一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，包括如下步骤：采用气流粉碎分级技术分别将硬质相/陶瓷相粉末、粘结相金属粉末进行解聚、破碎和分级；将硬质相/陶瓷相粉末、粘结相金属粉末和增稠剂加入到溶液中，得到凝胶悬浮液；将凝胶悬浮液喷雾干燥获得多孔球形粉末；对多孔球形粉末进行预烧结

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末及其制备方法


[0001]本专利技术涉及粉末冶金与粉末工程
，具体涉及一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末及其制备方法。

技术介绍

[0002]硬质合金和金属陶瓷是通过粉末冶金方法制备的一种复合材料，其主要由硬质相/陶瓷相粒子和粘结相金属组成。传统粉末冶金方法制备硬质合金/金属陶瓷的过程包括硬质相/陶瓷相粒子
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粘结相金属混合料制备、压制成形和烧结等工艺。常用的成形工艺有模压成形、挤压成形、注射成形等。受模具制造、形状等的限制，在实际生产中，仍有一些形状复杂的零部件很难采用传统压制工艺成形，从而限制了硬质合金/金属陶瓷的应用。
[0003]增材制造(3D打印)作为一种新兴的先进成型技术，已经在航空航天材料、生物材料等领域得到应用，并正向更多的材料制造领域扩展。由于潜在的技术和成本优势，国内外企业和研发机构正在致力于3D打印硬质合金和金属陶瓷的研发。与现有的硬质合金/金属陶瓷制造方法相比，3D打印技术不仅能制造出形状更为复杂、密度更加均匀的坯体，而且还能省去模具制造，节约制造成本。与金属、高分子材料的3D打印技术相比，硬质合金/金属陶瓷的3D打印技术起步较晚。目前，3D打印硬质合金/金属陶瓷成形方法主要有喷胶粘粉技术(binder jetting 3D printing，BJ3DP)、选择性激光烧结技术(selective laser sintering，SLS)、选区激光熔化(selective laser melting，SLM)等。然而，由于原材料熔点高、晶体生长和颗粒重排不够充分等原因，现有的3D打印技术难以获得结构与性能媲美传统粉末冶金方法制备的硬质合金和金属陶瓷。对硬质相/陶瓷相粉末、粘结相粉末等的物理性能及均匀性的高要求在很大程度上制约了3D打印技术在硬质合金和金属陶瓷领域的发展。
[0004]混合粉末/浆料的制备是3D打印成形的重要一步。金属/合金3D打印用粉末的制备通常采用气雾化、等离子球化等方法制备，但硬质合金/金属陶瓷的硬质相/陶瓷相熔点通常在2000℃以上，难以采用气雾化、等离子球化等方法制备。申请号CN202010575189.2的中国专利公开了通过球磨+预烧结+机械破碎的方式制备3D打印用硬质合金粉末。申请号为US20170072469A1的美国专利提供了一种制备致密球形硬质合金或金属陶瓷颗粒粉末的方法，其主要步骤包括球形粉末的形成和烧结。但专利申请US20170072469A1未公布球形粉末形成前硬质/陶瓷粒子与粘结相金属均匀混合的方法，专利申请CN202010575189.2则通过球磨的方式将WC粉末与Co粉混合均匀。中国专利CN201510107078.8也提出了采用湿磨工艺获得硬质合金3D打印用粉末。
[0005]如前所述，3D打印技术对硬质相/陶瓷相粉末、粘结相粉末的物理性能及均匀性有极高的要求。传统球磨法生产均匀复合粉末或者粉末混合物存在缺陷。例如，长时间、高强度球磨导致硬质相/陶瓷相晶粒粒径急剧下降以及产生过宽的晶粒粒径分布，而球磨强度不足则成分分散不均匀。这种粉末缺陷在3D打印制备硬质合金/金属陶瓷时表现尤为明显，以激光选区熔化制备硬质合金/金属陶瓷为例，在激光扫描过程中，快速的熔化和凝固使材
料无法完成液相充分流动和颗粒重排，短时液相的出现导致硬质相/陶瓷相晶粒的溶解再析出长大受限。也就是说，用于3D打印的原料粉末结构对3D打印硬质合金/金属陶瓷的结构有至关重要的意义。另一方面，如何提高3D打印硬质合金/金属陶瓷的表面质量、致密度、性能指标和打印效率一直是研究人员重点关注的领域，而粉末的粒度和质量对于实现这些目标是至关重要的。
[0006]鉴于此，有必要提供一种新的工艺解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，制备的球形粉末具有硬质相/陶瓷相结构可控、致密度高、物相分布和球形颗粒粒径高度均匀的特点；且工艺简单、成本低。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，包括如下步骤：
[0010]步骤S1，采用气流粉碎分级技术分别将硬质相/陶瓷相原料粉末、粘结相金属原料粉末进行解聚、破碎和分级，得到均匀且粒度分布范围窄的硬质相/陶瓷相粉末和粘结相金属粉末；
[0011]步骤S2，将硬质相/陶瓷相粉末、粘结相金属粉末和增稠剂加入到溶液中，搅拌分散均匀，得到凝胶悬浮液；
[0012]步骤S3，将凝胶悬浮液在保护性气氛下喷雾干燥获得多孔球形粉末；
[0013]步骤S4，在还原性或保护性气氛下，对步骤S3所得多孔球形粉末进行预烧结
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还原处理，去除增稠剂，得到初步致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末；
[0014]步骤S5，采用气流粉碎分级技术将步骤S4获得的初步致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末进行解聚和分级，得到均匀且粒度分布范围窄的硬质相/陶瓷相粉末；
[0015]步骤S6，将步骤S5获得的硬质相/陶瓷相粉末进行等离子体球化，得到高致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末。
[0016]进一步地，步骤S1中，硬质相/陶瓷相粉末为碳化钨、碳化钼、碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、碳化钽、碳化铌、碳化硅、硼化钛、碳化硼、硼化铼、氧化铝、氧化锆、氧化镁中的至少一种；
[0017]粘结相金属原料粉末为金属Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、W、Mo中的至少一种。
[0018]进一步地，步骤S1中，经气流粉碎分级获得的硬质相/陶瓷相粉末的平均粒度为0.1～30μm；粘结相粉末的平均粒度0.2～100μm。
[0019]进一步地，步骤S1和步骤S5中，气流粉碎分级技术为采用对喷式气流磨进行气流粉碎分级，其工作参数为：进料速度10～500Kg/h，气流磨工作压力1.5～25MPa，旋风收集器风压1.2～20KPa。
[0020]进一步地，步骤S2中，溶液与粉末材料的体积比为1:1
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8:1，增稠剂的加量为溶液质量的0.3
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5.5％；其中溶液为去离子水、醇类有机溶液、或去离子水与醇类有机溶液的混合液；
[0021]增稠剂为羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种；
[0022]醇类有机溶液为甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇中的至少一种。
[0023]进一步地，步骤S3中，保护性气氛为氮气或氩气，喷雾干燥的温度为50～100℃。
[0024]进一步地，步骤S4中，还原性或保护性气体为氢气、一氧化碳、甲烷、氮气、氩气中的至少一种；预烧结工艺的加热温度为500～1200℃，加热保温时间为30～180min。
[0025]进一步地，步骤S6中，获得的高致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末平均粒度为5
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100μm，平均孔隙度低于2％；其中硬质相/陶瓷相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，采用气流粉碎分级技术分别将硬质相/陶瓷相原料粉末、粘结相金属原料粉末进行解聚、破碎和分级，得到均匀且粒度分布范围窄的硬质相/陶瓷相粉末和粘结相金属粉末；步骤S2，将硬质相/陶瓷相粉末、粘结相金属粉末和增稠剂加入到溶液中，搅拌分散均匀，得到凝胶悬浮液；步骤S3，将凝胶悬浮液在保护性气氛下喷雾干燥获得多孔球形粉末；步骤S4，在还原性或保护性气氛下，对步骤S3所得多孔球形粉末进行预烧结
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还原处理，去除增稠剂，得到初步致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末；步骤S5，采用气流粉碎分级技术将步骤S4获得的初步致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末进行解聚和分级，得到均匀且粒度分布范围窄的硬质相/陶瓷相粉末；步骤S6，将步骤S5获得的硬质相/陶瓷相粉末进行等离子体球化，得到高致密球形硬质合金/金属陶瓷粉末。2.根据权利要求1所述的3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，步骤S1中，硬质相/陶瓷相粉末为碳化钨、碳化钼、碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、碳化钽、碳化铌、碳化硅、硼化钛、碳化硼、硼化铼、氧化铝、氧化锆、氧化镁中的至少一种；粘结相金属原料粉末为金属Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、W、Mo中的至少一种。3.根据权利要求2所述的3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，步骤S1中，经气流粉碎分级获得的硬质相/陶瓷相粉末的平均粒度为0.1～30μm；粘结相粉末的平均粒度0.2～100μm。4.根据权利要求1所述的3D打印用硬质合金/金属陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，步骤S1和步骤S5中，气流粉碎分级技术为采用对喷式气流磨进行气流粉碎分级，其工作参数为：进料速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：何人桂，邱玉珍，张小联，杨海林，欧平花，杨初斌，韩宝军，彭光怀，方玲，
申请(专利权)人：赣州飞腾轻合金有限公司中南大学，
类型：发明
国别省市：