一種用于金屬增材制造的鈷鉻鉬合金粉體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于金屬增材制造的鈷鉻鉬合金粉體，其組分重量百分含量為：Co：65%～75%，Cr：15%～25%，Mo：3%～7%，Si：≤1%，Mn：≤1%，S：≤0.010%，P：≤0.010%，余量為雜質(zhì)。本發(fā)明還公開了上述一種用于金屬增材制造的鈷鉻鉬合金粉體的制備方法。本發(fā)明的鈷鉻鉬合金粉體和采用本發(fā)明制備方法制得的鈷鉻鉬合金粉體具有含氧量低、晶粒尺寸小、球形度高等性能，采用本發(fā)明粉體制造的成形零件致密度高，有利于金屬增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種用于金屬增材制造的鈷鉻鉬合金粉體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，具體是一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的增材制造方法中，制造金屬零件的金屬增材制造技術(shù)包括選擇性激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)、直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)(Direct Metal LaserSintering, DMLS)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering, SLS)及電子束熔化成型技術(shù)(Electron Beam Melting, EBM),這幾種技術(shù)是近年出現(xiàn)的主流金屬快速成形技術(shù)，是快速原型制造(Rapid Prototyping & Manufacturing, RP&M)的最新發(fā)展形式之一。這幾種技術(shù)應(yīng)用分層制造思想，利用高能量激光束或電子束將成形材料熔化，材料融化后在軟件程序驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)按設(shè)計(jì)工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來形成金屬零件。
[0003]鈷鉻鑰合金是醫(yī)學(xué)上常用的生物兼容性材料，在20世紀(jì)30年代初，鑄造用鈷鉻鑰合金已開始應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。如今鈷鉻鑰合金仍被認(rèn)為是最可靠的生物兼容性材料，由于其良好的機(jī)械性能，以及耐腐蝕耐磨損性，被廣泛用于外科植入體、心血管支架及牙科修復(fù)，其耐磨性能優(yōu)于鈦合金、不銹鋼，使其更適用于活動(dòng)關(guān)節(jié)。醫(yī)學(xué)上對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品需求日益增多，而傳統(tǒng)制造方式無法滿足對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品快速低成本響應(yīng)的需求。采用金屬增材制造技術(shù)制造個(gè)性化產(chǎn)品能滿足快速低成本響應(yīng)的需求，然而，金屬增材制造對(duì)于成形粉末的粉末粒徑、球形度、含氧量、流動(dòng)性、松裝密度等性能具有較高的要求，目前的鈷鉻鑰合金粉末含氧量較高，鈷鉻鑰合金粉末的粒度分布、松裝密度、流動(dòng)性等性能缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和系列化規(guī)范，這使得采用金屬增材制造的鈷鉻鑰金屬零件性能較差，進(jìn)而會(huì)影響增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體，其具有含氧量低、球形度和松裝密度高、流動(dòng)性好等特性，采用該粉體制造的成形零件致密度高，進(jìn)而有利于將金屬增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域推廣應(yīng)用；本發(fā)明還公開了上述鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，采用該方法制備鈷鉻鑰合金粉體操作便捷、成本低，且能保證制備的鈷鉻鑰合金粉體具有含氧量低、球形度和松裝密度高、流動(dòng)性好等特性，且便于對(duì)粉體粒徑進(jìn)行控制。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題主要通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體，其組分重量百分含量為:Co:65%~75%，Cr:15%~25%，Mo:3%~7%，Si:(1%，Mn:≤ 1%，S:≤ 0.010%, P:≤ 0.010%，余量為雜質(zhì)。
[0006]一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、將金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳混合并加入真空感應(yīng)爐熔煉制得鈷、鉻、鑰、硅及錳的混合熔液，或?qū)⑩掋t鑰合金材料加入真空感應(yīng)爐熔煉制得合金熔液；其中，用于熔煉的金屬或合金材料各組分的重量百分比為:Co:65%~75%，Cr:15%~25%，Mo:3%~7%，Si .( 1%，Mn .( 1%，余量為雜質(zhì)；
步驟二、將步驟一制得的熔液加入霧化器進(jìn)行霧化得到金屬小液滴或合金小液滴；步驟三、將步驟二生成的小液滴置于冷卻介質(zhì)中，得到固體金屬顆?；蚝辖痤w粒；步驟四、將金屬顆?；蛘吆辖痤w粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50μπι以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)；
步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占45%~55%、粒徑50~200 μ m占45%~55%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。其中，步驟一至步驟五分別進(jìn)行的操作步驟為熔煉、霧化、冷卻、分級(jí)及配比。在熔液熔煉過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)組分的含量，并對(duì)熔液進(jìn)行取樣，采用激光能譜儀測定實(shí)時(shí)的組分含量，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整保證各組分的含量在本方案需求的范圍內(nèi)。
[0007]進(jìn)一步的，所述步驟一中的熔煉溫度為1400~1550°C。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟二中霧化壓力為0.1~IMPa，介質(zhì)噴出速度為300~600m/s，熔液過熱度為I~10°c。本發(fā)明采用較高的霧化壓力和介質(zhì)噴出速度，能進(jìn)一步提高球形度和降低氧含量，且通過控制霧化壓力和介質(zhì)噴出速度，便于能制得的粉體粒徑進(jìn)行控制。
[0009]進(jìn)一步的，所述步驟二中采用高純氮?dú)?、氦氣或氬氣作為霧化氣體。本發(fā)明采用高純氮?dú)狻⒑饣驓鍤庾鳛殪F化氣體，是為了防止制粉過程中粉末發(fā)生氧化。 [0010]進(jìn)一步的，所述步驟二采用具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器進(jìn)行霧化。
[0011]進(jìn)一步的,所述步驟三的冷卻介質(zhì)采用液氮霧。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟二中向霧化器內(nèi)加入熔液的具體過程為:將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5_的漏包漏入霧化器內(nèi)。其中熔液經(jīng)過漏包的目的是為了過濾熔液中的漂浮雜質(zhì)和未完全熔化的雜質(zhì)，保證熔液的純度。
[0013]綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果:(I)本發(fā)明的鈷鉻鑰合金粉體球形度達(dá)到90%以上，氧含量低于1500ppm，粉體內(nèi)部無氣孔類缺陷，粉體雜質(zhì)少，晶粒細(xì)小，流動(dòng)性好，無粘粉現(xiàn)象，松裝密度高，適合于SLM、SLS、EBM幾類金屬增材制造技術(shù)金屬粉體的要求。
[0014](2)本發(fā)明的鈷鉻鑰合金粉體中Co的重量百分含量在65%~75%的范圍內(nèi)，Cr的重量百分含量在15%~25%的范圍內(nèi)，使得采用該粉體成型的零件具有較好的耐磨性和耐腐蝕性，滿足醫(yī)學(xué)植入體的要求；在合金粉體中加入S1、Mn、S、P等微量元素，能提高合金成型件的綜合力學(xué)性能。
[0015](3)本發(fā)明的鈷鉻鑰合金粉體制備方法依次經(jīng)過熔煉、霧化、冷卻、分級(jí)及配比步驟，整體工序簡單，操作便捷，制造成本低，制備得到的鈷鉻鑰合金粉體球形度達(dá)到90%以上,氧含量小于1500ppm,粉體內(nèi)部無氣孔類缺陷,粉體雜質(zhì)少，晶粒細(xì)小,便于對(duì)粉體粒徑進(jìn)行控制。
[0016](4)本發(fā)明的合金粉體主要由鈷、鉻、鑰三種金屬組成，且三種金屬通過合理的配t匕，該合金粉體應(yīng)用于金屬增材制造時(shí)，制成的成形零件致密度能達(dá)到94%以上，進(jìn)而有利于將金屬增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】[0017]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0018]實(shí)施例1:
一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，包括依次進(jìn)行的以下步驟:步驟一、將金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳混合并加入真空感應(yīng)爐在1400~1500°C的溫度下熔煉制得鈷、鉻、鑰、硅及錳的混合熔液，其中，用于熔煉的金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳的重量百分比為:Co:65%, Cr:25%, Mo:5%，S1:1%，Mn:0.8%，余量為雜質(zhì)；步驟二、將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5_的漏包漏入具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器中，進(jìn)行霧化得到金屬小液滴，其中，霧化采用高純氮?dú)庾鳛殪F化氣體，霧化壓力為IMPa，介質(zhì)噴出速度為600m/s，熔液過熱度為10°C;步驟三、將步驟二生成的金屬小液滴置于冷卻介質(zhì)中得到固體金屬顆粒，其中，冷卻介質(zhì)采用液氮霧；步驟四、將金屬顆粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50 μ m以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)；步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占45%、粒徑50~200 μ m占55%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。其中，在步驟一的熔液熔煉過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)組分的含量，并進(jìn)行熔液取樣，采用激光能譜儀測定實(shí)時(shí)的組分含量，加入缺少的組分進(jìn)行熔煉，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整保證熔液中各組分的含量達(dá)到需求的取值。
[0019]采用本實(shí)施例制備得到的鈷鉻鑰合金粉體，其組分重量百分含量為:Co:65%, Cr:25%,Mo:5%, Si:1%,Mn:0.8%, S:0.007%, P:0.009%，余量為雜質(zhì)。經(jīng)檢測平均粒徑為 65 μ m,小于65 μ m的粉末占總體積的58%，球形度為92%，晶粒尺寸比較小，氧含量為1300ppm，綜合物理性能優(yōu)異。
[0020]實(shí)施例2:
一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，包括依次進(jìn)行的以下步驟:步驟一、將金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳混合并加入真空感應(yīng)爐在1400~1500°C的溫度下熔煉制得鈷、鉻、鑰、硅及錳的混合熔液，其中，用于熔煉的金屬鈷、鉻及鑰的重量百分比為:Co:70%,Cr:15%, Mo:7%, S1:0.8%，Mn:1%，余量為雜質(zhì)；步驟二、將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5_的漏包漏入具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器中，進(jìn)行霧化得到金屬小液滴，其中，霧化采用氦氣作為霧化氣體，霧化壓力為0.1MPa，介質(zhì)噴出速度為300m/s，熔液過熱度為1°C ;步驟三、將步驟二生成的金屬小液滴置于冷卻介質(zhì)中得到固體金屬顆粒，其中，冷卻介質(zhì)采用液氮霧；步驟四、將金屬顆粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50 μ m以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)；步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占50%、粒徑50~200 μ m占50%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。其中，在步驟一的熔液熔煉過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)組分的含量，并進(jìn)行熔液取樣，采用激光能譜儀測定實(shí)時(shí)的組分含量，加入缺少的組分進(jìn)行熔煉，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整保證熔液中各組分的含量達(dá)到需求的取值。
[0021]采用本實(shí)施例制備得到的鈷鉻鑰合金粉體，其組分重量百分含量為:Co:70%, Cr:15%,Mo:7%, Si:0.8%, Mn:1%,S:0.006%, P:0.005%，余量為雜質(zhì)。經(jīng)檢測平均粒徑為 75 μ m,小于75 μ m的粉末占總體積的52%，球形度為91%，晶粒尺寸比較小，氧含量為1400ppm，綜合物理性能優(yōu)異。
[0022]實(shí)施例3:一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，包括依次進(jìn)行的以下步驟:步驟一、將金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳混合并加入真空感應(yīng)爐在1400~1500°C的溫度下熔煉制得鈷、鉻、鑰、硅及錳的混合熔液，其中，用于熔煉的金屬鈷、鉻及鑰的重量百分比為:Co:75%,Cr:20%, Mo:3%, S1:0.6%，Mn:0.8%，余量為雜質(zhì)；步驟二、將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5_的漏包漏入具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器中，進(jìn)行霧化得到金屬小液滴，其中，霧化采用氬氣作為霧化氣體，霧化壓力為0.6MPa，介質(zhì)噴出速度為500m/s，熔液過熱度為5°C ;步驟三、將步驟二生成的金屬小液滴置于冷卻介質(zhì)中得到固體金屬顆粒，其中，冷卻介質(zhì)采用液氮霧；步驟四、將金屬顆粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50 μ m以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)；步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占55%、粒徑50~200 μ m占45%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。其中，在步驟一的熔液熔煉過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)組分的含量，并進(jìn)行熔液取樣，采用激光能譜儀測定實(shí)時(shí)的組分含量，加入缺少的組分進(jìn)行熔煉，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整保證熔液中各組分的含量達(dá)到需求的取值。
[0023]采用本實(shí)施例制備得到的鈷鉻鑰合金粉體，其組分重量百分含量為:Co:75%,Cr:20%, Mo:3%, S1:0.6%, Mn:0.8%, S:0.010%, P:0.008%，余量為雜質(zhì)。經(jīng)檢測平均粒徑為72 μ m，小于72 μ m的粉末占總體積的57%，球形度為92%，晶粒尺寸比較小，氧含量為1250ppm,綜合物理性能優(yōu)異。
[0024]實(shí)施例四: 一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，包括依次進(jìn)行的以下步驟:步驟一、將鈷鉻鑰合金材料加入真空感應(yīng)爐在1400~150(TC的溫度下熔煉制得合金熔液，其中，用于熔煉的合金材料各組分的重量百分比為:Co:68%, Cr:23%, Mo:4%，S1:0.7%，Mn:1%,余量為雜質(zhì)；步驟二、將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5mm的漏包漏入具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器中，進(jìn)行霧化得到金屬小液滴，其中，霧化采用高純氮?dú)庾鳛殪F化氣體，霧化壓力為0.9MPa，介質(zhì)噴出速度為550m/s，熔液過熱度為8°C ;步驟三、將步驟二生成的金屬小液滴置于冷卻介質(zhì)中得到固體金屬顆粒，其中，冷卻介質(zhì)采用液氮霧；步驟四、將金屬顆粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50 μ m以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)；步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占48%、粒徑50~200 μ m占52%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。其中，在步驟一的熔液熔煉過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)組分的含量，并進(jìn)行熔液取樣，采用激光能譜儀測定實(shí)時(shí)的組分含量，加入缺少的組分進(jìn)行熔煉，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整保證熔液中各組分的含量達(dá)到需求的取值。
[0025]采用本實(shí)施例制備得到的鈷鉻鑰合金粉體，其組分重量百分含量為:Co:68%, Cr:23%, Mo:4%, Si:0.7%, Mn: 1%, S:0.006%, P:0.008%，余量為雜質(zhì)。經(jīng)檢測平均粒徑為 80 μ m,小于80 μ m的粉末占總體積的68%，球形度為94%，晶粒尺寸比較小，氧含量為1380ppm，綜合物理性能優(yōu)異。
[0026]如上所述，可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體，其特征在于，其組分重量百分含量為:Co:65% ~75%，Cr:15% ~25%，Mo:3% ~7%，S1:≤ 1%，Μη..≤1%, S..≤0.010%,P:≤ 0.010%,余量為雜質(zhì)。
2.一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將金屬鈷、鉻、鑰、硅及錳混合并加入真空感應(yīng)爐熔煉制得鈷、鉻、鑰、硅及錳的混合熔液，或?qū)⑩掋t鑰合金材料加入真空感應(yīng)爐熔煉制得合金熔液；其中，用于熔煉的金屬或合金材料各組分的重量百分比為:Co:65%~75%，Cr: 15%~25%，Mo:3%~7%，S1:≤1%，Mn ≤1%，余量為雜質(zhì)； 步驟二、將步驟一制得的熔液加入霧化器進(jìn)行霧化得到金屬小液滴或合金小液滴；步驟三、將步驟二生成的小液滴置于冷卻介質(zhì)中，得到固體金屬顆?；蚝辖痤w粒；步驟四、將金屬顆粒或者合金顆粒按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)，其中，顆粒粒徑在50 μ m以下為同一等級(jí)，50~200 μ m為同一等級(jí)； 步驟五、將步驟四分級(jí)后的顆粒按粒徑50 μ m以下占45%~55%、粒徑50~200 μ m占45%~55%進(jìn)行配比得到鈷鉻鑰合金粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟一中的熔煉溫度為1400~1550°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟二中霧化壓力為0.1~IMPa，介質(zhì)噴出速度為300~600m/s，熔液過熱度為I~10°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟二中采用高純氮?dú)?、氦氣或氬氣作為霧化氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟二采用具有緊耦合式噴嘴的超音速霧化器進(jìn)行霧化。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟三的冷卻介質(zhì)采用液氮霧。
8.根據(jù)權(quán)利要求2~7中任意一項(xiàng)所述的一種用于金屬增材制造的鈷鉻鑰合金粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟二中向霧化器內(nèi)加入熔液的具體過程為:將步驟一制得的熔液以8kg/min的流量經(jīng)孔徑為5_的漏包漏入霧化器內(nèi)。
【文檔編號(hào)】B22F1/00GK103952596SQ201410197534
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李海英, 蔣賜進(jìn) 申請(qǐng)人:四川省有色冶金研究院有限公司