[发明专利]一种自由电弧制备金属球形粉末的装置和方法

说明书

本发明公开了一种自由电弧制备金属球形粉末的装置，包括：制粉釜；以及等离子炬喷枪，其插入所述制粉釜中，所述等离子炬喷枪沿其轴向设置有喷气孔；送丝机，其设置在所述等离子喷嘴轴向两侧且相对设置，用于向所述等离子喷嘴前方输送金属丝；自由弧电源，其与所述送丝机的送丝接头处连接，用于向所述金属丝提供电流。能够制备粒径较小的金属球形粉末且产率较高。本发明还提供一种自由电弧制备金属球形粉末的方法，能够制备粒径为15～53μm的球形粉末且基本为实心，稳定性好，产率较高，还能对所得球形粉末中直径为15～53μm的金属球形粉末所占比重进行控制，得到较优制备参数，提高制备效率。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体的是，本发明涉及一种利用自由电弧制备金属球形粉末的装置和方法。

背景技术

随着科技的发展，金属3D打印技术的应用越来越广泛，一些大尺寸钛合金异形结构件如飞机龙骨只能利用3D打印技术制造。高纯度小粒径(15～53μm)球形钛粉是3D打印的原材料，粉末性能对产品质量具有重要影响。另外钛粉末的性能是决定钛及钛合金粉末冶金制品质量的关键因素。采用热喷涂的方法制备钛涂层是解决海洋装备防腐的有效途径，但是目前没有热喷涂专用的价格低廉的球形钛粉末。

20世纪50年代美国发明了氢化脱氢法制取钛粉的方法，20世纪70年代，旋转电极离心雾化制备钛粉技术日趋成熟。目前制备球形钛及钛合金粉的主要方法有：气雾化法(GA法)、等离子旋转电极法(PREP法)及射频等离子体球化法(RFP法)。

(1)气雾化法分为惰性气体雾化法和超声雾化法。

①惰性气体雾化法制备球形钛粉是目前国内外最为主流的方法，所使用的原料为一定规格的钛及钛合金棒材。在坩埚内将原料棒熔化，通过坩埚底部的喷嘴将产生的熔液用高速气体喷射，使金属液呈喷雾状，冷凝形成球形钛粉。北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点实验室从英国PSI公司引进了冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化装置，主要用于惰性气体雾化钛粉的制备与研究。利用该方法制备的粉末的特点是粉末粒径分布范围较宽，细粉收得率较高，且粉末成分与母合金棒材的成分偏差较小，杂质元素能够得到很好的控制。但由于气雾法在制备钛粉的过程中，被冷却的液滴形成的不同尺寸颗粒的冷却速度不同，导致球形度较差，行星颗粒较多；另一方面由于气体破碎金属液流时不可避免的会产生空心粉末，这些空心粉末存留在后续粉末冶金工序中，会造成材料的内部缺陷。另外，利用该方法制成的钛粉经热等静压后得到的块体材料的塑性指标较低，达不到锻件的要求。

②超声雾化制粉是近年发展起来的另一种气雾化制粉方法，该技术主要有两种：一种可将高频电磁振荡转化为液体机械振动，使小液滴破碎成雾；另一种可使液体流经超声聚能器时在辐射表面形成薄液滴层，薄液滴层在超声振动的作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定的峰值时，小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，利用超声雾化法制得的球形粉末的粒径与超声频率成反比，超声雾化系统的工作频率越高，所制得的球形粉末粒度越小。北京有色金属研究院的张曙光等、瑞士Active Ultrasonics公司和德国研究人员先后采用该技术制备了粉末表面光洁，粒径10～45μm，氧含量低，卫星颗粒少，球形度好的钛粉末，但这种技术仍然无法解决空心粉末的问题。

(2)等离子旋转电极法