CN109877330A

CN109877330A - 一种生产3d打印用球形金属粉体的装置及使用方法

Info

Publication number: CN109877330A
Application number: CN201910213709.2A
Authority: CN
Inventors: 郭占成; 郭磊; 鲍其鹏; 王哲; 温小椿; 杨逸如
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN109877330B

Abstract

本发明公开了一种生产3D打印用球形金属粉体的装置，其装置包括由上而下依次安装的溢流给料装置、钢质炉顶、高温熔化球化室、成型冷却室，本发明在利用外场加热球化的基础上，结合控制球化气氛，保证产品中的氧含量要求；采用溢流给料的方式，通过调整流化室结构和流化气速，可有效控制原料的粒度分布，提前筛分不符合产品粒度的大颗粒，减轻球化负担，提高生产效率，同时流化给料方式使原料入炉均匀分散，避免粘黏，减少了卫星球。

Description

一种生产3D打印用球形金属粉体的装置及使用方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体地说是一种利用外场加热球化生产3D打印用球形金属粉体的方法及装置。

背景技术

3D打印由于其净成型、自动化、周期短、方便快捷、可个性化定制等优势成为当前制造业的热点。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

随着3D打印技术的迅速发展，对高质量微细球形粉末的需求日益旺盛。常规金属粉末制备分为机械法(机械研磨、冷气体粉碎；二流雾化、旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、等离子雾化)，物理化学法(还原、沉积、电解和电化学腐蚀)，而目前3D打印原料的主要生产工艺是水雾化与气雾化及等离子球化法等。这些粉末制备方法各有弊端，水雾化法效率高但产品形状不规则，且氧含量较高；气雾化可采用惰性气体作为雾化介质，可有效避免氧化，但气体动能小生产效率较低，产品卫星球问题严重；等离子球化法球化效果好，但生产成本高，耗能大，且等离子火焰温度过高，导致一些较低熔点金属挥发。本发明提供一种以不规则的金属粉体为原料生产3D打印用球形金属粉体的方法及装置。

发明内容

根据上述提出的目前技术中存在的问题，提供一种生产3D打印用球形金属粉体的方法及装置。本发明主要通过外场加热球化，能高效、连续地生产出符合粒度要求、球形度高、流动性良好、含氧量低、无卫星球的3D打印用球形金属粉体。

本发明采用的技术手段如下：

一种生产3D打印用球形金属粉体的装置，包括由上而下依次安装的溢流给料装置、高温熔化球化室、成型冷却室。

所述溢流给料装置底部与储气罐相连，上部设有金属粉料进料口与流化气体出口管，中间为细粉流化室，左侧下部与钢质炉顶中心相连设有金属粉料出料口。

所述钢质炉顶、高温熔化球化室、成型冷却室位于同一轴线上。

所述高温熔化球化室的耐热内衬采用刚玉质或碳化硅材料，内部嵌入硅钼或镍铬合金材质的加热棒，保温砖为轻质氧化镁砖或高铝耐火砖。熔化室最高温度控制值由所处理的金属粉熔点决定,控制为高于金属粉熔点100℃以上。

所述成型冷却室内壁为耐热钢材质的钢质内衬，中层为内部嵌有冷却壁的轻质氧化镁砖或高铝质保温砖，外层采用钢质炉壳，底部设有产品出料口。

优选的，所述溢流给料装置的细粉流化室实质上是由惰性气体和金属粉料作为流化气固介质的流化床，细粉流化室下部设有粗粉排出口，根据原料粉末的种类和物性参数及产品要求对实际的流化室结构进行调整。

优选的，所述高温熔化球化室高度大于1.5m，顶端设有惰性/还原气出口，采用由上而下渐扩式炉型，内壁与水平的方向的夹角为80°～86°，炉型角度大小根据物料在炉内下落过程中发散程度调整；其连续工作温度大于800℃，最高温度可以达到1700℃，采用多段式精确控温，根据实际金属粉体原料的性质和生产效率实时调整实际生产温度。

优选的，所述成型冷却室高度为大于1.0，采用由上而下渐缩式炉型，上部内壁与水平的方向的夹角为85°，下部内壁与水平的方向的夹角为33°，底部设有产品出料口与出料阀门，可根据成型冷却室内的储料量开闭；所述成型冷却室下部的冷却壁采用循环冷却水作为冷却介质，冷却水流速可根据成型冷却室的实际温度调整。

如上所述装置生产3D打印用球形金属粉体的使用方法，包括如下步骤：

打开惰性还原气入口与惰性还原气出口，通入惰性气体，使细粉流化室与成型冷却室内氧气含量低于0.1％，切换惰性还原气入口通入混有5％比例还原气的惰性气体；开启加热系统电源，使高温熔融球化室温度达到合适的工作范围。

打开流化气体阀门，惰性气体经储气罐后进入细粉流化室，排尽空气，使细粉流化室内氧气含量低于0.1％，将金属粉末经金属粉料进料口加入细粉流化室，调节流化气体阀门流量与粉末进料速度，溢出流化层的气体经流化气体出口管排出，使流化室内粒度分布合格的细颗粒处于流化状态，而大粒度的粗颗粒沉积在粗粉排出口处间歇性排出。

打开流化室隔板，使溢出流化室隔板的粉末进入金属粉料出料口，经钢质炉顶均匀分散地进入高温熔融球化室，在其上部充分预热，中部开始熔化，中下部完全为液态，颗粒靠金属液滴自身的表面张力自发形成球形，原料中部分氧化的颗粒在达到其还原的温度区域迅速还原，至高温熔融球化室底部球化完全，球形液滴进入成型冷却室内部，逐渐降温，到达其中下部凝固成型，至成型冷却室底部冷却至70℃以下，通过控制出料阀门开关经产品出料口阶段性出料所述述惰性/还原气出口设有的钢质挡板可有效阻挡气体携带粉末流出。

所述高温熔融球化室中发生还原反应极为迅速，在高温熔化区2秒内完成。

优选的，所述经惰性/还原气入口加入炉内的混有5％比例还原气的惰性气体为5％H₂、95％Ar混合气或5％CO、95％Ar混合气。

优选的，所述粉料流化室内惰性气体为高纯Ar。

本发明的工艺方法可控性强，其优势表现在如下几点：采用溢流给料的方式，通过调整流化室结构和流化气速，可有效控制原料的粒度分布，在原料入炉前将不符合产品粒度的大颗粒提前选出，减轻球化负担，流化给料方式使原料入炉均匀分散，避免粘黏；高温熔融球化室采用多段式控温，可精确控制炉内温度；高温熔融球化室内细小的金属液滴含有的氧与还原气反应极为迅速，通过控制经惰性/还原气入口加入炉内混合气的还原气比例，可有效控制颗粒的氧含量。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图中各部件标号说明：

1、溢流给料装置；2、钢质炉顶；3、钢质挡板；4、钢质炉壳；5、冷却壁；6、保温砖；7、钢质内衬；8、成型冷却室；9、产品出料口；10、出料阀门；11、钢质炉壳；12、冷却壁；13、保温砖；14、惰性还原气入口；15、耐热内衬；16、高温熔化球化室；17、加热棒；18、惰性还原气出口；19、流化气体阀门；20、储气罐；21、粉料流化室；22、流化气体出口；23、金属粉料进料口；24、流化室隔板；25、金属粉料出料口；26、粗粉排出口。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，一种生产3D打印用球形金属粉体的装置，包括由上而下依次安装的溢流给料装置(1)、钢质炉顶(2)、高温熔化球化室(16)、成型冷却室(8)。

所述溢流给料装置(1)底部与储气罐相连(20)，上部设有金属粉料进料口(23)与流化气体出口管(22)，中间为细粉流化室(21)，左侧下部与钢质炉顶(2)中心相连为金属粉料出料口(25)。

所述高温熔化球化室(16)顶部与钢质炉顶(2)底部相连，其主要包括内层耐热内衬(15)、中层保温砖(6)、外层钢质炉壳(4)三层结构，内部镶嵌有整套的铜冷却壁(5)，高温熔化球化室(16)上部与下部分别设有沿圆周径向均匀分布的惰性/还原气出口(18)、惰性/还原气入口(14)，所述惰性/还原气出口(18)处均设有耐热钢钢质挡板(3)。

所述钢质炉顶(2)、高温熔化球化室(16)、成型冷却室(8)位于同一轴线上。

优选的，所述成型冷却室(8)内壁为耐热钢材质的钢质内衬(7)，中层为内部嵌有冷却壁(12)的轻质氧化镁砖或高铝质保温砖(13)，外层采用钢质炉壳(11)，底部设有产品出料口(9)。

所述溢流给料装置(1)的细粉流化室(21)实质上是由惰性气体和金属粉料作为流化气固介质的流化床，细粉流化室(21)高度0.6m～1m，半径大于0.15m，细粉流化室(21)下部设有粗粉排出口(26)，根据原料粉末的种类和物性参数及产品要求对实际的细粉流化室(21)结构调整。

优选的，所述高温熔化球化室(16)的耐热内衬(15)采用刚玉质或碳化硅材料，内部嵌入硅钼或镍铬合金材质的加热棒(17)，保温砖(6)为轻质氧化镁砖或高铝耐火砖。

优选的，所述高温熔化球化室(16)高度为2.5m～3.0m，距离其顶端约15cm处设有惰性/还原气出口(18)，采用由上而下渐扩式炉型，内壁与水平的方向的夹角为80°～86°，炉型角度大小根据物料在炉内下落过程中发散程度调整；其连续工作温800℃～1600℃，最高温度可以达到1700℃，采用三段式精确控温，根据实际金属粉体原料的性质和生产效率实时调整实际生产温度。

所述成型冷却室(8)高度为1.2m～1.5m，约为高温熔化球化室(16)体积的0.4倍，采用由上而下渐缩式炉型，上部内壁与水平的方向的夹角为85°，下部内壁与水平的方向的夹角为33°，底部设有产品出料口(9)与出料阀门(10)，可根据成型冷却室(8)内的储料量开闭；所述成型冷却室(8)下部的冷却壁(13)采用循环冷却水作为冷却介质，冷却水流速可根据成型冷却室(8)的实际温度调整。

一种使用上述装置生产3D打印用球形金属粉体的方法，包括如下步骤：

打开惰性还原气入口(11)与惰性还原气出口(11)，通入惰性气体，使细粉流化室(21)与成型冷却室(8)内氧气含量低于0.1％，切换惰性还原气入口(11)通入混有5％比例还原气的惰性气体；开启加热系统电源，使高温熔融球化室(16)温度达到合适的工作范围。

打开流化气体阀门(16)，惰性气体经储气罐后进入细粉流化室(21)，排尽空气，使细粉流化室(21)内氧气含量低于0.1％，将金属粉末经金属粉料进料口(23)加入细粉流化室(21)，调节流化气体阀门(19)流量与粉末进料速度，溢出流化层的气体经流化气体出口管排出，使流化室内粒度分布合格的细颗粒处于流化状态，而粗颗粒沉积在粗粉排出口(26)处间歇性排出。

打开流化室隔板(24)，使溢出流化室隔板(24)的粉末进入金属粉料出料口(25)，经钢质炉顶(2)均匀分散地进入高温熔融球化室(16)，在其上部充分预热，中部开始熔化，中下部完全为液态，颗粒靠金属液滴自身的表面张力自发形成球形，原料中部分氧化的颗粒在达到其还原的温度区域迅速还原，至高温熔融球化室(16)底部球化完全，球形液滴进入成型冷却室(8)内部，逐渐降温，到达其中下部凝固成型，至成型冷却室(16)底部冷却至70℃以下，通过控制出料阀门(10)开关经产品出料口(9)阶段性出料。

所述述惰性/还原气出口(18)设有的钢质挡板(3)可有效阻挡气体携带粉末流出。

所述的球化产品不仅限于3D打印领域的应用，也可用于粉末冶金、喷涂及其他领域。

所述高温熔融球化室(16)中发生的还原反应极为迅速，在高温熔化区1秒内完成。

优选的，所述经惰性/还原气入口(18)加入炉内的混有5％比例还原气的惰性气体为5％H₂、95％Ar混合气或5％CO、95％Ar混合气。

优选的，所述生产3D打印用球形金属粉体的装置，其特征是，所述粉料流化室(18)内惰性气体为高纯Ar。

下面为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不限于以下实施例所述内容。

实施例1

以电解法生产的-140目～+325目粒度的铜粉为原料，生产45μm～105μm的球形铜粉产品，产量为300kg/h。

本实施例细粉流化室(21)高度0.7m；高温熔化球化室(16)的耐热内衬(15)采用刚玉质，加热棒(17)采用硅钼材质；高温熔化球化室(16)高度为2.5m，其内壁与水平的方向的夹角为86°，最高温度区域控制为1400℃；成型冷却室(8)高度为1.2m；经惰性/还原气入口(18)加入炉内的混有5％比例还原气的惰性气体为5％CO、95％Ar混合气。

打开惰性还原气入口(11)与惰性还原气出口(11)，以15L/min的流速通入氩气，30min后检测惰性还原气出口(11)的氧气含量，若5min时间段内均低于0.1％时，切换惰性还原气入口(11)通入混有5％比例CO的氩气；开启加热系统电源，使高温熔融球化室(16)温度达到合适的工作范围，最高温度区域达到1400℃。

打开流化气体阀门(16)，向细粉流化室(21)通入氩气，当细粉流化室(21)内氧气含量低于0.1％时，将电解铜粉经金属粉料进料口(23)缓慢加入细粉流化室(21)，调节流化气体阀门(19)流量至0.7m/s，流化室内的细颗粒处于流化状态，而粒度大于105μm的粗颗粒沉积在粗粉排出口(26)处间歇性排出。

打开流化室隔板(24)，溢出流化室隔板(24)的粉末进入金属粉料出料口(25)，经钢质炉顶(2)均匀分散地进入高温熔融球化室(16)，在其上部充分预热，中部开始熔化，中下部完全为液态，颗粒靠金属液滴自身的表面张力自发形成球形，原料中部分氧化的颗粒在达到高温熔融球化室(16)中部迅速还原，至高温熔融球化室(16)底部球化完全，球形液滴进入成型冷却室(8)内部，逐渐降温，到达其中下部凝固成型，至成型冷却室(16)底部冷却至70℃以下，每隔30min通过控制出料阀门(10)开关经产品出料口(9)出料。

实施例2

以水雾化法生产的-300目～+1000目粒度的718高温合金粉为原料，生产15μm～53μm的718高温合金球形粉产品，产量为220kg/h。

本实施例细粉流化室(21)高度0.9m；高温熔化球化室(16)的耐热内衬(15)采用刚玉质，加热棒(17)采用镍铬合金材质；高温熔化球化室(16)高度为2.8m，其内壁与水平的方向的夹角为84°，最高温度区域控制为1600℃；成型冷却室(8)高度为1.4m；经惰性/还原气入口(18)加入炉内的混有5％比例还原气的惰性气体为5％H₂、95％Ar混合气。

打开惰性还原气入口(11)与惰性还原气出口(11)，以15L/min的流速通入氩气，35min后检测惰性还原气出口(11)的氧气含量，若5min时间段内均低于0.1％时，切换惰性还原气入口(11)通入混有5％比例H₂的氩气；开启加热系统电源，使高温熔融球化室(16)温度达到合适的工作范围，最高温度区域达到1600℃。

打开流化气体阀门(16)，向细粉流化室(21)通入氩气，当细粉流化室(21)内氧气含量低于0.1％时，将718高温合金粉经金属粉料进料口(23)缓慢加入细粉流化室(21)，调节流化气体阀门(19)流量至0.28m/s，流化室内的细颗粒处于流化状态，而粒度大于53μm的粗颗粒沉积在粗粉排出口(26)处间歇性排出。

Claims

1.一种生产3D打印用球形金属粉体的装置，其特征包括由上而下依次安装的溢流给料装置(1)、高温熔化球化室(16)、成型冷却室(8)；

所述溢流给料装置(1)底部与储气罐相连(20)，上部设有金属粉料进料口(23)与流化气体出口管(22)，中间为细粉流化室(21)，左侧下部与钢质炉顶(2)中心相连为金属粉料出料口(25)；

所述高温熔化球化室(16)顶部与钢质炉顶(2)底部相连，高温熔化球化室主要包括内层耐热内衬(15)、中层保温砖(6)、外层钢质炉壳(4)三层结构，内部镶嵌有整套的铜冷却壁(5)，高温熔化球化室(16)上部与下部分别设有沿圆周径向均匀分布的惰性/还原气出口(18)、惰性/还原气入口(14)，所述惰性/还原气出口(18)处均设有钢质挡板(3)；

所述成型冷却室(8)内壁为钢质内衬(7)，中层为保温砖(13)，外层采用钢质炉壳(11)，底部设有产品出料口(9)。

2.如权利要求1所述生产3D打印用球形金属粉体的装置，其特征是，所述高温熔化球化室(16)高度大于1.5m，采用由上而下渐扩式炉型，内壁与水平方向的夹角为80°～86°，炉型角度大小根据物料在炉内下落过程中发散程度调整；采用多段式精确控温，根据实际金属粉体原料的熔点控制工作区最高温度，最高温度控制为金属粉体熔点温度以上。

3.如权利要求1所述生产3D打印用球形金属粉体的装置，其特征是，所述成型冷却室(8)高度为大于1.0m，采用由上而下渐缩式炉型，上部内壁与水平的方向的夹角为85°，下部内壁与水平的方向的夹角为33°，底部设有产品出料口(9)与出料阀门(10)，可根据成型冷却室(8)内的储料量开闭；所述成型冷却室(8)下部的冷却壁(13)采用循环冷却水作为冷却介质，冷却水流速根据成型冷却室(8)的实际温度调整。

4.一种使用权利要求1所述装置生产3D打印用球形金属粉体的方法，其特征在于具体步骤如下：

将细粉流化室(21)、成型冷却室(8)与细粉流化室(21)充满混有5％比例还原气的惰性气体后；开启加热系统电源，使高温熔融球化室(16)温度达到合适的工作范围；打开流化气体阀门(16)，惰性送粉气体经储气罐后进入，将金属粉末经金属粉料进料口(23)送入细粉流化室(21)，调节流化气体阀门(19)流量与粉末进料速度，溢出流化层的气体经流化气体出口管排出，使流化室内粒度分布合格的细颗粒处于流化状态，而粗颗粒沉积在粗粉排出口(26)处分段排出；

打开流化室隔板(24)，使溢出流化室隔板(24)的粉末进入金属粉料出料口(25)，经钢质炉顶(2)均匀分散地进入高温熔融球化室(16)，在其上部充分预热，中部开始熔化，中下部完全为液态，金属液滴靠自身的表面张力自发形成球形，原料中部分氧化的颗粒在达到其还原的温度区域迅速还原，至高温熔融球化室(16)底部球化完全，球形液滴进入成型冷却室(8)内部，逐渐降温，到达其中下部凝固成型，至成型冷却室(16)底部冷却至70℃以下，通过控制出料阀门(10)开关经产品出料口(9)阶段性出料。