本發(fā)明涉及一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，屬于材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氣體霧化法是一種通過高速氣流直接擊碎并快速冷卻熔融態(tài)金屬制備金屬粉末的方法，其應(yīng)用極為廣泛，特別是被用于3D打印用金屬粉末的生產(chǎn)。3D打印是指以數(shù)字模型為依據(jù)，通過材料逐層累加的方式進(jìn)行三維實體物件制造的技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新方向。使用3D打印技術(shù)制備的金屬物件為了保證其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的致密度與均勻性，對所使用金屬粉末的粒度分布、球形度與流動性、氧含量等均具有較高要求。

鈦合金因其具有質(zhì)輕、高強(qiáng)以及耐蝕等一系列優(yōu)異性能，被廣泛用于航空航天及軍工等領(lǐng)域，也是金屬3D打印領(lǐng)域使用最多的一類材料。氣霧化法則是制備3D打印用鈦合金粉末的常用方法，如中國發(fā)明專利CN104308168B公布的一種細(xì)粒徑低氧球形鈦及鈦合金粉末的制備方法。然而，由于鈦元素極高的化學(xué)活性，極易同氧氣發(fā)生反應(yīng)在鈦合金粉末表面生成致密的氧化層，鈦氧化物的存在大大提高了鈦合金粉末的激光燒結(jié)難度，進(jìn)而影響3D打印件的成型質(zhì)量。為防止鈦合金粉末的氧化，中國發(fā)明專利CN103846447B公布了一種微細(xì)球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，該方法采用雙層霧化噴嘴對鈦或鈦合金進(jìn)行霧化和氫化，從而完成了表面生成有氫化鈦薄膜的鈦或鈦合金粉末的制備。但該方法在制粉實踐中存在若干不足之處：首先，采用雙層霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，使得霧化噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高；其次，該方法中氫化氣流的引入位置與霧化氣流相距太近，熔體液流霧化后形成的熔體液滴仍具有較高溫度，而鈦或鈦合金在高溫下的氫化速率很高，導(dǎo)致粉末極易過量吸氫，粉末氫化過程難以控制；再次，因為氫化氣流從霧化噴嘴處引入，導(dǎo)致整個霧化腔體內(nèi)均存在氫，一方面，仍然具有較高溫度的鈦或鈦合金粉末在霧化腔體內(nèi)長時間同氫氣接觸，導(dǎo)致粉末過量吸氫，并在粉末內(nèi)部生成大量脆性相的氫化鈦，影響粉末質(zhì)量，另一方面，氫氣不僅充滿了整個霧化腔體，同時，氫氣還會通過霧化噴嘴的導(dǎo)流管擴(kuò)散進(jìn)入熔煉室，給粉末生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患；最后，鈦或鈦合金粉末過量吸收的氫在3D打印激光燒結(jié)過程中的集中釋放，不僅影響3D打印件的成型質(zhì)量，而釋放到打印倉室內(nèi)過量的氫氣也將形成一定安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，既解決了雙層霧化噴嘴吸氫過程不可控的問題，又提高了制造的安全性。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，以鈦或鈦合金棒材為原料，通過預(yù)抽真空與通入高純惰性氣體保護(hù)，防止鈦或鈦合金在熔化與霧化過程中的氧化，并采用感應(yīng)線圈加熱的方式使鈦或鈦合金棒一端熔化并形成穩(wěn)定的液流，所述液流再通過以高純惰性氣體作為介質(zhì)的霧化噴嘴進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力控制在3～8MPa；霧化完成的鈦或鈦合金粉末通過氣流攜帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器下端通入0.3～0.5MPa含氫量10～25at.％的高純氫氣與高純惰性氣體的混合氣體，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫，在粉末表面形成極薄的吸氫層，實現(xiàn)鈦或鈦合金粉末表面的微氫化。

進(jìn)一步的，預(yù)抽真空至真空度1×10^-4～1×10^-2Pa。

進(jìn)一步的，高純惰性氣體采用高純氬氣或高純氦氣。

進(jìn)一步的，吸氫層的厚度為30～100nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)由于進(jìn)入旋風(fēng)分離器的鈦或鈦合金粉末的溫度已大大降低，此時，粉末的吸氫速率也大大降低，從而在粉末表面只形成極薄的吸氫層，既起到了微氫化隔氧的作用，又不會使粉末過度氫化；

(2)從旋風(fēng)分離器腔體下端引入的低壓氫氣與從霧化腔體內(nèi)進(jìn)入旋風(fēng)分離器的高壓霧化氣體是相向而行的，由于其壓力大大低于霧化氣體，因而只能在旋風(fēng)分離器內(nèi)的一小部分區(qū)域形成氫化環(huán)境，而不會進(jìn)入霧化腔體內(nèi)，其安全性大大提高。

(3)本發(fā)明所制備的表面微氫化的鈦或鈦合金粉末，污染少、流動性與抗氧化性好，非常適合3D打印使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及氣霧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的TC4鈦合金金粉末的X射線衍射圖譜。

圖3為本發(fā)明制備的TC4鈦合金粉末的掃描電鏡圖。

圖中1為熔煉腔，2為霧化氣閥，3為霧化腔，4為送料桿，5為合金棒，6為感應(yīng)線圈，7為霧化噴嘴，8為排氣管，9為旋風(fēng)分離器，10為氫化氣閥，11為粉末收集罐。

具體實施方式

一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

(1)依據(jù)制粉需要與設(shè)備要求，如圖1，預(yù)先準(zhǔn)備低污染與特定尺寸的鈦或鈦合金棒5；

(2)對霧化裝置中熔煉腔1、霧化腔3與旋風(fēng)分離器9內(nèi)部預(yù)抽真空，待真空度達(dá)到1×10^-4～1×10^-2Pa，通過霧化氣閥2充入0.09MPa高純惰性氣體保護(hù)，防止粉末在霧化過程中的氧化；

(3)通過感應(yīng)線圈6對鈦或鈦合金棒5下端進(jìn)行加熱熔化，并通過控制送料桿4形成穩(wěn)定的液流，后通過以高純惰性氣體作為介質(zhì)的霧化噴嘴7進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力控制在3～8MPa；

(4)霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器9，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部通過氫化氣閥10通入0.3～0.5MPa含氫量10～25at.％的高純氫氣與高純惰性氣體的混合氣體，進(jìn)氣口的位置應(yīng)高于旋風(fēng)分離器內(nèi)排氣口10～20cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫，在粉末表面形成極薄的吸氫層，實現(xiàn)粉末表面的微氫化，有效防止粉末的氧化，完成吸氫的粉末落入旋風(fēng)分離器9下方粉末收集罐11，多余的氫氣則通過排氣管8排出腔體；

(5)待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐11取得鈦或鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進(jìn)行篩分與真空包裝。

下面結(jié)合附圖以實施例對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的Ti-6Al-4V(TC4)合金粉末。

以直徑40mm，雜質(zhì)含量低于0.1％的TC4鈦合金棒為原料，對霧化設(shè)備預(yù)抽真空，待真空度達(dá)到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氬氣保護(hù)，防止氧化。通過感應(yīng)線圈對鈦合金棒下端進(jìn)行加熱熔化，形成穩(wěn)定的液流，然后通過以高純氬氣作為介質(zhì)的霧化噴嘴進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力控制在5～7MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下部通入0.3MPa含氫量10at.％的氫氣與氬氣混合氣體，進(jìn)氣口的位置應(yīng)高于旋風(fēng)分離器內(nèi)排氣口10cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進(jìn)行篩分與真空包裝。經(jīng)測試分析，TC4粉末的表面氫化層厚度約為30nm，整體氧含量低于800ppm，粒度分布區(qū)間為10～50μm。圖2展示了制備的TC4鈦合金金粉末的X射線衍射圖譜，如圖所示，粉末為α鈦與β鈦的混合固溶體相，無明顯氫化鈦衍射峰，也即粉末表面沒有大量的氫化鈦生成。圖3提供了制備的TC4鈦合金粉末的掃描電鏡圖，如圖所示，粉末展示出良好的球形度，粒度分布均勻，粒徑在10～50μm之間。

實施例2

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的Ti-45Al-2Cr-8Nb合金粉末。

以直徑40mm，雜質(zhì)含量低于0.1％的Ti-45Al-2Cr-8Nb鈦合金棒為原料，對霧化設(shè)備預(yù)抽真空，待真空度達(dá)到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氦氣保護(hù)，防止氧化。通過感應(yīng)線圈對鈦合金棒下端進(jìn)行加熱熔化，形成穩(wěn)定的液流，然后通過以高純氦氣作為介質(zhì)的霧化噴嘴進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力控制在6～8MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下部通入0.5MPa含氫量25at.％的氫氣與氦氣混合氣體，進(jìn)氣口的位置應(yīng)高于旋風(fēng)分離器內(nèi)排氣口20cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進(jìn)行篩分與真空包裝。經(jīng)測試分析，Ti-45Al-2Cr-8Nb粉末的的表面氫化層厚度約為100nm，整體氧含量低于500ppm，粒度分布區(qū)間為10～30μm。

實施例3

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的純鈦粉末。

以直徑40mm，雜質(zhì)含量低于0.1％的純鈦棒為原料，對霧化設(shè)備預(yù)抽真空，待真空度達(dá)到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氬氣保護(hù)，防止氧化。通過感應(yīng)線圈對純鈦棒下端進(jìn)行加熱熔化，形成穩(wěn)定的液流，然后通過以高純氬氣作為介質(zhì)的霧化噴嘴進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力控制在3～5MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下部通入0.4MPa含氫量20at.％的氫氣與氬氣混合氣體，進(jìn)氣口的位置應(yīng)高于旋風(fēng)分離器內(nèi)排氣口15cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得純鈦粉末，并按照不同粒度等級進(jìn)行篩分與真空包裝。經(jīng)測試分析，純鈦粉末的表面氫化層厚度約為70nm，整體氧含量低于600ppm，粒度分布區(qū)間為20～50μm。