CN105127436B - 一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，包括以下步骤：一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比混合均匀，得到防碳化涂料，然后将防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管内壁上部，干燥后得到防碳化涂层；二、采用导流内芯对石墨导流管内壁中未涂覆防碳化涂层的部位进行保护；三、将石墨导流管装入熔炼室中，然后将钛或钛合金原料加入水冷铜坩埚中进行真空感应熔炼气雾化处理，得到钛或钛合金球形粉末。本发明操作过程简单、生产效率高、可连续雾化，所制备的钛及钛合金粉末受污染风险降低、粉末增碳率有效降低至少50％以上，能够满足工业生产对高品质球形钛及钛合金粉末的需求。

Description

一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法。

背景技术

球形钛及钛合金粉末因其流动性好、气孔夹杂少、杂质含量低等优点，是高性能粉末冶金钛及钛合金近净成型制造加工的重要基础原料。航空用发动机零部件、汽车用增压TiAl涡轮、医用植入体钛合金产品等，以3D打印技术为代表的新型快速成型装备及工艺技术(激光快速制造、电子束选区熔化技术)均对球形钛及钛合金粉末的需求成倍增长。

真空感应熔炼气雾化法制备的球形钛及钛合金粉末具有纯度高、成本相对低廉、氧含量低、球形度高、细粉收得率高等优点，是目前制备球形钛及钛合金粉末应用最广泛的技术之一。申请号为201210520110.1和201410687649.5的专利中已经详细地介绍了球形钛合金粉末的制备方法和装置。另外，因具备导热系数高、耐高温等特点，石墨成为现有气雾化技术中所用导流管材质的主要选择之一。但是，采用石墨材质导流管进行气雾化的过程中普遍存在一个问题，即在高温下金属熔融液流流经导流管内部时易与石墨发生反应从而发生碳化，最终导致成品粉末碳含量大幅增加(碳含量＞0.02wt.％)，这将严重影响粉末的综合性能，其影响对于钛及钛合金粉末而言尤为明显。然而，在现有关于气雾化技术的研究中，还没有一项报道提出能够控制气雾化粉末间隙元素含量(比如碳含量)的有效措施或手段。因此，为了降低雾化钛及钛合金粉末的碳含量，从而提高相应粉末冶金钛及钛合金制品的综合性能，亟待一种能够防止碳污染的球形钛及钛合金粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法。

发明内容

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，提供一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法。该方法操作过程简单、生产效率高、可连续雾化，所制备的钛及钛合金粉末受污染风险降低、粉末增碳率有效降低50％以上，能够满足工业生产对高品质球形钛及钛合金粉末的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，该方法所采用的真空感应熔炼气雾化设备包括熔炼室、雾化室和收集罐，所述熔炼室内设置有水冷铜坩埚和石墨导流管，所述水冷铜坩埚的下部与石墨导流管的上部相连通，所述石墨导流管的下部与雾化室的上部相连通，所述雾化室的下部与收集罐相连通，所述雾化室内的下部设置有分流板；该方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶(0.01～0.1)混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层；

步骤二、采用导流内芯对石墨导流管内壁中未涂覆防碳化涂层的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管内壁中未涂覆防碳化涂层部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行烧结，得到导流内芯；所述导流内芯与石墨导流管相适配；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯装入石墨导流管中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层且装有导流内芯的石墨导流管装入熔炼室中，将钛或钛合金原料加入水冷铜坩埚中，然后采用氩气为雾化气体，在钛或钛合金原料的熔炼温度为1750℃～1900℃，熔炼室内的真空度不大于5bar，雾化室内的气体压力为20bar～100bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐中得到钛或钛合金球形粉末。

上述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，所述分流板的形状为倒V形。

上述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤一中所述第一陶瓷粉末为Al₂O₃粉、ZrO₂粉或Y₂O₃粉。

上述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤202中所述第二陶瓷粉末为TiB₂粉、BN粉、TiC粉、TiN粉或Al₂O₃粉。

上述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤三中所述钛合金为TC4钛合金、Ti600钛合金或TA7钛合金。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明对导流管进行改进，使其不仅导热性好，能提高熔融液流流动稳定性，也不污染熔融金属；本发明提供的方法操作过程简单，制备的粉末受污染小、间隙元素含量大幅度降低、球形度高，同时也避免了常规雾化粉末冷却速率慢、粉末间易粘结、易氧化等问题，特别适用于惰性气体雾化法制备球形金属粉末，从而满足工业生产对高品质球形钛及钛合金粉末的需求。

2、本发明操作过程简单、生产效率高、可连续雾化，所制备的钛及钛合金粉末受污染风险降低、粉末增碳率有效降低50％以上，能够满足工业生产对高品质球形钛及钛合金粉末的需求。

3、本发明先用防碳化涂层对导流管内壁上部进行保护，对于未能涂覆防碳化涂层的部位，则采用导流内芯进行保护，由于涂层和内芯都是陶瓷材质，不会污染熔融金属，确保雾化的正常、连续、稳定进行。

4、采用本发明制备的钛及钛合金粉末受污染风险减小，其中碳元素含量大幅度降低，所制粉末的碳含量≤0.013wt.％，氧含量≤0.20wt.％，且球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

5、本发明操作过程简单，可实现连续雾化，提高生产效率。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明制备钛及钛合金球形粉末所采用的真空感应熔炼气雾化设备的结构示意图。

图2为本发明涂覆有防碳化涂层并且装有导流内芯的石墨导流管的结构示意图。

附图标记说明∶

1—熔炼室； 2—雾化室； 3—收集罐；

4—水冷铜坩埚； 5—石墨导流管； 6—防碳化涂层；

7—导流内芯； 8—分流板； 9—钛或钛合金原料。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明制备钛及钛合金球形粉末所采用的真空感应熔炼气雾化设备包括熔炼室1、雾化室2和收集罐3，所述熔炼室1内设置有水冷铜坩埚4和石墨导流管5，所述水冷铜坩埚4的下部与石墨导流管5的上部相连通，所述石墨导流管5的下部与雾化室2的上部相连通，所述雾化室2的下部与收集罐3相连通，所述雾化室2内的下部设置有分流板8，所述分流板8位于收集罐3罐口的上方。所述分流板8的形状优选为倒V形。所述分流板8优选采用水冷铜质的分流板，通过在分流板内部设置冷却水流通通道，以便于对雾化颗粒进行分流的同时又能实现快速冷却。该设备中所需涉及到的加热、真空等结构件的设置均与现有的真空感应熔炼气雾化设备相同。

实施例1

本实施例所要制备的产品为TC4钛合金球形粉末。结合图1和图2，本实施例TC4钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶0.05混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管5的内壁上部，自然干燥后得到防碳化涂层6；所述第一陶瓷粉末为Y₂O₃粉；

步骤二、采用导流内芯7对石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行常规烧结，烧结温度为第二陶瓷粉末熔点温度的70％，得到导流内芯7；所述导流内芯7与石墨导流管5相适配；所述第二陶瓷粉末为TiN粉；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯7装入石墨导流管5中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层6且装有导流内芯7的石墨导流管5装入熔炼室1中，然后将TC4钛合金原料9加入水冷铜坩埚4中，采用氩气为雾化气体，在TC4钛合金原料9的熔炼温度为1750℃，熔炼室1内的真空度不大于5bar，雾化室2内的气体压力为60bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐3中得到TC4钛合金球形粉末。

采用本实施例制备的TC4钛合金球形粉末受污染风险大大减小，其中碳元素含量大幅度降低(比传统的真空感应熔炼气雾化法制备的粉末降低了50％以上)，所制粉末的碳含量≤0.013wt.％，氧含量≤0.20wt.％，且产品球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

实施例2

本实施例所要制备的产品为Ti600钛合金球形粉末。结合图1和图2，本实施例Ti600钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶0.04混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管5的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层6；所述第一陶瓷粉末为Y₂O₃粉；

步骤二、采用导流内芯7对石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行常规烧结，烧结温度为第二陶瓷粉末熔点温度的70％，得到导流内芯7；所述导流内芯7与石墨导流管5相适配；所述第二陶瓷粉末为BN粉；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯7装入石墨导流管5中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层6且装有导流内芯7的石墨导流管5装入熔炼室1中，然后将Ti600钛合金原料9加入水冷铜坩埚4中，采用氩气为雾化气体，在Ti600钛合金原料9的熔炼温度为1800℃，熔炼室1内的真空度不大于5bar，雾化室2内的气体压力为80bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐3中得到Ti600钛合金球形粉末。

采用本实施例制备的Ti600钛合金球形粉末受污染风险大大减小，其中碳元素含量大幅度降低(比传统的真空感应熔炼气雾化法制备的粉末降低了50％以上)，所制粉末的碳含量≤0.013wt.％，氧含量≤0.20wt.％，且产品球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

实施例3

本实施例所要制备的产品为纯钛球形粉末。结合图1和图2，本实施例纯钛球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

结合图1和图2，本实施例钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶0.06混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管5的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层6；所述第一陶瓷粉末为ZrO₂粉；

步骤二、采用导流内芯7对石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行常规烧结，烧结温度为第二陶瓷粉末熔点温度的70％，得到导流内芯7；所述导流内芯7与石墨导流管5相适配；所述第二陶瓷粉末为TiB₂粉；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯7装入石墨导流管5中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层6且装有导流内芯7的石墨导流管5装入熔炼室1中，然后将纯钛原料9加入水冷铜坩埚4中，采用氩气为雾化气体，在纯钛原料9的熔炼温度为1750℃，熔炼室1内的真空度不大于5bar，雾化室2内的气体压力为20bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐3中得到纯钛球形粉末。

采用本实施例制备的纯钛球形粉末受污染风险大大减小，其中碳元素含量大幅度降低(比传统的真空感应熔炼气雾化法制备的粉末降低了50％以上)，所制粉末的碳含量≤0.013wt.％，氧含量≤0.20wt.％，且产品球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

实施例4

本实施例所要制备的产品为TA7钛合金球形粉末。结合图1和图2，本实施例TA7钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

结合图1和图2，本实施例钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶0.01混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管5的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层6；所述第一陶瓷粉末为Al₂O₃粉；

步骤二、采用导流内芯7对石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行常规烧结，烧结温度为第二陶瓷粉末熔点温度的70％，得到导流内芯7；所述导流内芯7与石墨导流管5相适配；所述第二陶瓷粉末为Al₂O₃粉；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯7装入石墨导流管5中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层6且装有导流内芯7的石墨导流管5装入熔炼室1中，然后将TA7钛合金原料9加入水冷铜坩埚4中，采用氩气为雾化气体，在TA7钛合金原料9的熔炼温度为1900℃，熔炼室1内的真空度不大于5bar，雾化室2内的气体压力为100bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐3中得到TA7钛合金球形粉末。

采用本实施例制备的TA7钛合金球形粉末受污染风险大大减小，其中碳元素含量大幅度降低(比传统的真空感应熔炼气雾化法制备的粉末降低了50％以上)，所制粉末的碳含量≤0.014wt.％，氧含量≤0.18wt.％，且产品球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

实施例5

本实施例所要制备的产品为纯钛球形粉末。结合图1和图2，本实施例纯钛球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

结合图1和图2，本实施例钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶0.06混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管5的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层6；所述第一陶瓷粉末为ZrO₂粉；

步骤二、采用导流内芯7对石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管5内壁中未涂覆防碳化涂层6部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行常规烧结，烧结温度为第二陶瓷粉末熔点温度的70％，得到导流内芯7；所述导流内芯7与石墨导流管5相适配；所述第二陶瓷粉末为TiC粉；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯7装入石墨导流管5中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层6且装有导流内芯7的石墨导流管5装入熔炼室1中，然后将纯钛原料9加入水冷铜坩埚4中，采用氩气为雾化气体，在纯钛原料9的熔炼温度为1750℃，熔炼室1内的真空度不大于5bar，雾化室2内的气体压力为20bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐3中得到纯钛球形粉末。

采用本实施例制备的纯钛球形粉末受污染风险大大减小，其中碳元素含量大幅度降低(比传统的真空感应熔炼气雾化法制备的粉末降低了50％以上)，所制粉末的碳含量≤0.013wt.％，氧含量≤0.20wt.％，且产品球形度好，细粉收得率高，能够满足工业生产对球形钛及钛合金粉末的需求。

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。

Claims (5)

1.一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，该方法所采用的真空感应熔炼气雾化设备包括熔炼室(1)、雾化室(2)和收集罐(3)，所述熔炼室(1)内设置有水冷铜坩埚(4)和石墨导流管(5)，所述水冷铜坩埚(4)的下部与石墨导流管(5)的上部相连通，所述石墨导流管(5)的下部与雾化室(2)的上部相连通，所述雾化室(2)的下部与收集罐(3)相连通，所述雾化室(2)内的下部设置有分流板(8)；该方法包括以下步骤：

步骤一、将第一陶瓷粉末和无水乙醇按质量比1∶(0.01～0.1)混合均匀，得到防碳化涂料，然后将所述防碳化涂料均匀涂覆于石墨导流管(5)的内壁上部，干燥后得到防碳化涂层(6)；

步骤二、采用导流内芯(7)对石墨导流管(5)内壁中未涂覆防碳化涂层(6)的部位进行保护，具体过程为：

步骤201、根据石墨导流管(5)内壁中未涂覆防碳化涂层(6)部位的形状和尺寸设计并制作模具；

步骤202、将第二陶瓷粉末加入步骤201所制作的模具中进行压制，得到压坯，然后对所述压坯进行烧结，得到导流内芯(7)；所述导流内芯(7)与石墨导流管(5)相适配；

步骤203、将步骤202中所述导流内芯(7)装入石墨导流管(5)中；

步骤三、将步骤二中涂覆有防碳化涂层(6)且装有导流内芯(7)的石墨导流管(5)装入熔炼室(1)中，然后将钛或钛合金原料(9)加入水冷铜坩埚(4)中，之后采用氩气为雾化气体，在钛或钛合金原料(9)的熔炼温度为1750℃～1900℃，熔炼室(1)内的真空度不大于5bar，雾化室(2)内的气体压力为20bar～100bar的条件下进行真空感应熔炼气雾化处理，在收集罐(3)中得到钛或钛合金球形粉末。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，所述分流板(8)的形状为倒V形。

3.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤一中所述第一陶瓷粉末为Al₂O₃粉、ZrO₂粉或Y₂O₃粉。

4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤202中所述第二陶瓷粉末为TiB₂粉、BN粉、TiC粉、TiN粉或Al₂O₃粉。

5.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金球形粉末的真空感应熔炼气雾化制备方法，其特征在于，步骤三中所述钛合金为TC4钛合金、Ti600钛合金或TA7钛合金。