一种难熔材料球形粉末的制备方法与流程

本发明属于粉末制备技术领域，具体涉及一种难熔材料球形粉末的制备方法。

背景技术：

随着注射成型、3d打印、热等静压等粉末冶金近净成形技术的发展，粉末冶金近净成形零件已经在航空航天、生物医疗、机械等领域取得了广泛的应用，并且展现出了巨大的市场潜力。原料粉末的性能和粒径是决定粉末冶金近净成形零件的精度和致密度的重要因素。为了进一步提高粉末冶金近净成形零件的质量和性能，对粉末的性能如流动性、松装密度、球形度的要求也越来越高。因此，制备高性能的粉末成为粉末冶金近净成形领域的研究热点。

常规的粉末制备方法如气雾法、等离子雾化法以及等离子体旋转电极法已用于钛、钛合金、不锈钢等金属球形粉末的制备，但难熔材料具有熔点高、导热快的特点，常规的粉末制备方法不易实现高性能的难熔材料粉末的制备。其它的制备方法如化学还原法、机械破碎球磨法、电解法、液相还原法存在着工艺流程繁琐、副产品较多、难熔材料粉末形状不佳或流动性差的缺点，难以满足粉末冶金近净成形的要求。

为了克服上述缺点，国内外相继开发出高温火焰球化法和等离子体球化法，对不规则形状的难熔材料粉末进行二次处理以获得球形粉末。但由于不规则形状的难熔材料粉末的自身缺陷，这两种方法的球形粉末收得率较低，为30％～40％，并且难以分离出未球化的粉末。导致球形粉末的质量不高。

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，提供了一种难熔材料球形粉末的制备方法。该方法将难熔材料预制团粒坯体通过等离子发生装置的高温区，难熔材料预制团粒坯体急剧熔化，迅速收缩球化生成球形粉末，由于难熔材料预制团粒坯体彻底熔融，熔融液的表面张力增大，提高了粉末的球形度，避免了卫星粉末和空心粉末的产生，最终得到致密均匀、表面光滑洁净，球形度高的难熔材料球形粉末。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将难熔材料原料粉末和粘结剂混合均匀，然后进行造粒，得到预制团粒；所述预制团粒的粒径为50μm～500μm，孔隙率为20％～60％；

步骤二、将步骤一中得到的预制团粒进行真空烧结或氢气气氛保护烧结，得到预制团粒坯体；

步骤三、将步骤二中得到的预制团粒坯体装入等离子体设备的定量送粉装置中，所述预制团粒坯体在气体作用下通过输送管道送入等离子体发生装置的高温区中，熔化收缩生成致密球体，然后落入收集罐中，得到难熔材料球形粉末；所述难熔材料球形粉末的粒径为25μm～200μm，流动性小于30s/50g。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述难熔材料为金属或陶瓷，所述金属为钨、钨合金、钼、钼合金、钽、钽合金、铌、铌合金、铬、铬合金、钒、钒合金、钌和钌合金中的一种。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述难熔材料原料粉末为粒度为0.1μm～10μm的未经球化处理的原料粉末。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1％～6％。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述难熔材料原料粉末和粘结剂的质量之比为(8～12)：1。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述造粒的方法为喷雾造粒。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中所述预制团粒的形状为球形或近球形。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中所述真空烧结的真空度小于2×10^-2pa；所述氢气气氛保护烧结的氢气流量大于4l/min；所述真空烧结或氢气气氛保护烧结的烧结温度均大于800℃，升温速度均为2℃/min～10℃/min，烧结时间均为0.5h～3h。

上述的一种难熔材料球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤三所述预制团粒坯体的送粉速度为1g/min～100g/min，所述气体为氩气、氮气、氢气或氦气。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将难熔材料预制团粒坯体通过等离子发生装置的高温区，在等离子体的作用下，难熔材料预制团粒坯体急剧熔化，瞬间产生了巨大的表面张力，迅速收缩球化，生成球形粉末，由于等离子体的能量较高，难熔材料预制团粒坯体彻底转化为熔融液，熔融液的表面张力增大，提高了粉末的球形度，避免了卫星粉末和空心粉末的产生，最终得到致密均匀、表面光滑洁净，球形度高的难熔材料球形粉末。

2、本发明先将难熔材料原料粉末造粒后得到预制团粒，再经烧结后制备球形粉末，通过控制预制团粒的粒径和孔隙度制备得到不同粒径和致密度的难熔材料球形粉末，可满足注射成型，3d打印、热等静压等不同技术的需求，扩大了难熔材料球形粉末的应用范围。

3、本发明通过调控等离子体装置的功率，实现对难熔材料粉末的完全熔化，从而制备得到球形粉末，不仅适用于钨、钼、钽等难熔金属球形粉末的制备，还适用于陶瓷等难熔非金属球形粉末的制备，应用范围较广。

4、本发明采用高等量的等离子体作为能量源，缩短了难熔材料预制团粒的熔化时间，提高了难熔材料球形粉末的制备速率，缩短了制备周期，并且制备得到的难熔材料球形粉末无需后续处理即可使用，降低了制造成本。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明的等离子体设备的结构示意图。

图2是本发明实施例1的钽预制团粒的微观形貌图。

图3是本发明实施例1制备的钽球形粉末的微观形貌图。

图4是本发明实施例2制备的铌钨钽合金球形粉末的微观形貌图。

图5是本发明实施例3制备的碳化钨球形粉末的微观形貌图。

附图标记说明

1—定量送粉器；2—预制团粒坯体；3—输送管道；

4—等离子体发生装置；5—高温区；6—等离子体发生器；

7—排气管道；8—难熔材料球形粉末；9—收集罐。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例1～实施例4中所用的等离子体设备包括等离子体发生装置4，所述等离子体发生装置4通过输送管道3与装填预制团粒坯体2的定量送粉器1连接，所述等离子体发生装置4外部设置有等离子体发生器6，所述输送管道3延伸至等离子体发生装置4内部的高温区5，所述等离子体发生装置4的中下部开设有排气管道7，所述等离子体发生装置4的底部安装有盛放难熔材料球形粉末8的收集罐9。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将160g的未经球化处理的钽粉末和20g聚乙烯醇水溶液加入混料机混合60min，然后进行喷雾造粒，得到球形的钽预制团粒；所述未经球化处理的钽粉末的粒度为10μm，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为4％，所述预制团粒的粒径为220μm，孔隙率为60％；

步骤二、将步骤一中得到的钽预制团粒放入烧结炉中进行真空烧结，得到钽预制团粒坯体；所述真空烧结的真空度为1.0×10^-3pa，升温速率为2℃/min，温度为1400℃，时间为3h；

步骤三、设置等离子体设备的功率为40kw，将步骤二中得到的钽预制团粒坯体装入等离子体设备的定量送粉装置1中，所述钽预制团粒坯体在氦气作用下以1g/min的速度通过输送管道3送入等离子体发生装置4的高温区5中，熔化收缩生成致密球体，然后落入收集罐9中，得到钽球形粉末。

图2是本实施例的钽预制团粒的微观形貌图，从图2可以看出，钽预制团粒为钽粉末粘结在一起形成的团聚体，具有一定的孔隙率，且钽预制团粒的粒径均匀。

图3是本实施例制备的钽球形粉末的微观形貌图，从图3可以看出，钽球形粉末的球形度较好，表面光滑洁净，结构致密，且无空心粉和卫星粉。

经检测，本实施例制备得到的钽球形粉末的粒径为68μm，流动性为16.6s/50g，松装密度为9.5g/cm³，满足注射成型、3d打印和热等静压的需求。

本实施例中的难熔材料还可采用钨、钨合金、钼、钼合金、钽合金、铌、铌合金、铬、铬合金、钒、钒合金、钌和钌合金中的一种。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将240g未经球化处理的铌钨钽合金粉末和20g聚乙烯醇水溶液加入混料机混合60min，然后进行喷雾造粒，得到球形的铌钨钽合金预制团粒；所述未经球化处理的铌钨钽合金粉末的粒度为0.1μm，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为6％，所述铌钨钽合金预制团粒的粒径为100μm，孔隙率为40％；

步骤二、将步骤一中得到的铌钨钽合金预制团粒放入烧结炉中进行氢气气氛保护烧结，得到铌钨钽合金预制团粒坯体；所述氢气气氛保护烧结的氢气流量为5l/min，升温速率为10℃/min，氢气气氛保护烧结的温度为1200℃，时间为0.5h；

步骤三、设置等离子体设备的功率为100kw，将步骤二中得到的铌钨钽合金预制团粒坯体装入等离子体设备的定量送粉装置1中，所述铌钨钽合金预制团粒坯体在氢气作用下以60g/min的速度通过输送管道3送入等离子体发生装置4的高温区5中，熔化收缩生成致密球体，然后落入收集罐9中，得到铌钨钽合金球形粉末。

图4是本实施例制备的铌钨钽合金球形粉末的微观形貌图，从图4可以看出，铌钨钽合金球形粉末的球形度较好，表面光滑洁净，结构致密。

经检测，本实施例制备得到的铌钨钽合金球形粉末的粒径为42μm，流动性为13s/50g，松装密度为9.86g/cm³，满足注射成型、3d打印和热等静压的需求。

本实施例中的难熔材料还可采用钨、钨合金、钼、钼合金、钽、钽合金、铌、铬、铬合金、钒、钒合金、钌和钌合金中的一种。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将220g未经球化处理的碳化钨合金粉末和20g聚乙烯醇水溶液加入混料机混合30min，然后进行喷雾造粒，得到球形的碳化钨合金预制团粒；所述未经球化处理的碳化钨合金粉末的粒度为1.8μm，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为2％，所述碳化钨合金预制团粒的粒径为50μm，孔隙率为20％；

步骤二、将步骤一中得到的碳化钨合金预制团粒放入烧结炉中进行氢气气氛保护烧结，得到碳化钨合金预制团粒坯体；所述氢气气氛保护烧结的氢气流量为30l/min，升温速率为5℃/min，氢气气氛保护烧结的温度为1400℃，时间为1.5h；

步骤三、设置等离子体设备的功率为60kw，将步骤二中得到的碳化钨合金预制团粒坯体装入等离子体设备的定量送粉装置1中，所述碳化钨合金预制团粒坯体在氩气作用下以45g/min的速度通过输送管道3送入等离子体发生装置4的高温区5中，熔化收缩生成致密球体，然后落入收集罐9中，得到碳化钨合金球形粉末。

图5是本实施例制备的碳化钨合金球形粉末的微观形貌图，从图5可以看出，碳化钨合金球形粉末的球形度较好，表面光滑洁净，结构致密，且无空心粉和卫星粉。

经检测，本实施例制备得到的碳化钨合金球形粉末的粒径为25μm，流动性为14s/50g，松装密度为7.13g/cm³，满足注射成型、3d打印和热等静压的需求。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将160g未经球化处理的氧化铝粉末和20g聚乙烯醇水溶液加入混料机混合20min后，然后进行喷雾造粒，得到近球形的氧化铝预制团粒；所述未经球化处理的氧化铝粉末的粒度为0.4μm，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为1％，所述氧化铝预制团粒的粒径为500μm，孔隙率为30％；

步骤二、将步骤一中得到的氧化铝预制团粒放入烧结炉中进行真空烧结，得到氧化铝预制团粒坯体；所述真空烧结的真空度为2.0×10^-3pa，升温速率为10℃/min，真空烧结的温度为850℃，时间为3h；

步骤三、设置等离子体设备的功率为20kw，将步骤二中得到的氧化铝预制团粒坯体装入等离子体设备的定量送粉装置1中，所述氧化铝预制团粒坯体在氮气作用下以100g/min的速度通过输送管道3送入等离子体发生装置4的高温区5中，熔化收缩生成致密球体，然后落入收集罐9中，得到氧化铝球形粉末。

经检测，本实施例制备得到的氧化铝球形粉末的粒径为200μm，流动性为10s/50g，松装密度为1.87g/cm³，满足注射成型、3d打印和热等静压的需求。

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。