[实用新型]一种高纯度微细球形钛粉制备装置

说明书

技术领域

本实用新型属于高级金属材料领域，具体涉及一种高纯度微细球形钛粉制备方法及其装置。

背景技术

随着3D打印技术在航空航天、军工、汽车、医疗等领域的广泛应用，对3D打印材料，尤其是高纯度微细球形金属粉末及合金的需求在快速增长。而对相应金属材料的纯度、流动性、球形度、粒径均一性等的要求也日趋严格。

钛金属拥有密度低、强度高、耐腐蚀性好等优点，其高纯度微细球形粉末是3D打印中最常用的原料之一。由于钛金属具有硬度高，熔点高、反应活性强等特点，使用常规方法制造的钛粉具有球形度差、粒度分布不均、含氧量高等特点，无法在3D打印领域应用。

目前，3D打印领域使用的钛粉制备方法主要有氢化钛热脱氢法、射频等离子体雾化法、等离子火炬雾化法等。氢化钛热脱氢法是利用氢化钛性脆，且在高温条件下易分解为氢气和金属钛的特性，将氢化钛通过机械方法粉碎后，加热脱氢生产钛粉的方法。该方法产量大，但所称产钛粉球形度、粒度均一性等较差。射频等离子体雾化法（US9516734，US9163299）以加拿大Tekna公司为代表，该技术采用钛金属粉末作为原料，用射频等离子炬对原料粉末进行加热，冷却后生成球形度较好的钛粉。该方法能解决钛粉球形度的问题，但粉末纯度、粒度受限于原料本身，且生产成本较高。等离子火炬雾化法(US5707419， WO 2011054113A1)以加拿大Pyrogenesis 和AP&C公司为代表。该技术采用钛丝作为原料，以直流等离子炬的高温等离子射流为热源，在氩气环境下利用等离子炬射流的高温、高速特性，用多把等离子炬将原料钛丝熔融并雾化为细小的液滴，随后自然冷却为球形钛粉。该方法生产的钛粉球形度好，粒径较小且分布较均匀，若使用高纯度钛丝作为原料，则能生产纯度极高的钛粉。该方法的缺点在于钛丝融化速率受到等离子炬与钛丝传热效率的限制，导致钛粉产量较低。Pyrogenesis在2016年发布了改进后的等离子雾化法制粉专利（WO 2016191854A1），采用在等离子体雾化之前用感应加热法对原料钛丝进行预热，从而减少了单位质量钛丝在等离子熔融阶段的吸热量，使钛粉产量提高到2-3倍，但受到钛丝本身材料特性的限制，无法通过提高预热温度使钛粉产量进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为解决上述3D打印钛粉制备方法的不足，提供一种能够高效生产高纯度、高球形度、粒度分布均匀且可控的钛粉制备方法和装置。

技术方案：

一种高纯度微细球形钛粉制备装置，包括制粉炉，制粉炉的上部区域为锥形体的制粉准备区，下部区域为倒锥形体的大粉末收集区，制粉炉的中部为成粉区，其形状为桶状结构，成粉区的下部通过气体管道连通小粉末收集区：

所述制粉准备区的顶部为动密封装置，动密封装置的上部为连续进料矫直系统，动密封装置的下部为导向装置，所述导向装置位于制粉准备区内部，超音速氩气等离子炬和高能电子枪安装在制粉准备区的锥面并穿过锥面伸入制粉准备区内；

所述大粉末收集区的底部为大粉末收集设备，所述小粉末收集区包括旋风分离器，所述旋风分离器一端连桶气体管道，底部连通小粉末收集设备，上部连通过滤装置，所述过滤装置上部连接真空装置。

进一步的，所述制粉准备区和成粉区之间设有耐温隔板，耐温隔板的中间部位开有通孔，其中心为雾化点。

进一步的，所述超音速氩气等离子炬和高能电子枪上均设有调节功率、位置和角度的装置，能够调节等离子炬和电子枪插入制粉炉的深度，及其与竖直方向的夹角。根据原料的直径和所需的制粉速率调节高能电子枪的输入功率，并通过高能电子枪调节装置调节高能电子枪的竖直角度和深入制粉炉的长度，使所有高能电子枪以相同的功率和角度对准雾化点；根据原料的直径和所需的制粉速率调节炬的输入功率，并通过等离子炬调节系统调节等离子炬的竖直角度和深入制粉炉的长度，使所有等离子炬的火焰以相同的功率和角度对准雾化点。

进一步的，所述超音速氩气等离子炬和高能电子枪各为2-4把，以钛金属丝为中心，超音速氩气等离子炬和高能电子枪成均匀间隔排列。

进一步的，所述成粉区、大粉末收集设备和小粉末收集设备均装有水冷壁，对雾化钛粉进行及时冷却。

进一步的，该装置还可用于其它高熔点金属粉末的制备，比如Ti6Al4V钛合金材料、铼、钼、钨、铌、钽等高熔点金属。

本实用新型还提供一种制备高纯度微细球形钛粉的方法，包括如下几个步骤：