一種球形錸合金粉末及其制備方法、應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及合金粉末制備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種球形錸合金粉末及其制備方 法、應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 錸合金是以鎢、鉬、鈰為主體元素，含錸3-26wt% (鎢錸合金)或含錸2-50wt% (鉬 錸合金)的一類合金。錸的熔點(diǎn)僅次于鎢，它的高溫性能優(yōu)于純鎢，并且具有優(yōu)異的韌性。當(dāng) 錸加入純鎢中，能提高鎢的再結(jié)晶溫度300-500°C，在高溫下使用鎢錸合金發(fā)生再結(jié)晶而不 變脆。另外，可降低鎢的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度，有利于鎢的機(jī)械加工。鎢錸合金不但具有純鎢、錸 本來已有的性能優(yōu)勢，而且也具有兩者組合后的"化學(xué)反應(yīng)"優(yōu)勢，如具備高熔點(diǎn)、高硬度、 高強(qiáng)度、高的再結(jié)晶溫度、高的熱電勢值等。因鎢錸合金高溫性能和力學(xué)性能突出，主要用 作高溫結(jié)構(gòu)件、熱電偶、加熱元件、耐磨件等。
[0003] 由于錸合金熔點(diǎn)高，難以通過熔煉工藝制備，其部件后續(xù)機(jī)械加工不便，一般采用 粉末冶金方法制備。粉末冶金工業(yè)中制備鎢錸合金部件，一般采取鎢錸混合粉末或預(yù)合金 粉末做原材料，經(jīng)壓制、燒結(jié)及后續(xù)機(jī)械加工得到。鎢錸合金性能的優(yōu)劣很大程度取決于原 材料鎢錸粉末的混合均勻性、預(yù)合金化程度以及粉末的壓制性能等。錸合金粉之所以對合 金性能有著重要影響出于兩方面原因，第一、若粉末流動性差和松裝密度小，將導(dǎo)致殘留內(nèi) 應(yīng)力增加而形成分層裂紋或者成形坯密度不高。由于錸有明顯的加工硬化特征，若一味提 高鎢錸合金粉壓制壓力來提高粉坯密度其結(jié)果將適得其反。粉末冶金工藝中，一般在混合 粉中適量添加有機(jī)成形劑以提高壓坯強(qiáng)度。若成形劑分解不充分，殘余碳與鎢形成WC的脆 性相。第二、若鎢錸預(yù)合金粉中錸含量分布不均，特別是錸含量達(dá)到25%時，合金中富錸區(qū) 域?qū)⑿纬筛邚?qiáng)度高硬度的σ相(W 2Re3)，不利于合金后續(xù)加工和使用。因此，如何提高合金粉 末的成分均勻性以及如何改善粉末的流動性是制備性能優(yōu)良鎢錸合金的必要條件。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，錸合金中以鎢錸合金為例，鎢錸粉末主要采用固-固混合、固-液混合 以及固-固高能球磨的幾種方式進(jìn)行混合加工，如專利"一種鎢錸合金以及制備方法"用固 體鎢粉與錸酸銨溶液混合，存在錸酸銨溶液在干燥結(jié)晶中難以均勻附著在鎢粉顆粒表面， 甚至部分錸酸銨附著在容器表面，導(dǎo)致錸含量分布不均和計量不準(zhǔn)等問題。專利"一種鎢基 體合金及其制備方法"采用錸液與仲鎢酸銨溶液混合，再干燥還原得到鎢錸合金粉。該方法 雖然成分均勻性有所改善，但仍然存在錸酸銨和仲鎢酸銨在析出時的偏析的問題出現(xiàn)。
[0005] 有鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的第一目的在于提供一種球形錸合金粉末的制備方法，所述的球形錸合金 粉末克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的諸多技術(shù)問題，該方法將原料以液-液的形式混合、然后離心 霧化以及粉末球化等步驟進(jìn)行有機(jī)的銜接，具有制作簡單、操作方便以及制作成本低，能完 整的保留球形錸合金粉末中的各個原料的有效成份，更重要的在于提高了錸合金粉末的流 動性，具有超高的均勻度，提高球形度，即使合金粉末中錸含量再高粉末的表面也不會產(chǎn)生 任何裂紋影響性能，更不會存在初混合時偏析的問題發(fā)生，是個適于廣泛推薦利用的制備 方法，非常具有借鑒價值。
[0007] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種采用上述制備方法得到的球形錸合金粉末，該球 形錸合金粉末流動性好，成分均勻性高，經(jīng)過儀器檢測后發(fā)現(xiàn)該錸合金粉末球形度高、強(qiáng)度 高，各方面性能倶佳，無形之中提高了錸合金粉末的市場利用率，實(shí)用性強(qiáng)。
[0008] 本發(fā)明的第三目的在于提供一種所述的球形錸合金粉末的應(yīng)用，可應(yīng)用于鋼模壓 制、等靜壓、熱噴涂、注射成形以及3D打印等方面，其應(yīng)用非常廣泛，而且反響良好，質(zhì)優(yōu)價 廉，制作成本低，廣品性能尚。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種球形錸合金粉末，包括如下步驟：
[0011] (A)將錸酸銨溶液與含鈰、鉬、鎢元素中的一種或幾種的金屬酸銨溶液混合形成混 合液；
[0012] (B)將所述混合液在15000-18000rad/min的速率下離心霧化形成霧化液，并高溫 蒸發(fā)水分得到合金粉末；
[0013] (C)將所述合金粉末氫氣還原后，采用等離子體加熱熔化以球化，即得。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)中，錸合金中以鎢錸粉末為例，主要有如下幾種方法制備，如表1所示：
[0015] 表1現(xiàn)有技術(shù)中的錸合金粉末的制備方法
[0018]從上述表格中也可以詳見，現(xiàn)有技術(shù)中的制備方法普遍存在均勻性差，流動性差 等各種問題，嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，影響錸合金粉末的市場化。因此為了克服現(xiàn)有技術(shù) 中存在的諸多技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種球形錸合金粉末的制備方法，首先從混合方式 上選擇了液-液混合，因?yàn)橄鄳B(tài)一致更利于混合后形成均一的相態(tài)，從而提高了各種金屬酸 銨溶液互混后的均一度，尤其在實(shí)際操作過程中使用混合設(shè)備進(jìn)行操作時，不會由于難以 混合均勻出現(xiàn)分層現(xiàn)象，或者粉末析出直接附著在容器的表面等問題。錸合金粉末中經(jīng)常 互配的原料有鈰、鉬、鎢元素形成的金屬酸銨溶液，較優(yōu)的是選擇含鎢元素的仲鎢酸銨溶 液，仲鎢酸銨溶液的濃度最好控制在10_20wt %，優(yōu)選濃度為15wt %。而原料中錸酸銨溶液 的濃度一般控制在5-8wt %，優(yōu)選濃度為6wt %，如果金屬酸銨溶液的濃度過高也不利于后 續(xù)混合，會影響均勻分散性，因此錸酸銨溶液、仲鎢酸銨溶液或者鉬酸銨溶液最好控制在適 宜的濃度范圍內(nèi)。
[0019]從源頭上解決了混合的問題，本發(fā)明還創(chuàng)造性的對形成的混合液進(jìn)行離心霧化操 作，現(xiàn)有技術(shù)中一般會混合后直接進(jìn)行加氫還原，而本發(fā)明在這混合與加氫還原兩個步驟 之間增添了離心霧化的操作，還優(yōu)化了操作參數(shù)，需要在15000_18000rad/min的超高速率 運(yùn)轉(zhuǎn)下進(jìn)行，更優(yōu)的速率控制在16000_17000抑(1/111；[11，還可以為16500瓜(1/111；[11、16800抑(1/ min、16900rad/min等，在這樣的速率下，混合液通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的加速力，對溶液顆粒進(jìn)行超 高速的粉碎使得顆粒在表面張力作用下呈現(xiàn)細(xì)小霧狀，達(dá)到納米級別，從而增強(qiáng)了后續(xù)形 成的錸合金金屬粉末的流動性等各方面的性能。霧化后通過高溫蒸發(fā)，高溫蒸發(fā)的溫度最 好為250-320°C，更優(yōu)選為280-300°C，使得水分蒸發(fā)被分離出去，結(jié)晶下來的金屬顆粒由于 重力作用直接降落下來收集進(jìn)行后續(xù)的操作即可。需要注意的是轉(zhuǎn)速一定要控制在這樣高 運(yùn)轉(zhuǎn)的速率下，速率稍低可能都會影響到后續(xù)制備出的錸合金金屬粉末的性能，達(dá)不到本 發(fā)明的發(fā)明目的，因此這個操控參數(shù)需要格外留意。
[0020]緊接著步驟(C)中，加氫還原這個步驟基本與現(xiàn)有技術(shù)的操作方式一致，并不是本 發(fā)明的保護(hù)重點(diǎn)，只是為了與本發(fā)明的其他操作步驟銜接的更加順暢，對加氫還原過程中 涉及的各項(xiàng)操作參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，比如氫氣還原的溫度最好控制在300_910°C之間， 氫氣量最好為l〇 _30m3/h，裝舟量最好為l_2kg，推舟速率最好控制在20_40min/舟。
[0021 ]最后，一般現(xiàn)有技術(shù)中加氫還原后會直接自然冷卻即可完成整個制備流程，但是 本發(fā)明創(chuàng)造性的在最后環(huán)節(jié)增加了粉末球化的操作步驟，具體粉末球化的方式為:利用等 離子體做熱源，錸合金粉末送入火焰中心被加熱熔化、加速、噴射，實(shí)際操作時都是采用等 離子設(shè)備進(jìn)行，等離子設(shè)備的功率控制在40-50KW，錸合金粉末的進(jìn)料速率控制在50-100g/ min之間，以更好的實(shí)現(xiàn)粉末的球化操作。錸合金粉末最好采用氬氣等惰性氣體送入火焰中 心，以防止氧氣、空氣對金屬粉末的性質(zhì)有影響，球化后的粉末也最好用氮?dú)獗Ｗo(hù)以防止氧 化。
[0022] 本發(fā)明由上述制備方法制備得到的錸合金粉末流動性好，成分均勻性高，經(jīng)過儀 器檢測后發(fā)現(xiàn)該錸合金粉末球形度高、強(qiáng)度高，各方面性能倶佳，無形之中提高了錸合金粉 末的市場利用率，實(shí)用性強(qiáng)，而且用途極為廣泛，可以廣泛用于鋼模壓制、等靜壓、熱噴涂、 注射成形以及3D打印等方面，尤其是3D打印。現(xiàn)有技術(shù)中，最為常見的為鎢錸合金粉末以及 鉬錸合金粉末這兩種粉末，因此本發(fā)明進(jìn)行制備時也以這兩種合金粉末為主。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0024] (1)本發(fā)明的球形錸合金粉末流動性好，成分均勻性高，經(jīng)過儀器檢測后發(fā)現(xiàn)該錸 合金粉末球形度高、強(qiáng)度高，各方面性能倶佳，無形之中提高了錸合金粉末的市場利用率， 實(shí)用性強(qiáng)；
[0025] (2)本發(fā)明的球形錸合金粉末的制備方法制作簡單、操作方便、制作成本低，能完 整的保留球形錸合金粉末中的各個原料的有效成份，更重要的在于提高了錸合金粉末的流 動性，具有超高的均勻度，即使合金粉末中錸含量再高粉末的表面也不會產(chǎn)生任何裂紋影 響性能，更不會使得在初混合時偏析的問題發(fā)生，是個適于廣泛推薦利用的制備方法，非常 具有借鑒價值；
[0026] (3)本發(fā)明的這種特殊的球形合金粉末的制備方法具有特定性，現(xiàn)有技術(shù)中沒有 任何記載，這種制備方法是發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)踐優(yōu)化出來的，是需要付出大量的創(chuàng)造性勞 動，而且操作步驟中涉及的每個操作參數(shù)比如操作轉(zhuǎn)速、各個階段的溫度等，均是要與錸合 金粉末的具體性質(zhì)相適應(yīng)的，以保證錸合金粉末的強(qiáng)度、球形度等指標(biāo)，為后續(xù)生產(chǎn)錸合金 金屬粉末提供