才能制造出结构精度高、力学性能好的零件，同时也可以显著提高材料的利用率，降低制造成本，缩短生产周期。因此，研发适应于3D打印金属粉体材料是其技术的发展方向和主要动力之一。目前，多数单位采用常规的喷涂粉末来代替，有很多的不适用性。国内受制备技术所限，粉末主要存在以下问题，包括：(1)粉末成分的稳定性差(含氧量、夹杂数量、成分偏析)；(2)粉末物理性能的稳定性差(粒度分布、球形度、流动性、松装比等)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，以批量和稳定化制备出颗粒尺寸均匀、球形度高、低杂质含量的球形铜合金粉末。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，包括以下步骤：

步骤1)、将铜合金锻态合金棒料作为阳电极置于雾化设备内，对雾化设备制粉室进行抽空后充入惰性保护气体；

步骤2)、利用雾化设备对铜合金锻态合金棒料进行转动雾化，雾化后的液滴自然冷却即可得到铜合金粉末。

进一步的，步骤1)中，按照所需铜合金成分进行配料得到熔铸原料，将熔铸原料进行铸锭，得到铸锭后再锻造，将其机加工制造成组织致密的铜合金锻态合金棒料。

进一步的，步骤1)所述的制造的合金棒料直径为40～60mm，长度为500～900mm，表面粗糙度≤3.2μm.合金棒料的相对密度≥95％。

进一步的，步骤2)采用泵体进行抽真空，当真空度达到1×10-3Pa～10×10-3Pa后，充入氩氦气保护气体。

进一步的，氩气和氦气体积比为2:8，雾化设备制粉室内的压力为0.1×105Pa～1×105Pa，气氛中氧含量≤0.1wt％。

进一步的，步骤2)中电极电流1400～2000A,电压30～110V，金属电机转速9000～20000转/秒，给进速度小于1mm/s，等离子弧温度9000～11000℃。

进一步的，雾化设备采用金属电极作为阴极。

进一步的，所述金属电极为难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼、铁、镍、铜中的任意一种或其合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，通过将铜合金锻态合金棒料作为阳电极置于雾化设备内，对雾化设备制粉室进行抽空后充入惰性保护气体；利用雾化设备对铜合金锻态合金棒料进行转动雾化，雾化后的液滴自然冷却即可得到铜合金粉末，利用惰性气体保护的密闭容器里，铸锭加工成形的柱形金属棒料作为自耗阳电极，通过旋转电极，电刷与主轴摩擦接触生成的低压强电流传导给金属棒料的端头，使其与密闭体内的阴极之间的狭小空间产生等离子弧，其端面受等离子弧加热而熔融为液体，在电极高速旋转的离心率将液体抛出并粉碎为细小液滴，高温小液滴冷凝过程在表面张力的作用下固化成球形。本发明工艺参数控制简单、易操作、生产效率高等优点，生产的粉末球形度高、粒度范围窄、颗粒表面光滑洁净，少空心粉和卫星粉、同时气体夹杂少，粉末品质高，具有优异的物理、化学和综合力学性能，特别适用于在航空航天及生物医疗的铺粉式3D打印工艺使用。

附图说明

图1为本发明试验的工艺流程图。

图2为本发明的实例等离子旋转电极制备电子束成形铜合金粉末的扫描电镜照片。

图3为本发明的实例等离子旋转电极制备电子束成形铜合金粉末的高倍扫描照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，包括以下步骤：

步骤1)、将铜合金锻态合金棒料作为阳电极置于雾化设备内，对雾化设备制粉室进行抽空后充入惰性保护气体；

步骤2)、开启PREP制粉雾设备，设置铜合金锻态合金棒料转速、等离子枪电流和电压、枪与棒料短距离参数，铜合金锻态合金棒料在等离子弧热源的加热下熔化成液体，并在电极高速旋转的离心率作用下，将液体抛出并粉碎为高温细小液滴，小液滴在快速冷凝过程的表面张力作用下固化成球形，落入粉末收集器，最后制得的高铝青铜合金粉末待完全冷却后按要求筛选并真空松散包装。

步骤1)中，按照所需铜合金成分进行配料得到熔铸原料，将熔铸原料进行铸锭，得到铸锭后再锻造，将其机加工制造成组织致密的铜合金锻态合金棒料；

步骤1)所述的制造的合金棒料直径为40～60mm，长度为500～900mm，表面粗糙度≤3.2μm.合金棒料的相对密度≥95％。

步骤2)采用泵体进行抽真空，当真空度达到1×10-3Pa～10×10-3Pa后，充入氩氦气保护气体，氩气和氦气体积比为2:8，设备内的压力为0.1×105Pa～1×105Pa，气氛中氧含量≤0.1wt％；

步骤2)中电极电流1400～2000A,电压30～110V，金属电机转速9000～20000转/秒，给进速度小于1mm/s，等离子弧温度9000～11000℃；

所述金属电极为难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼、铁、镍、铜中的任意一种或其合金。

具体实施例：

(1)按照名义成分(质量分数，％)为Al 11.9，Ni 15，Fe 10余量为Cu的化学配比进行配料，采用真空感应炉熔炼得到铸锭后再锻造，将其机加工制造成组织致密的锻态合金棒料，其合金棒材规格参数为直径为50mm，长度为400mm，表面粗糙度0.8μm.合金棒料的相对密度95％；

(2)将合金棒料电极置于雾化设备内，对设备制粉室进行抽空后，然后充入惰性保护气体。具体过程为采用泵体进行抽真空，当真空度达到6×10-3Pa后，充入氩氦气保护气体，氩气占20％，氦气占80％，设备内的压力为0.6×105Pa，气氛中氧含量≤0.1wt％；

(3)开启PREP制粉雾设备，设置合金棒转速为：12000r/min、等离子枪电流和电压分别为：电流1600A,电压90V、枪与棒料短距离为3mm，超高速合金棒在等离子弧热源的加热下熔化成液体，并在电极高速旋转的离心率作用下，将液体抛出并粉碎为高温细小液滴，小液滴在快速冷凝过程的表面张力作用下固化成球形，落入粉末收集器，最后制的高铝青铜合金粉末待完全冷却后按要求筛选并真空松散包装。

1.作为优选：上述步骤(1)所述的制造的合金棒材直径为50mm，长度为400mm，表面粗糙度0.8μm.合金棒料的相对密度≥90％；

2.作为优选：上述步骤(2)采用泵体进行抽真空，当真空度达到6×10-3Pa后，充入氩氦气保护气体，氩气占20％，氦气占80％，设备内的压力为0.6×105Pa，气氛中氧含量≤0.1wt％；

4.作为优选：上述步骤(3)中电极电流1600A,电压90V，金属电机转速12000r/min，给进速度为0.8mm/s,等离子弧温度9000～11000℃；

5.作为优选：所述步骤，上述金属自耗阳极为棒材高铝青铜合金；

制备得到的铜合金粉末微观结构如图2、图3所示，生产的粉末球形度高、粒度范围窄、颗粒表面光滑洁净，少空心粉和卫星粉、同时气体夹杂少，粉末品质高。最后收集的铜合金粉末粒径范围50～90μm，平均粒径74μm，粉末球形度为98％。采用高速等离子旋转电极工艺，显著提高铜合金粉末的生产效率，通过控制转速实现粉末粒度可控，达到具有球形度高、无高温氧化、粒径分布均匀且可控等优点，同时提高了粉末成品率。采用混合惰性保护气体，能够有效降低金属粉末的氧含量，减少粉末化学成分的显微偏析，保证球形粉末的化学成分均匀性。

Claims (8)

1.一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、将铜合金锻态合金棒料作为阳电极置于雾化设备内，对雾化设备制粉室进行抽空后充入惰性保护气体；

步骤2)、利用雾化设备对铜合金锻态合金棒料进行转动雾化，雾化后的液滴自然冷却即可得到铜合金粉末。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，步骤1)中，按照所需铜合金成分进行配料得到熔铸原料，将熔铸原料进行铸锭，得到铸锭后再锻造，将其机加工制造成组织致密的铜合金锻态合金棒料。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，步骤1)所述的制造的合金棒料直径为40～60mm，长度为500～900mm，表面粗糙度≤3.2μm.合金棒料的相对密度≥95％。

4.根据权利要求1所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，步骤2)采用泵体进行抽真空，当真空度达到1×10-3Pa～10×10-3Pa后，充入氩氦气保护气体。

5.根据权利要求4所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，氩气和氦气体积比为2:8，雾化设备制粉室内的压力为0.1×105Pa～1×105Pa，气氛中氧含量≤0.1wt％。

6.根据权利要求1所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，步骤2)中电极电流1400～2000A,电压30～110V，金属电机转速9000～20000转/秒，给进速度小于1mm/s，等离子弧温度9000～11000℃。

7.根据权利要求1所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，雾化设备采用金属电极作为阴极。

8.根据权利要求7所述的一种基于等离子旋转电极制备铜合金粉末的方法，其特征在于，所述金属电极为难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼、铁、镍、铜中的任意一种或其合金。