一种球形TiTa合金粉末的制备方法与流程

本发明属于粉末冶金制备
技术领域：
，具体涉及一种球形TiTa合金粉末的制备方法。
背景技术：
：相对于传统的TC4、NiTi等生物医用合金，TiTa合金因其拥有更优异的生物相容性、优良的抗腐蚀性、低弹性模量等特性，使其成为当前最为理想的生物医用植入材料之一并且需求量快速增长。同时，随着3D打印技术(激光快速制造、电子束选区熔化技术)的飞速发展，流动性好、气孔夹杂少、杂质含量低的高性能球形钛钽合金粉末将成为3D打印生物医用植入体的重要基础原料，有望得到更为广泛的应用。等离子旋转电极雾化制粉技术是目前制备球形高温合金粉末的主要方法之一。该技术所用原料是经过真空自耗电极电弧炉的多次熔炼制成棒材所得。申请号为201610220596.5和201610219834.0的专利中已经详细地介绍了球形钛合金粉末和球形铌粉的制备方法和装置。但是，对于高熔点差、高密度差的Ti-Ta二元完全固溶合金而言，该技术涉及到棒材的多次(5～6次)重复熔炼，而每熔炼一次需做一次扒皮处理，原料浪费极大，原料损失率达到40％，生产成本增加了1.5倍。并且，原料在多次重复熔炼的中间过程中极易受到污染，从而引起所制粉末存在纯度低、氧含量偏高的问题。此外，熔炼时极易产生钛的挥发以及元素之间的分层，从而容易导致成分偏析，而合金锭材熔炼的均匀性直接影响等离子旋转电极雾化制粉的组织成分、粒度分布。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种球形TiTa合金粉末的制备方法。该制备方法操作过程简单，生产效率高，所制TiTa合金粉末受污染风险降低，氧含量≤0.1wt.％，成分均匀无偏析；并且原料节约至少30％以上，能够有效降低球形TiTa合金粉末的制造成本50％，进而满足高品质球形TiTa合金粉末的低成本、规模化生产。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种球形TiTa合金粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为80r/min～120r/min，所述混料机的混料时间为12h～18h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为(2～4):1；步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为160MPa～200MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空烧结炉中，在真空度不低于4.0×10-2Pa的条件下进行预烧结处理，所述预烧结处理的温度为1500℃～1600℃，所述预烧结处理的时间为30min；步骤四、将步骤三中预烧结处理后的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2kA～3kA，所述熔炼电压为20V～40V；步骤五、步骤四中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤六、将步骤五中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形TiTa合金粉，所述TiTa合金粉的粒径为30μm～250μm。上述的一种球形TiTa合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述混料机为V型混料机。上述的一种球形TiTa合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤四中所述熔炼的次数为2次。上述的一种球形TiTa合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤六中所述TiTa合金粉中Ta的质量百分含量为40％～80％，所述TiTa合金粉中Ti的质量百分含量为20％～60％。上述的一种球形TiTa合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤六中所述等离子旋转电极雾化工艺的具体过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空，使雾化室的真空度不低于4.0×10-2Pa，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到10000r/min～15000r/min后，等离子钨极枪加载1200A～1500A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.0mm/min～1.4mm/min。本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明制备TiTa合金粉末过程简单，减少熔炼次数从而避免重复扒皮浪费原料，节约原料30％以上。同时熔炼次数的减少，还能够有效降低球形TiTa合金粉末的制造成本50％，提高粉末的生产效率。2、本发明制备的粉末受污染风险减小，其中氧元素含量大幅度降低，所制粉末的氧含量≤0.1wt.％，粉末球形度高，能够满足高品质球形TiTa合金粉末的低成本、规模化生产要求。3、本发明彻底解决了高熔点差、高密度差的Ti-Ta二元完全固溶合金的低成本均匀熔炼问题，并突破了球形TiTa合金粉末的高效率、低成本等离子旋转电极雾化制备技术。下面通过附图、实施例和对比例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。附图说明图1是本发明的工艺流程图。图2是本发明实施例1制备的球形Ti-65Ta合金粉末的SEM图。图3是本发明实施例4、对比例1和对比例2制备的Ti-50Ta成品合金棒材的X射线衍射图谱。图4是本发明实施例4制备的Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图。图5是本发明对比例1制备的Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图。图6是本发明对比例2制备的Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图。具体实施方式实施例1本实施例制备球形Ti-65Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为90r/min，所述混料机的混料时间为15h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为3:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为65％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为35％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为190MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空烧结炉中，在真空度不低于3.2×10-2Pa的条件下进行预烧结处理，所述预烧结处理的温度为1570℃，所述预烧结处理的时间为30min；步骤四、将步骤三中预烧结处理后的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行两次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2.5kA，所述熔炼电压为30V；步骤五、步骤四中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤六、将步骤五中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-65Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备Ti-65Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到14000r/min后，等离子钨极枪加载1400A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.1mm/min。图2是本实施例制备的球形Ti-65Ta合金粉末的SEM图。从图上可以看出，Ti-65Ta合金粉末为球形，球形度较高。本实施例制备的球形Ti-65Ta合金粉的粒径为30μm～250μm，并且粒径≤150μm的收率为72％，Ti-65Ta合金粉的氧含量为0.08wt.％，在制备球形Ti-65Ta合金粉的过程中合金棒坯的扒皮损失率仅为5％。实施例2本实施例制备球形Ti-40Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为80r/min，所述混料机的混料时间为12h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为2:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为40％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为60％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为160MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空烧结炉中，在真空度不低于3.0×10-2Pa的条件下进行预烧结处理，所述预烧结处理的温度为1500℃，所述预烧结处理的时间为30min；步骤四、将步骤三中预烧结处理后的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行两次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2.0kA，所述熔炼电压为20V；步骤五、步骤四中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤六、将步骤五中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-40Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备Ti-40Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到10000r/min后，等离子钨极枪加载1200A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.4mm/min。本实施例制备的球形Ti-40Ta合金粉的粒径为30μm～250μm，并且粒径≤150μm的收率为74％，Ti-40Ta合金粉的氧含量为0.08wt.％，在制备球形Ti-40Ta合金粉的过程中合金棒坯的扒皮损失率仅为5％。实施例3本实施例制备球形Ti-80Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为120r/min，所述混料机的混料时间为18h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为4:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为80％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为20％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为200MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空烧结炉中，在真空度不低于2.0×10-2Pa的条件下进行预烧结处理，所述预烧结处理的温度为1600℃，所述预烧结处理的时间为30min；步骤四、将步骤三中预烧结处理后的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行两次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为3.0kA，所述熔炼电压为40V；步骤五、步骤四中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤六、将步骤五中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-80Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备Ti-80Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到15000r/min后，等离子钨极枪加载1500A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.0mm/min。本实施例制备的球形Ti-80Ta合金粉的粒径为30μm～250μm，并且粒径≤150μm的收率为70％，Ti-80Ta合金粉的氧含量为0.09wt.％，在制备球形Ti-80Ta合金粉的过程中合金棒坯的扒皮损失率仅为5％。实施例4本实施例制备球形Ti-50Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为100r/min，所述混料机的混料时间为15h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为3:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为50％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为50％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为180MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空烧结炉中，在真空度不低于3.0×10-2Pa的条件下进行预烧结处理，所述预烧结处理的温度为1550℃，所述预烧结处理的时间为30min；步骤四、将步骤三中预烧结处理后的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行两次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2.5kA，所述熔炼电压为30V；步骤五、步骤四中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤六、将步骤五中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-50Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备球形Ti-50Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到12000r/min后，等离子钨极枪加载1300A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.3mm/min。图3中具有本实施例成品合金棒材的X射线衍射图谱，图4是本实施例Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图，结合图3和图4可以看出Ta粉和Ti粉混合均匀。同时在图4上标记了a区域和b区域进行能谱分析(如表1)，表1的结果进一步证明，最终所制TiTa合金成分均匀且实现了完全合金化。本实施例制备的球形Ti-50Ta合金粉末粒径≤150μm的收率为73％，氧含量为0.09wt.％，在制备球形Ti-50Ta合金粉的过程中合金棒坯的扒皮损失率仅为5％。表1实施例4中Ti-50Ta成品合金棒材的能谱分析结果区域Ta(wt.％)Ti(wt.％)a区域50.149.9b区域50.050.0对比例1本对比例制备球形Ti-50Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为100r/min，所述混料机的混料时间为15h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为3:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为50％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为50％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为180MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行两次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2.5kA，所述熔炼电压为30V；步骤四、步骤三中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤五、将步骤四中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-50Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备球形Ti-50Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到12000r/min后，等离子钨极枪加载1300A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.3mm/min。图3是本对比例成品合金棒材的X射线衍射图谱，图5是本对比例Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图，结合图3和图5可以看出Ta粉和Ti粉混合不均匀。同时在图5上标记了c区域和d区域进行能谱分析(如表2)，表2的结果进一步证明2次熔炼制得的TiTa合金成分产生了严重偏析。表2对比例1中Ti-50Ta成品合金棒材的能谱分析结果区域Ta(wt.％)Ti(wt.％)c区域50.349.7d区域60.739.3在等离子旋转电极雾化过程中形成了大量的大块粉渣，粉末粒径≤150μm的收得率仅为10％，氧含量为0.09wt.％。可见2次熔炼的原料成分极不均匀，尚未完全合金化，因而在旋转电极制粉过程中高熔点合金以大块粉渣的形式被甩出来。对比例2本对比例制备球形Ti-50Ta合金粉末的方法包括以下步骤：步骤一、将Ti粉、Ta粉置于混料机中混合，得到混合粉末；所述混料机的转速为100r/min，所述混料机的混料时间为15h，所述混料机中钢球与所述混合粉末的重量比为3:1；所述混料机为V型混料机；所述混合粉末中Ta的质量百分含量为50％，所述混合粉末中Ti的质量百分含量为50％。步骤二、将步骤一中所述混合粉末装入压制模具中，用冷等静压压制成坯，所述冷等静压的压制压力为180MPa；步骤三、将步骤二中压制好的压坯置于真空自耗电极电弧炉中进行五次熔炼，得到直径为60mm的棒坯；所述熔炼电流为2.5kA，所述熔炼电压为30V；步骤四、步骤三中所述棒坯经锻造扒皮、打孔、攻丝处理后，加工成等离子旋转电极雾化制粉用的成品合金棒材；步骤五、将步骤四中所述成品合金棒材经等离子旋转电极雾化工艺制成球形Ti-50Ta合金粉；所述等离子旋转电极雾化制备球形Ti-50Ta合金粉末的具体工艺过程为：首先将成品合金棒材夹持在电机主轴上，对雾化室进行抽真空(真空度不低于4.0×10-2Pa)，然后向雾化室中充入氩气保护；随后，电机主轴带动成品合金棒材开始高速旋转，当转速达到12000r/min后，等离子钨极枪加载1300A的电流起弧，将成品合金棒材的端面熔化，并形成熔池，在高速旋转的离心力作用下，熔化的液态金属被高速甩出进一步形成细小的熔滴，同时熔滴因其表面张力的作用而发生球化，并最终快速凝固形成球形TiTa合金粉末；其中所述高纯氩气的体积纯度为99.99％，所述成品合金棒材的进给速度为1.3mm/min。图3中具有本对比例成品合金棒材的X射线衍射图谱，图6是本对比例Ti-50Ta成品合金棒材的微观组织图，结合图3和图6可以看出Ta粉和Ti粉混合均匀。同时在图6上标记了e区域和f区域进行能谱分析(如表3)，表3的结果进一步证明，经过5次熔炼后的TiTa合金成分均匀性得到提高，且实现了完全合金化。表3对比例2中Ti-50Ta成品合金棒材的能谱分析结果区域Ta(wt.％)Ti(wt.％)e区域50.149.9f区域50.050.0本对比例制备的球形Ti-50Ta合金粉末粒径≤150μm的收率为72％。但是，五次熔炼过程中反复扒皮使得原料损失了35％，粉末生产成本提高了50％，且氧含量高达0.18wt.％。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。当前第1页1 2 3