球形钒粉的制备方法与流程

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种球形钒粉的制备方法。

背景技术：

作为金属维生素之称的钒，以其优异的物理化学性能成为世界上具有重要战略意义的稀有金属。球形钒粉具有流动性好、振实密度和松装密度高的特点，所制备的钒金属材料具有中子辐照活性低、传热率高、热膨胀系数低以及优良的高温强度、良好的延展性和抗腐蚀性等优点，因此在3d打印、核电、航空航天、等离子喷涂领域有着广泛的应用。

目前国内生产球形钒粉的公司极少，目前球形钒粉的制备方法，采用感应熔炼后，将钒棒进行破碎，再将钒粉进行等离子体炬球化法。上述方法由于钒粉颗粒通过高温等离子体炬区域仅几十毫秒，颗粒表层熔化少量金属液体在表面张力作用下包覆颗粒形成球形，冷却后得到球形钒粉。这种方法生产的球形钒粉，因有孔隙和气孔，其球形钒粉颗粒中空心、孔隙缺陷较多，严重影响粉末致密性，同时等离子体炬球化设备价格昂贵，收粉系统通常设有多级，由于小颗粒粉末吸附性强，粉末附着管道内壁，无法进行有效回收，导致球形粉末收得率低。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种球形钒粉的制备方法，采用本发明所述方法制备的球形钒粉，球形度高、流动性好、振实密度高、粉末致密性好、孔隙少、空心球含量低，采用单级收粉系统减少了微细粉末损失，提高球形钒粉的收得率。

本发明将高纯钒粉压制成型，真空烧结成坯条后，利用电子束熔炼成钒棒，经锻造加工后通过等离子旋转电极雾化法制备粒度为10～150微米的球形钒粉，采用等离子弧作为热源持续熔化高速旋转的钒金属棒料端面，在离心力的作用下，完全熔化的钒金属液滴飞出并在惰性气体的冷却作用下快速凝固形成球形钒粉。

本发明所述球形钒粉的制备方法的流程为：钒粉压制成型→真空烧结→电子束熔炼→锻造→真空退火→等离子旋转电极雾化，具体的技术方案是：

1）压制成型

采用冷等静压机压制成型，将钒粉装入长条状的橡胶模套，密封好放入冷等静压机中，脱模后取出，得到压制的钒条；

2）真空烧结

步骤1）所述的钒条在真空炉中烧结，随炉冷却。

3）电子束熔炼

采用250kw的电子束熔炼炉，将烧结后的钒条通过入口阀装入炉内，抽真空至10^-4~10^-5pa，钒条缓慢送入电子枪的轰击区，融化后钒金属液滴入水冷铜坩埚内。钒液滴入坩埚将底垫缓慢的螺旋下拉引锭成φ60~φ70mm的钒锭，熔炼完毕后将钒锭进行剥皮。

4）锻造

将步骤3）所述钒锭，加热至900～1100℃，保温时间10～25min，锻造，始锻温度为1000～1100℃，终锻温度850～950℃，得到钒棒；

5）真空退火

步骤4）所述钒棒在真空度10^-4～10^-5pa下退火处理，退火温度900～1000℃，保温时间30～45min，随炉冷却；

6）等离子旋转电极雾化

经步骤5）退火后的钒棒在真空10^-4～10^-5pa下，99.99%的氦气的保护气氛中，将钒棒装入旋转进给装置中，启动旋转按钮和等离子枪电源，通过等离子旋转电极雾化成粒度为10～150微米的球形钒粉。

步骤1）所述的压制的压力为200～280mpa，保压时间60～120s。

步骤2）所述真空烧结的真空度10^-5pa。

步骤2）所述的烧结制度为400～600℃，保温30～60min；1000～1200℃，保温60～90min；1300～1500℃，保温120～150min，升温速度10℃/min。

步骤6）所述的保护气体为氦气。

步骤7）所述等离子旋转电极雾化的方法是：电极棒转速为16000～19000r/min，电流强度1500～1800a，进给速率0.6～1.0mm/s。

发明的有益效果

（1）本发明使用电子束熔炼制备钒棒，可以提高纯净度，降低钒中微量元素杂质含量，提高钒棒的可加工性能。

（2）本发明采用旋锻工艺，使钒棒组织更加均匀致密，真空退火消除了钒棒中的残余加工应力。

（3）本发明采用等离子旋转电极雾化制备的球形钒粉球形度高、流动性好、振实密度高、粉末致密性好、孔隙少、空心球含量低，采用单级收粉系统减少了微细粉末损失，提高球形钒粉的收得率。

本发明制备方法中所述的原料钒粉纯度≥99.99%。

采用本发明所述方法得到的球形钒粉的费氏粒度10～50微米，粒度呈正态分布，粉体颗粒为不规则形状。

附图说明

图1和图2为球形钒粉形貌。

具体实施方式

实施例1：

（1）钒粉压制成型：采用冷等静压机压制成型，将钒粉装入长条状的橡胶模套，密封好放入冷等静压机中，压制压力220mpa，保压时间80s，脱模后取出。

（2）真空烧结：将压制成型的钒条放入真空中频烧结炉中进行烧结，真空度1.0×10^-5pa，烧结制度为450℃保温60min，1000℃保温90min，1500℃保温120min，升温速度10℃/min，随炉冷却。

（3）电子束熔炼：采用250kw的电子束熔炼炉，将烧结后的钒条通过入口阀装入炉内，抽真空至1.0×10^-5pa，钒条缓慢送入电子枪的轰击区，融化后钒金属液滴入水冷铜坩埚内。钒液滴入坩埚将底垫缓慢的螺旋下拉引锭成φ60mm的钒锭，熔炼完毕后将钒锭进行剥皮。

（4）锻造：锻造设备为200公斤空气锤，加热温度为1100℃，保温时间15min，始锻温度为1100℃，终锻温度950℃，将钒锭加工至φ50mm的钒金属棒，锻造后进行剥皮。

（5）真空退火：将钒金属棒进行退火处理，真空度1.0×10^-5pa，退火温度950℃，保温时间45min，随炉冷却。

（6）等离子旋转电极雾化：将钒棒装入旋转进给装置中，抽真空至1.0×10^-5pa后，充入纯度99.99%的氦气，启动旋转按钮和等离子枪电源，电极棒转速为19000r/min，电流强度1500a，进给速率0.8mm/s，形成粒度为20～120微米的球形钒粉。

实施例2：

（1）钒粉压制成型：采用冷等静压机压制成型，将钒粉装入长条状的橡胶模套，密封好放入冷等静压机中，压制压力240mpa，保压时间90s，脱模后取出。

（2）真空烧结：将压制成型的钒条放入真空中频烧结炉中进行烧结，真空度1.3×10^-5pa，烧结制度为500℃保温40min，1100℃保温60min，1400℃保温150min，升温速度10℃/min，随炉冷却。

（3）电子束熔炼：采用250kw的电子束熔炼炉，将烧结后的钒条通过入口阀装入炉内，抽真空至1.3×10^-5pa，钒条缓慢送入电子枪的轰击区，融化后钒金属液滴入水冷铜坩埚内。钒液滴入坩埚将底垫缓慢的螺旋下拉引锭成φ70mm的钒锭，熔炼完毕后将钒锭进行剥皮。

（4）锻造：锻造设备为200公斤空气锤，加热温度为1000℃，保温时间20min，始锻温度为1050℃，终锻温度920℃，将钒锭加工至φ45mm的钒金属棒，锻造后进行剥皮。

（5）真空退火：将钒金属棒进行退火处理，真空度1.3×10^-5pa，退火温度980℃，保温时间30min，随炉冷却。

（6）等离子旋转电极雾化：将钒棒装入旋转进给装置中，抽真空至1.3×10^-5pa后，充入纯度99.99%的氦气，启动旋转按钮和等离子枪电源，电极棒转速为18000r/min，电流强度1700a，进给速率1.0mm/s，形成粒度为40～150微米的球形钒粉。

实施例3：

（1）钒粉压制成型：采用冷等静压机压制成型，将钒粉装入长条状的橡胶模套，密封好放入冷等静压机中，压制压力260mpa，保压时间60s，脱模后取出。

（2）真空烧结：将压制成型的钒条放入真空中频烧结炉中进行烧结，真空度1.5×10^-5pa，烧结制度为550℃保温40min，1200℃保温60min，1400℃保温150min，升温速度10℃/min，随炉冷却。

（3）电子束熔炼：采用250kw的电子束熔炼炉，将烧结后的钒条通过入口阀装入炉内，抽真空至1.5×10^-5pa，钒条缓慢送入电子枪的轰击区，融化后钒金属液滴入水冷铜坩埚内。钒液滴入坩埚将底垫缓慢的螺旋下拉引锭成φ60mm的钒锭，熔炼完毕后将钒锭进行剥皮。

（4）锻造：锻造设备为200公斤空气锤，加热温度为1050℃，保温时间20min，始锻温度为1050℃，终锻温度950℃，将钒锭加工至φ30mm的钒金属棒，锻造后进行剥皮。

（5）真空退火：将钒金属棒进行退火处理，真空度1.5×10^-5pa，退火温度960℃，保温时间35min，随炉冷却。

（6）等离子旋转电极雾化：将钒棒装入旋转进给装置中，抽真空至1.5×10^-5pa后，充入纯度99.99%的氦气，启动旋转按钮和等离子枪电源，电极棒转速为16000r/min，电流强度1800a，进给速率0.6mm/s，形成粒度为50～150微米的球形钒粉。

实施例1-3所得的球形钒粉通过电镜观察，可见球形钒粉球形度高、流动性好、振实密度高、粉末致密性好、孔隙少、空心球含量低。