钛或钛合金粉末的制备装置、制备方法及其应用与流程

本发明实施例涉及粉末冶金技术领域，特别涉及一种钛或钛合金粉末的制备装置、制备方法及其应用。

背景技术：

目前3d打印技术越来越多的在航空、航天、医疗等领域得到了工业化应用推广。钛或钛合金凭借自身具有低密度、高比强度、高耐热性能等性能优势，广泛用于航空、航天及冶金、轻工、医疗等领域。利用3d打印技术，可以有效的解决钛或钛合金机械加工困难的问题。然而，3d打印技术要求粉末具有高球形度、窄粒度分布、低氧含量、流动性好等技术指标。目前，3d打印用球形钛或钛合金粉末的制备方法主要包括等离子火炬雾化法、电极感应熔化气雾化法、等离子旋转电极法、和高频感应熔化金属丝、电弧熔丝法等。

专利us5707419公开了一种等离子火炬雾化制备技术，该技术制备的粉末粒度分布较窄，d50为40μm。但其生产效率很低，加上其设备昂贵、能耗大等问题，无法实现大规模的产业化应用；德国ald公司专利de4102101a1公开了一种电极感应熔化气雾化制备技术，采用无坩埚技术，有效地解决了传统坩埚熔炼钛合金过程中原料污染等问题，制备的粉末球形度好，但其连续化生产效率低，制备的粉末粒度分布偏粗(d50约为150μm)，不适用于高端精密3d打印制造要求；美国专利us5147448公开了一种离子旋转电极制备方法，该方法制备的钛或钛合金粉末纯净度高，无污染、含氧量低、球形度高、粒度分布窄。但其仍存在连续化生产效率差、制备粉末粒度粗(75-200μm)，生产成本高的问题。专利cn104475744a公开了一种高频感应熔化金属丝气雾化法制备球形钛或钛合金粉末技术，其雾化效果不佳，粉末粒度为30-100μm，细粉收得率较低。采用非限制式雾化方式，气流能量损失较大，成本高。专利cn107282936a公开了一种电弧熔丝法制备金属粉末技术，其雾化制备的金属粉末粒度分布不集中(5-300μm)，成产效率低。同时，为了获得粒度更细的金属粉末，需要保证喷射气体高压力、大流量才能实现，在制备钛合金粉末时，惰性气体的消耗量极大，且不能循环利用，生产成本高，不利于工业化应用推广。专利cn107900366a、cn107900367a公开的技术方案制备的钛合金粉粒度分布较为理想，但依然存在喷射用惰性气体因需满足高压力、大流量导致的惰性气体消耗量大、生产成本高的问题，限制其产业化推广。

综上所述，本领域技术人员亟需提供一种球形度好、粒度分布集中、制粉效率高、生产成本低的钛或钛合金粉末的制备装置及其制备工艺。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种钛或钛合金粉末的制备装置、制备方法及其应用，使得钛或钛合金粉末的球形度好、粒度分布集，且其制粉效率高，生产成本大幅度下降。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种钛或钛合金粉末的制备装置，包括雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘、正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极；雾化喷盘固定顶板与所述雾化喷盘同轴设置，雾化喷盘固定顶板和雾化喷盘上设有用于输送正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极的输送给进孔；正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极于输送给进孔的出口端接触构成熔化中心，雾化喷盘具有主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口；经主雾化气流喷口喷出的雾化气流在输送给进孔的出口端汇聚形成雾化中心，雾化中心与熔化中心重合。

本发明的实施例还提供了一种采用上述钛或钛合金粉末的制备装置制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10-3pa，冲入保护气体后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；

在整套制备装置的下方收集制备得到的钛或钛合金粉末。

本发明实施例相对于现有技术而言，本发明实施例具有以下优点：

1、采用正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极短路电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，实现了钛材的无污染熔化，此外，电弧的起弧点发生在正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极的接触点位置，起弧熔化范围小，避免多组正、负极钛丝熔化时的电弧力相互干扰问题，使得钛或钛合金粉末的制备过程更加稳定，所制备的钛或钛合金粉末粒度分布更为集中；同时短路电弧瞬时会产生巨大热量，温度高达3000k，产生的粉末在凝固过程中可实现快速凝固成球，使得钛或钛合金粉末具有更好的球形度和细粉收得率；

2、将熔化中心与雾化中心重合，即采用熔化中心与雾化中心紧耦合布置，钛材熔化后液即被主雾化气流喷口喷出的雾化气流限制并且雾化，使得钛或钛合金金属液的熔化位置与雾化中心的无限接近，最大限度的减少了钛或钛合金金属液从熔化中心到雾化中心的热量损失，保证了钛液雾化的过热度，实现了钛或钛合金雾化的高细粉收得率；

3、多组正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极同时熔化、雾化的设计，实现了钛或钛合金粉末的制备效率3倍以上提升，提高了钛或钛合金粉末的出份率；

4、在低压力、低雾化气压的条件下制备得到钛或钛合金粉末具有低氧含量、细粉收得率高的优点；

5、通过惰性保护气体的循环再利用，大大节约了惰性气体的使用量，降低了钛或钛合金粉末制备成本。

另外，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与雾化喷盘的中心轴线构成夹角为α的圆锥面，α＝20-60°。

另外，辅助保护气流喷口的喷射线与雾化喷盘中心轴线的夹角为β，β＝-5-10°。

另外，辅助保护气流喷口呈环孔布置，环孔上孔的个数为4-36个，环孔上孔的直径为0.1-2mm，环孔所在圆的直径为20-35mm。

另外，以主雾化气流喷口的水平高度为基准，辅助保护气流喷口的高度为±4mm。

另外，主雾化气流喷口呈环缝布置，环缝的宽度为0.4-2mm，环缝所在圆的直径为12-30mm。

另外，所述输送给进孔为1-6组，每组输送给进孔对应设置，每组两个输送给进孔之间的夹角为20-45°，且各组输送给进孔的夹角相等，输送给进孔平均分配于环形圆面上。

另外，还包括固定支架以及于固定支架上安装的外置送丝装置，固定支架安装于雾化喷盘或雾化喷盘固定顶板。

另外，主雾化气流喷口喷出的雾化气流压强为0.3-1.2mpa，辅助保护气流喷口喷出的雾化气流压强为0.2-1.0mpa；主雾化气流喷口喷出的雾化气体以及辅助保护气流喷口喷出的雾化气体为氩气或氦气。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明实施例1中的钛或钛合金粉末的制备装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例2制备的钛粉粒度分布图谱；

图3是根据本发明实施例3制备的钛合金粉的扫描电镜形貌图谱。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

实施例1

本实施例涉及一种钛或钛合金粉末的制备装置，如图1所示，该装置包括雾化喷盘固定顶板1、雾化喷盘2；雾化喷盘固定顶板1固定于雾化喷盘2上，雾化喷盘固定顶板1及雾化喷盘2同轴设置，雾化喷盘固定顶板1和雾化喷盘2上设有多个用于输送正极钛或钛合金丝电极3、负极钛或钛合金丝电极4的输送给进孔5；正极钛或钛合金丝电极3、负极钛或钛合金丝电极4于输送给进孔5的出口端接触构成熔化中心，雾化喷盘2具有主雾化气流喷口2-1以及辅助保护气流喷口2-2；经主雾化气流喷口2-1喷出的雾化气流在输送给进孔5的出口端汇聚形成雾化中心，雾化中心与熔化中心重合。

具体地，该装置还包括固定支架以及于固定支架上安装的外置送丝装置6，固定支架安装于雾化喷盘或雾化喷盘固定顶板上，多组正极钛或钛合金丝电极3、多组负极钛或钛合金丝电极4的直径为2-6m；且分别通过外置送丝装置6连接至电源的正、负极，多组正极钛或钛合金丝电极3、负极钛或钛合金丝电极4自输送给进孔5的进口端穿入，然后自输送给进孔5的出口端穿出。需要注意的是，在本实施例中输送给进孔5可以为1-6组，每组输送给进孔5对应设置，每组两个输送给进孔5之间的夹角为20-45°，且各组输送给进孔5的夹角相等，输送给进孔5平均分配于环形圆面上。即自输送给进孔5的出口端穿出的相对的两条正极钛或钛合金丝电极3、负极钛或钛合金丝电极4之间的夹角呈20-45°。

需要说明的是，输送给进孔5贯穿雾化喷盘固定顶板1、雾化喷盘2，本实施例中的输送给进孔5可以有2个，2个输送给进孔5分别设于雾化喷盘固定顶板1及雾化喷盘2中心轴线的两边，且每个输送给进孔5入口端的中心与雾化喷盘固定顶板1中心的距离等于雾化喷盘固定顶板1半径的1/2。

此外，2个输送给进孔5的出口端朝远离雾化喷盘2的方向延伸后相交，且交点位于熔化中心或雾化中心内。

优选地，雾化中心与主雾化气流喷口2-1的连线与雾化喷盘2的中心轴线构成夹角为α的圆锥面，α＝20-60°。

进一步地，辅助保护气流喷口2-2的喷射线与雾化喷盘2中心轴线的夹角为β，β＝-5-10°。

从主雾化气流喷口2-1喷射出来的高压雾化气体在雾化中心将流经雾化中心的金属液滴或者金属液流切断、分散、裂化成为微小液滴，凝固后获得粉末；同时，从辅助保护气流喷口2-2喷射出来的高压惰性气体可以避免雾化中心上部出现负压反喷的问题。

进一步地，主雾化气流喷口2-1可以呈环缝布置，环缝的宽度为0.4-2mm，环缝所在圆的直径为12-30mm，具体地，本实施例中的环缝布置指的是主雾化气流喷口2-1呈环状缝隙开设于雾化喷盘2的底面，且主雾化气流喷口2-1围绕输送给进孔5设置。

优选地，辅助保护气流喷口2-2可以呈环孔布置，环孔上孔的个数可以为4-36个，环孔上孔的直径可以为0.1-2mm，环孔所在圆的直径可以为20-35mm。具体地，本实施例中的环孔布置指的是辅助保护气流喷口2-2呈环状孔设于雾化喷盘2的底面，辅助保护气流喷口2-2围绕输送给进孔5设置，且辅助保护气流喷口2-2围绕主雾化气流喷口2-1。

需要注意的是，以主雾化气流喷口2-1的处于水平时的高度为基准，辅助保护气流喷口2-2的高度为±4mm，即，辅助保护气流喷口2-2的高度可以高于或低于主雾化气流喷口2-1的高度4mm。

作为一种优选实施例，雾化喷盘2和雾化喷盘固定顶板1通过螺栓7固定。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

1、采用正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极短路电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，实现了钛材的无污染熔化，此外，电弧的起弧点发生在正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极的接触点位置，起弧熔化范围小，避免多组正、负极钛丝熔化时的电弧力相互干扰问题，使得钛或钛合金粉末的制备过程更加稳定，所制备的钛或钛合金粉末粒度分布更为集中；同时短路电弧瞬时会产生巨大热量，温度高达3000k，产生的粉末在凝固过程中可实现快速凝固成球，使得钛或钛合金粉末具有更好的球形度和细粉收得率；

2、将熔化中心与雾化中心重合，即采用熔化中心与雾化中心紧耦合布置，钛材熔化后液即被主雾化气流喷口喷出的雾化气流限制并且雾化，使得钛或钛合金金属液的熔化位置与雾化中心的无限接近，最大限度的减少了钛或钛合金金属液从熔化中心到雾化中心的热量损失，保证了钛液雾化的过热度，实现了钛或钛合金雾化的高细粉收得率；

3、多组正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极同时熔化、雾化的设计，实现了钛或钛合金粉末的制备效率3倍以上提升，提高了钛或钛合金粉末的出份率；

4、在低压力、低雾化气压的条件下制备得到钛或钛合金粉末具有低氧含量、细粉收得率高的优点；

5、通过惰性保护气体的循环再利用，大大节约了惰性气体的使用量，降低了钛或钛合金粉末制备成本。

实施例2

一种制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：分别选取2盘直径为6mm的工业纯钛(cp-ti)丝作为原料丝材，分别将其通过外置送丝装置连接至电源的正、负极，形成一个单元组钛丝电极，单元组中正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极之间的夹角可以为20°；将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10^-3pa，冲入保护气体氩气后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源以及外置送丝装置；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；其中雾化工艺参数如下：主雾化气流喷口分布为环缝分布，环缝的宽度为0.4mm，环缝所在内圆直径为5mm，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与轴线夹角α为20°，主雾化喷嘴气流压力为0.3mpa；辅助保护气流喷口环孔个数为4个，环孔直径为0.1mm，环孔所在圆的直径为15mm，且其中心喷射线与轴线的夹角为β为-5°，辅助雾化喷嘴工作气流压力为0.2mpa。

需要说明的是，在雾化装置准备步骤中通入的保护气体可以经过系统过滤装置后增压，最后通过主雾化气流喷口或辅助保护气流喷口喷出，从而实现惰性气体的循环再利用，大大节约了惰性气体的使用量，降低了钛或钛合金粉末制备成本。

雾化结束后，在整套制备装置的下方收集制备得到的可以用于3d打印的钛或钛合金粉末，实施例2中的钛粉末的粒度如图2所示。

实施例3

一种制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：分别选取6盘直径为4mm的工业纯钛(tc4)丝作为原料丝材，分别将其中2盘钛合金丝通过外置送丝装置连接至对应的3台电源的正、负极，每一单元组中正、负极钛丝之间的夹角为35°；将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10^-3pa，冲入保护气体氩气后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源以及外置送丝装置；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；其中雾化工艺参数如下：主雾化气流喷口分布为环缝分布，环缝的宽度为1.2mm，环缝所在内圆直径为28mm，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与轴线夹角α为40°，主雾化气流喷口气流压力为0.75mpa；辅助保护气流喷口环孔个数为20个，环孔直径为1.0mm，环孔所在圆的直径为45mm，且其中心喷射线与轴线的夹角为β为-3°，辅助保护气流喷口工作气流压力为0.6mpa。

雾化结束后，在整套制备装置的下方收集制备得到的钛或钛合金粉末，实施例3中的钛合金粉末的粒度如图3所示。

实施例4

一种制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：分别选取12盘直径为2mm的工业纯钛(tai)丝作为原料丝材，按照6个单元钛丝电极组，分别将其中2盘钛合金丝通过送丝机构装置连接至对应的6台电源的正、负极，，每一单元组中正、负极钛丝之间的夹角为45°；将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10^-3pa，冲入保护气体氩气后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源以及外置送丝装置；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；其中雾化工艺参数如下：主雾化气流喷口分布为环缝分布，环缝的宽度为2mm，环缝所在内圆直径为50mm，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与轴线夹角α为60°，主雾化气流喷口气流压力为1.2mpa；辅助保护气流喷口环孔个数为36个，环孔直径为2.0mm，环孔所在圆的直径为70mm，且其中心喷射线与轴线的夹角为β为12°，辅助保护气流喷口工作气流压力为1.0mpa。

雾化结束后，在整套制备装置的下方收集制备得到的钛粉。

实施例5

一种制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：分别选取4盘直径为5mm的工业纯钛(tc4)丝作为原料丝材，按照2个单元钛丝电极组，分别将其中2盘钛合金丝通过送丝机构装置连接至对应的2台电源的正、负极，，每一单元组中正、负极钛丝之间的夹角为25°；将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10^-3pa，冲入保护气体氩气后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源以及外置送丝装置；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；其中雾化工艺参数如下：主雾化气流喷口分布为环缝分布，环缝的宽度为0.8mm，环缝所在内圆直径为16mm，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与轴线夹角α为30°，主雾化气流喷口气流压力为0.5mpa；辅助保护气流喷口环孔个数为12个，环孔直径为0.6mm，环孔所在圆的直径为30mm，且其中心喷射线与轴线的夹角为β为-1°，辅助保护气流喷口工作气流压力为0.5mpa。

雾化结束后，在整套制备装置的下方收集制备得到的钛或钛合金粉末。

实施例6

一种制备钛或钛合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

送丝准备：分别选取8盘直径为3mm的工业纯钛(cp-ti)丝作为原料丝材，按照4个单元钛丝电极组，分别将其中2盘钛合金丝通过送丝机构装置连接至对应的4台电源的正、负极，，每一单元组中正、负极钛丝之间的夹角为40°；将正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极自上而下依次穿过雾化喷盘固定顶板、雾化喷盘到达输送给进孔的出口端；

雾化装置准备：将主雾化气流喷口与辅助保护气流喷口设置在同一水平面上；对整套制备装置进行抽真空处理，压强为2.0×10^-3pa，冲入保护气体氩气后制备装置内部压强为0.04mpa，重复以上操作一次；开启与正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极连接的电源以及外置送丝装置；

熔融雾化：正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极接触短路产生的电弧热熔化正极钛或钛合金丝电极、负极钛或钛合金丝电极，开启主雾化气流喷口以及辅助保护气流喷口进行雾化；其中雾化工艺参数如下：主雾化气流喷口分布为环缝分布，环缝的宽度为1.6mm，环缝所在内圆直径为39mm，雾化中心与主雾化气流喷口的连线与轴线夹角α为50°，主雾化气流喷口气流压力为1.0mpa；辅助保护气流喷口环孔个数为28个，环孔直径为1.5mm，环孔所在圆的直径为58mm，且其中心喷射线与轴线的夹角为β为8°，辅助保护气流喷口工作气流压力为0.8mpa。

雾化结束后，在整套制备装置的下方收集制备得到的钛粉。

实施例7

将实施例2～6收集到的钛或钛合金粉末进行性能测试，测试结果如表1所示：

表1为本发明实施例2-6制备的钛或钛合金粉末的性能结果

由表1可知，实施例2-6制备的钛或钛合金粉末具有球形度好、粒度分布集中、流动性好、更高细粉收得率、制粉效率高等优点。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。