CN107199345A - 一种高纯度微细球形钛粉制备方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯度微细球形钛粉制备装置和制备方法，用钛丝或钛棒作为制粉原料；用超音速氩气等离子炬和高能电子枪相结合对钛丝或钛棒进行熔融和雾化；通过调节等离子炬与高能电子枪的输入功率、插入深度和竖直夹角实现对钛粉产量、粒径的调节；所产生的雾化钛粉在装有水冷壁的制粉炉成粉区内自然冷却，并通过成粉区底部的粉末收集装置进行收集；用旋风分离器收集氩气中夹带的钛粉；经过过滤净化后的氩气可重复利用。

Description

一种高纯度微细球形钛粉制备方法及其装置

技术领域

本发明属于高级金属材料领域，具体涉及一种高纯度微细球形钛粉制备方法及其装置。

背景技术

随着3D打印技术在航空航天、军工、汽车、医疗等领域的广泛应用，对3D打印材料，尤其是高纯度微细球形金属粉末及合金的需求在快速增长。而对相应金属材料的纯度、流动性、球形度、粒径均一性等的要求也日趋严格。

钛金属拥有密度低、强度高、耐腐蚀性好等优点，其高纯度微细球形粉末是3D打印中最常用的原料之一。由于钛金属具有硬度高，熔点高、反应活性强等特点，使用常规方法制造的钛粉具有球形度差、粒度分布不均、含氧量高等特点，无法在3D打印领域应用。

目前，3D打印领域使用的钛粉制备方法主要有氢化钛热脱氢法、射频等离子体雾化法、等离子火炬雾化法等。氢化钛热脱氢法是利用氢化钛性脆，且在高温条件下易分解为氢气和金属钛的特性，将氢化钛通过机械方法粉碎后，加热脱氢生产钛粉的方法。该方法产量大，但所称产钛粉球形度、粒度均一性等较差。射频等离子体雾化法（US9516734，US9163299）以加拿大Tekna公司为代表，该技术采用钛金属粉末作为原料，用射频等离子炬对原料粉末进行加热，冷却后生成球形度较好的钛粉。该方法能解决钛粉球形度的问题，但粉末纯度、粒度受限于原料本身，且生产成本较高。等离子火炬雾化法(US5707419， WO2011054113A1)以加拿大Pyrogenesis 和AP&C公司为代表。该技术采用钛丝作为原料，以直流等离子炬的高温等离子射流为热源，在氩气环境下利用等离子炬射流的高温、高速特性，用多把等离子炬将原料钛丝熔融并雾化为细小的液滴，随后自然冷却为球形钛粉。该方法生产的钛粉球形度好，粒径较小且分布较均匀，若使用高纯度钛丝作为原料，则能生产纯度极高的钛粉。该方法的缺点在于钛丝融化速率受到等离子炬与钛丝传热效率的限制，导致钛粉产量较低。Pyrogenesis在2016年发布了改进后的等离子雾化法制粉专利（WO2016191854A1），采用在等离子体雾化之前用感应加热法对原料钛丝进行预热，从而减少了单位质量钛丝在等离子熔融阶段的吸热量，使钛粉产量提高到2-3倍，但受到钛丝本身材料特性的限制，无法通过提高预热温度使钛粉产量进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述3D打印钛粉制备方法的不足，提供一种能够高效生产高纯度、高球形度、粒度分布均匀且可控的钛粉制备方法和装置。

技术方案：

一种高纯度微细球形钛粉制备装置，包括制粉炉，制粉炉的上部区域为锥形体的制粉准备区，下部区域为倒锥形体的大粉末收集区，制粉炉的中部为成粉区，其形状为桶状结构，成粉区的下部通过气体管道连通小粉末收集区：

所述制粉准备区的顶部为动密封装置，动密封装置的上部为连续进料矫直系统，动密封装置的下部为导向装置，所述导向装置位于制粉准备区内部，超音速氩气等离子炬和高能电子枪安装在制粉准备区的锥面并穿过锥面伸入制粉准备区内；

所述大粉末收集区的底部为大粉末收集设备，所述小粉末收集区包括旋风分离器，所述旋风分离器一端连桶气体管道，底部连通小粉末收集设备，上部连通过滤装置，所述过滤装置上部连接真空装置。

进一步的，所述制粉准备区和成粉区之间设有耐温隔板，耐温隔板的中间部位开有通孔，其中心为雾化点。

进一步的，所述超音速氩气等离子炬和高能电子枪上均设有调节功率、位置和角度的装置，能够调节等离子炬和电子枪插入制粉炉的深度，及其与竖直方向的夹角。根据原料的直径和所需的制粉速率调节高能电子枪的输入功率，并通过高能电子枪调节装置调节高能电子枪的竖直角度和深入制粉炉的长度，使所有高能电子枪以相同的功率和角度对准雾化点；根据原料的直径和所需的制粉速率调节炬的输入功率，并通过等离子炬调节系统调节等离子炬的竖直角度和深入制粉炉的长度，使所有等离子炬的火焰以相同的功率和角度对准雾化点。

进一步的，所述超音速氩气等离子炬和高能电子枪各为2-4把，以钛金属丝为中心，超音速氩气等离子炬和高能电子枪成均匀间隔排列。

进一步的，所述成粉区、大粉末收集设备和小粉末收集设备均装有水冷壁，对雾化钛粉进行及时冷却。

进一步的，该装置还可用于其它高熔点金属粉末的制备，比如Ti6Al4V钛合金材料、铼、钼、钨、铌、钽等高熔点金属。

本发明还提供一种制备高纯度微细球形钛粉的方法，包括如下几个步骤：

1）对整个装置进行抽真空处理，然后用浓度不低于99.9%的高纯度氩气进行反复清洗，运行期间粉炉内压力为1.0-1.1 个大气压；

2）以钛丝或钛棒作为制粉原料，通过连续进料矫直系统实现钛丝连续进料、矫直任务；

3）钛丝通过动密封装置进入制粉准备区，然后穿过导向装置，进入雾化点，同时开启超音速氩气等离子炬对雾化点进行预热；

4）开启高能电子枪，进行雾化制粉作业，钛丝前端到达雾化点后，在高温等离子火焰和高能电子枪的联合作用下迅速受热融化，并被超音速的等离子流击碎，形成微小的液滴，液滴温度超过钛金属熔点150-400°C。

5）由步骤4）产生小液滴随氩气等离子流进入制粉炉成粉区，金属液滴在成粉区内逐渐冷却凝固，在表面张力的作用下形成球形度很高的钛金属粉末；

钛金属粉末通过成粉区底部的大粉末收集区进行较大粒径粉末的收集，较小粒径的钛粉被氩气带入旋风分离器后气固分离，较小粒径的粉末被收集在小粉末收集区，没有被分离出来的粉末随同氩气一起进入过滤装置经过粉末过滤之后的氩气可以排入大气或回收循环利用。

进一步的，所述钛丝或钛棒的直径为1.0-10.0mm。

进一步的，所述单把高能电子枪功率为1到20kW，单把超音速氩气等离子炬功率范围为30到150kW。

有益效果：

本发明将传统的等离子火炬雾化技术与高能电子束加热技术相结合，解决了3D打印钛粉制造的三个关键技术问题：首先，利用高能电子束的高能量密度，对钛原料的雾化点进行加热，解决了等离子炬雾化中原料吸热速率受限，导致钛粉产量低的问题；另外，雾化后产生的液滴、钛粉带有一定量的残余电荷，在库仑力的作用下，能够避免液滴之间发生撞击，降低畸形粉的产率，保证生产钛粉的球形度和粒度分布；最后，所生产的钛粉的粒度大小可以通过等离子炬和高能电子枪的功率、位置、角度等进行调节。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的相关内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，一种高纯度微细球形钛粉制备装置，包括制粉炉11，制粉炉11的上部区域为锥形体的制粉准备区12，下部区域为倒锥形体的大粉末收集区，制粉炉的中部为成粉区14，其形状为桶状结构，成粉区14的下部通过气体管道17连通小粉末收集区：

制粉准备区12的顶部为动密封装置5，动密封装置5的上部为连续进料矫直系统3，动密封装置5的下部为导向装置4，导向装置4位于制粉准备区12内部，超音速氩气等离子炬6和高能电子枪8安装在制粉准备区的锥面并穿过锥面伸入制粉准备区12内；

大粉末收集区的底部为大粉末收集设备16，大粉末收集设备前端为第一阀门15，小粉末收集区包括旋风分离器18，旋风分离器18一端连桶气体管道17，底部连通小粉末收集设备20，小粉末收集设备20前端为第二阀门19，旋风分离器18上部连通过滤装置21，过滤装置21上部连接真空装置22。所述制粉准备区和成粉区之间设有耐温隔板10，耐温隔板10的中间部位开有通孔，其中心为雾化点13。

超音速氩气等离子炬6上设有调节功率、位置和角度的装置7，高能电子枪上8设有调节功率、位置和角度的装置9，通过对功率、位置（控制插入准备区的深度）和角度（竖直方向夹角）的调节实现对钛粉产量、粒径的调节；

超音速氩气等离子炬6和高能电子枪8各为3把，氩气超音速等离子炬6作为主要热源，并提供超音速雾化氩气流；高能电子枪8对雾化点直接加热，极大的增加了钛的熔融速度，提高钛粉产率；以钛金属丝为中心，超音速氩气等离子炬6和高能电子枪8成均匀间隔排列。成粉区、大粉末收集设备和小粉末收集设备均装有水冷壁，对雾化钛粉进行及时冷却。成粉区、大粉末收集设备和小粉末收集设备还可以设置观察窗，并装有温度、压力传感器。

本实施例还提供利用该装置进行钛粉制备的方法：

在制粉炉准备区内12穿插布置三把65kW超音速氩气等离子炬和三把5kW等离子枪。选取直径4mm，纯度99.99%的钛金属丝2为原料，来自于钛丝线圈1，通过连续进料矫直系统3矫直，并通过动密封装置5送入制粉炉准备区内，再穿过导向装置4。

开启连续进料矫直系统3使其缓慢给料，测试正常后关闭进料系统。开启真空装置22，当制粉炉内表压达到-20,000 Pa时，开始往制粉炉通入纯度不低于99.9%的氩气，氩气可以从等离子炬进入，也可以从氩气管道供气，由于管道位置对系统没有影响，因此未在附图中标记，持续直至制粉炉内氩气浓度达到99.6%，关闭真空装置22，关闭氩气进口。开启超音速氩气等离子炬6，对雾化点进行预热，预热时间为10-30分钟，预热结束后开启连续进料矫直系统3，使钛丝开始进入雾化点，同时开启高能电子枪8，开始进行雾化制粉作业。雾化制粉过程中，超音速氩气等离子炬氩气流量为4slpm。钛丝在超音速氩气等离子炬6和高能电子枪8的联合作用下迅速受热融化，并被超音速的等离子流击碎，形成微小的液滴。液滴温度超过钛金属熔点150-400°C。钛金属液滴随氩气等离子流进入制粉炉成粉区14，在成粉区内逐渐冷却凝固，在表面张力的作用下形成球形度很高的钛金属粉。较大粒径的钛粉在重力作用下在制粉炉底部的大粉末收集区被收集，较小粒径的钛粉被氩气夹带进入旋风分离器18后气固分离，被小粉末收集设备20收集。直径小于1µm的纳米颗粒被过滤装置收集。经测试可知，该装置的钛粉产量可达到5kg/h，其中大粉末收集设备收集钛粉约1.5 kg/h，平均粒径75µm，小粉末收集设备收集钛粉约3.5 kg/h，平均粒径30µm，形貌为球形。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，包括制粉炉（11），制粉炉（11）的上部区域为锥形体的制粉准备区（12），下部区域为倒锥形体的大粉末收集区，制粉炉的中部为成粉区（14），其形状为桶状结构，成粉区（14）的下部通过气体管道（17）连通小粉末收集区：

所述制粉准备区（12）的顶部为动密封装置（5），动密封装置（5）的上部为连续进料矫直系统（3），动密封装置（5）的下部为导向装置（4），所述导向装置（4）位于制粉准备区（12）内部，超音速氩气等离子炬（6）和高能电子枪（8）安装在制粉准备区（12）的锥面并穿过锥面伸入制粉准备区（12）内；

所述大粉末收集区的底部为大粉末收集设备（16），所述小粉末收集区包括旋风分离器（18），所述旋风分离器（18）一端连桶气体管道（17），底部连通小粉末收集设备（20），上部连通过滤装置（21），所述过滤装置（21）上部连接真空装置（22）。

2.根据权利要求1所述的高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，所述制粉准备区（12）和成粉区（14）之间设有耐温隔板（10），耐温隔板（10）的中间部位开有通孔，其中心为雾化点（13）。

3.根据权利要求1所述的高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，所述超音速氩气等离子炬和高能电子枪上均设有调节功率、位置和角度的装置（7和9）。

4.根据权利要求1所述的高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，所述超音速氩气等离子炬（6）和高能电子枪（8）各为2-4把，以钛金属丝为中心，超音速氩气等离子炬（6）和高能电子枪（8）成均匀间隔排列。

5.根据权利要求1所述的高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，所述成粉区、大粉末收集设备和小粉末收集设备均装有水冷壁。

6.根据权利要求1所述的高纯度微细球形钛粉制备装置，其特征在于，该装置还可用于其它高熔点金属粉末的制备。

7.一种利用权利要求1-5任意一项所述的装置制备高纯度微细球形钛粉的方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

1）对整个装置进行抽真空处理，然后用浓度不低于99.9%的高纯度氩气进行反复清洗，运行期间粉炉内压力为1.0-1.1 个大气压；

2）以钛丝或钛棒作为制粉原料，通过连续进料矫直系统（3）实现钛丝连续进料、矫直任务；

3）钛丝通过动密封装置（5）进入制粉准备区（12），然后穿过导向装置（4），进入雾化点（13），同时开启超音速氩气等离子炬（6）对雾化点（13）进行预热；

4）开启高能电子枪（8），进行雾化制粉作业，形成微小的液滴，液滴温度超过钛金属熔点150-400°C；

5）由步骤4）产生的液滴在成粉区内（14）冷却后，在成粉区（14）内逐渐冷却凝固，在表面张力的作用下形成球形度很高的钛金属粉末，通过成粉区底部的大粉末收集区进行较大粒径粉末的收集，较小粒径的钛粉被氩气带入旋风分离器（18）后气固分离，较小粒径的粉末被收集在小粉末收集区，没有被分离出来的粉末随同氩气一起进入过滤装置（21）经过粉末过滤之后的氩气可以排入大气或回收循环利用。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述钛丝或钛棒的直径为1.0-10.0mm。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述单把高能电子枪（8）功率为1到20kW，单把超音速氩气等离子炬（6）功率范围为30到150kW。