一种球形钼钛锆合金粉末的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种球形TZM合金粉的制备方法，属于金属粉末材料制备技术领域。本发明专利技术以还原钼(Mo)粉、氢化钛(TiH2)粉、氢化锆(ZrH2)粉、石墨粉为基本原料，配制符合合金化学计量的原粉。向原粉中加入无水乙醇制成浆料，充分搅拌使其混合均匀。真空烘干浆料，并在还原气氛下对粉末进行烧结。将合金粉末烧结后的坯料进行球磨，使其充分破碎。将球磨后的合金粉末进行筛分，遴选出一定粒径范围内的不规则TZM合金粉。将不规则TZM合金粉送入感应耦合等离子体炬中，在高温作用下TZM合金粉迅速熔化，熔化合金液滴在表面张力的作用下形成球形。熔融球形TZM合金液滴脱离等离子体高温区，在惰性气体保护下迅速冷却，形成球形TZM合金粉末。

【技术实现步骤摘要】
一种球形钼钛锆合金粉末的制备方法
本专利技术属于合金粉末材料制备
，具体涉及一种以还原钼(Mo)粉、氢化钛(TiH2)粉、氢化锆(ZrH2)粉、石墨粉为原料制备球形钼钛锆(TZM)合金粉的方法。
技术介绍
钼合金是以钼为基体，加入其他元素而构成的有色合金，钼钛锆合金(Titanium-Zirconium-Molybdenum，TZM，0.4％-0.55％Ti,0.06-0.12％Zr,0.01％-0.04％C,MoBal.)是目前应用最广泛的钼基合金。它在保留了钼金属本身熔点高、强度大、耐磨及优异的热、电传导性的同时，还具有弹性模量高、膨胀系数低、饱和蒸气压低以及耐蠕变、抗腐蚀等优点。因而TZM合金被大量用于加工高温结构材料，应用于装备制造、石油化工、航空航天、军事工业、核电工业等诸多领域。特别是由于TZM合金所具备的耐高温、耐烧蚀、防强热、抗高速气流冲刷等优点，且在高温高压下表现出良好的力学性能，被用于制作火箭喷嘴和固体发动机燃气阀体等。然而，TZM合金属于硬脆材料，合金中加入Ti、Zr元素后，合金发生强韧化，从而给TZM合金的机械加工带来很大困难。其冲击韧性低、延伸率小、线膨胀系数小、且其弹性模量很高，很少发生弹性变形。在加工过程中几乎不产生明显的宏观变形就会断裂。因此采用传统切削加工过程中容易产生崩裂、掉屑、挤伤、条块状脱落、甚至会断裂，加工出来的零件表面质量差，而且刀具磨损严重。与此同时，TZM合金零件本身的一些加工要素:如异型孔、窄槽和复杂型腔等，在加工过程中也有非常明显的障碍。航空航天等高端技术的飞速发展，对具有复杂形状、均匀组织的高性能、高精度TZM合金制品的需求急剧增加。而增材制造技术由于其快速灵活、节约材料、个性化定制的优点，在高熔点、传统难加工材料的高性能、复杂几何形状部件的加工成型方面具有明显的优势，是先进制造技术的重要发展方向。球形TZM合金粉是TZM合金部件增材制造技术发展的物质基础，其成分、形貌、粒径大小直接影响着增材制造TZM合金部件的质量与性能。增材制造所使用的TZM合金粉不仅需要具备球形度好、致密度高、含氧量低等特性，同时还希望其粒径均匀、可控，并且可以以较低的成本进行批量工业化生产。目前国内外尚无成熟的制备技术适用于增材制造用TZM合金粉末的生产。为传统粉末冶金产业开发的TZM合金粉末，虽然工艺成熟且成本较低，但制得的TZM合金粉末形貌不规则、致密度低，且粉末团聚现象严重，流动性差，难以满足增材制造技术对于高性能TZM合金粉末的需求，因此制备粒径分布均匀，杂质含量低，致密度高，流动性好的增材制造用高性能TZM合金粉末成为技术发展亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有生产工艺制得的TZM合金粉末流动性差、致密度低、形貌不规则等问题，设计的一种球形TZM合金粉末的制备方法。其目的是制备粒径分布均匀，杂质含量低，致密度高，流动性好的球形TZM合金粉末，以满足增材制造领域对于高性能TZM合金粉末的迫切需求。为达到上述目的，本专利技术的解决方案如下：一种球形TZM合金粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将还原钼粉、氢化钛粉、氢化锆粉、石墨粉按合金化学计量进行配料、混合，得到符合合金成分配比的原料粉末；步骤2：向所述符合合金成分的原料粉末中加入无水乙醇，制成浆料；将浆料倒入三维混料机中，充分搅拌使其全部浸润，混合均匀；步骤3：在保护气氛下将步骤2中混合均匀的浆料烘干，再在还原性气氛下对烘干后的浆料进行烧结，得到烧结坯。步骤4：将步骤3中得到合金粉末烧结坯机械破碎后进行球磨，使坯料充分变形、破碎至粒径＜200μm，并冷却；步骤5：将球磨后的合金粉末进行筛分，遴选所需粒径范围的不规则TZM合金粉；步骤6：建立感应耦合等离子体炬；步骤7：利用载气将步骤5中遴选的不规则TZM合金粉送至等离子体炬芯部区域，TZM合金粉受热熔化形成合金熔滴，合金熔滴在表面张力作用下致密化、球化；步骤8：合金熔滴脱离等离子体炬芯部区域，在惰性气体气氛下冷却固化，得到球形致密TZM合金粉。具体地，步骤1中所述的还原钼粉的粒度范围为0.1μm-5μm，纯度≥99.9wt％，氧含量≤0.05wt％；所述氢化钛粉的粒度范围为0.1μm-5μm，纯度≥99.80wt％，氧含量≤0.05wt％；所述氢化锆粉的粒度范围为0.1μm-5μm纯度≥99.8wt％，氧含量≤0.05wt％；所述石墨粉的粒度范围为1μm-30μm，纯度为质量分数计≥99.9wt％，氧含量≤0.05wt％。具体地，步骤2中所述无水乙醇为分析纯，所制浆料中固相质量百分含量为40％-70％；用于浆料混合的三维混料机混料罐材质为纯钼，混料过程中罐体密封，罐内充入99.9wt％的氩气进行气氛保护，混料时间为2h-5h。具体地，步骤3中使用真空干燥箱对浆料烘干，烘干在纯度99.9wt％的氩气保护气氛下进行，干燥温度60℃-90℃，干燥时间2h-5h；使用氢气气氛炉对粉末进行烧结，烧结气氛为99.99wt％的氢气，烧结温度700℃-900℃，烧结时间2h-5h；烧结结束后，在99.99wt％的氢气保护气氛下随炉冷却至室温。具体地，步骤4中球磨设备为行星式球磨机，球磨罐罐体材质为纯钼，投入球径分别为Ф2mm，Ф5mm，Ф10mm的钼球作为研磨体，三种球投放比例为6:3:1。球料比为5:1，球磨转速为120r/min-180r/min。球磨过程中罐体密封，罐内充入99.9wt％的氩气进行气氛保护，球磨时间为3h-9h。球磨后,冷却至温度低于40℃，出料。具体地，步骤5中对球磨得到的TZM合金粉的筛分操作在氩气环境下进行，所用设备为旋振筛，氩气纯度≥99.9wt％。具体地，步骤6中所述等离子体炬功率为45kW-90kW，工作气体为氩气，流量为10slpm-50slpm，边气为氩气，流量为80slpm-200slpm，所述等离子体炬运行的环境压力为40kPa-70kPa。氩气纯度≥99.99wt％。具体地，步骤7中利用载气将所需粒径范围的TZM合金粉送入所述等离子体炬芯部区域，所述载气为氩气，流量为10slpm-40slpm，TZM合金粉的送粉速率为20g/min-100g/min。氩气纯度≥99.99wt％。具体地，步骤8中所述熔融TZM合金冷却固化所需惰性气体气氛为氩气气氛，纯度≥99.99wt％，气体温度不超过30℃；粉末冷却速度≥1×104K/s。具体地，步骤8中形成球形TZM合金粉粒径范围为10μm-100μm，球化率＞90％，TZM合金粉纯度＞99.5wt％。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术通过混粉、干燥、烧结的方法获得符合TZM合金化学计量的粉末坯料，通过球磨的方式对合金粉末施加机械能，诱导其结构及物理化学性质发生变化，使合金原料粉末状态得到优化，有利于球化过程中合金粉末的迅速熔化。(2)针对球磨后不规则粉末粒径分布宽的问题，本专利技术通过“先筛分，后球化”的方法对粉末进行处理，可以遴选特定粒径范围内的TZM合金粉末，较窄的粉末粒度分布，不仅有利于粉末球化过程中工艺控制，有效降低等离子球化处理过程中TZM合金粉末的汽化及烧损，而且有利于最终球化TZM合金粉末的粒度控制，极大的提高了生产效率及产品品质。(3)粉末球化的高温等离子体由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种球形TZM合金粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将还原钼粉、氢化钛粉、氢化锆粉、石墨粉按合金化学计量进行配料、混合，得到符合合金成分配比的原料粉末；步骤2：向步骤1得到的符合合金成分的原料粉末中加入无水乙醇，制成浆料并搅拌混合均匀；步骤3：在保护气氛下将步骤2中混合均匀的浆料烘干，再在还原气氛下对烘干后的浆料进行烧结，得到烧结坯；步骤4：将步骤3中得到合金粉末烧结坯破碎后进行球磨，使坯料被充分破碎至粒径＜200μm，并冷却；步骤5：将球磨后的合金粉末进行筛分，遴选所需粒径范围的不规则TZM合金粉；步骤6：建立感应耦合等离子体炬；步骤7：利用载气将步骤5中遴选的不规则TZM合金粉送至等离子体炬芯部区域，TZM合金粉受热熔化形成合金熔滴，合金熔滴在表面张力作用下致密化、球化；步骤8：合金熔滴脱离等离子体炬芯部区域，在惰性气体气氛下冷却固化，得到球形致密TZM合金粉。

【技术特征摘要】
1.一种球形TZM合金粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将还原钼粉、氢化钛粉、氢化锆粉、石墨粉按合金化学计量进行配料、混合，得到符合合金成分配比的原料粉末；步骤2：向步骤1得到的符合合金成分的原料粉末中加入无水乙醇，制成浆料并搅拌混合均匀；步骤3：在保护气氛下将步骤2中混合均匀的浆料烘干，再在还原气氛下对烘干后的浆料进行烧结，得到烧结坯；步骤4：将步骤3中得到合金粉末烧结坯破碎后进行球磨，使坯料被充分破碎至粒径＜200μm，并冷却；步骤5：将球磨后的合金粉末进行筛分，遴选所需粒径范围的不规则TZM合金粉；步骤6：建立感应耦合等离子体炬；步骤7：利用载气将步骤5中遴选的不规则TZM合金粉送至等离子体炬芯部区域，TZM合金粉受热熔化形成合金熔滴，合金熔滴在表面张力作用下致密化、球化；步骤8：合金熔滴脱离等离子体炬芯部区域，在惰性气体气氛下冷却固化，得到球形致密TZM合金粉。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤1中所述的还原钼粉的粒度范围为0.1μm-5μm，纯度≥99.9wt％，氧含量≤0.05wt％；所述氢化钛粉的粒度范围为0.1μm-5μm，纯度≥99.80wt％，氧含量≤0.05wt％；所述氢化锆粉的粒度范围为0.1μm-5μm纯度≥99.8wt％，氧含量≤0.05wt％；所述石墨粉的粒度范围为1μm-30μm，纯度为质量分数计≥99.9wt％，氧含量≤0.05wt％。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤2中所述无水乙醇为分析纯，所制浆料中固相质量百分含量为40％-70％。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤2中浆料的搅拌混合均匀通过混料机实现，且混料机所配备混料罐材质为纯钼，混料过程中罐体密封，罐内充入氩气进行气氛保护，混料时间为2h-5h。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤3中，使用真空干燥箱对浆料进行烘干，烘干在氩气保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金涛，陈海群，周法，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11