CN105252009B - 一种微细球形钛粉末的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微细球形钛粉末制备方法，属于金属及合金粉末制备技术领域。该本发明以海绵钛为原料并制成棒材或丝材；在熔化室中，真空条件下采用双飞秒脉冲激光诱导加热熔化后倒入中间包，转入雾化室中真空条件下，通过导入离心流嘴的惰性气体将钛熔体破碎，再经过拉瓦尔喷嘴进一步破碎，制得微米级的液钛；最后置入充氩介质罐内，凝固冷却，筛分后得到微细球形钛粉末。本发明通过双飞秒激光快速，高效，纯净地熔炼钛，可以形成均匀、稳定、连续的合金液流，且熔化、雾化效率高，提高了金属粉末雾化的产率与出粉率，本发明制备的球形度高，氧含量低。

Description

一种微细球形钛粉末的制造方法

技术领域

本发明涉及粉末制备工艺技术领域，涉及一种微细球形钛粉末的制造方法。

背景技术

钛与钛合金具有密度低，比强度高、耐蚀、耐热性好等优良性能，被广泛应用于航天等领域。较锻造、铸造等制备手段而言，用粉末冶金方法成形形状复杂的金属零部件具有材料利用率高、工艺流程短等优点，成为降低钛及钛合金零部件制造成本的重要途径。钛粉的性能是决定钛及钛合金粉末冶金制品质量的关键因素。近年来，制备纯度高、球形度好、氧含量低及粒径小的钛及钛合金粉末且可作为3D打印的金属粉末材料，成为钛及钛合金粉末冶金领域的发展方向及研究热点。

目前，制备球形钛及钛合金粉末的方法有：气雾化法，等离子旋转电极法，射频等离子球化法等。惰性气体雾化法，所使用的原料为一定规格的钛及钛合金棒材，在坩埚内将原料棒熔化，通过坩埚底部的喷嘴将产生的熔液用高速气体喷射，使金属液呈喷雾状，冷凝形成球形钛粉。利用该方法制备的粉末特点是粒径分布范围较宽，细粉收得率较高，且粉末成分与母合金棒材的成分偏差较小，杂质元素能够很好的控制。由于气雾化法在制备钛粉的过程中，被冷却的液滴形成的不同尺寸颗粒的冷却速度不同，导致球形度较差，行星颗粒较多；另一方面由于气体破碎金属液流时不可避免的会产生空心粉末，这些空心粉末在后续粉末冶金工序中，会造成材料的内部缺陷。

超声雾化法该技术主要有两种：一种是可将高频电磁振荡转化为液体机械振动，使小液滴破碎成雾；另一种可使液体流经超声聚能器时在辐射表面形成薄液滴层，薄液滴层在超声振动的作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定的峰值时，小液滴从波峰上飞溅而出形成雾。利用超声雾化法制得的球形粉末的粒径与超声频率成反比，超声雾化***的工作频率越高，所制得的球形粉末粒度越小。采用超声雾化法可直接利用超声振动雾化金属，惰性气体消耗量仅为气雾化法的1％，并且由于有效地抑制了粉末之间的碰撞，使粉末中卫星颗粒明显较少，表面光洁，球形度好，工艺连续、可控、稳定，不过其对设备要求较高。

等离子旋转电极法：将金属或合金制成自耗电极，电极端面受电弧加热而熔化为液体，形成的液体受到离心力和液体表面张力的双重作用，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴，最后冷凝成粉末的方法。可根据等离子弧电流的大小和电极转速调控粉末的粒径。所制备的粉末的化学成分与原料棒材成分近似，成分易于控制，且球形度好，氧含量低，无空心，颗粒表面光滑，行星颗粒少，粉末的流动性好。但由于粉末颗粒的细化依赖于等离子旋转电极设备的转速，因此对设备的要求较高，超细粉末不易制取，每批次的材料利用率不高。

由于海绵钛具有良好的延展性和塑形，使得海绵钛难以采用常规的方法进行粉碎，实验室中多采用低温脆破技术来破碎少量海绵钛粉，但是这种破碎方法使得整个球形钛粉的制备工艺成本较高，难以进行产业化应用。海绵钛呈疏松的多孔海绵状，所以表面积很大，比较活泼。由于表面积越大，与空气的接触面越大，所以活性越高，易与水、气体发生反应，极易发生氧化。而以脱氢后的钛粉作为原料粉末，采用射频等离子为热源来进行球形钛粉的制备时，如果原料粉末的粒度能满足要求(足够细)，就可以得到粒度很细的球形钛粉。这种以细钛粉为原料的制备工艺，存在的最大问题就是产品的氧含量高，制备工艺中的增氧无法避免，不能满足注射成型工艺的使用要求，这是由细钛粉在脱氢和破碎过程中粒度减小，表面积增大所致，也是这种以微细钛粉为原料制备球形粉末的工艺不可避免的。同时，这种制备球形粉末的原料采用氢化脱氢工艺得到的，与以海绵钛为起始原料制备球形钛粉的工艺相比较，它增加了氢化、破碎、脱氢，再次破碎的工序，增加工序不仅会影响产品纯度，而且会使生产成本增加，这使得此工艺难以工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种微细球形钛粉末的制备方法。

本发明所采用的技术方案：微细球形钛粉末的制造方法，包括以下具体步骤：

步骤1，将制成棒材或丝材的海绵钛，通过连续供料机将海绵钛送进熔化室中，真空条件下，使用双飞秒脉冲激光器诱导，采用2ns-10ns脉冲间隔，10fs-100fs脉冲宽度，海绵钛加热熔化制得熔液；

步骤2，将步骤1中制得的熔液流倒入中间包中，通过导流管转入雾化室；在真空条件下，通过离心流嘴的惰性气体将钛熔体破碎，再经过拉瓦尔喷嘴进一步破碎，制得微米级的液钛；

步骤3，将步骤2中制得的液钛滴置入充氩介质罐内，凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末，制得微细球形钛粉末。

对熔炼室和雾化室进行预抽真空处理，真空度达到1×10^-4Pa--1×10^-2Pa。

所述的供料机原料进给速率为0.2kg/min-5kg/min。

步骤3中，所述的惰性气体为氩气或氦气，雾化压力为0.5MPa-10MPa，雾化气体流量为20L/S-100L/S。

本发明与现有技术相比具有以下显著优点：1、本发明无需对海绵钛进行破碎，减少了生产工序，节约成本；2、应用双飞秒脉冲激光诱导，飞秒激光能量沉积形状为圆形，形成空间对称的飞秒激光等离子体，且呈轴对称进行喷射，所得到的钛熔体粒度比较均匀，可以快速，高效，纯净地熔炼钛；3、采用离心超声二次雾化方法，通过涡流离心腔的导流作用，其螺旋形的流动轨迹促进了金属液体沿周向的铺展和薄液膜的形成，提高其在整个振动面铺展的均匀性，使初次雾化的粉体粒度较均匀；且第二次经过拉瓦尔喷嘴，由于先缩后扩的结构，保持气流速不发散，把更多的动能转化为破碎能，从而进一步对金属进行充分地破碎，减小雾化金属粉末的粒度，球形度高，氧含量低。

附图说明

图1是本发明微细球形钛粉末的制备方法的设备示意图；

其中，1是金属丝材卷盘；2是连续供料机；3是飞秒激光器；4是中间包；5是双级环缝紧耦合喷嘴；6是真空***；7是粉料收集装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

步骤1，以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材。将金属丝材卷盘1上的海绵钛通过连续供料机2将其送进熔化室中，使用真空***6进行抽真空，并在熔化室中设置两个大功率的飞秒激光器3。采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为2-10ns。在飞秒激光器3中，通过调节飞秒激光***的双折射晶体和棱镜***损耗，改变激光的输出波长，从而将脉冲宽度控制在10-100fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，飞秒激光能量沉积形状为圆形，这样形成了空间对称的飞秒激光等离子体，且等离子体在熔化室中则成轴对称进行喷射的，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化，由于等离子体是呈轴对称进行喷射的，所得到的钛熔体粒度比较均匀。

步骤2，将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包4中，然后通过导流管转入雾化室中。在雾化室内，使用真空***6进行抽真空，然后采用双级环缝紧耦合喷嘴5，第一层采用离心流嘴，熔体以一定流量流经离心流嘴时，通过涡流离心腔的导流作用，使流出的金属液体形成空心锥结构，其螺旋形的流动轨迹加快了金属液体在振动面上的铺展，促进了液体沿周向的铺展和薄液膜的形成，提高了金属液体在整个振动面铺展的均匀性，当振动面的振幅达到一定的峰值时，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。同时采用高频、大功率的压电换能器，可以显著减小雾化金属粉末的粒度。且第二次经过拉瓦尔喷嘴，大大增加了气体的喷出速度，同时由于先缩后扩的结构设计，使气流几乎不会与管道壁接触，保持了气流速的不发散，把更多的动能转化为破碎能，从而进一步对金属进行充分的破碎。

步骤3，将颗粒化的液钛滴置入粉料收集装置7，在充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末，筛分出所要的球形粉末。

实施例1

以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材，通过连续供料机将其送进熔化室，原料进给速率为0.2kg/min，采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为2ns，脉冲宽度10fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化。将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包中，然后通过导流管转入雾化室中，导流管内径为4mm。对雾化室和熔化室进行抽真空处理，真空度达到1×10^-4Pa。然后钛熔体以一定流量流经离心流嘴，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。喷嘴第二层采用拉瓦尔喷嘴结构，初级雾化完成后，雾化介质在拉瓦尔喷嘴的出口处，形成高频激荡的超声波，超声波与初级雾化完成后的熔融液态金属相遇，开始二次雾化，使其雾化为更微小的液滴。雾化压力控制在2-4MPa，雾化气体流量为20L/S。将颗粒化的液钛滴置入充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末。筛分出所要的球形粉末。

制备得到的球形粉末分析结果为：球形率为99％，氧含量为0.09wt％，平均粒度为22μm。

实施例2

以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材，通过连续供料机将其送进熔化室，原料进给速率为5kg/min，采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为10ns，脉冲宽度100fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化。将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包中，然后通过导流管转入雾化室中，导流管内径为5mm。对雾化室和熔化室进行抽真空处理，真空度达到1×10^-2Pa。然后钛熔体以一定流量流经离心流嘴，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。喷嘴第二层采用拉瓦尔喷嘴结构，初级雾化完成后，雾化介质在拉瓦尔喷嘴的出口处，形成高频激荡的超声波，超声波与初级雾化完成后的熔融液态金属相遇，开始二次雾化，使其雾化为更微小的液滴。雾化压力控制在2.5-5MPa，雾化气体流量为100L/S。将颗粒化的液钛滴置入充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末。筛分出所要的球形粉末。

制备得到的球形粉末分析结果为：球形率为99％，氧含量为0.10wt％，平均粒度为14μm。

实施例3

以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材，通过连续供料机将其送进熔化室，原料进给速率为1.5kg/min，采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为4ns，脉冲宽度100fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化。将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包中，然后通过导流管转入雾化室中，导流管内径为4mm。对雾化室和熔化室进行抽真空处理，真空度达到1×10^-3Pa。然后钛熔体以一定流量流经离心流嘴，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。喷嘴第二层采用拉瓦尔喷嘴结构，初级雾化完成后，雾化介质在拉瓦尔喷嘴的出口处，形成高频激荡的超声波，超声波与初级雾化完成后的熔融液态金属相遇，开始二次雾化，使其雾化为更微小的液滴。雾化压力控制在6.5-10MPa，雾化气体流量为40L/S。将颗粒化的液钛滴置入充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末。筛分出所要的球形粉末。

制备得到的球形粉末分析结果为：球形率为99％，氧含量为0.08wt％，平均粒度为7μm。

实施例4

以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材，通过连续供料机将其送进熔化室，原料进给速率为3kg/min，采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为6ns，脉冲宽度85fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化。将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包中，然后通过导流管转入雾化室中，导流管内径为5mm。对雾化室和熔化室进行抽真空处理，真空度达到1×10^-4Pa。然后钛熔体以一定流量流经离心流嘴，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。喷嘴第二层采用拉瓦尔喷嘴结构，初级雾化完成后，雾化介质在拉瓦尔喷嘴的出口处，形成高频激荡的超声波，超声波与初级雾化完成后的熔融液态金属相遇，开始二次雾化，使其雾化为更微小的液滴。雾化压力控制在3.5-7MPa，雾化气体流量为60L/S。将颗粒化的液钛滴置入充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末。筛分出所要的球形粉末。

制备得到的球形粉末分析结果为：球形率为99％，氧含量为0.09wt％，平均粒度为11μm。

实施例5

以海绵钛为原料，将其制成棒材或丝材，通过连续供料机将其送进熔化室，原料进给速率为4kg/min，采用双飞秒脉冲激光诱导，脉冲间隔为8ns，脉冲宽度65fs，激光聚焦在空气中击穿空气产生等离子体，海绵钛棒材或丝材在等离子的作用下加热熔化。将熔液流倒入雾化制粉设备的中间包中，然后通过导流管转入雾化室中，导流管内径为4mm。对雾化室和熔化室进行抽真空处理，真空度达到1×10^-3Pa。然后钛熔体以一定流量流经离心流嘴，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，实现初级雾化。喷嘴第二层采用拉瓦尔喷嘴结构，初级雾化完成后，雾化介质在拉瓦尔喷嘴的出口处，形成高频激荡的超声波，超声波与初级雾化完成后的熔融液态金属相遇，开始二次雾化，使其雾化为更微小的液滴。雾化压力控制在4-8.5MPa，雾化气体流量为80L/S。将颗粒化的液钛滴置入充氩介质罐内使其凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末。筛分出所要的球形粉末。

制备得到的球形粉末分析结果为：球形率为99％，氧含量为0.09wt％，平均粒度为25μm。

Claims (4)

1.一种微细球形钛粉末的制造方法，其特征在于，包括具体步骤如下：

步骤1，将制成棒材或丝材的海绵钛，通过连续供料机将海绵钛送进熔化室中，真空条件下，使用双飞秒脉冲激光器诱导，采用2ns-10ns脉冲间隔，10fs-100fs脉冲宽度，海绵钛加热熔化制得熔液；

步骤2，将步骤1中制得的熔液流倒入中间包中，通过导流管转入雾化室；在真空条件下，通过离心流嘴的惰性气体将钛熔体破碎，再经过拉瓦尔喷嘴进一步破碎，制得微米级的液钛；

步骤3，将步骤2中制得的液钛滴置入充氩介质罐内，凝固冷却至室温，得到钛基粉末，再利用超声振动筛筛分钛基粉末，制得微细球形钛粉末。

2.根据权利要求1所述的微细球形钛粉末的制造方法，其特征在于，步骤1和步骤2中，熔炼室和雾化室进行预抽真空处理，真空度达到1×10^-4Pa--1×10^-2Pa。

3.根据权利要求1所述的微细球形钛粉末的制造方法，其特征在于，步骤2中，供料机原料进给速率为0.2kg/min-5kg/min。

4.根据权利要求1所述的微细球形钛粉末的制造方法，其特征在于，步骤3中，所述的惰性气体为氩气或氦气，雾化压力为0.5MPa-10MPa，雾化气体流量为20L/S-100L/S。