3d打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，其按照如下步驟實(shí)施：（1）純鈦或鈦合金原料凈化和表面處理；（2）氫化氫脆：表面處理后的純鈦或鈦合金原料裝入干燥的氫化坩堝內(nèi)置入真空氫化爐內(nèi)加熱至680-750℃，保溫60-90分鐘，自然冷卻至室溫出爐；（3）氫化料制粉：氫化料置入惰性氣體保護(hù)的制粉設(shè)備中制成粉末；（4）脫氫、降氧、還原、燒結(jié)：所得氫化料粉末配取適量金屬還原劑混合均勻，加熱至700-750℃，保溫90-120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻，出爐；（5）制粉：惰性氣體保護(hù)下制取特定粒度、粒形的粉末。
【專利說明】3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種(HDH法)鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法。屬于粉末冶金結(jié)構(gòu)材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]粒度均勻、雜質(zhì)含量低、成型性能好的鈦和鈦合金粉末原料因其流動(dòng)性好、伴生顆粒少、純度高的優(yōu)質(zhì)特性被廣泛應(yīng)用于金屬注射成型、涂層、熱等靜壓、激光快速成型和新興的3D打印技術(shù)等深加工領(lǐng)域。鈦和鈦合金的粉末冶金材料又因其材質(zhì)晶粒度均勻、輕質(zhì)、耐高溫、耐腐蝕、各向同性性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、軍事工業(yè)、民用商業(yè)等綜合性領(lǐng)域。
[0003]基于金屬注射成型、激光快速成型、3D打印技術(shù)等加工產(chǎn)業(yè)【技術(shù)領(lǐng)域】對高性能鈦和鈦合金粉末原料的應(yīng)用需求，科研和開發(fā)成本低、加工性能優(yōu)良，并適用于以上應(yīng)用領(lǐng)域新工藝技術(shù)要求的前級高性能球形化專用粉末原料已成為行業(yè)迫切需要。
[0004]而現(xiàn)有鈦和鈦合金粉末由于含氧量、純度達(dá)不到球形粉的使用要求，導(dǎo)致目前鈦和鈦合金粉末無法使用到球形化工藝中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的旨在提供一種3D打印用鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，克服彌補(bǔ)現(xiàn)有生產(chǎn)加工技術(shù)之缺點(diǎn)而提供一種加工成本低、工藝實(shí)施簡單，具有優(yōu)良應(yīng)用性能的鈦和鈦合金球形粉專用原料的低氧粉末制備方法。其產(chǎn)品粉末具有粒度分布均勻、氧含量低、伴生顆粒少、純度高、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)良。
[0006]3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，其特征是按照如下步驟實(shí)施:
(1)純鈦或鈦合金原料凈化和表面處理；
(2)氫化氫脆:表面處理后的純鈦或鈦合金原料裝入干燥干凈的氫化坩堝內(nèi)置入真空氫化爐內(nèi)加熱至680— 750°C，保溫6090分鐘，自然冷卻至室溫出爐；
(3)氫化料制粉:氫化料置入惰性氣體保護(hù)的干燥干凈的制粉設(shè)備中制成粉末；
(4)脫氫、降氧、還原、燒結(jié):所得氫化料粉末配取適量金屬還原劑混合均勻后裝入干燥干凈的還原爐內(nèi)，加熱至700— 750°C，保溫90120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻，出爐；
(5)制粉:惰性氣體保護(hù)下制取特定粒度、粒形的粉末。
[0007]與現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)相比，本發(fā)明充分利用低成本的生產(chǎn)資料，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的設(shè)備設(shè)施卓有成效地完成了(凈化、去除)防止氧增加、遏制氧增加、降低氧含量的三步重要工藝舉措，從而很好地實(shí)現(xiàn)了降低氧含量(O含量依不同材料不同粉末粒度可控在0.09-
0.22%)，提高基體純度(基體純度可高達(dá)99.6—99.9%)的目的。

【具體實(shí)施方式】
[0008]本發(fā)明一種3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，主要步驟是將表面處理后的純鈦或鈦合金原料經(jīng)原始高真空置換后，加熱至680— 750°C，保溫6090分鐘氫化氫脆所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑均勻混合，力口熱至700— 750°C，保溫90—120分鐘脫氫、還原、降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻，在氬氣保護(hù)下制取特定粒度、粒形的粉末。
[0009]其中，氫化工藝參數(shù)調(diào)整為:原始真空度大于0.005Pa，壓升率小于5Pa/h，通氫氫化壓力1.5—1.8Kg，溫度680— 720°C，保溫時(shí)間60— 90分鐘，自然冷卻。
[0010]脫氫降氧工藝參數(shù)調(diào)整為:原始真空度大于0.05Pa，壓升率小于5Pa/h，氬氣保護(hù)壓力1.0—1.5Kg，溫度700—750°C，保溫時(shí)間90—120分鐘，抽空排氣真空度為10—20Pa自然冷卻。
[0011]本發(fā)明一種3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述球形化專用是指為純鈦和鈦合金球形粉加工提供一種合格、優(yōu)質(zhì)的前級生產(chǎn)原料。
[0012]本發(fā)明3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述低氧是指通過獨(dú)特的工藝技術(shù)手段嚴(yán)格遏制粉末中氧含量的增加，從而得到優(yōu)質(zhì)合格的球形粉原料粉末。
[0013]本發(fā)明3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述球形化專用低氧粉末是指不同粒度不同品級的鈦和鈦合金球形粉需配以本發(fā)明相應(yīng)的粒度、品級的專用低氧粉末經(jīng)射頻等離子工藝方法加工而完成球形化。
[0014]本發(fā)明3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述的純鈦粉末純度大于99.75%。
[0015]本發(fā)明3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述純鈦粉或鈦合金粉的粒度為15— 350um。
[0016]本發(fā)明3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，所述的鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末均盛裝在Cr25Ni20Si2坩堝中進(jìn)行氫化或脫氫降氧并燒結(jié)。
[0017]本發(fā)明的機(jī)理簡述如下:
本發(fā)明采用低O、N、H20分子的原料經(jīng)高真空、低壓升率、高純氫氣的氣氛在680—720°C完成氫化氫脆工藝過程；再通過具有自主設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)的氬氣保護(hù)制粉設(shè)備制粉，極有效地實(shí)現(xiàn)了遏制氧增加的工藝目的；然后采用高活性、強(qiáng)還原劑在一定條件下應(yīng)用真空熱力學(xué)、真空熱動(dòng)力學(xué)機(jī)理，利用鈦和鈦合金粉末微觀含氧特性，創(chuàng)造出一定氛圍內(nèi)的氣一固、固一固還原反應(yīng)。脫氫、還原、降氧、燒結(jié)工藝的同步應(yīng)用，很好地降低了鈦和鈦合金粉末中氧含量。同時(shí)，由于微觀上利用了超細(xì)粉末熱態(tài)物理變化機(jī)理，使粉末晶粒產(chǎn)生凝聚、團(tuán)化、板結(jié)現(xiàn)象，從而有效地縮小了粉末的比表面積，客觀獲得了表面氧較低的鈦和鈦合金原料。與現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)相比，本發(fā)明充分利用低成本的生產(chǎn)資料，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的設(shè)備設(shè)施卓有成效地完成了(凈化、去除)防止氧增加、遏制氧增加、降低氧含量的三步重要工藝舉措，從而很好地實(shí)現(xiàn)了降低氧含量、提高基體純度的目的。
[0018]綜上所述，本發(fā)明原料、工藝成本低，制備的鈦和鈦合金球形化專用低氧、高純粉末，工藝穩(wěn)定成熟，產(chǎn)品一致性好，射頻等離子球形化成材率高達(dá)(93.5% — 98%)，極好地滿足了鈦和鈦合金球形粉所需各項(xiàng)化學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0019]以下對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了具體詳細(xì)的實(shí)施方式和操作過程。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例以及對比例中，制備的粉末原料化學(xué)指標(biāo)均由送檢分析單位提供。粒度粒形分析利用電鏡掃描方法，粒度由平均粒徑測定儀實(shí)測，松裝密度由標(biāo)準(zhǔn)松裝密度測試儀實(shí)測。
[0021]對比例一(O— 75um純鈦粉)
將除0、N、H20分子處理后的OA級海綿鈦原料高真空加熱至680— 720°C，保溫60分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，力口熱至700— 750°C，保溫90分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。
[0022]O — 75um純鈦粉主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti > 99.8 O 0.15% H 0.028% N 0.015%
C 0.005%Fe 0.024% Si 0.009%
主要物理性能指標(biāo):
松裝密度1.383g/cm3平均粒徑58.8um。
[0023]純鈦球形粉(O — 75umHDH法純鈦粉經(jīng)射頻等離子工藝球形化后)
主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti > 99.88% O 0.11% H 0.017% N 0.012% C 0.006%
Fe 0.021% Si 0.008%
主要物理性能指標(biāo):振實(shí)密度(平均法實(shí)測) 3.09g/cm3
流動(dòng)性優(yōu)
對比例二(45—106um Ti6A14V 粉)
將表面處理去除0、N、H20分子的TC4 (Ti6A14V)原料高真空加熱至720— 750°C，保溫90分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，加熱至700— 750°C，保溫120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。
[0024](45—106um) TC4粉主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti 余量 O 0.20% H 0.023% N 0.022% C 0.008%
Fe 0.019% Si 0.01% Al 5.96% V 4.07%
主要物理性能指標(biāo):松裝密度(平均法實(shí)測)1.412g/cm3 平均粒徑(平均法實(shí)測)86.59um
TC4 (Ti6A14V)球形粉(45— 106um HDH法TC4粉經(jīng)射頻等離子工藝球形化后)主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti 余量 O 0.15% H 0.018% N 0.019% C 0.009%
Fe 0.017% Si 0.011% Al 5.94% V 4.08%
主要物理性能指標(biāo):振實(shí)密度(平均法實(shí)測)3.253g/cm3
流動(dòng)性優(yōu)
以上對比例一、二清晰、客觀地反應(yīng)了應(yīng)用本發(fā)明一種(HDH法)鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末產(chǎn)品經(jīng)射頻等離子工藝球形化后得到的球形粉各項(xiàng)指標(biāo)均符合ASTM B348和GB2965執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。
[0025]其中:純鈦球形粉符合 ASTM B348 Grade I。
[0026]Ti6A14V 球形粉符合 ASTM B348 Grade 5。
[0027]實(shí)施例一(75— 160um純鈦粉):
將除0、N、H20分子處理后的OA級海綿鈦原料高真空加熱至680— 720°C，保溫60分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，力口熱至650— 750°C，保溫90分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。
[0028]75—160um純鈦粉主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti > 99.8 O 0.12% H 0.025% N 0.019% C 0.006%
Fe 0.019% Si 0.005%
主要物理性能指標(biāo):
松裝密度(平均法實(shí)測)1.415g/cm3 平均粒徑(平均法實(shí)測)115.68um。
[0029]實(shí)施例二(0—160umTi6A14V 粉):
將表面處理去除0、N、H20分子的TC4 (Ti6A14V)原料高真空加熱至720— 750°C，保溫90分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，加熱至700— 750°C，保溫120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。
[0030](O — 160um)TC4 (Ti6A14V)粉主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti 余量 O 0.18% H 0.022% N 0.020% C 0.009%
Fe 0.029% Si 0.007% Al 6.16% V 3.97%
主要物理性能指標(biāo):振實(shí)密度(平均法實(shí)測)1.676g/cm3
流動(dòng)性優(yōu)
實(shí)施例三(75—180um Ti6A14V 粉):
將表面處理去除0、N、H20分子的TC4 (Ti6A14V)原料高真空加熱至720— 750°C，保溫90分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，加熱至700— 750°C，保溫120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti 余量 O 0.22% H 0.027% N 0.026% C 0.006%
Fe 0.021% Si 0.005% Al 6.21% V 3.89%
主要物理性能指標(biāo):松裝密度(平均法實(shí)測)1.292g/cm3
流動(dòng)性優(yōu)
實(shí)施例四:(純鈦粉O — 45um)
將除0、N、H20分子處理后的OA級海綿鈦原料高真空加熱至680— 720°C，保溫60分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，力口熱至650— 750°C，保溫90分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。
[0031]O — 45um純鈦粉主要化學(xué)指標(biāo)如下: Ti > 99.8 O 0.18% H 0.022% N 0.013% C 0.004%
Fe 0.020% Si 0.007%。
[0032]主要物理性能指標(biāo):松裝密度(平均法實(shí)測)1.229g/cm3 平均粒徑(平均法實(shí)測)34.8um
實(shí)施例五(15—50um Ti6A14V 粉):
將表面處理去除0、N、H20分子的TC4 (Ti6A14V)原料高真空加熱至720— 750°C，保溫90分鐘氫脆出爐制粉所得氫化料粉末配取適量高活性、強(qiáng)還原性的高純金屬還原劑混合均勻，加熱至700— 750°C，保溫120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻出爐，氬氣保護(hù)制取一定粒度、粒形的低氧粉末，將產(chǎn)品粉用Ar氣保護(hù)迅速真空包裝。主要化學(xué)指標(biāo)如下:
Ti 余量 O 0.21% H 0.023% N 0.028% C 0.005%
Fe 0.024% Si 0.005% Al 5.95% V 3.90%。
[0033]主要物理性能指標(biāo):松裝密度(平均法實(shí)測) 1.292g/cm3
流動(dòng)性優(yōu)
從以上實(shí)施例及對比例得到的性能參數(shù)可知:本發(fā)明產(chǎn)品真正實(shí)現(xiàn)了低氧高純的目的，工藝穩(wěn)定成熟，產(chǎn)品一致性好，原料和工藝成本低，且球形化成材率極高，很好地滿足和達(dá)到了鈦和鈦合金球形粉所需前級原料的各項(xiàng)化學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1.3D打印鈦和鈦合金球形化專用低氧粉末的制備方法，其特征是按照如下步驟實(shí)施: (1)純鈦或鈦合金原料凈化和表面處理； (2)氫化氫脆:表面處理后的純鈦或鈦合金原料裝入干燥的氫化坩堝內(nèi)置入真空氫化爐內(nèi)加熱至680— 750°C，保溫6090分鐘，自然冷卻至室溫出爐； (3)氫化料制粉:氫化料置入惰性氣體保護(hù)的制粉設(shè)備中制成粉末； (4)脫氫、降氧、還原、燒結(jié):所得氫化料粉末配取適量金屬還原劑混合均勻，加熱至700— 750°C，保溫90120分鐘脫氫降氧并燒結(jié)排氣，自然冷卻，出爐； (5)制粉:惰性氣體保護(hù)下制取特定粒度、粒形的粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述純鈦或鈦合金原料凈化和表面處理工藝包括:純鈦時(shí)是將OA級海綿鈦原料置于常壓烘干氣氛下加熱至150-18(TC，保溫5-8小時(shí)，獲得海綿體內(nèi)02、N2、H20分子較少的原料；鈦合金時(shí)是將經(jīng)酸洗、沖洗晾干后直徑小于30mm的鈦合金棒置于常壓烘干氣氛下加熱至150-180°C，保溫2_3小時(shí)，獲得棒料表面附著02、N2、H20分子較少的原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是其中氫化工藝參數(shù)調(diào)整為:原始真空度大于0.005Pa，壓升率小于5Pa/h，通氫氫化壓力1.2—1.8Kg，溫度680— 720°C，保溫時(shí)間60— 90分鐘，自然冷卻；脫氫降氧工藝參數(shù)調(diào)整為:原始真空度大于0.05Pa，壓升率小于5Pa/h，氬氣保護(hù)壓力1.0—1.5Kg，溫度700— 750°C，保溫時(shí)間90—120分鐘，抽空排氣真空度為10 — 20Pa自然冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是金屬還原劑為金屬鎂或鈣鎂合金。
【文檔編號】B22F9/04GK104493185SQ201410826124
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】劉立新, 蘆紹立, 曹福勞 申請人:岐山邁特鈦業(yè)有限公司