球形鈦及鈦合金粉的制備工藝專(zhuān)利技術(shù)綜述

任小敏

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

球形鈦及鈦合金粉的制備工藝專(zhuān)利技術(shù)綜述

任小敏

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

隨著激光3D打印技術(shù)、熱噴涂技術(shù)等近終成型粉末冶金技術(shù)的高速發(fā)展，所屬技術(shù)領(lǐng)域?qū)υ戏勰┑募兌取⑿蚊病⒘６鹊忍岢隽烁叩囊螅渲校蛐吴伡扳伜辖鹪诮甑玫搅藦V泛關(guān)注。本文針對(duì)目前包括國(guó)內(nèi)、國(guó)外的全球范圍的的球形鈦及鈦合金粉制備工藝相關(guān)的專(zhuān)利進(jìn)行檢索、統(tǒng)計(jì)、分析多角度闡述了球形鈦及鈦合金粉制備專(zhuān)利技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)主要技術(shù)體系的技術(shù)內(nèi)容及發(fā)展發(fā)型進(jìn)行了梳理。

鈦；鈦合金；球形；粉末；霧化；等離子

我國(guó)的高品質(zhì)球形鈦及鈦合金粉末主要依賴(lài)進(jìn)口，不僅價(jià)格高昂，還受到國(guó)外技術(shù)壁壘限制。在如今對(duì)球形鈦及鈦合金粉末需求量激增的情況下，降低其加工成本成為本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

鈦及鈦合金粉的制備工藝主要包括：機(jī)械粉碎法、化學(xué)反應(yīng)法、霧化法，機(jī)械粉碎法得到的粉末形狀不規(guī)則、含氧量偏高，不符合要求，而化學(xué)反應(yīng)法只適用于純鈦粉的制備，且制得的粉末氯殘留高，純度不夠，因而，目前球形鈦及鈦合金粉的制備主要采用霧化法。霧化過(guò)程中，金屬液易變形，無(wú)法獲得完全為球形的粉末，此外，鈦極易和氧氣發(fā)生反應(yīng)從而被氧化，過(guò)程中所涉及的各種設(shè)備，例如坩堝，也會(huì)對(duì)鈦及鈦合金液產(chǎn)生污染，嚴(yán)重影響了激光增材的應(yīng)用。

1.球形鈦及鈦合金粉制備工藝專(zhuān)利全球申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

球形鈦及鈦合金粉制備工藝的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谥袊?guó)起步時(shí)間很晚，該領(lǐng)域的第一個(gè)專(zhuān)利出現(xiàn)在2000年，此后的十年內(nèi)總體數(shù)量保持在低位，直到2011年以后才開(kāi)始出現(xiàn)專(zhuān)利數(shù)量的大幅上升，在2015年的申請(qǐng)量達(dá)到最高值，在這5年內(nèi)，球形鈦及鈦合金粉的制備工藝技術(shù)得到了高度重視。

對(duì)比國(guó)外歷年相關(guān)申請(qǐng)的申請(qǐng)量趨勢(shì)，最早一篇相關(guān)專(zhuān)利出現(xiàn)在1957年，比中國(guó)早將近半個(gè)世紀(jì)，從1981年開(kāi)始，該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，這是由于在1979年美國(guó)科學(xué)家RF Housholder獲得了類(lèi)似“快速成型”技術(shù)的專(zhuān)利，隨后，3D打印技術(shù)20世紀(jì)80年代的美國(guó)得到了發(fā)展和推廣，而球形鈦及鈦合金粉是3D激光打印技術(shù)的主要原材料，其市場(chǎng)由此被開(kāi)發(fā)出來(lái)。該技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量的最高值出現(xiàn)在20世紀(jì)末，隨后發(fā)展進(jìn)入平穩(wěn)期。對(duì)比國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)，中國(guó)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量如今的發(fā)展趨勢(shì)與國(guó)外20世紀(jì)末的發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，只是整體相對(duì)國(guó)落后約20年，中國(guó)在該領(lǐng)域正在快速追趕。

2.球形鈦及鈦合金粉制備工藝領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)發(fā)展路線

目前，球形鈦及鈦合金粉的制粉過(guò)程基本包括：原材料精煉、提純、凝固、熔化、霧化、冷凝、收粉，為了簡(jiǎn)化工藝，可以直接采用冶煉好的原材料直接進(jìn)行粉末冶金制備球形鈦及鈦合金粉。本文的技術(shù)發(fā)展路線主要圍繞原材料、金屬熔化熱源、霧化技術(shù)3方面展開(kāi)。

2.1原材料

常見(jiàn)的鈦原料有海綿鈦、純鈦錠，將其通過(guò)超高溫?zé)嵩粗苯尤刍螅玫降慕饘僖涸凫F化得到球形鈦及鈦合金粉，典型的如US2011/0041651A1，需要采用坩堝盛放鈦或鈦合金金屬液。該方法缺點(diǎn)在于由于引入了坩堝的使用，金屬液會(huì)受到坩堝的污染并影響粉末的質(zhì)量，且不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備，降低生產(chǎn)效率。

為了實(shí)現(xiàn)制備過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，可以采用海綿鈦或純鈦錠為原料制成棒材，如CN1270864A中采用海綿鈦或純鈦原料制成圓棒材；抑或制成線材，通過(guò)連續(xù)送料器連續(xù)送入熔煉室熔化，如CN104475743；此外，還可以直接使用鈦原粉顆粒，如CN101391306A中葉高英等人直接用形狀不規(guī)則的鈦原粉顆粒。

除純鈦外，還可以采用鈦的化合物作為鈦源，如CN101716686發(fā)明人郭志猛等人將氫化鈦（TiH2）選作原料，氫化鈦在無(wú)氧、氮存在的條件下，在等離子體中發(fā)生分解反應(yīng)：TiH2=Ti+H2↑，脫氫的過(guò)程中釋放大量氫氣，使顆粒破碎成為鈦液滴，并在表面張力的作用下縮聚成球狀，驟冷后獲得球形粉末；四氯化鈦（TiCl4）氣體在US5032176A中被選作原料，以Mg或Na為還原劑，獲得Ti金屬液滴，冷凝后獲得球形鈦粉。當(dāng)需要制備球形鈦合金粉時(shí)，相應(yīng)可以直接選用鈦合金錠，或者將純鈦與合金元素進(jìn)行配料后在熔煉室熔煉，如CN103846447A。為了進(jìn)一步控制鈦原料中的含氧量，可以在霧化前對(duì)原料使用氫氣還原爐還原，如CN103658670A。

2.2熔化熱源

鈦熔點(diǎn)高達(dá)1668℃，在鈦及鈦合金原料轉(zhuǎn)化為球形鈦及鈦合金粉過(guò)程中必須使用熱源將原料熔化，該過(guò)程對(duì)熱源的要求較高。

傳統(tǒng)的熔化方式為熔煉室，如Charles F. Yolton等在US4999051A中所用的方法，該方法熔化速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粉末的連續(xù)制備，且生產(chǎn)成本高。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了各種高速加熱方式，其中旋轉(zhuǎn)電極加熱、感應(yīng)線圈加熱、等離子體加熱在球形鈦及鈦合金粉制備領(lǐng)域得到了充分地利用。

旋轉(zhuǎn)電極法是制備球形鈦及鈦合金粉的第二大方法，早在1957年陶氏化學(xué)在公開(kāi)號(hào)為US3021562A的專(zhuān)利中就率先使用了該方法，以純鈦金屬棒作為可消耗電極1，與旋轉(zhuǎn)電極2靠近形成火花隙，通電后火花隙被擊穿，電極1、2接通，鈦棒熔化得到的鈦金屬液被旋轉(zhuǎn)電極2甩出，形成鈦液滴并凝固成為球形鈦粉顆粒。

感應(yīng)加熱的方式有兩種：

（1）配合坩堝使用，感應(yīng)線圈纏繞在坩堝外圍，金屬液在坩堝中處于交變磁場(chǎng)的中心被加熱，保證熔融金屬液在霧化前不會(huì)凝固。

（2）第二種直接采用感應(yīng)線圈將鈦合金棒材通過(guò)感應(yīng)線圈直接熔化，2001年2月13日日本住友株式會(huì)社第一次將該技術(shù)應(yīng)用于鈦鋁合金，鈦鋁合金棒材2以一定的速度被送至感應(yīng)線圈3內(nèi)，棒材下端的表面逐漸被熔化成金屬液，避免了由于坩堝的使用而帶來(lái)的二次污染。

等離子體加熱目前在本領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。美國(guó)Crucible公司1981年6月17日就等離子炬霧化技術(shù)應(yīng)用在球形鈦及鈦合金粉制備工藝領(lǐng)域的技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利，鈦或鈦合金棒材勻速送入炬焰中心，被噴射出的等離子弧熔化的同時(shí)霧化，粉末球形度高，霧化過(guò)程無(wú)坩堝，由于熔化和霧化同時(shí)進(jìn)行，大大縮短了工藝流程。

另外Preston等人于1986年9月8日申請(qǐng)的US4756746中將不規(guī)則的鈦粉末顆粒原料經(jīng)載氣運(yùn)送至等離子體中經(jīng)過(guò)球化處理，不規(guī)則粉末瞬間熔融并縮聚成球形，冷凝后得到球形粉末。最常見(jiàn)的等離子體加熱的方式是利用等離子體將鈦或鈦合金原料直接熔化成金屬液，再通過(guò)噴嘴將金屬液霧化，典型地，如美國(guó)Material & Electrochemical公司專(zhuān)利申請(qǐng)US2012/0272788A1，等離子體加熱系統(tǒng)將原料鈦或鈦合金熔化得到鈦或鈦合金流，并利用惰性氣體霧化后得到球形粉末，由此降低生產(chǎn)成本。

2.3霧化技術(shù)

霧化技術(shù)以氣體霧化為主，采用高速惰性氣體流對(duì)熔融鈦及鈦合金進(jìn)行沖擊，將鈦及鈦合金流破碎為小顆粒并快速冷卻形成球形鈦及鈦合金粉末，制取球形鈦及鈦合金粉具有生產(chǎn)周期短、球化率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前球形鈦及鈦合金粉制備應(yīng)用最為廣泛的方法。

其次為離心霧化，離心霧化法包括旋轉(zhuǎn)電極離心霧化法、旋轉(zhuǎn)盤(pán)離心霧化法，旋轉(zhuǎn)電極離心霧化法將目標(biāo)金屬（鈦及鈦合金）制成棒材，得到陽(yáng)極金屬棒，并將其置于高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸上，在等離子熱弧作用下熔化，熔融的金屬液滴在離心力的作用下沿切線方向上發(fā)散成小液滴，金屬液滴球化后，最終凝固成粉。

旋轉(zhuǎn)盤(pán)離心霧化法是將熔化的鈦及鈦合金金屬液滴加或噴射至高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)中，由于轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力，金屬液從轉(zhuǎn)盤(pán)表面被甩出，從而形成金屬液滴，金屬液滴進(jìn)一步球化并冷凝得到所需粉末的方法。等離子體球化以等離子體為熱源，超高的溫度提供的熱量使得不規(guī)則的鈦及鈦合金顆粒在穿過(guò)等離子體的瞬間迅速吸熱、熔融，并在表面張力的作用下縮聚成球形，隨后在極短的時(shí)間內(nèi)驟冷凝固，成為球形粉末。上述3種方法在前文已經(jīng)有所涉及。

此外，還有超聲霧化法，早在1976年，德國(guó)Lierke E G等人就采用了超聲波對(duì)鈦液進(jìn)行霧化制備球形粉，利用高頻超聲振動(dòng)能量使熔融金屬液被激起毛細(xì)現(xiàn)象，當(dāng)振動(dòng)面的幅度達(dá)到一定的閾值，熔化的金屬液從駐波峰上飛出，形成金屬液霧滴，經(jīng)冷卻后形成鈦及鈦合金粉。該技術(shù)的原理是超聲霧化法的制粉效率大大提高，但其仍然需要消耗大量的惰性氣體。

結(jié)語(yǔ)

隨著以激光3D打印技術(shù)為主的先進(jìn)粉末冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，高質(zhì)球形鈦及鈦合金粉的需求量越來(lái)越大，目前工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)球形鈦及鈦合金粉的方法以惰性氣體霧化法和旋轉(zhuǎn)霧化法為主，還包括超聲霧化法、等離子球化法，球形鈦及鈦合金粉的制備技術(shù)源于美國(guó)，我國(guó)的第一個(gè)相關(guān)專(zhuān)利出現(xiàn)在2000年，起步晚發(fā)展快，近年相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量持續(xù)上升，專(zhuān)利申請(qǐng)前景廣闊。

［1］陸亮亮，等.球形鈦粉先進(jìn)制備技術(shù)研究進(jìn)展［J］.稀有金屬，2014，8（6）：283-291.

TG146

A