[發明專利]一種制備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法

有效

• 申請號: 201310086579.3
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN103121105A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22F9/02
• 分類號: B22F9/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于金屬粉末研究領域，特別提供了一種制備微細球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法。

背景技術

由于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于宇航、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，被廣泛應用于制造火箭發動機噴嘴、火箭尾翼等零件。

目前，絕大多數鈮合金都是采用傳統工藝制備的，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、難以制備復雜形狀零部件等不足。尤其對于制造尺寸僅有10-30mm、壁厚僅有幾個mm且帶有盲孔、臺階、溝槽、圓弧等復雜結構的細小的鈮合金零部件來講，傳統加工方法的制備難度很大。作為新興的粉末冶金技術，金屬粉末注射成形（MIM）可以近凈成形金屬零部件，尤其適合大批量制造尺寸微小、結構復雜的精細零件，目前已廣泛應用于鈦合金、不銹鋼、鐵基、高密度、硬質合金等材料體系的零部件制造。由于受到合金粉末生產技術的制約，?國內外MIM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、高的流動性是制備高質量的注射成形喂料的關鍵，可以提高喂料裝載量、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，而對于制備結構特別復雜的薄壁零件，粉末的粒徑需要更加細小。

而由于鈮的熔點高（2460℃）、活性大（易與合金元素、間隙式原子碳、氧、氮等反應），鈮合金粉末的制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制備方法主要有氫化-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，尤其不適合生產用于制備尺寸微小、具有薄壁結構的零件用的粒度在20微米以下的球形鈮合金粉末。

氫化-去氫法是利用鈮吸氫、脫氫后的力學性質差異來制備粉末，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、粉化設備將直徑不大于2.5cm的塊狀氫化鈮在惰性氣體保護下進行破碎、分級，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。該方法制備的鈮粉形狀不規則，流動性差，不適于制備粉末冶金零件，但可利用其優異的超導性能來制備超導材料。

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，滴熔于快速旋轉的水冷銅盤上，熔滴由旋轉盤拋開。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，但生產成本高昂、粉末粒徑粗大（平均粒徑在350μm），不適合制備微小、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。該方法制備的粉末的平均粒徑也在150μm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，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制備方法。采用該方法制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。該方法制備的鈮合金粉末呈片狀，流動性差，不適合注射成形用，可用于等離子噴涂等領域。

機械合金化法是將配比好的元素粉末及磨球置于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，使粉末之間不斷重復變形、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，也不適合用于制備注射成形微細、薄壁零件。