一种利用射频等离子体技术制备球形化TC4钛合金粉末的方法与流程

本发明涉及一种利用射频等离子体技术制备球形化tc4钛合金粉末的方法，属于功能材料制备领域。
背景技术：
：tc4(ti6al4v)钛合金是一种高强度、耐蚀性好、耐热性高的优异功能材料，广泛应用于航空航天、医疗器件等领域。随着科学技术的发展，当今社会越来越追求高性能材料。在合金粉末领域，尤其是适于生产加工领域的高性能钛合金的材料，包括金属3d打印等方向，需要球形化的钛合金材料。为了能够实现球形化的tc4钛合金材料，众多科研工作者投入到新制备方法的研究中。目前，较为成熟的球形化tc4钛合金的制备方法包括等离子雾化法、激光烧结法、旋转电极法等。上述方法存在以下不足：(1)球形不够规则，存在椭球形粉末；(2)球化率低，存在一定量的原料粉；(3)粒度不均匀，流动性差；(4)生产效率较低，成本高不易于实现大规模生产等。目前市场上急需可用于3d打印的球化率高、流动性好的球形化钛合金材料。技术实现要素：本发明的目的是提供一种利用射频等离子体技术制备球形化tc4钛合金粉末的方法，该方法制备的球形化tc4钛合金粉末具有较高的球化率、较好的流动性、可用于3d打印。本发明所提供的球形化钛合金粉的制备方法，包括如下步骤：将钛合金的原料粉置于等离子体中进行球化，即得到球形化钛合金粉。所述钛合金具体可为tc4钛合金，其原料粉的化学成分如下(质量，％)：钛(ti)余量，铁(fe)≤0.30，碳(fc)≤0.10，氮(n)≤0.05，氢(h)≤0.015，氧(o)≤0.20，铝(al)5.5～6.8，钒(v)3.5～4.5。本发明制备方法对所述钛合金的原料粉的直径没有特殊要求，通过实验，如采用直径小于38微米、38～63微米和大于63微米的钛合金原料粉时，均能得到粉粒径分布较窄(均一性好)的球形粉末，且经球化前后钛合金原料粉体和球化粉体直径大小基本一致，说明本发明方法具有粒径可控性。考虑到3d打印用球形粉的粒径在38～63微米较为合适，可采用直径为38～63微米的原料粉。上述的制备方法中，用氩气作为所述等离子气体。上述的制备方法中，所述球化在球化仪中进行；所述球化仪包括射频等离子体火炬；所述等离子体火炬的腔室连接一送粉器和一收集器。上述的制备方法中，所述送粉器与所述腔室的顶部相连接；所述收集器与所述腔室的底部相连接。上述的制备方法中，所述收集器包括冷却装置。上述的制备方法中，所述送粉器的输送速率可为0.908～16.089g/min；所述腔室内的气压可为10.0～14.7psia；所述等离子体火炬的工作功率可为21.1～27.2kw。通过本发明方法得到直径依然约在40～60微米的规则球形粉末。本发明将原料粉和球化粉同时测定xrd图谱并比较球化前后的相结构(图2)，发现球化处理过程中没有发生相变，球化前后相结构相同。本发明用电子显微镜观察球化前后钛合金粉末的形状变化，发现原料粉为不规则多边形粉末(图3(a))，球化后为规则球形(图3(b)-(d))，无粘连现象，同时利用电子显微镜可观察并计算球化率，发现在上述条件下球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)达到98.5％。本发明将球化粉在氦氖镓三束显微镜下用高能粒子束轰击掉一半的粉体，得到球形粉的横截面，并同时用这一显微镜观察横截面，发现球化粉为实心粉末(图3(c))。本发明采用射频等离子方法制备球形化tc4钛合金粉末，是一种球化钛合金粉末的新技术，可以得到高纯度、低氧含量、球化率高、流动性好的球形粉末，实现方法简单易行，生产成本较传统工艺更低，性能更优异，可应用于3d打印等领域，具有良好的社会效益及经济效益，适用于工业化大规模生产球形粉末。附图说明图1为本发明使用的仪器的示意图。图2为本发明实施例1-2制备得到的球化粉及原料粉结构相图。图3(a)为本发明采用的tc4钛合金原料粉的电子显微镜图。图3(b)为本发明实施例1制备得到的球化粉的一个颗粒的电子显微镜图。图3(c)为本发明实施例1制备得到的球化粉的横截面图。图3(d)为本发明实施例1制备得到的球化粉的整体粉末图。图4(a)为直径大于63微米的原料粉的电子显微镜图。图4(b)为本发明实施例3制备得到的第一组球化粉的电子显微镜图。图4(c)为直径为0～38微米直径的原料粉的电子显微镜图。图4(d)为本发明实施例3制备得到的第二组球化粉的电子显微镜图。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下述实施例采用的tc4钛合金原料粉的成分(质量)如表1中所示，余量为钛：表1tc4钛合金原料粉的化学成分成分cohnfealvsi含量(％)0.5870.4900.0590.0330.1455.7503.7500.030下述实施例在图1所示的球化仪中进行，该球化仪包括等离子体火炬，该等离子体火炬的腔室的顶部连接一送粉器，其底部连接一收集器，该收集器包括冷却装置，用于对收集到的粉末进行冷却。实施例1、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。图2为本实施例制备得到的球化粉(由下至上第2条曲线)及原料粉(由下至上第1条曲线)结构相图，对比可以发现球化前后相结构基本不变。图3(a)为采用的原料粉的电子显微镜图，图3(b)为本实施例制备得到的球化粉的一个颗粒的电子显微镜图，图3(d)为本实施例制备得到的球化粉的整体粉末图，可以看出，tc4钛合金原料粉为不规则多边形粉末，经本发明球化后能够得到规则球形，且无粘连现象。图3(c)为本实施例制备得到的球化粉的横截面图(在氦氖镓三束显微镜下用高能粒子束轰击掉一半粉体)，可以看出球化粉为实心粉末。取50克球化后的粉末倒入霍尔流速计，可见其快速流下，50克粉末全部流出仅需35.5秒，对比50克原料粉，发现原料粉没有流动性，无法流出。利用电子显微镜计算球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)达到98.5％。实施例2、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后，第一组实验将氩气和氢气的混合气(含5％体积分数的氢气)送入，第二组实验将氩气和氮气的混合气(含5％体积分数的氮气)送入，其后处理相同。调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。图2为本实施例制备得到的球化粉(氩、氢混合气对应由下至上第3条曲线，氩、氮混合气对应由下至上第4条曲线)及原料粉(由下至上第1条曲线)结构相图，对比可以发现球化前后相结构改变，其中氢气和钛合金反应生成氢化钛，氮气和钛合金反应生成氮化钛。对比发现，tc4钛合金的球化反应只能在氩气氛围中进行，选择氩气作为等离子气。实施例3、将原料粉体过筛处理，得到直径大于63微米和直径小于38微米的钛合金原料粉分别密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，第一组将直径大于63微米的钛合金原料粉装入送粉器，第二组将直径小于38微米的钛合金原料粉放入送粉器，后续处理相同。调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。图4(a)为直径大于63微米的原料粉的电子显微镜图，4(c)为直径小于38微米的原料粉的电子显微镜图，4(b)为通过上述过程制备得到的第一组球化粉的电子显微镜图，4(d)为通过上述过程制备得到的第二组球化粉的电子显微镜图，由上述各图可以看出，球化反应前后原料粉体和球化粉体直径大小基本一致，说明球化反应粒径可控，得到的球形粉粒径分布较窄，更适合生产应用。实施例4、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度分别调为11.5厘米(第一组)和12.0厘米(第二组)，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。经对比发现，本实施例制备得到的球化粉与原料粉的结构相图相同，表明球化前后相结构基本不变。由本实施例制备得到的球化粉(一个颗粒和整体粉末)的电子显微镜图可以看出，经本实施例球化后得到规则球形，且无粘连现象。由本实施例制备得到的球化粉的横截面图，可以看出球化粉为实心粉末。取50克球化后的粉末倒入霍尔流速计，可见其快速流下，50克粉末全部流出仅需35.5秒，对比50克原料粉，发现原料粉没有流动性，无法流出。利用电子显微镜计算球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)均为98.4％。实施例5、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为13.0psia(第一组)和10.0psia(第二组)，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。经对比发现，本实施例制备得到的球化粉与原料粉的结构相图相同，表明球化前后相结构基本不变。由本实施例制备得到的球化粉(一个颗粒和整体粉末)的电子显微镜图可以看出，经本实施例球化后得到规则球形，且无粘连现象。由本实施例制备得到的球化粉的横截面图，可以看出球化粉为实心粉末。取50克球化后的粉末倒入霍尔流速计，可见其快速流下，50克粉末全部流出仅需35.5秒，对比50克原料粉，发现原料粉没有流动性，无法流出。利用电子显微镜计算球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)为分别为93.3％(第一组)和91.9％(第二组)。实施例6、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为16.089g/min(第一组)和0.908g/min(第二组)，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为27.2千瓦，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。经对比发现，本实施例制备得到的球化粉与原料粉的结构相图相同，表明球化前后相结构基本不变。由本实施例制备得到的球化粉(一个颗粒和整体粉末)的电子显微镜图可以看出，经本实施例球化后得到规则球形，且无粘连现象。由本实施例制备得到的球化粉的横截面图，可以看出球化粉为实心粉末。取50克球化后的粉末倒入霍尔流速计，可见其快速流下，50克粉末全部流出仅需35.5秒，对比50克原料粉，发现原料粉没有流动性，无法流出。利用电子显微镜计算球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)分别为93.2％(第一组)和88.4％(第二组)。实施例7、将原料粉体过筛处理，得到直径为38～63微米的钛合金原料粉密封储存。首先将仪器的探头高度调为12.5厘米，将38～63微米的钛合金原料粉装入送粉器并调节送粉器的速率为1.742g/min，等待射频等离子仪器预热好之后将氩气送入，调节仪器腔体内的气压为14.7psia，并通过调节等离子炬的电压电流使得其工作功率为23.0千瓦(第一组)和21.1千瓦(第二组)，待仪器中形成稳定的等离子气后打开送粉器，将粉末以恒定的速度送入等离子气中进行球化。送入的不规则形状原料粉在等离子气高温环境中充分融化后形成液态，其后由于离开等离子气后气温急剧下降，导致由于表面张力形成的球状液滴迅速冷却凝固成球形粉末，并掉入收集室中，最终从收集室收集得到球形粉末。经对比发现，本实施例制备得到的球化粉与原料粉的结构相图相同，表明球化前后相结构基本不变。由本实施例制备得到的球化粉(一个颗粒和整体粉末)的电子显微镜图可以看出，经本实施例球化后得到规则球形，且无粘连现象。由本实施例制备得到的球化粉的横截面图，可以看出球化粉为实心粉末。取50克球化后的粉末倒入霍尔流速计，可见其快速流下，50克粉末全部流出仅需35.5秒，对比50克原料粉，发现原料粉没有流动性，无法流出。利用电子显微镜计算球化率(真球形粒子的数目与视野内全部粒子的数目的比值)分别为93.5％(第一组)和77.1％(第二组)。当前第1页12