CN101391306A

CN101391306A - 一种制备球形钛微粉或超微粉的装置和方法

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Publication number: CN101391306A
Application number: CNA2008101809925A
Authority: CN
Inventors: 叶高英; 古忠涛; 刘川东; 郭志猛; 郝俊杰
Original assignee: Southwestern Institute of Physics
Current assignee: Southwestern Institute of Physics
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101391306B

Abstract

本发明属于一种以等离子体为热源进行粉末材料制备与加工的工艺，具体涉及粉末冶金、等离子体喷涂、注射成形、凝胶注模成形等金属钛粉末材料的工艺和装置。本发明的优点是，采用高温球化和快速冷凝特殊球化技术，能够提高钛粉的球形度和纯度，反应器和钛粉球化过程中均使用循环水冷却，既保证了设备的密封性能、又减少了惰性气体的使用量，有效降低成本、提高生产效率并能保障球形钛粉的纯度。

Description

一种制备球形钛微粉或超微粉的装置和方法

技术领域

本发明属于一种粉末材料制备装置和加工的方法，具体涉及一种以等离子体为热源进行粉末材料制备的装置和方法。

背景技术

等离子体具有高温、高焓、高活性和温度梯度大的特性，用等离子体做热源在微米亚微米以及某些纳米粉末材料的球化处理方面，具有较大的技术优势。射频等离子体技术和设备由于其不带入任何杂质、运行持续稳定、材料处理速度快、产能高和设备造价适中，使之较微波和直流弧等离子体热源更广泛地应用于粉末材料技术领域。在高性能结构材料或功能材料制备和加工领域具有更高的应用价值。

钛及其合金是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，在军工和民用领域具有独特的应用，但长期以来钛的高成本成为制约其扩大民用市场的瓶颈。近年来，钛业界正在朝着开发成本低且性能高的方向发展，努力使钛进入到具有巨大市场潜力的民用工业，如生物医学、汽车、纺织、生活用品等各个领域，而降低钛合金产品的制造、加工成本成为钛合金生产的关键所在。

目前，制备钛合金较成熟的方法主要有真空熔炼、精密铸造和粉末冶金法。熔炼法和精密铸造这些工艺存在缺陷，成分易于偏析和组织不均匀、引进夹杂、生产效率低和生产成本高。传统粉末冶金法采用简单的工艺生产较高性能钛合金，但该方法只能生产简单形状零件。注射成形虽然可以实现复杂零件的近净尺寸制备，但零件尺寸受到限制。而凝胶注模成形方法可以批量生产成分和组织均匀、近净尺寸的复杂形状大尺寸零件，原料利用率几乎达到100％，且零部件的稳定性好，均匀性和机械性能可以完全得到保证，将其应用于钛及钛合金领域，可以实现钛合金零部件的低成本连续化生产。但是，在钛制品的注射成形和凝胶注模成形中需要原料粉末具有较好的球形度，目前主要采用气雾化钛合金粉末，成本较高。采用等离子技术对不规则形状的低成本钛粉进行球化处理是进一步降低注射和凝胶注模成形钛制品成本的有效途径，符合钛制品产业发展方向，为实现低成本高性能钛制品在民用工业的大规模应用具有重要的现实意义。

制备球形钛粉欧洲最早采用金属熔液液滴流撞击阻挡板，受阻力作用***为小滴后冷却固化成形，所得到的钛球，多数为椭球和一些两端为圆头的棒状的粉末。此后美国的Preston等用直流弧等离子体熔融、冷却成形方法获得成功，得到无椭球和棒状颗粒的球化钛粉，但需将制成品分检出未球化粒子，进行再加工。进入上世纪90年代后，球形粉末的需求越来越大，等离子喷雾技术得到了充分的发展。国外已将等离子喷雾技术成功应用于制取球形粉末、超细粉末、喷涂、CVD金刚石沉积等众多领域。如加拿大的PyroGenesis有限公司已于1998年底将等离子喷雾用于工业规模生产球形钛粉，该公司使用的是直流非转弧等离子喷嘴，等离子喷雾设备由三个与垂直方向成20—40°角的喷嘴组成，由此克服粉末颗粒难于送达等离子体弧芯部高温区的不足。但这些直流弧等离子体法的主要缺陷是其电极烧损、引入杂质，而且电极必须定时更换，影响设备***的连续稳定运行。

目前制备细小球形金属钛粉末的方法，生产率较低，成本较高。射频等离子体法是制备出组分均匀、缺陷少、流动性好、球形度好的钛粉或钛合金粉，又兼备较低的生产成本，较高的生产率，是一种较好的技述途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产效率高、制备的钛粉球形度好、纯度高且生产成本低廉的制备球形钛微粉或超微粉的装置和方法。

本发明是这样实现的，一种制备球形钛微粉或超微粉的装置，它包括一个固定件，与固定件下部密封连接的石英管套件，贯穿固定件并与其密封连接的粉体原料注入枪，在石英管套件外套有高频感应线圈，所述的石英管套件是由内石英管、中石英管和外石英管同轴布置而成，外石英管与内石英管下端相连，中石英管的下端与外石英管和内石英管的底部之间留有流通间隙，使内石英管和中石英管之间，中石英管与外石英管之间形成石英管套件的冷却通道，在固定件上设有冷却水进、出口，它们与石英管套件的冷却通道相通；所说的粉体原料注入枪是由钢制的内管、中管和外管同轴布置而成，外管和内管的底部之间相连，中管的下端与外管和内管的底部之间留有流通间隙，使内管和中管之间，中管与外管之间形成粉体原料注入枪的冷却通道，在固定件上还开有注入枪冷却水进、出口，它们与粉体原料注入枪冷却通道相通；在固定件上同时还设有反应气体输入口和保护气体输入口，它们均与内石英管相通；在石英管套件外下侧开有点火隧道，在点火隧道内设有可移动的放电装置，石英管套件的下部设有热交换室，热交换室通过连接管与气固分离室连接。

所述的高频感应线圈是用紫铜管外包套聚四氟乙稀管，绕制成直经相同的4～5匝同轴线圈。

所述的热交换室外部设有冷却装置，冷却剂出口设在冷却剂装置的上部，冷却剂入口，设在冷却剂装置的下部。

一种制备球形钛微粉或超微粉的方法，它包括以下几个步骤，

1)建立稳定运行的氩等离子体炬；

2)利用携带气体将金属钛粉注入氩等离子体炬的芯部高温区加热；

3)将加热熔融后的钛粉颗粒液滴冷却固化形成球形钛粉末；

4)将气体抽离，收集球形钛粉。

本发明的优点是，使用本发明所提供的装置和方法采用高温球化和快速冷凝特殊球化技术，能够提高钛粉的球形度和纯度，反应器和钛粉球化过程中均使用循环水冷却，既保证了设备的密封性能、又减少了惰性气体的使用量，有效降低成本、提高生产效率并能保障球形钛粉的纯度。

附图说明

图1是本发明所提供的一种制备球形钛微粉或超微粉的装置结构剖面示意图；

图2是本本发明所提供的一种制备球形钛微粉或超微粉的装置中粉体原料注入枪结构剖面示意图；

图3是钛粉原粉的扫描电子显微图片；

图4是球形钛粉的扫描电子显微图片。

图中，1粉体原料注入枪，2反应气体输入口，3保护气体输入口4内石英管，5石英管冷却水出口，6固定件，7石英管冷却水进口，8高频感应线圈，9中石英管，10石英管套件，11放电装置，12点火隧道，13等离子体炬，14外石英管，15注入枪冷却水进口，16注入枪冷却水出口，17内管，18中管，19外管，21冷却剂出口，22热交换室，23连接管，24冷却剂入口，25粉末出口，26气固分离室，27冷却装置。

具体实施方式

按照本发明用等离子体装置加工钛粉，利用射频(RF)等离子体的高能特性，将形状不规则的钛原粉颗粒用携带气体(氩气)通过加料枪注入等离子体炬，不规则的钛原粉颗粒被迅速加热而熔化，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，并在极高的温度梯度下迅速凝固，可以形成球形度好的钛粉。

本发明装置主要包括高频等离子体电源，等离子体发生器和反应器，一个喂料器、一个热交换室、一个气固分离、粉末材料收集室和一个加料枪。这些设备组成运行稳定、连续工作、产能高的可产业化生产***。

本发明采用高温球化和快速冷凝特殊球化技术，反应器和钛粉球化过程中均使用循环水冷却，既保证了设备的密封性能、又减少了惰性气体的使用量，有效降低成本、保障球形钛粉的纯度。

本发明根据钛粉球化要求所设计建立的***使各项技术参数的调整范围得以拓宽，有利于调控优化等离子体功率、密度，反应器内压力、气流等参数组合，配之以符合原料钛粉处理特性的适量粉末与携带气体获得最佳球化效果。图3、4的比较可见，球化率几乎达到100％，球形粒子形貌俱佳。

本发明提供了一种对金属钛粉加工的方法。该方法包括以下步骤：用喂料器将金属钛原粉通过加料枪注入等离子体炬中，用该装置的等离子体炬熔化钛粉而形成熔融的小液滴；熔融的钛粉小液滴以极快的速率离开等离子体炬，冷却飞行过程中，在表面张力的作用下形成球形度很高的钛粉末；该球形的钛粉具有比钛原粉更好的流动性更高的密度、纯度和颗粒表面光洁度，降低了材料孔隙率，改善和提高了钛粉材料的综合应用性能。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

一种制备球形钛微粉或超微粉的装置，它包括一个固定件6，与固定件6下部密封连接的石英管套件10和贯穿固定件6并与其密封连接的粉体原料注入枪1，在石英管套件10外套有高频感应线圈8，其中，所说的石英管套件10是由内石英管4、中石英管9和外石英管14同轴布置而成，外石英管14与内石英管4下端相连，中石英管9的下端与外石英管14和内石英管4的底部之间留有流通间隙，使内石英管4和中石英管9，以及中石英管9与外石英管14之间形成石英管套件10的冷却通道。在固定件6上设有冷却水进、出口7，5，它们与石英管套件10的冷却通道相通；粉体原料注入枪1是由钢制内管17、中管18和外管19同轴布置而成，外管19和内管17的底部之间相连，中管18的下端与外管19和内管17的底部之间留有流通间隙，使内管17和中管18之间，以及中管18与外管19之间形成粉体原料注入枪1的冷却通道，在固定件6上还开有注入枪冷却水出、入口16，15，它们与粉体原料注入枪1冷却通道相通；在固定件6上同时还设有反应气体输入口2和保护气体输入口3，均与内石英管4相通；在石英管套件10外下侧开有点火隧道12，在点火隧道12内设有可移动的放电装置11。石英管套件10的下部设有热交换室22，热交换室22通过连接管23与气固分离室26连接。所述的热交换室22外部设有冷却装置27，冷却剂出口21设在冷却剂装置27的上部，冷却剂入口24，设在冷却剂装置27的下部。冷却水这样“低进高出”，有利于维持等离子体炬的稳定，同时延长石英管的有效寿命。

所说的石英管套件10外壁上套有的高频感应线圈8，可采用紫铜管外包套聚四氟乙稀管，绕制成直经相同的5匝同轴线圈，石英管水冷套件10与高频感应线圈8同轴安装。

石英管套件10采用内中外三根同轴布置的水冷石英管结构：三根石英管中的每一根与反应器固定件6的连接处均用O-型密封圈密封。连接完成需通水试验，保证所有密封处都不漏水。

在石英管套件10内、反应器固定件6上密封装配有原料粉体注入枪1，即***并穿过反应器固定件6顶部的圆形孔，下端留出所需的长度后定位，并用O-型密封圈密封、紧固连接，其结构采用与水冷石英管套件10相同的内中外三根同轴布置的钢管结构，其本身带有单独的水冷却回路，即在反应器固定件6上密封焊接有分别与中管18、外管19相连通的小石英管，作为注入枪冷却水出口16和注入枪冷却水入口15。

放电装置可使用外购的电火花真空检测器，其前端端电头是一段细弹簧，因此不会在移动时撞击和损伤石英管。

一种制备球形钛微粉或超微粉的方法，该方法按以下步骤进行：

1)建立稳定运行的氩等离子体炬：向等离子体反应器输入50-65slpm持续氩气流，感应线圈加载高电压6-8kV，同时点火器放电，高压线圈感应耦合及点火器电晕触发，使氩气电离产生等离子体炬。此时，开启离心风机使反应器内保持负压状态，等离子体炬即可稳定运行。

2)利用携带气体将金属钛粉(原粉)注入氩等离子体炬的芯部高温区加热。携带气体可用氩气、氢气等在高温环境中不与金属粉体发生化学反应的气体。加热时间随气粉流“飞离”等离子体炬而结束，持续时间仅为140-170毫秒。

3)将加热熔融后的钛粉颗粒液滴冷却固化形成球形钛粉末：在辐射、对流、传导和化学四种传热机制作用下，被迅速加热而熔化。当颗粒融化到至少50％(按重量计算)以上时，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，并在极高的温度梯度(10^-6K/m)下迅速冷却、进入热交换室骤冷凝固，从而形成球形的颗粒。

4)将气体抽离，收集球形钛粉。

所说的建立氩等离子体炬所需要的反应气体氩的输入流量为1slpm～10slpm，感应线圈上加载的高电压为6kV～8kV；所述的氩等离子体稳定运行时的反应气体输入流量为20slpm～40slpm，保护气体10slpm～100slpm，***负压为200mm汞柱～300mm汞柱；步骤2)中所加入的金属钛原粉的平均粒径为0.5～45μm，携带气体控制流量为3slpm～7slpm，钛粉喂料控制流量为60g/min～80g/min。

例1、平均粒径为115μm钛粉，球化处理主要参数是：携带气体流量为5.0slpm，钛粉喂料量68g/min.，等离子体炬运行功率为50kW；反应气体23slpm，保护气体75slpm，；***负压为230mm汞柱。

例2、平均粒径为25μm钛粉，球化处理主要参数是：携带气体流量为3.9slpm，钛粉喂料量65g/min.，等离子体炬运行功率为55kW；反应气体26slpm，保护气体80slpm，；***负压为240mm汞柱。

将钛粉原粉从喂料器通过加料枪注入等离子体炬中，该粉末是机械粉碎或气流粉碎的海绵状钛粉。不规则的钛粉颗粒被迅速加热而熔化，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，这些液滴快速进入热交换室，在极高的温度梯度下迅速凝固。可以在热交换室底部收集球形钛粉。在气固分离室中也可以收集到球形钛粉，不过，此处的球形钛粉尺寸比热交换室底部所收集到的球形钛粉尺寸相对小些

喂料器采用螺旋振动出料，加载小气流，气粉混合送料方式。这种方式能保证未了的均匀性。球化钛粉的收集则使用储料罐进出口各有一个自动阀门，罐内安装料位计。料位计设置高低两个限位，***初启，进料阀门打开，当粉料堆积至高限位，进料阀门自动关闭，出料阀门打开，收集和包装成品球化钛粉。一旦储罐内粉末排放降到低限位，则出料阀门关闭，进料阀门打开，如此自动循环工作，不需人工干预。这种作方式可自动计量，罐内填充少量惰性气体题，防止钛粉氧化。

图3提供了钛粉原粉的扫描电子显微图片。如图所示，钛粉原粉具有不规则的形状，并且每个颗粒有明显的锐角，表面极其粗糙。图4提供了用本发明所述装置和方法处理后获得的球形钛粉的扫描电子显微图片。每个颗粒的形状变成球形，并且每个颗粒的表面极其光滑。

用ASTMB212-99标准测量时，经过等离子体球化加工处理后的钛粉的表观密度由3.2g/cm³增至4.3g/cm³。表观密度的增加和颗粒形状的改变有利于改进钛粉流动性，所述球形钛粉良好的流动性，在金属注射成形、凝胶注模成形制备过程中，确保钛或钛合金制件的组分均匀、缺陷少、性能优异。

总之，等离子体球化钛微粉或超微粉，可以改变钛粉颗粒的形状并且增加了粉末的表观密度，增加了钛粉流动性。

Claims

1.一种制备球形钛微粉或超微粉的装置，它包括一个固定件(6)，与固定件(6)下部密封连接的石英管套件(10)，贯穿固定件(6)并与其密封连接的粉体原料注入枪(1)，在石英管套件(10)外套有高频感应线圈(8)，其特征在于：所述的石英管套件(10)是由内石英管(4)、中石英管(9)和外石英管(14)同轴布置而成，外石英管(14)与内石英管(4)下端相连，中石英管(9)的下端与外石英管(14)和内石英管(4)的底部之间留有流通间隙，使内石英管(4)和中石英管(9)之间，中石英管(9)与外石英管(14)之间形成石英管套件(10)的冷却通道，在固定件(6)上设有冷却水进、出口(7，5)，它们与石英管套件(10)的冷却通道相通；所说的粉体原料注入枪(1)是由钢制的内管(17)、中管(18)和外管(19)同轴布置而成，外管(19)和内管(17)的底部之间相连，中管(18)的下端与外管(19)和内管(17)的底部之间留有流通间隙，使内管(17)和中管(18)之间，中管(18)与外管(19)之间形成粉体原料注入枪(1)的冷却通道，在固定件(10)上还开有注入枪冷却水进、出口(15，16)，它们与粉体原料注入枪(1)冷却通道相通；在固定件(6)上同时还设有反应气体输入口(2)和保护气体输入口(3)，它们均与内石英管(4)相通；在石英管套件(10)外下侧开有点火隧道(12)，在点火隧道(12)内设有可移动的放电装置(11)，石英管套件(10)的下部设有热交换室(22)，热交换室(22)通过连接管(23)与气固分离室(26)连接。

2.如权利要求1所述的一种制备球形钛微粉或超微粉的装置，其特征在于：所述的高频感应线圈(8)是用紫铜管外包套聚四氟乙稀管，绕制成直经相同的4～5匝同轴线圈。

3.如权利要求1所述的一种制备球形钛微粉或超微粉的装置，其特征在于：所述的热交换室(22)外部设有冷却装置(27)，冷却剂出口(21)设在冷却剂装置(27)的上部，冷却剂入口(24)设在冷却剂装置(27)的下部。

4.一种制备球形钛微粉或超微粉的方法，它包括以下几个步骤，

1)建立稳定运行的氩等离子体炬；

3)将加热熔融后的钛粉颗粒液滴冷却固化形成球形钛粉末；

4)将气体抽离，收集球形钛粉；

其特征在于：在步骤1)中所说的建立氩等离子体炬所需要的反应气体氩的输入流量为1slpm～10slpm，感应线圈上加载的高电压为6kV～8kV；所述的氩等离子体稳定运行时的反应气体输入流量为20slpm～40slpm，保护气体10slpm～100slpm，***负压为200mm汞柱～300mm汞柱；步骤2)中所加入的金属钛原粉的平均粒径为0.5～45μm，携带气体控制流量为3slpm～7slpm，钛粉喂料控制流量为60g/min～80g/min。

5.如权利要求4所述的一种制备球形钛微粉或超微粉的方法，其特征在于：步骤2)中所述的携带气体为氩气或氢气。