球形钛粉制备技术的研究进展

曾 光，白保良，张 鹏，梁书锦，韩志宇，陈小林，张平祥

(1.西安欧中材料科技有限公司，陕西 西安 710018) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

球形钛粉制备技术的研究进展

曾 光1，白保良2，张 鹏1，梁书锦1，韩志宇1，陈小林1，张平祥2

(1.西安欧中材料科技有限公司，陕西 西安 710018) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

对气雾化法(GA法)、等离子旋转电极法(PREP法)、射频等离子体球化法(RFP法)制备球形钛粉的基本原理及研究进展进行了介绍，并对这三种方法的优缺点进行了对此，最后指出我国球形钛粉制备技术与国外仍存在一定差距，现阶段应重视粉体基础理论研究，摸索粉体物理性质与工艺参数之间的规律，通过不断改进制粉设备、优化制粉工艺来提高球形钛粉的制备水平，获得综合性能优良的球形钛粉。

球形钛粉；惰性气体雾化法；超声雾化法；等离子旋转电极法；射频等离子体球化法

0 引 言

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优良性能，被广泛应用于航空航天等领域[1]。较锻造、铸造等制备手段而言，用粉末冶金方法成形形状复杂的金属零部件具有材料利用率高、工艺流程短等优点，成为降低钛及钛合金零部件制造成本的重要途径[2]。钛粉的性能是决定钛及钛合金粉末冶金制品质量的关键因素。20世纪50年代美国发明了氢化脱氢法制取钛粉的方法，20世纪70年代，旋转电极离心雾化制备钛粉技术日趋成熟。近年来，制备纯度高、球形度好、氧含量低及粒径小的钛及钛合金粉末成为钛及钛合金粉末冶金领域的发展方向及研究热点[3-4]。目前，制备球形钛及钛合金粉的主要方法有：气雾化法(GA法)、等离子旋转电极法(PREP法)及射频等离子体球化法(RFP法)[5]。以这三种方法为例介绍了制备球形钛粉的技术原理，另外介绍了国内外球形钛粉制备技术的研究进展，并对未来的发展方向进行了展望。

1 球形钛粉制备方法及研究进展

1.1 气雾化法

1.1.1 惰性气体雾化法

惰性气体雾化法制备球形钛粉是目前国内外最为主流的方法，所使用的原料为一定规格的钛及钛合金棒材。在坩埚内将原料棒熔化，通过坩埚底部的喷嘴将产生的熔液用高速气体喷射，使金属液呈喷雾状，冷凝形成球形钛粉。气雾化系统示意图见图1[6]。美国Crucible研究中心在1985年申请到了用水冷铜坩埚氩气雾化制取钛粉的专利，随后在1988年建成可年产11 t钛粉的气雾化装置。

图1 惰性气体雾化系统示意图Fig.1 Diagram of inert gas atomization system

近年来，北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点实验室从英国PSI公司引进了冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化装置，主要用于惰性气体雾化钛粉的制备与研究。北京航天材料及工艺研究所的王琪[7]在2010年用惰性气体雾化法将TC11钛合金棒材制成了粉末。利用该方法制备的粉末的特点是粉末粒径分布范围较宽，细粉收得率较高，且粉末成分与母合金棒材的成分偏差较小，杂质元素能够得到很好的控制。但由于气雾法在制备钛粉的过程中，被冷却的液滴形成的不同尺寸颗粒的冷却速度不同，导致球形度较差，行星颗粒较多；另一方面由于气体破碎金属液流时不可避免的会产生空心粉末[8]，这些空心粉末存留在后续粉末冶金工序中，会造成材料的内部缺陷。另外，利用该方法制成的钛粉经热等静压后得到的块体材料的塑性指标较低，达不到锻件的要求[9]。

1.1.2 超声雾化法

超声雾化制粉是近年发展起来的另一种气雾化制粉方法，起源于20世纪60年代末。瑞典的Rajan等[10-11]率先开展了超声雾化制取金属粉末的研究，利用带有Hartmann哨的Laval喷嘴产生的20～100 kHz脉冲超声气流冲击金属液流，成功制备出铝、铜等合金粉末，后来被称为超声气雾化金属粉末制备技术。该技术主要有两种：一种可将高频电磁振荡转化为液体机械振动，使小液滴破碎成雾；另一种可使液体流经超声聚能器时在辐射表面形成薄液滴层，薄液滴层在超声振动的作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定的峰值时，小液滴从波峰上飞溅而出形成雾，其装置示意图见图2[12]。利用超声雾化法制得的球形粉末的粒径与超声频率成反比，超声雾化系统的工作频率越高，所制得的球形粉末粒度越小[13-14]。

图2 超声雾化装置示意图Fig.2 Diagram of ultrasonic atomization process

北京有色金属研究院的张曙光等[15]早在2002年就利用超声雾化法制得了球形金属粉末，粉末表面光洁，粒径在25～45 μm内的分布较窄，尺寸较均匀，氧含量低，卫星颗粒少，球形度好。瑞士Active Ultrasonics公司研究人员在超声振动雾化基础上成功开发出一种新型振子系统双重超声雾化系统，将两种超声雾化方法(超声气体雾化与超声振动雾化)有机结合起来，可工业化生产微细(20 μm)和超微纳米级的球形钛粉。根据张力波理论，德国研究人员发明了离心-超声雾化技术，在涡流离心腔的导流作用下，从喷嘴流出的金属液形成空心锥结构，使得金属液体在振动面上的铺展速度加剧，促进金属液的铺展和薄液膜的形成，减小雾化钛粉的粒度，大大提高了微细钛粉的收得率。德国Lierke等[16]发明了一种非接触式超声雾化法，该方法可将动能聚焦在小体积内，提高能量聚集密度，从而进行高效雾化，可制备出粒度为10 μm左右的球形粉末。

1.2 等离子旋转电极法

将金属或合金制成自耗电极，电极端面受电弧加热而熔化为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴，最后冷凝成粉末的方法就是旋转电极法。这种制粉方法在1974年由美国核金属公司首先开发成功，可根据等离子弧电流的大小和电极转速调控粉末的粒径，其原理示意图见图3[17]。

图3 等离子旋转电极原理示意图Fig.3 Diagram of plasma rotation electrode process

日本早在1990年就采用等离子旋转电极法在用来制作人造骨和过滤器的大粒径(几百微米)钛合金粉末的制备上实现了突破，并且表明等离子旋转电极法是最清洁的粉末制备方法之一，并预言该种方法将成为工业制备钛粉的主流技术。

我国北京钢铁研究院和航天材料工艺研究所于1998年率先引进了俄罗斯的等离子旋转电极设备，并开展了球形钛粉的制备研究工作。航天材料及工艺研究所吕宏军等[7]在2010年利用等离子旋转电极法制备出了TC11钛合金球形粉末。所制备的粉末的化学成分与原料棒材成分近似，且球形度好，无空心，颗粒表面光滑，行星颗粒少，粉末的流动性好。由此可见，相对于气雾化法，等离子旋转电极法的优点是，所制备的粉末无空心结构，可制备出球形度较好且没有行星颗粒的钛合金粉末。但缺点也是显而易见的，吕宏军等[7]利用PREP法制备的球形钛粉的粒度多集中在106～246 μm，小于106 μm的球形钛粉的收得率较低。综合比较气雾化法和等离子旋转电极法发现，用PREP法制备的球形粉的综合性能较好，能满足等静压工艺对粉末的要求，且在粉末处理、运输、除气时均可表现出良好的性能。

目前，国内已自主研发出了可用于制备球形钛粉的等离子旋转电极设备。其中，郑州机械研究所承制的DXD-50型等离子旋转雾化制粉设备已经通过生产考核，并投入生产运营，该设备可生产含氧量更低的钛粉和高温合金粉末。

1.3 射频等离子体球化法

射频等离子体球化法是利用射频电磁场的感应作用对各种气体进行感应加热，产生射频等离子，利用高温的等离子体熔化非球形粉末，熔融的粉末颗粒在表面张力作用下，在极高的温度梯度下，迅速冷凝形成球形度很高的小液滴，从而获得球形粉末[18]。其装置示意图见图4。

图4 射频等离子装置示意图Fig.4 Diagram of radio frequency induction plasma device

加拿大TEKNA公司开发的射频等离子体粉体处理系统目前处于世界领先地位，该公司已经利用射频等离子技术实现了Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金属粉末的球化处理。Hedger和Hall等[19]也利用射频等离子体球化技术对Ti粉进行了球化处理，但处理后的粉末的球化率最高只有85%，且需要经过多次筛分，生产效率较低，成本较高。

北京科技大学在国家高技术研究发展计划的支持下，研制出了国内第一台水冷石英射频等离子体粉体处理系统，采用水冷石英等离子体不仅可大大降低惰性冷却气体的消耗量，而且可以避免钛粉在球化处理过程中被氧化，能够显著提高经济效益。另外，北京科技大学还将氢化脱氢技术与射频等离子体球化技术相结合，以TiH2作为原料，采用射频等离子球化技术制备出了球形度高、表面光洁、粒径为20～50 μm的球形钛粉[20]。图5则为氢化钛粉(TiH2)经射频等离子处理前后的SEM照片。

图5 TiH2粉末经等离子处理前后的SEM照片Fig.5 SEM photographs of TiH2powder before and after plasma treatment

西南科技大学的古忠涛等[21]在2009年利用射频等离子体球化法，通过控制非球形钛粉的进给量、制粉方式、冷却速度等，制备出了球形度较好的钛粉。但在射频等离子体球化法在制备球形钛粉的过程中，由于熔融碰撞、汽化再结晶等因素，会导致一定数量的大颗粒形成，因此被球化的非球形粉末颗粒不能过大。射频等离子体球化法的优点为可提高球形度，较好地改善粉末的流动性；可消除颗粒内部的孔缝，提高粉末松散度；可适当改变颗粒表面形貌，提高粉末的纯度。此外，由于等离子体反应器内气氛可控，该工艺更有利于快速、简捷地制备出高纯球形粉末，具有良好的工业化前景[22]。

2 球形钛粉制备方法比较

综上所述，三种球形钛粉的制备方法有着各自的优缺点：①采用惰性气体雾化法制备的钛粉球形度较好，且粒度分布范围较宽，细粉收得率高，成分较易控制，但明显存在卫星颗粒及空心粉末，另外还需消耗大量的惰性气体，故生产成本较高；采用超声雾化法可直接利用超声振动雾化金属，惰性气体消耗量仅为气雾化法的1%，并且由于有效地抑制了粉末之间的碰撞，使粉末中卫星颗粒明显减少，表面光洁，球形度好，工艺过程连续、可控、稳定，但由于其对设备要求较高，目前尚处于研究阶段；②等离子旋转电极法制备的钛粉球形度好，成分易于控制，但由于粉末颗粒的细化依赖于等离子旋转电极设备的转速，因此对设备的要求较高；③射频等离子体球化法制备的球形钛粉流动性好，松散度高，粉末颗粒内部的孔隙与裂缝明显减少，粉末纯度高，表面形貌好，但工艺连续性劣于前两种方法。

3 结 语

经过几十年的不懈努力，我国在气雾化法、等离子旋转电极法及射频等离子体球化法制备球形钛粉的核心技术研究方面积累了一定的经验，但与发达国家相比仍存在较大差距，特别是在金属超声雾化机制的基础研究方面的不足使应用技术本身的发展受到了制约。

从国际范围来看，球形钛粉的制备已逐渐转向利用新技术、新设备、新手段，不断向细微粉体制备方向发展。随着球形钛粉适用领域的不断拓宽，其需求量也将快速增加，这为我国先进粉体制备技术加速赶上世界发达国家提供了契机和挑战。在开展球形钛粉制备技术研究的同时，重视粉体基础理论研究，摸索粉体物理性质与工艺参数之间的规律，通过不断改进制粉设备、优化制粉工艺来提高球形钛粉的制备水平，获得综合性能优良的球形钛粉，是我国现阶段的研究重点。

[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] 曲选辉，黄伯云．快速凝固钛合金粉末的制备技术[J]．材料导报，1993(5)：12-15．

[3] 向青春，周彼德，李荣德．快速凝固法制取金属粉末技术的发展状况[J]．粉末冶金技术，2000，18(4)：283-291．

[4] 王倩，李青春，常国威．快速凝固技术的发展现状与展望[J]．辽宁工学院学报：自然科学版，2003，23(5)：40-44．

[5] 游涛，袁小川，苏贵桥，等．钛合金快速凝固技术及其研究现状[J]．铸造，2007，56(6)：567-571．

[6] 刘学晖，徐广．惰性气体雾化法制取钛和钛合金粉末[J].粉末冶金工业，2000，10(3)：18-22．

[7] 王琪，李圣刚，吕宏军，等．雾化法制备高品质钛合金粉末技术研究[J]．钛工业进展，2010，27(5)：16-18．

[8] 陈仕奇，黄伯云．金属粉末气体雾化制备技术的研究现状与进展[J]．粉末冶金技术，2004，22(5)：297-302．

[9] 王智平，张振宇，苏义祥，等．金属合金粉末的研究与发展[J]．铸造，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] 张曙光，杨必成，杨博,等．新型超声雾化技术制备球形金属粉末[J]．金属学报，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] 古忠涛，叶高英，刘川东，等.射频感应等离子体制备球形Ti粉的工艺[J].核动力工程，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] 曲选辉，盛艳伟，郭志猛,等．等离子合成与雾化制粉技术及其应用[J]．中国材料进展，2011，30(7)：10-15．

[21] 古忠涛，叶高英，金玉萍.射频感应等离子体制备球形钛粉的成分分析[J].强激光与粒子束，2012，24(6)：1409-1413．

[22] 古忠涛，叶高英，金玉萍.射频感应等离子体制备球形钛粉的工艺研究[J].强激光与粒子束，2011，23(12)：3353-3357．

国内外新闻

我国唯一一台GFM SKK06 型精锻机已步入正常生产

陕西斯坦特生物科技有限公司投资引进的GFM SKK06 型精锻机于2014年8月进行调试，2014年10月开始正式生产。截止到目前已生产出5 000余件不同形状及不同应用领域的精密锻件。

图1 GFM SKK06 型精锻机

图2 关节柄

陕西斯坦特生物科技有限公司成立于2013年，位于宝鸡市眉县金渠镇霸王河工业区。投资伍仟万元,引进了奥地利GFM SKK06 型精锻机，同时装备了中频感应加热炉、1 000 t锻压机、250 t压力机、数控铣切加工中心、真空退火炉、自动化学清洗线、表面清洗线、三坐标测量仪、超声波控伤仪等配套设备和检测设备，建成了我省第一条年产30万件钛及钛合金、不锈钢等金属材料精密锻件生产线。其中的GFM SKK06 型精锻机是奥地利GFM公司在世界闻名的SX精锻机的基础上开发出的代表着世界精锻机唯一发展方向的SKK系列精锻机中的一种，该型号精锻机，国内只有一台。可加工的坯料尺寸为直径8～60 mm、长度80～650 mm。其特点是：①成形时间短，材料损失小，冲击和疲劳强度更高；②不断增加的微量变形以及数字化控制、机器人操作使产品一致性更好；③对待加工材料无表面要求和加工温度要求。与之配套的双工位中频感应加热炉由美国某公司设计，国内加热炉制造商与用户联合制造。该加热炉具有一般感应加热炉加热速度快、温度均匀、温控精确度高的特点外，还实现了装料、出料自动化以及可独立运行的双工位加热系统，可保证加热炉持续正常工作，量产一致性好。后序的辅助加工设备，如数控铣切加工中心、自动化铣、表面自动清洗、三坐标测量仪、超声波探伤等，确保终极产品品质和尺寸高精准。

该生产线将于2015年6月全线贯通运行。相信该生产线投产运行，对提升我国钛及钛合金精密锻件的生产能力，促进我国钛及钛合金在生物领域的应用，具有重要意义。

(本刊记者报道)

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，工程师。

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