CN114769606B - 一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。该方法包括以下步骤：(1)将高纯铍粉和高纯钛粉作为原材料；(2)将原材料装入球磨机中进行混合；(3)将铍钛混合粉末进行冷等静压预压制，制得棒状坯料；(4)将坯料进行热等静压烧结，制得棒料；(5)将棒料进行电火花线切割和精加工，获得铍钛合金电极棒；(6)将铍钛合金电极棒作为自耗旋转电极，装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上，抽至真空状态，充入惰性气体；将铍钛合金电极棒与钨电极近距离放电产生等离子电弧，铍钛合金电极端面熔化为液体，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球。

Description

一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法

技术领域

本发明属于核工业中的中子倍增材料技术领域，具体涉及一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。

背景技术

在核聚变堆中，以氚增殖剂小球和中子倍增剂小球交替堆积的球床设计的氚增殖包层模块是目前重点研究的包层形式之一。包层中大量的中子倍增小球有利于提高包层的氚增值率，并且便于氦、氚等气体产物扩散和释放。

金属铍具有较大的(n, 2n)反应截面、所有金属中最小的热中子吸收截面以及较高的中子倍增因子等中子学方面的出色性能，是聚变堆包层研究初期固态中子倍增剂的主要候选材料之一。但铍的熔点较低(约1280℃)，高温下易与试验包层选用的不锈钢发生反应，并且高温下抗辐照肿胀性差，具有氦脆性，因而无法满足未来聚变反应堆更为苛刻的工作条件要求。

铍钛合金，尤其是Be₁₂Ti，相比于金属铍，具有较高熔点、良好的抗氧化和腐蚀能力、与结构材料良好的兼容性以及较高的氚释放性能和抗辐照肿胀性能，是未来聚变堆包层设计中重要的中子倍增剂候选材料。然而铍钛合金存在固有脆性的问题，如何制备出满足聚变堆包层设计要求的小球是铍钛合金中子倍增剂应用的关键问题。目前铍钛合金小球的制备主要采用气雾化法，该方法将熔融的铍钛合金通过气流喷出，在惰性气氛中冷却成型制得小球。其制备的铍钛合金小球存在球形度较差，畸形球比例高，小球粒径不易控制等问题。因此研究高品质铍钛合金小球的制备技术对实现其在核工业领域应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。该方法工艺参数简单可控、可实现大规模连续生产；通过该方法制得的铍钛合金小球粒径可控，合金小球的球形度高、空心率低、杂质含量少，尤其适用于聚变反应堆试验包层中的中子倍增材料。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法，包括以下步骤：

(1) 将高纯铍粉和高纯钛粉作为原材料，按照铍钛合金Be₁₂Ti的标准成分进行称量，即Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；

(2) 将步骤(1)所称量的原材料装入球磨机中进行混合，得到混合均匀的铍钛粉末；

(3) 将步骤(2)制得铍钛混合粉末进行冷等静压预压制，制得相对密度为75-85 %的棒状坯料；

(4) 将步骤(3)得到的坯料进行热等静压烧结，制得相对密度为95-98 %的棒料；

(5) 将步骤(4)烧结制得的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，获得直径为30-40 mm，长度为200-300 mm的铍钛合金电极棒；

(6) 将步骤(5)得到的铍钛合金电极棒作为自耗旋转电极，装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上，造粒室抽至真空状态，随后充入惰性保护气体；将铍钛旋转电极（即铍钛合金电极）与钨电极近距离放电产生等离子电弧，铍钛合金电极端面受等离子弧加热熔化为液体，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在充满高纯惰性气体的造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球；

(7) 将步骤(6)制得的铍钛合金小球进行收集和筛分，获得平均粒径为0.2-2.2mm铍钛合金小球。

上述方法步骤(1)中，所采用的高纯铍粉的纯度大于99.9 %，平均粒径小于50 μm；高纯钛粉的纯度大于99.95 %，平均粒径小于50μm。

上述方法步骤(2)中，所述球磨机中进行混合时，磨球为氧化铝，分散介质可为无水乙醇。球磨的时间可为0.5-1.5 h。

上述方法步骤(3)中，所述冷等静压预压制的压力可为250-300 MPa，加压时间可为15-25 min。

上述方法步骤(3)和步骤(4)中，所述相对密度是根据材料的实测密度除以理论密度计算获得的。

上述方法步骤(4)中，所述热等静压烧结的烧结温度可为1250-1350 ℃，保温时间可为2.5-3.5 h，施加压力可为100-120 MPa。

上述方法步骤(6)中，在制备铍钛合金小球过程中，造粒室内充入由10%高纯氦气和90%高纯氩气混合成的惰性气体，压力约为0.12-0.15 MPa。

上述方法步骤(6)中，等离子旋转电极制备铍钛合金小球的条件为：电极棒转速为6500-8500 rpm，给进速度为45-55 mm/min，电流为600-800 A。

上述方法步骤(6)中，制得的铍钛合金小球的空心球率不大于0.5%。

上述方法制备得到的铍钛合金小球也属于本发明的保护范围。

同时上述方法制备得到的铍钛合金小球在制备聚变反应堆试验包层中的中子倍增材料中的应用，同样也属于本发明的保护范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法，解决金属铍小球作为中子倍增材料所存在的诸多不足；该工艺方法将铍钛合金棒作为旋转电极采用等离子旋转电极法制备铍钛合金小球，制备过程中液态合金不与坩埚等介质接触，避免了反应产生的杂质污染，制得小球的纯净度高、含氧量低；不易产生空心球和卫星球，小球的球形度高且粒度均匀。通过控制制备过程中的各项工艺参数，可实现不同粒径小球的制备，可适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明制备铍钛合金小球的工艺流程图。

图2为铍钛合金小球形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。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获得。

本发明提供了一种基于等离子旋转电极制备的铍钛合金小球，所述的铍钛合金小球平均粒径为0.2-2.2 mm，空心球率不大于0.5%。

本发明提供了上述方案所述的等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法，包括以下步骤：

根据铍钛合金Be₁₂Ti的标准成分组成分别称量高纯铍粉和高纯钛粉，其中各原材料粉末的质量分数为Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；将称量的原材料装入球磨机中进行混合，磨球为氧化铝，分散介质为无水乙醇，球磨0.5-1.5 h；

将所制得混合均匀的铍钛粉末进行冷等静压预压制，压力为250-300 MPa，加压时间为15-25 min，制得相对密度为75-85 %的棒状坯料；

将冷等静压坯料进行热等静压烧结，烧结温度为1250-1350 ℃，保温时间为2.5-3.5 h，施加压力为100-120 MPa，制得相对密度为95-98 %的棒料；

将烧结制得的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，获得直径为30-40 mm，长度为200-300 mm的铍钛合金电极棒；

将所述的铍钛合金电极棒装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上作为自耗旋转电极，然后将设备抽至真空状态，真空度小于1.0×10^-3 Pa，随后充入惰性保护气体；铍钛合金自耗电极与钨电极近距离放电产生等离子电弧，合金电极端面受到电弧加热发生熔化，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在充满高纯惰性气体的造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球，通过球料收集和过筛得到铍钛合金小球。

在制备铍钛合金小球过程中，造粒室在抽至真空后充入惰性气体保护，优选为由10%高纯氦气和90%高纯氩气混合成的惰性气体，压力约为0.12-0.15 MPa；

在等离子旋转电极制备铍钛合金小球过程中，电极棒转速优选为6500-8500 rpm，给进速度优选为45-55 mm/min，电流优选为600-800 A。

其具体制备实例如下：

下述实施例所采用的高纯铍粉的纯度大于99.9 %，平均粒径小于50μm；高纯钛粉的纯度大于99.95 %，平均粒径小于50μm。

下述实施例在制备铍钛合金小球过程中，造粒室内充入由10%高纯氦气和90%高纯氩气混合成的惰性气体，压力为0.12-0.15 MPa。

实施例1

将铍钛合金按照Be₁₂Ti成分组成分别称量高纯铍粉和高纯钛粉，其质量百分比为：Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；将原材料粉末装入球磨机中进行混合，磨球为氧化铝，分散介质为无水乙醇，球磨0.5 h；

将混合均匀的铍钛粉末进行冷等静压预压制，压力为250 MPa，加压时间为15min，制得相对密度为75 %的棒状坯料；

在热等静压炉中对预制坯料进行烧结，烧结温度为1250 ℃，保温时间为3.5 h，施加压力为100 MPa，制得相对密度为95 %的棒料；将热等静压烧结的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，制得直径为40 mm，长度为300 mm的铍钛合金电极棒；

将铍钛合金电极棒装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上作为自耗旋转电极，将设备抽至真空状态(小于1.0×10^-3 Pa)，然后在造粒室内充入惰性保护气体；将铍钛合金自耗电极与钨电极进行等离子放电，合金电极棒端部发生熔化，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴被甩入造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球，其中电极棒转速为6500 rpm，给进速度为45 mm/min，电流为600 A；

通过球料收集和过筛，获得铍钛合金小球的平均粒径为2.1 mm，空心球率约为0.3%。该实施例所制备的铍钛合金小球的球形度为1.08。

其中，所述空心球率的计算方法如下：采用阿基米德排水法测量小球的密度，大量的随机取样分析。根据实测密度与理论密度偏差较大的小球所占的比例，计算得到空心球率大小。

所述球形度的计算方法如下：采用小球的最大直径与最小直径的比值衡量球形度。具体采用游标卡尺多次测量小球直径，取最大值和最小值进行计算。

实施例2

将铍钛合金按照Be₁₂Ti成分组成分别称量高纯铍粉和高纯钛粉，其质量百分比为：Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；将原材料粉末装入球磨机中进行混合，磨球为氧化铝，分散介质为无水乙醇，球磨1 h；

将混合均匀的铍钛粉末进行冷等静压预压制，压力为285 MPa，加压时间为20min，制得相对密度为81 %的棒状坯料；

在热等静压炉中对预制坯料进行烧结，烧结温度为1300 ℃，保温时间为3 h，施加压力为110 MPa，制得相对密度为97 %的棒料；将热等静压烧结的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，制得直径为35 mm，长度为250 mm的铍钛合金电极棒；

将铍钛合金电极棒装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上作为自耗旋转电极，将设备抽至真空状态(小于1.0×10^-3 Pa)，然后在造粒室内充入惰性保护气体；

将铍钛合金自耗电极与钨电极进行等离子放电，合金电极棒端部发生熔化，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴被甩入造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球，其中电极棒转速为7500 rpm，给进速度为50 mm/min，电流为700 A；

通过球料收集和过筛，获得铍钛合金小球的平均粒径为1.0 mm，空心球率约为0.4%。该实施例所制备的铍钛合金小球的球形度为1.07。

实施例3

将铍钛合金按照Be₁₂Ti成分组成分别称量高纯铍粉和高纯钛粉，其质量百分比为：Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；将原材料粉末装入球磨机中进行混合，磨球为氧化铝，分散介质为无水乙醇，球磨1.5 h；

将混合均匀的铍钛粉末进行冷等静压预压制，压力为295 MPa，加压时间为25min，制得相对密度为85 %的棒状坯料；

在热等静压炉中对预制坯料进行烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为2.5 h，施加压力为120 MPa，制得相对密度为98 %的棒料；将热等静压烧结的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，制得直径为30 mm，长度为200 mm的铍钛合金电极棒；

将铍钛合金电极棒装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上作为自耗旋转电极，将设备抽至真空状态(小于1.0×10^-3 Pa)，然后在造粒室内充入惰性保护气体；

将铍钛合金自耗电极与钨电极进行等离子放电，合金电极棒端部发生熔化，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴被甩入造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球，其中电极棒转速为8500 rpm，给进速度为55 mm/min，电流为800 A；

通过球料收集和过筛，获得铍钛合金小球的平均粒径为0.2 mm，空心球率约为0.5%。该实施例所制备的铍钛合金小球的球形度为1.05。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法，包括以下步骤：

(1) 将高纯铍粉和高纯钛粉作为原材料，按照铍钛合金Be₁₂Ti的标准成分进行称量，即Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；

(2) 将步骤(1)所称量的原材料装入球磨机中进行混合，得到混合均匀的铍钛粉末；

(3) 将步骤(2)制得铍钛混合粉末进行冷等静压预压制，制得相对密度为75-85 %的棒状坯料；

(4) 将步骤(3)得到的坯料进行热等静压烧结，制得相对密度为95-98 %的棒料；

(5) 将步骤(4)烧结制得的棒料进行电火花线切割加工和精加工，获得直径为30-40mm，长度为200-300 mm的铍钛合金电极棒；

(6) 将步骤(5)得到的铍钛合金电极棒作为自耗旋转电极，装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上，造粒室抽至真空状态，随后充入惰性保护气体；将所述铍钛合金电极棒与钨电极近距离放电产生等离子电弧，铍钛合金电极端面受等离子弧加热熔化为液体，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在充满高纯惰性气体的造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球；

所述步骤(4)中，所述热等静压烧结的烧结温度为1250-1350 °C，保温时间为2.5-3.5h，施加压力为100-120 MPa；

所述步骤(6)中，在制备铍钛合金小球过程中，造粒室内充入由10%高纯氦气和90%高纯氩气混合成的惰性气体，压力为0.12-0.15 MPa；

所述等离子旋转电极制备铍钛合金小球的条件为：电极棒转速为6500-8500 rpm，给进速度为45-55 mm/min，电流为600-800 A；

所述步骤(1)中，所采用的高纯铍粉的纯度大于99.9 %，平均粒径小于50 mm；高纯钛粉的纯度大于99.95 %，平均粒径小于50 mm；

所述方法还包括(7) 将步骤(6)制得的铍钛合金小球进行收集和筛分，获得平均粒径为0.2-2.2 mm铍钛合金小球；

所述步骤(3)中，所述冷等静压预压制的压力为250-300 MPa，加压时间为15-25 min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述球磨机中进行混合时，磨球为氧化铝，分散介质为无水乙醇；球磨的时间为0.5-1.5 h。

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