CN105568055A - 一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法 - Google Patents

一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，包括以下步骤：（1）以海绵钛为材料，加入Ni、Cu、Zr合金元素形成三元或者四元合金；（2）通过电弧枪加热融化形成三元或者四元钛基混合合金；（3）将混合合金喷入具有圆柱空心的铜琨中；（4）退火处理；（5）对圆柱状的合金进行破碎；（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬；（7）将原料送入等离子体炬的芯部高温区中，钛基合金粉原料迅速吸热熔化；（8）迅速冷却固化，形成球形的钛基合金粉颗粒并经粉末收集装置收集。本发明扩大了原材料的应用范围，形成的球形粉末晶粒细小、组织均匀、塑性好、强度、硬度高，可用于热喷涂及3D打印等。

Description

一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，属于金属粉末制备的技术领域。
背景技术
传统合金化对现有钛合金的性能（比强度、比刚度、抗疲劳、耐磨性、耐热性、耐蚀性）提高达到了一定的极限，从而限制了钛合金的应用范围。随着当代高科技的发展以及钛基合金应用领域的不断拓宽，对钛基合金的性能要求已不仅仅局限于单一高性能指标，而是要求其在复杂服役条件下，具有优良的综合性能，期望其在具备高比模、高比强、抗蠕变、尺寸稳定性和耐磨性好等一系列优异性能的同时能够兼具抗氧化、耐热性和导热优良等功能性，这就势必要通过对材料内部的不同物理化学性质的物相选择和设计、不同相种类和不同尺寸增强体之间的“取长补短”、“耦合作用”、“多效应响应”，使钛基合金具备结构功能一体化特征来满足科学技术对材料科学的发展提出的强烈要求。
钛合金产品的高成本是阻碍其工业化应用的主要原因，而粉末冶金工艺的近净成形等特点，使它能够大幅降低产品成本，成为工业化生产钛合金产品的有效途径。全国钛合金采用粉末冶金工艺加工占钛总量的12-13%。根据中国粉末冶金服务网的统计，球形粉末使用量700-800t；由于技术条件的限制，国内生产的钛合金粉多为中低档产品，不能满足高端客户要求。粉末冶金用，特别是注射成形、3D打印用等高质量钛基合金粉还需进口。
基于此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其克服了球形粉末组织结构和性能的不足。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，包括以下步骤：
（1）选用海绵钛为基础材料，加入Ni、Cu、Zr合金元素按一定配比形成三元或者四元合金；
（2）采用真空电弧熔炼法，通过电弧枪加热融化形成完全融化的三元或者四元钛基混合合金；
（3）将熔融的三元或者四元钛基混合合金通过喷铸的方式喷入具有圆柱空心的铜琨中，形成具有一定非晶存在的三元或者四元钛基合金；
（4）步骤（3）中形成的三元或者四元钛基合金进行退火处理，使其成分均匀化，控制得到需要的组织，细化晶粒；
（5）对圆柱状的合金进行破碎，形成不规则形状的钛基合金粉末；
（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬；
（7）以氩气作为载气，通过送粉探针将原料送入等离子体炬的芯部高温区中，钛基合金粉原料迅速吸热熔化；
（8）进入粉体球化室，在极高的温度梯度下迅速冷却固化，形成球形的钛基合金粉颗粒并经粉末收集装置收集。
所述步骤（2）中电弧枪的输入电流为20-40A，合金锭翻转3-4次。
所述步骤（3）中充入-0.3～-1Pa氩气产生气压。
所述步骤（4）中退火处理的温度为300-1000℃，时间为0.5-24h。
所述步骤（5）中不规则形状的钛基合金的粒径为100-300微米。
所述步骤（6）中等离子体炬的射频功率为10-40KW。
所述步骤（7）中原材料送料速率为1-10kg/h，携粉气体的流量1-10L/min，中气流量为10-60L/min，边气流量为20-100L/min。
形成的球形粉末为50-100微米。
本发明钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，与现有技术相比具有如下有益效果：
1、可以添加多种合金元素并控制成分，扩大原材料的应用范围；
2、使用电弧熔炼和喷铸结合，将合金完全融化和混合，并通过喷铸的方式形成具有非晶的钛基合金；
3、通过退火处理，控制得到需要的组织，细化晶粒，减少空心等结构缺陷，同时提高合金的塑性、强度和硬度；
4、将破碎的合金粉末，使用射频等离子球化技术制备出球形度高、流动性好、粒度分布均匀、杂质少、致密性高的球形钛基合金粉末；
5、该球形粉末晶粒细小、组织均匀、塑性好、强度、硬度高，可用于热喷涂及3D打印等。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明中所使用的原料均可以通过本领域公知的方法合成，也可以从市场上购得。
实施例1
本实施例1提供一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，包括以下步骤：
（1）选用海绵钛为基础材料，加入10%Ni、10%Cu合金元素形成三元合金；
（2）采用真空电弧熔炼法，通过电弧枪加热融化形成三元钛基合金，电弧枪的输入电流为20A，合金锭翻转3次，得到完全融化和均匀混合的合金；
（3）将熔融的三元钛基合金通过喷铸的方式喷入具有圆柱空心的铜琨中，充入-0.3Pa氩气产生气压，主要是快速冷却的方式，形成具有一定非晶存在的三元钛基合金；
（4）对具有非晶存在的三元钛基合金进行退火处理，温度为300℃，时间为0.5h，使其成分均匀化，控制得到需要的组织，细化晶粒，减少空心等结构缺陷，同时提高合金的塑性、强度和硬度；
（5）对圆柱状的合金进行破碎，形成不规则形状的钛基合金粉末，粒径为200-300微米；
（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬，射频功率为10KW；
（7）以氩气，钛粉原料迅速吸热熔化，所述携粉气体的流量2L/min，送料速率为1kg/h，中气流量为20L/min，边气流量为30L/min；
（8）将熔融的粉末导入粉体球化室，在极高的温度梯度下迅速冷却固化，形成球形的钛基合金粉颗粒，经粉末收集装置收集，球形粉末粒径为80-100微米。
实施例2
本实施例2提供一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，包括以下步骤：
（1）选用海绵钛为基础材料，加入25%Ni、25%Cu合金元素形成三元合金；
（2）采用真空电弧熔炼法，通过电弧枪加热融化形成三元钛基合金，电弧枪的输入电流为25A，合金锭翻转3次，确保合金的完全融化和均匀混合；
（3）将熔融的三元钛基合金通过喷铸的方式喷入具有圆柱空心的铜琨中，充入-0.5Pa氩气产生气压，主要是快速冷却的方式，形成具有一定非晶存在的三元钛基合金；
（4）对具有非晶存在的三元钛基合金进行退火处理，温度为500℃，时间为5h，使其成分均匀化，控制得到需要的组织，细化晶粒，减少空心等结构缺陷，同时提高合金的塑性、强度和硬度；
（5）对圆柱状的合金进行破碎，形成不规则形状的钛基合金粉末，粒径为100-200微米；
（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬，射频功率为20KW；
（7）以氩气作为载气，通过送粉探针将原料送入等离子体炬的芯部高温区中，钛粉原料迅速吸热熔化，所述携粉气体的流量5L/min，送料速率为3kg/h，中气流量为30L/min，边气流量为50L/min；
（8）将熔融的粉末导入粉体球化室，在极高的温度梯度下迅速冷却固化，形成球形的钛粉颗粒，经粉末收集装置收集，球形粉末粒径为70-90微米。
实施例3
本实施例3提供一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，包括以下步骤：
（1）选用海绵钛为基础材料，加入20%Ni、20%Cu、10%Zr元素形成四元合金；
（2）采用真空电弧熔炼法，通过电弧枪加热融化形成四元钛基合金，电弧枪的输入电流为30A，合金锭翻转4次，确保合金的完全融化和均匀混合；
（3）将熔融的三元或者四元钛基合金通过喷铸的方式喷入具有圆柱空心的铜琨中，充入-0.6Pa氩气产生气压，主要是快速冷却的方式，形成具有一定非晶存在的四元钛基合金；
（4）对具有非晶存在的四元钛基合金进行退火处理，温度为700℃，时间为80min，使其成分均匀化，控制得到需要的组织，细化晶粒，减少空心等结构缺陷，同时提高合金的塑性、强度和硬度；
（5）对圆柱状的合金进行破碎，形成不规则形状的钛基合金粉末，粒径为100-150微米；
（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬，射频功率为30KW；
（7）以氩气作为载气，通过送粉探针将原料送入等离子体炬的芯部高温区中，钛粉原料迅速吸热熔化，所述携粉气体的流量5L/min，送料速率为5kg/h，中气流量为50L/min，边气流量为70L/min；
（8）将熔融的粉末导入粉体球化室，在极高的温度梯度下迅速冷却固化，形成球形的钛粉颗粒，经粉末收集装置收集，粒径为50-70微米。
由上述实施例1-3可知，本发明将使用电弧熔炼和真空喷铸制备及射频等离子粉体球化技术相结合，通过电弧熔炼和真空喷铸将各种合金元素完全融化融合，并制备出具有一定非晶存在的三元或者四元钛基合金，不仅扩大原材料应用范围，而且通过退火处理，控制得到需要的组织，细化晶粒，减少空心等结构缺陷，同时提高合金的塑性、强度和硬度；结合射频等离子体粉体球化技术，制备出球形度高、流动性好、粒度分布均匀、致密性高、晶粒细小、组织均匀、塑性好、强度和硬度高的球形钛基合金粉末，可用于热喷涂及3D打印等。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）选用海绵钛为基础材料，加入Ni、Cu、Zr合金元素按一定配比形成三元或者四元合金；
（2）采真空电弧熔炼法，通过电弧枪加热融化形成完全融化的三元或者四元钛基混合合金；
（3）将熔融的三元或者四元钛基混合合金通过喷铸的方式喷入具有圆柱空心的铜琨中，形成具有一定非晶存在的三元或者四元钛基合金；
（4）步骤（3）中形成的三元或者四元钛基合金进行退火处理，使其成分均匀化，控制得到需要的组织，细化晶粒；
（5）对圆柱状的合金进行破碎，形成不规则形状的钛基合金粉末；
（6）建立能量密度高和加热强度大的等离子体炬；
（7）以氩气作为载气，通过送粉探针将原料送入等离子体炬的芯部高温区中，钛基合金粉原料迅速吸热熔化；
（8）进入粉体球化室，在极高的温度梯度下迅速冷却固化，形成球形的钛基合金粉颗粒并经粉末收集装置收集。
2.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中电弧枪的输入电流为20-40A，合金锭翻转3-4次。
3.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中充入-0.3～-1Pa氩气产生气压。
4.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中退火处理的温度为300-1000℃，时间为0.5-24h。
5.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中不规则形状的钛基合金的粒径为100-300微米。
6.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中等离子体炬的射频功率为10-40KW。
7.如权利要求1所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中原材料送料速率为1-10kg/h，携粉气体的流量1-10L/min，中气流量为10-60L/min，边气流量为20-100L/min。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述钛基合金球形粉末的等离子体制备方法，其特征在于：形成的球形粉末为50-100微米。
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