CN117206535A - 一种球形钛粉高效率制备方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形钛粉高效率制备方法与装置，装置包括从上往下依次设置的原料仓、过渡仓、粒化炉和收集仓；所述粒化炉内自上而下分为雾化区、脱氢区和冷却区，粒化炉中设置有离心雾化装置；利用氢化钛熔点低易熔化以及雾化法制备的粉末球形度高的特性，提出了采用雾化法制备球形氢化钛再结合氢化钛脱氢法制备高球形度的金属纯钛粉颗粒，实现高质量球形钛粉末的技术进步和低成本制造；将氢化钛直接熔化、雾化造粒、脱氢一步完成，实现了短流程、高效率、低成本、无污染等流程目标，显著降低钛及钛合金制备成本。

Description

一种球形钛粉高效率制备方法与装置

技术领域

本发明属于金属粉末制备技术领域，涉及化工冶金技术，具体涉及一种球形钛粉高效率制备方法与装置。

背景技术

钛及钛合金是20世纪中期发展起来的一种重要金属，由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好等优良性能，受到人们的广泛关注。近年来，随着钛合金材料的广泛应用，形状与结构复杂性构件制备显著增多，3D打印钛及钛合金需求显著提升。而球形度高、流动性好并且杂质含量低的高性能金属粉体是粉末冶金、增材制造、注射成型以及大气等离子喷涂等技术的关键性原料。在3D打印领域对打印粉末的流动性有着特别严苛的要求。而粉末的流动特性与其球形度显著相关，因此3D打印对粉末材料的球形度，粒径分布等性能要求近乎苛刻。制备钛及钛合金粉的主要方法有：雾化法、还原法、电解法、氢化脱氢法(HDH)和旋转电极雾化法(PREP)等。而常用的制造球形钛和钛合金粉末的方法有：氢化钛脱氢法、雾化法、球化法等。

1、氢化钛脱氢法

目前，氢化钛脱氢制备球形钛粉主要包括氢化钛的脱氢和球化两个主要的工艺过程，氢化钛在高温真空的条件下，氢化钛粉脱氢即可制得钛粉，反应式为：

TiH₂(s)＝Ti(s)+H₂(g)

氢化钛的分解脱氢反应是吸热过程，需要较高的温度和真空度。氢化钛分解是一个多级反应，反应不能彻底进行，氢化钛粉末的分解温度一般为550℃以上。如图1所示的传统氢化钛粉脱氢方法是松散粉末法，高温烧结会显著增加颗粒粒度，因此脱氢后钛粉还需进一步机械破碎，但机械破碎后颗粒不是球形，形状不规则，流动性差。因此需要在该工艺基础上进一步进行球化处理的工艺，以改善钛粉的球形度和流动性。

2、雾化法

目前用于制造球形钛粉末的雾化法有主要有气雾化法、离心雾化法和超声波雾化法。

气雾化是利用雾化介质高速气流破碎熔融态钛金属液流，将钛粉球化并快速冷凝的技术。其中应用最广泛的是真空感应熔炼气雾化法和电极感应熔炼气雾化法。真空感应熔炼气雾化法将海绵钛或者钛棒材放置于坩埚内采用真空感应进行熔炼，然后利用高速雾化介质(氩气)的动能把液体转变为细小液滴，并在雾化塔内飞行过程中凝固，形成球形度高、氧含量低的球形钛粉。电极感应熔炼气雾化法去除坩埚和导流管，通过电磁加热的方式直接熔化旋转的金属钛，熔融态的金属垂直落下固化，改善了污染问题。此方法减少了钛粉的杂质污染，且能耗相对较少。但球化过程中熔融金属状态不稳，易导致成分偏析。

离心雾化法是利用离心力破碎熔融金属，将形成的液滴拋在空中快速冷却制得球形金属颗粒的技术。离心雾化主要分为等离子雾化法(PA)和等离子旋转电极法(PREP)。PA是以钛为原料，以等离子枪为加热源，原料被等离子体瞬间熔化的同时被高温气体

雾化成微小液滴，在下落时固成球形金属颗粒。该工艺雾化效率高，采用热等离子体，冷却时间长，粉末球形度好，纯度较高。但该方法由于旋转电极与雾化工艺参数无法精确配合，细粉收得率较低。PREP是采用等离子弧融化金属，在离心力的作用下抛出金属液滴，在冷却介质中固化的方法。由于等离子旋转电极法不采用坩埚融化金属，故制备的粉末纯度较高，且该技术不使用惰性气体雾化金属液流，粉末颗粒之间几乎不存在明显的成分偏析。

超声波雾化法是利用超声振动冲击破碎钛金属液流，使飞溅的熔滴快速冷却制粉。该法显著提高了制粉效率，但需要大量惰性气体，成本高。

3、球化法

球化法利用高能量密度热源使不规则粉体迅速熔化或气化，然后在极大的温度梯度下迅速冷却、固化、沉积得到球形粉末。球化法制备的粉体球形度相对较高，表面光滑，流动性好，纯度高。经过球化处理后，一些形貌、品质不佳的粉末也能够变成高品质球形粉末。制备球形钛金属粉末的球化法主要有等离子球化(PS)法和激光球化(LS)法。

等离子球化法是在高频等离子加热下得到熔融金属粉末，并进行球化和快速凝固的技术，是目前最具潜力的球化方法。高频感应热等离子体具有温度高(3 000～10000K)、冷却速率大等优点，但产品氧含量较高。

激光球化是激光选区融化技术中的一个现象。熔池周围是金属粉末和气体，当高能激光束作用于金属粉末时，熔池受到粉末的约束力远远小于熔池的表面张力，为了得到最小表面自由能，金属粉末在重力和表面张力的作用下球化，激光球化法的优点在于激光是一种高能束流，不会引入外来杂质，但由于影响因素多，限制了激光球化法的发展。

上述可见，氢化钛脱氢法制备的粉末没有球形特征，需要进一步球化；气体雾化法是以金属钛为原料进行再融化和雾化；离心雾化法是以金属棒材为原料，进行再熔化与球化。等离子与激光球化法是以金属钛粉末为原料进行粉末熔化和球化。综上所述，上述钛及钛合金粉末球形化的方法均以金属钛为原料。只是路径不同，即粉末等离子和激光球化法路径最短，可从氢化脱氢粉末开始；雾化法路径更长，是以钛及钛合金溶液或者致密化棒材为原料。无论哪种现有球形粉末制备方法，都是基于钛及钛合金熔化再球化。而钛金属的熔点为1668℃。因此高能耗是球形钛粉成本过高的一个主要原因。

通过上述球形钛粉制备方法分析可见，加氢脱氢法制备球形钛粉因为形状不规则需要后续进行等离子或者激光再球化，而且在氢化钛破碎过程中容易增加其他杂质元素。雾化法和球化法都是以金属钛或加氢脱氢粉末为基础材料进行再液化和雾化。这些方法都存在流程长，都需要在金属钛熔点之上制备，因此工序多、能耗大，成本高。

流程长、工序多：球形钛粉制备的主流方法一是以氢化脱氢粉末以为原料，经过等离子再球化；二是通过金属钛及钛合金棒材离心雾化。因为离心设备要求严格，一般需要氢化脱氢粉末—压型—烧结—电弧/电子束熔炼—压力加工—机加—高致密高精度棒材—离心雾化—球形粉末。

能耗大：无论是那种钛及钛合金球化粉末，都是将金属钛进行体熔或者粉熔球化的，温度要求1668℃以上。

效率低：因为上述粉末制备流程长，工序多，不连续，造成粉末生产效率低。

成本高：钛及钛合金粉末的长流程，多工序，高温度，造成能耗、折旧和人工成本大。

氢化钛脱氢法制备钛粉目前是常用的制备方法，其具有成本低、原理简单的优势，但制得的钛粉存在形状不规则，流动性差，杂质含量高等缺点，严重的限制了其应用范围的拓展。雾化法制备的钛粉球形度高、流动性好、含氧量低、平均粒径小且粒度分布窄，已经成为高质量球形钛粉制备主流技术。但是钛及钛合金粉末雾化法制备，流程长，成本高，显著提高钛制品的成本，不仅限制了3D打印技术的发展，而且限制了低成本粉末冶金法在钛合金材料制备领域的应用。

为了降低球形金属钛粉制备的制造成本，推进3D打印和粉末冶金技术在钛及钛合金领域的快速发展，开发低成本的球形钛粉显得非常迫切和重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供了一种球形钛粉高效率制备方法与装置，显著降低球形钛粉制备成本。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种球形钛粉高效率制备装置，包括从上往下依次设置的原料仓、过渡仓、粒化炉和收集仓；

所述原料仓与过渡仓之间、过渡仓与粒化炉之间分别通过开关阀门连接，过渡仓和粒化炉均为连接有真空泵；所述粒化炉内自上而下分为雾化区、脱氢区和冷却区，在雾化区、脱氢区中分别设置加热装置，通过加热装置将不同区段温度提升到生产温度，雾化区、脱氢区的加热装置分别设置加热开关，独立控制，冷却区下方与收集仓连通；在粒化炉中设置有离心雾化装置，离心雾化装置位于雾化区，通过离心雾化装置将熔融态的液滴与原料块体分离开并形成直径很小的液滴。

进一步，所述离心雾化装置包括安装在粒化炉上方的旋转电机，旋转电机转轴与伸入粒化炉中旋转轴连接，旋转轴末端连接多孔雾化罩，多孔雾化罩悬挂在粒化炉中。

进一步，所述多孔雾化罩为由多孔板材卷成的顶部开放、底部封闭的圆筒形结构，旋转轴伸入圆筒形结构中与筒底固定。

进一步，所述过渡仓出口连接有下料管，下料管延伸到多孔雾化罩上方。

进一步，所述雾化区、脱氢区的加热装置分别设置加热开关，独立控制。

进一步，所述粒化炉上方设置多组原料仓和过渡仓组成的供料单元，各供料单元分别与粒化炉连接。

进一步，所述原料仓、过渡仓、粒化炉和收集仓底部均为倒锥形结构，各结构出口均设置在锥形结构底部尖端处。

球形钛粉高效率制备方法，包括以下步骤：

1).氢化钛进料

首先将氢化钛块体放入原料仓，氢化钛由原料仓倒入过渡仓，再关闭过渡仓和原料仓之间的开关阀门，然后打开真空泵抽真空；当过渡仓和粒化炉都为相同真空度时，打开过渡仓下部与粒化炉之间的开关阀门，物料沿着下料管进入多孔雾化罩；

2).氢化钛熔化与雾化

分别打开雾化区和脱氢区加热开关，当雾化区和脱氢区温度分别达到400～450℃和600-1000℃氢化钛在400℃以上开始熔化；此时打开旋转电机开关，旋转电机带动多孔雾化罩旋转，熔融态氢化钛在离心力作用下，从多孔雾化罩的孔穴中甩出形成直径很小的氢化钛液滴，在表面张力作用下，氢化钛液滴完成球化过程；氢化钛液滴继续在重力作用下向下沉降。

3).氢化钛脱氢

经过雾化和球化的氢化钛液滴沉降进入脱氢区，脱氢区温度升高至脱氢温度，在脱氢区球形氢化钛液滴转变成球形钛粉；

4).冷区与收集

球形钛粉经过低温冷却区冷却成粉末颗粒并进入收集仓收集。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明摒弃了传统钛及钛合金制备流程基于氢化钛脆性易破碎特性而建立起来的氢化钛破碎制粉技术与工艺流程。利用氢化钛熔点低易熔化以及雾化法制备的粉末球形度高的特性，提出了采用雾化法制备球形氢化钛再结合氢化钛脱氢法制备高球形度的金属纯钛粉颗粒的工艺方法，实现高质量球形钛粉末的技术进步和低成本制造。开创了以氢化钛低熔点为特性，进行直接造粒再脱氢的粉末制备基础；

2、充分利用氢化钛熔化温度和脱氢温度不同，在同一粒化炉体中实现熔化与脱氢工序无缝衔接，熔化温度450℃以下，坩埚中的杂质元素扩散少，同时没有其他接触过程；避免了中间过程及其杂质元素的侵入，杂质元素污染少。

3、利用液滴小，比表面积大，曲面易扩散脱氢原理强化脱氢效率；将氢化钛直接熔化、雾化造粒、脱氢一步完成；设备要求低，折旧少，无需1600℃以上高温设备，更无需电子束、激光等高端热源配置；

4、本发明借助于氢化钛低熔点400-450℃，脱氢温度600-1200℃，从钛及钛合金熔点1668℃以上，降低至800-1200℃以内；显著低于1668℃以上温度；能耗低，温度大幅下降。以氢化钛为原料一次脱氢直接球化造粒，实现了短流程、高效率、低成本、无污染等流程目标，可以实现连续化和规模化制备，将显著降低钛及钛合金制备成本。

附图说明

图1是传统的氢化钛粉脱氢方法生产流程图；

图2是本发明球形钛粉高效率制备装置结构示意图；

图中：1-原料仓、2-过渡仓、3-粒化炉、31-雾化区、32-脱氢区、33-冷却区、4-收集仓、5-开关阀门、6-离心雾化装置、7-旋转电机、8-多孔雾化罩、9-真空泵、10-下料管、11-旋转轴。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，本发明的球形钛粉高效率制备装置，设备主要分为四层结构，从上往下依次是原料仓1、过渡仓2、粒化炉3和收集仓4。

上层为原料仓1，原料仓1与过渡仓2、过渡仓2与粒化炉3之间分别由开关阀门5连接，最下层是粉末的收集仓4。过渡仓2和粒化炉3均为连接有真空泵9，工作时通过真空泵9抽真空。为了提升生产效率在粒化炉3连接多组原料仓1和过渡仓2组成的供料单元，通过多个供料单元同时工作，有效提高供料效率。

所述粒化炉3分为三个区，自上而下分别为雾化区31、脱氢区32和冷却区33。雾化区31、脱氢区32中分别设置加热装置，通过加热装置将不同区段温度提升到生产温度，雾化区31、脱氢区32的加热装置分别设置加热开关，独立控制。雾化区31温度≤450℃，高于氢化钛熔点50℃。脱氢区32温度≤1000℃，冷却区33温度≤60℃。冷却区下方是粉末的收集仓4。在粒化炉3中设置有离心雾化装置6，离心雾化装置6位于雾化区31，离心雾化装置6主要是由旋转电机7、旋转轴11和多孔雾化罩8组成，旋转电机7安装在粒化炉3上方，旋转电机7转轴与伸入粒化炉3中旋转轴11连接，旋转轴11末端连接多孔雾化罩8，多孔雾化罩8悬挂在粒化炉3中，多孔雾化罩8由多孔板材卷成的圆筒形结构，圆筒形结构顶部开放底部封闭，旋转轴11伸入圆筒形结构中与筒底固定。过渡仓2出口连接有下料管10，下料管10延伸到多孔雾化罩8上方，旋转电机7通过旋转轴11带动多孔雾化罩8旋转，将熔融态的液滴与原料块体分离开并形成直径很小的液滴。

所述原料仓1、过渡仓2、粒化炉3和收集仓4底部均为倒锥形结构，各结构出口均设置在锥形结构底部尖端处，便于物料依靠重力汇集和流出。

基于上述装置，本发明的球形钛粉高效率制备工艺流程为：

1.氢化钛进料

首先将氢化钛块体放入原料仓1。然后按照一定数量，将氢化钛由原料仓1倒入过渡仓2，再关闭过渡仓和原料仓之间的开关阀门，然后打开真空泵9抽真空。当保证过渡仓2和粒化炉3都为相同真空度时，打开过渡仓2下部与粒化炉3之间的开关阀门5，物料沿着下料管10进入多孔雾化罩8。

2.氢化钛熔化与雾化

分别打开雾化区31和脱氢区32加热开关。当雾化区和脱氢区温度分别达到400～450℃和600-1000℃。此时氢化钛在400℃以上开始熔化。此时打开旋转电机7开关。旋转电机7带动多孔雾化罩8旋转。其内的熔融态氢化钛在离心力作用下，从多孔雾化罩8的孔穴中甩出形成直径很小的氢化钛液滴。在表面张力作用下，氢化钛液滴完成球化过程。因为雾化区温度低，尚未达到脱氢条件。氢化钛液滴继续在重力作用下向下沉降。

3.氢化钛脱氢

经过雾化和球化的氢化钛液滴沉降进入脱氢区32。因为脱氢区32温度升高至脱氢温度，加之球形氢化钛液滴尺度小，比表面积大，氢原子在液滴内扩散路径短，向外扩散快，显著提高了脱氢效率。实现了从球形氢化钛液滴到球形钛粉的转变。

4.冷区与收集

脱氢后形成球形钛粉，经过低温冷却区33冷却成粉末颗粒并进入冷却收集仓4收集。

本发明的球形钛粉高效率制备方法与装置，一是流程短形成的低成本。包括氢化钛为海绵钛氢化而成，原料流程短，成本低；氢化钛熔化再球化，制备流程短，二是能耗成本低，成形温度低；三是设备折旧成本低。设备为一台1200℃中温炉，设备成本低，折旧少；四是人员技能要求低，人员成本低。显著降低球形钛粉制备成本，助推3D打印和粉末冶金技术在钛及钛合金领域的应用。

Claims (8)

1.一种球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：包括从上往下依次设置的原料仓(1)、过渡仓(2)、粒化炉(3)和收集仓(4)；

所述原料仓(1)与过渡仓(2)之间、过渡仓(2)与粒化炉(3)之间分别通过开关阀门(5)连接，过渡仓(2)和粒化炉(3)均为连接有真空泵(9)；所述粒化炉(3)内自上而下分为雾化区(31)、脱氢区(32)和冷却区(33)，在雾化区(31)、脱氢区(32)中分别设置加热装置，通过加热装置将不同区段温度提升到生产温度，雾化区(31)、脱氢区(32)的加热装置分别设置加热开关，独立控制，冷却区(33)下方与收集仓(4)连通；在粒化炉(3)中设置有离心雾化装置(6)，离心雾化装置(6)位于雾化区(31)，通过离心雾化装置(6)将熔融态的液滴与原料块体分离开并形成直径很小的液滴。

2.如权利要求1所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述离心雾化装置(6)包括安装在粒化炉(3)上方的旋转电机(7)，旋转电机(7)转轴与伸入粒化炉(3)中旋转轴(11)连接，旋转轴(11)末端连接多孔雾化罩(8)，多孔雾化罩(8)悬挂在粒化炉(3)中。

3.如权利要求2所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述多孔雾化罩(8)为由多孔板材卷成的顶部开放、底部封闭的圆筒形结构，旋转轴(11)伸入圆筒形结构中与筒底固定。

4.如权利要求3所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述过渡仓(2)出口连接有下料管(10)，下料管(10)延伸到多孔雾化罩(8)上方。

5.如权利要求1-4任一项所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述雾化区(31)、脱氢区(32)的加热装置分别设置加热开关，独立控制。

6.如权利要求5所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述粒化炉(3)上方设置多组原料仓(1)和过渡仓(2)组成的供料单元，各供料单元分别与粒化炉(3)连接。

7.如权利要求5所述的球形钛粉高效率制备装置，其特征在于：所述原料仓(1)、过渡仓(2)、粒化炉(3)和收集仓(4)底部均为倒锥形结构，各结构出口均设置在锥形结构底部尖端处。

8.基于权利要求5所述装置的球形钛粉高效率制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1).氢化钛进料

首先将氢化钛块体放入原料仓(1)，氢化钛由原料仓(1)倒入过渡仓(2)，再关闭过渡仓和原料仓之间的开关阀门，然后打开真空泵(9)抽真空；当过渡仓(2)和粒化炉(3)都为相同真空度时，打开过渡仓(2)下部与粒化炉(3)之间的开关阀门(5)，物料沿着下料管(10)进入多孔雾化罩(8)；

2).氢化钛熔化与雾化

分别打开雾化区(31)和脱氢区(32)加热开关，当雾化区和脱氢区温度分别达到400～450℃和600-1000℃氢化钛在400℃以上开始熔化；此时打开旋转电机(7)开关，旋转电机(7)带动多孔雾化罩(8)旋转，熔融态氢化钛在离心力作用下，从多孔雾化罩(8)的孔穴中甩出形成直径很小的氢化钛液滴，在表面张力作用下，氢化钛液滴完成球化过程；氢化钛液滴继续在重力作用下向下沉降。

3).氢化钛脱氢

经过雾化和球化的氢化钛液滴沉降进入脱氢区(32)，脱氢区(32)温度升高至脱氢温度，在脱氢区(32)球形氢化钛液滴转变成球形钛粉；

4).冷区与收集

球形钛粉经过低温冷却区(33)冷却成粉末颗粒并进入收集仓(4)收集。