一种球形钛或钛合金粉的制备方法与流程

本发明涉及金属及合金粉末制备领域，具体涉及一种球形钛或钛合金粉的制备方法。

背景技术：

钛及钛合金为轻质高强度金属材料，且具备高耐腐蚀性、高耐热性等特性，被广泛的应用于航空、航天、军工、医疗器械等领域。将钛及钛合金制成具有良好流动性的微米级球形粉末，可利用注射成型、等静压成型等手段制成结构复杂、外形不规则的构件。近年来，随着一种全新的粉末冶金技术——增材制造(3D打印)技术的兴起，球形钛及钛合金粉末应用领域不断拓展，市场容量日趋增大。增材制造技术可以根据设计好的数据模型利用高能加热装置将金属粉逐层烧结，制成预期形状的构件。增材制造技术可以在很短的时间内制备出几乎任意形状的工件，特别适宜加工贵重材料和复杂零件，可应用于军工应急零件加工和汽车模型制作等方面。增材制造技术所用的高能加热装置一般采用激光烧结和电子束熔融两种方式，其中激光烧结的加热纵深较小，一般使用粒度范围在10～45μm的细粉；而电子束熔融的烧结纵深较大，可以采用粒度范围为45～106μm的粗粉。由于增材制造技术的工艺特性，对金属粉末材料的粒径、流动性、纯度、氧含量等性质有了更高的要求。

目前国内制备球形钛或钛合金粉末的方法主要有以下三种：

(1)惰性气体雾化法。该方法是将棒状原材料在坩埚中熔化，然后利用高速气流将熔融的金属液从坩埚底部的喷嘴喷射至惰性气体的环境下冷凝，得到球形的金属粉末。由于雾化的过程中液滴大小不均，导致该方法制备的球形金属粉粒度宽泛，球形度较差，且有空心颗粒的存在，使得金属粉末的使用性能受到了影响。

(2)超声雾化法。该方法是将熔融的金属液体在超声聚能器的作用下在液面产生高频表面张力波，当振幅达到峰值时，液体会克服表面张力脱出，形成小液滴，冷却后制得球形金属粉末。该方法制备的球形金属粉末粒度均匀，球形度好，但是对设备的要求较高，目前还不太成熟。

(3)等离子旋转电极法。利用直流电弧产生的高温等离子体作为热源将原料金属或合金制成的自耗电极熔化，通过自耗电极的自转将熔化的金属液抛离形成小液滴，然后冷凝得到球形金属粉末。该方法制备的球形金属粉成分易于控制、球形度较好，但对设备的要求较高，且存在一定的电极污染。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种球形钛或钛合金粉的制备方法，由该方法制得的球形钛或钛合金粉末具有球形度高、流动性好、含氧量低、纯度高、粒度分布窄等特点。

本发明所述的球形钛或钛合金粉的制备方法为：以钛丝或钛合金丝为原料，以感应等离子体为热源制备球形钛或钛合金粉。

更为具体的制备方法为：以钛丝或钛合金丝为原料，采用氩气作为载气，将原料送入等离子体发生器中汽化熔炼，所形成的熔体在反应室中生成金属小液滴，形成微细球形钛或钛合金粉，收集所形成的微细球形钛或钛合金粉，在制备过程终止后，在保护气氛下过筛以收集所需粒度的球形钛或钛合金粉；其中：

载气流量为1～6slpm，原料送料速率为10～600g/min；

等离子体发生器的参数为：功率为1～200KW，压力为13.8～130.9Kpa，中心气流量为5～100slpm，辅助气流量为15～150slpm，鞘气为氩气和氢气的混合气体，其中氩气流量为20～300slpm，氢气流量为1～80slpm。

进一步地，本发明所述的制备方法具体包括以下步骤：

1)以钛丝或钛合金丝为原料，放入送料器中，对整个制备系统进行冲洗和检漏；

2)向等离子体发生器中通入中心气和鞘气，启动高频电源并激发等离子体，然后通入辅助气流，逐步调节系统压力、功率和各种气体流量到预定值；

3)启动送料器并通入载气，使原料在气流的保护下以一定的速率送入等离子体发生器中汽化熔炼，所形成的熔体在反应室中经气流冲击被打散成微小的金属小液滴，在下落的过程中逐渐冷却形成微细球形钛或钛合金粉，并落入反应室底部的收粉器中，在制备过程终止后，在保护气氛下过筛以收集所需粒度的球形钛或钛合金粉。

上述制备方法中，大部分微米级的微细球形钛或钛合金粉在重力的作用下直接落入反应室底部的收粉器中，在将气体抽离时会带走少量的微细球形钛或钛合金粉。为了对这一部分的微细球形钛或钛合金粉进行收集，本发明所述方法还包括利用气体抽离部分在反应室中形成的微细球形钛或钛合金粉进一步导入到旋风分级室，将该部分微细球形钛或钛合金粉收集于旋风分级室底部的收粉器中；而气流中残余的微细粉末在工作气体被抽离制备系统时，随工作气体被导入到气固分离室而被阻挡在气固分离室的过滤器上，气体则透过过滤器后排空或经处理后循环使用。在制备过程终止后，通过将2个收粉器中的粉末在保护气氛下过筛以收集所需粒度的球形钛或钛合金粉。

上述制备方法中，所述中心气优选为氩气，所述辅助气流优选为氩气。

本发明所述制备方法中，所述钛丝或钛合金丝的直径为0.1～6mm。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

1、采用丝状钛丝或钛合金丝作为原材料，从源头上避免粉状原料带来的纯度不高、氧含量偏高的问题；结合采用感应等离子体作为热源的方法进行制备钛或钛合金粉，所制得的球形钛及钛合金粉末具有纯度高、球形度高、流动性好、氧含量低、粒度分布窄等优点，所制得球形钛或钛合金粉末的平均粒度在10～100μm可调，整个制备过程无电极污染。

2、收粉器设置于反应室底部(进一步包括设置于旋风分级室的底部)，由于反应室(或旋风分级室)及之后的过筛操作均处于保护气氛中，因此，收粉及过筛操作均在隔绝空气的环境下进行，全程避免金属粉体的表面氧化和吸湿。

3、本发明所述制备方法所用原料和气体无毒无害，且制备过程在大于一个大气压的环境下进行，不存在由于漏入空气而引发爆炸的危险。

附图说明

图1为本发明所述制备方法中使用的高频等离子体设备示意图；

图2为本发明实施例1制得的球形钛粉的扫描电镜图；

图3为本发明实施例2制得的球形钛合金粉的扫描电镜图；

图4为本发明实施例3制得的球形钛粉的扫描电镜图。

图中标号为：

1送料器；2原料；3中心气；4鞘气；5等离子体发生器；6辅助气流；7反应室；8收粉器；9旋风分级室；10过滤器；11出气口；12气固分离室。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。

本发明所述方法中使用的制备系统如图1所示，主要包括送料器1、等离子体发生器5、反应室7、旋风分级室9和气固分离室12，在反应室7和旋风分级室9底部分别设置有带超声波高频振动装置的收粉器8，通过这两个收粉器8实现球形钛粉或钛合金粉和收集。具体在使用该制备系统时，先将原料2装入送料器1中，在完成制备系统的冲洗、检漏(操作均与现有技术相同)，并通入中心气3、鞘气4和辅助气流6等使系统调试稳定(操作均与现有技术相同)后，采用中心加料的方式将原料2金属丝在载气的保护下送入等离子体发生器5中汽化熔炼，在反应室7中的等离子高温区域迅速熔化，所形成的熔体在反应室7中经气流冲击被打散成微小的金属小液滴，这些小液滴在下落的过程中逐渐冷却形成微细球形钛粉或钛合金粉，形成的球形钛粉或钛合金粉落入反应室7底部的收粉器8中，少量球形钛粉或钛合金粉会随着通入制备系统的气体从反应室7导出到旋风分级室9，经旋风分级后落入旋风分级室9底部的收粉器8中，而气流中残余的微细粉末在工作气体被抽离制备系统时，随工作气体被导入到气固分离室12而被阻挡在气固分离室12的过滤器10上，气体则透过过滤器10后经出气口11排空或经处理后循环使用。在制备过程终止后，通过将2个收粉器8中的粉末在保护气氛(通常为氩气)下过筛以收集所需粒度的球形钛或钛合金粉。

实施例1

1)取直径为0.2mm的钛丝装入送料器中，然后用氩气对制备系统进行冲洗和检漏；

2)向等离子体发生器中通入鞘气(氩气流量为30slpm，氢气流量为2slpm)和中心气(氩气8slpm)，调整系统气压为27.6Kpa，打开高频电源并激发等离子体，然后通入辅助气流并调整流量大小为25slpm，逐步将系统气压调节至103.4Kpa，将系统功率调至15KW；

3)待系统稳定后开启送料器以12g/min的速率开始给料并在送料器中通入载气(氩气，流量为2slpm)，钛丝在载气的保护下送入等离子体发生器中汽化熔炼，在等离子高温区域迅速熔化，所形成的熔体在反应室中经气流冲击被打散成微小的金属小液滴，在下落的过程中逐渐冷却形成微细球形钛粉；大部分微米级的球形金属粉末在重力的作用下落入反应室底部的收粉器中，少量微米级颗粒随着通入制备系统的气体从反应室导出到旋风分级室，经旋风分级后落入旋风分级室底部的收粉器中，而气流中残余的微细粉末在工作气体被抽离制备系统时，随工作气体被导入到气固分离室而被阻挡在气固分离室的过滤器中，气体则透过过滤器后经出气口排空或经处理后循环使用；

4)制备过程终止后，利用收粉器中自带的振动装置产生的高频超声振动使粉末滑落，在隔绝空气的环境下收集反应室底部和旋风分级室底部收粉器中的粉末，得到球形钛粉末。所得粉末在氩气的保护下依次过-325目和+1340目筛网，获得主要粒度范围为10～45μm的球形钛粉，球形钛粉的平均粒径为24.1μm。

对本实施例制得的球形钛粉的显微形貌进行分析，其扫描电镜图如图2所示；并对其球形度、振实密度、流动性和氧含量进行测试，结果如下述表1所示：

表1：

实施例2

1)取直径为2mm的钛合金丝(组分为Ti+6wt.％Al+4wt.％V)装入送料器中，然后用氩气对制备系统进行冲洗和检漏；

2)向等离子体发生器中通入鞘气(氩气流量为75slpm，氢气流量为6slpm)和中心气(氩气25slpm)，调整系统气压为34.5Kpa，打开高频电源并激发等离子体，然后通入辅助气流并调整流量大小为45slpm，逐步将系统气压调节至110.2Kpa，将系统功率调至60KW；

3)待系统稳定后开启送料器以50g/min的速率开始给料并在送料器中通入载气(氩气，流量为4slpm)，钛合金丝在载气的保护下送入等离子体发生器中汽化熔炼，在等离子高温区域迅速熔化，所形成的熔体在反应室中经气流冲击被打散成微小的金属小液滴，在下落的过程中逐渐冷却形成微细球形钛合金粉；大部分微米级的球形金属粉末在重力的作用下落入反应室底部的收粉器中，少量微米级颗粒随着通入制备系统的气体从反应室导出到旋风分级室，经旋风分级后落入旋风分级室底部的收粉器中，而气流中残余的微细粉末在工作气体被抽离制备系统时，随工作气体被导入到气固分离室而被阻挡在气固分离室的过滤器中，气体则透过过滤器后排空或经处理后循环使用；

4)制备过程终止后，利用收粉器中自带的振动装置产生的高频超声振动使粉末滑落，在隔绝空气的环境下收集反应室底部和旋风分级室底部收粉器中的粉末，得到球形钛合金粉末。所得粉末在氩气的保护下依次过-150目和+325目筛网，获得主要粒度范围为45～106μm的球形钛合金粉，球形钛粉的平均粒径为71.3μm。

对本实施例制得的球形钛合金粉的显微形貌进行分析，其扫描电镜图如图3所示；并对其球形度、振实密度、流动性和氧含量进行测试，结果如上述表1所示。

实施例3

重复实施例1，不同的是：

步骤1)中，钛丝的直径为6mm；

步骤2)中，通入的鞘气为：氩气流量为300slpm，氢气流量为80slpm；中心气氩气流量为100slpm，通入辅助气流并调整流量大小为100slpm，逐步将系统气压调节至130.9Kpa，将系统功率调至200KW；

步骤3)中，送料器以200g/min的速率给料并向送料器中通入载气(氩气，流量为6slpm。

步骤4)中，粉末在氩气的保护下依次过-150目和+325目筛网，获得主要粒度范围为45～106μm的球形钛粉，球形钛粉的平均粒径为72.5μm。

对本实施例制得的球形钛合金粉的显微形貌进行分析，其扫描电镜图如图4所示；并对其球形度、振实密度、流动性和氧含量表征结果如上述表1所示。