專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備微細(xì)球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬粉末研究領(lǐng)域，特別提供了一種制備微細(xì)球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。
背景技術(shù)：
由于具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和特殊的物理化學(xué)性能，鈮基合金被廣泛應(yīng)用于宇航、原子能及超導(dǎo)領(lǐng)域，被認(rèn)為是最有前途的可在1500K以上的高溫環(huán)境中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料。Nb-W-Mo-Zr合金作為我國(guó)航空航天用的主流鈮合金結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、火箭尾翼等零件。目前，絕大多數(shù)鈮合金都是采用傳統(tǒng)工藝制備的，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、污染大、難以制備復(fù)雜形狀零部件等不足。尤其對(duì)于制造尺寸僅有10-30mm、壁厚僅有幾個(gè)mm且?guī)в忻た?、臺(tái)階、溝槽、圓弧等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)小的銀合金零部件來(lái)講，傳統(tǒng)加工方法的制備難度很大。作為新興的粉末冶金技術(shù)，金屬粉末注射成形(MIM)可以近凈成形金屬零部件，尤其適合大批量制造尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精細(xì)零件，目前已廣泛應(yīng)用于鈦合金、不銹鋼、鐵基、高密度、硬質(zhì)合金等材料體系的零部件制造。由于受到合金粉末生產(chǎn)技術(shù)的制約，國(guó)內(nèi)外MM鈮合金的相關(guān)研究都很少見(jiàn)。金屬粉末注射成形技術(shù)對(duì)粉末的形狀、粒度、流動(dòng)性等指標(biāo)有特殊要求。良好的球形度、合適的粉末粒度、高的流動(dòng)性是制備高質(zhì)量的注射成形喂料的關(guān)鍵，可以提高喂料裝載量、保證注射坯的各向同性和燒結(jié)過(guò)程中的均勻收縮，從而減小零件變形、保證尺寸精度。一般來(lái)講，最適合注射成形用的金屬粉末應(yīng)為20左右的球形粉末，而對(duì)于制備結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的薄壁零件，粉末的粒徑需要更加細(xì)小。而由于鈮的熔點(diǎn)高(2460°C)、活性大(易與合金元素、間隙式原子碳、氧、氮等反應(yīng))，鈮合金粉末的制備一直是制約粉末冶金鈮合金生產(chǎn)的一大技術(shù)瓶頸。目前較高純度的鈮合金粉末制備方法主要有氫化-去氫化法、離子旋轉(zhuǎn)電極法、電子束霧化、電子束快速凝固及機(jī)械合金化法。而用這幾種方法生產(chǎn)都有各自的缺點(diǎn)，不適合生產(chǎn)鈮合金注射成形粉末，尤其不適合生產(chǎn)用于制備尺寸微小、具有薄壁結(jié)構(gòu)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、脫氫后的力學(xué)性質(zhì)差異來(lái)制備粉末，主要包括氫化、制粉及去氫三個(gè)步驟。首先是鈮合金的氫化，將元素粉末熔煉成鈮合金鑄錠后，分割成小塊在氫氣氣氛下高溫加熱滲氫，然后冷卻至室溫。其次是制粉，利用破碎、粉化設(shè)備將直徑不大于2.5cm的塊狀氫化鈮在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行破碎、分級(jí)，制備出氫化的鈮合金粉末。最后是去氫，在低溫條件下，將氫化的鈮合金粉末在真空爐中重復(fù)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(guī)則的鈮合金粉末。該方法制備的鈮粉形狀不規(guī)則，流動(dòng)性差，不適于制備粉末冶金零件，但可利用其優(yōu)異的超導(dǎo)性能來(lái)制備超導(dǎo)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(yè)化手段。其原理是，在真空條件下，EB室中經(jīng)由VAR熔煉的鈮錠在電子槍下移動(dòng)，高能電子束使其不斷熔化，滴熔于快速旋轉(zhuǎn)的水冷銅盤(pán)上，熔滴由旋轉(zhuǎn)盤(pán)拋開(kāi)。液滴由于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制備。該方法制備的鈮合金粉末間隙夾雜物較少，純度較高，但生產(chǎn)成本高昂、粉末粒徑粗大(平均粒徑在350 μ m)，不適合制備微小、薄壁的注射成形鈮合金零件。等離子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)(真空、氦氣或氬氣)中快速凝固成球形粉末顆粒。該方法制備的粉末的平均粒徑也在150 μ m左右，也不適合制備微小、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(jìn)，使合金液滴的霧化流直接撞擊到一個(gè)水冷銅板上，得到快速凝固的片狀合金粉末的制備方法。采用該方法制備的片狀鈮合金粉末，在枝晶間區(qū)域具有比EBA、PREP粉末更大的冷卻速率，這些枝晶結(jié)構(gòu)早在快速凝固前的合金液滴狀態(tài)就已形核了。該方法制備的鈮合金粉末呈片狀，流動(dòng)性差，不適合注射成形用，可用于等離子噴涂等領(lǐng)域。機(jī)械合金化法是將配比好的元素粉末及磨球置于充滿(mǎn)惰性氣體的球磨罐中進(jìn)行高能球磨。利用磨球?qū)Ψ勰┑拿土易矒魜?lái)強(qiáng)制輸入能量，使粉末之間不斷重復(fù)變形、冷焊、破碎等過(guò)程，促進(jìn)元素間的擴(kuò)散，形成合金粉末。該方法生產(chǎn)的粉末粒度雖然細(xì)小，但形狀不是球形，流動(dòng)性差，也不適合用于制備注射成形微細(xì)、薄壁零件。射頻等離子(RF)體球化技術(shù)，是將形狀不規(guī)則的粉末顆粒由攜帶氣體通過(guò)加料槍噴入等離子體炬中，在等離子體炬的高溫環(huán)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，并在極高的溫度梯度下迅速凝固，從而獲得細(xì)小的球形粉末。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可用于制備微細(xì)球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。該方法制備的Nb-W-Mo-Zr合金粉末球形度高、粉末粒徑小，可用于粉末注射成形生產(chǎn)中，尤其適合制備尺寸微小、具有薄壁結(jié)構(gòu)的Nb-W-Mo-Zr合金零件。本發(fā)明采用機(jī)械合金化的方法制備N(xiāo)b-W-Mo-Zr合金粉末，然后采用射頻等離子球化技術(shù)對(duì)機(jī)械合金化粉末進(jìn)行處理，以得到適合制造微小、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(chēng)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(jī)轉(zhuǎn)速控制在200- 500r/min的范圍內(nèi)，球磨時(shí)間為20-70h ；
圖2和圖3是粉末機(jī)械合金化前后的SEM照片，從圖中可以看出，粒度不一、形狀各異的元素粉末經(jīng)球磨后成均一、細(xì)小的等軸粉末。進(jìn)一步地，將球磨得到的粉末進(jìn)行射頻等離子球化處理，通過(guò)調(diào)整設(shè)備功率在65-75KW之間、加料速率在4-8g/min、系統(tǒng)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(lái)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(shí)現(xiàn)了合金化，粉末的球形度好，球化率高，粉末細(xì)小，絕大多數(shù)粉末粒徑在20 μ m以下；
最后，將球化粉末檢測(cè)、包裝、密封。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制備的Nb-W-Mo-Zr鈮合金粉末細(xì)小，平均粉末粒徑在20 μ m以下、球形度高、流動(dòng)性好，可以滿(mǎn)足注射成形工藝生產(chǎn)微小、薄壁鈮合金零部件時(shí)對(duì)粉末的要求。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖
圖2為未經(jīng)機(jī)械合金化處理的元素粉末 圖3為經(jīng)機(jī)械合金化處理后的粉末 圖4為經(jīng)射頻等離子球化處理后的粉末 圖5為粉末經(jīng)射頻等離子球化處理后的XRD衍射圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:采用本發(fā)明制備微細(xì)球形Nb_5wt% ff-2wt% Mo_lwt% Zr合金粉末 采用純度> 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(jìn)行稱(chēng)量配粉；
將配置好的粉末在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械合金化，球磨轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為 50h ；
將機(jī)械合金化后的粉末進(jìn)行射頻等離子球化處理，設(shè)備功率為70 KW、加料速率為6g/min、系統(tǒng)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 ；
將等離子球化后的粉末檢測(cè)、包裝、密封，粉末的球形度達(dá)到97%以上，球化率在98%上，最大顆粒直徑不超過(guò)25 μ m，平均粒徑為15 μ m。
權(quán)利要求
1.一種平均粒徑在20 μ m以下的微細(xì)球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 首先，按元素配比稱(chēng)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(jī)轉(zhuǎn)速控制在200- 500r/min的范圍內(nèi)，球磨時(shí)間為20-70h ； 進(jìn)一步地，將球磨得到的粉末進(jìn)行射頻等離子球化處理，通過(guò)調(diào)整設(shè)備功率在65-75KW之間、加料速率在4-8g/min、系統(tǒng)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(lái)控制其球化效果； 最后，將球化粉末檢測(cè)、包裝、密封。
2.如權(quán)利要求1所述的微細(xì)球形Nb-5wt%ff-2wt% Mo-lwt% Zr合金粉末的制備方法，其特征在于該方法具體為: 采用純度> 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(jìn)行稱(chēng)量配粉； 將配置好的粉末在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械合金化，球磨轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為 50h ； 將機(jī)械合金化后的粉末進(jìn)行射頻等離子球化處理，設(shè)備功率為70 KW、加料速率為6 g/min、系統(tǒng)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 ； 將等離子球化后的粉末檢測(cè)、包裝、密封。
全文摘要
本發(fā)明屬于粉末材料領(lǐng)域，特別提供了一種制備微細(xì)球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。該方法采用機(jī)械合金化技術(shù)制備N(xiāo)b-W-Mo-Zr合金粉末，然后采用射頻等離子球化技術(shù)對(duì)機(jī)械合金化粉末進(jìn)行處理，以得到適合制造微小、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(fā)明克服了傳統(tǒng)鈮合金粉末制備技術(shù)只能制備不規(guī)則形狀粉末或大粒徑球形粉末的缺陷，制備出的Nb-W-Mo-Zr合金粉末粒徑在20μm以下，球形度高、流動(dòng)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(hào)B22F9/02GK103121105SQ201310086579
公開(kāi)日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)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(qǐng)人:北京科技大學(xué)