本發明涉及一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，屬于材料制備領域。

背景技術：

氣體霧化法是一種通過高速氣流直接擊碎并快速冷卻熔融態金屬制備金屬粉末的方法，其應用極為廣泛，特別是被用于3D打印用金屬粉末的生產。3D打印是指以數字模型為依據，通過材料逐層累加的方式進行三維實體物件制造的技術，代表了世界制造業發展的新方向。使用3D打印技術制備的金屬物件為了保證其內部組織結構的致密度與均勻性，對所使用金屬粉末的粒度分布、球形度與流動性、氧含量等均具有較高要求。

鈦合金因其具有質輕、高強以及耐蝕等一系列優異性能，被廣泛用于航空航天及軍工等領域，也是金屬3D打印領域使用最多的一類材料。氣霧化法則是制備3D打印用鈦合金粉末的常用方法，如中國發明專利CN104308168B公布的一種細粒徑低氧球形鈦及鈦合金粉末的制備方法。然而，由于鈦元素極高的化學活性，極易同氧氣發生反應在鈦合金粉末表面生成致密的氧化層，鈦氧化物的存在大大提高了鈦合金粉末的激光燒結難度，進而影響3D打印件的成型質量。為防止鈦合金粉末的氧化，中國發明專利CN103846447B公布了一種微細球形鈦或鈦合金粉末的氣霧化制備方法，該方法采用雙層霧化噴嘴對鈦或鈦合金進行霧化和氫化，從而完成了表面生成有氫化鈦薄膜的鈦或鈦合金粉末的制備。但該方法在制粉實踐中存在若干不足之處：首先，采用雙層霧化噴嘴結構，使得霧化噴嘴結構復雜，制造成本較高；其次，該方法中氫化氣流的引入位置與霧化氣流相距太近，熔體液流霧化后形成的熔體液滴仍具有較高溫度，而鈦或鈦合金在高溫下的氫化速率很高，導致粉末極易過量吸氫，粉末氫化過程難以控制；再次，因為氫化氣流從霧化噴嘴處引入，導致整個霧化腔體內均存在氫，一方面，仍然具有較高溫度的鈦或鈦合金粉末在霧化腔體內長時間同氫氣接觸，導致粉末過量吸氫，并在粉末內部生成大量脆性相的氫化鈦，影響粉末質量，另一方面，氫氣不僅充滿了整個霧化腔體，同時，氫氣還會通過霧化噴嘴的導流管擴散進入熔煉室，給粉末生產帶來了較大的安全隱患；最后，鈦或鈦合金粉末過量吸收的氫在3D打印激光燒結過程中的集中釋放，不僅影響3D打印件的成型質量，而釋放到打印倉室內過量的氫氣也將形成一定安全隱患。

技術實現要素：

本發明的目的是克服以上現有技術存在的不足，提供一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，既解決了雙層霧化噴嘴吸氫過程不可控的問題，又提高了制造的安全性。

為實現以上目的，本發明的技術方案為：一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，以鈦或鈦合金棒材為原料，通過預抽真空與通入高純惰性氣體保護，防止鈦或鈦合金在熔化與霧化過程中的氧化，并采用感應線圈加熱的方式使鈦或鈦合金棒一端熔化并形成穩定的液流，所述液流再通過以高純惰性氣體作為介質的霧化噴嘴進行霧化制粉，霧化壓力控制在3～8MPa；霧化完成的鈦或鈦合金粉末通過氣流攜帶進入旋風分離器，在旋風分離器下端通入0.3～0.5MPa含氫量10～25at.％的高純氫氣與高純惰性氣體的混合氣體，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫，在粉末表面形成極薄的吸氫層，實現鈦或鈦合金粉末表面的微氫化。

進一步的，預抽真空至真空度1×10^-4～1×10^-2Pa。

進一步的，高純惰性氣體采用高純氬氣或高純氦氣。

進一步的，吸氫層的厚度為30～100nm。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)由于進入旋風分離器的鈦或鈦合金粉末的溫度已大大降低，此時，粉末的吸氫速率也大大降低，從而在粉末表面只形成極薄的吸氫層，既起到了微氫化隔氧的作用，又不會使粉末過度氫化；

(2)從旋風分離器腔體下端引入的低壓氫氣與從霧化腔體內進入旋風分離器的高壓霧化氣體是相向而行的，由于其壓力大大低于霧化氣體，因而只能在旋風分離器內的一小部分區域形成氫化環境，而不會進入霧化腔體內，其安全性大大提高。

(3)本發明所制備的表面微氫化的鈦或鈦合金粉末，污染少、流動性與抗氧化性好，非常適合3D打印使用。

附圖說明

圖1為本發明所涉及氣霧化裝置的結構示意圖。

圖2為本發明制備的TC4鈦合金金粉末的X射線衍射圖譜。

圖3為本發明制備的TC4鈦合金粉末的掃描電鏡圖。

圖中1為熔煉腔，2為霧化氣閥，3為霧化腔，4為送料桿，5為合金棒，6為感應線圈，7為霧化噴嘴，8為排氣管，9為旋風分離器，10為氫化氣閥，11為粉末收集罐。

具體實施方式

一種表面微氫化的鈦或鈦合金粉末的制備方法，按以下步驟進行：

(1)依據制粉需要與設備要求，如圖1，預先準備低污染與特定尺寸的鈦或鈦合金棒5；

(2)對霧化裝置中熔煉腔1、霧化腔3與旋風分離器9內部預抽真空，待真空度達到1×10^-4～1×10^-2Pa，通過霧化氣閥2充入0.09MPa高純惰性氣體保護，防止粉末在霧化過程中的氧化；

(3)通過感應線圈6對鈦或鈦合金棒5下端進行加熱熔化，并通過控制送料桿4形成穩定的液流，后通過以高純惰性氣體作為介質的霧化噴嘴7進行霧化制粉，霧化壓力控制在3～8MPa；

(4)霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進入旋風分離器9，在旋風分離器內部通過氫化氣閥10通入0.3～0.5MPa含氫量10～25at.％的高純氫氣與高純惰性氣體的混合氣體，進氣口的位置應高于旋風分離器內排氣口10～20cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫，在粉末表面形成極薄的吸氫層，實現粉末表面的微氫化，有效防止粉末的氧化，完成吸氫的粉末落入旋風分離器9下方粉末收集罐11，多余的氫氣則通過排氣管8排出腔體；

(5)待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐11取得鈦或鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進行篩分與真空包裝。

下面結合附圖以實施例對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

實施例1

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的Ti-6Al-4V(TC4)合金粉末。

以直徑40mm，雜質含量低于0.1％的TC4鈦合金棒為原料，對霧化設備預抽真空，待真空度達到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氬氣保護，防止氧化。通過感應線圈對鈦合金棒下端進行加熱熔化，形成穩定的液流，然后通過以高純氬氣作為介質的霧化噴嘴進行霧化制粉，霧化壓力控制在5～7MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進入旋風分離器，旋風分離器下部通入0.3MPa含氫量10at.％的氫氣與氬氣混合氣體，進氣口的位置應高于旋風分離器內排氣口10cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進行篩分與真空包裝。經測試分析，TC4粉末的表面氫化層厚度約為30nm，整體氧含量低于800ppm，粒度分布區間為10～50μm。圖2展示了制備的TC4鈦合金金粉末的X射線衍射圖譜，如圖所示，粉末為α鈦與β鈦的混合固溶體相，無明顯氫化鈦衍射峰，也即粉末表面沒有大量的氫化鈦生成。圖3提供了制備的TC4鈦合金粉末的掃描電鏡圖，如圖所示，粉末展示出良好的球形度，粒度分布均勻，粒徑在10～50μm之間。

實施例2

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的Ti-45Al-2Cr-8Nb合金粉末。

以直徑40mm，雜質含量低于0.1％的Ti-45Al-2Cr-8Nb鈦合金棒為原料，對霧化設備預抽真空，待真空度達到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氦氣保護，防止氧化。通過感應線圈對鈦合金棒下端進行加熱熔化，形成穩定的液流，然后通過以高純氦氣作為介質的霧化噴嘴進行霧化制粉，霧化壓力控制在6～8MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進入旋風分離器，旋風分離器下部通入0.5MPa含氫量25at.％的氫氣與氦氣混合氣體，進氣口的位置應高于旋風分離器內排氣口20cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得鈦合金粉末，并按照不同粒度等級進行篩分與真空包裝。經測試分析，Ti-45Al-2Cr-8Nb粉末的的表面氫化層厚度約為100nm，整體氧含量低于500ppm，粒度分布區間為10～30μm。

實施例3

無坩堝氣霧化法制備表面微氫化的純鈦粉末。

以直徑40mm，雜質含量低于0.1％的純鈦棒為原料，對霧化設備預抽真空，待真空度達到1×10^-4Pa，充入0.09MPa的高純氬氣保護，防止氧化。通過感應線圈對純鈦棒下端進行加熱熔化，形成穩定的液流，然后通過以高純氬氣作為介質的霧化噴嘴進行霧化制粉，霧化壓力控制在3～5MPa，霧化完成的鈦合金粉末通過氣流攜帶進入旋風分離器，旋風分離器下部通入0.4MPa含氫量20at.％的氫氣與氬氣混合氣體，進氣口的位置應高于旋風分離器內排氣口15cm，并利用粉末自身殘余溫度完成其表面的吸氫。待粉末完全冷卻后，自粉末收集罐取得純鈦粉末，并按照不同粒度等級進行篩分與真空包裝。經測試分析，純鈦粉末的表面氫化層厚度約為70nm，整體氧含量低于600ppm，粒度分布區間為20～50μm。