一種製備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法
2023-10-04 18:14:59 4
專利名稱：一種製備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法
技術領域：
本發明屬於金屬粉末研究領域，特別提供了一種製備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。
背景技術：
由於具有優異的高溫力學性能和特殊的物理化學性能，鈮基合金被廣泛應用於宇航、原子能及超導領域，被認為是最有前途的可在1500K以上的高溫環境中應用的結構材料。Nb-W-Mo-Zr合金作為我國航空航天用的主流鈮合金結構材料，被廣泛應用於製造火箭發動機噴嘴、火箭尾翼等零件。目前，絕大多數鈮合金都是採用傳統工藝製備的，包括熔煉、鑄造、壓力加工、焊接等眾多工序，存在材料利用率低、汙染大、難以製備複雜形狀零部件等不足。尤其對於製造尺寸僅有10-30mm、壁厚僅有幾個mm且帶有盲孔、臺階、溝槽、圓弧等複雜結構的細小的銀合金零部件來講，傳統加工方法的製備難度很大。作為新興的粉末冶金技術，金屬粉末注射成形(MIM)可以近淨成形金屬零部件，尤其適合大批量製造尺寸微小、結構複雜的精細零件，目前已廣泛應用於鈦合金、不鏽鋼、鐵基、高密度、硬質合金等材料體系的零部件製造。由於受到合金粉末生產技術的制約，國內外MM鈮合金的相關研究都很少見。金屬粉末注射成形技術對粉末的形狀、粒度、流動性等指標有特殊要求。良好的球形度、合適的粉末粒度、高的流動性是製備高質量的注射成形餵料的關鍵，可以提高餵料裝載量、保證注射坯的各向同性和燒結過程中的均勻收縮，從而減小零件變形、保證尺寸精度。一般來講，最適合注射成形用的金屬粉末應為20左右的球形粉末，而對於製備結構特別複雜的薄壁零件，粉末的粒徑需要更加細小。而由於鈮的熔點高(2460°C)、活性大(易與合金元素、間隙式原子碳、氧、氮等反應)，鈮合金粉末的製備一直是制約粉末冶金鈮合金生產的一大技術瓶頸。目前較高純度的鈮合金粉末製備方法主要有氫化-去氫化法、離子旋轉電極法、電子束霧化、電子束快速凝固及機械合金化法。而用這幾種方法生產都有各自的缺點，不適合生產鈮合金注射成形粉末，尤其不適合生產用於製備尺寸微小、具有薄壁結構的零件用的粒度在20微米以下的球形銀合金粉末。氫化-去氫法是利用鈮吸氫、脫氫後的力學性質差異來製備粉末，主要包括氫化、制粉及去氫三個步驟。首先是鈮合金的氫化，將元素粉末熔煉成鈮合金鑄錠後，分割成小塊在氫氣氣氛下高溫加熱滲氫，然後冷卻至室溫。其次是制粉，利用破碎、粉化設備將直徑不大於2.5cm的塊狀氫化鈮在惰性氣體保護下進行破碎、分級，製備出氫化的鈮合金粉末。最後是去氫，在低溫條件下，將氫化的鈮合金粉末在真空爐中重複加熱脫氫，得到與原始鈮合金鑄錠微觀組織相同的形狀不規則的鈮合金粉末。該方法製備的鈮粉形狀不規則，流動性差，不適於製備粉末冶金零件，但可利用其優異的超導性能來製備超導材料。電子束霧化工藝是目前獲得高純難熔金屬的唯一工業化手段。其原理是，在真空條件下，EB室中經由VAR熔煉的鈮錠在電子槍下移動，高能電子束使其不斷熔化，滴熔於快速旋轉的水冷銅盤上，熔滴由旋轉盤拋開。液滴由於表面張力的作用呈球形，在與容器壁的碰撞中迅速冷卻成合金粉末。除了真空條件，鈮合金粉末也可以在氦氣或氬氣氣氛下製備。該方法製備的鈮合金粉末間隙夾雜物較少，純度較高，但生產成本高昂、粉末粒徑粗大(平均粒徑在350 μ m)，不適合製備微小、薄壁的注射成形鈮合金零件。等離子旋轉電極霧化法的工作原理是將鈮合金鑄錠加工成棒狀自耗電極，高速旋轉的電極棒料端面被等離子弧熔化，棒料端面上被熔化的液滴在離心力的作用下飛出，在冷卻介質(真空、氦氣或氬氣)中快速凝固成球形粉末顆粒。該方法製備的粉末的平均粒徑也在150 μ m左右，也不適合製備微小、薄壁的注射成形鈮合金零件。電子束快速凝固法是將電子束離心霧化裝置稍加改進，使合金液滴的霧化流直接撞擊到一個水冷銅板上，得到快速凝固的片狀合金粉末的製備方法。採用該方法製備的片狀鈮合金粉末，在枝晶間區域具有比EBA、PREP粉末更大的冷卻速率，這些枝晶結構早在快速凝固前的合金液滴狀態就已形核了。該方法製備的鈮合金粉末呈片狀，流動性差，不適合注射成形用，可用於等離子噴塗等領域。機械合金化法是將配比好的元素粉末及磨球置於充滿惰性氣體的球磨罐中進行高能球磨。利用磨球對粉末的猛烈撞擊來強制輸入能量，使粉末之間不斷重複變形、冷焊、破碎等過程，促進元素間的擴散，形成合金粉末。該方法生產的粉末粒度雖然細小，但形狀不是球形，流動性差，也不適合用於製備注射成形微細、薄壁零件。射頻等離子(RF)體球化技術，是將形狀不規則的粉末顆粒由攜帶氣體通過加料槍噴入等離子體炬中，在等離子體炬的高溫環境中迅速熔化，熔融的顆粒在表面張力作用下形成球形度很高的液滴，並在極高的溫度梯度下迅速凝固，從而獲得細小的球形粉末。
發明內容
本發明的目的是提供一種可用於製備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。該方法製備的Nb-W-Mo-Zr合金粉末球形度高、粉末粒徑小，可用於粉末注射成形生產中，尤其適合製備尺寸微小、具有薄壁結構的Nb-W-Mo-Zr合金零件。本發明採用機械合金化的方法製備Nb-W-Mo-Zr合金粉末，然後採用射頻等離子球化技術對機械合金化粉末進行處理，以得到適合製造微小、薄壁零件的注射成形用的平均粒徑在20微米以下的Nb-W-Mo-Zr合金粉末。該方法的工藝流程如圖1所示:
首先，按元素配比稱量所需的元素粉末；
其次，將元素粉末在高純氬氣或真空氣氛中球磨，球磨機轉速控制在200- 500r/min的範圍內，球磨時間為20-70h ；
圖2和圖3是粉末機械合金化前後的SEM照片，從圖中可以看出，粒度不一、形狀各異的元素粉末經球磨後成均一、細小的等軸粉末。進一步地，將球磨得到的粉末進行射頻等離子球化處理，通過調整設備功率在65-75KW之間、加料速率在4-8g/min、系統壓力在97-100 KPa之間，載氣流量在1.5-2.5 L/min之間、中心氣流量在2-3 L/min之間，邊氣流量在85-95 L/min之間來控制其球化效果；
圖4和圖5分別是球化粉末的SEM照片和XRD衍射圖，從圖中可以看出，球化粉末已實現了合金化，粉末的球形度好，球化率高，粉末細小，絕大多數粉末粒徑在20 μ m以下；
最後，將球化粉末檢測、包裝、密封。
本發明的優點是製備的Nb-W-Mo-Zr鈮合金粉末細小，平均粉末粒徑在20 μ m以下、球形度高、流動性好，可以滿足注射成形工藝生產微小、薄壁鈮合金零部件時對粉末的要求。
圖1為本發明的工藝流程圖
圖2為未經機械合金化處理的元素粉末 圖3為經機械合金化處理後的粉末 圖4為經射頻等離子球化處理後的粉末 圖5為粉末經射頻等離子球化處理後的XRD衍射圖
具體實施例方式實施例1:採用本發明製備微細球形Nb_5wt% ff-2wt% Mo_lwt% Zr合金粉末 採用純度> 99.8%、粒度為-325 mesh的Nb粉；純度> 99.9%、粒度為3-5 μ m的W粉；
純度> 99.9%，粒度為1-2 μ m的Mo粉；純度> 99.5%、粒度為4-8 μ m的Zr粉為原料；
按照合金成分為Nb-5wt%W-2wt%Mo-lwt%Zr進行稱量配粉；
將配置好的粉末在行星式球磨機上進行機械合金化，球磨轉速為400r/min，球磨時間為 50h ；
將機械合金化後的粉末進行射頻等離子球化處理，設備功率為70 KW、加料速率為6g/min、系統壓力為99 KPa，載氣、中心氣和邊氣流量分別為2 L/min、2.5 L/min和90 L/min ；
將等離子球化後的粉末檢測、包裝、密封，粉末的球形度達到97%以上，球化率在98%上，最大顆粒直徑不超過25 μ m，平均粒徑為15 μ m。
權利要求
1.一種平均粒徑在20 μ m以下的微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的製備方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 首先，按元素配比稱量所需的元素粉末； 其次，將元素粉末在高純氬氣或真空氣氛中球磨，球磨機轉速控制在200- 500r/min的範圍內，球磨時間為20-70h ； 進一步地，將球磨得到的粉末進行射頻等離子球化處理，通過調整設備功率在65-75KW之間、加料速率在4-8g/min、系統壓力在97-100 KPa之間，載氣流量在1.5-2.5 L/min之間、中心氣流量在2-3 L/min之間，邊氣流量在85-95 L/min之間來控制其球化效果； 最後，將球化粉末檢測、包裝、密封。
2.如權利要求1所述的微細球形Nb-5wt%ff-2wt% Mo-lwt% Zr合金粉末的製備方法，其特徵在於該方法具體為: 採用純度> 99.8%、粒度為-325 mesh的Nb粉；純度> 99.9%、粒度為3-5 μ m的W粉；純度> 99.9%、粒度為1-2 μ m的Mo粉；純度> 99.5%、粒度為4-8 μ m的Zr粉為原料； 按照合金成分為Nb-5wt%W-2wt%Mo-lwt%Zr進行稱量配粉； 將配置好的粉末在行星式球磨機上進行機械合金化，球磨轉速為400r/min，球磨時間為 50h ； 將機械合金化後的粉末進行射頻等離子球化處理，設備功率為70 KW、加料速率為6 g/min、系統壓力為99 KPa，載氣、中心氣和邊氣流量分別為2 L/min、2.5 L/min和90 L/min ； 將等離子球化後的粉末檢測、包裝、密封。
全文摘要
本發明屬於粉末材料領域，特別提供了一種製備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。該方法採用機械合金化技術製備Nb-W-Mo-Zr合金粉末，然後採用射頻等離子球化技術對機械合金化粉末進行處理，以得到適合製造微小、薄壁零件的注射成形用的平均粒徑在20μm以下的Nb-W-Mo-Zr合金粉末。本發明克服了傳統鈮合金粉末製備技術只能製備不規則形狀粉末或大粒徑球形粉末的缺陷，製備出的Nb-W-Mo-Zr合金粉末粒徑在20μm以下，球形度高、流動性好，非常適合粉末冶金薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件特別是注射成形薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件用粉。
文檔編號B22F9/02GK103121105SQ201310086579
公開日2013年5月29日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者曲選輝, 張德智, 秦明禮, 何新波, 劉燁, 章林, 賈寶瑞, 李睿, 陳鵬起 申請人:北京科技大學