CN113333767A - Tc4球形粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TC4球形粉末及其制备方法和应用。上述方法包括如下步骤：将工件和电极分别置于电源的两极，在工件和电极的放电间隙引入保护气流，其中，工件为TC4钛合金；通过调整电极和工件的放电电流、电极的进给速度，工件或电极的转速，保护气流的流速和压力，促使工件熔融爆炸，经保护气流冷却后得到初级粉末；将初级粉末进行筛分和还原处理，制备TC4球形粉末。上述制备方法效率高、成本低且能够提高粉末的球形度、降低氧含量，得到适用于3D打印的TC4球形粉末。

Description

TC4球形粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及粉末制备领域，特别是涉及一种TC4球形粉末及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业技术的不断发展，涌现出很多新型的成型技术，其中有广泛应用前景以及发展前景的是3D打印技术。3D打印技术是一种利用激光或电子束等手段，依据三维建模，在计算机控制下逐层添加堆积材料，直接快速精确形成零件的制造技术，也称“增材制造”。增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，相较于材料去除(或变形)的传统加工和常见的特种加工技术，增材制造技术有着极高的材料利用率。

钛及钛合金具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等显著特点，是医疗器械、化工设备、航空航天及运动器材等领域的理想材料。然而钛合金属于典型的难加工材料，加工时应力大、温度高、刀具磨损严重，限制了钛合金的广泛应用。3D打印制备钛及钛合金的优势在于：一是3D打印时处于保护气氛环境中，钛不易与氧、氮等元素发生反应，微区局部的快速加热冷却也限制了合金元素的挥发；二是无需切削加工便能制造复杂的形状，且基于粉材或丝材的材料利用率高，不会造成原材料的浪费，大大降低了制造成本。目前，钛合金3D打印技术产业发展的主要瓶颈是粉末原料的制备和产业化。

钛和钛合金粉末的制备技术包括氢化脱氢法、球化法和雾化法。氢化脱氢法制备的钛粉粒度范围宽，成本低，广泛应用于实际生产中，但粉末的氧含量高，球形度差，不适合作为3D打印粉末。中南大学欧阳鸿武等人采用激光球化法制备球形钛粉，选用DTM公司的选区激光烧结设备，钛粉为氢化脱氢方法制备的异形粉末，在激光功率为600W，扫描速度为30mm/s时获得较为理想的球形钛粉，粒度分布范围为10μm～250μm，粉末平均粒度为125μm。但该方法的不足之处在于设备昂贵且能量损耗大，不利于产业化大批量生产。雾化法制备的钛合金粉末球形度高、氧含量低、流动性好，但雾化效率低，限制了其产业化应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种效率高、成本低且能够提高粉末的球形度、降低氧含量的适用于3D打印技术的TC4球形粉末的制备方法。

此外，还有必要提供一种TC4球形粉末和TC4球形粉末的应用。

一种TC4球形粉末的制备方法，包括如下步骤：

将工件和电极分别置于电源的两极，在所述工件和所述电极的放电间隙引入保护气流，其中，所述工件为TC4钛合金；

通过调整所述电极和所述工件的放电电流为200A～300A、所述电极的进给速度为0.5mm/min～6mm/min，所述工件或所述电极的转速为2500r/min～4000r/min，所述保护气流的流速为20L/min～30L/min和所述保护气流的压力为7MPa～10MPa，促使所述工件熔融爆炸，经所述保护气流冷却后得到初级粉末；

将所述初级粉末进行筛分和还原处理，制备TC4球形粉末。

在其中一个实施例中，所述保护气流包括但不限于氮气和/或氩气。

在其中一个实施例中，所述电极和所述工件的间隙电压为30V～60V。

在其中一个实施例中，所述将所述初级粉末进行筛分的步骤包括：分别筛分出粒径为15μm～53μm的粉末和粒径为53μm～105μm的粉末，所述粒径为15μm～53μm的粉末用于激光3D打印中，所述粒径为53μm～105μm的粉末用于电子束3D打印中。

在其中一个实施例中，所述还原处理的步骤包括：将所述初级粉末在氢气气氛中进行还原。

在其中一个实施例中，还原温度为300℃～600℃，还原的时间为2h～6h。

在其中一个实施例中，所述电极为钛电极或石墨电极。

一种TC4球形粉末，所述TC4球形粉末的球形度为90％～95％，粒度为15μm～105μm，流动性≤20s/50g，氧含量为500ppm～1000ppm。

在其中一个实施例中，所述TC4球形粉末由上述的TC4球形粉末的制备方法制备得到。

上述的TC4球形粉末在制备3D打印用金属粉末中的应用。

上述TC4球形粉末的制备方法将电极和工件分别置于电源的两极，通过调整电极和工件的放电电流、电极的进给速度，工件或电极的转速，保护气流的流速和压力，促使工件熔融爆炸，经保护气流冷却后得到初级粉末。在保护气流的作用下，一方面与其他参数配合，使工件熔融爆炸并冷却得到初级粉末，另一方面，保护气流还能保护粉末不被氧化，降低所制备的TC4球形粉末的氧含量。另外，通过调整上述工艺参数，提高初级粉末中用于3D打印的粉末的比例，同时提高流动性和球形度。最后对初级粉末进行分级和还原处理，以得到适合3D打印粒径和氧含量要求的TC4球形粉末。且通过还原处理，能够进一步降低TC4球形粉末的氧含量，与保护气流配合，使得所制备的TC4球形粉末的氧含量满足要求。实验证明，采用上述方法制备TC4球形粉末的效率高达1700g/h，通过调整各工艺参数的范围，使得TC4球形粉末的球形度为90％～95％，粒度为15μm～105μm，流动性≤20s/50g，氧含量为500ppm～1000ppm。因此，上述TC4球形粉末的制备方法的工艺过程简单、成本低，且加工效率高。通过调整上述工艺参数易于控制过程，且提高所制备的TC4球形粉末的球形度，降低氧含量。

附图说明

图1为一实施方式的TC4球形粉末的制备方法的工艺流程图；

图2为实施例1制备的TC4球形粉末的SEM图；

图3为实施例2制备的TC4球形粉末的SEM图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式的TC4球形粉末的制备方法，包括如下步骤：

步骤S110：将工件和电极分别置于电源的两极，在工件和电极的放电间隙引入保护气流。

其中，工件为TC4钛合金。具体地，工件连接电源的阳极，电极连接电源的阴极，电极为设有单管的电极，保护气流从单管内流入。

电极具有如下结构：电极组件，电极组件之间有一个通道管，通道管设置有一个进口，以及一个出口，保护气流从通道管的进口流入，从通道管的出口流出，通道管的出口朝向工件。如此设计可以使保护气流流向工件，从而引入到工件和电极的放电间隙中。

电极为钛电极或石墨电极。优选地，电极为钛电极。由于电弧等离子体产生在电极和工件的间隙，使工件表面熔融的同时，还能够使电极熔融，并经爆炸和保护气流的作用抛出，因此，设置电极为钛电极，与工件的材料相同，能够使所制备的TC4球形粉末的纯度更高。

由于电弧等离子体的中心温度高达10000K，能够使绝大多数金属熔融，因此，上述方法能够用于TC4球形粉末的制备。

保护气流包括但不限于氮气和/或氩气。在保护气流的作用下，一方面与其他参数配合，使工件熔融得到初级粉末，另一方面，保护气流还能保护粉末不被氧化，降低所制备的TC4球形粉末的氧含量。

在其中一个实施例中，电源为脉冲电源，脉冲宽度为2μs～2000μs，脉冲间隔为2μs～2000μs。

优选地，将电极和工件分别置于电源的两极的步骤之前，还包括对工件进行清洗去污的步骤。具体的清洗去污的步骤可以为本领域常用的步骤，在此不再赘述。

步骤S120：通过调整电极和工件的放电电流、电极的进给速度、工件或电极的转速、保护气流的流速和压力，促使工件熔融爆炸，经保护气流冷却后得到初级粉末。

具体地，通过控制电弧的能量、保护气流的流速、压力及工件的转速等参数能够调节用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度、流动性、氧含量和加工效率。在其他条件不变的情况下，电弧的能量变小，用于3D打印的TC4球形粉末的比例变大，球形度提高，流动性变好，但氧含量增加、加工效率低。进一步地，通过放电电流、间隙电压和电极的进给速度来控制电弧的能量。放电电流变小、间隙电压变小和电极的进给速度变小，都会使得电弧的能量变小，进而使得用于3D打印的TC4球形粉末的比例变大，球形度提高，流动性变好，同时导致氧含量增加、加工效率低。因此，在TC4球形粉末的制备过程中选择合适的工艺参数，有利于提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度和流动性的同时，使氧含量和加工效率适宜。

在其中一个实施例中，放电电流为200A～300A。例如，放电电流为200A、250A或300A。在其中一个实施例中，放电电流为210A～230A、240A～260A或270A～300A等。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述放电电流的范围内，放电电流与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度和流动性成反比。放电电流变小，会使得电弧的能量变小，进而提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例，同时球形度提高，流动性变好。然而，放电电流太小，会使氧含量增加，增加了后续还原处理过程的难度，还会使加工效率降低。放电电流过大，所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度均明显降低，流动性变差。因此，在本实施方式中，综合考虑上述因素，设置放电电流为200A～300A。

在其中一个实施例中，间隙电压为30V～60V。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述间隙电压的范围内，间隙电压与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度和流动性成反比。间隙电压变小，会使得电弧的能量变小，进而提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例，同时球形度提高，流动性变好。然而，间隙电压太小，会使氧含量增加，增加了后续还原处理过程的难度，还会使加工效率降低。间隙电压过大，所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度均明显降低，流动性变差。因此，在本实施方式中，综合考虑上述因素，设置间隙电压为30V～60V。优选地，间隙电压为45V～55V。

在其中一个实施例中，电极的进给速度为0.5mm/min～6mm/min。例如，电极的进给速度为0.5mm/min、2mm/min、4mm/min、5mm/min或6mm/min。在其中一个实施例中，电极的进给速度为0.5mm/min～2mm/min、2.5mm/min～4.5mm/min或5mm/min～6mm/min。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述电极的进给速度的范围内，电极的进给速度与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度和流动性成反比。电极的进给速度变小，会使得电弧的能量变小，进而提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例，同时球形度提高，流动性变好。然而，电极的进给速度太小，会使氧含量增加，增加了后续还原处理过程的难度，同时还会使加工效率降低。电极的进给速度过大，所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例和球形度均明显降低，流动性变差，还会增加加工难度和生产成本。因此，在本实施方式中，综合考虑上述因素，设置电极的进给速度为0.5mm/min～6mm/min。

保护气流的流速为20L/min～30L/min。在其中一个实施例中，保护气流的流速为20L/min、25mL/min或30L/min等，例如，保护气流的流速为21L/min～22L/min、22L/min～25L/min、26L/min～28L/min或28L/min～30L/min。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述保护气流的流速范围内，保护气流的流速与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例和加工效率成正比。保护气流的流速变大，能够提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例和加工效率。然而，保护气流的流速过大，对所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例和加工效率的提升较小，但会明显增加生产成本。因此，综合考虑上述因素，在本实施方式中，保护气流的流速为20L/min～30L/min。

保护气流的压力为7MPa～10MPa。在其中一个实施例中，保护气流的压力为7MPa、8MPa、9MPa或10MPa，例如，保护气流的压力为7MPa～8MPa、8MPa～9MPa或9MPa～10MPa等。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述保护气流的压力范围内，保护气流的压力与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、加工效率成正比。保护气流的压力变大，能够提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例和加工效率。然而，保护气流的压力过大，对所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例和加工效率的提升较小，但会明显增加生产成本。因此，综合考虑上述因素，在本实施方式中，保护气流的压力为7MPa～10MPa。

具体地，电极或工件的转速为2500r/min～4000r/min。在其中一个实施例中，电极或工件的转速为2500r/min、2800r/min、3000r/min、3200r/min、3500r/r/min、3800r/min或4000r/min。例如，电极或工件的转速为2500/min～2800r/min、2800r/min～3100r/min、3100r/min～3400r/min、3400r/min～3600r/min、3600r/min～3800r/min或3800r/min～4000r/min等。电极连接电源的阳极，工件连接电源的阴极，电极相对工件以转速为2500r/min～4000r/min的速度转动。同样可以理解，电极连接电源的阴极，工件连接电源的阳极，工件相对电极以转速为2500r/min～4000r/min的速度转动。实验证明，其他条件不变的情况下，在上述电极或工件的转速范围内，电极或工件的转速与所制备的用于3D打印的TC4球形粉末的比例、球形度和流动性成正比。电极或工件的转速变大，能够提高用于3D打印的TC4球形粉末的比例。另外，其他条件不变的情况下，在上述电极或工件的转速范围内，电极或工件的转速变大，能够提高所制备的TC4球形粉末的球形度和加工效率，使流动性变好。然而，电极或工件的转速太大，会使氧含量增加，增加了后续还原处理过程的难度，且对球形度和流动性的提升较小。因此，在本实施方式中，综合考虑上述因素，设置电极或工件的转速为2500r/min～4000r/min。

步骤S130：将初级粉末进行筛分和还原处理，制备TC4球形粉末。

具体地，将初级粉末进行筛分的步骤中，根据不同3D打印对TC4球形粉末的粒径要求对初级粉末进行分级。优选地，将初级粉末进行筛分的步骤包括：分别筛分出粒径为15μm～53μm的粉末和粒径为53μm～105μm的粉末，粒径为15μm～53μm的粉末用于激光3D打印中，粒径为53μm～105μm的粉末用于电子束3D打印中。

具体地，还原处理的步骤包括：将初级粉末在氢气气氛中进行还原。还原温度为300℃～600℃。还原时间为2h～6h。

通过还原处理能够进一步降低TC4球形粉末的氧含量，使TC4球形粉末能够用于3D打印中。

具体地，将初级粉末进行筛分和还原处理的步骤之前，还包括对初级粉末进行清洗和干燥的步骤。例如，采用清洗剂对初级粉末进行清洗，以除去粉末中的油污等杂质。在其中一个实施例中，清洗剂为碳酸清洗剂、醇类清洗剂或醚类清洗剂等。上述清洗剂的沸点低，易挥发，便于后续干燥处理。

可以理解，上述方法对工件的外形不做过多要求。工件可以为棒状、块状等规则形状，还可以为不规则的形状。

上述TC4球形粉末的制备方法至少具有以下优点：

(1)上述TC4球形粉末的制备方法将电极和工件分别置于电源的两极，设置电极和工件的间隙电压、放电电流以及电极的进给速度，使电极和工件之间产生合适能量的电弧等离子体，并作用于工件表面，使工件表面熔融。上述能量的电弧等离子体能够提高用于3D打印的粉末的比例。同时，在放电间隙引入保护气流，通过控制保护气流的流速、压力以及电极或工件的转速，改变电弧等离子体的工作形态，使工件表面的熔融区域产生微小爆炸，粉碎并抛离该区的材料，将材料进一步细化，并借助保护气流的作用，使熔融的工件连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末。在上述工艺参数范围内，能够提高用于3D打印的粉末的比例。最后对初级粉末进行分级和还原处理，以得到适合3D打印粒径和氧含量要求的TC4球形粉末。实验证明，采用上述方法制备TC4球形粉末的效率高达1700g/h，通过调整各工艺参数的范围，使得TC4球形粉末的球形度为90％～95％，粒度为15μm～105μm，流动性≤20s/50g，氧含量为500ppm～1000ppm。因此，上述TC4球形粉末的制备方法的工艺过程简单、成本低，且加工效率高。通过调整上述工艺参数易于控制过程，且提高所制备的TC4球形粉末的球形度，降低氧含量。

(2)上述TC4球形粉末的制备方法通过控制间隙电压、放电电流、电极的进给速度和转速以及保护气流速度等工艺参数能够控制用于3D打印的TC4球形粉末的比例和球形度，过程易于控制。

一实施方式的TC4球形粉末，该TC4球形粉末的球形度为90％～95％，粒度为15μm～105μm，流动性≤20s/50g，氧含量为500ppm～1000ppm。

具体地，该TC4球形粉末由上述TC4球形粉末的制备方法制备得到。

上述TC4球形粉末的球形度高、流动性好、氧含量低、杂质元素含量低且粒度分布范围满足要求，因此，上述TC4球形粉末能够作为制备TC4合金的原料，应用在3D打印中。

一实施方式的TC4球形粉末在制备3D打印用金属粉末中的应用。上述TC4球形粉末的球形度高、流动性好，氧含量低且粒度分布范围满足要求，因此，上述TC4球形粉末能够作为制备TC4合金的原料，应用在3D打印中。

以下为具体实施例部分：

实施例1

本实施例提供一种TC4球形粉末的制备方法，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。钛电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氮气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工0.2h后，称重得工件减重340g，因此，上述方法的加工效率达到1700g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比18％，粒度为53μm～105μm的占比23％，流动性为20s/50g，球形度为92％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为800ppm。其中，流动性测试根据GB/T 1482-2010金属粉末的流动性的测试标准进行测试。

本实施例制备的TC4球形粉末的SEM图如图2所示。

实施例2

本实施例提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，加工参数中电极的进给速度不同，具体包括以下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。钛电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为2mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氮气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.5h后，称重得工件减重340g，因此，上述方法的加工效率达到680g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比24％，粒度为53μm～105μm的占比32％，流动性18s/50g，球形度为94.5％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为1000ppm。

本实施例制备的TC4球形粉末的SEM图如图3所示。

实施例3

本实施例提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，工件的转速不同，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。石墨电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为4000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氩气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重360g，因此，上述方法的加工效率达到1800g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比25％，粒度为53μm～105μm的占比30％，流动性为18s/50g，球形度为95％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为900ppm。

实施例4

本实施例提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，保护气流的压力和流速不同，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。石墨电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氩气，压力为10MPa，流量为30L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重380g，因此，上述方法的加工效率达到1900g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比28％，粒度为53μm～105μm的占比33％，流动性为20s/50g，球形度为92％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为800ppm。

对比例1

对比例1提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，工件的转速不同，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。石墨电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为2000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氩气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重300g，因此，上述方法的加工效率达到1500g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比10％，粒度为53μm～105μm的占比15％，流动性为28s/50g，球形度为85％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为750ppm。

对比例2

对比例2提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，工件的转速不同，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。石墨电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为6000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氩气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重360g，因此，上述方法的加工效率达到1800g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比26％，粒度为53μm～105μm的占比38％，流动性为18s/50g，球形度为95％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为1800ppm。

对比例3

对比例3提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，放电电流不同，具体包括以下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。钛电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为500A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为2mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氮气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重420g，因此，上述方法的加工效率达到2100g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比8％，粒度为53μm～105μm的占比12％，流动性25s/50g，球形度为87％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为700ppm。

对比例4

对比例4提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，加工参数中放电电流不同，具体包括以下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。钛电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为50A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为2mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氮气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间1h后，称重得工件减重300g，因此，上述方法的加工效率达到300g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比20％，粒度为53μm～105μm的占比34％，流动性19s/50g，球形度为92.5％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为1500ppm。

对比例5

对比例5提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，电极的进给速度不同，具体包括以下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。钛电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为10mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氮气，压力为8.5MPa，流量为20L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重400g，因此，上述方法的加工效率达到2000g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4金属粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比5％，粒度为53μm～105μm的占比11％，流动性26s/50g，球形度为86％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为600ppm。

对比例6

对比例6提供一种TC4球形粉末的制备方法，与实施例1的TC4球形粉末的制备方法相似，区别在于，保护气流的压力和流速不同，具体包括如下步骤：

采用块体TC4钛合金作为工件进行加工，尺寸为100mm×100mm×20mm，将TC4钛合金进行清洗去污，作为正极置于设备内，钛电极作为负极进行加工。石墨电极设置有单管，单管即指位于电极组件之间的通道管，通道管的出口朝向该块状工件。

设置加工参数：间隙电压值为50V，放电电流为250A，脉冲宽度2000μs，脉冲间隔200μs，控制电极的进给速度为5mm/min，工件的转速为3000r/min。同时在通道管中通入保护气流。保护气流为氩气，压力为1MPa，流量为10L/min。

在上述工艺条件下，电弧等离子体作用于工件表面，熔融甚至气化材料，同时电弧等离子体工作形态改变，在熔融区产生微小的爆炸，将材料进一步细化，同时在微小爆炸和保护气流的作用下，熔融的材料随着保护气流连续排出，爆炸粉碎，冷凝成球形粉末进入粉末收集器。

加工时间0.2h后，称重得工件减重200g，因此，上述方法的加工效率达到1000g/h。

将上述TC4球形粉末进行清洗、烘干，得到TC4球形粉末，经筛分后，TC4球形粉末粒度为15μm～53μm的占比10％，粒度为53μm～105μm的占比13％，流动性为22s/50g，球形度为90％。然后将筛分后的TC4球形粉末在500℃氢气中还原4h，还原后氧含量为700ppm。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将工件和电极分别置于电源的两极，在所述工件和所述电极的放电间隙引入保护气流，其中，所述工件为TC4钛合金；

通过调整所述电极和所述工件的放电电流为200A～300A、所述电极的进给速度为0.5mm/min～6mm/min、所述工件或所述电极的转速为2500r/min～4000r/min、所述保护气流的流速为20L/min～30L/min和所述保护气流的压力为7MPa～10MPa，促使所述工件熔融爆炸，经所述保护气流冷却后得到初级粉末；

将所述初级粉末进行筛分和还原处理，制备TC4球形粉末。

2.根据权利要求1所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，所述保护气流包括但不限于氮气和/或氩气。

3.根据权利要求1所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，所述电极和所述工件的间隙电压为30V～60V。

4.根据权利要求1所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，所述将所述初级粉末进行筛分的步骤包括：分别筛分出粒径为15μm～53μm的粉末和粒径为53μm～105μm的粉末，所述粒径为15μm～53μm的粉末用于激光3D打印中，所述粒径为53μm～105μm的粉末用于电子束3D打印中。

5.根据权利要求1所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，所述还原处理的步骤包括：将所述初级粉末在氢气气氛中进行还原。

6.根据权利要求1或5所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，还原温度为300℃～600℃，还原的时间为2h～6h。

7.根据权利要求1所述的TC4球形粉末的制备方法，其特征在于，所述电极为钛电极或石墨电极。

8.一种TC4球形粉末，其特征在于，所述TC4球形粉末的球形度为90％～95％，粒度为15μm～105μm，流动性≤20s/50g，氧含量为500ppm～1000ppm。

9.根据权利要求8所述的TC4球形粉末，其特征在于，所述TC4球形粉末由权利要求1～7任一项所述的TC4球形粉末的制备方法制备得到。

10.权利要求8或9所述的TC4球形粉末在制备3D打印用金属粉末中的应用。

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