CN107617749A

CN107617749A - 一种利用tc4钛合金废料制备球形粉末的方法

Info

Publication number: CN107617749A
Application number: CN201710764902.6A
Authority: CN
Inventors: 冯凯; 李丹明; 何成旦; 徐涛; 洪明; 肖玉华; 党文强
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: CN107617749B

Abstract

本发明涉及一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，属于金属材料和粉末冶金技术领域。本发明所述方法是先将TC4钛合金边角料焊接起来，再进行熔炼，并切除熔炼后钛合金的缺陷部位，再将熔炼后的钛合金加工成棒材或者线材，再将钛合金棒材或者线材熔融成液滴并雾化形成球形粉末。本发明所述方法避免了传统方法中采用的块状钛合金易氧化、带入杂质、与坩埚发生反应的问题，该方法所制备高品质的球形粉末能够应用于高端的粉末冶金和3D打印/增材制造技术领域；本发明提供了一种TC4钛合金废料循环再利用的方法，有效地发挥其价值。

Description

一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法

技术领域

本发明涉及一种TC4钛合金废料的应用，具体涉及一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，属于金属材料和粉末冶金技术领域。

背景技术

钛合金及其产品因其优异的综合性能已在航空航天领域得到了广泛应用。然而，由于钛材的独特性能和各领域对产品的特殊要求，在加工制造过程中对其材料的利用率低，如压力容器等产品是主要是通过切削焊接等工艺来完成，将会造成很多边角料和切削料剩余，造成资源浪费和经济损失。

目前，以粉末冶金和3D打印/增材制造技术为代表的近净成型技术是低成本加工制造钛材及其产品的新技术，已在包括航空航天在内的众多领域得到了应用，且具有广阔的市场前景。但近净成型技术所需的主要原料为钛材粉末，而3D打印/增材制造技术应用的高品质粉末产品都是依靠进口，价格较贵。因此，制备低成本、高品质的钛合金粉末产品将具有极大的前景，尤其是将钛合金边角料制备成粉末产品将是一种有效的资源利用方法和思路。

粉末的球形度和粒径是3D打印要求最为关键的技术指标，粒径直接影响送粉、铺粉、成型效果和产品粗糙度，而球形度则会影响粉末的流动性，进而影响3D打印产品质量。气体雾化法是制备球形粉末的一种较为理想的技术途径，铁、镍、钴、高温合金等金属材料的粉末制备设备相对较为简单，不需要考虑氧化等问题，在原材料方面只需将其剪切成小块状，放入具有感应加热的坩埚内熔化，待熔化后将其液滴雾化。然而，钛合金具有易氧化和吸氢等特点，以及所要制备的粉末质量品质要求较高，所以采用一般的气体雾化法制备的钛合金粉末无法满足3D打印的要求。

发明内容

鉴于TC4钛合金边角料存在资源浪费以及现有气体雾化法制备的钛合金粉末不能完全满足3D打印/增材制造的要求，本发明的目的在于提供一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，所述方法实现了对TC4钛合金废料高效利用的价值，并且制备得到满足3D打印/增材制造等应用的低成本、高品质球形钛合金粉末。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，所述方法步骤如下：

步骤1.将不规则形状的TC4钛合金边角料剪切加工成规则形状的钛合金板材，并对规则形状的钛合金板材进行清洁处理以除去表面油污、氧化物等杂质；在氩气保护气氛下，以TC4钛合金为焊料，将规则形状的钛合金板材焊接成一个整体板材；

步骤2.将所得的整体板材置于真空度为0.01Pa～0.1Pa的熔炼炉中进行真空熔炼，且在熔炼过程中采用冷却介质对熔炼炉进行冷却，采用超声波探伤测定冒口部位的缺陷并将缺陷处切除，再采用锻压工艺或者石墨造型铸造工艺加工成钛合金棒材或者线材；

步骤3.将所制备的钛合金棒材或者线材置于真空度为10^-2Pa～10^-3Pa的真空系统中，加热使钛合金棒材或者线材熔融成液滴后，再在雾化制粉系统中雾化形成球形粉末；

其中，雾化制粉系统中雾化气体的工作压力为2MPa～6MPa，雾化气体包括氩气、氦气或疝气。

所述规则形状优选正方体或者长方体。

整体板材的尺寸与坩埚的容量有关，整体板材熔炼后的体积不大于坩埚的容量即可；坩埚的直径必须大于整体板材的最大横截面尺寸，防止在熔炼过程中整体板材直接与坩埚壁接触发生打火现象。

所述冷却介质为水或者液氮。

加热成液滴的温度优选高于钛合金熔点200℃～300℃。

有益效果：

(1)由于小块状的钛合金表面容易氧化，带入杂质，并且界面太多，这对后期的粉末的成分和质量有较大的影响；另外，由于钛合金非常活泼，在高温情况下会与陶瓷坩埚发生反应，直接影响雾化粉末的成分，因此将边角料的原材料加工处理成具有连续性的棒材，并通过送料装置将其送入感应熔炼装置将其熔化成液滴；本发明所述方法制备的钛合金粉末中90％以上为实心球形，氧含量0.14wt％～0.16wt％，流动性＜25s，粉末获得率65％～70％。

(2)本发明所述方法的优点在于采用低成本的TC4钛合金边角料制备高品质的球形粉末，而且所制备的球形粉末能够应用于高端的粉末冶金和3D/增材制造技术领域；本发明提供了一种TC4钛合金废料循环再利用的方法，有效地发挥其价值。

附图说明

图1为实施例1所制备的TC4钛合金粉体的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为实施例2所制备的TC4钛合金粉体的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

以下实施例中：

真空自耗熔炼炉：VCF-10101，沈阳科仪；

雾化制粉系统：PSI HERMIGA 75/5VI高压雾化制粉装置，中南大学(英国)；

扫描电子显微镜：JSM-6700，日本电子；

超声波探伤检测：对于铸造而言，冒口部位主要是缺陷聚集和集中的部位，与其他部位相比，冒口部位内部会存在成分不均匀或不致密，采用超声波探伤检测时，返回信号强度有差异和显著变化，会出现杂波，通过判断杂波的变化来确定缺陷的界面，从而将缺陷处切除；

钛合金棒材中组成的测定：按照标准GB/T4698.15-2001，在所制备的钛合金棒材的5个不同位置分别进行检测，取其各元素含量的范围值作为钛合金棒材中各元素的大约含量；

粉末获得率：制备得到的粒径为20μm～100μm的TC4钛合金粉体的质量与钛合金棒材的质量的百分比。

实施例1

利用TC4钛合金废料制备球形粉末的具体步骤如下：

步骤1.将不规则形状的TC4钛合金边角料剪切加工成厚度5mm～12mm、宽度80mm～120mm、长度300mm～1000mm的近似长方体钛合金板材，采用酒精、氢氟酸清洗除去长方体钛合金板材表面油污、氧化物等杂质；在氩气保护气氛下，以TC4钛合金为焊料，将长方体钛合金板材焊接成一个长1000mm、最大宽度为100mm、厚度为100mm的整体板材；

步骤2.将所得的整体板材置于真空自耗熔炼炉的铜坩埚中进行真空熔炼，熔炼炉内的真空度为0.01Pa～0.1Pa，熔炼过程中采用水冷方式对熔炼炉进行冷却，采用超声波探伤测定冒口部位的缺陷并将缺陷处切除；再采用锻压工艺，在1000℃～1150℃下保温1.5h加工成直径为50mm、长度为700mm的钛合金棒材；

所制备的钛合金棒材中各组成成分及其各成的质量百分数：Al 6.26～6.28％，V3.91～3.96％，Fe 0.159～0.165％，Si 0.009～0.010％，C 0.009～0.011％，N 0.003～0.004％，O 0.14～0.16％，其余为Ti；

步骤3.将所制备的钛合金棒材置于真空度为10^-3Pa的真空系统中，利用感应线圈加热至超过钛合金熔点200℃使钛合金棒材熔融成液滴，再在雾化制粉系统中雾化形成球形粉末，雾化制粉系统中雾化气体氩气的工作压力为3MPa～4MPa，再利用振动筛对所制备的球形粉末进行筛选，得到粒径为20μm～100μm的TC4钛合金粉体。

图1为所制备的TC4钛合金粉体的SEM图，从图中可以看到，所制备的粉末颗粒为球形，颗粒表面光滑，颗粒粒径分布均匀，粒径尺寸为20μm～100μm，经过对形貌观察并统计得到95％以上为实心球形。经过ICP(电感耦合等离子体发射光谱)元素分析得知，所制备的TC4钛合金粉体中氧含量约为0.14wt％；通过标准漏斗法(霍尔流速计)测得TC4钛合金粉体的松装密度为2.56g/cm³、流动性＜25s；经过计算得知，TC4钛合金粉体的粉末获得率为65％。

实施例2

利用TC4钛合金废料制备球形粉末的具体步骤如下：

步骤2.将所得的整体板材置于真空自耗熔炼炉铜坩埚中进行真空熔炼，熔炼炉内的真空度为0.01Pa～0.1Pa，熔炼过程中采用水冷方式对熔炼炉进行冷却，并将熔炼后的钛合金浇铸于直径为60mm的石墨坩埚中，采用超声波探伤测定冒口部位的缺陷并将缺陷处切除，随后通过车床加工成直径为45mm、长度为500mm的钛合金棒材；

所制备的钛合金棒材中各组成成分及其各成的质量百分数：Al 6.18～6.35％，V3.84～3.95％，Fe 0.152～0.167％，Si 0.009～0.010％，C 0.008～0.012％，N 0.003～0.005％，O 0.12～0.20％，其余为Ti；

步骤3.将所制备的钛合金棒材置于真空度为10^-3Pa的真空系统中，利用感应线圈加热至超过钛合金熔点200℃使钛合金棒材熔融成液滴，再在雾化制粉系统中雾化形成球形粉末，雾化制粉系统中雾化气体氩气的工作压力为3MPa～4MPa，再利用振动筛对所制备的球形粉末进行筛选，得到粒径为20μm～100μm的TC4钛合金粉体；

图2为所制备的TC4钛合金粉体的SEM图，从图中可以看到，所制备的粉末颗粒为球形，颗粒表面光滑，颗粒粒径分布均匀，粒径尺寸为20μm～100μm，经过对形貌观察并统计得到90％以上为实心球形。经过ICP元素分析得知，所制备的TC4钛合金粉体中氧含量约为0.16wt％；通过标准漏斗法(霍尔流速计)测得TC4钛合金粉体的松装密度为2.60g/cm³、流动性＜28s；经过计算得知，TC4钛合金粉体的粉末获得率为70％。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：所述方法步骤如下，

步骤1.将不规则形状的TC4钛合金边角料剪切成规则形状的钛合金板材，并对规则形状的钛合金板材进行清洁处理；在氩气保护气氛下，以TC4钛合金为焊料，将规则形状的钛合金板材焊接成一个整体板材；

步骤3.将所制备的钛合金棒材或者线材置于真空度为10^-2Pa～10^-3Pa的真空系统中，加热使钛合金棒材或者线材熔融成液滴后，再在雾化制粉系统中雾化形成球形粉末。

2.根据权利要求1所述的一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：所述规则形状为正方体或者长方体。

3.根据权利要求1所述的一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：整体板材的最大横截面尺寸小于熔炼过程中坩埚的直径。

4.根据权利要求1所述的一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：所述冷却介质为水或者液氮。

5.根据权利要求1所述的一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：将钛合金棒材或者线材加热成液滴的温度高于TC4钛合金熔点200℃～300℃。

6.根据权利要求1所述的一种利用TC4钛合金废料制备球形粉末的方法，其特征在于：雾化制粉系统中雾化气体的工作压力为2MPa～6MPa，雾化气体包括氩气、氦气或疝气。