[发明专利]一种气雾化制备球形钛粉及钛合金粉末的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气雾化制备球形钛粉及钛合金粉末的装置及方法，属于粉末冶金工业技术领域。

背景技术

钛及钛合金具有密度小，比强度高和耐蚀性优异等优点，而被广泛应用于航空、航天等军工部门及化工、冶金、轻工、生物医疗等民用部门。但钛材加工生产工艺复杂，成材率较低，生产过程中产生大量残钛。用钛材制造设备或零部件，不仅再次产生大量残钛，而且由于加工、焊接难度较大，耗费的工时和能量多，使得钛制设备和部件的制造成本提高，这就阻碍了其更为广泛的推广应用。钛粉末冶金工艺流程短，可直接制取成品或接近成品尺寸的零部件，从而大幅度降低了钛制品的成本，提高了材料的利用率，改善了材料性能。目前，利用钛粉末冶金技术、金属注射成形技术、温压成形技术，以及3D打印技术等制备的高性能钛或钛基合金零部件已应用于航空航天航海领域、生物医疗器件、汽车工业等。

由于钛及钛合金是高熔点高活性金属，极易污染和氧化，导致钛及钛合金粉末大都存在氧含量偏高、球形度差、粉末粒度偏大、粒径分布不均匀等问题，从而大大限制了钛及钛合金粉末冶金制品的更为广泛的应用。

目前，钛及钛合金粉末的生产方法主要有：金属热还原法、氢化脱氢法、射频等离子球化法、等离子旋转电极法(PREP)、电极感应熔炼气雾化法(EIGA)、等离子火炬雾化法等。金属热还原法的生产效率低，但粉末的流动性差，杂质含量高且一般不能用来生产合金粉末。氢化脱氢法是利用钛与氢的可逆特性制备钛粉的一种工艺，钛吸氢后产生脆性，经机械破碎制成氢化钛粉，再将其在真空条件下高温脱氢制取钛粉。此工艺生产的钛粉粒度范围宽，成本低，对原料要求低，已成为国内外生产钛粉的主要方法，但该方法制备的钛粉含O、N等杂质较高、形状呈多角形、流动性差。射频等离子球化法以射频等离子炬为热源来球化原料粉末，其产品粉末粒度决定于原料粉末的粒度，并且杂质含量高，制粉效率低。等离子旋转电极法(PREP)是使用等离子枪将高速旋转的原料熔化，并使其在离心力的作用下沿径向飞出，然后经过球化、冷却凝固成粉末。该方法制备的粉末粒度受限于高速电机转速和动密封，粉末粒度很粗，并且杂质含量高，此外电极精度要求很高，造成生产成本较高。电极感应熔炼气体雾化法(EIGA)是通过感应加热钛及钛合金并形成合金熔液滴流，通过高压雾化喷嘴制备球形钛粉。由于原料熔炼不需要坩埚，熔化的液体不与坩埚接触，制备的粉末比较纯净，氧含量低。但该方法制备的钛及钛合金粉末粒度较为粗大，并且生产连续性太差。等离子火炬雾化法(US005707419A)是加拿大AP&C公司发明的专利技术，利用等离子炬产生的高温将钛合金丝熔化，随后经多个等离子炬释放的氩气将熔滴破碎成细小钛合金粉末。该方法可以连续制备粒度细小、球形度高的钛及钛合金粉末，但也存在十分明显的缺点，效率太低，纯钛粉每小时生产1Kg左右。而其他雾化方法，如美国坩埚公司(US4999051)发明的非限制式气雾化制备钛粉的方法，存在粒度粗大，连续性差的缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种用于热喷涂技术、热等静压技术及3D打印技术等使用的球形钛及钛合金粉末的制备装置及制备方法。本方法工艺简单、技术可靠、粒度可控、杂质含量低，可实现连续生产钛及钛合金粉末。

本发明的气雾化制备球形钛及钛合金粉末技术，将原材料高频熔炼和气雾化制粉融为一体，将两个过程合并为一个连续的粉末制备过程。该过程属于快速凝固气雾化，它包括钛及钛合金丝材或棒材的熔化、雾化、熔滴的球化、冷却凝固等过程。

一种气雾化制备球形钛粉及钛合金粉末的装置，该装置包括连续送料器、金属矫直机构、气雾化喷嘴、高频熔炼线圈、雾化室、收粉罐、导向装置、真空室、动密封装置、散热罩和防护罩等；所述的真空室外面设置钛或钛合金丝材/棒材的连续送料器，在真空室顶端设置动密封装置，在真空室内部设置金属矫直装置，真空室下方为雾化室，雾化室与真空室之间安装有气雾化喷嘴，喷嘴中心孔内装有丝材或棒材的导向装置，喷嘴下方安装有高频熔炼线圈，其中动密封装置、矫直装置、喷嘴中心孔中的导向装置、以及高频熔炼线圈安装在同一轴线上；雾化室内部安装有散热罩，散热罩顶部设有防护罩，散热罩和防护罩的中心与高频熔炼线圈中心在同一轴线上；雾化室下方设有收粉罐。

上述制粉装置中采用的钛及钛合金丝材或棒材的直径范围为0.2～10mm。

上述制粉装置的冷态极限真空小于1×10^-4Pa，热态极限真空小于1×10^-2Pa，泄漏率小于5Pa/h。