一種制備鈦基粉末裝置制造方法
一種制備鈦基粉末裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種制備鈦基粉末裝置。該裝置包括真空室、磁懸浮熔煉爐、霧化制粉室、篩分系統(tǒng)；工作時(shí)，磁懸浮熔煉爐通以高頻交變電流后，線(xiàn)圈周?chē)臻g將產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，高頻交變磁場(chǎng)在爐料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流。感應(yīng)渦流與外界交變磁場(chǎng)相互作用使?fàn)t料產(chǎn)生懸浮力，懸浮力與物料的自重平衡使之懸浮，同時(shí)渦流回路產(chǎn)生大量的熱，使?fàn)t料迅速熔化，熔體在強(qiáng)烈的電磁攪拌作用下，除渣、除氣、提純。通過(guò)控制磁場(chǎng)，將純化的熔體降落到氣霧化室中，在超音速高壓氬氣霧化器和冷卻裝置作用下，熔體被霧化成球形度好、含氧量小于1800ppm、含氮量小于300ppm的球狀鈦基粉末。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種制備鈦基粉末裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種粉末制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種真空磁懸浮制備高純鈦基粉末技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，金屬材料特別是帶有戰(zhàn)略性的高熔點(diǎn)合金材料已成為高附加值和高精尖的軍民兩用的高科技產(chǎn)品的發(fā)展方向，而粉末冶金技術(shù)及新新興的激光3D打印技術(shù)是制備是賦予高科技產(chǎn)品行之有效的方法。特別是激光3D打印技術(shù)，用該方法可獲得成分無(wú)偏析、性能穩(wěn)定、組織均勻的零部件；從經(jīng)濟(jì)上看，該方法是一種少切屑或無(wú)切屑的工藝。與傳統(tǒng)鍛材加工技術(shù)相比，制備部件基本為近凈成形，材料利用率幾乎可以達(dá)到100%。但是，這些領(lǐng)域?qū)Σ牧系奈锢怼⒒瘜W(xué)性質(zhì)都有很高的要求。從激光燒結(jié)的角度，對(duì)粉末提出了如下要求:粒度分布窄；單分散；球形；特殊情形需要高純粉末；其目的在于使燒結(jié)體產(chǎn)品的密度分布均勻，機(jī)械性能和其它物理性能空間分布均勻化。因此，原始粉末的純度、均勻性和粒度、晶粒度對(duì)制備細(xì)晶全致密的高性能產(chǎn)品起著決定性的作用。
[0003]從激光燒結(jié)理論上講，1064nm波長(zhǎng)的光纖激光器的理論光斑精度為1.064微米，如果擁有粒徑等于或小于1064nm的粉末，完全能夠運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出精度更高、表面質(zhì)量更好、力學(xué)性能優(yōu)的產(chǎn)品，將在民用、軍用等高端領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。
[0004]鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的結(jié)構(gòu)材料。被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)用器件、航空航天材料、汽車(chē)制造及其他高附加值領(lǐng)域。我國(guó)擁有全球60%的鈦資源，其中95%用來(lái)生產(chǎn)鈦白粉，而金屬鈦的產(chǎn)量?jī)H占世界產(chǎn)量的5%，鈦粉工業(yè)作為鈦工業(yè)的一個(gè)分支行業(yè)，其所占的比例更小。這主要是傳統(tǒng)鈦合金制件的加工工藝周期長(zhǎng)、費(fèi)用高以及鈦材料本身的高硬度使得應(yīng)用傳統(tǒng)方法加工顯得極為困難，嚴(yán)重制約了鈦合金的應(yīng)用。因此，制備高性能、低成本鈦合金制件成了鈦合金發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前，我國(guó)是粉末冶金工業(yè)非常發(fā)達(dá)的國(guó)家，但是在鈦粉研制和生產(chǎn)、深加工方面、規(guī)模較國(guó)外的水平差距很大還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國(guó)外。一些高品質(zhì)鈦基粉末材料主要依賴(lài)進(jìn)口，不但價(jià)格高昂，而且還受到技術(shù)壁壘限制。
[0005]由于鈦是活性金屬，其粉末極易吸收氣體，一般在制粉過(guò)程中，粉末粒子表面或內(nèi)部所形成的任何一種極穩(wěn)定的鈦的氧化物，在其后的整個(gè)處理過(guò)程中都將存在，高品質(zhì)鈦粉出粉率也只有20-30%左右。盡管鈦和鈦合金粉末的制取方法很多，但根據(jù)其制備過(guò)程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)看，可將其分為三大類(lèi):化學(xué)反應(yīng)法，霧化法和機(jī)械粉碎法。
[0006]化學(xué)反應(yīng)法僅適用于純鈦粉的制備，且制得的粉末不致密或氯根含量較高；傳統(tǒng)惰性氣體霧化由于存在坩堝污染，無(wú)法保證純度，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化可以制備高純凈度的鈦合金粉末，但這兩種方法制備的粉末較粗，平均粒徑一般在70?200 μ m以上。目前，80%的鈦金屬粉末的制備以霧化法為主；機(jī)械粉碎法粉末的氧含量往往偏高，通常高于
0.2%。
[0007]上述方法均是鈦基粉末粉制備方法，但是這些傳統(tǒng)鈦粉制備技術(shù)，鈦基原料料或多或少會(huì)與外界接觸，如爐襯耐火材料，導(dǎo)致粉末材料污染氧化嚴(yán)重、粒度大、球化率低，影響鈦基粉末材料激光3D打印行業(yè)的運(yùn)用。
[0008]目前，鈦基粉末的霧化制粉過(guò)程基本包括:原材料精煉、提純、凝固、霧化制粉等。原料精煉、提純、凝固是一個(gè)冶金過(guò)程，制得霧化制粉原材料，霧化制粉是一個(gè)粉末冶金過(guò)程。因此傳統(tǒng)的制粉技術(shù)需要經(jīng)歷兩次的冶金過(guò)程，是一種高耗能、低效率、高成本的工藝。原材料制備結(jié)果決定了霧化制粉粉末的純度，霧化制粉過(guò)程控制和二次污染將增加制得粉末的雜質(zhì)，降低粉末的品質(zhì)。
[0009]目前，國(guó)際上已有無(wú)坩堝霧化制備鈦粉技術(shù)，美國(guó)專(zhuān)利5084091提出了水冷坩堝霧化制備鈦粉技術(shù)，該方法通過(guò)水冷作用，冷卻鈦基與坩堝的接觸面，使接觸面上在形成一層鈦膜，避免鈦和坩堝的直接接觸，再一定程度上避免了制得粉末二次污染的問(wèn)題，但鈦粉的純度最終受限于原材料的純度。德國(guó)LeyboId AG以及國(guó)內(nèi)“惰性氣體霧化法制取鈦和鈦合金粉末”都采用無(wú)坩堝電極感應(yīng)霧化制備鈦粉。該方法雖然鈦材不與坩堝接觸，避免制粉過(guò)程中的坩堝污染，同樣鈦粉的純度受限于原材料的純度。這些方法雖然沒(méi)有提及原材料熔化、精煉、提純、凝固冶金過(guò)程，但是并沒(méi)有改變制粉流程中兩次冶金過(guò)程，從而導(dǎo)致制粉中的高耗能、低效率、高成本問(wèn)題本質(zhì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型融合真空磁懸浮熔煉提純、霧化制粉、自動(dòng)篩分等一體化生產(chǎn)技術(shù)，提出了一種可純化合金并高效生產(chǎn)球形度好、球化率高、高純度、粒度可控鈦基粉末的真空磁懸浮熔煉裝置，解決現(xiàn)有鈦基粉末制備過(guò)程中極易受到氧化污染、純度低等問(wèn)題。
[0011]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)基本方案是:一種制備鈦基粉末的裝置，其特征在于:包括真空室2，設(shè)在真空室上方的加料室1，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗4，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口 18，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?1，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐3，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管6，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室8，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器6，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置17，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置16，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室9，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管10及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐11，設(shè)在收粉罐上的防靜電器12,設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩13,設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜器14,設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐22。
[0012]所述裝置的冷態(tài)極限真空小于8X 10_6Pa，熱態(tài)極限真空小于6X 10_5Pa，鈦基熔液的氧化程度極為的輕微，氧化物雜質(zhì)大幅的減少。
[0013]所述磁懸浮熔煉爐熔煉溫度在1500°C -2500°C。
[0014]所述的磁懸浮熔煉爐可懸浮爐料重量最大值為50kg。
[0015]所述磁懸浮熔煉爐熔煉過(guò)程中熔體懸浮在空中，不與坩堝接觸；經(jīng)過(guò)除渣、除氣后，渣質(zhì)浮在熔體上端，提純后鈦基金屬液位于熔體下端；通過(guò)控制磁場(chǎng)，控制高純度下端熔體進(jìn)入霧化室，進(jìn)一步提高了粉末的純度。
[0016]所述霧化器設(shè)有消音裝置，有效降低工業(yè)噪音污染。
[0017]所述霧化室的內(nèi)層不銹鋼表面做有耐高溫透明防護(hù)及不粘處理復(fù)合涂層。[0018]本實(shí)用新型將將真空磁懸浮熔煉提純、霧化制粉末和自動(dòng)篩分技術(shù)結(jié)合在一起，制備工藝在密閉、高真空、連續(xù)生產(chǎn)的條件下進(jìn)行，因此制備出的鈦基粉末純度高、含氧量低。該技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有以下效果:
[0019]通過(guò)該裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加料、懸浮熔化精煉、霧化制粉，自動(dòng)篩分，完全解決一般真空制粉技術(shù)因爐料受坩堝污染等問(wèn)題。真正解決鈦基粉末在制粉過(guò)程中被污染、氧化等問(wèn)題。
[0020]通過(guò)該裝置，磁懸浮熔煉爐在高頻電磁場(chǎng)作用下，鈦基熔體懸浮在坩堝空中熔化、除渣純化。一方面，避免熔體直接接觸坩堝；另一方面，經(jīng)過(guò)除渣、除氣后，渣質(zhì)浮在熔體上端，純化的鈦基金屬液位于熔體下端，容易得到高純鈦基粉末材料，其純度在4N-5N。
[0021]通過(guò)該裝置制，磁懸浮熔煉爐在高頻電磁場(chǎng)作用下，可以對(duì)鈦基材料進(jìn)行懸浮熔化精煉，也可以是高熔點(diǎn)、化學(xué)活性活潑的難熔材料；
[0022]通過(guò)該裝置，由于熔煉過(guò)程中熔融金屬不與坩堝直接接觸，使得熔體與坩堝間的熱傳導(dǎo)大幅減少，熔液的自由表面擴(kuò)大，熔體整體溫度比較均勻，可再過(guò)熱度下熔煉，組分蒸發(fā)大大減少，保持合金成分均的勻性。
[0023]通過(guò)該裝置，熔體在強(qiáng)烈的電磁攪拌作用下，熔體成分均勻。
[0024]通過(guò)該裝置，振動(dòng)篩安裝除靜電器，不但可防止粉末燃燒爆炸，還可消除粉末因靜電聚集的現(xiàn)象。
[0025]下面結(jié)合【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】對(duì)本實(shí)用新型的具體的實(shí)施方式進(jìn)一步的說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】
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【附圖說(shuō)明】
[0026]附圖為是一種制備鈦基粉末裝置圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如附圖所示，本實(shí)用新型一種制備鈦基粉末裝置結(jié)構(gòu)包括:真空自動(dòng)加料室1，真空室2，磁懸浮熔煉爐3，感應(yīng)線(xiàn)圈4，保溫輸液管6，霧化器7，霧化室8，收粉室9，傳動(dòng)粉末輸送管10，收粉罐11，收粉罐防靜電口 12，振動(dòng)篩13，振動(dòng)篩防靜電接口 14，霧化室觀(guān)察窗15，二級(jí)氣體冷卻裝置16 ；，一級(jí)氣體冷卻裝置17，電及冷卻水進(jìn)口 18，坩堝水冷管路19，測(cè)溫?zé)犭娕?1，活動(dòng)收粉罐22。其特征在于:一種制備基粉末裝置，其特征在于:真空室2，設(shè)在真空室上方的加料室1，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗4，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口18，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?1，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐3，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管6，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室8，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器6，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置17，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置16，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室9，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管10及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐11，設(shè)在收粉罐上的防靜電器12，設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩13,設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜電器14,設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐22。
[0028]本實(shí)用新型裝置制備鈦基粉末的工作步驟如下:
[0029](I)對(duì)整套真空磁懸浮熔煉制粉裝置進(jìn)行抽真空，包括加料室1、真空室2、霧化室
8、收粉室9、收粉罐11、振動(dòng)篩13等，裝置真空度小于于6X10_4MPa，含氧量低于Ippm ;同時(shí)，對(duì)磁懸浮熔煉爐加載電源；[0030](2)真空加料室I中的爐料預(yù)熱后自動(dòng)加入到磁懸浮熔煉爐3中，所述爐料可以是純鈦、Τ?6Α14等傳統(tǒng)鈦基材料，也可以是經(jīng)過(guò)合理配比過(guò)的新型鈦基材料，如TiAlNb、TiSr, TiSrZr, TiNbTaZr等新型合金爐料；
[0031](3)熔煉爐在強(qiáng)大的高頻磁場(chǎng)作用下，并作用在處于電磁場(chǎng)中的鈦合金爐料上，此交變電磁場(chǎng)會(huì)在鈦基爐料表面產(chǎn)生一個(gè)高頻渦流，并使得工件產(chǎn)生磁場(chǎng)。爐料的高頻渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力將其懸浮在熔煉爐空中，根據(jù)公式q=i2*r*t，工件自身開(kāi)始產(chǎn)生熱量，在極短的時(shí)間內(nèi)急劇升溫熔化；熔融金屬液在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)下獲得充分的攪拌、除渣、除氣，使得渣質(zhì)浮在熔體上端，純化的金屬液位于熔體下端；[0032](4)通過(guò)控制磁場(chǎng)，使純化的金屬液自由降落到霧化室8，在超音高壓氬氣噴射下7，迅速霧化成表層凝固，內(nèi)層半凝固的狀粉末，再經(jīng)兩級(jí)氬氣冷卻裝置(16、17)冷卻，形成球狀度很高的粉末，其粒度在1-300 μ m之間,含氧量低于1800ppm,含氮量低300ppm ;所述的超音高壓氬氣壓力可控。
[0033](5)霧化成型的粉末落入收粉室9中，通過(guò)傳送管將粉末傳送到收粉罐12中，所述傳送管采用的是螺旋氣動(dòng)混合輸送方式，保證送料的均勻性；收粉罐設(shè)有防靜電器，防止粉末燃燒爆炸和聚集；
[0034](6)收粉罐中的粉末進(jìn)入振動(dòng)篩后，振動(dòng)篩對(duì)粉末進(jìn)行篩分。根據(jù)粒度不同，將粉末收集到活動(dòng)收粉罐22中，所述活動(dòng)收粉罐內(nèi)含惰性氣體，振動(dòng)篩設(shè)有防靜電接器，防止粉末燃燒爆炸和聚集。
[0035]實(shí)施例1、平均粒度為20 μ m、純度為4N、球化率為90%、含氧量量低于2000ppm、含氮量低于500ppm的Ti6A14V粉末，制備工藝的主要參數(shù)為:Ti6A14V爐料純度在2N-3N，系統(tǒng)真空度6X10_4MPa，系統(tǒng)含氧量低于lppm，電源功率為200Kw，超音高壓氬氣壓力為5.23MPa，震動(dòng)頻率為85HKz，兩級(jí)冷卻裝置氬氣壓力為0.6MPa。
[0036]實(shí)施例2、平均粒度為20 μ m、純度為4N、球化率為90%、含氧量量低于1800ppm、含氮量低于300ppm的純粉末，制備工藝的主要參數(shù)為:純鈦爐料純度在2N-3N，系統(tǒng)真空度6X 10_5MPa，系統(tǒng)含氧量低于lppm，電源功率為200Kw，超音高壓氬氣壓力為5.23MPa，震動(dòng)頻率為85HKz，兩級(jí)冷卻裝置氬氣壓力為0.6MPa。
[0037]通過(guò)真空磁懸浮熔煉制粉裝置制備鈦基粉末材料，提高了鈦基粉末材料純度，降低材料含氧量含氮量，粉末球化率高，球形度好?？梢院芎眠\(yùn)用在傳統(tǒng)粉末冶金行業(yè)以及新興的激光3D打印產(chǎn)業(yè)中。此外，通過(guò)該裝置還可制備高熔點(diǎn)金屬粉末材料，如W、V、Zr、Cr、Nb等難熔金屬和臺(tái)金，Ir、Pt等貴金屬和合金等。
【權(quán)利要求】
1.一種制備鈦基粉末的裝置，其特征在于:包括真空室(2)，設(shè)在真空室上方的加料室(1)，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗(4)，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口(18)，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?21)，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐(3)，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管(6)，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室(8)，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器(6)，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置(17)，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置(16)，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室(9)，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管(10)及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐(11 )，設(shè)在收粉罐上的防靜電器(12)，設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩(13)，設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜器(14)，設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置的冷態(tài)極限真空小于8X10_6Pa，熱態(tài)極限真空小于6X10_5Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述磁懸浮熔煉爐熔煉溫度在1500 0C -2500 °C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的磁懸浮熔煉爐可懸浮爐料重量最大值為50kg。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述霧化室的內(nèi)層不銹鋼表面做有耐高溫透明防護(hù)及不粘處理復(fù)合涂層。
【文檔編號(hào)】B22F9/08GK203390198SQ201320411880
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】林錦新, 盧衍錦, 黃婷婷, 吳松全, 甘藝良, 崔紅生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種制備鈦基粉末裝置。該裝置包括真空室、磁懸浮熔煉爐、霧化制粉室、篩分系統(tǒng)；工作時(shí)，磁懸浮熔煉爐通以高頻交變電流后，線(xiàn)圈周?chē)臻g將產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，高頻交變磁場(chǎng)在爐料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流。感應(yīng)渦流與外界交變磁場(chǎng)相互作用使?fàn)t料產(chǎn)生懸浮力，懸浮力與物料的自重平衡使之懸浮，同時(shí)渦流回路產(chǎn)生大量的熱，使?fàn)t料迅速熔化，熔體在強(qiáng)烈的電磁攪拌作用下，除渣、除氣、提純。通過(guò)控制磁場(chǎng)，將純化的熔體降落到氣霧化室中，在超音速高壓氬氣霧化器和冷卻裝置作用下，熔體被霧化成球形度好、含氧量小于1800ppm、含氮量小于300ppm的球狀鈦基粉末。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種制備鈦基粉末裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種粉末制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種真空磁懸浮制備高純鈦基粉末技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，金屬材料特別是帶有戰(zhàn)略性的高熔點(diǎn)合金材料已成為高附加值和高精尖的軍民兩用的高科技產(chǎn)品的發(fā)展方向，而粉末冶金技術(shù)及新新興的激光3D打印技術(shù)是制備是賦予高科技產(chǎn)品行之有效的方法。特別是激光3D打印技術(shù)，用該方法可獲得成分無(wú)偏析、性能穩(wěn)定、組織均勻的零部件；從經(jīng)濟(jì)上看，該方法是一種少切屑或無(wú)切屑的工藝。與傳統(tǒng)鍛材加工技術(shù)相比，制備部件基本為近凈成形，材料利用率幾乎可以達(dá)到100%。但是，這些領(lǐng)域?qū)Σ牧系奈锢怼⒒瘜W(xué)性質(zhì)都有很高的要求。從激光燒結(jié)的角度，對(duì)粉末提出了如下要求:粒度分布窄；單分散；球形；特殊情形需要高純粉末；其目的在于使燒結(jié)體產(chǎn)品的密度分布均勻，機(jī)械性能和其它物理性能空間分布均勻化。因此，原始粉末的純度、均勻性和粒度、晶粒度對(duì)制備細(xì)晶全致密的高性能產(chǎn)品起著決定性的作用。
[0003]從激光燒結(jié)理論上講，1064nm波長(zhǎng)的光纖激光器的理論光斑精度為1.064微米，如果擁有粒徑等于或小于1064nm的粉末，完全能夠運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出精度更高、表面質(zhì)量更好、力學(xué)性能優(yōu)的產(chǎn)品，將在民用、軍用等高端領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。
[0004]鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的結(jié)構(gòu)材料。被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)用器件、航空航天材料、汽車(chē)制造及其他高附加值領(lǐng)域。我國(guó)擁有全球60%的鈦資源，其中95%用來(lái)生產(chǎn)鈦白粉，而金屬鈦的產(chǎn)量?jī)H占世界產(chǎn)量的5%，鈦粉工業(yè)作為鈦工業(yè)的一個(gè)分支行業(yè)，其所占的比例更小。這主要是傳統(tǒng)鈦合金制件的加工工藝周期長(zhǎng)、費(fèi)用高以及鈦材料本身的高硬度使得應(yīng)用傳統(tǒng)方法加工顯得極為困難，嚴(yán)重制約了鈦合金的應(yīng)用。因此，制備高性能、低成本鈦合金制件成了鈦合金發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前，我國(guó)是粉末冶金工業(yè)非常發(fā)達(dá)的國(guó)家，但是在鈦粉研制和生產(chǎn)、深加工方面、規(guī)模較國(guó)外的水平差距很大還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國(guó)外。一些高品質(zhì)鈦基粉末材料主要依賴(lài)進(jìn)口，不但價(jià)格高昂，而且還受到技術(shù)壁壘限制。
[0005]由于鈦是活性金屬，其粉末極易吸收氣體，一般在制粉過(guò)程中，粉末粒子表面或內(nèi)部所形成的任何一種極穩(wěn)定的鈦的氧化物，在其后的整個(gè)處理過(guò)程中都將存在，高品質(zhì)鈦粉出粉率也只有20-30%左右。盡管鈦和鈦合金粉末的制取方法很多，但根據(jù)其制備過(guò)程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)看，可將其分為三大類(lèi):化學(xué)反應(yīng)法，霧化法和機(jī)械粉碎法。
[0006]化學(xué)反應(yīng)法僅適用于純鈦粉的制備，且制得的粉末不致密或氯根含量較高；傳統(tǒng)惰性氣體霧化由于存在坩堝污染，無(wú)法保證純度，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化可以制備高純凈度的鈦合金粉末，但這兩種方法制備的粉末較粗，平均粒徑一般在70?200 μ m以上。目前，80%的鈦金屬粉末的制備以霧化法為主；機(jī)械粉碎法粉末的氧含量往往偏高，通常高于
0.2%。
[0007]上述方法均是鈦基粉末粉制備方法，但是這些傳統(tǒng)鈦粉制備技術(shù)，鈦基原料料或多或少會(huì)與外界接觸，如爐襯耐火材料，導(dǎo)致粉末材料污染氧化嚴(yán)重、粒度大、球化率低，影響鈦基粉末材料激光3D打印行業(yè)的運(yùn)用。
[0008]目前，鈦基粉末的霧化制粉過(guò)程基本包括:原材料精煉、提純、凝固、霧化制粉等。原料精煉、提純、凝固是一個(gè)冶金過(guò)程，制得霧化制粉原材料，霧化制粉是一個(gè)粉末冶金過(guò)程。因此傳統(tǒng)的制粉技術(shù)需要經(jīng)歷兩次的冶金過(guò)程，是一種高耗能、低效率、高成本的工藝。原材料制備結(jié)果決定了霧化制粉粉末的純度，霧化制粉過(guò)程控制和二次污染將增加制得粉末的雜質(zhì)，降低粉末的品質(zhì)。
[0009]目前，國(guó)際上已有無(wú)坩堝霧化制備鈦粉技術(shù)，美國(guó)專(zhuān)利5084091提出了水冷坩堝霧化制備鈦粉技術(shù)，該方法通過(guò)水冷作用，冷卻鈦基與坩堝的接觸面，使接觸面上在形成一層鈦膜，避免鈦和坩堝的直接接觸，再一定程度上避免了制得粉末二次污染的問(wèn)題，但鈦粉的純度最終受限于原材料的純度。德國(guó)LeyboId AG以及國(guó)內(nèi)“惰性氣體霧化法制取鈦和鈦合金粉末”都采用無(wú)坩堝電極感應(yīng)霧化制備鈦粉。該方法雖然鈦材不與坩堝接觸，避免制粉過(guò)程中的坩堝污染，同樣鈦粉的純度受限于原材料的純度。這些方法雖然沒(méi)有提及原材料熔化、精煉、提純、凝固冶金過(guò)程，但是并沒(méi)有改變制粉流程中兩次冶金過(guò)程，從而導(dǎo)致制粉中的高耗能、低效率、高成本問(wèn)題本質(zhì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型融合真空磁懸浮熔煉提純、霧化制粉、自動(dòng)篩分等一體化生產(chǎn)技術(shù)，提出了一種可純化合金并高效生產(chǎn)球形度好、球化率高、高純度、粒度可控鈦基粉末的真空磁懸浮熔煉裝置，解決現(xiàn)有鈦基粉末制備過(guò)程中極易受到氧化污染、純度低等問(wèn)題。
[0011]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)基本方案是:一種制備鈦基粉末的裝置，其特征在于:包括真空室2，設(shè)在真空室上方的加料室1，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗4，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口 18，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?1，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐3，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管6，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室8，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器6，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置17，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置16，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室9，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管10及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐11，設(shè)在收粉罐上的防靜電器12,設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩13,設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜器14,設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐22。
[0012]所述裝置的冷態(tài)極限真空小于8X 10_6Pa，熱態(tài)極限真空小于6X 10_5Pa，鈦基熔液的氧化程度極為的輕微，氧化物雜質(zhì)大幅的減少。
[0013]所述磁懸浮熔煉爐熔煉溫度在1500°C -2500°C。
[0014]所述的磁懸浮熔煉爐可懸浮爐料重量最大值為50kg。
[0015]所述磁懸浮熔煉爐熔煉過(guò)程中熔體懸浮在空中，不與坩堝接觸；經(jīng)過(guò)除渣、除氣后，渣質(zhì)浮在熔體上端，提純后鈦基金屬液位于熔體下端；通過(guò)控制磁場(chǎng)，控制高純度下端熔體進(jìn)入霧化室，進(jìn)一步提高了粉末的純度。
[0016]所述霧化器設(shè)有消音裝置，有效降低工業(yè)噪音污染。
[0017]所述霧化室的內(nèi)層不銹鋼表面做有耐高溫透明防護(hù)及不粘處理復(fù)合涂層。[0018]本實(shí)用新型將將真空磁懸浮熔煉提純、霧化制粉末和自動(dòng)篩分技術(shù)結(jié)合在一起，制備工藝在密閉、高真空、連續(xù)生產(chǎn)的條件下進(jìn)行，因此制備出的鈦基粉末純度高、含氧量低。該技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有以下效果:
[0019]通過(guò)該裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加料、懸浮熔化精煉、霧化制粉，自動(dòng)篩分，完全解決一般真空制粉技術(shù)因爐料受坩堝污染等問(wèn)題。真正解決鈦基粉末在制粉過(guò)程中被污染、氧化等問(wèn)題。
[0020]通過(guò)該裝置，磁懸浮熔煉爐在高頻電磁場(chǎng)作用下，鈦基熔體懸浮在坩堝空中熔化、除渣純化。一方面，避免熔體直接接觸坩堝；另一方面，經(jīng)過(guò)除渣、除氣后，渣質(zhì)浮在熔體上端，純化的鈦基金屬液位于熔體下端，容易得到高純鈦基粉末材料，其純度在4N-5N。
[0021]通過(guò)該裝置制，磁懸浮熔煉爐在高頻電磁場(chǎng)作用下，可以對(duì)鈦基材料進(jìn)行懸浮熔化精煉，也可以是高熔點(diǎn)、化學(xué)活性活潑的難熔材料；
[0022]通過(guò)該裝置，由于熔煉過(guò)程中熔融金屬不與坩堝直接接觸，使得熔體與坩堝間的熱傳導(dǎo)大幅減少，熔液的自由表面擴(kuò)大，熔體整體溫度比較均勻，可再過(guò)熱度下熔煉，組分蒸發(fā)大大減少，保持合金成分均的勻性。
[0023]通過(guò)該裝置，熔體在強(qiáng)烈的電磁攪拌作用下，熔體成分均勻。
[0024]通過(guò)該裝置，振動(dòng)篩安裝除靜電器，不但可防止粉末燃燒爆炸，還可消除粉末因靜電聚集的現(xiàn)象。
[0025]下面結(jié)合【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】對(duì)本實(shí)用新型的具體的實(shí)施方式進(jìn)一步的說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0026]附圖為是一種制備鈦基粉末裝置圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如附圖所示，本實(shí)用新型一種制備鈦基粉末裝置結(jié)構(gòu)包括:真空自動(dòng)加料室1，真空室2，磁懸浮熔煉爐3，感應(yīng)線(xiàn)圈4，保溫輸液管6，霧化器7，霧化室8，收粉室9，傳動(dòng)粉末輸送管10，收粉罐11，收粉罐防靜電口 12，振動(dòng)篩13，振動(dòng)篩防靜電接口 14，霧化室觀(guān)察窗15，二級(jí)氣體冷卻裝置16 ；，一級(jí)氣體冷卻裝置17，電及冷卻水進(jìn)口 18，坩堝水冷管路19，測(cè)溫?zé)犭娕?1，活動(dòng)收粉罐22。其特征在于:一種制備基粉末裝置，其特征在于:真空室2，設(shè)在真空室上方的加料室1，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗4，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口18，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?1，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐3，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管6，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室8，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器6，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置17，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置16，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室9，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管10及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐11，設(shè)在收粉罐上的防靜電器12，設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩13,設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜電器14,設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐22。
[0028]本實(shí)用新型裝置制備鈦基粉末的工作步驟如下:
[0029](I)對(duì)整套真空磁懸浮熔煉制粉裝置進(jìn)行抽真空，包括加料室1、真空室2、霧化室
8、收粉室9、收粉罐11、振動(dòng)篩13等，裝置真空度小于于6X10_4MPa，含氧量低于Ippm ;同時(shí)，對(duì)磁懸浮熔煉爐加載電源；[0030](2)真空加料室I中的爐料預(yù)熱后自動(dòng)加入到磁懸浮熔煉爐3中，所述爐料可以是純鈦、Τ?6Α14等傳統(tǒng)鈦基材料，也可以是經(jīng)過(guò)合理配比過(guò)的新型鈦基材料，如TiAlNb、TiSr, TiSrZr, TiNbTaZr等新型合金爐料；
[0031](3)熔煉爐在強(qiáng)大的高頻磁場(chǎng)作用下，并作用在處于電磁場(chǎng)中的鈦合金爐料上，此交變電磁場(chǎng)會(huì)在鈦基爐料表面產(chǎn)生一個(gè)高頻渦流，并使得工件產(chǎn)生磁場(chǎng)。爐料的高頻渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力將其懸浮在熔煉爐空中，根據(jù)公式q=i2*r*t，工件自身開(kāi)始產(chǎn)生熱量，在極短的時(shí)間內(nèi)急劇升溫熔化；熔融金屬液在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)下獲得充分的攪拌、除渣、除氣，使得渣質(zhì)浮在熔體上端，純化的金屬液位于熔體下端；[0032](4)通過(guò)控制磁場(chǎng)，使純化的金屬液自由降落到霧化室8，在超音高壓氬氣噴射下7，迅速霧化成表層凝固，內(nèi)層半凝固的狀粉末，再經(jīng)兩級(jí)氬氣冷卻裝置(16、17)冷卻，形成球狀度很高的粉末，其粒度在1-300 μ m之間,含氧量低于1800ppm,含氮量低300ppm ;所述的超音高壓氬氣壓力可控。
[0033](5)霧化成型的粉末落入收粉室9中，通過(guò)傳送管將粉末傳送到收粉罐12中，所述傳送管采用的是螺旋氣動(dòng)混合輸送方式，保證送料的均勻性；收粉罐設(shè)有防靜電器，防止粉末燃燒爆炸和聚集；
[0034](6)收粉罐中的粉末進(jìn)入振動(dòng)篩后，振動(dòng)篩對(duì)粉末進(jìn)行篩分。根據(jù)粒度不同，將粉末收集到活動(dòng)收粉罐22中，所述活動(dòng)收粉罐內(nèi)含惰性氣體，振動(dòng)篩設(shè)有防靜電接器，防止粉末燃燒爆炸和聚集。
[0035]實(shí)施例1、平均粒度為20 μ m、純度為4N、球化率為90%、含氧量量低于2000ppm、含氮量低于500ppm的Ti6A14V粉末，制備工藝的主要參數(shù)為:Ti6A14V爐料純度在2N-3N，系統(tǒng)真空度6X10_4MPa，系統(tǒng)含氧量低于lppm，電源功率為200Kw，超音高壓氬氣壓力為5.23MPa，震動(dòng)頻率為85HKz，兩級(jí)冷卻裝置氬氣壓力為0.6MPa。
[0036]實(shí)施例2、平均粒度為20 μ m、純度為4N、球化率為90%、含氧量量低于1800ppm、含氮量低于300ppm的純粉末，制備工藝的主要參數(shù)為:純鈦爐料純度在2N-3N，系統(tǒng)真空度6X 10_5MPa，系統(tǒng)含氧量低于lppm，電源功率為200Kw，超音高壓氬氣壓力為5.23MPa，震動(dòng)頻率為85HKz，兩級(jí)冷卻裝置氬氣壓力為0.6MPa。
[0037]通過(guò)真空磁懸浮熔煉制粉裝置制備鈦基粉末材料，提高了鈦基粉末材料純度，降低材料含氧量含氮量，粉末球化率高，球形度好?？梢院芎眠\(yùn)用在傳統(tǒng)粉末冶金行業(yè)以及新興的激光3D打印產(chǎn)業(yè)中。此外，通過(guò)該裝置還可制備高熔點(diǎn)金屬粉末材料，如W、V、Zr、Cr、Nb等難熔金屬和臺(tái)金，Ir、Pt等貴金屬和合金等。
【權(quán)利要求】
1.一種制備鈦基粉末的裝置，其特征在于:包括真空室(2)，設(shè)在真空室上方的加料室(1)，設(shè)在真空室的觀(guān)察窗(4)，設(shè)在真空室的冷卻水進(jìn)口及電進(jìn)口(18)，設(shè)在加料室兩側(cè)的測(cè)溫?zé)犭娕?21)，設(shè)在真空室內(nèi)的磁懸浮熔煉爐(3)，設(shè)在磁懸浮熔煉爐與其相連的保溫輸液管(6)，設(shè)在真空室下方與其連為一體的霧化室(8)，設(shè)在保溫輸液管末端兩側(cè)的霧化器(6)，設(shè)在霧化器下方的一級(jí)氣體冷卻裝置(17)，設(shè)在一級(jí)氣體冷卻裝置下方的二級(jí)氣體冷卻裝置(16)，設(shè)在霧化室下方的粉末收集室(9)，設(shè)在與收粉室相連接的傳動(dòng)粉末輸送管(10)及與傳動(dòng)粉末輸送管相連接的收粉罐(11 )，設(shè)在收粉罐上的防靜電器(12)，設(shè)在與收粉罐相連接的振動(dòng)篩(13)，設(shè)在振動(dòng)篩上的防靜器(14)，設(shè)在振動(dòng)篩下方的活動(dòng)收粉罐(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置的冷態(tài)極限真空小于8X10_6Pa，熱態(tài)極限真空小于6X10_5Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述磁懸浮熔煉爐熔煉溫度在1500 0C -2500 °C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的磁懸浮熔煉爐可懸浮爐料重量最大值為50kg。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述霧化室的內(nèi)層不銹鋼表面做有耐高溫透明防護(hù)及不粘處理復(fù)合涂層。
【文檔編號(hào)】B22F9/08GK203390198SQ201320411880
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】林錦新, 盧衍錦, 黃婷婷, 吳松全, 甘藝良, 崔紅生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
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