等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法技术

本发明专利技术涉及金属粉末制备领域，特别涉及一种等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法。其中，一种等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，步骤如下：将掺杂钨粉经等静压、中频烧结、锻造、机加工后制得掺杂钨合金电极棒，所述掺杂钨合金电极棒中掺杂组分的沸点小于钨的熔点或不高于钨的熔点500℃；将所述掺杂钨合金电极棒进行等离子旋转电极雾化，即得到等离子旋转电极雾化球形钨粉。本发明专利技术提供的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，采用掺杂钨合金电极棒替代纯钨电极棒，在不改变设备转速及电极棒直径的条件下，获得粒度更低的球形钨粉，有效提高了等离子旋转电极雾化制备符合EBM中低粒度要求以及SLM粒度要求的球形钨粉的收得率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法


[0001]本专利技术涉及金属粉末制备领域，特别涉及一种等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法。

技术介绍

[0002]钨是熔点最高的金属，具有饱和蒸气压低，热膨胀系数小，导热导电性能好，高温强度高，原子系数大，密度大，抗射线辐射能力强等优点，被广泛应用于电真空、热场、医疗、核电、军工等领域。
[0003]然而，钨的塑脆转变温度高，塑性低，压力加工及机加工都相对困难，这也大大限制了其应用。在传统粉末冶金+压力加工+机加工的成型工艺上，采用掺杂稀土氧化物及钾的方式，可改善钨的成型性能，并获得提升高温强度、塑性、降低电子逸出功等更好的性能优势。金属3D打印技术的发展为钨的成型及应用提供了新的途径，当前已知采用球形钨粉为原料，以基于粉末床的激光选区熔融(SLM)、电子束选区熔融(EBM)两种打印方式打印的复杂形状钨制品已成功在医疗、核电及军工上得以批量应用，前景广大。就两种工艺对比而言，SLM在实际应用中占比较大。
[0004]不同的打印技术，对球形粉末的粒度有差异化要求，大体是SLM：15～53μm，EBM：45～106μm。制备球形金属粉末的工艺也很多，但对于最高熔点的金属—钨(熔点3410℃)，选择不多。当前产业化的技术只有三种，射频等离子球化(以粉末为原料)、等离子旋转电极雾化(以棒材为原料)、电爆炸法(以丝材为原料)。就成本而言，射频等离子球化工艺应该是最低的，粉末粒度覆盖范围也可覆盖两种打印工艺，如果原料粉末粒度控制好，成品球形粉末的收得率可达90％以上，然而这种工艺制备的粉末球形度、球化率、空心球粉几个指标表现相对差，尤其是粗颗粒球形钨粉(≥53μm)需以造粒钨粉为原料，成本较高，空心球比率也高。电爆炸法采用0.3mm左右直径的丝材为原料，如前所言，钨是难加工金属，丝材采用粉末冶金加压力加工的方式生产，流程长，成本高，原料的可获得性也差。同时，该工艺适合做纳米粉及SLM用的相对小的微米粉，粉末球形度、球化率、空心球粉表现都很好，质量一致性也高，只是目标粒度范围粉末的收得率会比较低，50％左右。等离子旋转电极雾化采用机加工棒材为原料，原料成本及可获得性介于粉末及丝材之间，该工艺做出的粉性能指标可与电爆炸法相当。然而美中不足的是受限于设备的能力(主要是转速及设备可夹持的最大电极棒直径、重量)，其只能制备EBM用的中粗粒度范围的粉末，收得率也存在不足，至于SLM用的细微米粉末，那基本微乎其微，这大大限制了其应用及商业价值。
[0005]等离子旋转电极雾化制备更细球形粉末的尝试一直不断，当前改进的主要着力点都集中在制粉设备上。
[0006]等离子旋转电极雾化粉末平均粒度计算公式如下：
[0007][0008]其中：n～电极棒转速，D～电极棒直径，δ～液滴表面张力，ρ～密度，η～无量纲修
正因子。
[0009]从公式可见，提高电极棒的转速，提高电极棒直径都能使得粉末粒度下降。而这方面的进步依赖于设备的设计及制造能力，如何获得更高的转速，或者如何能夹持更大直径的电极棒。
[0010]采用提高转速的方式对旋转系统要求很高，制造难度大。增加电极棒直径，同样对旋转系统会增加负荷及散热的要求。钨的密度是19.2g/cm3，直径的增加会带来重量的显著增加。同时对于采用粉末冶金(粉末—等静压/模压成型—烧结)加压力加工(轧制、锻造)加机加工生产的钨电极棒而言，直径的增大还带来烧结均匀性差及压力加工易开裂的风险，降低最终产品的可获得性。因此，市面上的设备通常转速高，则电极棒的直径小。反之转速低，则可上更大直径的电极棒。但是直径大了往往还要缩短长度以避免载荷太大对设备的不良影响，由于有固定长度的夹持端损耗，这也会导致粉末成品率的下降。
[0011]因此，等离子旋转电极雾化通过设备的改进想要更好地满足EBM的中低粒度要求以及SLM的粒度要求仍有一定距离，而如何跳出设备改进的范畴，使等离子旋转电极雾化技术能够获得更低粒度的球形钨粉，成为研究的一大热点。

技术实现思路

[0012]为解决上述现有技术中等离子旋转电极雾化技术无法满足EBM的中低粒度要求以及SLM的粒度要求，同时收得率低的不足，本专利技术提供一种等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，步骤如下：
[0013]将掺杂钨粉经等静压、中频烧结、锻造、机加工后制得掺杂钨合金电极棒，所述掺杂钨合金电极棒中掺杂组分的沸点小于钨的熔点或不高于钨的熔点500℃；
[0014]将所述掺杂钨合金电极棒进行等离子旋转电极雾化，即得到等离子旋转电极雾化球形钨粉。
[0015]在一实施例在，等静压、中频烧结、锻造、机加工等过程如下：
[0016]等静压：将掺杂钨粉混合均匀后，放入冷等静压机中进行压制，等静压最大压力为180～220MPa，保压时间80～160s。压制后获得生坯。
[0017]中频烧结：将生坯放入中频烧结炉中，于氢气保护下进行烧结，烧结温度最高为1900～2300℃，高温保温时间为5～10h，中频烧结后获得烧结钨条。
[0018]锻造：将所述烧结钨条在快锻机或空气锤上进行锻造，锻造加热温度为1200～1700℃，道次变形量为15％～30％，获得锻造钨棒。
[0019]机加工：根据图纸要求，将锻造钨棒进行机加工，即得所述掺杂钨合金电极棒。
[0020]在一实施例中，所述等离子旋转电极雾化过程中所述掺杂钨合金电极棒的工作温度小于钨的沸点且高于所述掺杂组分的沸点。
[0021]在一实施例中，所述掺杂组分为钾和/或稀土氧化物。
[0022]在一实施例中，所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化钇中的一种或组合。
[0023]在一实施例中，所述掺杂钨合金电极棒中，以质量分数计，所述钾含量为30～150ppm；所述稀土氧化物含量为0.1％～5％。
[0024]优选的，所述掺杂组分为钾时，所述钾含量为60～80ppm；
[0025]优选的，所述掺杂组分为稀土氧化物时，所述稀土氧化物含量为1％～1.5％。
[0026]优选的，所述掺杂组分为钾和稀土氧化物时，所述钾含量为60～80ppm，所述稀土氧化物含量为1％～1.5％。
[0027]在一实施例中，所述掺杂钨合金电极棒进行等离子旋转电极雾化后，对获得的粉末进行表面处理，所述表面处理过程为超声波酒精清洗后进行真空干燥。
[0028]在一实施例中，所述掺杂钨粉采用干法掺杂和/或湿法掺杂制备。
[0029]具体的，湿法掺杂过程为：
[0030]当掺杂组分为稀土氧化物时，原料采用对应稀土元素的硝酸盐(如硝酸镧)或氨盐(如镧酸氨)，按比例配置为掺杂溶液；当掺杂组分为钾时，原料采用硅酸钾、硝酸铝水溶液，按比例配置为掺杂溶液。掺杂过程具体可采用压力式喷枪将掺杂剂溶液以喷雾的形式向放置在掺杂锅中的蓝钨喷洒同时进行搅拌，待喷洒完毕后烘干，得到掺杂蓝钨；对掺杂蓝钨进行还原，即得到掺杂钨粉。优选的，对掺杂组分为钾的掺杂钨粉还原后进行酸洗，以去除多余的辅助剂。具体的，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，其特征在于，步骤如下：将掺杂钨粉经等静压、中频烧结、锻造、机加工后制得掺杂钨合金电极棒，所述掺杂钨合金电极棒中掺杂组分的沸点小于钨的熔点或不高于钨的熔点500℃；将所述掺杂钨合金电极棒进行等离子旋转电极雾化，即得到等离子旋转电极雾化球形钨粉。2.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，其特征在于：所述等离子旋转电极雾化过程中所述掺杂钨合金电极棒的工作温度小于钨的沸点且高于所述掺杂组分的沸点。3.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，其特征在于：所述掺杂组分为钾和/或稀土氧化物。4.根据权利要求3所述的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，其特征在于：所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化钇中的一种或组合。5.根据权利要求3所述的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方法，其特征在于：所述掺杂钨合金电极棒中，以质量分数计，所述钾含量为30～150ppm；所述稀土氧化物含量为0.1％～5％。6.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化球形钨粉制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张衍诚，
申请(专利权)人：厦门虹鹭钨钼工业有限公司，
类型：发明
国别省市：