D0L:10.13374f.issn1001-053x.2012.02.011 第34卷第2期 北京科技大学学报 Vol.34 No.2 2012年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2012 射频等离子体制备球形Ti6A14V粉末性能表征 盛艳伟四 郭志猛郝俊杰王玉明 北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 区通信作者.E-mail:syw20020309@163.com 摘要以不规则形状的T6A1一4V(TC4)粉末为原料，通过射频等离子体球化处理制备了球形TC4粉末，并研究了球化处 理对粉末特性及加料速率对粉末球化率的影响.利用扫描电子显微镜、激光粒度分析和霍尔流速计分别对其粉末微观结构、 粒度分布和粉体性能进行了测试和分析.结果表明：TC4粉末经等离子球化处理后得到表面光滑、球形度好及球化率可达到 100%的球形粉末：球化处理后，粉末的松装密度、振实密度和粉末流动性得到明显改善，粒度略微增大：随着加料速率的增加， TC4粉的球化率逐渐降低. 关键词钛合金：粉末：射频等离子体：球化处理 分类号TF122.1 Characteristics of spherical Ti-6Al-4V powders prepared by RF plasma process- ing SHENG Yan-ei,GUO Zhi-meng,HAO Jun-jie,WANG Yu-ming Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:syw20020309@163.com ABSTRACT Spherical Ti-6Al-4V(TC4)powders were prepared with irregular TC4 powders by a radio frequency (RF)plasma. The effect of spheroidization on the powder characteristics and the influence of feeding rate on the spheroidization ratio were studied. The morphology,particle size distribution and characteristics of the spherical powders were analyzed by scanning electron microscopy SEM),laser micron sizer LMS)and Hall flowmeter,respectively.The results show that TC4 powders after plasma processing have good sphericity and smooth surfaces,and their spheroidization ratio is almost 100%.The loose density,tap density and powder flow- ability significantly increases after the process,but the spheroidization ratio gradually decreases with the feeding rate increasing. KEY WORDS titanium alloys;powders:radio frequency plasma:spheroidization 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀和良 目前，制备球形钛合金粉的方法主要有气体雾 好的生物相容性等突出优点，广泛应用于航空航天、 化法o和等离子旋转电极法山.气体雾化法制备 石油化工以及生物植入材料等领域].由于钛合 的钛及钛合金粉形状为球形，流动性好，氧含量低， 金加工性能差，加工成复杂形状制品的成本特别高， 但粒度分布不均匀，适合粉末注射成型的粉末只占 极大地限制了钛合金产品的应用).近年来，采用 很小的比例，生产成本较高.等离子旋转电极法制 金属粉末注射成型法(metal injection molding,MM) 备的球形钛合金粉形状为近球形，但粒度较大，难以 制造钛及钛合金近净成形零件，可大幅降低材料加 满足注射成型生产需求.因此，提供一种制备微细 工费用，引起了科研人员的广泛关注6).然而，金 球形钛合金粉的方法具有重要意义. 属粉末注射成型要求粉末粒度细小(<20m),流 射频(radio frequency,RF)等离子体具有温度 动性好，形状为规则的近球形，而普通钛合金粉难以 高(~10℃)、等离子体炬体积大、能量密度高、传 满足要求[8-) 热和冷却速度快等优点，是制备组分均匀、球形度 收稿日期：201105-23 基金项目：新金属材料国家重点实验室开放基金资助项目(2010Z9):北京市先进粉末治金材料与技术重点实验室开放基金资助课题
第 34 卷 第 2 期 2012 年 2 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 2 Feb． 2012 射频等离子体制备球形 Ti--6Al--4V 粉末性能表征 盛艳伟 郭志猛 郝俊杰 王玉明 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: syw20020309@ 163． com 摘 要 以不规则形状的 Ti--6Al--4V ( TC4) 粉末为原料，通过射频等离子体球化处理制备了球形 TC4 粉末，并研究了球化处 理对粉末特性及加料速率对粉末球化率的影响． 利用扫描电子显微镜、激光粒度分析和霍尔流速计分别对其粉末微观结构、 粒度分布和粉体性能进行了测试和分析． 结果表明: TC4 粉末经等离子球化处理后得到表面光滑、球形度好及球化率可达到 100% 的球形粉末; 球化处理后，粉末的松装密度、振实密度和粉末流动性得到明显改善，粒度略微增大; 随着加料速率的增加， TC4 粉的球化率逐渐降低． 关键词 钛合金; 粉末; 射频等离子体; 球化处理 分类号 TF122. 1 Characteristics of spherical Ti-6Al-4V powders prepared by RF plasma processing SHENG Yan-wei ，GUO Zhi-meng，HAO Jun-jie，WANG Yu-ming Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: syw20020309@ 163． com ABSTRACT Spherical Ti-6Al-4V ( TC4) powders were prepared with irregular TC4 powders by a radio frequency ( RF) plasma． The effect of spheroidization on the powder characteristics and the influence of feeding rate on the spheroidization ratio were studied． The morphology，particle size distribution and characteristics of the spherical powders were analyzed by scanning electron microscopy ( SEM) ，laser micron sizer ( LMS) and Hall flowmeter，respectively． The results show that TC4 powders after plasma processing have good sphericity and smooth surfaces，and their spheroidization ratio is almost 100% ． The loose density，tap density and powder flowability significantly increases after the process，but the spheroidization ratio gradually decreases with the feeding rate increasing． KEY WORDS titanium alloys; powders; radio frequency plasma; spheroidization 收稿日期: 2011--05--23 基金项目: 新金属材料国家重点实验室开放基金资助项目( 2010Z--09) ; 北京市先进粉末冶金材料与技术重点实验室开放基金资助课题 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀和良 好的生物相容性等突出优点，广泛应用于航空航天、 石油化工以及生物植入材料等领域［1--3］． 由于钛合 金加工性能差，加工成复杂形状制品的成本特别高， 极大地限制了钛合金产品的应用［4--5］． 近年来，采用 金属粉末注射成型法( metal injection molding，MIM) 制造钛及钛合金近净成形零件，可大幅降低材料加 工费用，引起了科研人员的广泛关注［6--7］． 然而，金 属粉末注射成型要求粉末粒度细小( ＜ 20 μm) ，流 动性好，形状为规则的近球形，而普通钛合金粉难以 满足要求［8--9］． 目前，制备球形钛合金粉的方法主要有气体雾 化法［10］和等离子旋转电极法［11］． 气体雾化法制备 的钛及钛合金粉形状为球形，流动性好，氧含量低， 但粒度分布不均匀，适合粉末注射成型的粉末只占 很小的比例，生产成本较高． 等离子旋转电极法制 备的球形钛合金粉形状为近球形，但粒度较大，难以 满足注射成型生产需求． 因此，提供一种制备微细 球形钛合金粉的方法具有重要意义． 射频( radio frequency，RF) 等离子体具有温度 高( ～ 104 ℃ ) 、等离子体炬体积大、能量密度高、传 热和冷却速度快等优点，是制备组分均匀、球形度 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.02.011
第2期 盛艳伟等：射频等离子体制备球形T6A4V粉末性能表征 ·165 高、缺陷少和流动性好的球形粉末的良好途 TC4粉末为原料，其主要化学成分如表1所示.采 径2.等离子熔融球化技术被认为是获得致密、 用射频等离子体球化处理技术对TC4粉末进行球 规则球形粉末的最有效手段之一【.本文以不规 化处理，其装置主要包括等离子发生系统、反应 则形状的Ti6A4V(TC4)粉末为原料，通过射频 器、喂料系统和粉末收集系统.首先，以氩气为工 等离子体球化处理制备出球形TC4粉末，并研究了 作气建立稳定运行等离子体炬，氩气作为载气将 球化处理对粉末特性及加料速率对粉末球化率的 TC4粉末经喂料系统、加料枪轴向送入等离子炬 影响. 中.粉末颗粒穿越等离子体瞬间迅速吸热、熔融和 球化，最后进入冷却室骤冷凝结形成球形TC4粉 1实验 末，球形粉末经粉末收集系统收集，详细工艺参数 实验原料采用市售粒度小于30um(-500目) 列于表2. 表1原料TC4粉末的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw TC4 powders Al Fe N H 0 Ti 5.95-6.35 3.66-4.07 0.06-0.140.018-0.0320.016-0.0230.0032-0.0065 0.10~0.17 余量 表2射频等离子体实验的主要工艺参数 Table 2 Main experimental parameters for RF plasma processing 工作气流量（氩气）/ 边气流量（氩气）/ 载气流量（氩气）/ 加料速率/ 反应压 功率/ 参数 (Lmin） (L…minl) (L.min-) (g'minl） 力/kPa kW 数值 20~25 80-90 4-5 2w15 65-80 70~78 采用LE0-1450型扫描电镜(SEM)对粉末进行 原料TC4粉末的粉末粒度分布90%集中在10~ 形貌和微观组织观察，采用LMS-30型激光粒度分 28μm,其平均粒径do=18.13um.经等离子体球 析仪对粉末粒度分布进行表征，采用霍尔流速计对 化处理后，TC4球形粉末（图2(b))的粒度略微增 粉末松装密度、振实密度及粉末流动性进行测定 大，其平均粒度d0=19.35μm,粉末粒度分布90% 集中在10~40um.对比球化处理前后TC4粉末粒 2结果与讨论 度，球化处理后粉末的粒度略微增大.由于TC4原 2.1球化处理对粉末特性的影响 始粉末粒度细小，粉末存在团聚现象，在等离子体球 图1为TC4(-500目)粉末等离子球化处理前 化处理过程中粉末未分散开，从而整体熔融、球化形 后粉末的SEM形貌和粉末剖面照片.由图1(a)可 成大颗粒球形粉末.此外，在等离子体球化过程中， 以看出，原料粉末为不规则形状的块状体，边缘棱角 部分熔融粉末颗粒彼此碰撞、熔融，形成更大粒度的 明显：经等离子体球化处理后，得到表面光滑、分散 粉末.同时，由于不同粒径粉末在穿越等离子体高 性良好的球形粉末（图1(b)),粉末的球化率接近 温区吸收的热量不同，粒径较小的粉末更容易吸热、 100%,为规则球形粉末.由图1(c)、(d)可知，等离 球化和蒸发.等离子体高温区温度可达10000℃， 子体球化处理得到的球形TC4粉末内部结构致密， 而钛合金粉末的熔点仅为1700℃左右，等离子体提 没有发现封闭孔的存在，球形粉末长径比接近1：1， 供的能量足以使部分粒径较小的TC4粉末熔融后 具有较高的球形度.射频等离子体在球化处理粉末 蒸发、气化，使得收集到的球形粉末中小颗粒粉末减 的过程中，粉末在穿越等离子体时迅速吸热、熔融， 少，粉末的平均粒度增大 粉末的不规则棱角优先熔化、消除，并在表面张力作 对球化处理前后粉末的松装密度、振实密度和 用下缩聚成球形.粉末进入冷却室后，骤冷凝固形 粉末流动性进行测试，其结果如表3所示.经射频 成球形粉末.可见，射频等离子体球化处理为制备 等离子体球化处理后，TC4粉末的松装密度和振实 微细球形TC4粉末的有效手段之一 密度都得到了显著的提高.松装密度由1.25g·cm-3 图2为TC4粉末球化处理前后激光粒度分布 增加到2.52gcm-3,振实密度由2.05g·cm3增加 图.其中，粉末的粒度分布由累积分布曲线和频率 到2.68g·cm3.同时，粉末流动性得到明显改善. 分布曲线构成.由图2(a)中的累积分布曲线可知， 原料粉末由于粒度细小，粉末之间的范德华力较强
第 2 期 盛艳伟等: 射频等离子体制备球形 Ti--6Al--4V 粉末性能表征 高、缺 陷 少 和 流 动 性 好 的 球 形 粉 末 的 良 好 途 径［12--14］． 等离子熔融球化技术被认为是获得致密、 规则球形粉末的最有效手段之一［15］． 本文以不规 则形状的 Ti--6Al--4V ( TC4) 粉末为原料，通过射频 等离子体球化处理制备出球形 TC4 粉末，并研究了 球化处理对粉末特性及加料速率对粉末球化率的 影响． 1 实验 实验原料采用市售粒度小于 30 μm ( － 500 目) TC4 粉末为原料，其主要化学成分如表 1 所示． 采 用射频等离子体球化处理技术对 TC4 粉末进行球 化处理，其装置主要包括等离子发生系统、反应 器、喂料系统和粉末收集系统． 首先，以氩气为工 作气建立稳定运行等离子体炬，氩气作为载气将 TC4 粉末经喂料系统、加料枪轴向送入等离子炬 中． 粉末颗粒穿越等离子体瞬间迅速吸热、熔融和 球化，最后进入冷却室骤冷凝结形成球形 TC4 粉 末，球形粉末经粉末收集系统收集，详细工艺参数 列于表 2． 表 1 原料 TC4 粉末的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw TC4 powders % Al V Fe C N H O Ti 5. 95 ～ 6. 35 3. 66 ～ 4. 07 0. 06 ～ 0. 14 0. 018 ～ 0. 032 0. 016 ～ 0. 023 0. 003 2 ～ 0. 006 5 0. 10 ～ 0. 17 余量 表 2 射频等离子体实验的主要工艺参数 Table 2 Main experimental parameters for RF plasma processing 参数 工作气流量 ( 氩气) / ( L·min － 1 ) 边气流量 ( 氩气) / ( L·min － 1 ) 载气流量 ( 氩气) / ( L·min － 1 ) 加料速率/ ( g·min － 1 ) 反应压 力/kPa 功率/ kW 数值 20 ～ 25 80 ～ 90 4 ～ 5 2 ～ 15 65 ～ 80 70 ～ 78 采用 LEO--1450 型扫描电镜( SEM) 对粉末进行 形貌和微观组织观察，采用 LMS--30 型激光粒度分 析仪对粉末粒度分布进行表征，采用霍尔流速计对 粉末松装密度、振实密度及粉末流动性进行测定． 2 结果与讨论 2. 1 球化处理对粉末特性的影响 图 1 为 TC4( － 500 目) 粉末等离子球化处理前 后粉末的 SEM 形貌和粉末剖面照片． 由图 1( a) 可 以看出，原料粉末为不规则形状的块状体，边缘棱角 明显; 经等离子体球化处理后，得到表面光滑、分散 性良好的球形粉末( 图 1( b) ) ，粉末的球化率接近 100% ，为规则球形粉末． 由图 1( c) 、( d) 可知，等离 子体球化处理得到的球形 TC4 粉末内部结构致密， 没有发现封闭孔的存在，球形粉末长径比接近 1∶ 1， 具有较高的球形度． 射频等离子体在球化处理粉末 的过程中，粉末在穿越等离子体时迅速吸热、熔融， 粉末的不规则棱角优先熔化、消除，并在表面张力作 用下缩聚成球形． 粉末进入冷却室后，骤冷凝固形 成球形粉末． 可见，射频等离子体球化处理为制备 微细球形 TC4 粉末的有效手段之一． 图 2 为 TC4 粉末球化处理前后激光粒度分布 图． 其中，粉末的粒度分布由累积分布曲线和频率 分布曲线构成． 由图 2( a) 中的累积分布曲线可知， 原料 TC4 粉末的粉末粒度分布 90% 集中在10 ～ 28 μm，其平均粒径 d50 = 18. 13 μm． 经等离子体球 化处理后，TC4 球形粉末( 图 2( b) ) 的粒度略微增 大，其平均粒度 d50 = 19. 35 μm，粉末粒度分布 90% 集中在 10 ～ 40 μm． 对比球化处理前后 TC4 粉末粒 度，球化处理后粉末的粒度略微增大． 由于 TC4 原 始粉末粒度细小，粉末存在团聚现象，在等离子体球 化处理过程中粉末未分散开，从而整体熔融、球化形 成大颗粒球形粉末． 此外，在等离子体球化过程中， 部分熔融粉末颗粒彼此碰撞、熔融，形成更大粒度的 粉末． 同时，由于不同粒径粉末在穿越等离子体高 温区吸收的热量不同，粒径较小的粉末更容易吸热、 球化和蒸发． 等离子体高温区温度可达 10 000 ℃， 而钛合金粉末的熔点仅为 1 700 ℃左右，等离子体提 供的能量足以使部分粒径较小的 TC4 粉末熔融后 蒸发、气化，使得收集到的球形粉末中小颗粒粉末减 少，粉末的平均粒度增大． 对球化处理前后粉末的松装密度、振实密度和 粉末流动性进行测试，其结果如表 3 所示． 经射频 等离子体球化处理后，TC4 粉末的松装密度和振实 密度都得到了显著的提高． 松装密度由1. 25 g·cm － 3 增加到 2. 52 g·cm － 3 ，振实密度由 2. 05 g·cm － 3 增加 到 2. 68 g·cm － 3 ． 同时，粉末流动性得到明显改善． 原料粉末由于粒度细小，粉末之间的范德华力较强， ·165·
·166 北京科技大学学报 第34卷 存在粉末团聚现象，粉末不容易流动；且粉末形状为 末不具有流动性.球化处理后，粉末流动性得到很 不规则的块状体，架桥现象严重，导致微细TC4粉 好的改善，粉末流动性为1.405s·g1. 20m 图1TC4粉末的SEM形貌和剖面照片.(a)原粉：(b)球化处理后的粉末；(c)粉末剖面：(c)单颗粉末剖面 Fig.1 SEM images of TC4 powders and cross-section images of spherical TC4 powders:(a)raw powders;b)prepared spherical powders:(c) cross-section image of spherical powders;(d)cross-section image of a particle 100 30 100 30 a 80 平均粒度：1813μm 平均粒度：19.35um 24 18 60 12 6 0 20 304050 10 20 4050 粉末粒径m 粉末粒径am 图2TC4粉末的粒度分布.(a)原料粉末：(b)球化处理后的粉末 Fig.2 Particle size distributions of TC4 powders:(a)raw powders:(b)prepared spherical powders 表3TC4粉末的粉末特性 Table 3 Characteristics of TC4 powders 粉末类别 松装密度/八g*cm3) 振实密度/(g”cm) 粉末流动性/(s·g1) 平均粒径/m 粉末形貌 原料TC4粉 1.25 2.05 18.13 不规则形状 球形TC4粉 2.52 2.68 1.405 19.35 球形 颗粒的形貌、表面粗糙度和粒度分布对粉末松 紧密.粉末的球形度越高，则流动性越好.同时，较 装密度、振实密度及粉末流动性的影响十分显著 大粒度的粉末由于颗粒之间摩擦力较小，更易获得 通常，球形粉末颗粒堆积时接触面较小，颗粒间的空 较好的粉末流动性.球化处理使得粉末颗粒形貌由 隙少，架桥现象不明显，可得到较高的松装密度和振 不规则形状变为规则球形，且粒度略微增大，对粉末 实密度.一般来说，粉末流动性与其形状关系更为 松装密度、振实密度及粉末流动性的改善十分有利
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 存在粉末团聚现象，粉末不容易流动; 且粉末形状为 不规则的块状体，架桥现象严重，导致微细 TC4 粉 末不具有流动性． 球化处理后，粉末流动性得到很 好的改善，粉末流动性为 1. 405 s·g － 1 ． 图 1 TC4 粉末的 SEM 形貌和剖面照片 . ( a) 原粉; ( b) 球化处理后的粉末; ( c) 粉末剖面; ( c) 单颗粉末剖面 Fig． 1 SEM images of TC4 powders and cross-section images of spherical TC4 powders: ( a) raw powders; ( b) prepared spherical powders; ( c) cross-section image of spherical powders; ( d) cross-section image of a particle 图 2 TC4 粉末的粒度分布 . ( a) 原料粉末; ( b) 球化处理后的粉末 Fig． 2 Particle size distributions of TC4 powders: ( a) raw powders; ( b) prepared spherical powders 表 3 TC4 粉末的粉末特性 Table 3 Characteristics of TC4 powders 粉末类别 松装密度/( g·cm － 3 ) 振实密度/( g·cm － 3 ) 粉末流动性/( s·g － 1 ) 平均粒径/μm 粉末形貌 原料 TC4 粉 1. 25 2. 05 — 18. 13 不规则形状 球形 TC4 粉 2. 52 2. 68 1. 405 19. 35 球形 颗粒的形貌、表面粗糙度和粒度分布对粉末松 装密度、振实密度及粉末流动性的影响十分显著． 通常，球形粉末颗粒堆积时接触面较小，颗粒间的空 隙少，架桥现象不明显，可得到较高的松装密度和振 实密度． 一般来说，粉末流动性与其形状关系更为 紧密． 粉末的球形度越高，则流动性越好． 同时，较 大粒度的粉末由于颗粒之间摩擦力较小，更易获得 较好的粉末流动性． 球化处理使得粉末颗粒形貌由 不规则形状变为规则球形，且粒度略微增大，对粉末 松装密度、振实密度及粉末流动性的改善十分有利． ·166·
第2期 盛艳伟等：射频等离子体制备球形T6A4V粉末性能表征 ·167 采用射频等离子体球化处理制备的球形TC4粉末， 中存在很大的过冷度，合金元素来不及扩散，熔融的 适合于注射成型及凝胶注模成形等工艺. 粉末温度远高于TC4临界相变温度，B相从快速冷 2.2粉末显微组织和相组成 却的过程中来不及转变成相，得到马氏体α‘相和 图3为球形TC4粉末的微观结构SEM照片. 亚稳态的B相，骤冷凝结后得到了细小针状马氏体 由图3()可知，经球化处理后，内部组织明显细化， 组织.球化过程中，由于粉末颗粒吸收热量与其粒 分布均匀，为典型的和B两种相结构，部分粉末 度、运行轨迹和在等离子体吸热时间有直接关系，粉 具有细针状马氏体α'相交织成的网篮组织 末颗粒吸收的热量具有很大的差别，故粉末的内部 (图3(b))·在等离子体球化过程中，粉末进入等离 组织也具有一定的差别.粉末熔融后温度较高的粉 子体后迅速吸热、熔融和骤冷凝结形成球形粉末，其 末，骤冷凝结过程中具有更高的过冷度，形成的组织 凝固过程为快速凝固过程.熔融的粉末在凝固过程 中细小针状马氏体更多 10 中K约的+的0w中0 图3球形TC4粉末的显微组织SEM形貌.(a)粉末剖面：(b)单颗粉末剖面 Fig.3 SEM images of spherical TC4 powders:(a)cross-section image of spherical powders:(d)cross-section image of a particle 2.3加料速率对粉末球化率的影响 5gmin-时（图4(a)),经等离子体球化处理后粉 图4给出了TC4粉末不同加料速率下球化粉末最佳的球化率可达到100%，且球形粉末分散性 末的形貌照片.可以看出：当加料速率低于 良好，球形度高；当加料速率增加到10g·min1 上420um 20 um 图4不同加料速率下TC4粉的sEM形貌.(a)2g'min':(b)5gmin;(c)l0g"min;(d)15 g'min Fig.4 SEM images of TC4 powders at different feeding rates:(a)2g"min;(b)5g"min;(c)10g"min-;(d)15g"min-1
第 2 期 盛艳伟等: 射频等离子体制备球形 Ti--6Al--4V 粉末性能表征 采用射频等离子体球化处理制备的球形 TC4 粉末， 适合于注射成型及凝胶注模成形等工艺． 2. 2 粉末显微组织和相组成 图 3 为球形 TC4 粉末的微观结构 SEM 照片． 由图 3( a) 可知，经球化处理后，内部组织明显细化， 分布均匀，为典型的 α 和 β 两种相结构，部分粉末 具有 细 针 状 马 氏 体 α' 相 交 织 成 的 网 篮 组 织 ( 图 3( b) ) ． 在等离子体球化过程中，粉末进入等离 子体后迅速吸热、熔融和骤冷凝结形成球形粉末，其 凝固过程为快速凝固过程． 熔融的粉末在凝固过程 中存在很大的过冷度，合金元素来不及扩散，熔融的 粉末温度远高于 TC4 临界相变温度，β 相从快速冷 却的过程中来不及转变成 α 相，得到马氏体 α'相和 亚稳态的 β 相，骤冷凝结后得到了细小针状马氏体 组织． 球化过程中，由于粉末颗粒吸收热量与其粒 度、运行轨迹和在等离子体吸热时间有直接关系，粉 末颗粒吸收的热量具有很大的差别，故粉末的内部 组织也具有一定的差别． 粉末熔融后温度较高的粉 末，骤冷凝结过程中具有更高的过冷度，形成的组织 中细小针状马氏体更多． 图 3 球形 TC4 粉末的显微组织 SEM 形貌 . ( a) 粉末剖面; ( b) 单颗粉末剖面 Fig． 3 SEM images of spherical TC4 powders: ( a) cross-section image of spherical powders; ( d) cross-section image of a particle 图 4 不同加料速率下 TC4 粉的 SEM 形貌 . ( a) 2 g·min － 1 ; ( b) 5 g·min － 1 ; ( c) 10 g·min － 1 ; ( d) 15 g·min － 1 Fig． 4 SEM images of TC4 powders at different feeding rates: ( a) 2 g·min － 1 ; ( b) 5 g·min － 1 ; ( c) 10 g·min － 1 ; ( d) 15 g·min － 1 2. 3 加料速率对粉末球化率的影响 图 4 给出了 TC4 粉末不同加料速率下球化粉 末的 形 貌 照 片． 可 以 看 出: 当 加 料 速 率 低 于 5 g·min － 1 时( 图 4( a) ) ，经等离子体球化处理后粉 末最佳的球化率可达到 100% ，且球形粉末分散性 良好，球形度高; 当加料速率增加到 10 g·min － 1 ·167·
·168 北京科技大学学报 第34卷 (图4(c))和15g·min(图4(d))时，TC4粉的球 参考文献 化率迅速降低，其球化率分别为75%和45%. [1]Dias L.Trindade B.Coelho C.et al.Ti-Mg-Si alloys produced by 在射频等离子处理过程中，加料速率是影响 non-equilibrium processing methods:mechanical alloying and TC4粉末球化率的重要因素.图5为加料速率对粉 sputtering.Mater Sci Eng A,2004,364(1/2)273 末球化率的影响图.对比不同加料速率制备的球形 [2]Dabhade VV,Rama Mohan T R,Ramakrishnan P.Nanocrystal- TC4粉末球化率发现，随着加料速率的增加，TC4粉 line titanium powders by high energy attrition milling.Pouder 末的球化率呈逐渐降低的趋势.这主要是因为，当 Technol,2007,171(3):177 其他工艺参数不变时，增大加料速率导致单位时间 [3]Uchida M,Oyane A.Kim H M,et al.Biomimetic coating of lami- nin-patite composite on titanium metal and its excellent cell-adhe- 通过等离子区的粉末增多.然而，系统在固定的工 sive properties.Ade Mater.2004,16(13):1071 艺条件下所提供的能量为定值，难于满足过量粉末 [4]Heinl P.Muiller L.Komer C.et al.Cellular Ti-6Al-4V structures 的吸热、熔融和球化的需要，导致部分粉末未充分吸 with interconnected macro porosity for bone implants fabricated by 热、球化，残余一些原料粉末，粉末球化率降低.此 selective electron beam melting.Acta Biomater,2008,4(5): 外，加料速率的提高致使部分粉末在等离子体中的 1536 运行轨迹紊乱，偏离等离子体高温区，不利于粉末的 [5]Scott Weil K.Nyberg E,Simmons K.A new binder for powder in- 充分吸热，最终导致粉末球化率降低.在一定的工 jection molding titanium and other reactive metals.Mater Process 艺条件下，合理的加料速率是保证粉末高球化率的 Technol,2006,176(13):205 [6]Thian E S,Loh N H,Khor K A,et al.Microstructures and me- 重要条件. chanical properties of powder injection molded Ti-6Al-4V/HA 100 powder.Biomaterials,2002,23(14):2927 [7]Guo S B.Qu X H.He X B.et al.Powder injection molding of 80 Ti-6Al-4V alloy.J Mater Process Technol,2006.173(3):310 [8]Hartwig T.Veltl G.Petzoldt F,et al.Powders for metal injection 60 molding.J Eur Ceram Soc,1998.18(9):1211 [9]Gerling R,Schimansky F P.Prospects for metal injection mould- 0 ing using a gamma titanium aluminide based alloy powder.Mater Sci Eng A.2002.329-331:45 20 [10]Liu X H.Xu G.The Ti and its alloy powder made by inert gas atomization.Powder Metall Ind.2000,10(3):18 1012141618 加料速率gmin (刘学晖，徐广.惰性气体雾化法制取钛和钛合金粉末.粉末 图5加料速率对粉末球化率的影响 治金工业.2000.10(3)：18) Fig.5 Spheroidization ratio as a function of feeding rate [11]Yang X.Xi Z P.Liu Y.et al.Characterization of TiAl powders prepared by plasma rotating electrode processing.Rare Met Mater 3结论 Eng,2010.39(12):2251 (杨鑫，奚正平，刘咏，等.等离子旋转电极法制备钛铝粉末 (1)本文以不规则TC4粉末为原料，经过射频 性能表征.稀有金属材料与工程，2010.39(12)：2251) 等离子体处理后得到球形TC4粉末.制备的球形 [12]Bai L Y,Fan J M.Hu P,et al.RF plasma synthesis of nickel TC4粉表面光滑、球形度好，最佳的球化率可达 nanopowders via hydrogen reduction of nickel hydroxide/carbon- ate.J Alloys Compd,2009.481(1/2):563 100%. [13]Soucy C.Rahmane M.Fan X B.et al.Heat and mass transfer (2)球化处理后TC4粉末的松装密度、振实密 during in-flight nitridation of molybdenum disilicide powder in an 度和粉末流动性得到明显改善。松装密度由 induction plasma reactor.Mater Sci Eng A,2001,300(1/2): 1.25gcm3提高到2.52g·cm-3,振实密度由 226 2.05gcm-3增加到2.68gcm-3. [14]Kumar R,Cheang P,Khor K A.Radio frequency (RF)suspen- (3)加料速率是球化处理过程中对粉末球化率 sion plasma sprayed ultra-fine hydroxyapatite HA)/zirconia 的重要影响因素.随着加料速率的增加，TC4粉的 composite powders.Biomaterials,2003.24(15):2611 [15]Jiang X L.Boulos M.Induction plasma spheroidization of tung- 球化率降低.在其他工艺参数不变的情况下，加料 sten and molybdenum powders.Trans Nonferrous Met Soc China. 速率在2~5g"min-1可获得高球化率的粉末. 2006,16(1):13
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 ( 图 4( c) ) 和 15 g·min － 1 ( 图 4( d) ) 时，TC4 粉的球 化率迅速降低，其球化率分别为 75% 和 45% ． 在射频等离子处理过程中，加料速率是影响 TC4 粉末球化率的重要因素． 图 5 为加料速率对粉 末球化率的影响图． 对比不同加料速率制备的球形 TC4 粉末球化率发现，随着加料速率的增加，TC4 粉 末的球化率呈逐渐降低的趋势． 这主要是因为，当 其他工艺参数不变时，增大加料速率导致单位时间 通过等离子区的粉末增多． 然而，系统在固定的工 艺条件下所提供的能量为定值，难于满足过量粉末 的吸热、熔融和球化的需要，导致部分粉末未充分吸 热、球化，残余一些原料粉末，粉末球化率降低． 此 外，加料速率的提高致使部分粉末在等离子体中的 运行轨迹紊乱，偏离等离子体高温区，不利于粉末的 充分吸热，最终导致粉末球化率降低． 在一定的工 艺条件下，合理的加料速率是保证粉末高球化率的 重要条件． 图 5 加料速率对粉末球化率的影响 Fig． 5 Spheroidization ratio as a function of feeding rate 3 结论 ( 1) 本文以不规则 TC4 粉末为原料，经过射频 等离子体处理后得到球形 TC4 粉末． 制备的球形 TC4 粉表面光滑、球形度好，最佳的球化率可达 100% ． ( 2) 球化处理后 TC4 粉末的松装密度、振实密 度和 粉 末 流 动 性 得 到 明 显 改 善． 松 装 密 度 由 1. 25 g·cm － 3 提 高 到 2. 52 g·cm － 3 ，振 实 密 度 由 2. 05 g·cm － 3 增加到 2. 68 g·cm － 3 ． ( 3) 加料速率是球化处理过程中对粉末球化率 的重要影响因素． 随着加料速率的增加，TC4 粉的 球化率降低． 在其他工艺参数不变的情况下，加料 速率在 2 ～ 5 g·min － 1 可获得高球化率的粉末． 参 考 文 献 ［1］ Dias L，Trindade B，Coelho C，et al． Ti-Mg-Si alloys produced by non-equilibrium processing methods: mechanical alloying and sputtering． Mater Sci Eng A，2004，364( 1 /2) : 273 ［2］ Dabhade V V，Rama Mohan T R，Ramakrishnan P． Nanocrystalline titanium powders by high energy attrition milling． Powder Technol，2007，171( 3) : 177 ［3］ Uchida M，Oyane A，Kim H M，et al． Biomimetic coating of laminin-apatite composite on titanium metal and its excellent cell-adhesive properties． Adv Mater，2004，16( 13) : 1071 ［4］ Heinl P，Müller L，Krner C，et al． Cellular Ti-6Al-4V structures with interconnected macro porosity for bone implants fabricated by selective electron beam melting． Acta Biomater，2008，4 ( 5 ) : 1536 ［5］ Scott Weil K，Nyberg E，Simmons K． A new binder for powder injection molding titanium and other reactive metals． J Mater Process Technol，2006，176( 1-3) : 205 ［6］ Thian E S，Loh N H，Khor K A，et al． Microstructures and mechanical properties of powder injection molded Ti-6Al-4V/HA powder． Biomaterials，2002，23( 14) : 2927 ［7］ Guo S B，Qu X H，He X B，et al． Powder injection molding of Ti-6Al-4V alloy． J Mater Process Technol，2006，173( 3) : 310 ［8］ Hartwig T，Veltl G，Petzoldt F，et al． Powders for metal injection molding． J Eur Ceram Soc，1998，18( 9) : 1211 ［9］ Gerling R，Schimansky F P． Prospects for metal injection moulding using a gamma titanium aluminide based alloy powder． Mater Sci Eng A，2002，329--331: 45 ［10］ Liu X H，Xu G． The Ti and its alloy powder made by inert gas atomization． Powder Metall Ind，2000，10( 3) : 18 ( 刘学晖，徐广． 惰性气体雾化法制取钛和钛合金粉末． 粉末 冶金工业，2000，10( 3) : 18) ［11］ Yang X，Xi Z P，Liu Y，et al． Characterization of TiAl powders prepared by plasma rotating electrode processing． Rare Met Mater Eng，2010，39( 12) : 2251 ( 杨鑫，奚正平，刘咏，等． 等离子旋转电极法制备钛铝粉末 性能表征． 稀有金属材料与工程，2010，39( 12) : 2251) ［12］ Bai L Y，Fan J M，Hu P，et al． RF plasma synthesis of nickel nanopowders via hydrogen reduction of nickel hydroxide /carbonate． J Alloys Compd，2009，481( 1 /2) : 563 ［13］ Soucy G，Rahmane M，Fan X B，et al． Heat and mass transfer during in-flight nitridation of molybdenum disilicide powder in an induction plasma reactor． Mater Sci Eng A，2001，300 ( 1 /2) : 226 ［14］ Kumar R，Cheang P，Khor K A． Radio frequency ( RF) suspension plasma sprayed ultra-fine hydroxyapatite ( HA ) /zirconia composite powders． Biomaterials，2003，24( 15) : 2611 ［15］ Jiang X L，Boulos M． Induction plasma spheroidization of tungsten and molybdenum powders． Trans Nonferrous Met Soc China， 2006，16( 1) : 13 ·168·