CN114309629A - 一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，包括以下步骤：S1,将吸氢后的储氢金属或其合金颗粒流化，后与惰性气体形成气固两相流；S2,利用形成的气固两相流对储氢金属溶体或其合金溶体冲击雾化，且气固两相流中的固相冲入储氢金属溶体或其合金溶体内脱氢爆碎；S3，将脱氢爆碎后的微细熔滴在惰性气体中冷却，来获得微细储氢金属或其合金球形粉体；且气固两相流中的固相成分与储氢金属溶体或其合金溶体成分相同；本发明与现有技术相比，得到的球形粉体粒度细小、球化率高，且不脏化粉末，简化了工艺流程。

Description

一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法

技术领域

本发明涉及粉末材料制备技术领域，具体涉及一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法。

背景技术

作为第三次产业革命的标志技术之一，增材制造技术已在全球制造业领域产生了重大的影响。微细金属球形粉体是金属增材制造产业链的物质基础，也是最大的价值所在，其成本及性能成为制约该产业快速健康发展的瓶颈之一。增材制造用金属粉体需要满足高纯度、高球形度、细粒径和窄的粒径分布等要求。因此，微细球形金属粉体的制备技术及工艺的创新，已成为国内外研究的热点。

雾化法是制备球形金属粉体最为成熟且应用广泛的方法。该方法是利用快速运动的流体(雾化介质)冲击金属熔体，使流体的动能转化为熔体表面能，将金属或合金熔体破碎为细小液滴，液滴迅速冷凝为固体粉末的制取方法。雾化法制备得到的金属粉体在球形度和流动性方面均已达到很好的效果，在钛合金等活性材料粉体制备领域得到了广泛的应用。但在实际生产过程中,雾化法的主要缺点在于15-53μm的细粉收得率低，特别是在钛合金粉体制备方面，细粉收得率一般不超过25％，产能亟待进一步提升。

为了解决此问题，提高细粉收得率，一些研究人员考虑从雾化介质的选择上进行改进而提出新的雾化技术，比如气固两相雾化技术。气固两相雾化技术是在雾化过程中改变雾化介质组成，即在雾化气体中加入固体颗粒，形成固气两相流，对熔体进行充分破碎，以获得微细金属粉体的一种新型雾化方式。

例如：申请号为CN01106868.X的专利文件中公开了一种液体金属与合金的固体雾化方法，采用含有高浓度可溶性固体介质颗粒的高速气流对液体金属或合金进行雾化，通过水洗、过滤和干燥将固体颗粒与金属粉末分离。该发明特别指出，固相介质应采用易于和粉末分离并且不脏化粉末，具有比较高的热容量和导热系数的固体颗粒为介质，如NaCl，KCl，尿素以及其它能够溶于水的有机物或无机物，并采用压缩空气或高压惰性气体，如氮气，作为固体雾化介质颗粒的载体气流。然而该方法所采用的气固两相流，无论是固相(如NaCl，KCl，尿素以及其它能够溶于水的有机物或无机物)，还是气相(压缩空气或高压氮气)，均不适用于高活性的储氢金属及合金(如钛、锆及其合金)粉体的雾化，存在脏化粉末的问题。

另外，在苏斌的采用《固气两相流雾化制备微细不锈钢粉末工艺研究》中提出，采用同种雾化技术，即采用与被雾化的合金成分相同的粉末作为固体介质,对熔融的金属在固气两相流的作用下进行破碎。该方法的优点在于同种成分固体介质不脏化粉末，且用于雾化的固相介质可以进行循环利用。该方法的缺点在于相对于固体盐雾化粉末，同种雾化技术所得粉末粒度偏大,且需要对制得的不锈钢粉体进行二次筛分分离粗颗粒，增加了工作量。最后同种雾化技术尚未有应用于高活性储氢金属或其合金领域的实例。

综上所述，现有的气固两相雾化方法无法应用于以钛及钛合金为代表的高活性金属及其合金球形粉体的制备，未能实现细粉收得率的显著提升，且工艺流程相对于传统气雾化更为繁琐。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明的目的在于提供一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，以解决现有技术中，现有的气固两相雾化方法无法应用于以钛及钛合金为代表的高活性金属及其合金球形粉体的制备，未能实现细粉收得率的显著提升，且工艺流程相对比较繁琐的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，包括以下步骤：

S1,将吸氢后的储氢金属或其合金颗粒流化，后与惰性气体形成气固两相流；

S2,利用形成的气固两相流对储氢金属溶体或其合金溶体冲击雾化，且气固两相流中的固相冲入储氢金属溶体或其合金溶体内脱氢爆碎；

S3，将脱氢爆碎后的微细熔滴在惰性气体中冷却，来获得微细储氢金属或其合金球形粉体；

且气固两相流中的固相成分与储氢金属溶体或其合金溶体成分相同。

进一步，所述气固两相流中的固相是经氢化、破碎后制得，且其粒度范围为10μm～1000μm。

进一步，所述气固两相流中的固相粒度范围为100μm～300μm。

进一步，所述储氢金属为可形成金属配位氢化物的金属单质，金属单质包括钛、钒、铌或锆。

进一步，所述储氢金属合金为A_xB_y型储氢合金，包括钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金或稀土系储氢合金。

进一步，所述储氢金属溶体的过热度为相应金属熔点以上150K～200K，储氢金属合金溶体的过热度为相应金属合金熔点以上100K～120K。

进一步，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。

进一步，所述惰性气体为氩气。

进一步，所述气固两相流的温度为100℃～150℃。

进一步，所述S2步骤中，单位时间内下落的熔体液流质量与气固两相流中固相粒子质量比为1:0.1～3。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)相比于传统的气雾化技术，本发明中的气固两相流具有更高的动能，提高了能量转化率与雾化破碎效率，制备出球形粉末粒度更为细小，15～53μm粒度范围的细粉收得率达到80％以上；

(2)本发明中的气固两相流中的气相为惰性气体，固相与所雾化的储氢金属溶体或其合金溶体成分相同，则不存在脏化最终产品的弊端；

(3)吸氢储氢金属或其合金颗粒在熔体高温作用下会爆碎细化，得到产物粉体无需再次筛分进行分离，简化了制粉操作流程；

(4)气固两相流中的固相在冲击熔体过程中会受热分解爆碎同时释放气体，这种爆碎现象一方面使气固两相流中固相粒子的粒度减小，另一方面也可以促进熔体发生进一步的雾化破碎，得到更为细微的熔滴。两种因素均有利于微细粉体比例的提高。

附图说明

图1为本发明中吸氢储氢金属或其合金气固两相雾化原理图；

图2为本发明中实施例1中制备的微细球形Ti粉示意图；

图3为本发明中实施例2中制备的微细球形Ti-6Al-4V粉示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，包括以下步骤：

1、选取高纯度储氢金属或其合金(其合金在本申请中指代的是储氢金属合金)为原料，其中储氢金属为可形成金属配位氢化物的钛、钒、铌、锆等金属单质；储氢金属合金为A_xB_y型储氢合金，可以为AB₅型、AB型、AB₂型或A₂B型的储氢合金，具体可以是钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金或稀土系储氢合金。储氢金属或其合金的纯度以质量分数计≥99.99％；

2、将储氢金属或其合金在高纯氢气气氛下进行高温氢化，得到吸氢储氢金属或其合金；

3、在高纯氩气气氛下，将氢化后的储氢金属或其合金进行破碎，破碎后的颗粒粒度范围为10～1000μm，优选为100μm～300μm；

4、采用高温惰性气体，可以是氮气、氩气或氦气，优选为氩气；将破碎后的储氢金属或其合金颗粒流化，形成温度为100℃～150℃气固两相流；

5、采用电弧熔炼或者感应熔炼的方法将储氢金属或其合金熔化形成熔体，储氢金属熔体的过热度为相应金属熔点以上120K～150K，储氢金属合金熔体的过热度为相应金属合金熔点以上100K～120K；

6、将储氢金属熔体或其金属合金熔体注入雾化室，利用高温的气固两相流冲击熔体液流，气固两相流动态压力为0.5MPa～3.0MPa，单位时间内所雾化的熔体液流质量与气固两相流中固相粒子质量比为1:0.1～3；

7、熔体液流在惰性气体以及吸氢固相颗粒的共同冲击作用下发生破碎，气固两相流在依靠自身动能雾化熔体的同时，吸氢固相颗粒在气流的带动下会直接冲入熔体内部，在熔体高温的作用下急速脱氢爆碎，将包裹或附着于颗粒上的熔体进一步撕碎，形成更为微细的熔滴。吸氢固相颗粒也在爆碎的同时脱除自身含有的氢元素，形成了更为微细的粉体，被粘附于其上的熔体包裹形成球形；

8、雾化及爆碎得到的球形熔滴在惰性气氛下冷却形成微细球形储氢金属或其合金粉体，同时微细球形粉体在15-53μm范围内的的细粉收得率可以达到80％以上。

本发明以储氢金属或其合金为原料，利用将吸氢储氢金属或其合金颗粒与高温惰性气体混合加速形成高温的气固两相流，对储氢金属或其合金熔体进行冲击，既实现了熔体的高效雾化，又实现了吸氢储氢金属或其合金的脱氢细化，所收集到的最终产品细粉收得率达到80％以上，且不存在脏化最终产品的问题。

实施例1

采用本气固两相雾化方法制备纯钛球形粉体

(1)、以纯度≥99.99(wt％)的海绵钛为原料，使用纯度≥99.995(wt％)氢气对海绵钛渗氢，得到氢化钛，并在氩气气氛下破碎至粒度为50μm～200μm；

(2)以纯度≥99.99(wt％)的海绵钛为原料，采用电弧熔炼的方法将海绵钛熔化为钛熔体，熔体温度1810±10℃；

(3)利用高温氩气对氢化钛颗粒进行流化，得到含氢化钛颗粒的气固两相流，气固两相流的温度为120℃；

(4)将气固两相流加压至1.2MPa，后对钛熔体进行雾化，单位时间内落入雾化室的钛熔体液流质量与气固两相流中的固相粒子(氢化钛)质量比为1:1；

(5)钛熔体液流在氩气以及氢化钛颗粒的共同冲击作用下发生破碎，由氩气和氢化钛组成的两相流在依靠自身动能雾化熔体的同时，氢化钛固相颗粒在氩气流的带动下会直接冲入钛熔体内部，在钛熔体高温的作用下急速脱氢爆碎，将包裹或附着于氢化钛颗粒上的钛熔体进一步撕碎，形成更为微细的钛熔滴；氢化钛颗粒也在爆碎的同时脱除自身含有的氢元素，形成了更为微细的钛粉体，被粘附于其上的钛熔体包裹形成球形；

(6)雾化及爆碎得到的球形钛熔滴在氩气惰性气氛下冷却形成微细球形钛粉，所述微细球形粉体在15-53μm范围内的的细粉收得率达到83％。

实施例2

采用本气固两相雾化方法制备Ti-6Al-4V球形粉体

(1)、以纯度≥99.99(wt％)的Ti-6Al-4V为原料，使用纯度≥99.995(wt％)氢气对Ti-6Al-4V渗氢，得到氢化Ti-6Al-4V，并在氩气气氛下破碎至粒度150μm～500μm；

(2)以纯度≥99.99(wt％)的Ti-6Al-4V棒材为原料，采用感应熔炼的方法将Ti-6Al-4V熔化为熔体，熔体温度1780±10℃；

(3)利用高温氩气对氢化Ti-6Al-4V颗粒进行流化，得到含氢化Ti-6Al-4V颗粒的气固两相流，气固两相流的温度为125℃；

(4)将气固两相流加压至1.5MPa，后对Ti-6Al-4V熔体进行雾化，单位时间内落入雾化室的Ti-6Al-4V熔体液流质量与气固两相流中的固相粒子(Ti-6Al-4V钛)质量比为1:1.5；

(5)Ti-6Al-4V熔体液流在氩气以及氢化Ti-6Al-4V颗粒的共同冲击作用下发生破碎，由氩气和氢化Ti-6Al-4V组成的两相流在依靠自身动能雾化熔体的同时，氢化Ti-6Al-4V固相颗粒在氩气流的带动下会直接冲入Ti-6Al-4V熔体内部，在Ti-6Al-4V熔体高温的作用下急速脱氢爆碎，将包裹或附着于氢化Ti-6Al-4V颗粒上的Ti-6Al-4V熔体进一步撕碎，形成更为微细的Ti-6Al-4V熔滴；氢化Ti-6Al-4V颗粒也在爆碎的同时脱除自身含有的氢元素，形成了更为微细的Ti-6Al-4V粉体，被粘附于其上的Ti-6Al-4V熔体包裹形成球形；

(6)雾化及爆碎得到的球形Ti-6Al-4V熔滴在氩气惰性气氛下冷却形成微细球形Ti-6Al-4V粉，所述微细球形粉体在15-53μm范围内的的细粉收得率达到85％。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1,将吸氢后的储氢金属或其合金颗粒流化，后与惰性气体形成气固两相流；

S2,利用形成的气固两相流对储氢金属溶体或其合金溶体冲击雾化，且气固两相流中的固相冲入储氢金属溶体或其合金溶体内脱氢爆碎；

S3，将脱氢爆碎后的微细熔滴在惰性气体中冷却，来获得微细储氢金属或其合金球形粉体；

且气固两相流中的固相成分与储氢金属溶体或其合金溶体成分相同。

2.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述气固两相流中的固相是经氢化、破碎后制得，且其粒度范围为10μm～1000μm。

3.根据权利要求2所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述气固两相流中的固相粒度范围为100μm～300μm。

4.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述储氢金属为可形成金属配位氢化物的金属单质，金属单质包括钛、钒、铌或锆。

5.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述储氢金属合金为A_xB_y型储氢合金，包括钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金或稀土系储氢合金。

6.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述储氢金属溶体的过热度为相应金属熔点以上150K～200K，储氢金属合金溶体的过热度为相应金属合金熔点以上100K～120K。

7.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。

8.根据权利要求7所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。

9.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述气固两相流的温度为100℃～150℃。

10.根据权利要求1所述的一种微细球形储氢金属或其合金粉体的气固两相雾化方法，其特征在于：所述S2步骤中，单位时间内下落的熔体液流质量与气固两相流中固相粒子质量比为1:0.1～3。

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