一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，該方法包括以下步驟：（1）選取海綿鈦或氫化鈦或鈦與至少兩種合金元素進行配料；（2）對熔煉室和霧化室進行預抽真空處理，然后充入氬氣或氦氣保護氣體；（3）采用水冷銅坩堝對所述含鈦配料進行熔煉，形成鈦或鈦合金熔體；（4）采用雙層霧化噴嘴對所述鈦或鈦合金熔體進行霧化和氫化制成粉末；（5）所述粉末冷卻后，經旋風分離收集微細球形鈦或鈦合金粉末。
【專利說明】一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高活性金屬粉末制備【技術領域】，特別是提供一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法。
【背景技術】
[0002]鈦或鈦合金因其密度低、比強度高、耐蝕性能好、耐熱性能優(yōu)良、無磁等一系列優(yōu)良性能，廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、生物工程、體育用品及環(huán)保等領域，但由于其加工性能差，制造形狀復雜的制品成本很高，極大地限制了鈦合金在非航空領域的應用。采用粉末冶金近凈成形技術可制備出近成品形狀部件，從而大大降低加工成本，引起科研工作者的極大關注。粉末冶金近凈成形技術要求粉末粒度細小、流動性好、雜質元素和氧含量低、粉末球形度高，而普通鈦合金粉末難于滿足工業(yè)生產要求。
[0003]鈦合金粉末是鈦粉末冶金的基本原料，其生產方法決定了粉末的性能用途。目前，鈦合金粉末的生產方法主要有氫化脫氫法、霧化法、旋轉電極法等。氫化脫氫法(HDH)是國內外工業(yè)上是制備鈦合金粉末的主要方法。其主要工序是將具有韌性的海綿鈦置于一定高溫下，利用鈦的吸氫性能快速地吸收大量氫氣形成脆性的氫化鈦粉末，將其破碎后置于50(T75(TC條件下進行真空脫氫處理，最終得到HDH鈦粉。該方法工藝簡單，易于實現工業(yè)化生產，但生產工藝流程長，破碎過程易引入雜質，且鈦粉形狀不規(guī)則、氧含量高，很難滿足對高質量鈦粉的要求。旋轉電極法制備的鈦合金粉末形狀為規(guī)則的球形、粉末流動性好、氧含量低，但粉末的粒度較粗，生產成本較高。日本的住友硅鈦公司采用氣體霧化法制備微細球形鈦粉，其過程是將細長的海綿鈦棒通過感應加熱熔化，惰性氣體通過噴嘴將熔融的液體霧化成粉，從而制備出微細球形鈦粉。該方法制備的鈦粉的平均粒度為70 μ m~80 μ m，由于熔化的鈦不與坩堝和其它器皿接觸，粉末不被污染，可制取低氧含量的高純鈦粉，但該方法生產效率低、成本較高。因此，提供一種制備微細球形鈦或鈦合金粉的方法是很重要的。
[0004]氣霧化法制備粉末，是利用高壓高速氣流作用于熔融液流，將高速氣體的動能轉化為熔滴的表面能，進而將熔體破碎形成細小液滴并球化冷卻生成粉末。氣霧化制粉具有環(huán)境污染小、工藝簡單、冷卻速度快等優(yōu)點，制備的粉末具有球形度高、氧含量低、成分均勻、晶粒細小、粉末粒度可控等優(yōu)點，氣體霧化技術已成為生產金屬及合金粉末的主要方法之一 O
[0005]本發(fā)明針對微細球形鈦或鈦合金粉末的制備問題，將氣霧化技術與氫化技術相結合，制備出微細球形鈦或鈦合金粉末。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決微細球形鈦或鈦合金粉末的制備及粉末氧化問題，提供一種用于粉末冶金近凈成形技術使用的低氧含量、微細球形鈦或鈦合金粉末的制備方法。本方法工藝簡單、節(jié)約能源、降低生產成本、提高生產效率、可有效控制雜質元素的污染。
[0007]本發(fā)明技術方案綜合惰性氣體霧化制粉技術和氫化技術的特點和優(yōu)勢，通過冷壁坩堝純潔熔煉鈦或鈦合金，降低鈦或鈦合金粉末中雜質元素的引入。同時，采用雙層霧化噴嘴，高純氬氣或氦氣作為霧化介質通過主霧化噴嘴對熔體進行霧化破碎，隨后受二次噴嘴產生的氣流作用，在凝固過程中鈦或鈦合金熔滴在表面形成氫化鈦薄膜，有效防止粉末氧化。同時粉末冷卻過程中充分分散，減少粉末中衛(wèi)星球粉末的產生。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下方式實現，一種微細球形鈦或鈦合金粉末的制備方法。以海綿鈦/氫化鈦或鈦與至少兩種合金元素的配料為原料，通過預抽真空并充入高純惰性氣體進行氣氛保護，防止鈦或鈦合金在熔煉過程中的氧化，熔煉室內氣體壓力為(T0.50MPa ；采用水冷銅坩堝純凈熔煉合金，避免雜質元素的引入，熔煉溫度在155(Tl700°C ;采用雙層霧化噴嘴對熔體進行霧化和鈍化處理，高純氬氣或氦氣作為霧化介質通過緊耦合噴嘴使熔體霧化，霧化壓力控制在0.5~10MPa。氫氣或氫氣和氬氣的混合氣體作為霧化介質，通過二次噴嘴對霧化熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，霧化壓力控制在0.01-1.50MPa，氫氣在通過二次噴嘴強制冷卻過程中與鈦或鈦合金發(fā)生氫化反應，在粉末表面氫化形成氫化鈦薄膜，有效防止粉末的氧化，同時，將粉末充分分散，減少衛(wèi)星球的生成，從而實現微細球形鈦或鈦合金粉的制備。
[0009]一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)選取海綿鈦或氫化鈦或鈦與至少兩種合金元素為原料，按照合金成分設計需要選取元素并進行配料；
[0011](2)對熔煉室和霧化室進行預抽真空處理，真空度達到I X 10^1 X 10_2 Pa，熔煉室和霧化室內充入高純氬氣或氦氣為保護氣體，熔煉室內氣體壓力為(T0.50MPa，避免配料在熔煉過程中及粉末在霧化過程中的氧化；
[0012](3)采用水冷銅坩堝對含鈦配料進行熔煉，形成鈦或鈦合金熔體，熔煉溫度控制在1550~1700°C ；
[0013](4)采用高純氬氣或氦氣作為霧化介質對鈦或鈦合金進行霧化處理。采用雙層霧化噴嘴對熔體進行霧化，霧化氣體通過主霧化噴嘴對合金熔體進行霧化，霧化壓力為
0.5(TlOMPa ;氫氣或氫氣與氬氣的混合氣或含氫元素氣體通過二次噴嘴對霧化液滴進行強制鈍化、冷卻和分散，使得粉末在充分鈍化、冷卻和分散的同時，發(fā)生氫化反應，在粉末表面生成氫化鈦薄膜，有效防止粉末氧化。
[0014](5)粉末冷卻后，經旋風分離收集微細球形鈦或鈦合金粉末。按照不同粒度等級需要進行篩分并真空包裝。
[0015]所述微細球形鈦或鈦合金粉末平均粒徑D50在3~50 μ m,氧含量為8(T500ppm，粉末表面形成幾十納米厚的氫化鈦薄膜，有效降低粉末的氧化。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0017](I)將氣霧化技術與氫化技術相結合，采用水冷銅坩堝熔煉鈦或鈦合金，可有效降低鈦或鈦合金與坩堝的反應，降低雜質元素的引入。工藝簡單、生產效率高、成本低廉。
[0018]( 2 )采用高純氬氣或氦氣通過緊耦合噴嘴進行初級霧化處理。同時，采用氫氣或氫氣與氬氣的混合氣或含氫元素氣體通過主霧化噴嘴下方的二次噴嘴對金屬熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，粉`末在凝固過程中發(fā)生氫化反應，表面形成氫化鈦薄膜，防止粉末的氧化，便于保存。同時，可以有效減少衛(wèi)星球的生成。
[0019](3)制備的微細球形鈦或鈦合金粉末粒度細小，球形度高、流動性好、氧含量低，衛(wèi)星球粉體含量少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明微細球形鈦或鈦合金粉末的制造設備示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明制備的微細球形TCll鈦合金粉末的X射線衍射圖譜；
[0022]圖3是本發(fā)明制備的微細球形TCll鈦合金粉末的掃描電鏡圖。
[0023]圖中I是真空非自耗電極，2是水冷銅坩堝，3是中間包，4是雙層霧化噴嘴，5是真空系統(tǒng)，6是粉末收集器。
【具體實施方式】
[0024]一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，該方法按以下步驟進行:
[0025]首先選取海綿鈦或鈦與至少兩種合金元素為原料，所述合金元素包括Al、V、Zr、Mo和Nb，對霧化爐進行預抽真空處理，真空度達到lX10_4?lX10_2Pa。采用高純氬氣或氦氣為保護氣充滿爐體和霧化室，避免在合金熔煉及霧化過程中粉末的氧化問題。采用水冷銅坩堝對所述配料進行熔煉，降低雜質元素的引入。
[0026]當熔煉溫度達到155(Tl700°C時，采用雙層霧化噴嘴對所述含鈦配料熔體進行霧化制粉。霧化介質為高純氬氣或氦氣，噴嘴的霧化壓力為0.5(TlOMPa。金屬Ti在適宜的溫度范圍35(T680°C，快速地吸收大量氫氣形成脆性的不易氧化的氫化鈦，其反應式為:Ti+H2=TiH2。霧化過程中，米用氫氣或氫氣與IS氣的混合氣或含氫兀素氣體為冷卻介質,通過二次噴嘴對金屬熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，使得鈦或鈦合金液滴在凝固過程中發(fā)生氫化反應，在表面形成氫化鈦薄膜，從而有效降低粉末的氧化。同時，二次噴嘴產生的氣流可減少衛(wèi)星球的生成。圖2提供了制備的高純微細球形鈦合金粉的XRD衍射圖，如圖所示，粉末為單一鈦相的固溶體。圖3提供了本發(fā)明制備的微細球形鈦合金粉末的掃描電鏡圖，如圖所示，制備的球形鈦粉球化率高，球形度好，并且粒度均勻細小，粒度在10?30 μ m左右。
[0027]本發(fā)明的制備方法將惰性氣體霧化制粉技術和氫化技術相結合，采用海綿鈦或氫化鈦或鈦和鈦合金元素為原料，通過水冷銅坩堝熔煉有效降低雜質元素的引入及污染。同時，噴嘴結構采用雙層霧化噴嘴，通過主霧化噴嘴產生的高壓高速的高純氬氣或氦氣使金屬熔體破碎成金屬熔滴，然后氫氣或氫氣與氬氣的混合氣或含氫元素氣體通過二次噴嘴對凝固過程中的熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，粉末在凝固過程中發(fā)生氫化反應，在表面形成氫化鈦薄膜，有效防止粉末的氧化，同時減少衛(wèi)星球的生成，實現微細球形鈦或鈦合金粉末制品技術的突破。
[0028]以下結合附圖以實施例方式進一步說明本發(fā)明，這些實施例僅僅用于說明而非限定本發(fā)明的保護范圍。
[0029]實施例1
[0030]氣霧化法制備平均粒度45 μ m微細球形Ti_6Al_4V合金粉末
[0031]以海綿鈦、鋁和釩為原料，根據TC4 (T1-6A1-4V)合金成分配比進行配料，其中海綿鈦和鋁、釩的純度> 99.9%。對真空室及熔煉爐進行預抽真空處理，真空度為lX10_4Pa，充入高純氬氣進行氣氛保護，防止合金粉末的氧化。采用水冷銅坩堝進行純凈熔煉，熔煉溫度為1650°C，保溫20min后開始霧化。采用雙層霧化噴嘴，高純氬氣為霧化介質通過主噴嘴(緊耦合噴嘴)進行霧化處理，霧化壓力控制在1.5^3.5MPa。氫氣通過二次噴嘴對熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，霧化壓力控制在0.5MPa。通過旋風分離進行粉末收集并對粉末進行篩分和真空包裝。經測試分析可知，微細球形TC4粉的氧含量為280ppm，平均粒度為45 μ m。
[0032]實施例2
[0033]氣霧化法制備平均粒度28 μ m微細球形TCl I合金粉末
[0034]以海綿鈦和鋁、鑰、鋯等為原料，根據TCll (T1-6Al-3.5Mo_l.8Zr)合金進行配料，其中海綿鈦和鋁、鑰、鋯純度> 99.9%。對真空室及熔煉爐進行預抽真空處理，真空度為I X IO-4Pa,充入高純氦氣進行氣氛保護，防止合金粉末的氧化。采用水冷銅坩堝純凈熔煉合金粉末，熔煉溫度為1550°C，保溫60min充分合金化后進行霧化處理。采用雙層霧化噴嘴，高純氦氣為霧化介質通過緊耦合噴嘴進行霧化處理，霧化壓力控制在6.0-7.0MPa0氫氣通過二次噴嘴對熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，霧化壓力控制在0.15MPa。粉末冷卻后進行篩分和真空包裝并進行檢測。測試分析可知，微細球形鈦粉的氧含量為80ppm，平均粒度為28 μ m0
[0035]實施例3:
[0036]氣霧化法制備平均粒度IOym微細球形鈦粉
[0037]以海綿鈦原料，純度> 99.9%。對真空室及熔煉爐進行預抽真空處理，真空度為I X IO-4Pa,充入高純氬氣進行氣氛保護，防止粉末的氧化。采用水冷銅坩堝進行純凈熔煉，熔煉溫度為1700°C，保溫45min后開始霧化。采用雙層霧化噴嘴，高純氬氣為霧化介質通過緊耦合噴嘴進行霧化處理，霧化壓力控制在6.5^9.5MPa。氫氣通過二次噴嘴對熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，霧化·壓力控制在1.5MPa。通過旋風分離進行粉末收集并對粉末進行篩分和真空包裝。經測試分析可知，微細球形鈦粉的氧含量為430ppm，平均粒度為ΙΟμπι。
[0038]實施例4
[0039]氣霧化法制備平均粒度18 μ m微細球形高鈮鈦鋁合金粉末
[0040]以海綿鈦、鋁和鈮為原料，根據高鈮鈦鋁合金(T1-45A1_8.5Nb)合金進行配料，其中海綿鈦和鋁、鈮純度> 99.9%。對真空室及熔煉爐進行預抽真空處理，真空度為I X IO-4Pa,充入高純氬氣進行氣氛保護，防止合金粉末的氧化。采用水冷銅坩堝純凈熔煉合金粉末，熔煉溫度為1680°C，保溫50min充分合金化后進行霧化處理。采用雙層霧化噴嘴，高純氦氣為霧化介質通過緊耦合噴嘴進行霧化處理，霧化壓力控制在3.0-5.5MPa。氫氣通過二次噴嘴對熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，霧化壓力控制在0.05MPa。粉末冷卻后進行篩分和真空包裝并進行檢測。測試分析可知，微細球形鈦合金粉末的氧含量為160ppm，平均粒度為18 μ m。
【權利要求】
1.一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)選取海綿鈦或氫化鈦或鈦與至少兩種合金元素進行配料； (2)對熔煉室和霧化室進行預抽真空處理，然后充入氬氣或氦氣保護氣體； (3)采用水冷銅坩堝對所述含鈦配料進行熔煉，形成合金熔體； (4)采用雙層霧化噴嘴對所述合金熔體進行霧化和氫化制成粉末； (5)所述粉末冷卻后，經旋風分離收集微細球形鈦或鈦合金粉末。
2.根據權利要求1所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述合金元素包括Al、V、Zr、Mo和Nb。
3.根據權利要求1所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，步驟(2)的預抽真空處理，真空度達到1X10_，1X10_2 Pa，熔煉室充入保護氣體后壓力為(T0.50MPa。
4.根據權利要求1所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，步驟(3)中熔煉溫度為155(Tl700°C。
5.根據權利要求1所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，步驟(4)中雙層霧化噴嘴為主霧化噴嘴和其下方安裝的二次噴嘴結構，在主霧化噴嘴中通入氬氣或氦氣，對所述合金熔體進行初級霧化，霧化壓力為0.5(TlOMPa，形成合金熔滴。
6.根據權利要求4所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，步驟(4)中的二次噴嘴中通入氫氣或氫氣與氬氣的混合氣或含氫元素氣體對所述熔滴進行強制鈍化、冷卻和分散，合金熔滴在凝固過程中形成粉末并且發(fā)生氫化反應，在合金粉末表面生成氫化鈦薄膜，該薄膜的厚度為0.05 μm~0.2 μ m。
7.根據權利要求5所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，二次噴嘴內的氣體壓力為0.01~1.50 MPa。
8.根據權利要求1所述微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，其特征在于，高純微細球形鈦或鈦合金粉末氧含量為8(T500ppm，平均粒徑D50為3~50 μ m。
【文檔編號】B22F9/08GK103846447SQ201210520110
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權日:2012年12月6日
【發(fā)明者】趙新明, 盛艷偉, 張永忠, 徐駿, 張少明 申請人:北京有色金屬研究總院