球形鈦粉制備技術(shù)的研究進展

曾 光，白保良，張 鵬，梁書錦，韓志宇，陳小林，張平祥

(1.西安歐中材料科技有限公司，陜西 西安 710018) (2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

球形鈦粉制備技術(shù)的研究進展

曾 光1，白保良2，張 鵬1，梁書錦1，韓志宇1，陳小林1，張平祥2

(1.西安歐中材料科技有限公司，陜西 西安 710018) (2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

對氣霧化法(GA法)、等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP法)、射頻等離子體球化法(RFP法)制備球形鈦粉的基本原理及研究進展進行了介紹，并對這三種方法的優(yōu)缺點進行了對此，最后指出我國球形鈦粉制備技術(shù)與國外仍存在一定差距，現(xiàn)階段應(yīng)重視粉體基礎(chǔ)理論研究，摸索粉體物理性質(zhì)與工藝參數(shù)之間的規(guī)律，通過不斷改進制粉設(shè)備、優(yōu)化制粉工藝來提高球形鈦粉的制備水平，獲得綜合性能優(yōu)良的球形鈦粉。

球形鈦粉；惰性氣體霧化法；超聲霧化法；等離子旋轉(zhuǎn)電極法；射頻等離子體球化法

0 引 言

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。較鍛造、鑄造等制備手段而言，用粉末冶金方法成形形狀復(fù)雜的金屬零部件具有材料利用率高、工藝流程短等優(yōu)點，成為降低鈦及鈦合金零部件制造成本的重要途徑[2]。鈦粉的性能是決定鈦及鈦合金粉末冶金制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。20世紀50年代美國發(fā)明了氫化脫氫法制取鈦粉的方法，20世紀70年代，旋轉(zhuǎn)電極離心霧化制備鈦粉技術(shù)日趨成熟。近年來，制備純度高、球形度好、氧含量低及粒徑小的鈦及鈦合金粉末成為鈦及鈦合金粉末冶金領(lǐng)域的發(fā)展方向及研究熱點[3-4]。目前，制備球形鈦及鈦合金粉的主要方法有：氣霧化法(GA法)、等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP法)及射頻等離子體球化法(RFP法)[5]。以這三種方法為例介紹了制備球形鈦粉的技術(shù)原理，另外介紹了國內(nèi)外球形鈦粉制備技術(shù)的研究進展，并對未來的發(fā)展方向進行了展望。

1 球形鈦粉制備方法及研究進展

1.1 氣霧化法

1.1.1 惰性氣體霧化法

惰性氣體霧化法制備球形鈦粉是目前國內(nèi)外最為主流的方法，所使用的原料為一定規(guī)格的鈦及鈦合金棒材。在坩堝內(nèi)將原料棒熔化，通過坩堝底部的噴嘴將產(chǎn)生的熔液用高速氣體噴射，使金屬液呈噴霧狀，冷凝形成球形鈦粉。氣霧化系統(tǒng)示意圖見圖1[6]。美國Crucible研究中心在1985年申請到了用水冷銅坩堝氬氣霧化制取鈦粉的專利，隨后在1988年建成可年產(chǎn)11 t鈦粉的氣霧化裝置。

圖1 惰性氣體霧化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of inert gas atomization system

近年來，北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料國防重點實驗室從英國PSI公司引進了冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氬氣霧化裝置，主要用于惰性氣體霧化鈦粉的制備與研究。北京航天材料及工藝研究所的王琪[7]在2010年用惰性氣體霧化法將TC11鈦合金棒材制成了粉末。利用該方法制備的粉末的特點是粉末粒徑分布范圍較寬，細粉收得率較高，且粉末成分與母合金棒材的成分偏差較小，雜質(zhì)元素能夠得到很好的控制。但由于氣霧法在制備鈦粉的過程中，被冷卻的液滴形成的不同尺寸顆粒的冷卻速度不同，導致球形度較差，行星顆粒較多；另一方面由于氣體破碎金屬液流時不可避免的會產(chǎn)生空心粉末[8]，這些空心粉末存留在后續(xù)粉末冶金工序中，會造成材料的內(nèi)部缺陷。另外，利用該方法制成的鈦粉經(jīng)熱等靜壓后得到的塊體材料的塑性指標較低，達不到鍛件的要求[9]。

1.1.2 超聲霧化法

超聲霧化制粉是近年發(fā)展起來的另一種氣霧化制粉方法，起源于20世紀60年代末。瑞典的Rajan等[10-11]率先開展了超聲霧化制取金屬粉末的研究，利用帶有Hartmann哨的Laval噴嘴產(chǎn)生的20～100 kHz脈沖超聲氣流沖擊金屬液流，成功制備出鋁、銅等合金粉末，后來被稱為超聲氣霧化金屬粉末制備技術(shù)。該技術(shù)主要有兩種：一種可將高頻電磁振蕩轉(zhuǎn)化為液體機械振動，使小液滴破碎成霧；另一種可使液體流經(jīng)超聲聚能器時在輻射表面形成薄液滴層，薄液滴層在超聲振動的作用下激起表面張力波，當振動面的振幅達到一定的峰值時，小液滴從波峰上飛濺而出形成霧，其裝置示意圖見圖2[12]。利用超聲霧化法制得的球形粉末的粒徑與超聲頻率成反比，超聲霧化系統(tǒng)的工作頻率越高，所制得的球形粉末粒度越小[13-14]。

圖2 超聲霧化裝置示意圖Fig.2 Diagram of ultrasonic atomization process

北京有色金屬研究院的張曙光等[15]早在2002年就利用超聲霧化法制得了球形金屬粉末，粉末表面光潔，粒徑在25～45 μm內(nèi)的分布較窄，尺寸較均勻，氧含量低，衛(wèi)星顆粒少，球形度好。瑞士Active Ultrasonics公司研究人員在超聲振動霧化基礎(chǔ)上成功開發(fā)出一種新型振子系統(tǒng)雙重超聲霧化系統(tǒng)，將兩種超聲霧化方法(超聲氣體霧化與超聲振動霧化)有機結(jié)合起來，可工業(yè)化生產(chǎn)微細(20 μm)和超微納米級的球形鈦粉。根據(jù)張力波理論，德國研究人員發(fā)明了離心-超聲霧化技術(shù)，在渦流離心腔的導流作用下，從噴嘴流出的金屬液形成空心錐結(jié)構(gòu)，使得金屬液體在振動面上的鋪展速度加劇，促進金屬液的鋪展和薄液膜的形成，減小霧化鈦粉的粒度，大大提高了微細鈦粉的收得率。德國Lierke等[16]發(fā)明了一種非接觸式超聲霧化法，該方法可將動能聚焦在小體積內(nèi)，提高能量聚集密度，從而進行高效霧化，可制備出粒度為10 μm左右的球形粉末。

1.2 等離子旋轉(zhuǎn)電極法

將金屬或合金制成自耗電極，電極端面受電弧加熱而熔化為液體，通過電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力將液體拋出并粉碎成細小液滴，最后冷凝成粉末的方法就是旋轉(zhuǎn)電極法。這種制粉方法在1974年由美國核金屬公司首先開發(fā)成功，可根據(jù)等離子弧電流的大小和電極轉(zhuǎn)速調(diào)控粉末的粒徑，其原理示意圖見圖3[17]。

圖3 等離子旋轉(zhuǎn)電極原理示意圖Fig.3 Diagram of plasma rotation electrode process

日本早在1990年就采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法在用來制作人造骨和過濾器的大粒徑(幾百微米)鈦合金粉末的制備上實現(xiàn)了突破，并且表明等離子旋轉(zhuǎn)電極法是最清潔的粉末制備方法之一，并預(yù)言該種方法將成為工業(yè)制備鈦粉的主流技術(shù)。

我國北京鋼鐵研究院和航天材料工藝研究所于1998年率先引進了俄羅斯的等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備，并開展了球形鈦粉的制備研究工作。航天材料及工藝研究所呂宏軍等[7]在2010年利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出了TC11鈦合金球形粉末。所制備的粉末的化學成分與原料棒材成分近似，且球形度好，無空心，顆粒表面光滑，行星顆粒少，粉末的流動性好。由此可見，相對于氣霧化法，等離子旋轉(zhuǎn)電極法的優(yōu)點是，所制備的粉末無空心結(jié)構(gòu)，可制備出球形度較好且沒有行星顆粒的鈦合金粉末。但缺點也是顯而易見的，呂宏軍等[7]利用PREP法制備的球形鈦粉的粒度多集中在106～246 μm，小于106 μm的球形鈦粉的收得率較低。綜合比較氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法發(fā)現(xiàn)，用PREP法制備的球形粉的綜合性能較好，能滿足等靜壓工藝對粉末的要求，且在粉末處理、運輸、除氣時均可表現(xiàn)出良好的性能。

目前，國內(nèi)已自主研發(fā)出了可用于制備球形鈦粉的等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備。其中，鄭州機械研究所承制的DXD-50型等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設(shè)備已經(jīng)通過生產(chǎn)考核，并投入生產(chǎn)運營，該設(shè)備可生產(chǎn)含氧量更低的鈦粉和高溫合金粉末。

1.3 射頻等離子體球化法

射頻等離子體球化法是利用射頻電磁場的感應(yīng)作用對各種氣體進行感應(yīng)加熱，產(chǎn)生射頻等離子，利用高溫的等離子體熔化非球形粉末，熔融的粉末顆粒在表面張力作用下，在極高的溫度梯度下，迅速冷凝形成球形度很高的小液滴，從而獲得球形粉末[18]。其裝置示意圖見圖4。

圖4 射頻等離子裝置示意圖Fig.4 Diagram of radio frequency induction plasma device

加拿大TEKNA公司開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)目前處于世界領(lǐng)先地位，該公司已經(jīng)利用射頻等離子技術(shù)實現(xiàn)了Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金屬粉末的球化處理。Hedger和Hall等[19]也利用射頻等離子體球化技術(shù)對Ti粉進行了球化處理，但處理后的粉末的球化率最高只有85%，且需要經(jīng)過多次篩分，生產(chǎn)效率較低，成本較高。

北京科技大學在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的支持下，研制出了國內(nèi)第一臺水冷石英射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)，采用水冷石英等離子體不僅可大大降低惰性冷卻氣體的消耗量，而且可以避免鈦粉在球化處理過程中被氧化，能夠顯著提高經(jīng)濟效益。另外，北京科技大學還將氫化脫氫技術(shù)與射頻等離子體球化技術(shù)相結(jié)合，以TiH2作為原料，采用射頻等離子球化技術(shù)制備出了球形度高、表面光潔、粒徑為20～50 μm的球形鈦粉[20]。圖5則為氫化鈦粉(TiH2)經(jīng)射頻等離子處理前后的SEM照片。

圖5 TiH2粉末經(jīng)等離子處理前后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photographs of TiH2powder before and after plasma treatment

西南科技大學的古忠濤等[21]在2009年利用射頻等離子體球化法，通過控制非球形鈦粉的進給量、制粉方式、冷卻速度等，制備出了球形度較好的鈦粉。但在射頻等離子體球化法在制備球形鈦粉的過程中，由于熔融碰撞、汽化再結(jié)晶等因素，會導致一定數(shù)量的大顆粒形成，因此被球化的非球形粉末顆粒不能過大。射頻等離子體球化法的優(yōu)點為可提高球形度，較好地改善粉末的流動性；可消除顆粒內(nèi)部的孔縫，提高粉末松散度；可適當改變顆粒表面形貌，提高粉末的純度。此外，由于等離子體反應(yīng)器內(nèi)氣氛可控，該工藝更有利于快速、簡捷地制備出高純球形粉末，具有良好的工業(yè)化前景[22]。

2 球形鈦粉制備方法比較

綜上所述，三種球形鈦粉的制備方法有著各自的優(yōu)缺點：①采用惰性氣體霧化法制備的鈦粉球形度較好，且粒度分布范圍較寬，細粉收得率高，成分較易控制，但明顯存在衛(wèi)星顆粒及空心粉末，另外還需消耗大量的惰性氣體，故生產(chǎn)成本較高；采用超聲霧化法可直接利用超聲振動霧化金屬，惰性氣體消耗量僅為氣霧化法的1%，并且由于有效地抑制了粉末之間的碰撞，使粉末中衛(wèi)星顆粒明顯減少，表面光潔，球形度好，工藝過程連續(xù)、可控、穩(wěn)定，但由于其對設(shè)備要求較高，目前尚處于研究階段；②等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的鈦粉球形度好，成分易于控制，但由于粉末顆粒的細化依賴于等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備的轉(zhuǎn)速，因此對設(shè)備的要求較高；③射頻等離子體球化法制備的球形鈦粉流動性好，松散度高，粉末顆粒內(nèi)部的孔隙與裂縫明顯減少，粉末純度高，表面形貌好，但工藝連續(xù)性劣于前兩種方法。

3 結(jié) 語

經(jīng)過幾十年的不懈努力，我國在氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法及射頻等離子體球化法制備球形鈦粉的核心技術(shù)研究方面積累了一定的經(jīng)驗，但與發(fā)達國家相比仍存在較大差距，特別是在金屬超聲霧化機制的基礎(chǔ)研究方面的不足使應(yīng)用技術(shù)本身的發(fā)展受到了制約。

從國際范圍來看，球形鈦粉的制備已逐漸轉(zhuǎn)向利用新技術(shù)、新設(shè)備、新手段，不斷向細微粉體制備方向發(fā)展。隨著球形鈦粉適用領(lǐng)域的不斷拓寬，其需求量也將快速增加，這為我國先進粉體制備技術(shù)加速趕上世界發(fā)達國家提供了契機和挑戰(zhàn)。在開展球形鈦粉制備技術(shù)研究的同時，重視粉體基礎(chǔ)理論研究，摸索粉體物理性質(zhì)與工藝參數(shù)之間的規(guī)律，通過不斷改進制粉設(shè)備、優(yōu)化制粉工藝來提高球形鈦粉的制備水平，獲得綜合性能優(yōu)良的球形鈦粉，是我國現(xiàn)階段的研究重點。

[1] Anoshkin N F，Demchenkov G G．Material science and technological aspects of rapidly solidified titanium alloy production[J]．Materials Science and Engineering A，1998，243(1)：263-268.

[2] 曲選輝，黃伯云．快速凝固鈦合金粉末的制備技術(shù)[J]．材料導報，1993(5)：12-15．

[3] 向青春，周彼德，李榮德．快速凝固法制取金屬粉末技術(shù)的發(fā)展狀況[J]．粉末冶金技術(shù)，2000，18(4)：283-291．

[4] 王倩，李青春，常國威．快速凝固技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]．遼寧工學院學報：自然科學版，2003，23(5)：40-44．

[5] 游濤，袁小川，蘇貴橋，等．鈦合金快速凝固技術(shù)及其研究現(xiàn)狀[J]．鑄造，2007，56(6)：567-571．

[6] 劉學暉，徐廣．惰性氣體霧化法制取鈦和鈦合金粉末[J].粉末冶金工業(yè)，2000，10(3)：18-22．

[7] 王琪，李圣剛，呂宏軍，等．霧化法制備高品質(zhì)鈦合金粉末技術(shù)研究[J]．鈦工業(yè)進展，2010，27(5)：16-18．

[8] 陳仕奇，黃伯云．金屬粉末氣體霧化制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展[J]．粉末冶金技術(shù)，2004，22(5)：297-302．

[9] 王智平，張振宇，蘇義祥，等．金屬合金粉末的研究與發(fā)展[J]．鑄造，2004，53(6)：415-418．

[10] Mir J M．Cavitation-included capillary waves in ultrasonic atomization[J]．The Journal of the Acoustical Society of America,1980，67(1)：201-205．

[11] Rajan R，Pandit A B．Correlations to predict droplet size in ultrasonic atomization[J]．Ultrasonics，2001，39(4)：235-255．

[12] Lawley A.Atomization:the production of metal powders[M].Princeton:Metal Powder Industries Federation,1992.

[13] Kiepura R T.Metals Handbook Ninth Edition,Vol.7,Powder Metallurgy[M].Ohio: American Society for Metals，1984：45．

[14] Parrini L．New technology for the design of advanced ultrasonic transducers for high-power applications[J]．Ultrasonics，2003，41(4)：261-269．

[15] 張曙光，楊必成，楊博,等．新型超聲霧化技術(shù)制備球形金屬粉末[J]．金屬學報，2002，38(8)：888-892．

[16] Ruthardt R，Lierke E G．A new ultrasonic atomization technique for the production of metal powders[J]．Modern Developments in Powder Metallurgy，1980(12)：105-111．

[17] Boulos M I．Thermal plasma processing[J]．IEEE Transactions on Plasma Science，1991，19(6)：1078-1089．

[18] 古忠濤，葉高英，劉川東，等.射頻感應(yīng)等離子體制備球形Ti粉的工藝[J].核動力工程，2010，31(1)：13-17．

[19] Hedger H J，Hall A R．Preliminary observations on the use

of the induction-coupled plasma torch for the preparation of spherical powder[J]．Powder Metallurgy，1961(8)：65-72．

[20] 曲選輝，盛艷偉，郭志猛,等．等離子合成與霧化制粉技術(shù)及其應(yīng)用[J]．中國材料進展，2011，30(7)：10-15．

[21] 古忠濤，葉高英，金玉萍.射頻感應(yīng)等離子體制備球形鈦粉的成分分析[J].強激光與粒子束，2012，24(6)：1409-1413．

[22] 古忠濤，葉高英，金玉萍.射頻感應(yīng)等離子體制備球形鈦粉的工藝研究[J].強激光與粒子束，2011，23(12)：3353-3357．

國內(nèi)外新聞

我國唯一一臺GFM SKK06 型精鍛機已步入正常生產(chǎn)

陜西斯坦特生物科技有限公司投資引進的GFM SKK06 型精鍛機于2014年8月進行調(diào)試，2014年10月開始正式生產(chǎn)。截止到目前已生產(chǎn)出5 000余件不同形狀及不同應(yīng)用領(lǐng)域的精密鍛件。

圖1 GFM SKK06 型精鍛機

圖2 關(guān)節(jié)柄

陜西斯坦特生物科技有限公司成立于2013年，位于寶雞市眉縣金渠鎮(zhèn)霸王河工業(yè)區(qū)。投資伍仟萬元,引進了奧地利GFM SKK06 型精鍛機，同時裝備了中頻感應(yīng)加熱爐、1 000 t鍛壓機、250 t壓力機、數(shù)控銑切加工中心、真空退火爐、自動化學清洗線、表面清洗線、三坐標測量儀、超聲波控傷儀等配套設(shè)備和檢測設(shè)備，建成了我省第一條年產(chǎn)30萬件鈦及鈦合金、不銹鋼等金屬材料精密鍛件生產(chǎn)線。其中的GFM SKK06 型精鍛機是奧地利GFM公司在世界聞名的SX精鍛機的基礎(chǔ)上開發(fā)出的代表著世界精鍛機唯一發(fā)展方向的SKK系列精鍛機中的一種，該型號精鍛機，國內(nèi)只有一臺?？杉庸さ呐髁铣叽鐬橹睆?～60 mm、長度80～650 mm。其特點是：①成形時間短，材料損失小，沖擊和疲勞強度更高；②不斷增加的微量變形以及數(shù)字化控制、機器人操作使產(chǎn)品一致性更好；③對待加工材料無表面要求和加工溫度要求。與之配套的雙工位中頻感應(yīng)加熱爐由美國某公司設(shè)計，國內(nèi)加熱爐制造商與用戶聯(lián)合制造。該加熱爐具有一般感應(yīng)加熱爐加熱速度快、溫度均勻、溫控精確度高的特點外，還實現(xiàn)了裝料、出料自動化以及可獨立運行的雙工位加熱系統(tǒng)，可保證加熱爐持續(xù)正常工作，量產(chǎn)一致性好。后序的輔助加工設(shè)備，如數(shù)控銑切加工中心、自動化銑、表面自動清洗、三坐標測量儀、超聲波探傷等，確保終極產(chǎn)品品質(zhì)和尺寸高精準。

該生產(chǎn)線將于2015年6月全線貫通運行。相信該生產(chǎn)線投產(chǎn)運行，對提升我國鈦及鈦合金精密鍛件的生產(chǎn)能力，促進我國鈦及鈦合金在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要意義。

(本刊記者報道)

Research Progress on Producing Spherical Titanium Powder

Zeng Guang1, Bai Baoliang2,Zhang Peng1,Liang Shujin1, Han Zhiyu1, Chen Xiaolin1, Zhang Pingxiang2

The fabricating principles and research progress on spherical titanium powder preparations were introduced, including gas atomization method (GA), plasma rotation electrode process (PREP) and radio frequency induction plasma(RFP). Then, the three types of methods were compared. At last, the reality that there was still a gap between home and abroad in spherical titanium powder prepararion technology was pointed out. At this stage, we should pay attention to research of powder basic theory, and exploration of law between powder physical properties and process parameters. Then we should improve the preparation level of spherical titanium powder through continuous optimization of milling equipment and pulverizing process, to obtain spherical titanium powder with excellent comprehensive properties.

spherical titanium powder;inert gas atomization; ultrasonic atomization; plasma rotation electrode process; radio frequency induction plasma

2014-01-18

曾光(1983—)，女，工程師。

(1.Sino-Euro Materials Technologies of Xi’an, Xi’an 710018, China) (2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)