射频感应等离子体制备球形Ti粉的工艺.docx

2 0 1 0 年 2 月Nuclear Power EngineeringFeb. 2 0 1 0文章编号：0258-0926(2010)01-0013-05射频感应等离子体制备球形Ti粉的工艺古忠涛，叶高英，刘川东，童洪辉（西南物理研究院，成都，610041）摘要：采用射频（RF）感应等离子体球化颗粒形状不规则的Ti颗粒。研究了加料速率、物料分散方式、Ti颗粒大小等因素对球化率的影响。电子扫描显微镜（SEM）观察的球化效果以及对钛粉振实密度的测定表 明：当钛原粉以极短暂时间快速穿越等离子体炬时，钛粉颗粒因受热而熔化成液滴，快速冷却，形成球形固 态颗粒。关键词：射频等离子体；球化；钛粉中图分类号：TL214+. 2文献标识码：A形状不规则的钛粉。采用该方法制备球形钛粉，其制备成本低、并且可得到纯度高、球形度高的 粉体。1 引 言目前，国内高球形度钛粉主要通过气雾化方 法制造，对钛粉直接加热蒸发。由于钛是高熔点 活性金属，在坩埚中熔化时易污染，无法保持纯度。加拿大的PyroGenesis有限公司于1998年底将等离子体喷雾用于工业规模生产球形钛粉；该公 司使用的是直流非转弧等离子喷嘴，等离子喷雾 设备由3个与垂直方向成2040的喷嘴组成；3个喷嘴对着同一个顶点，形成一个等离子区域； 这种工艺的优点是热焓量大且电极损耗小。该方法是目前唯一能批量生产细小球形高活性金属粉 末的方法，但生产效率较低，粉末成本较高1。射频感应等离子体具有能量密度高、加热强 度大、等离子体炬的体积大、处理材料工艺简单 等优点2。由于没有电极，不会因电极蒸发而污 染产品；同时可采用多种气体，更有利于材料的 处理。形状不规则的钛粉颗粒由携带气体通过加料枪喷入等离子体炬中，在辐射、对流、传导和 化学4种机制作用下，被迅速加热而熔化。熔融的 颗粒在表面张力的作用下形成球形度很高的液 滴，并在极短时间内迅速凝固形成球形的颗粒3。本文介绍了制备球形钛粉的实验与工艺，实 验采用等离子体高温熔化和快速冷凝球化技术， 在快速冷凝条件下，用射频感应等离子体，球化2实验装置与方法2.1实验装置实验装置由以下几部分构成（图1）：射频感 应等离子体（RF）发生器，用于产生激励电磁场， 频率为3.5 MHz，额定功率为100 kW；等离子体 水冷灯具，内部充有中心气（氩气）和保护气体（氩气）；喂料器；加料枪；热交换室用水冷却； 气-固分离室；尾气排放系统。图1 射频感应等离子体实验装置简图Fig. 1 Schematic Diagram of RF Induction Plasma1加料枪；2中心气；3保护气体；4冷 却水出口；5冷却水入口；6Tesla线圈；7尾气排放收稿日期：2008-10-10；修回日期：2009-03-08核 动 力 工 程14Vol. 31. No. 1. 20102.2实验方法2.2.1球形钛粉制备实验所用的海绵状钛粉平均尺寸在80100 m。制备球形钛粉的方法如 下：（1）建立稳定的氩等离子炬。（2）将原料粉体颗粒用携带气体（氩气）经 加料枪喷入等离子体炬中。（3）等离子体炬中的钛粉颗粒在极短的时间 内吸收大量的热而迅速融化，并以极快的速度进 入热交换室冷却凝固后，再进入气-固分离室中收 集起来。实验参数见表1。表1 RF 感应等离子体球化Ti 粉体的实验参数Table 1 Experimental Parameters for RF InductionPlasma Spheroidization of Ti Powders图2Ti粉原粉和球化后试样的SEM照片Fig. 2 Electron Scanning Micrograph of TitaniumPowders before and after Spheroidization输送钛粉量/g min球 化 ， 统计出 的球 化率为 98% 。当 加料 速率 105.50 g/min时，球化样品颗粒的形貌如图3b所 示；图中未被球化的粉体颗粒较图3a中的多，统 计出的球化率为90%。当加料速率进一步增大到135.00 g/min 时，球形颗粒的比例进一步减小（图3c），统计出的球化率降为70%。当加料速率增 大到165.75 g/min 时，从图3d中可以看出只有少 部分的颗粒被球化，样品的球化率仅为40%。图4是加料速率对球化率的关系图。从图4中 可以看出，当加料速率大于120 g/min时，钛粉的 球化率随着加料速率的增大迅速降低。因此，控 制加料速率对钛粉球化效果非常重要。3.3 球化率对粉体装松密度的影响为了研究粉体的球化率对装松密度的影响， 用流动仪测定了图3中球化的4种样品的装松密 度。测定的结果见表2。从表2可以看出，随着球 化率的提高，粉体的装松密度逐渐变大。原料粉 体在球化后，颗粒的形貌由极不规则的形状变为了光滑的球形，颗粒之间的接触面积小，颗粒堆积较密实。因此，球化率越高的粉体的松装密度 随之增大。3.4 球化前后钛粉的振实密度用霍尔流量计测定等离子体处理前后钛粉的 振实密度，原料钛粉和产品球形钛粉的振实密度2.2.2试样表征观察采用扫描电子显微镜（SEM）观察射频感应等离子体球化前后钛粉颗粒的形貌和粒度大小。用流动仪测定球化后粉体 的装松密度；用霍尔流量计测定等离子体处理前 后钛粉的振实密度。2.2.3 球化率的统计 用SEM观察试样，统计出 经过球化处理的球形小球所占的份额。每个样品 随机取样统计3次，然后取算术平均值作为该样品 的球化率。3结果与讨论3.1等离子体球化前后颗粒形貌的变化实验用的原料是采用机械粉碎法将海绵状 的钛经机械粉碎后制备的钛粉体，颗粒形状极不 规则（图2a），钛粉体的平均粒度尺寸为80100 m。球化后，颗粒球形度很高，表面光滑（图2b）。 球化处理后，Ti 颗粒的平均粒度尺寸在70 95 m，与钛原料颗粒尺寸大小略有减小。3.2加料速率对球化效果的影响在相同工艺参数下，不同的加料速率，颗粒球化的效果是不同的。图3a为加料速率85.25 g/min 条件下的球化 照片；从图中可以看出，原料颗粒几乎被完全实验参数参数值中心气体（氩气）输送量/(m3 h-1)0.8保护气体（氩气）输送量/(m3 h-1)1.2携带气体（氩气）输送量/(m3 h-1)0.050.15-150.00200.00等离子体输出功率/kW72古忠涛等：射频感应等离子体制备球形 Ti 粉的工艺15图3 不同加料速率下球化Ti粉的SEM照片Fig. 3 Electron Scanning Micrograph of Samples with Different Feed Rates较大的振实密度与其球形度较好有关。3.5携带气量对球化的影响本实验中采用氩气作为携带气体将原料钛 粉喷入等离子体炬中。携带气体流量的大小同时 影响钛粉进入等离子体炬时的分散状态和钛粉在 等离子体炬中的停留时间。携带气体流量越大， 钛粉通过等离子体炬时的分散性越好，等离子体 炬的热利用率越高，所得球形钛粉的均匀性也越 好。如图5a所示，其携带气量为Qc=0.10 m3/h 时， 粉末通过足够长的等离子体炬高温区。使颗粒之间有足够的碰撞。分散效果很好，其球形度相应 也较好，球化率几乎达到100%。然而，随着携带气量变大，钛粉在等离子体 炬中的停留时间缩短，而钛粉熔化需要在等离子 体炬中吸收足够的热量，因此，过大的携带气量 也会影响球化的质量。如在图5b和5c中，因采用 不同的携带气量，粉末在等离子体炬高温区的分 散较差。存在颗粒之间因彼此间碰撞而导致颗粒 粘结。在下降过程中相互接触的机会就越多，相 互粘缩的频率高，从而出现卫星球及哑铃形颗粒。 也存在部分钛粉颗粒没有熔融而直接逃逸等离子 炬的高温区，球化温度偏低，物料局部熔化后球 化，或部分物料表面熔化导致颗粒粘结。这二者 都没有到达球化的效果。因此，在射频等离子体 制备球形Ti颗粒的过程中，控制合适的携带气量图4加料速率与球化效果关系Fig. 4 Relationship between Feed Rate andSpheroidization Efficiency表2不同球化率粉体的松装密度Table 2 Apparent Density of Plasma ProcessedTi Powders with Different SpheroidizationEfficiency分别为3.35 g/cm3 和4.32 g/cm3，产品球形钛粉的振实密度远大于原料钛粉。通过测量振实密度可 以知道粉体的流动性和空隙率等数据。振实密度越大，单位体积的填充量越大。影响粉体振实密 度的主要因素是颗粒的形貌。球形颗粒堆积时接 触面小，粒子间的空隙少，有利于堆积密度的提 高。因此，球形粉体具有大的振实密度，球形度 越高振实密度越大4。所得产品球形Ti颗粒具有参数名称参 考 值球化率/%40709098装松密度/g cm-33.553.904.154.28核 动 力 工 程16Vol. 31. No. 1. 2010图5 不同携带气体流量下，Ti粉球化的扫描电子显微镜(SEM)照片Fig. 5 Electron Scanning Micrograph of Samples with Different Carried Gas Rates图6 粒度分布均匀的原料及其制备的球形颗粒Fig. 6Electron Scanning Micrograph of Even Granularity Powders before and after Spheroidization图7 粒度分布非均匀的原料及其制备的球形颗粒Electron Scanning Micrograph of Uneven Granularity Powders before and after SpheroidizationFig. 7粒度长粗的可能。即通过控制物料分散方式、球化温度等因素，细的原料可能制备出粗粉末，也 可能制备出与原料相近粒度的粉末，而粗原料则 只能制备出粗颗粒粉末。因此，用细颗粒的原料， 可以制备出球形较好、小球分布比较均匀的球形 Ti颗粒。图6为粒度组成较窄的钛原粉及其制备的球 形Ti颗粒的形貌。球形Ti颗粒的粒度组成也分布在较窄的范围内，而图7则不然。可以看出：钛原 粉粒度组成越窄，制备出的球形Ti颗粒粒度组成 在同样的工艺条件下也越窄，反之则越宽。钛原 粉粒度组成窄，颗粒高温性能基本一致，在保证 分散的条件下，液滴之间相互独立冷却，得出的是非常必要的。3.6 Ti粉原始粒度及粒度组成对球化的影响对相同质量的粉体，在其他参数相同的条件 下,它在等离子体炬中所能吸收的热量与颗粒直径成反比5。颗粒越细，其比表面积越大，等离 子体赋予该粉体原料的热量就越多。粉体的熔化 温度与其粒度大小有关，颗粒越细，其熔点越低。 因此，在相同条件下，细钛粉将优先熔化。在同样的球化工艺条件下，球化钛粉的粒度 与钛原粉的粒度是相对应的，钛原粉粒度粗，则 球形钛粉粒度粗。从图2也可以得出，钛原粉粒度细并不能表明制备的球形钛粉粒度就细。因任何 粒度及粒度组成的原料在高温熔化时，都存在有古忠涛等：射频感应等离子体制备球形 Ti 粉的工艺17粉末其粒度组成也相对较窄。如果钛原粉粒度组成很宽，颗粒受热及熔化程度不一样，颗粒在运 行过程中运动状态也不一样，从而液滴粘附、长 大的机率增多，导致粒度长粗。因此, 钛原粉粒 度分布窄、产品冷却迅速均匀是等离子球化制备 工艺的重要条件。时间长，故特别适合于粉末颗粒的球化。这种等离子体球化的好处是：改善粉末流动性，提高粉 末松装密度，消除颗粒内部的孔隙与裂缝，改变 颗粒表面形貌，提高粉末纯度。等离子球化粉适 合于注射成形、热喷涂以及制作近终形零件等。 另外，等离子体反应器内气氛可控，有利于制备 出高纯粉末，此工艺简捷、快速，具有良好的工 业化前景。4结论（1）携带气量越大，原料的加料速率越大， 颗粒在等离子体炬中的停留时间缩短，导致球化 率降低。同时，随着球化率提高，钛粉的装松密 度变大；相应球形钛粉的振实密度为4.32 g/cm3， 与原料钛粉相比显著提高。在确保能制备出球化 率较高的钛粉的条件下，可以适当增加粉体颗粒 在等离子体炬中的停留时间。（2）在制备球形钛粉过程中，粒径较小的颗 粒在球化过程中，由于熔融碰撞、汽化再结晶等 因素，导致一定数量的大颗粒形成。球化加工的 粉体粒度不宜过大、粒度分布应当越窄越好。（3）射频感应等离子体系统由于空间大、纯 度高、轴向供粉以及在放电区域内粉末颗粒停留参考文献：1 Cao M Y, Rhee B O, Chung C I. 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The effect of feed rate, various dispersion methods and Ti particle size on the spheroidization efficiency was studied. The efficiencyof the spheroidization is evaluated through the measurements of the percentage of powder spheroidized based on the electron microscopic observations and the tap density measurement of the process