一种钛基非晶球形粉末的制备方法与流程

本发明涉及非晶合金制备方法，具体涉及一种钛基非晶球形粉末的制备方法。

背景技术：

1、钛及钛合金优异的耐热、耐蚀、抗疲劳性能在航空航天、航海装备中得到了广泛应用，为了满足钛及钛合金构件能可靠、耐蚀、精密连接，通常采用钛基钎料对两者进行焊接。钛基钎料的主成分为ti、zr，其中ti、zr性质类似且可实现无限互溶，而ti、zr温度较高，为了降低熔点，在合金中添加其他元素，从而制备获得钛基钎料。钛基钎料中各元素极易形成大量金属间化合物，性质硬脆，难以加工成条、带状，而且ti、zr元素在钎料中极易偏析，影响焊接效果。

2、为了避免钎料中成分偏析而影响焊接效果，且基于钛基非晶合金具有单相、成分均匀、无位错和结晶缺陷等特点，在钛及钛合金钎焊过程中采用钛基非晶合金可有效避免成分偏析，减小溶蚀，获得可靠焊接接头；因此，钛基钎料可以非晶合金状态完成焊接。并且，对于钛及钛合金复杂、薄壁构件的精密连接，其对钛基钎料的要求更高，需要钛基钎料以粉状或膏状装配；其中，球形粉末因其堆积密度高、使用过程中搭接作用弱、对焊接影响小等优势，相比于条带晶态钎料具有明显优势。

3、为了解决上述问题，目前常规制备钛基粉末(并非钛基非晶粉末)的技术为电极感应熔炼气雾化法(eiga)和等离子旋转电极雾化法(prep)，然而现有技术制备钛基粉末时仍然存在如下技术问题：(1)eiga制粉采用惰性气体(氩气)压力为3～6mpa，气流射速相对较低，对热量带走效率低，冷却速率一般不超过102k/s，不具备形成非晶粉末的冷却速率。(2)prep制粉转速低导致粉末粒径偏大，粉末飞出行的相对速度低，合金粉形成非晶能力弱；采用氩气作为保护和冷却介质的导热率及冷却速率不满足非晶形成临界冷却条件。

4、综上，现有技术均无法制备获得钛基非晶球形粉末；因此，亟需研发一种高成功率、高性能的钛基非晶球形粉末的制备方法，将钛基钎料制备为钛基非晶球形粉末，不仅有效弥补现有技术中制备非晶合金粉末技术的不足，还对钛基非晶粉末的广泛应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种钛基非晶球形粉末的制备方法，以解决现有技术无法制备钛基非晶球形粉末的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种钛基非晶球形粉末的制备方法，包括采用等离子旋转电极雾化法(prep)对钛基钎料进行处理，所述prep中以氩气和氦气为保护气体。

3、本方案的原理是：

4、等离子旋转电极雾化法(prep)是生产高纯球形钛粉较常用的离心雾化技术，其基本原理如图1所示，在保护气体环境中，自耗电极端面被等离子体电弧熔化为液膜，并在旋转离心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面张力的用下球化并冷凝成球形粉末。然而，非晶粉末的形成直接取决于合金熔体冷却时的临界冷却速度。当外界的冷却速度高于合金的临界冷却速度时，合金熔体在达到凝固温度时，其内部原子还未来得及结晶就被冻结在液态时所处的位置附近，从而形成无定形结构的非晶态固体；即外界的冷却速度足够快时，合金即可形成非晶粉末。

5、本方案的优点是：

6、1、相对于现有气雾化技术无法制备获得钛基非晶粉末而言，本方案通过采用等离子旋转电极雾化法，并组合使用氩气和氦气为保护气体，有效提升本工艺能达到钛基非晶粉末所需冷却速度，从而显著提升钛基非晶粉末的制备成功率和纯度。申请人通过长期实验发现，组合使用氩气和氦气为保护气体时，有效提升混合气体的导热系数，从而使得冷却速率可达6.35×104k/s，满足钛基块状非晶所需临界冷却速率103～104k/s，充分提高采用等离子旋转电极雾化法制备钛基非晶球形粉末的成功率。

7、2、相比于现有技术采用电极感应熔炼气雾化技术制备钛基粉末时易出现非球形粉和卫星粉等而言，本方案采用等离子旋转电极雾化法(prep)制备非晶球形粉末，通过采用自耗电极旋转，制备出的粉末纯净度较高，且不会因类似现有气雾化法中由粉末粒径不同导致出现“伞效应”而形成空心粉和卫星粉颗粒，从而显著提升制备所得钛基非晶粉末的品质，保证钛基非晶球形粉末在相关领域中的应用性能。

8、优选的，所述保护气体中氩气浓度为10～50％。

9、有益效果，本方通过将氩气和氦气混合，充分提升由钛基钎料制得的自耗电极所在环境的冷却速率，从而保证钛基钎料雾化为非晶球形粉末的外在要求，从而提升成功率。另，申请人通过长期实验发现，当保护气体中氩气浓度为10～50％时均能成功制备获得钛基非晶粉末，且所得非晶球形粉末的纯度较高且粒度集中；而当选择低于10％的氩气浓度时，其保护气体中氦气浓度过高，导致其等离子体起弧困难，无法制备获得钛基非晶粉末；当选择高于50％的氩气浓度时，则会因冷却速率无法达到钛基非晶粉末的冷却速率要求而降低成功率，具体表现为制备所得粉末中晶体粉末含量较高，且非晶粉末的粒度范围过于广泛而导致空心粉和卫星粉颗粒的形成，进而影响钛基非晶粉末的应用。

10、优选的，所述钛基钎料的气雾化具体在箱体内完成，所述氩气和氦气在充入箱体前完成混合。

11、有益效果：本方案通过提前混合氩气和氦气形成混合气体，有效提升混合气体的均匀性，从而保证箱体内各处空间中混合气体的导热系数均匀，从而提升制备所得钛基非晶球形粉末的粒径均匀性，进而保证非晶球形粉末的性能和品质。

12、优选的，所述钛基钎料为直径60～90mm的棒料。

13、优选的，所述等离子旋转电极雾化法中棒料的旋转速度大于25500rpm。

14、有益效果：本方案通过提高棒料旋转速度，可有效提高粉末从棒材甩出的初始速度，从而降低制备所得钛基非晶粉末的粒径。

15、优选的，所述等离子旋转电极雾化法中棒料的线速度大于80m/s。

16、有益效果，等离子旋转电极雾化法(prep)中等离子旋转电极雾化旋转速度越快，熔滴直径d越小，然而，过高的旋转速率不仅存在一定的安全风险，还显著增加设备的运行能耗，因此降低生产效益。而本方案通过限定钛基钎料的直径可有效降低棒料形成非晶球形粉末的旋转速度，从而可有效降低钛基钎料制备成钛基非晶球形粉末的条件和降低能耗，从而提升生产效益，同时还能有效降低高速旋转可能存在的安全隐患，提升生产安全性。

17、优选的，所述钛基钎料包括ti、zr和m，所述m为cu、ni、be、ag、sn、si、hf、al中的两种或三种组合，所述钛基合金的熔点相对偏移j≥0.2。

18、有益效果：合金的非晶形成能力可以用j表示，即熔点的相对偏移，计算公式为其中tm为合金熔点，为混合熔点；而的计算公式为式中ni是多元合金体系中第i元的摩尔分数；为多元合金体系中第i元的熔点。申请人实验发现，当钛基合金的熔点相对偏移j≥0.2时，合金易形成非晶合金。

19、优选的，所述钛基钎料中ti、zr的质量百分数总和超过50％。

20、有益效果：申请人实验发现，当钛基钎料中钛ti、锆zr的质量百分数总和超过50％时，钛基合金的熔点相对偏移始终大于等于0.2，更加便于获得易形成非晶粉末的钛基合金。