一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及活泼金属粉末制备技术领域，尤其涉及一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法。
【背景技术】
[0002]锆及锆合金是核工业、军事领域和民用技术中非常重要的一类金属材料，具有射线屏蔽、高燃烧性、耐腐蚀等特殊性能，是核反应堆、烟火剂、燃烧剂、含能材料等领域具有不可替代性的特殊材料。作为锆系列制品中的重要产品，锆及锆合金粉末同样具有广泛的应用。
[0003]目前，纯锆粉末的制备以化学法为主，例如金属热还原法、氢化脱氢法、电解法等，其可制备出微米和亚微米级的锆粉，但缺点在于粉末杂质含量高、流动性差，粉末形状呈非球形。采用现有的惰性气体雾化技术可制备出球形的锆粉，但熔炼过程都需要依赖陶瓷坩祸，这导致在熔炼过程中不可避免的增加了杂质含量。
[0004]而对于添加特殊合金成分的锆合金，如锆钛(Zr-Ti)合金、锆铝(Zr-Al)合金等，其粉末的制备目前有两种方法:一种是单质金属粉末的混合和机械合金化，另外一种是首先制备出成分均匀的锆合金，然后参照纯锆进行雾化制粉，但锆钛(Zr-Ti)合金中因为有钛的存在而不适用于陶瓷坩祸熔炼，因此制备锆合金球化粉末的难度更大。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种粉末杂质含量低、球形度高、流动性好，且工艺简单的微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，包括以下具体步骤:
(1)、将纯锆或锆与其它金属原料混合后压制成电极块；
(2)、通过氩弧焊将电极块组焊成自耗电极；
(3 )、将自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行一次熔炼，熔炼时，控制熔炼电流为10?30KA、电压为15?40V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成一次铸锭，待一次铸锭冷却至200°C以下后取出；
(4)、去除一次铸锭被氧化的表层和渣子；
(5)、将处理后的一次铸锭作为自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行二次熔炼，控制熔炼电流为10?30KA、电压为15?40V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成二次铸锭，其中，二次熔炼时的结晶器的直径大于一次熔炼时的结晶器的直径，然后等二次铸锭冷却至200°C以下后取出；通过二次熔炼，可使得铸锭中的成分更均匀；
(6)、去除二次铸锭被氧化的表层和渣子，并将二次铸锭锻造或机械加工制成纯锆或锆合金的棒材，棒材的尺寸与后续的锥形感应线圈相匹配； (7)、将纯锆或锆合金棒材竖直放入感应电炉中，并将锥形感应线圈竖直套在棒材外，在惰性气体的保护气氛中直接进行感应熔炼，控制熔炼功率10?25KW、熔炼速度20?60mm/min，熔炼结束后得到纯锆或锆合金的金属液；
(8)、将纯锆或锆合金的金属液通过压力为1.0?4.0Mpa的高压惰性气体喷成雾状金属液滴并在惰性气体中冷却得到I?200 μ m纯锆或锆合金球形粉末。
[0007]所述的步骤(I)中，其它金属原料为钛、铝、钴或铬中的一种或多种。
[0008]所述的步骤(6)中，所制成的纯错或错合金的棒材直径为25?50mm、长度为200?500mm，且棒材的一端为90°锥角。
[0009]所采用的惰性气体为氩气。
[0010]所得到的纯锆或锆合金球形粉末在惰性手套箱中出粉。
[0011]与现有技术相比，本发明的优点是通过该方法可值得I?200 μπι的纯锆或锆合金球形粉末，所制得的球形粉末具有明显正态分布特征，且粉末杂质含量低、球形度高、流动性好、工艺简单，既可用于公斤级粉末试制，又能实现工业化生产；此外，由于本方法采用锥形感应线圈直接对纯锆或锆合金棒材进行感应熔炼，这不但减少了粉末杂质的含量，而且使得本方法的适应性较广，如可熔炼锆钛(Zr-Ti )合金。
【附图说明】
[0012]图1为通过本发明加工得到的微米级纯锆或锆合金球形粉末的示意图。
【具体实施方式】
[0013]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0014]实施例一:一种微米级纯锆球形粉末的制备方法，包括以下具体步骤:
(1)、将工业级海绵锆压制成纯锆电极块；
(2)、通过氩弧焊将电极块组焊成自耗电极；
(3 )、将自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行一次熔炼，熔炼时，控制熔炼电流为20ΚΑ、电压为25V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成一次铸锭，待一次铸锭冷却至200°C以下后取出；
(4)、去除一次铸锭被氧化的表层和渣子；
(5)、将处理后的一次铸锭作为自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行二次熔炼，控制熔炼电流为20KA、电压为25V、工作真空度< 10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成二次铸锭，其中，二次熔炼时的结晶器的直径大于一次熔炼时的结晶器的直径，然后等二次铸锭冷却至200°C以下后取出；
(6)、去除二次铸锭被氧化的表层和渣子，并将二次铸锭锻造或机械加工制成纯锆棒材，棒材直径为40mm、长度为500mm，且棒材的一端为90°锥角；
(7)、将纯锆棒材竖直放入感应电炉中，并将锥形感应线圈竖直套在棒材外，在氩气的保护气氛中直接进行感应熔炼，控制熔炼功率20KW、熔炼速度40mm/min，熔炼结束后得到纯锆金属液；
(8)、将纯锆金属液通过压力为3.0Mpa的高压氩气喷成雾状金属液滴并在氩气中冷却得到粒径中值约为80 μ m纯锆球形粉末，所得到的纯锆球形粉末在惰性手套箱中出粉。
[0015]实施例二:一种微米级锆钛合金球形粉末的制备方法，包括以下具体步骤:
(1)、将海绵锆和海绵钛按质量比7:3混合并压制成锆钛合金电极块；
(2)、通过氩弧焊将电极块组焊成自耗电极；
(3 )、将自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行一次熔炼，熔炼时，控制熔炼电流为30KA、电压为35V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成一次铸锭，待一次铸锭冷却至200°C以下后取出；
(4)、去除一次铸锭被氧化的表层和渣子；
(5)、将处理后的一次铸锭作为自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行二次熔炼，控制熔炼电流为30KA、电压为35V、工作真空度< 10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成二次铸锭，其中，二次熔炼时的结晶器的直径大于一次熔炼时的结晶器的直径，然后等二次铸锭冷却至200°C以下后取出；
(6)、去除二次铸锭被氧化的表层和渣子，并将二次铸锭锻造或机械加工制成锆钛合金棒材，棒材直径为45mm、长度为400mm，且棒材的一端为90°锥角；
(7)、将锆钛合金棒材竖直放入感应电炉中，并将锥形感应线圈竖直套在棒材外，在氩气的保护气氛中直接进行感应熔炼，控制熔炼功率15KW、熔炼速度25mm/min，熔炼结束后得到错钦合金金属液；
(8)、将锆钛合金金属液通过压力为4.0Mpa的高压氩气喷成雾状金属液滴并在氩气中冷却得到粒径中值约为65 μ m锆钛合金球形粉末，所得到的锆钛合金球形粉末在惰性手套箱中出粉。
[0016]上述实施例中，锆可以和钛、铝、钴或铬中的一种或多种混合加工成锆合金球形粉末。
【主权项】
1.一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤: (1)、将纯锆或锆与其它金属原料混合后压制成电极块； (2)、通过氩弧焊将电极块组焊成自耗电极； (3 )、将自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行一次熔炼，熔炼时，控制熔炼电流为10?30KA、电压为15?40V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成一次铸锭，待一次铸锭冷却至200°C以下后取出； (4)、去除一次铸锭被氧化的表层和渣子； (5)、将处理后的一次铸锭作为自耗电极放入真空自耗电极电弧炉中进行二次熔炼，控制熔炼电流为10?30KA、电压为15?40V、工作真空度彡10_2Pa，并通过真空自耗电极电弧炉中的结晶器制成二次铸锭，其中，二次熔炼时的结晶器的直径大于一次熔炼时的结晶器的直径，然后等二次铸锭冷却至200°C以下后取出； (6)、去除二次铸锭被氧化的表层和渣子，并将二次铸锭锻造或机械加工制成纯锆或锆合金的棒材，棒材的尺寸与后续的锥形感应线圈相匹配； (7)、将纯锆或锆合金棒材竖直放入感应电炉中，并将锥形感应线圈竖直套在棒材外，在惰性气体的保护气氛中直接进行感应熔炼，控制熔炼功率10?25KW、熔炼速度20?60mm/min，熔炼结束后得到纯锆或锆合金的金属液； (8)、将纯锆或锆合金的金属液通过压力为1.0?4.0Mpa的高压惰性气体喷成雾状金属液滴并在惰性气体中冷却得到I?200 μ m纯锆或锆合金球形粉末。
2.如权利要求1所述的一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤(I)中，其它金属原料为钛、铝、钴或铬中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤(6)中，所制成的纯锆或锆合金的棒材直径为25?50mm、长度为200?500mm，且棒材的一端为90°锥角。
4.如权利要求1所述的一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，其特征在于所采用的惰性气体为氩气。
5.如权利要求1所述的一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，其特征在于所得到的纯锆或锆合金球形粉末在惰性手套箱中出粉。
【专利摘要】本发明公开了一种微米级纯锆或锆合金球形粉末的制备方法，特点是将纯锆或锆与其它金属原料混合后加工成自耗电极，并将自耗电极进行熔炼，将熔炼后得到的铸锭加工成棒材，然后将棒材在惰性气体的保护下通过锥形感应线圈直接进行感应熔炼，得到的金属液通过高压惰性气体喷成雾状液滴并冷却后得到微米级球形粉末；优点是通过该方法可值得1～200μm的纯锆或锆合金球形粉末，所制得的球形粉末具有明显正态分布特征，且粉末杂质含量低、球形度高、流动性好、工艺简单，既可用于公斤级粉末试制，又能实现工业化生产。
【IPC分类】B22F9-08
【公开号】CN104588669
【申请号】CN201410822032
【发明人】刘桂涛, 梁栋, 朱曦光, 王志威, 陈敏, 李德林, 葛文艳, 焦治华
【申请人】中国兵器科学研究院宁波分院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月25日