一种表面微氢化的钛或钛合金粉末的制备方法与流程

本发明涉及一种表面微氢化的钛或钛合金粉末的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术：

气体雾化法是一种通过高速气流直接击碎并快速冷却熔融态金属制备金属粉末的方法，其应用极为广泛，特别是被用于3D打印用金属粉末的生产。3D打印是指以数字模型为依据，通过材料逐层累加的方式进行三维实体物件制造的技术，代表了世界制造业发展的新方向。使用3D打印技术制备的金属物件为了保证其内部组织结构的致密度与均匀性，对所使用金属粉末的粒度分布、球形度与流动性、氧含量等均具有较高要求。

钛合金因其具有质轻、高强以及耐蚀等一系列优异性能，被广泛用于航空航天及军工等领域，也是金属3D打印领域使用最多的一类材料。气雾化法则是制备3D打印用钛合金粉末的常用方法，如中国发明专利CN104308168B公布的一种细粒径低氧球形钛及钛合金粉末的制备方法。然而，由于钛元素极高的化学活性，极易同氧气发生反应在钛合金粉末表面生成致密的氧化层，钛氧化物的存在大大提高了钛合金粉末的激光烧结难度，进而影响3D打印件的成型质量。为防止钛合金粉末的氧化，中国发明专利CN103846447B公布了一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，该方法采用双层雾化喷嘴对钛或钛合金进行雾化和氢化，从而完成了表面生成有氢化钛薄膜的钛或钛合金粉末的制备。但该方法在制粉实践中存在若干不足之处：首先，采用双层雾化喷嘴结构，使得雾化喷嘴结构复杂，制造成本较高；其次，该方法中氢化气流的引入位置与雾化气流相距太近，熔体液流雾化后形成的熔体液滴仍具有较高温度，而钛或钛合金在高温下的氢化速率很高，导致粉末极易过量吸氢，粉末氢化过程难以控制；再次，因为氢化气流从雾化喷嘴处引入，导致整个雾化腔体内均存在氢，一方面，仍然具有较高温度的钛或钛合金粉末在雾化腔体内长时间同氢气接触，导致粉末过量吸氢，并在粉末内部生成大量脆性相的氢化钛，影响粉末质量，另一方面，氢气不仅充满了整个雾化腔体，同时，氢气还会通过雾化喷嘴的导流管扩散进入熔炼室，给粉末生产带来了较大的安全隐患；最后，钛或钛合金粉末过量吸收的氢在3D打印激光烧结过程中的集中释放，不仅影响3D打印件的成型质量，而释放到打印仓室内过量的氢气也将形成一定安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是克服以上现有技术存在的不足，提供一种表面微氢化的钛或钛合金粉末的制备方法，既解决了双层雾化喷嘴吸氢过程不可控的问题，又提高了制造的安全性。

为实现以上目的，本发明的技术方案为：一种表面微氢化的钛或钛合金粉末的制备方法，以钛或钛合金棒材为原料，通过预抽真空与通入高纯惰性气体保护，防止钛或钛合金在熔化与雾化过程中的氧化，并采用感应线圈加热的方式使钛或钛合金棒一端熔化并形成稳定的液流，所述液流再通过以高纯惰性气体作为介质的雾化喷嘴进行雾化制粉，雾化压力控制在3～8MPa；雾化完成的钛或钛合金粉末通过气流携带进入旋风分离器，在旋风分离器下端通入0.3～0.5MPa含氢量10～25at.％的高纯氢气与高纯惰性气体的混合气体，并利用粉末自身残余温度完成其表面的吸氢，在粉末表面形成极薄的吸氢层，实现钛或钛合金粉末表面的微氢化。

进一步的，预抽真空至真空度1×10^-4～1×10^-2Pa。

进一步的，高纯惰性气体采用高纯氩气或高纯氦气。

进一步的，吸氢层的厚度为30～100nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于进入旋风分离器的钛或钛合金粉末的温度已大大降低，此时，粉末的吸氢速率也大大降低，从而在粉末表面只形成极薄的吸氢层，既起到了微氢化隔氧的作用，又不会使粉末过度氢化；

(2)从旋风分离器腔体下端引入的低压氢气与从雾化腔体内进入旋风分离器的高压雾化气体是相向而行的，由于其压力大大低于雾化气体，因而只能在旋风分离器内的一小部分区域形成氢化环境，而不会进入雾化腔体内，其安全性大大提高。

(3)本发明所制备的表面微氢化的钛或钛合金粉末，污染少、流动性与抗氧化性好，非常适合3D打印使用。

附图说明

图1为本发明所涉及气雾化装置的结构示意图。

图2为本发明制备的TC4钛合金金粉末的X射线衍射图谱。

图3为本发明制备的TC4钛合金粉末的扫描电镜图。

图中1为熔炼腔，2为雾化气阀，3为雾化腔，4为送料杆，5为合金棒，6为感应线圈，7为雾化喷嘴，8为排气管，9为旋风分离器，10为氢化气阀，11为粉末收集罐。

具体实施方式

一种表面微氢化的钛或钛合金粉末的制备方法，按以下步骤进行：

(1)依据制粉需要与设备要求，如图1，预先准备低污染与特定尺寸的钛或钛合金棒5；

(2)对雾化装置中熔炼腔1、雾化腔3与旋风分离器9内部预抽真空，待真空度达到1×10^-4～1×10^-2Pa，通过雾化气阀2充入0.09MPa高纯惰性气体保护，防止粉末在雾化过程中的氧化；

(3)通过感应线圈6对钛或钛合金棒5下端进行加热熔化，并通过控制送料杆4形成稳定的液流，后通过以高纯惰性气体作为介质的雾化喷嘴7进行雾化制粉，雾化压力控制在3～8MPa；

(4)雾化完成的钛合金粉末通过气流携带进入旋风分离器9，在旋风分离器内部通过氢化气阀10通入0.3～0.5MPa含氢量10～25at.％的高纯氢气与高纯惰性气体的混合气体，进气口的位置应高于旋风分离器内排气口10～20cm，并利用粉末自身残余温度完成其表面的吸氢，在粉末表面形成极薄的吸氢层，实现粉末表面的微氢化，有效防止粉末的氧化，完成吸氢的粉末落入旋风分离器9下方粉末收集罐11，多余的氢气则通过排气管8排出腔体；

(5)待粉末完全冷却后，自粉末收集罐11取得钛或钛合金粉末，并按照不同粒度等级进行筛分与真空包装。

下面结合附图以实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

无坩埚气雾化法制备表面微氢化的Ti-6Al-4V(TC4)合金粉末。

以直径40mm，杂质含量低于0.1％的TC4钛合金棒为原料，对雾化设备预抽真空，待真空度达到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高纯氩气保护，防止氧化。通过感应线圈对钛合金棒下端进行加热熔化，形成稳定的液流，然后通过以高纯氩气作为介质的雾化喷嘴进行雾化制粉，雾化压力控制在5～7MPa，雾化完成的钛合金粉末通过气流携带进入旋风分离器，旋风分离器下部通入0.3MPa含氢量10at.％的氢气与氩气混合气体，进气口的位置应高于旋风分离器内排气口10cm，并利用粉末自身残余温度完成其表面的吸氢。待粉末完全冷却后，自粉末收集罐取得钛合金粉末，并按照不同粒度等级进行筛分与真空包装。经测试分析，TC4粉末的表面氢化层厚度约为30nm，整体氧含量低于800ppm，粒度分布区间为10～50μm。图2展示了制备的TC4钛合金金粉末的X射线衍射图谱，如图所示，粉末为α钛与β钛的混合固溶体相，无明显氢化钛衍射峰，也即粉末表面没有大量的氢化钛生成。图3提供了制备的TC4钛合金粉末的扫描电镜图，如图所示，粉末展示出良好的球形度，粒度分布均匀，粒径在10～50μm之间。

实施例2

无坩埚气雾化法制备表面微氢化的Ti-45Al-2Cr-8Nb合金粉末。

以直径40mm，杂质含量低于0.1％的Ti-45Al-2Cr-8Nb钛合金棒为原料，对雾化设备预抽真空，待真空度达到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高纯氦气保护，防止氧化。通过感应线圈对钛合金棒下端进行加热熔化，形成稳定的液流，然后通过以高纯氦气作为介质的雾化喷嘴进行雾化制粉，雾化压力控制在6～8MPa，雾化完成的钛合金粉末通过气流携带进入旋风分离器，旋风分离器下部通入0.5MPa含氢量25at.％的氢气与氦气混合气体，进气口的位置应高于旋风分离器内排气口20cm，并利用粉末自身残余温度完成其表面的吸氢。待粉末完全冷却后，自粉末收集罐取得钛合金粉末，并按照不同粒度等级进行筛分与真空包装。经测试分析，Ti-45Al-2Cr-8Nb粉末的的表面氢化层厚度约为100nm，整体氧含量低于500ppm，粒度分布区间为10～30μm。

实施例3

无坩埚气雾化法制备表面微氢化的纯钛粉末。

以直径40mm，杂质含量低于0.1％的纯钛棒为原料，对雾化设备预抽真空，待真空度达到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高纯氩气保护，防止氧化。通过感应线圈对纯钛棒下端进行加热熔化，形成稳定的液流，然后通过以高纯氩气作为介质的雾化喷嘴进行雾化制粉，雾化压力控制在3～5MPa，雾化完成的钛合金粉末通过气流携带进入旋风分离器，旋风分离器下部通入0.4MPa含氢量20at.％的氢气与氩气混合气体，进气口的位置应高于旋风分离器内排气口15cm，并利用粉末自身残余温度完成其表面的吸氢。待粉末完全冷却后，自粉末收集罐取得纯钛粉末，并按照不同粒度等级进行筛分与真空包装。经测试分析，纯钛粉末的表面氢化层厚度约为70nm，整体氧含量低于600ppm，粒度分布区间为20～50μm。