CN103846447B - 一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高活性金属粉末制备技术领域，具体提供一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，该方法包括以下步骤：(1)选取海绵钛或氢化钛或钛与至少两种合金元素进行配料；(2)对熔炼室和雾化室进行预抽真空处理，然后充入氩气或氦气保护气体；(3)采用水冷铜坩埚对所述含钛配料进行熔炼，形成钛或钛合金熔体；(4)采用双层雾化喷嘴对所述钛或钛合金熔体进行雾化和氢化制成粉末；(5)所述粉末冷却后，经旋风分离收集微细球形钛或钛合金粉末。本发明针对微细球形钛或钛合金粉末的制备问题，将气雾化技术与氢化技术相结合，制备出微细球形钛或钛合金粉末。

Description

一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法

技术领域

本发明属于高活性金属粉末制备技术领域，特别是提供一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法。

背景技术

钛或钛合金因其密度低、比强度高、耐蚀性能好、耐热性能优良、无磁等一系列优良性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、生物工程、体育用品及环保等领域，但由于其加工性能差，制造形状复杂的制品成本很高，极大地限制了钛合金在非航空领域的应用。采用粉末冶金近净成形技术可制备出近成品形状部件，从而大大降低加工成本，引起科研工作者的极大关注。粉末冶金近净成形技术要求粉末粒度细小、流动性好、杂质元素和氧含量低、粉末球形度高，而普通钛合金粉末难于满足工业生产要求。

钛合金粉末是钛粉末冶金的基本原料，其生产方法决定了粉末的性能用途。目前，钛合金粉末的生产方法主要有氢化脱氢法、雾化法、旋转电极法等。氢化脱氢法（HDH）是国内外工业上是制备钛合金粉末的主要方法。其主要工序是将具有韧性的海绵钛置于一定高温下，利用钛的吸氢性能快速地吸收大量氢气形成脆性的氢化钛粉末，将其破碎后置于500~750℃条件下进行真空脱氢处理，最终得到HDH钛粉。该方法工艺简单，易于实现工业化生产，但生产工艺流程长，破碎过程易引入杂质，且钛粉形状不规则、氧含量高，很难满足对高质量钛粉的要求。旋转电极法制备的钛合金粉末形状为规则的球形、粉末流动性好、氧含量低，但粉末的粒度较粗，生产成本较高。日本的住友硅钛公司采用气体雾化法制备微细球形钛粉，其过程是将细长的海绵钛棒通过感应加热熔化，惰性气体通过喷嘴将熔融的液体雾化成粉，从而制备出微细球形钛粉。该方法制备的钛粉的平均粒度为70μm~80μm，由于熔化的钛不与坩埚和其它器皿接触，粉末不被污染，可制取低氧含量的高纯钛粉，但该方法生产效率低、成本较高。因此，提供一种制备微细球形钛或钛合金粉的方法是很重要的。

气雾化法制备粉末，是利用高压高速气流作用于熔融液流，将高速气体的动能转化为熔滴的表面能，进而将熔体破碎形成细小液滴并球化冷却生成粉末。气雾化制粉具有环境污染小、工艺简单、冷却速度快等优点，制备的粉末具有球形度高、氧含量低、成分均匀、晶粒细小、粉末粒度可控等优点，气体雾化技术已成为生产金属及合金粉末的主要方法之一。

本发明针对微细球形钛或钛合金粉末的制备问题，将气雾化技术与氢化技术相结合，制备出微细球形钛或钛合金粉末。

发明内容

本发明的目的在于解决微细球形钛或钛合金粉末的制备及粉末氧化问题，提供一种用于粉末冶金近净成形技术使用的低氧含量、微细球形钛或钛合金粉末的制备方法。本方法工艺简单、节约能源、降低生产成本、提高生产效率、可有效控制杂质元素的污染。

本发明技术方案综合惰性气体雾化制粉技术和氢化技术的特点和优势，通过冷壁坩埚纯洁熔炼钛或钛合金，降低钛或钛合金粉末中杂质元素的引入。同时，采用双层雾化喷嘴，高纯氩气或氦气作为雾化介质通过主雾化喷嘴对熔体进行雾化破碎，随后受二次喷嘴产生的气流作用，在凝固过程中钛或钛合金熔滴在表面形成氢化钛薄膜，有效防止粉末氧化。同时粉末冷却过程中充分分散，减少粉末中卫星球粉末的产生。

本发明的目的通过以下方式实现，一种微细球形钛或钛合金粉末的制备方法。以海绵钛/氢化钛或钛与至少两种合金元素的配料为原料，通过预抽真空并充入高纯惰性气体进行气氛保护，防止钛或钛合金在熔炼过程中的氧化，熔炼室内气体压力为0~0.50MPa；采用水冷铜坩埚纯净熔炼合金，避免杂质元素的引入，熔炼温度在1550~1700℃；采用双层雾化喷嘴对熔体进行雾化和钝化处理，高纯氩气或氦气作为雾化介质通过紧耦合喷嘴使熔体雾化，雾化压力控制在0.5~10MPa。氢气或氢气和氩气的混合气体作为雾化介质，通过二次喷嘴对雾化熔滴进行强制钝化、冷却和分散，雾化压力控制在0.01~1.50MPa，氢气在通过二次喷嘴强制冷却过程中与钛或钛合金发生氢化反应，在粉末表面氢化形成氢化钛薄膜，有效防止粉末的氧化，同时，将粉末充分分散，减少卫星球的生成，从而实现微细球形钛或钛合金粉的制备。

一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，包括以下步骤：

（1）选取海绵钛或氢化钛或钛与至少两种合金元素为原料，按照合金成分设计需要选取元素并进行配料；

（2）对熔炼室和雾化室进行预抽真空处理，真空度达到1×10^-4~1×10^-2Pa，熔炼室和雾化室内充入高纯氩气或氦气为保护气体，熔炼室内气体压力为0~0.50MPa，避免配料在熔炼过程中及粉末在雾化过程中的氧化；

（3）采用水冷铜坩埚对含钛配料进行熔炼，形成钛或钛合金熔体，熔炼温度控制在1550~1700℃；

（4）采用高纯氩气或氦气作为雾化介质对钛或钛合金进行雾化处理。采用双层雾化喷嘴对熔体进行雾化，雾化气体通过主雾化喷嘴对合金熔体进行雾化，雾化压力为0.50~10MPa；氢气或氢气与氩气的混合气或含氢元素气体通过二次喷嘴对雾化液滴进行强制钝化、冷却和分散，使得粉末在充分钝化、冷却和分散的同时，发生氢化反应，在粉末表面生成氢化钛薄膜，有效防止粉末氧化。

（5）粉末冷却后，经旋风分离收集微细球形钛或钛合金粉末。按照不同粒度等级需要进行筛分并真空包装。

所述微细球形钛或钛合金粉末平均粒径D50在3~50μm，氧含量为80~500ppm，粉末表面形成几十纳米厚的氢化钛薄膜，有效降低粉末的氧化。

本发明的优点在于：

（1）将气雾化技术与氢化技术相结合，采用水冷铜坩埚熔炼钛或钛合金，可有效降低钛或钛合金与坩埚的反应，降低杂质元素的引入。工艺简单、生产效率高、成本低廉。

（2）采用高纯氩气或氦气通过紧耦合喷嘴进行初级雾化处理。同时，采用氢气或氢气与氩气的混合气或含氢元素气体通过主雾化喷嘴下方的二次喷嘴对金属熔滴进行强制钝化、冷却和分散，粉末在凝固过程中发生氢化反应，表面形成氢化钛薄膜，防止粉末的氧化，便于保存。同时，可以有效减少卫星球的生成。

（3）制备的微细球形钛或钛合金粉末粒度细小，球形度高、流动性好、氧含量低，卫星球粉体含量少。

附图说明

图1是本发明微细球形钛或钛合金粉末的制造设备示意图；

图2是本发明制备的微细球形TC11钛合金粉末的X射线衍射图谱；

图3是本发明制备的微细球形TC11钛合金粉末的扫描电镜图。

图中1是真空非自耗电极，2是水冷铜坩埚，3是中间包，4是双层雾化喷嘴，5是真空系统，6是粉末收集器。

具体实施方式

一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，该方法按以下步骤进行：

首先选取海绵钛或钛与至少两种合金元素为原料，所述合金元素包括Al、V、Zr、Mo和Nb，对雾化炉进行预抽真空处理，真空度达到1×10^-4~1×10^-2Pa。采用高纯氩气或氦气为保护气充满炉体和雾化室，避免在合金熔炼及雾化过程中粉末的氧化问题。采用水冷铜坩埚对所述配料进行熔炼，降低杂质元素的引入。

当熔炼温度达到1550~1700℃时，采用双层雾化喷嘴对所述含钛配料熔体进行雾化制粉。雾化介质为高纯氩气或氦气，喷嘴的雾化压力为0.50~10MPa。金属Ti在适宜的温度范围350~680℃，快速地吸收大量氢气形成脆性的不易氧化的氢化钛，其反应式为：Ti+H₂=TiH₂。雾化过程中，采用氢气或氢气与氩气的混合气或含氢元素气体为冷却介质，通过二次喷嘴对金属熔滴进行强制钝化、冷却和分散，使得钛或钛合金液滴在凝固过程中发生氢化反应，在表面形成氢化钛薄膜，从而有效降低粉末的氧化。同时，二次喷嘴产生的气流可减少卫星球的生成。图2提供了制备的高纯微细球形钛合金粉的XRD衍射图，如图所示，粉末为单一钛相的固溶体。图3提供了本发明制备的微细球形钛合金粉末的扫描电镜图，如图所示，制备的球形钛粉球化率高，球形度好，并且粒度均匀细小，粒度在10～30μm左右。

本发明的制备方法将惰性气体雾化制粉技术和氢化技术相结合，采用海绵钛或氢化钛或钛和钛合金元素为原料，通过水冷铜坩埚熔炼有效降低杂质元素的引入及污染。同时，喷嘴结构采用双层雾化喷嘴，通过主雾化喷嘴产生的高压高速的高纯氩气或氦气使金属熔体破碎成金属熔滴，然后氢气或氢气与氩气的混合气或含氢元素气体通过二次喷嘴对凝固过程中的熔滴进行强制钝化、冷却和分散，粉末在凝固过程中发生氢化反应，在表面形成氢化钛薄膜，有效防止粉末的氧化，同时减少卫星球的生成，实现微细球形钛或钛合金粉末制品技术的突破。

以下结合附图以实施例方式进一步说明本发明，这些实施例仅仅用于说明而非限定本发明的保护范围。

实施例1

气雾化法制备平均粒度45μm微细球形Ti-6Al-4V合金粉末

以海绵钛、铝和钒为原料，根据TC4（Ti-6Al-4V）合金成分配比进行配料，其中海绵钛和铝、钒的纯度≥99.9%。对真空室及熔炼炉进行预抽真空处理，真空度为1×10^-4Pa，充入高纯氩气进行气氛保护，防止合金粉末的氧化。采用水冷铜坩埚进行纯净熔炼，熔炼温度为1650℃，保温20min后开始雾化。采用双层雾化喷嘴，高纯氩气为雾化介质通过主喷嘴（紧耦合喷嘴）进行雾化处理，雾化压力控制在1.5~3.5MPa。氢气通过二次喷嘴对熔滴进行强制钝化、冷却和分散，雾化压力控制在0.5MPa。通过旋风分离进行粉末收集并对粉末进行筛分和真空包装。经测试分析可知，微细球形TC4粉的氧含量为280ppm，平均粒度为45μm。

实施例2

气雾化法制备平均粒度28μm微细球形TC11合金粉末

以海绵钛和铝、钼、锆等为原料，根据TC11（Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr）合金进行配料，其中海绵钛和铝、钼、锆纯度≥99.9%。对真空室及熔炼炉进行预抽真空处理，真空度为1×10^-4Pa，充入高纯氦气进行气氛保护，防止合金粉末的氧化。采用水冷铜坩埚纯净熔炼合金粉末，熔炼温度为1550℃，保温60min充分合金化后进行雾化处理。采用双层雾化喷嘴，高纯氦气为雾化介质通过紧耦合喷嘴进行雾化处理，雾化压力控制在6.0~7.0MPa。氢气通过二次喷嘴对熔滴进行强制钝化、冷却和分散，雾化压力控制在0.15MPa。粉末冷却后进行筛分和真空包装并进行检测。测试分析可知，微细球形钛粉的氧含量为80ppm，平均粒度为28μm。

实施例3：

气雾化法制备平均粒度10μm微细球形钛粉

以海绵钛原料，纯度≥99.9%。对真空室及熔炼炉进行预抽真空处理，真空度为1×10^-4Pa，充入高纯氩气进行气氛保护，防止粉末的氧化。采用水冷铜坩埚进行纯净熔炼，熔炼温度为1700℃，保温45min后开始雾化。采用双层雾化喷嘴，高纯氩气为雾化介质通过紧耦合喷嘴进行雾化处理，雾化压力控制在6.5~9.5MPa。氢气通过二次喷嘴对熔滴进行强制钝化、冷却和分散，雾化压力控制在1.5MPa。通过旋风分离进行粉末收集并对粉末进行筛分和真空包装。经测试分析可知，微细球形钛粉的氧含量为430ppm，平均粒度为10μm。

实施例4

气雾化法制备平均粒度18μm微细球形高铌钛铝合金粉末

以海绵钛、铝和铌为原料，根据高铌钛铝合金（Ti-45Al-8.5Nb）合金进行配料，其中海绵钛和铝、铌纯度≥99.9%。对真空室及熔炼炉进行预抽真空处理，真空度为1×10^-4Pa，充入高纯氩气进行气氛保护，防止合金粉末的氧化。采用水冷铜坩埚纯净熔炼合金粉末，熔炼温度为1680℃，保温50min充分合金化后进行雾化处理。采用双层雾化喷嘴，高纯氦气为雾化介质通过紧耦合喷嘴进行雾化处理，雾化压力控制在3.0~5.5MPa。氢气通过二次喷嘴对熔滴进行强制钝化、冷却和分散，雾化压力控制在0.05MPa。粉末冷却后进行筛分和真空包装并进行检测。测试分析可知，微细球形钛合金粉末的氧含量为160ppm，平均粒度为18μm。

Claims (5)

1.一种微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取海绵钛或氢化钛或钛与至少两种合金元素进行配料；

(2)对熔炼室和雾化室进行预抽真空处理，然后充入氩气或氦气保护气体；

(3)采用水冷铜坩埚对所述含钛配料进行熔炼，形成合金熔体；

(4)采用双层雾化喷嘴对所述合金熔体进行雾化和氢化制成粉末；

(5)所述粉末冷却后，经旋风分离收集微细球形钛或钛合金粉末；

其中，步骤(4)中双层雾化喷嘴为主雾化喷嘴和其下方安装的二次喷嘴结构，在主雾化喷嘴中通入氩气或氦气，对所述合金熔体进行初级雾化，雾化压力为0.50～10MPa，形成合金熔滴，所述二次喷嘴中通入氢气或氢气与氩气的混合气或含氢元素气体对所述熔滴进行强制钝化、冷却和分散，合金熔滴在凝固过程中形成粉末并且发生氢化反应，在合金粉末表面生成氢化钛薄膜，该薄膜的厚度为0.05μm～0.2μm；所述二次喷嘴内的气体压力为0.01～1.50MPa。

2.根据权利要求1所述微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述合金元素包括Al、V、Zr、Mo和Nb。

3.根据权利要求1所述微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，其特征在于，步骤(2)的预抽真空处理，真空度达到1×10-4～1×10-2Pa，熔炼室充入保护气体后压力为0～0.50MPa。

4.根据权利要求1所述微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，其特征在于，步骤(3)中熔炼温度为1550～1700℃。

5.根据权利要求1所述微细球形钛或钛合金粉末的气雾化制备方法，其特征在于，高纯微细球形钛或钛合金粉末氧含量为80～500ppm，平均粒径D50为3～50μm。