一种3d打印用细颗粒球形钛粉的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种3D打印用细颗粒球形钛粉的制备方法，属于金属粉末制备技术 领域。
【背景技术】
[0002] 3D打印技术特别适于开发高附加值复杂结构产品、个性化定制和应用于大规模生 产前设计与研发的验证等环节。与目前国际先进水平相比，我国在3D打印所需成形材料的 研发方面尚有很大差距，材料设计和制备工艺目前主要跟踪国外进展。在3D打印用成形材 料产品方面，国内所需的细粒径球形钛及钛合金粉末等几乎完全依赖进口。高质量的3D打 印用成形材料的缺乏是制约我国3D打印技术推广与应用的瓶颈要素之一。
[0003] 对于3D打印用细颗粒金属钛粉末，工艺过程对粉末材料具有很高的要求，如粒径 范围20-50微米、高球形度、低氧含量等。现有的钛粉制备技术主要有：电化学法、机械球磨 法、雾化法、还原法等。目前这些方法制备出的钛或钛合金粉末形貌难以控制，粒径较粗大 且分布范围较宽。其中，气体雾化法由于气流速度较低，制备出的金属或合金粉末粒度达到 50 μπι以下的成品率通常只有30%左右；电化学、还原法成本较高，且使用的溶剂和还原剂 多有剧毒，并容易引入卤素、硫等杂质；球磨法只能用于脆性材料，通常氧含量较高且无法 控制粉末颗粒形貌。因此，目前紧迫需求低成本、高纯度、粒径可控的3D打印用金属或合金 粉末的制备方法。
[0004] 针对上述领域背景，为了解决现有技术的局限，本发明提供一种适用于3D打印技 术的细颗粒球形钛粉的制备方法。
【发明内容】
[0005] 本发明提供的制备方法的工艺流程和原理是：采用高纯金属钛块材为原料，在惰 性气体环境下电弧蒸发，同时充入氢气，通过气相反应合成氢化钛纳米粉末；然后对氢化钛 纳米粉末进行团聚造粒，得到较高密度的微米级氢化钛粉末；最后对造粒后微米级氢化钛 粉末进行热处理，通过脱胶、脱氢和致密化固结作用，获得粒度、球形度和流动性满足3D打 印要求的纯钛粉末颗粒。本方法与其他工艺方法相比，对金属颗粒的球形度和粒径分布的 可控性强；工艺简单、成本低；通过首先生成耐氧化的氢化钛纳米粉末的新途径，稳定具有 极大活性的金属钛，可有效控制最终制备的金属粉末颗粒中的氧含量。
[0006] 本发明提供的一种适用于3D打印需求的细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤：
[0007] (1)将高纯钛块材作为阳极，在惰性气体氩气或氦气环境下，通过放电作用形成高 强度电弧，起弧电流为100~250Α，电弧电压为10~30V，然后通入氢气，氢气与惰性气体 的体积比例为I: (1~3)，通过气相反应生成氢化钛（TiH2)，冷凝后形成固态氢化钛纳米颗 粒；
[0008] (2)将聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水与步骤⑴制备的氢化钛纳米颗粒配制成 悬浊液料浆，团聚造粒后，获得20~50 μ m的球形氢化钛颗粒；
[0009] (3)采用氩气保护的管式炉对步骤（2)制备的造粒后球形氢化钛颗粒进行热处 理，第一阶段热处理温度为230~280°C，保温时间为60~120min ;第二阶段热处理温度为 700~750°C，保温时间为120~180min ;第三阶段热处理温度为900~950°C，保温时间 为60~90min，最后随炉冷却至室温，得到具有高致密性、高流动性、低氧含量的细颗粒微 米级球形钛粉末。
[0010] 本发明的技术特色和优势主要有：（1)在钛块材起弧蒸发的过程中，充入氢气，在 高温下氢气与金属气体迅速反应，生成物相纯净的氢化钛，利用起弧电流、电压和氢气与惰 性气体比例的调控，可以调整氢化钛的产率和颗粒尺寸，使平均粒径在30~SOnm范围内可 控；（2)以稳定性好的氢化钛粉末为初始材料，利用离心喷雾等方法造粒，可以有效控制造 粒过程中氧等杂质的引入，同时获得良好的球形度和较高的微米级颗粒致密度；（3)造粒 后的热处理工艺，对最终获得满足3D打印要求的金属粉末非常重要。本发明中，采用三阶 段热处理方式，第一阶段热处理的作用是使造粒过程中加入的有机粘结剂挥发；第二阶段 热处理的作用是使氢化钛完全分解得到金属钛；第三阶段热处理的作用是使钛粉末颗粒之 间形成固相粘结，既保证具有足够的颗粒间结合强度和致密度，又不发生颗粒（或内部微 结构）快速粗化或整体烧结。本发明通过调控各工艺步骤的参数组合，可以制备得到具有 优良球形度、高流动性且平均粒径及粒径分布满足3D打印要求的高质量细颗粒球形钛金 属粉末。尤其是，通过首先生成耐氧化的氢化钛纳米粉末颗粒的新途径，稳定具有极大活性 的金属钛，可有效控制最终制备的钛粉末颗粒中的氧含量，且整条制备路线工艺简单、易于 操作，较已有其他纯钛微米级粉末的制备方法大大降低了成本。
【附图说明】
[0011] 图1本发明实施例1制备的纳米氢化钛粉末的物相检测图谱。
[0012] 图2本发明实施例2制备的纳米氢化钛粉末的显微形貌、晶体结构和粒径分布；其 中a为纳米氢化钛粉末的高倍透射电镜形貌图，b为纳米氢化钛粉末颗粒的选区电子衍射 图谱，c为纳米氢化钛粉末颗粒的粒径分布统计结果。
[0013] 图3本发明实施例1制备得到的钛粉末的物相检测图谱。
[0014] 图4本发明实施例2制备得到的钛粉末颗粒的显微形貌和粒径分布；其中a为钛 粉末的扫描电镜形貌图，b为单个钛颗粒的高倍形貌图，c为钛粉末颗粒的粒径分布统计结 果。
[0015] 表1本发明实施例1和实施例2制备得到的金属钛粉末颗粒的球形度、流动性和 密度检测结果。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0017] 例1、将原料高纯钛块材（纯度99. 99wt% )作为阳极，在惰性气体氩气环境下， 通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为100A，电弧电压为10V，然后通入氢气，氢气与 惰性气体的比例为1: 1，通过气相反应生成氢化钛（TiH2)，冷凝后形成固态氢化钛纳米颗 粒，如图1 ;将聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水与氢化钛纳米颗粒配制成悬浊液料浆，利用 离心雾化干燥方法进行团聚造粒，获得20 μm的球形氢化钛颗粒；采用氩气保护的管式炉 对造粒后的氢化钛粉末进行热处理，第一阶段热处理温度为230°C，保温时间120min ;第二 阶段热处理温度为700°C，保温时间为ISOmin ;第三阶段热处理温度为900°C，保温时间为 90min，最后随炉冷却至室温，得到具有高致密性、高流动性、低氧含量的细颗粒微米级球形 钛粉末。制备得到的钛粉物相检测图谱如图3,其球形度、松装密度、流动性和氧含量测量结 果见表1。
[0018] 例2、将原料高纯钛块材（纯度99. 99wt% )作为阳极，在惰性气体氦气环境下， 通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为250A，电弧电压为30V，然后通入氢气，氢气与 惰性气体的比例为1:3,通过气相反应生成氢化钛（TiH 2)，冷凝后形成固态氢化钛纳米颗 粒，其显微形貌和粒径分布如图2 ;将聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水与氢化钛纳米颗粒配 制成悬浊液料浆，利用离心雾化干燥方法进行团聚造粒，获得50 μm的球形氢化钛颗粒；采 用氩气保护的管式炉对造粒后的氢化钛粉末进行热处理，第一阶段热处理温度为280°C，保 温时间90min ;第二阶段热处理温度为750°C，保温时间为120min ;第三阶段热处理温度为 950°C，保温时间为60min，最后随炉冷却至室温，得到具有高致密性、高流动性、低氧含量的 细颗粒微米级球形钛粉末。制备得到的钛粉显微形貌和粒径分布如图4,其球形度、松装密 度、流动性和氧含量测量结果见表1。
[0019] 表1本发明实施例1和实施例2制备得到的钛粉末的物性参数
[0020]
【主权项】
1. 一种适用于3D打印需求的细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 将高纯钛块材作为阳极，在惰性气体氩气或氦气环境下，通过放电作用形成高强度 电弧，起弧电流为100~250A，电弧电压为10~30V，然后通入氢气，氢气与惰性气体的体 积比例为I: (1~3)，通过气相反应生成氢化钛（TiH2)，冷凝后形成固态氢化钛纳米颗粒； (2) 将聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水与步骤（1)制备的氢化钛纳米颗粒配制成悬浊 液料浆，进行团聚造粒，获得20~50ym的球形氢化钛颗粒； (3) 采用氩气保护的管式炉对步骤（2)制备的造粒后球形氢化钛颗粒进行热处理，第 一阶段热处理温度为230~280°C，保温时间为60~120min;第二阶段热处理温度为700~ 750°C，保温时间为120~180min;第三阶段热处理温度为900~950°C，保温时间为60~ 90min，最后随炉冷却至室温，得到具有高致密性、高流动性、低氧含量的细颗粒微米级球形 钛粉末。
2. 按照权利要求1的一种适用于3D打印需求的细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在 于，利用步骤（1)起弧电流、电压和氢气与惰性气体比例的调控，调整纳米氢化钛粉末颗粒 的产率和颗粒尺寸，使平均粒径在30~80nm范围内。
【专利摘要】一种3D打印用细颗粒球形钛粉的制备方法，属于金属粉末制备技术领域。采用高纯金属钛块材为原料，在惰性气体环境下电弧蒸发，同时充入氢气，通过气相反应合成氢化钛纳米粉末；然后对氢化钛纳米粉末进行团聚造粒，得到较高密度的微米级氢化钛粉末；最后对造粒后微米级氢化钛粉末进行热处理，通过脱胶、脱氢和致密化固结作用，获得粒度、球形度和流动性满足3D打印要求的纯钛粉末颗粒。本方法对钛粉末颗粒的球形度和粒径分布的可控性强；工艺简单、成本低；通过首先生成耐氧化的氢化钛纳米粉末颗粒的新途径，稳定具有极大活性的金属钛，可控制最终制备的钛粉末颗粒中的氧含量。
【IPC分类】B22F9-30
【公开号】CN104772473
【申请号】CN201510159503
【发明人】聂祚仁, 张亚娟, 王海滨, 宋晓艳, 刘雪梅, 贺定勇
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日