CN109332715A - 一种近β型钛合金制粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近β型钛合金制粉的方法，具体涉及一种高品质Ti55531合金电子束增材制造粉末制备工艺。本发明首次采用立式旋转电极工艺，即棒料是垂直进给，棒材直径可达100mm，长度可达800mm，大大提高了加工效率。由于棒料可以采用更大尺寸，通过机加工制备标准棒料后去除氧化层的比例大幅减少，原材料的利用率大大提高，成本显著降低。并且，采用立式进给方式，棒料尖端部位不会由于重力作用而产生小幅度下垂，故可以采用更高转速、更大尺寸棒料，得粉率及生产效率大幅提高。应用本发明工艺进行Ti55531合金粉体制备，适于电子束增材制造工艺的球形粉实际收得率为61％，粉末球形高于97％，氧增量小于250ppm，无明显卫星粉、异形粉和气体夹杂。

Description

一种近β型钛合金制粉的方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，尤其涉及一种近β型钛合金制粉的方法。

背景技术

对于钛合金而言，通常采用气雾化方法来制备增材制造用粉体，目前最成熟的TC4合金，国内普遍采用VIGA或EIGA工艺进行球形粉制备，而国外除以上两种工艺外，更优质的粉末采用等离子雾化制粉方式，其合金原料为丝材。然而，对于Ti55531这种高强高韧钛合金，由于其拉丝工艺很不成熟，且丝材易在加工过程中断裂，故等离子雾化方式不适用。而VIGA或EIGA技术通常用于制备适用于激光铺粉打印工艺的粉体，其粒径分布为15～45μm，得粉率可达40％以上，而粗粉段的粒径分布较宽泛。但电子束增材制造通常采用的粉末粒度为45～110μm，因此，气雾化或等离子雾化制粉方法并非最佳的制备Ti55531合金粉体的工艺。

旋转电极雾化制粉工艺利用尖端放电原理，即加工成圆锥状的钨电极连接高压电极，则棒料靠近锥尖容易产生击穿电压，从而发生尖端放电。当电压足够高且间隙合适时，棒料表面会产生大量的等离子体，从而使棒料熔化。熔化的液滴在高速旋转的棒料产生的离心力作用下，向四周飞速甩出并破碎，最后凝固成为一个个微小球形金属粉。

传统旋转电极采用卧式进料方式，如图1所示，其存在的技术问题是，由于棒料呈水平状态，在重力作用下，其尖端部分会略微下垂，这就致使：1.棒料长度及直径必须在一定范围内；2.旋转速度不能超过一定上限。然而，棒料尺寸太小，改锻及机加工去除的氧化皮比例更高，即废料更多，直接影响制粉成本及效率，而转速则直接关乎粉体收得率。因此，传统卧式旋转电极制粉工艺通常效率低下，并且在45～110μm段的粉体收得率小于40％，综合成本较高。另一方面，相比于成熟的TC4牌号钛合金，Ti55531合金韧性更好，细粉收得率更低，必须以更高的转速才能实现液化合金的充分破碎。更重要的是，Ti55531合金元素组分更复杂，合金熔化及凝固过程更容易产生偏析，为使每粒粉末的元素组成尽可能均匀，必须减小钨电极与棒料间隙以得到更密集的等离子体，这样造成棒料尖端的熔化速度会更快，这就反过来要求提高棒料转速以使得单位时间内甩出去的液化合金更多。

综上所述，为得到适于电子束增材制造的Ti55531合金优质粉体，必须采用新的制粉工艺。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种适于近β型钛合金制粉的方法，采用立式旋转电极工艺，相比与普通水平进给旋转电极或气雾化工艺的棒料尺寸，大大提高了加工效率，也提高了原材料的利用率。

本发明采用如下技术方案：

一种近β型钛合金制粉的装置，包括进给电机、固定支架、长螺母、升降螺杆、高速电机、固定钨电极、铜合金固定台、棒料，所述的高速电机转轴上加工有外螺纹，所述棒料一端加工呈圆锥状，另一端加工出内螺纹，加工时，将棒料具有内螺纹一端拧紧在高速电机转轴外螺纹上，棒料正下方布置为固定钨电极，固定钨电极安装在铜合金固定台上，高速电机通过螺栓安装在固定支架一端，固定支架的另一端上焊接有长螺母，升降螺杆套设于长螺母上，升降螺杆焊接安装在进给电机的转轴上。

本发明进一步的技术方案是，由进给电机、固定支架、长螺母、升降螺杆、高速电机、固定钨电极、铜合金固定台、棒料，组成的钛合金制粉装置竖直布置。

本发明的一种近β型钛合金制粉方法包括以下步骤：

第一步.将直径75mm～100mm的棒料拧紧安装在高速电机的转轴上；

第二步.启动高速电机,待高速电机的转速稳定后，达到20000转每分钟；

第三步.开启高压电源,通过手动控制进给电机，调节棒料尖端与固定钨电极间的距离，直到固定钨电极与棒料之间达到明显起弧时停止；

第四步.开启步进电机的自动运行状态，通过调节进给电机转速，使与之相连的升降螺杆以适当的转速带动连接高速电机的螺母匀速下降进料；

第五步.棒料与固定钨电极间的强烈电弧将产生等离子体以融化棒料，而高速电机带动棒料高速旋转将产生极大的离心力，从而甩出熔化的液滴形成球状粉末，由于逐渐消耗的棒料会以适当速度匀速下降，使得棒料尖端与固定钨电极的间距保持恒定，电弧强度始终基本不变，整个制粉过程可控；

第六步.为避免高速电机转轴的损坏，棒料不能完全消耗完，剩余棒料头长度为4-6cm左右时，进给电机停止，制得适于电子束增材制造工艺的球形粉，粒径为45～110um粒径含量达到61％，氧增量小于250ppm，且无明显卫星粉、异形粉和气体夹杂。

本发明进一步的技术方案是，步骤一中的棒料长度为L，0＞L≥800mm。

本发明进一步的技术方案是，步骤四中进给电机带动棒料的进给速度为1.2mm/s～2.5mm/s，具体速度值根据棒料的直径不同而设计。

本发明的有益效果：

本发明采用立式旋转送料工艺，使棒料实现垂直进给，可采用更高转速，熔化的液态合金破碎更充分，大大提高粉体收得率。

采用立式进给，克服水平进给棒料由于重力作用而小幅度下垂，棒料直径和长度上限提高，损耗更小，且效率更高。

实际制得的适于电子束增材制造工艺的球形粉，粒径为45～110um含量为61％，粉末球形度高于97％，氧增量小于250ppm，无明显卫星粉、异形粉和气体夹杂。

附图说明

图1为传统卧式旋转电极进料结构示意图；

图2为本发明的棒料进给结构示意图；

图3为高速电机的结构示意图；

图4为棒料的结构示意图；

图5为固定支架的结构示意图；

图6为进给电机与升降螺杆的连接结构示意图；

图7为铜合金固定台结构示意图；

图8为固定钨电机结构示意图。

图中，1-高速电机转轴、2-高速电机、3-棒料、4-固定支架、5-长螺母、6-升降螺杆、7-铜合金固定台、8-固定钨电极、9-进给电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种近β型钛合金制粉的装置，包括进给电机9、固定支架4、长螺母5、升降螺杆6、高速电机2、固定钨电极8、铜合金固定台7、棒料3，所述的高速电机转轴1上加工有外螺纹，所述棒料3一端加工呈圆锥状，另一端加工出内螺纹，加工时，将棒料3具有内螺纹一端拧紧在高速电机转轴1外螺纹上，棒料3正下方布置为固定钨电极8，固定钨电极8安装在铜合金固定台7上，高速电机2通过螺栓安装在固定支架4一端，固定支架4的另一端上焊接有长螺母5，升降螺杆6套设于长螺母5上，升降螺杆6焊接安装在进给电机9的转轴上。

本发明进一步的技术方案是，由进给电机9、固定支架4、长螺母5、升降螺杆6、高速电机2、固定钨电极8、铜合金固定台7、棒料3，组成的钛合金制粉装置竖直布置。

本发明的一种近β型钛合金制粉方法包括以下步骤：

第一步.将直径75mm～100mm的棒料3安装在高速电机转轴1上；

第二步.启动高速电机2,待高速电机2的转速稳定后，达到20000转每分钟；

第三步.开启高压电源,通过手动控制进给电机9，调节棒料3尖端与固定钨电极8间的距离，直到固定钨电极8与棒料3之间达到明显起弧时停止；

第四步.开启步进电机自动运行状态，通过调节进给电机9转速，使与之相连的升降螺杆6以适当的转速带动连接高速电机1的长螺母5匀速下降进料；

第五步.棒料3与固定钨电极8间的强烈电弧将产生等离子体以融化棒料3，而高速电机2带动棒料3高速旋转将产生极大的离心力，从而甩出熔化的液滴形成球状粉末，由于逐渐消耗的棒料3会以适当速度匀速下降，使得棒料3尖端与固定钨电极8的间距保持恒定，电弧强度始终基本不变，整个制粉过程可控；

第六步.为避免高速电机转轴1的损坏，棒料3不能完全消耗完，剩余棒料头长度为5cm左右时，进给电机9停止，制得适于电子束增材制造工艺的球形粉，粒径为45～110um粒径含量达到61％，氧增量小于250ppm，且无明显卫星粉、异形粉和气体夹杂。

本发明进一步的技术方案是，步骤一中的棒料3长度为L，0＞L≥800mm。

本发明进一步的技术方案是，步骤四中进给电机9带动棒料3的进给速度为1.2mm/s～2.5mm/s，具体速度值根据棒料的直径不同而设计。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种近β型钛合金制粉的方法，包括进给电机、固定支架、长螺母、升降螺杆、高速电机、固定钨电极、铜合金固定台、棒料，所述高速电机转轴上加工出外螺纹，棒料一端加工为圆锥状，另一端加工出内螺纹，安装时将棒料具有内螺纹一端拧紧在高速电机的电机转轴设有外螺纹的一端上，棒料正下方为固定钨电极，钨电极安装于铜合金固定台上，高速电机通过固定支架与一个长螺母相连，长螺母套设于升降螺杆上，进给电机转轴安装在升降螺杆上，其特征在于：

第一步.将直径75mm～100mm的棒料拧紧安装在高速电机的转轴上；

第二步.启动高速电机,待高速电机的转速稳定后，达到20000转每分钟；

第三步.开启高压电源,通过手动控制进给电机，调节棒料尖端与固定钨电极间的距离，直到固定钨电极与棒料之间达到明显起弧时停止；

第四步.开启自动运行状态，通过调节进给电机转速，使与之相连的升降螺杆以适当的转速带动连接高速电机的螺母匀速下降进料；

第五步.棒料与固定钨电极间的强烈电弧将产生等离子体以融化棒料，而高速电机带动棒料高速旋转将产生极大的离心力，从而甩出熔化的液滴形成球状粉末，由于逐渐消耗的棒料会以适当速度匀速下降，使得棒料尖端与固定钨电极的间距保持恒定，电弧强度始终基本不变，整个制粉过程可控；

第六步.当剩余棒料头长度为4～6cm时，进给电机停止，制得适于电子束增材制造工艺的球形粉，粒径为45～110um粒径含量达到61％，氧增量小于250ppm，且无明显卫星粉、异形粉和气体夹杂。

2.根据权利要求1所述的一种近β型钛合金制粉的方法，其特征在于，步骤一中的棒料长度为L，0＞L≥800mm。

3.根据权利要求1所述的一种近β型钛合金制粉的方法，其特征在于，步骤四中进给电机带动棒料的进给速度为1.2mm/s～2.5mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种近β型钛合金制粉的方法，其特征在于，由进给电机、固定支架、长螺母、升降螺杆、高速电机、固定钨电极、铜合金固定台、棒料，组成的钛合金制粉装置竖直布置。