CN1270864A - 高纯气体超声雾化低氧钛及钛合金粉末制备方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明所述的超声气体雾化制备方法是一种由溶化钛金属或钛合金而直接制成钛及钛合金粉末的无坩埚熔炼连续溶化方法,包括原料制棒、溶化、雾散、冷却、筛分级等制备过程,其工艺先进、流程短、生产效率高,溶化时钛不和任何材料接触,可有效地防止产品的外来污染。由该制备方法生产的钛及钛合金粉末为粒度为45～150μm的球形或半球形粉末,产品的氧杂质含量低、流动性好,具有良好的压制成型性能和烧结性能。

Description

高纯气体超声雾化低氧钛及钛合金粉末制备方法及其产品

本发明内容属于粉末冶金工业技术领域，涉及一种用于生产高纯低氧钛及钛合金粉末制品的方法及其产品。

钛及钛合金由于具有质量密度小、比强度高和耐蚀性优异等特点，因而在航天、航空、海洋、生物、石油化工、轻工、热电、医疗器械等诸多领域得到广泛的应用，但长期以来，由于钛材加工生产的工艺复杂、成材率低、生产过程中要产生大量残钛以及用钛材制造设备或零部件不仅要再次产生大量残钛而且加工难度大、耗能耗时多、制造成本高等问题使其难以被更为广泛地普及推广。而粉末冶金工艺技术的优点是可提高材料的利用率，降低加工成本，改善材料性能，尤其是对异型复杂构件的制造有着独特的优势，因此，人们对钛及钛合金粉末冶金工艺技术研究已做了大量的工作并取得了显著成效，所制造的一些性能各异的构件用到了许多方面，例如：飞机机身擎柱、海军声纳反射板、压缩机转子、叶片、导弹用穹顶罩、导弹翼、镜头座螺母、汽车内燃机中的连杆，还有各种用途的过滤器、医用矫形植入材料等。随着国民经济的高速发展，近年来，对钛及钛合金粉末冶金制品的需求正日益增加，但由于钛元素本身所具有的高温活性以及钛粉末中氧、氦、氢、铁、硅等杂质和粉末形状、粒度、组织状况的影响，使得生产高纯度低氧含量钛及钛合金粉末的困难很大(市售钛粉中氧含量最好的只能达到0.2％，一般都在0.25％以上)，从而限制了钛及钛粉末制品在高新技术领域上的应用。目前，生产钛及钛合金粉末的主要有金属热还原法、氢化脱氢法、离心雾化法和气体雾化法。金属热还原法又称钠还原法，这种方法生产的钛粉末价格极便宜，但流动性差且在生产过程中粉末内会混有或残留有NaCl，导致烧结体产生孔洞，因此，近年来钠还原法钛粉末生产已相继中止。氢化脱氢法是利用氢化钛脆性把钛氢化后，通过粉碎、高温真空脱氢制得钛粉末，这种粉末通常叫HDH粉末，其产品粒度范围宽，适于金属模成型和冷压成型等一般的粉末冶金工艺，但其合金制品的机械性能远低于雾化法粉末钛合金和熔锻加工材料的性能，特别是疲劳性能和断裂性能尤甚；另外，该法所获产品中氧、氢、铁、硅、氮、碳等杂质的含量都比较高。离心雾化法又称等离子旋转电极法，简称PREP法，是使用等离子枪将高速旋转的原料溶化并使熔融金属在离心力作用下沿径向飞溅抛出、凝固得到钛粉的方法，这种方法存在的问题是高速转动密封问题限制了转速，电极规格要求严、连续送料性差，造成生产成本高、粉粗、市场面小。气体雾化法属机械制粉法，它是利用高压惰性气体(Ar、N等)直接击碎液态金属或合金液流制得金属或合金粉末的方法，气体雾化法粉末的突出优点是粉末形状为球形，松装密度大、流动性好、含氧量低、拱桥效应好、压坯强度高，被认为是90年代生产优质金属和合金球形粉末的廉价方法，但传统的气体雾化设备都是用坩埚盛装溶化材料，这就存在两个问题：1)坩埚材料问题，包括使用温度有限，不能适应高熔点金属的熔炼，熔炼材料的化学稳定性要求高，尤其是活性金属熔炼时污染、夹杂难控制，致使存在有钨、铜等杂质与钛金属溶化接触的材料污染情况，还有设备使用寿命不长的弱点；2)坩埚熔炼连续生产性和产品质量不易控制的问题。

本发明的目的在于克服现有技术特别是气体雾化技术所存在的不足之处，进而提供一种工艺线路先进、可靠、产品质量易于控制、连续性强、生产效率高并具有显著经济效益的钛及钛合金粉末熔炼法——超声气体雾化制备方法，同时本发明还兼提供一种由该方法制备而成的产品——高纯气体超声雾化低氧钛及钛合金粉末。

本发明所述的超声气体雾化制备方法是一种由溶化钛金属或钛合金而直接制成钛及钛合金粉末的无坩埚熔炼连续溶化方法，属快速凝固雾化法，它包括原料制棒、溶化、雾散(粉化)、冷却、筛分级以及性能检测、成品包装等制备工艺过程，其主要过程如下所述：

原料制棒——根据产品的品位选用原料制成棒材，一般选用高于国标TA2品级的海绵钛或纯钛原料并将其制成直径φ＝16～20mm的圆棒材，或将高于国标TA2品级的海绵钛和/或纯钛原料与合金(如铝钒合金)原料混合后制成直径φ＝16～20mm的圆棒材；

溶化——将制好的钛棒材或钛合金棒材置入内充有氩气的雾化罐中，用功率为80～200KW的超高频感应炉溶化，待罐内温升至超过钛棒或钛合金棒溶化点温度150～300℃后，液态金属粘度系数降低，原料被熔化为液态钛或液态钛合金，有利于其后雾散工序的进行；

雾散——通过涡流式雾化喷嘴喷出总压力为3～8MPa、气体流量为35～70L/S的超声速惰性气体吹击液态钛或液态钛合金，利用气体的惯性和冲击力使液态钛或液态钛合金散开颗粒化；由于在同样压力气流条件下，纯钛要比钛合金更容易雾化，因而纯钛粉末的粒度要小于同样条件下制得的钛合金粉末粒度；

冷却——将颗粒化的钛液滴或钛合金液滴置入充氧介质罐内使其快速凝固冷却至室温，得低氧钛粉末或低氧钛合金粉末；

筛分级——利用振动筛等筛分设备筛分钛或钛合金粉末，筛分出粒度为45～150μm的球形或半球形粉末即为产品。

本发明所述超声气体雾化制备方法的创新特点是使用压制的钛棒或钛合金棒状材料，连续供给、连续溶化，其工艺先进、流程短、采用无接触、无坩埚的连续化溶化方式，生产效率高，溶化时钛不和任何材料接触，可有效地防止产品的外来杂质污染，确保产品质量稳定。由该制备方法生产的钛粉末及钛合金粉末为粒度为45～150μm的球形或半球形粉末，20～500目收得率可达90％以上，其产品的最大特点就是氧杂质含量低，因为在金属材料中控制氧杂质含量是最关键的，尤其是对钛粉末而言，氧杂质含量的增加就意味着其品位的降低。据对实物样品的技术指标检测结果，按该制备法制出的100目纯钛粉末产品的氧含量≤0.1％，钛合金粉末产品的氧含量为0.15～0.20％，均明显由于现有技术产品。由于产品的氧含量低，因而粉末就具有良好的压制成型性能和烧结性能，这也为其后的粉末制品的生产创造了有利条件。另外，球形或半球形超声雾化粉末的组织结构细小、力学性能高、流动性和填充性好、密度均匀、松装密度高、坯件变形小、颗粒细，可适用于注射成型和冷压成型。

实施例1

将国标TA2品级的海绵钛原料制成直径φ＝20mm、长度为3000mm的圆钛棒，将制好的圆钛棒置入内充有氩气介质的雾化罐内，用电力热功率为100KW的超高频感应炉熔化原料，待温升至1850℃时，原料熔化为液态钛，通过涡流式雾化喷嘴喷出总压力为4MPa、气体流量为50L/S的超声速氩气气流吹击液态钛，使液态钛散开颗粒化，将颗粒化的钛液滴置入充氧介质罐内使其凝固冷却至室温，利用振动筛筛分出粒度为45～150μm的球形或半球形钛粉末产品，其产品内所含化学元素成分的重量百分比为：钛——99.7％，氧——0.073％，氢——0.005％，铁—0.06％，氮—0.011％，碳——0.01％，氯——0.06％。

实施例2

将国标TA2品级的海绵钛原料与TiAl+ALV合金熔炼混合后制成直径φ＝20mm、长度为3000mm的圆钛6铝4钒(Ti6A14V)合金棒，将制好的钛合金圆棒置入内充有氩气介质的雾化罐内，用电力热功率为100KW的超高频感应炉熔化原料，待温升至1850℃时，原料熔化为液态钛合金，通过涡流式雾化喷嘴喷出总压力为4MPa、气体流量为50L/S的超声速氩气气流吹击液态钛合金，使液态钛合金散开颗粒化，将颗粒化的钛合金液滴置入充氧介质罐内使其凝固冷却至室温，利用振动筛筛分出粒度为45～150μm的球形或半球形Ti6Al4V粉末产品，其产品内所含化学元素成分的重量百分比值为：铝——5.5～6.8％，钒——3.74～4.09％，铁——0.025～0.039％，硅——0.086～0.12％，氧——0.14～0.18％，氢——0.005～0.014％，氮——0.026～0.038％，碳——0.017～0.037％，其余为钛。

Claims (4)

1、一种用于生产高纯低氧钛粉末的超声气体雾化制备方法，其特征在于具有下述工艺过程：

1.1原料制棒——选用高于国标TA2品级的海绵钛或纯钛原料制成直径φ＝16～20mm的圆棒材；

1.2溶化——将制好的钛棒材置入内充有氩气的雾化罐中，用功率为80～200KW的超高频感应炉溶化，待罐内温升至超过钛熔点温度150～300℃后，原料熔为液态钛；

1.3雾散——通过涡流式雾化喷嘴喷出总压力为3～8MPa、气体流量为35～70L/S的超声速惰性气体吹击液态钛，使液态钛散开颗粒化；

1.4冷却——将颗粒化的钛液滴置入充氧介质罐内使其凝固冷却至室温，得低氧钛粉末；

1.5筛分级——利用振动筛筛分钛粉末，筛分出粒度为45～150μm的球形或半球形粉末即为产品。

2、一种用于生产高纯低氧钛合金粉末的超声气体雾化制备方法，其特征在于具有下述工艺过程：

2.1原料制棒——将高于国标TA2品级的海绵钛或纯钛原料与合金原料混合后制成直径φ＝16～20mm的圆棒材；

2.2溶化——将制好的钛合金棒材置入内充有氩气的雾化罐中，用功率为80～200KW的超高频感应炉溶化，待罐内温升至超过钛合金棒溶熔点温度150～300℃后，原料熔为液态钛合金；

2.3雾散——通过涡流式雾化喷嘴喷出总压力为3～8MPa、气体流量为35～70L/S的超声速惰性气体吹击液态钛合金，使液态钛合金散开颗粒化；

2.4冷却——将颗粒化的钛合金液滴置入充氧介质罐内使其凝固冷却至室温，得低氧钛合金粉末；

2.5筛分级——利用振动筛筛分钛合金粉末，筛分出粒度为45～150μm的球形或半球形粉末即为产品。

3、根据权利要求1所述方法制备的高纯气体超声雾化低氧钛粉末，其特征在于所说的低氧钛粉末为一种粒度为45～150μm的球形或半球形粉末。

4、根据权利要求2所述方法制备的高纯气体超声雾化低氧钛合金粉末，其特征在于所说的低氧钛合金粉末为一种粒度为45～150μm的球形或半球形粉末。