CN114951673A - 一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，包括雾化腔和等离子旋转机构，棒料由驱动夹持部件加持，棒料在等离子旋转机构下雾化，等离子旋转机构包括旋转自耗电极和等离子喷嘴部，旋转自耗电极和等离子喷嘴部相对设置发出电弧粉末雾化。本发明还公开了一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，钛合金棒料沿着轴向高速旋转，以等离子作为热源加热棒料端面，在离心力的作用下，利用大功率非转移弧等离子火焰的数千度高温熔化电极棒端部，瞬时形成10～50μm厚的微区熔化层，金属液滴被甩离并迅速冷却凝固成金属粉末。该工艺中原料为钛丝，并从热等离子火炬发出的射流聚焦点引入，将钛丝一次性熔融与雾化。由于等离子喷嘴营造了一个较长的热场，钛滴可以在热区中获得足够的表面张力进而形成完美球形。

Description

一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备及其工艺
技术领域
本发明涉及一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备。
本发明还涉及一种高频等离子加热钛合金粉末雾化工艺。
背景技术
钛合金具有比强度高、抗腐蚀性好、无磁性、耐高温、生物兼容性好等优点，广泛应用于化工、医药、航空等领域。
制备钛合金粉体工艺有等离子旋转电极工艺，等离子旋转电极雾化法是制备高纯净、高致密的球形粉末材料较为理想的方式之一。但等离子旋转雾化工艺由于受限于电极旋转速度，难以制备 100μm 以下粉末，其产品主要用于激光熔覆沉积技术 LENS，无法真正服务于激光选区熔化金属 3D 打印技术 SLM与电子束熔融金属3D 打印技术EBM。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备及其工艺。
本发明提供如下技术方案：
一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，包括雾化腔和等离子旋转机构，棒料由驱动夹持部件加持，棒料在等离子旋转机构下雾化，等离子旋转机构包括旋转自耗电极和等离子喷嘴部，旋转自耗电极和等离子喷嘴部相对设置发出电弧粉末雾化。
进一步的，等离子喷嘴部包括阴极上盖板、阴极内芯、阴极外芯、陶瓷套、钨极、等离子气体入口，阴极上盖板设置在阴极内芯与阴极外芯上方，阴极内芯与阴极外芯在装配的作用下形成水槽，陶瓷套与阴极外芯形成环缝气道，在钛丝入口处加装陶瓷管，等离子气体入口可通入惰性气体。
进一步的，等离子气体入口为空心环形管。
一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，
包括以下步骤：钛合金棒料沿着轴向高速旋转，选取15000-17000r/min的转速，真空度可达2.5×10-3 -3×10-3 Pa，棒料在氩气的保护下，以等离子作为热源加热棒料端面，在离心力的作用下，利用大功率非转移弧等离子火焰的数千度高温熔化电极棒端部，瞬时形成10～50μm厚的微区熔化层，金属液滴被甩离并迅速冷却凝固成金属粉末。
进一步的，所述电极棒直径55-75㎜。
进一步的，等离子过程中选用圆锥形感应线圈。
进一步的，所得粉末粒径主要分布在50-150μm，所占比例达95%。
进一步的，该粉末中含有含量较高的Si，钛合金中Si的含量在0.6％～0.8％，铝元素含量在7-8.5%，微量的Mo和Sn。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该工艺中，原料为钛丝，并从热等离子火炬发出的射流聚焦点引入，将钛丝一次性熔融与雾化。由于等离子喷嘴营造了一个较长的热场，钛滴可以在热区中获得足够的表面张力进而形成完美球形。等离子雾化工艺粉末品质最高，具有粒径分布均匀、高纯度、高球形度、流动性好、低氧含量、夹杂少、无粘接现象等特点。
附图说明
图1为本发明设备整体示意图。
图2为本发明等离子旋转机构示意图。
图3为本发明等离子喷嘴结构示意图。
图4为本发明粉末形貌图。
图中：100、雾化腔；200、驱动夹持部件；300、棒料；400、等离子旋转机构，401、旋转自耗电极，402、等离子喷嘴部；
1、阴极上盖板，2、阴极内芯，3、阴极外芯，4、陶瓷套，5、钨极，6、水槽，7、环缝气道，8、陶瓷管，9、循环水入口，10、等离子气体入口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，包括雾化腔100和等离子旋转机构400，棒料300由驱动夹持部件200加持，棒料300在等离子旋转机构400下雾化，等离子旋转机构400包括旋转自耗电极401和等离子喷嘴部402，旋转自耗电极401和等离子喷嘴部402相对设置发出电弧粉末雾化。
图3所示，等离子喷嘴部包括阴极上盖板1、阴极内芯2、阴极外芯3、陶瓷套4、钨极5、等离子气体入口10，阴极上盖板1设置在阴极内芯2与阴极外芯3上方。
其中：施加给阴极上盖板1一个垂直向下的压紧力，使喷嘴阴极与阳极可以产生紧密配合。阴极上盖板为等离子体Ar、冷却循环水提供入口及出口位置。阴极内芯2与阴极外芯3在装配的作用下形成水槽6，陶瓷套4与阴极外芯3形成环缝气道7，在氩气进阴极上盖板1后，沿着气孔进入环缝气道 7，为钨极与阳极之间提供等离子气体Ar。
当氩气经环缝出口后与钨极5下方形成显著压力差区域，使一部分氩气向钨极方向流动，当气流流经到钨极下方时气流发生相互碰撞，一部分垂直向下流动，有利于减小液滴的表面张力，另一部分气流垂直向上流动产生回流现象。在钛丝进入喷嘴中，由于钛丝直径与钛丝入口直径相差较大，且钛丝不是绝对垂直向下运动，可能会与阴极进丝内壁接触，发生短路现象。因此，在钛丝入口处加装陶瓷管 8，起着导向与绝缘作用。9 为循环水入口，10 为等离子气体入口，可通入氩气。
等离子气体入口10为空心环形管，在气体压力相同的情况下，进口面积越大，其进口压力越小。
一种高频等离子加热钛合金粉末雾化工艺，包括以下步骤：钛合金棒料沿着轴向高速旋转，选取15000-17000r/min的转速，真空度可达2.5×10-3 -3×10-3 Pa，棒料在氩气的保护下，以等离子作为热源加热棒料端面，在离心力的作用下，利用大功率非转移弧等离子火焰的数千度高温熔化电极棒端部，瞬时形成10～50 μm厚的微区熔化层，金属液滴被甩离并迅速冷却凝固成金属粉末。
选用圆锥形感应线圈，感应线圈熔化特定尺寸钛合金棒材的端部而直接形成液流，全程不接触坩埚，然后通过高速氩气气流进行雾化制粉。
电极棒直径55-75㎜，在电极棒超高速旋转（15000-17000r/min）的条件下，金属液滴离心力逐渐克服金属熔化层的粘滞力，形成液滴并瞬时冷却成球状颗粒。因其属于微区重熔，粉末颗粒继承了多次真空熔炼钛合金电极棒的成分均匀性，颗粒之间几乎不存在明显的成分偏析。
转速增加小颗粒粉末所占比例增加，粉末粒径主要分布在50-150μm，所占比例达95%。粉末球形度好，基本无空心球和卫星球，随着转速增加，小颗粒粉末占比增加。拥有最优异的粉末流动性、球形度、松装密度，突破传统PREP工艺的粗颗粒粉末限制。
图4，粉末呈球形，表面光滑，基本无卫星球存在，具有较好的流动性。可以发现粉末表面以胞状结构为主，基本没有空心球。
该粉末中含有含量较高的Si，钛合金中Si的含量在0.6％～0.8％，
为了最大限度地提高钛合金的高温蠕变性能，同时保证良好的热稳定性，
防止恶化塑性和应力腐蚀性能，铝元素含量在7-8.5%，微量的Mo和Sn。
Si可大幅提高合金的高温抗蠕变性能，Sn能够显著地提高合金的热强性，作为热强钛合金的合金化元素， Sn在提高合金热强性的同时不会影响钛合金的室温塑性。Mo含量的增加能够提高高温钛合金的工艺塑性的同时，合金中硅化物的析出速率也会加快。因此，本合金加入微量Mo：0.45-0.5%和Sn：0.34-0.4%。
该工艺中，原料为钛丝，并从热等离子火炬发出的射流聚焦点引入，将钛丝一次性熔融与雾化。由于等离子喷嘴营造了一个较长的热场，钛滴可以在热区中获得足够的表面张力进而形成完美球形。
等离子雾化工艺粉末品质最高，具有粒径分布均匀、高纯度、高球形度、流动性好、低氧含量、夹杂少、无粘接现象等特点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，其特征在于：包括雾化腔（100）和等离子旋转机构（400），棒料（300）由驱动夹持部件加持（200），棒料（300）在等离子旋转机构（400）下雾化，等离子旋转机构（400）包括旋转自耗电极（441）和等离子喷嘴部（442），旋转自耗电极（442）和等离子喷嘴部（443）相对设置发出电弧粉末雾化。
2.根据权利要求1所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，其特征在于：等离子喷嘴部包括阴极上盖板（1）、阴极内芯（2）、阴极外芯（3）、陶瓷套（4）、钨极（5）、等离子气体入口（10），阴极上盖板（1）设置在阴极内芯（2）与阴极外芯（3）上方，阴极内芯（2）与阴极外芯（3）在装配的作用下形成水槽（6），陶瓷套（4）与阴极外芯（3）形成环缝气道（7），在钛丝入口处加装陶瓷管（8），等离子气体入口（10）可通入惰性气体。
3.根据权利要求1所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备，其特征在于：等离子气体入口（10）为空心环形管。
4.一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，其特征在于：
包括以下步骤：钛合金棒料沿着轴向高速旋转，选取15000-17000r/min的转速，真空度可达2.5×10-3 -3×10-3 Pa，棒料在氩气的保护下，以等离子作为热源加热棒料端面，在离心力的作用下，利用大功率非转移弧等离子火焰的数千度高温熔化电极棒端部，瞬时形成10～50 μm厚的微区熔化层，金属液滴被甩离并迅速冷却凝固成金属粉末。
5.根据权利要求4所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，其特征在于：所述电极棒直径55-75㎜。
6.根据权利要求4所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，其特征在于：等离子过程中选用圆锥形感应线圈。
7.根据权利要求4所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，其特征在于：所得粉末粒径主要分布在50-150μm，所占比例达95%。
8.根据权利要求4所述的一种高频等离子加热钛合金粉末雾化装备工艺，其特征在于：该粉末中含有含量较高的Si，钛合金中Si的含量在0.6％～0.8％，铝元素含量在7-8.5%，微量的Mo和Sn。
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