[发明专利]用于制造球形钛和钛合金粉末的低成本方法

说明书

背景技术

金属粉末提供了用于制造组分的多种应用。金属粉末特别地用于烧结方法以及近净成形快速制造的熔融方法中的进料。金属粉末理想地为提供良好的流动性和包装密度的球形形态。钢和许多其它的金属粉末被广泛用于制造低成本组分。长久以来一直在寻求利用钛合金粉末来制造组分，但主要由于钛粉末成本偏高而没有被广泛地利用。在2010至2011年间，球形钛粉末的成本为$150/lb成本范围。在如此高成本的情况下，仅对成本很不敏感的应用利用球形钛粉末来制造组分产品被实施。

球形钛粉末的成本偏高大部分是因为用以由海绵体来制造合金钛锭、并且随后通过使用数种方法中的一种来熔化产物球形钛粉末的传统方法成本较高。顶尖水准的钛方法为非常大规模的和批量分离的操作。典型地，Kroll海绵体方法在大的曲颈瓶中实施，在数天的操作下制造约10吨的批料，其通过在曲颈瓶中将TiCl₄添加至熔融的镁中，并从曲颈瓶排出所获得的熔融MgCl₂，随后进行一周或数周的真空蒸发以移除残留的MgCl₂和未反应的Mg。真空提纯的海绵体随后在非常大的凝壳炉中熔融，热量通过电子束或等离子体来供给。合金元素随后可被添加至大吨尺寸的熔体以制造所期望的合金组分，例如Ti-6Al-4V，其随后被铸成锭。通常会进行三重熔融以获得均一的合金。因此，钛锭价格呈周期性的，其也会影响球形钛粉末的高成本。

发明内容

本发明提供了用于制造低成本球形钛粉末的方法。在本发明的一个方面中，钛海绵体被输送至等离子体加热系统，在其中还输送有所期望合金金属的预合金粉末，例如铝和钒，或者单独输送的铝和钒粉末可以被单独地输送至等离子体工作站，它们会通过等离子体熔融以连续的方式来制造均一合金、例如Ti-6Al-4V的熔池或者熔体流。熔融合金组合物通过将惰性气体流在可控条件下冲击穿过所述池表面或者经过所述流，以基于冷却来爆破熔体合金的小滴，制造球形钛合金粉末，例如Ti-6Al-4V。成本显著节约。钛海绵体的成本呈周期性的，其价格在2010-2011年间为$3至$10/lb，典型地为$4至$6/lb。用以操作等离子体在可控的池尺寸内熔融钛合金并产生球形粉末的成本范围为约$1-$2/lb，其提供了用以由典型的$10-$15/lb范围的海绵体来源来制造球形Ti-6Al-4V粉末的基础，其相对于传统方法制造球形钛粉末的成本（正如上文，其成本范围为$150/lb）有显著节约。

在本发明的另一个方面中，电解产生的钛在惰性气氛或者被加热至800-1600℃的真空下被输送至等离子体加热的蒸发器，其快速地蒸发被返回至电解池的熔盐电解质，并且所保留的钛被输送至将额外的热量供给至熔体和合金的等离子体加热工作站，类似于上述以均一的球形合金粉末进料的海绵体的钛由等离子体加热工作站通过在可控条件下将惰性气体流冲击在熔体上，进而分散所述熔体以基于冷却来爆破熔体合金的小滴产生钛合金球形粉末而制造。再一次地，显著节约成本。电解钛可以以最终成本为约$1.50-$2.50/lb来制造，其为制造$10/lb以下的均一球形钛合金粉末提供了基础。用于将盐电解钛流从约500℃提高至超过900℃以快速地闪蒸该盐的热源可以是传统的电阻、辐射、感应、微波或等离子体。等离子体加热典型地用于将液体钛球形化为球形粉末。

不同于传统的Kroll方法，本发明的方法可以以连续的方式利用少部分的加热来实施。例如，在闪蒸含有MgCl₂和Mg的残留电解质盐钛粉末或者海绵体的情况中，即刻被加热的量为10g至100Kg，并且优选为100g至10Kg，其与被等离子体熔融并合金化的钛量相似。均匀的合金化在本发明的小熔池中即刻实现。

在传统的迄今为止顶尖的Kroll方法中，使得海绵体、真空蒸发、熔融及合金并铸成锭，至少耗费20天的时间来加工10吨批料，其转化成约1,000lbs/天(454Kg/天)。对于制备合金粉末来说，会耗费额外的时间，其进一步降低了粉末生产的单位速率。在本发明中，闪蒸盐和等离子体熔融的残留时间相当快速，即根据等离子体或其它加热方式所供给的热量或者热流，低至1分钟并且典型地不超过10分钟。甚至是在更低的加热速率下、例如10分钟，以及少量材料、例如1kg的情况下，在一小时内将会加工60kg并且每天为1440Kg，其远远地超过了迄今为止顶尖的成熟的大批量Kroll方法。在本发明的生产操作中，生产能力将更加可能在三分钟内加工10Kg，由此每天制造4,800Kg，从而提供有利的规模容量和经济效益。

附图说明