CN109877343A

CN109877343A - 一种适用于3d打印的高品质球形钛粉的制备方法

Info

Publication number: CN109877343A
Application number: CN201910272508.XA
Authority: CN
Inventors: 张亚娟; 宋晓艳; 聂祚仁
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2019-06-14

Abstract

一种适用于3D打印的高品质球形钛粉的制备方法，属于金属粉末制备技术领域。采用平均粒径为1.5～2μm的高纯金属氢化钛微米粉末为初始粉末，然后对氢化钛微米粉末进行团聚造粒和热处理，得到具有较高球形度和一定结合强度的细颗粒微米级钛粉末；最后对得到的微米级钛粉末进行射频等离子球化，获得高纯度、全致密和高流动性满足3D打印要求的细颗粒球形纯钛粉末。本发明金属钛粉末颗粒具有高纯度、全致密性和高流动性，且粒径可控性强；采用微米级氢化钛粉末可显著提高造粒粉末颗粒的致密度，且大大降低生产成本；通过射频等离子球化技术，可明显提高最终制备钛粉末的纯度、颗粒致密性和流动性。

Description

一种适用于3D打印的高品质球形钛粉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于3D打印的高纯度、全致密、高流动性的高品质细颗粒球形钛粉的制备方法，属于金属粉末制备技术领域。

背景技术

金属钛以其低密度、高比强度、高耐腐蚀性和良好的生物相容性，在航空航天、化工、石油工业和生物医学等领域得到了广泛的应用。近年来，随着3D打印技术的飞速发展，能够有效缩短生产周期，制造出传统方法难以生产出的复杂形状零件，研究和开发适用于3D打印的高质量球形Ti粉末制备技术，获取高性能金属打印件，引起了国内外研究学者对该领域的兴趣。然而，纯钛具有高的化学活性，在3D打印成形过程中，氧的存在会降低熔体的润湿性，且含有亲氧性元素的材料(如Fe、Cr等元素)通常均无法实现成形零件全致密化，因此其成分纯度的控制是钛粉制备过程中的技术难点。另一方面，由于激光穿透深度较浅，当粉末密度或流动性较低时，粉末床的密度较低，导热性能较差，激光能量难以向粉层内部传递，在表面积聚到一定程度则会引起粉末飞溅，增大了对激光器的干扰，并使粉层上下表面温度梯度显著增大，下层粉末颗粒熔化不完全，层间结合较差，从而降低了成形件的致密度。因此高纯度、高致密度和高流动性细颗粒球形钛粉的制备是制约3D打印钛及钛合金产品推广与应用的瓶颈要素之一。

气雾化法是制备钛粉的主流技术，通过高压气流将金属熔体破碎干燥获得尺寸较小的粉末颗粒。但是，此方法在高强气流作用下，易形成卫星球、空心球等严重影响粉末的致密度；且制备粉末颗粒尺寸呈正态分布且小尺寸颗粒(<50μm)的收得率较低。射频等离子球化法是另一种常用高球形度粉末的制备方法，但该方法中粉末颗粒熔化和冷却的速度快，对粉末粒径的调控具有一定局限性。专利号为201510159503.8的发明专利公布了一种3D打印用细颗粒球形钛粉的制备方法，可以制备得到具有优良球形度和低氧含量的纯钛金属粉末。该方法的不足之处在于初始纳米氢化钛粉末的比表面积大，表面吸附气体含量较多，且热处理后纳米粉末体积收缩较大，最终制备得到钛粉松装密度较低；从制备效率的角度，纳米粉末制备效率较低，造成生产成本较高。因此，目前紧迫需求高纯度、高致密性和高流动性即高品质的3D打印用细颗粒金属钛粉末的制备新方法。

发明内容

针对上述领域背景，为了解决现有技术的局限，本发明提供一种适用于3D打印技术的高纯度、全致密细颗粒球形钛粉的制备方法。

本发明提供的制备方法的工艺流程和原理是：采用平均粒径为1.5～2μm的高纯金属氢化钛微米粉末为初始粉末，然后对氢化钛微米粉末进行团聚造粒和热处理，得到具有较高球形度和一定结合强度的细颗粒微米级钛粉末；最后对得到的微米级钛粉末进行射频等离子球化，获得高纯度、全致密和高流动性满足3D打印要求的细颗粒球形纯钛粉末。本方法与其他工艺方法相比，金属钛粉末颗粒具有高纯度、全致密性和高流动性，且粒径可控性强；采用微米级氢化钛粉末可显著提高造粒粉末颗粒的致密度，且大大降低生产成本；通过射频等离子球化技术，可明显提高最终制备钛粉末的纯度和颗粒致密性，对获得表面光滑、组织结构致密的高质量打印件具有非常重要的意义。

本发明提供的一种适用于3D打印的高纯度、全致密的球形钛粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将氢化钛粉末与聚乙二醇和去离子水混合球磨2～3h得到稳定料浆，对其进行离心喷雾干燥，通过调节雾化盘转速，获得粒径在50μm以下的球形氢化钛颗粒，其中原料氢化钛粉末的平均粒径在1.5～2μm范围内，料浆中氢化钛粉末的质量百分含量为60～65％，聚乙二醇为氢化钛粉末质量的2.5～3.5％，雾化盘转速为15000～16000rpm；

(2)使用真空脱蜡烧结一体炉对步骤(1)获得的球形氢化钛颗粒进行热处理，采用阶段式热处理进行脱胶、脱氢和致密化固结；第一阶段在真空环境中完成脱胶，在300℃保温50～60min；第二阶段在真空环境中，在900～950℃保温90～120min，进行一步氢化钛分解和致密化固结，最后得到具有较高球形度和一定结合强度的细颗粒微米级球形钛粉末；

(3)使用射频等离子球化技术对步骤(2)获得的细颗粒微米级球形钛粉末进行等离子球化，采用纯度不低于99.9％的氩气作为中心气体，电离形成稳定的高温惰性气体等离子体，其气流量优选为1.0～2.0m³/h；采用纯度不低于99.9％的氮气作为运载气体，将原料粉送入等离子炬中，气流量优选为0.7～1.0m³/h；采用纯度不低于99.9％的氮气作为冷却气体，将熔体冷却凝固成球形粉末，气流量优选为0.7～5m³/h；细颗粒微米级球形钛粉末进料速率为2～10g/min。

所述真空环境优选真空度不低于10^-4Pa的环境。

本发明方法的技术特色和优势主要有：(1)以纯净氢化钛粉末为初始材料配制悬浮溶液料浆，初始粉末平均粒径在1.5～2μm范围内，与使用纳米粉进行造粒的工艺相比，大大降低了生产成本、提高了生产效率，并减少了造粒粉末中的杂质气体含量；(2)采用结构更稳定的聚乙二醇和去离子水结合球磨工艺易于制备得到稳定均匀的料浆，在真空环境中，一步完成氢化钛分解和致密化固结，氢化钛粉末颗粒易于完全分解获得纯钛粉末，并大大缩短了制备周期；(3)采用等离子球化技术，金属钛粉颗粒发生迅速熔化和快速冷却，易于得到表面光滑且组织结构均匀的球形颗粒，低熔点杂质元素和小尺寸颗粒易于汽化消失，从而大大提高了最终制备钛粉的流动性、纯度和致密度。

附图说明

图1本发明实施例1制备的造粒钛粉末的形貌和单个颗粒表面形貌：其中a为造粒得到微米级球形氢化钛粉末的扫描电镜形貌图，b为造粒氢化钛粉热处理后得到单个钛粉末颗粒的扫描电镜形貌图。

图2本发明实施例1最终制备得到的单个球形钛粉末的形貌。

图3本发明实施例2最终制备得到的球形钛粉末的形貌和粒径分布：其中a为制备钛粉末的扫描电镜形貌图，b为制备钛粉末颗粒的粒径分布统计结果。

图4本发明实施例2最终制备得到的金属钛粉末的二维截面组织结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

表1本发明实施例1和实施例2制备得到的金属钛粉末颗粒的成分、致密度和流动性检测结果。

其中金属粉末的流动性和松装密度使用霍尔流速计，根据ASTM B213-03和ASTMB212-99标准测定。

以下所述的真空为10^-4Pa的真空环境。

实施例1、将平均粒径为1.5μm的纯氢化钛粉末原料与3.5％氢化钛粉质量的聚乙二醇、去离子水配制成氢化钛粉末含量为60％的悬浊液料浆，球磨2h得到均匀稳定的悬浊液料浆，利用离心雾化干燥设备进行团聚造粒，采用15000rpm的雾化盘转速进行造粒，获得具有高球形度，粒径小于50μm的氢化钛颗粒；采用真空脱蜡烧结一体炉对造粒后的氢化钛粉末进行热处理，第一阶段采用真空环境，热处理温度为300℃，保温时间50min；第二阶段采用真空环境，热处理温度900℃，保温时间120min，得到具有较高球形度和一定结合强度的细颗粒微米级钛粉末；利用射频等离子球化技术，采用纯度为99.9％的氩气作为中心气体，气流量为1.0m³/h，纯度为99.9％的氮气作为运载气体、气流量为0.7m³/h，纯度为99.9％的氮气作为冷却气体，气流量为1m³/h，粉末进料速率为2g/min时，制备得到具有高纯度、全致密和高流动性的细颗粒钛粉。制备得到造粒钛粉的显微形貌图和粒径分布统计图如图1，最终制备得到的金属钛粉末的二维截面组织结构图如图3，其成分和致密度检测结果比较见表1。

实施例2、将平均粒径为1.5μm的纯氢化钛粉末原料与2.5％氢化钛粉质量的聚乙二醇、去离子水配制成氢化钛粉末含量为65％悬浊液料浆，球磨3h得到均匀稳定的悬浊液料浆，利用离心雾化干燥设备进行团聚造粒，采用16000rpm的雾化盘转速进行造粒，获得具有高球形度，粒径小于50μm的氢化钛颗粒；采用真空脱蜡烧结一体炉对造粒后的氢化钛粉末进行热处理，第一阶段采用真空环境，热处理温度为300℃，保温时间60min；第二阶段采用真空环境，热处理温度950℃，保温时间90min，得到具有较高球形度和一定结合强度的细颗粒微米级钛粉末；利用射频峰离子球化技术，采用纯度为99.9％的氩气作为中心气体，气流量为2.0m³/h，纯度为99.9％的氮气作为运载气体，气流量为1.0m³/h，纯度为99.9％的氮气作为冷却气体，气流量为5m³/h，粉末进料速率为10g/min时，制备得到具有高纯度、全致密和高流动性的细颗粒钛粉。制备得到钛粉的显微形貌图和粒径分布统计图如图2，其成分和致密度检测结果比较见表1。

表1本发明实施例1和实施例2制备得到的钛粉末的成分和致密度

Claims

1.一种适用于3D打印的高纯度、全致密细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将氢化钛粉末与聚乙二醇和去离子水混合球磨2～3h得到稳定料浆，对其进行离心喷雾干燥，通过调节雾化盘转速，获得粒径在50μm以下的球形氢化钛颗粒，其中原料氢化钛粉末的平均粒径在1.5～2μm范围内，料浆中氢化钛粉末的质量百分含量为60～65％，聚乙二醇为氢化钛粉末质量的2.5～3.5％；

(3)使用射频等离子球化技术对步骤(2)获得的细颗粒微米级球形钛粉进行等离子球化，采用纯度不低于99.9％的氩气作为中心气体，电离形成稳定的高温惰性气体等离子体；采用纯度不低于99.9％的氮气作为运载气体，将原料粉送入等离子炬中；采用纯度不低于99.9％的氮气作为冷却气体，将熔体冷却凝固成球形粉末。

2.按照权利要求1所述的一种适用于3D打印的高纯度、全致密细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)雾化盘转速为15000～16000rpm。

3.按照权利要求1所述的一种适用于3D打印的高纯度、全致密细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在于，氩气流量为1.0～2.0m³/h，运载气体流量优选为0.7～1.0m³/h，冷却气体流量优选为0.7～5m³/h，细颗粒微米级球形钛粉进料速率为2～10g/min。

4.按照权利要求1所述的一种适用于3D打印的高纯度、全致密细颗粒球形钛粉的制备方法，其特征在于，所述真空环境优选真空度不低于10^-4Pa的环境。