球形类球形钽粉的制备

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018.12.010球形/类球形钽粉的制备任萍，周慧琴，陈学清，林辅坤(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000)摘要：研究了用氢化破碎技术制备球形/类球形钽粉的工艺及钽粉的性能。以二次电子束高温轰击的高纯钽锭为原料，经过氢化吸氢，球磨机磨筛制粉，然后经过脱氢处理，再经气流粉碎机进行气流整形，得到形貌改善的原粉，通过酸水洗除杂，真空热处理及镁还原降氧过程，得到球形/类球形钽粉。这种钽粉由独立的、单一的粉末颗粒组成，钽粉的粒度分布范围集中，D90小，流动性好，氧含量低，可以满足3D打印、喷涂等方面的应用要求。关键词：球形/类

2、球形钽粉；氢化；低氧；粒度分布中图分类号：TF841.6文献标志码：A文章编号：1007-7545（2018）12-0000-00Preparation of Spherical or Near Spherical Tantalum PowderREN Ping, ZHOU Hui-qing, CHEN Xue-Qing, LIN Fu-kun(Ningxia Orient Tantalum Industry Co., Ltd., Shizuishan 753000, Ningxia, China)Abstract：Preparation of spherical/near spherical

3、 tantalum powder by hydrogenation crushing technology and property of tantalum powder are investigated. High-purity tantalum ingot obtained by electron beam is used as raw material. After hydrogenation, ball milling and screening, dehydrogenation, and airflow shaping by jet mill, morphology improved

4、 powder is obtained. Spherical/near spherical tantalum powder is produced from the original powder after its being washed by acid to remove impurities, vacuum heat treatment and magnesium reduction to reduce oxygen content. This tantalum powder is composed of independent and single powder particles

5、with concentrated distribution range of particle size, low D90, good flow ability, and low oxygen content, which can meet the application requirements of 3D printing and spraying.Key words：spherical/near spherical tantalum powder; hydrogenation; low oxygen content; particle size distribution钽是一种高温难熔

6、金属，它的冶炼通常采用以下工艺：首先将化合物还原成金属粉末，然后经过提纯、烧结、调整性能，从而制作成满足不同使用要求的钽粉。如果钽粉是用于加工成为棒、板、片、管、丝以及其它钽制品加工材，则通常被称为冶金级钽粉。冶金级钽粉因钽金属的不同性能优势应用在不同的领域。由于钽具有高熔点和低蒸气压，因此应用于航空航天、国防、高温真空炉中的发热部件、舟皿和保温材料；钽对于液态金属和除氢氟酸外的强酸具有优异的抗腐蚀能力，并且具有良好的导热性和化学稳定性，还应用于化工和冶金等领域中的防腐材料；钽具有强的抗电子应力迁移能力，因此也可用于制造集成电路中铜线和硅之间的阻挡层；另外，由于钽和/或铌具有良好的生物相容性，

7、因此通常可用于医疗领域中作为手术缝合线、定制假肢、椎间融合器、人工关节、骨伤修复材料等等。3D打印医用人体植入金属骨骼是近几年发展起来的新医疗技术，由于钽及其合金是与人体亲和力较好的金属，具有诱导骨骼生长、抑制感染的独特能力，因此钽及其合金在3D打印医用人体植入方面的研究应用也越来越多。作为用于3D打印用的钽原料金属钽粉，主要要求钽粉形貌是球形或类球形、粒度分布集中、杂质含量低（尤其是氧含量）。文献资料显示，现有技术中主要有三种技术制备球形/类球形金属粉末：等离子粉体处理技术1-8、喷雾制粒技术9-10和氢化破碎技术11-13。等离子粉体处理技术设备投资大、技术要求高、工艺复杂、粉末加工成本高

8、；喷雾制粒技术只能制备熔点在2 000 以下的金属或合金，无法制备熔点在2 000 以上的金属，例如钽、铌等；氢化破碎技术制备的钽粉颗粒存在棱角尖锐、粒度分布范围宽的缺点。本文主要研究了用氢化破碎技术制备球形/类球形钽粉的制备工艺及由此得到的球形/类球形钽粉的产品性能。1 主要研究工艺路线1.1 设备及原辅材料收稿日期：2018-08-02基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0305404）作者简介：任萍（1973-），女，宁夏中宁人，高级工程师.球形/类球形钽粉的制备过程所用设备有电阻氢化炉、电阻脱氢炉、球磨机、气流粉碎机、回转式酸洗槽、真空热处理炉、电阻降氧炉、真空烘干箱等。所需

9、原辅材料有高纯钽锭（纯度99.995%）、硝酸、氢氟酸、纯水、高纯氢气、镁屑等。1.2 工艺流程以二次电子束高温轰击的高纯钽锭为原料，经过氢化吸氢，球磨机磨筛制粉，使钽粉颗粒通过不同筛目的标准筛，然后经过脱氢处理，再经气流粉碎机进行气流整形，得到形貌改善的原粉，通过酸水洗除去化杂，真空热处理及镁还原降氧过程，得到球形/类球形钽粉。2 处理工艺2.1 氢化将高纯钽锭装入清理干净的不锈钢坩埚内，吊入电阻氢化炉内，抽真空至200 Pa以下，再充入氢气至(1.02.0)×105 Pa，然后加热升温，升温过程中应密切注意弹内压力，不得超过2.0×105 Pa，以防止压力过大崩裂胶管，

10、造成氢气泄漏，当升温至600900 ，保温14 h，保温结束后停电降温进行氢化，降温过程中及时补充氢气，直至钽锭不再吸氢为止。2.2 球磨制粉将氢化处理后的钽锭装入球磨机中进行破碎，以得到钽粉末。球磨破碎后的物料使用不同的筛目过筛，得到的氢化料的粒度分布不同，将会影响后续得到的最终产品的粒度分布。使用不同筛网过筛球磨破碎后的物料，即得到不同筛目的筛下粉，以保证最终产品粒度分布集中，D90小，球化效果好。如果使用+0.043 mm(+325目)或更粗的筛上粉进行后续处理，最终产品颗粒较大，D90偏大，颗粒的球化效果较差。2.3 脱氢将球磨后的钽粉装入坩埚、装入电阻脱氢炉内进行脱氢处理。抽真空充氩

11、气置换，使反应弹内氩气充至0.04 MPa，送电升温至600900 ，保温14 h，进行脱氢处理。保温结束后，将反应弹吊入冷却风筒内冷却至出炉过筛，得到脱氢后的钽粉。脱氢处理使钽粉中的氢含量尽可能的低，同时又不能使超细钽粉颗粒粘结在大颗粒的表面，从而保证钽粉颗粒的分散性。2.4 气流整形在脱氢处理之后进行气流整形，以利于得到球形/类球形整形效果好的粉末。将脱氢后的钽粉加入气流粉碎机中进行气流整形。在气流整形过程中，工作压力为5.07.0 kg，一级、二级工作频率均为2050 HZ，气流整形时间控制在1030 h，通过控制气流整形过程中的工艺参数来改变粉末的形貌，并将超细粉末集中收集在二级粉中，

12、使得到的一级粉的粒度分布更加集中，基本无超细粉末。2.5 酸洗将气流整形后的粉末进行酸洗，以除去球磨破碎和气流整形过程中的化学杂质，具有提纯的作用。酸洗的酸液为硝酸与氢氟酸的混合酸，酸洗时间13 h。酸洗后的钽粉称为原粉。2.6 真空热处理将酸洗之后得到的原粉装入钽坩埚内置入真空热处理炉中进行真空热处理，在去除酸洗过程中带入的H、F等杂质的同时保证金属粉末不烧结不长大。真空热处理过程要求加热室的真空度达到1.0 mPa开始送电升温，热处理温度为1 0001 250 ，热处理时间3090 min，将热处理后得到的产物进行降温、钝化、出炉、过筛。2.7 降氧酸洗将真空热处理后的粉末进行降氧，在降低

13、氧含量的同时保证金属粉体不烧结不长大。将钽粉质量0.5%1.5%的镁屑与钽粉混合均匀，装入坩埚中，装入脱氧炉中。先在惰性气体如氩气的流通保护下进行加热处理，在700800 下持续保温14 h进行脱氧，然后降温并钝化，得到氧化镁、残留金属镁、脱氧的钽粉，用硝酸和氢氟酸的混合酸洗，去除其中的金属镁、氧化镁，然后加纯水过滤除去废酸液，再分盘真空烘干，用0.147 mm标准筛（100目）筛粉，从而得到钽粉。3 产品性能及讨论对按照上述工艺生产的钽粉的理化性能进行测定，其中例1为球磨过0.043 mm(325目)筛经过后续处理得到的钽粉，例2为球磨过0.037 mm(400目)筛经过后续处理得到的钽粉。

14、3.1 化学性能氢化破碎工艺过不同筛目制备得到的钽粉化学杂质如表1所示。由表1可以看出，由于使用二次轰击高纯钽锭做原料，并进行了降氧酸洗的后续处理，得到的钽粉纯度高，可以达到99.99%以上，尤其是氧含量低，可以满足3D打印、喷涂等应用低氧含量的要求。例2钽粉相对例1更细，所以例2钽粉的氧含量比例1钽粉高一些。表1 钽粉的化学杂质Table 1 Chemical analysis of tantalum powder /×10-6钽粉ONFeNiCr例110020953例22002010333.2 物理性能氢化破碎工艺过不同筛目制备得到的钽粉物理性能如表2及图1、图2所示。由表2可以

15、看出，例1钽粉、例2钽粉的粒度分布比较集中，流动性好。由于制备过程通过控制球磨制粉的筛目，并通过气流整形将超细钽粉回收在二级粉中，使得到的一级粉的粒度分布比较集中。而且气流整形过程在高压气流的冲击下，钽粉颗粒反复碰撞、摩擦，钽粉颗粒原来尖锐的棱角经过打磨整形，变得平滑圆润，钽粉的形貌近似球形或球形（图2），流动性好。表2 钽粉的物理性能Table 2 Physical properties of tantalum powder钽粉D10/%D50/%D90/%(D90-D10)/D50流动性(50 g)/s例116.69231.78354.8621.202.0例215.04226.52844.

16、4661.112.8图1 钽粉的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of tantalum powder (a)例1钽粉 (b)例2钽粉图2 钽粉的SEM形貌Fig.2 SEM microstructure of tantalum powder4 结论用氢化制粉工艺得到了球形/类球形钽粉，这种钽粉由独立的、单一的粉末颗粒组成，钽粉的粒度分布范围集中，D90小，流动性好，氧含量低，可以满足3D打印、喷涂等方面的应用要求。参考文献1 梁栋，侯击波. 感应等离子工艺参数对制备电容器级钽粉性能的影响J. 兵器材料科学与工程，2010，33（3）：46-502 尚福

17、军，史洪刚. 原料粉体对感应等离子制备钽粉性能影响J. 兵器材料科学与工程，2009，32（5）：64-683 江民德. 球形化钽粉及其制取工艺：CN87101648AP. 1987-08-19.4 尚福军，史洪刚，王有祁，等. 感应等离子体电容器级纳米钽粉制备用原料粉体的前期处理工艺：CN200810163594.2P. 2008-12-25.5 舒丽红，赵登永，王光杰，等. 一种纳米级钽粉的生产方法：CN201310393535.5P. 2013-09-02.6 曹永革，石明，李军廷，等. 一种制备微细球形铌粉的方法：CN201410246608.2P. 2014-06-05.7 韩志宇，左振博，相敏，等. 一种高品质球形铌粉的制备方法：CN201610219834.0P. 2016-04-11.8 徐卫，叶高英，蒲锋，等. 一种高压电容器用球形钽粉的制备方法：CN201610720889.XP. 2016-08-25.9