一种增材制造金属粉末球形化处理方法与流程

本发明属于增材制造用金属粉末后处理，具体涉及一种增材制造金属粉末球形化处理方法。

背景技术：

1、增材制造技术基于离散-堆积原理，可实现复杂结构金属构件的近净成形，在航空航天、汽车制造、轨道交通、生物医疗等领域逐步实现规模化应用。金属粉末作为激光选区熔化、电子束熔融等主流增材制造工艺的核心原材料，物理性能与化学纯度直接决定铺粉过程的稳定性与最终成形件的致密度、力学性能。在粉末各项性能指标中，球形度、粒径分布、流动性与松装/振实密度为核心评价参数。高球形度粉末具备更低的颗粒间摩擦阻力与更优的堆积特性，可保障铺粉层厚均匀一致，减少成形件内部孔隙缺陷，提升构件力学性能的稳定性。

2、金属粉末球形化处理技术通过高温熔融、气流作用或机械整形等手段，使不规则形状的粉末颗粒转变为球形或近球形形态。等离子体球形化技术利用高温等离子体焰流使粉末颗粒瞬间熔融，熔融液滴在表面张力驱动下自发收缩为球形，经快速冷却后固定球形形貌，是当前高端增材制造粉末后处理的主流技术路径之一。

3、现有技术方案中，部分研究聚焦于气雾化制粉环节的工艺优化，通过改进雾化室结构、调整气雾化参数减少卫星粉生成。公开号为cn113618071b的专利文献公开了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法，通过设置水冷夹层雾化室与螺旋状挡板降低气雾化过程中卫星粉占比。该类方案仅能从制粉源头优化粉末形貌，无法对已制备的非球形粉末进行后处理提升，球形度提升幅度受雾化原理限制，通常气雾化粉末初始球形度仅为0.65-0.75，难以满足高端增材制造对球形度≥0.9的要求。同时该类装置结构复杂，设备维护成本高，对不同金属材料的适配性较差。

4、另有公开号为cn114406273b的专利文献公开了一种用于3d打印技术的钛合金球形粉末的多级气雾化制备方法，通过分级控制气雾化压力与棒料进给速度减小金属熔滴碰撞几率。该方案同样属于制粉端优化，仅针对钛合金单一材料开发，工艺参数无法直接迁移至铝合金、镍基合金等其他体系，通用化程度低；且多级气雾化控制系统复杂，产业化落地难度大，未能从根本上消除卫星粉与不规则颗粒，粉末球形度仍有较大提升空间。

5、针对后处理球形化方向，现有单一等离子体球化工艺普遍存在三方面技术短板。第一，工艺参数匹配性不足，升温速率、熔融停留时间与冷却速率三者缺乏协同设计，易出现粉末内部未完全熔融导致球形化不充分，或熔融过度导致颗粒粘连、卫星粉二次生成的问题，成品球形度波动大，一级品率偏低。第二，缺乏闭环分选与回用机制，单次球形化处理后不合格的不规则粉末直接废弃，原料利用率通常低于80%，生产成本居高不下；现有筛分设备仅能实现粒径分级，无法基于形貌差异精准分离球形颗粒与不规则颗粒。第三，球形化处理后粉末表面活性高，新鲜金属表面暴露，储存与运输过程中易氧化增氧，影响粉末化学纯度；传统高温氧化钝化工艺会破坏粉末球形形貌，导致松装密度与流动性下降，存在形貌保持与抗氧化性能难以兼顾的技术矛盾。

6、综上，现有增材制造金属粉末球形化处理技术在球形度提升幅度、工艺通用性、原料利用率、产品储存稳定性等方面仍存在明显短板，亟需开发一种多工序协同、参数匹配精准、具备闭环循环与可控钝化能力的新型球形化处理方法，满足高品质增材制造对金属粉末的严苛要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种增材制造金属粉末球形化处理方法，解决了现有增材制造金属粉末球形化处理工艺中球形度提升有限、原料利用率低以及储存稳定性与球形形貌保持难以兼顾的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种增材制造金属粉末球形化处理方法，依次包括以下步骤：

4、步骤（1）原料预处理：对原始金属粉末进行粒径初筛，去除粒径小于10μm和大于150μm的粉末颗粒，保留粒径范围10μm-150μm的颗粒作为待处理原料。采用无水乙醇作为清洗介质，在45℃下超声清洗15min，去除粉末表面附着的氧化物颗粒与粉尘杂质。清洗完成后，在真空度-0.08mpa至-0.09mpa、80℃下干燥2h，去除粉末中的水分与残余乙醇。

5、步骤（2）等离子体球形化处理：将干燥后的金属粉末通过螺杆式定量供料器送入等离子体发生腔体，供粉量为5g/min-50g/min，供粉控制精度为±0.5%，螺杆式定量供料器与载气流量采用联动控制模式。等离子体发生腔体的阴极采用氧化钍含量1.5wt%-2.0wt%的钍钨合金，阳极采用纯度≥99.95%的紫铜且内部设置循环水冷通道，冷却水流量为10l/min，进水温度为25℃。腔体温度控制在2500℃-3500℃，压力控制在0.1mpa-0.5mpa，以高纯氩气，纯度≥99.999%，作为载气，载气流量为20l/min-50l/min。金属粉末进入等离子体焰流后经历极速升温，升温速率≥10000℃/s，熔融液滴在等离子体焰流中的停留时间为50ms-200ms，液滴在表面张力作用下自发收缩为球形；随后以≥1000℃/s的冷却速率强制对流冷却，液滴快速凝固并固定球形形貌，得到初制球形粉末。

6、步骤（3）多级分选与循环处理：将初制球形粉末依次经过三级振动筛分与气流分选，实现粒径分级与形貌分离。三级振动筛分的筛网孔径从上至下依次为75μm、45μm、25μm，振动频率为50hz-80hz，振幅为0.5mm-2.0mm。气流分选基于斯托克斯沉降原理，根据斯托克斯沉降公式：

7、；

8、其中，为颗粒沉降速度，为颗粒密度，

为流体密度，为重力加速度，为颗粒等效直径，为流体动力粘度；球形颗粒的形状系数小于不规则颗粒，在相同粒径与密度条件下沉降速度更快，控制上升气流速度为5m/s-15m/s，可将沉降速度较慢的不规则颗粒带出分离。气流分选系统还配置在线形貌监测模块，采用拍摄帧率500fps的高速工业相机实时识别不规则颗粒，识别精度≥98%。分离得到的不规则粉末与新的原始金属粉末按质量比1:3混合均匀后，返回等离子体球形化处理工序进行二次处理，形成闭环生产循环。

9、步骤（4）质量检测与分级：采用动态图像分析法对分选后的球形粉末进行球形度检测，每批次检测颗粒数不少于5000个，对单个粉末颗粒采集不少于8个角度的投影图像，基于长轴与短轴的比值综合计算球形度，测量精度为±0.5μm，重复性误差≤2%。依据球形度进行产品分级：球形度≥0.92为一级品，球形度0.85-0.92为二级品，球形度<0.85的返回等离子体球形化处理工序再次处理。同步检测粉末的氧含量、氮含量与杂质元素含量，确保球形化处理后氧含量增加量≤0.1wt%。

10、步骤（5）表面钝化处理：将分级合格的一级品与二级品粉末送入低温等离子体反应腔体，腔体真空度为50pa-200pa，通入体积百分比5%氧气与95%氩气的混合气体，总流量为50ml/min-200ml/min；射频频率为13.56mhz，射频功率为100w-500w，在120℃下处理30min，在粉末表面形成厚度5nm-20nm的致密氧化膜。钝化完成后，粉末在高纯氩气保护下降温至室温，真空封装。

11、进一步的，针对不同熔点的金属粉末，可调整核心工艺参数：处理铝合金粉末时，腔体温度为2200℃-2800℃；处理钛合金粉末时，腔体温度为3000℃-3300℃；处理镍基高温合金粉末时，腔体温度为2800℃-3400℃。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、本发明提供了通过构建“原料预处理、等离子体球形化处理、多级分选与循环处理、质量检测与分级、表面钝化处理”五道工序协同的完整工艺链，解决了现有技术中单一工序难以兼顾粉末球形度、原料利用率和储存稳定性的问题。在原料预处理阶段，通过粒径初筛、超声清洗和真空干燥，有效去除了原始粉末中的杂质和水分，为后续等离子体球形化处理提供了清洁且粒度可控的原料基础，有助于提升球形化处理效果的均匀性。在等离子体球形化处理阶段，通过对升温速率、熔融液滴停留时间和冷却速率三个核心参数的协同控制，使金属粉末颗粒能够充分熔融并在表面张力作用下充分收缩成球形，同时快速凝固固定球形形貌，避免了因熔融不充分导致的球形度不足或因熔融过度导致的颗粒粘连和卫星粉二次生成，显著提升了处理后粉末的平均球形度和一级品率。在分选阶段，将三级振动筛分与气流分选相结合，实现了粒径分级与基于颗粒形貌差异的精准分离，并将分离得到的不规则粉末与新的原始金属粉末按比例混合后返回等离子体球形化处理工序，形成了闭环生产循环，大幅提升了原料的整体利用率，降低了生产成本。

14、在表面钝化处理阶段，采用低温等离子体钝化工艺，在分级合格的球形粉末表面形成了厚度可控的致密氧化膜，有效阻隔了外界氧原子和水汽的侵入，在显著提升粉末长期储存稳定性的同时，避免了传统高温氧化钝化工艺对粉末球形形貌和堆积密度的破坏，兼顾了抗氧化性能与形貌保持。此外，通过针对不同种类的金属粉末调整等离子体发生腔体的温度，本方法可通用于钛合金、铝合金、镍基高温合金等多种增材制造用金属粉末的球形化处理，提升了设备的复用性和工艺的通用性。