一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，提供了一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，该方法通过在射频等离子体球化钛粉的射频电离段增加一个磁镜位型磁场。该方法通过利用磁镜位型磁场约束射频电离段的电子逃逸，降低等离子体电子的径向逃逸和纵向逃逸损失，提高射频等离子体的电子密度和电子温度，提高射频等离子体的电能利用率。随氩气进入放电室的大直径钛颗粒在高电子密度等离子体中带电，当静电库仑排斥力大于熔融钛金属的动力粘滞阻力时驱使大直径钛颗粒分裂，从而形成较小直径的钛颗粒。通过本方法能够更低成本和更高效率地制备出用于3D打印的超细(粒径小于5μm)、高纯度(氧含量<0.1％)、球形(球形度优于98％)的纯钛粉。钛粉。

【技术实现步骤摘要】
一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，具体地说，涉及一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，微细球形钛粉的制备工艺得到更好的发展，已由早先的旋转电极法、电子束旋转盘法进展到等离子体旋转电极法。等离子体旋转电极法的主要优点是制备粉末的球形度高，表面形貌良好，杂质含量低。然而，由于电极转速会受到动密封问题的限制，采用等离子体旋转电极法制备得到的粉末的平均粒径较大。粉末粒径通常分布在50
‑
300μm不等，粉末平均粒径较大，从而导致适用范围受限。
[0003]等离子雾化法的出现，虽然能够极大程度上改善等离子体旋转电极法的上述问题。等离子雾化是以钛或钛合金丝为原料，以等离子电弧枪为加热源，原料丝材被等离子体瞬间熔化的同时被高温气体雾化，形成的微小液滴在表面张力的作用下球化并在下落过程中冷却固化为球形颗粒的一种工艺。据报道，加拿大Pyrogenesis公司已经开发出了新的等离子雾化法工艺，能够大量生产超细金属粉末(5
‑
20μm)。加拿大Pyrogenesis公司是等离子雾化法技术的专利持有者，但该公司不对外出售等离子雾化设备，由于专利保护及技术封锁，国内关于等离子雾化技术的研究进展缓慢。
[0004]射频等离子体球化技术是利用等离子体的高温特性把送入到等离子体中的不规则形状粉末颗粒迅速加热熔化，熔融的颗粒在表面张力和极高的温度梯度共同作用下迅速凝固而形成球形粉体。等离子体具有温度高、等离子炬体积大、能量密度高、无电极污染、传热和冷却速度快等优点，是制备组分均匀、球形度高、流动性好的高品质球形粉末良好途径。然而，根据现有的射频等离子体球化技术，依然无法制备出同时满足高纯度(氧含量<0.1％)、球形度(球形度优于98％)且超细(粒径小于5μm)的能够适于3D打印的纯钛粉。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中上述的不足，本专利技术的目的在于提供了一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，通过本方法能够更低成本和更高效率地制备出用于3D打印的超细(粒径小于5μm)、高纯度(氧含量<0.1％)、球形(球形度优于98％)的纯钛粉。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的解决方案是：
[0007]本专利技术提供了一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，包括：在射频等离子体球化钛粉的射频电离段增加一个磁场。
[0008]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，在双波段射频等离子体石英放电管的射频放电线圈两端分别安装一个直流电磁线圈，以使在双波段射频放电等离子体上形成一个磁镜位型的磁场。
[0009]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，磁场的磁感应强度为300
‑
500Gs
[0010]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，经过磁约束后的等离子体为非热平衡磁化
等离子体。
[0011]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，经过磁约束后的等离子体的电子密度为5
×
10
19
m
‑3。
[0012]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，经过磁约束后的等离子体的电子温度为15eV。
[0013]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，经过磁约束后的离子及氩气原子的密度约为2
×
10
24
m
‑3。
[0014]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，经过磁约束后的离子及氩气原子的温度约为3000K。
[0015]本专利技术提供的该种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法的有益效果是：
[0016]本专利技术通过在射频等离子体球化钛粉基础上，在其射频电离段增加一个磁感应强度为300
‑
500Gs的磁镜位型的磁场，从而约束射频电离段的电子逃逸，降低等离子体电子的径向逃逸和纵向逃逸损失，提高射频等离子体的电子密度和电子温度，提高射频等离子体的电能利用率：
[0017](1)随氩气进入放电室的大直径钛颗粒在高电子密度等离子体中带电，偶然的颗粒表面凸起，形成尖端带电效应，当静电库仑排斥力大于熔融钛金属的动力粘滞阻力时，静电库仑力驱使大半径颗粒与小半径凸起部分产生库伦排斥力，造成大颗粒产生小颗粒，输入进去的非球形钛颗粒转化为球形，半径更小的钛粉颗粒；
[0018](2)本申请中由于钛颗粒带电，钛颗粒在静电库伦排斥力的作用下被分离形成多个的分离粉末，分离粉末在射频等离子体中继续受到电子加热，钛颗粒的表面张力驱使分离粉末形成更为标准的球形；且卫星型钛粉颗粒在静电库伦排斥力作用下被分离，难以再形成卫星型颗粒；
[0019](3)本申请采取氩气循环工作模式，能够降低氩气消耗，进一步降低高品质超细钛粉制备的生产成本；此外本申请采用直流稳态磁镜位型磁场，约束射频等离子体电子的径向和纵向逃逸的同起到降低电能消耗的作用，也能够进一步降低高品质超细钛粉的生产成本；
[0020](4)本申请采用的是惰性气体，石英玻璃放电管，在非球形钛粉球化、缩小半径的熔融过程不会带来额外的金属污染。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0022]以下结合实施例对本专利技术的特征和性能作进一步的详细描述。
[0023]实施例1
[0024]本实施例提供了一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，包括：在射频等离子体球化钛粉的射频电离段增加一个磁场。具体地为：在双波段射频等离子体石
英放电管的射频放电线圈两端分别安装一个直流电磁线圈，以使在双波段射频放电等离子体上形成一个磁感应强度为300
‑
500Gs的磁镜位型的磁场。
[0025]通过磁镜磁场约束射频等离子体的大部分电子，降低了电子径向逃逸和纵向逃逸，提高磁约束射频等离子体的电子密度到5
×
10
19
m
‑3，电子温度为15eV，离子及中性氩气原子的密度为2
×
10
24
m
‑3，温度为3000K，构成非热平衡磁化等离子体。通过氩气携带送入大直径、高纯度、非球形钛颗粒(800目，约为18μm)，在高电子密度磁化等离子体中会形成较高的电荷充电，提高熔融钛金属颗粒表面的电子电荷密度。熔融钛金属是导体，电导率约为2.6
×
106S/m，电子电荷都分布在熔融钛金属颗粒表面，并且钛颗粒在磁化等离子体形成等位体，其电位相对于等离子体零电位约为
‑
15V，造成熔融钛金属颗粒受到静电库伦排斥力的作用大于金属液体流动的粘滞力而分裂，形成直径更小的球形钛颗粒。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，其特征在于：包括：在射频等离子体球化钛粉的射频电离段增加一个磁场。2.根据权利要求1所述的磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，其特征在于：包括：在双波段射频等离子体石英放电管的射频放电线圈两端分别安装一个直流电磁线圈，以使在双波段射频放电等离子体上形成一个磁镜位型的磁场。3.根据权利要求2所述的磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，其特征在于：所述磁场的磁感应强度为300
‑
500Gs。4.根据权利要求3所述的磁化射频等离子体制备超细高纯球形钛粉的方法，其特征在于：经过磁约束后的等离子体为非热平衡磁化等离子体。5.根据权利要求3所述的磁化射频等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，施可敏，马太华，曾毅，李林，李本南，
申请(专利权)人：四川真火等离子研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：