一种3D打印用金属铍粉及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及金属铍粉的制备技术领域，特别地，涉及一种适合3D打印用金属铍粉及其制备方法、应用。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)又称3D打印，3D打印用的金属粉末作为金属零件3D打印产业链中最重要的一环，也是最大的价值所在。3D打印用的金属粉末除需具备准确的化学成分、低的氧含量外，还必须满足3D打印技术对金属粉末要求的物理特性：粉末粒径细小、粒经分布区间窄、粉末颗粒球形度高、流动性好、松装密度大和振实密度高、夹杂物少等特殊要求指标。国内激光熔覆沉积技术一般要求的粉末粒度为：53～250μm，国外高速激光熔覆沉积技术、电子束选区熔化技术、激光选区熔化技术一般对粉末的要求为：15～53μm；53～150μm。一般要求制粉过程中产品的氧、氮含量与原料棒相比，其氧增量：≤150ppm，氮增量：≤30ppm。
金属铍具有弹性模量高、韧性高、易加工，质量轻、比刚度高、比强度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀等许多优良特性，在计算机制造业、汽车工业、高精度高速度电焊机器制造业等领域有着广阔的应用前景，由于金属铍具有非常强的热中子散射能力，作为高热导度发生数百度的变化时铍部件仍能保持原来的尺寸，使得铍成为一种特殊的功能材料和结构材料，在武器系统、航空航天和核工业等领域有着重要的应用，已在国内外成为一种倍受关注的新型材料。而现在市场上已有的金属铍粉主要为机械破碎、气体雾化及还原等方法生产，为不规则多边形和海绵形，粒度分布不合理、流动性差和松装密度低，不能满足3D打印的要求，限制了金属铍在3D打印领域的应用，急需开发一种适合3D打印用的金属铍粉。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种3D打印用金属铍粉的制备方法，以制备出球形或类球形金属铍粉。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种3D打印用金属铍粉的制备方法。
所述制备方法可包括以下步骤：将金属铍棒置于真空环境中；向真空环境中通入惰性气体以置换空气，置换后真空环境中氧含量在3ppm以下；通过电弧使金属铍棒端面熔化出液膜；通过离心力使液膜破碎成微细颗粒；冷却，得到金属铍粉。
在本发明的一个示例性实施例中，“将金属铍棒置于真空环境中”和“向真空环境中通入惰性气体”可不分先后顺序。
在本发明的一个示例性实施例中，所述通过离心力使液膜破碎成微细颗粒的步骤可包括：旋转金属铍棒，使所述液膜破碎成微细颗粒。
根据本发明的一个示例性实施例，所述金属铍棒的含铍量可≥98％，相对密度可≥97％，直径可为60～100mm，长度可为350～700mm。
根据本发明的一个示例性实施例，在所述通过电弧使金属铍棒端面熔化出液膜的起始阶段，真空环境的真空度在5×10-3Pa以下，例如4×10-3Pa、3×10-3Pa等。
根据本发明的一个示例性实施例，所述通入惰性气体的流量可以为80～900L/min，惰性气体的压力可以为0.4～0.6MPa，惰性气体可以包括由氩气和氦气组成的混合气体，混合气体中氦气的体积占比可以为10～90％。
根据本发明的一个示例性实施例，所述电弧长可以为35～80mm，弧柱直径可以为30～40mm。
根据本发明的一个示例性实施例，所述电弧可以由电弧熔化系统输出，电弧熔化系统的工作电流输出可以为200～4000A。
根据本发明的一个示例性实施例，所述金属铍棒旋转的转速可以为12000～26000rpm。
根据本发明的一个示例性实施例，所述将金属铍棒置于真空环境中的步骤可包括：将所述金属铍棒放入等离子电弧熔化旋转雾化装置中，抽取真空并控制装置内真空度在5×10-3Pa以下。
根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还包括步骤：在保护气氛下，利用超声波振动筛对所述冷却后的金属铍粉进行筛分，按照粒度分级，获得不同级别的金属铍粉。
本发明另一方面提供了一种3D打印用金属铍粉。金属铍粉可包括采用上述的制备方法所制备出的金属铍粉。
本发明再一方面提供了一种3D打印用金属铍粉的应用，应用可包括在激光或电子束增材制造领域中的应用，和/或，在激光或电子束熔覆领域中的应用，例如在电子束3D打印中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：本发明金属铍粉的制备方法生产效率高、能耗低；本发明制取的金属铍粉球形度好，氧含量低，流动性好，是3D打印的良好原料；本发明制取球形金属铍粉过程中利用的设备更稳定可靠，其生产效率高于其他球形粉末制取装置。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了粒度为53～150μm的金属铍粉的一个形貌示意图；
图2示出了金属铍粉的一个粒度分布示意图；
图3示出了粒度为15～53μm的金属铍粉的一个形貌示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的3D打印用金属铍粉及其制备方法、应用。
本发明一方面提供了一种3D打印用金属铍粉的制备方法。
本发明可以通过用金属铍制备成自耗电极，在惰性气体的保护下，用等离子转移弧熔化并通过电极旋转离心雾化制取出化学成分及粉末物理特性都满足3D打印要求的金属铍粉。
在本发明的一个示例性实施例中，3D打印用金属铍粉的制备方法可包括以下步骤：
将金属铍棒放入等离子电弧熔化旋转雾化装置中，抽取真空并控制装置内真空度(即真空腔内的真空度)在5×10-3Pa以下，进一步地，可为3×10-3Pa～5×10-3Pa。抽取的装置内真空度过高将延长设备生产准备时间，降低工作效率，抽取的装置内真空度过低，需冲入更多的惰性气体以置换排除氧气，不经济。
然后向装置通入混合惰性气体，以确保雾化腔(即真空腔)内氧含量在3ppm以下，并在惰性气体保护下开启等离子电弧，使金属铍棒前端熔化出液膜。雾化腔内氧含量影响产品的氧含量，因此需控制雾化腔内氧含量≤3ppm，例如2±0.5ppm。
控制金属铍棒转速并同时给进，在与等离子枪之间的距离达到35～80mm时，开启电弧，铍原料棒前端熔化出的液膜在离心力的作用下，液膜破碎成微细颗粒。
通过调整混合惰性气体中各气体的体积比例，控制铍液破碎成微细颗粒的冷却速度，在表面张力的作用下实现铍粉末球化，获得3D打印能用的球形铍粉。
在本实施例中，原料金属铍棒的直径可以为80±20mm，例如74、90mm等，长度为可以为350～700mm，例如500±50mm。
金属铍棒含铍量可在98.2％以上(质量分数)，相对密度可在97％以上。
在本实施例中，在将金属铍棒放入等离子电弧熔化旋转雾化装置之前，所述方法还可包括步骤：将金属铍棒按适合旋转雾化装置要求进行加工。
在本实施例中，向装置通入惰性气体的流量可以为80～900L/min，例如500±200L/min，其压力为0.4～0.6MPa，例如0.5±0.05MPa。
通入的惰性气体可以为高纯氩气与氦气的混合气体，其中氦气的体积占比10～90％，例如氦气体积占比可以为50％±20％。市场上最易获得的惰性气体是氮气、氩气和氦气，其它惰性气体相对不易获得，氮气不适用于本发明的加工材料，选择热熔相差大的氩气和氦组成的气混合，可以用来调整工艺中的冷却速度。
根据金属铍粉产品的粒度要求而变，氩气与氦气的总流量为80～900L/min，例如200、500、700L/min等，其压力为0.4～0.6MPa，例如0.5、0.55MPa等。
优选地，氦气、氩气纯度都可以在99.995％以上；更优选地，氦气、氩气纯度都可以在99.999％以上。
在本实施例中，金属铍棒旋转的转速可以为12000～26000rpm，例如15000、20000、25000rpm等。
在本实施例中，可通过对棒料连续进给来补充熔化飞离的液体膜，进料速度(也可称为给料速度)可以在0～200mm/min连续可调，以持续获得生产3D打印能用不同粒度需求的金属铍粉，例如50、110、170mm/min。
在本实施例中，在制备开始时，350～700mm长的金属铍棒可完全放入装置的真空腔内，金属铍棒旋转同时给进，当距离到达弧长35～80mm要求时，开启电弧。
其中，金属铍棒的一端可连接给进系统，另一端可通过电弧连接等离子枪正极。
采用本发明的金属铍粉制备方法可实现批量化制备能满足3D打印要求的金属铍粉。制备出金属铍粉的粒度在15～250μm区间的粉末收率可在83％以上，53～150μm区间的粉末收率可在75％以上，例如76％、80％等。粉末颗粒形貌与标准圆之比的球形度可在90％以上，进一步地，可在92％以上，例如93％。
对比粉末产品的氧含量与原料棒的氧含量，制粉过程氧含量的增量：≤150ppm，氮增量：≤30ppm。
在本实施例中，本发明可通过电弧熔化旋转雾化装置来制备金属粉末(即金属铍粉)，例如等离子电弧熔化旋转离心雾化装置。
在金属粉末的过程中，由于金属的性质不同及熔点不同，金属液粘度也不同，熔化电弧能量密度的高低决定了铍原料棒熔化端面液膜层的厚薄，进而影响粉末粒度和雾化过程的顺利进行。电弧能量密度过低，将延长原料棒熔化完成时间，导致大量热量传递到电机轴、轴承，使电机不能正常工作。电弧能量密度过高，铍原料棒熔化端面液膜层太厚不但使粉末变粗而且还易产生飞边并加大原料棒的振动，使雾化过程不能进行。工作电流决定了电弧能量密度的高低。
原料铍棒的旋转速度、工作电流大小、弧距的长短及原料铍棒的给进速度是本发明的重要工艺参数，这些工艺参数的组合协同才能使得雾化过程顺利实现。
在本实施例中，电弧熔化旋转雾化装置(可简称为雾化系统)主要包括：
(1)电弧熔化系统：工作电流输出200～4000A，电弧长35～80mm，弧柱直径30～40mm。电弧熔化系统可以将金属铍原料棒熔化为液滴。
(2)旋转离心雾化系统(可简称旋转系统)：将金属铍原料棒放入旋转离心雾化系统中，旋转系统能够控制金属铍棒的转速为12000～26000rpm。旋转系统能够使金属铍棒熔化后产生离心力，在离心力的作用下金属铍棒前端的液膜雾化为液滴冷却成粉。
(3)给进系统：给进系统可连接金属铍棒的一端。给进系统可通过对棒料(即金属铍棒)连续进给来补充熔化飞离的液体膜，进料速度可以在0～200mm/min连续可调。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
将含铍98.2％和相对密度97％的金属铍棒(主要成分见表1)加工成Ф50×700mm原料铍棒，除去原料铍棒表面氧化物及杂质。
将除去表面氧化物及杂质的原料铍棒放入电弧旋转电极装置中，抽真空度到3×10-3Pa。
然后向装置通入混合惰性气体，在确保雾化腔内氧含量低于3ppm时，在惰性气体保护下开启电弧，通过调整工作电流大小来控制电弧熔化的功率进而达到控制对金属铍棒的熔化速度，其中，工作电流输出1800A，电弧长70mm。
旋转原料铍棒，转速为16000rpm，原料铍棒前端被电弧熔化出液膜，原料铍棒经高速旋转其离心力将液膜破碎为细小的金属铍液滴，在混合惰性气体环境中冷却凝固。其中，金属铍棒进料速度为108mm/min。混合惰性气体中纯度为99.995％的氩气体积占比为20％，纯度为99.995％的氦气体积占比为80％；混合惰性气体的流量为500L/min，其压力为0.6MPa。
制取的金属铍粉待冷却至室温后取出，在氩气的保护下用超声波振动筛进行筛分，按照粒度分级，获得不同级别的球形金属铍粉，用塑料膜真空包装成为产品。
表1示例1中金属铍棒主要元素的含量(wt％)
所制取的3D打印用金属铍粉产品的颗粒形貌呈球形或类球形，例如图1示出的粒度在53～150μm范围内金属铍粉的形貌示意图。图2示出了金属铍粉的粒度分布图，从该图中可以得知，主要集中在50～150μm。
金属铍粉产品的主要化学元素含量如表2所示，与制粉前的原料棒成分基本相当，铝及杂质金属元素有所减少，其中，镁在万度高温下要被气化。获得的金属铍粉在45～250微米范围内颗粒的氧含量为0.073％，氧增量小于140ppm，氮增量小于18ppm，球形度为92％，尺寸在53～150μm范围内流动性88s/50g(使用“霍尔流速计”测试流动性)。
表2示例1中金属铍粉末的主要化学成分(wt％)
示例2
取含铍大于99.1％，相对密度大于97％的金属铍棒(见表3)，加工成直径为Ф100×350mm的原料铍棒，除去原料铍棒表面氧化物及杂质。
将除去表面氧化物及杂质的原料铍棒放入电弧旋转电极装置中，抽真空度到3×10-3Pa。
然后向装置通入混合惰性气体确保雾化腔内氧含量低于3ppm时，在惰性气体保护下开启电弧，通过控制电弧熔化的功率，工作电流大小来控制对金属铍棒的熔化速度，工作电流输出2800A，电弧长45mm。
旋转原料铍棒，转速为26000rpm，原料铍棒端面被电弧熔化成液膜，经旋转离心力将液膜破碎为细小的金属铍液滴，在混合惰性气体环境中冷却凝固，同时对棒料连续进给，金属铍棒进料速度为48mm/min连续给进不断的补充离心力甩出去的液膜，制取金属铍粉。混合惰性气体中纯度99.999％氩气体积占比为90％，纯度99.999％的氦气占10％。混合惰性气体的流量为120L/min，其压力为0.4MPa。
待冷却至室温后取出，在氩气的保护下用超声波振动筛进行筛分，按照粒度分级，获得不同级别的球形金属铍粉，用塑料膜真空包装成为产品。
表3示例2中金属铍棒主要元素的含量(wt％)
表4示出了该示例制备出的金属铍粉的化学成分，通过对比可知，所制取3D打印用金属铍粉产品的主要化学元素含量与制粉前的原料棒成分相当。
表4示例2中金属铍粉末的主要化学成分(wt％)
图3示出了粒度在15～53μm的金属铍粉的形貌示意图，金属铍粉的颗粒形貌呈球形或类球形，球形度90％。金属铍粉在15～53μm范围内颗粒的氧含量为0.078％，其增量小于140ppm；尺寸在15～53μm范围内流动性92s/50g。
本发明另一方面提供了一种3D打印用金属铍粉。金属铍粉可包括采用上述的制备方法所制备出的金属铍粉。
本发明再一方面提供了一种3D打印用金属铍粉的应用，应用可包括在激光或电子束3D打印领域中的应用，例如在高速激光熔覆沉积领域、电子束选区熔化领域等。
综上所述，本发明的3D打印用金属铍粉及其制备方法、应用的优点可包括：
(1)本发明制备方法的生产效率高、成本低。
(2)本发明将电弧熔化系统和旋转离心雾化系统结合，生产的金属铍粉具有：粉末粒径细小、粒经分布区间窄、粉末颗粒球形度高、流动性好、松装密度大、振实密度高和夹杂物少的特点。
(3)在铍有毒性的情况下，本发明装置密封效果好，在雾化腔采用了真空加惰性气体保护的方式，减小了铍污染物泄露的风险。
(4)本发明制备出的金属铍粉可以通过增材制造技术开发出大量的复杂铍零件，能够满足航天航空及国防军工的需要。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
