钛及钛合金粉末制备工艺中氧氮氢碳硫的影响

2025-04-24
钛及其合金具有密度低、比强度高、耐热性好、耐腐蚀等优良性能，在航空航天、造船工艺、化工、机械制造、硬质合金等方面均有广阔的应用前景。
钛及钛合金粉末除了用于粉末冶金方法制取钛及钛合金块体制品外，还可以用作增材制造及激光表面处理原料、电真空吸气剂、铝合金添加剂、表面涂装材料和各种钛化合物原料等。钛及钛合金粉末的制备工艺有氢气化脱氢法、雾化法、金属热还原法及熔盐电解法等。
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钛及钛合金粉末的制备工艺
氢化脱氢法
氢化脱氢法利用钛与氢的可逆特性制备钛粉的工艺。钛吸氢后会产生明显脆性，经过机械破碎方法可制得细小均匀的氢化钛粉末，将氢化钛粉未在真空条件下进行高温脱氢处理，最终制得钛粉。该方法所制备粉末为不规则形，粒度为10~150微米。由于该方法生产的粉未粒度范围宽，对原料要求低，成本低，已成为制取钛粉的主要方法，其产品广泛用于冶金、化工、医疗、航天航空等领域。但该方法制备的钛粉的氧、氮等杂质含量较高，限制了其在高端行业中的应用。
雾化法
雾化法利用高压气流或液流、离心力等，将金属液流粉碎成液滴，冷凝后得到钛及钛合金粉末的方法。
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气雾化法(GA)
气雾化法是采用水冷铜坩埚熔炼或悬浮熔炼等方法将原料熔化，在底部喷嘴处用高速气体将金属熔液喷射成雾状，冷凝后形成钛及钛合金粉末。
等离子旋转电极离心雾化法(PREP)
等离子旋转电极离心雾化法是以金属或合金制成自耗电极，在惰性气氛下用等离子电弧加热电极端面使其局部熔化，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎为细小液滴，然后冷凝为粉末。该方法所制备的钛粉的粒度一般为50~250微米，粉末为理想的球形，表面光洁度好，流动性高，氧含量低(<800ppm)。对文中所列氧氮氢分析仪感兴趣可联系：18613185796。
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金属热还原法

金属热还原法利用金属钠、镁等作还原剂还原金属的氧化物或卤化物，以制取钛及钛合金粉末的方法。主要是TiCl的金属热还原法，包括Kroll法(镁还原法)和Armstrong法(钠还原法)。Krol法制备钛粉因杂质含量较多，较少专门用于钛粉的生产。Armstrong法是把TiCl蒸气喷射到流动的钠流中去，通过反应生成纯净钛粉的方法，同时还可以通过混合的金属氯化物蒸气，反应生成钛合金粉末。
熔盐电解法
熔盐电解法将二氧化钛通过固态电解直接还原制备钛粉的方法。该方法于2003由英国剑桥大学的F.法辛!注!和G.Z.Chen发明，所制备钛粉为不规则形状，粒度为50~150微米。熔盐电解法制备钛及钛合金粉末具有过程简单，可连续化生产等优点，是一种新型绿色低碳短流程冶金工艺，但存在钛与盐分离困难，碳、铁杂质含量高等缺点，应用还较为有限。
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氧氮氢碳硫含量的影响

  • 氧：氧含量过高会导致粉末的烧结性能下降，增加烧结后的孔隙率，从而降低材料的力学性能。在氢化脱氢法制备的钛合金粉末中，氧含量通常较高，但通过优化工艺，可以将氧含量控制在较低水平。通常，钛合金中的氧含量被严格控制在0.15%～0.2%以下。

  • 氮：氮会与钛形成硬质化合物，影响粉末的流动性和烧结性能。在雾化法制备的钛合金粉末中，氮含量通常较低，但需要通过惰性气体保护等措施进一步降低氮的引入。其含量一般控制在0.04%～0.05%以下。

  • 氢：氢在钛合金中的溶解度较小，但过量的氢会导致氢化物的形成，使合金变脆。氢含量通常控制在0.015%以下。

  • 碳：碳作为α稳定元素，虽然能提高合金的强度，但过高的碳含量也会降低塑。

  • 硫：硫在钛合金中的含量通常较低，其主要影响合金的热加工性能。

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    感谢某头部粉体企业友情提供实验室图

    总结

    在钛合金粉末的生产工艺中，严格控制氧、氮、氢、碳、硫等杂质元素的含量是确保产品质量和性能的关键。通过优化制粉工艺，如氢化脱氢法、雾化法等，可以有效降低杂质含量，提高粉末的纯净度和性能。同时，粉末的粒度分布和球形度也是影响其应用的重要因素。通过使用碳硫氧氮氢分析仪等检测设备，可以实时监控这些元素的含量，并通过优化生产工艺，将元素含量控制在理想范围内。对文中所列氧氮氢分析仪感兴趣可联系：18613185796

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    仪器参数

    表1 高频红外碳硫分析仪工作参数

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    表2 氧氮分析仪工作参数

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仪器耗材





高频红外碳硫分析仪：陶瓷坩埚（碳硫仪用）若干；电子分析天平（精确到0.0001g）；工业纯氮气（动力气）、氧气（99.5 %）；钨助熔剂和碳硫标样；吸水剂（高氯酸镁）和二氧化碳吸收剂（碱石灰）。

氧氮氢分析仪：石墨坩埚、高氯酸镁、二氧化碳吸收剂、碱石灰等。


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