16962-40-6/鈦粉的制備及應用

背景及概述^[3]

鈦及鈦合金由于具有密度小、比強度高、耐酸堿腐蝕等優異性能，被廣泛地應用于航空航天、能源化工、醫療器械、冶金和民用等各領域中，但由于鈦及鈦合金產品的加工生產復雜、成材率低，在制造零部件的過程中產生大量鈦廢料，耗能耗時、制造成本高，使其難以得到廣泛的推廣應用。近年來得到大力發展的粉末冶金、注射成形以及3D打印技術等，使零件的成形技術大大進步，少或無切削廢料產生，提高了材料的利用率，降低了生產成本，尤其對復雜形狀的零部件制造更具優勢，有著廣泛的市場應用前景。由于鈦金屬在高溫下對氧、氮、碳的高親活性，使得生產高純低氧含量的鈦粉或鈦合金粉的難度很大，特別是適合注射成形和3D打印成形的超細球形粉末更是無量產產品。

制備^{[1] [3]}

一、3D打印用球形鈦粉的生產方法

3D打印用鈦粉主要采用霧化法，由于工藝設備投資大，制粉效率低（一般僅有 15%左右的成粉率），導致其產品售價高達4000元/Kg（400萬元/噸）以上，嚴重制約了3D打印金屬鈦制品商業化應用，成為困擾金屬鈦3D打印向更多領域推廣的重要難題。本發明CN201610925463.8提供了一種3D打印用球形鈦粉的生產方法，本方法打破了霧化法制備球型鈦粉的傳統思路，其制粉效率高，生產成本可大幅度下降。技術方案如下所述：以海綿鈦為原料，先經氫化、制粉分級、脫氫步驟制得脫氫鈦粉，脫氫鈦粉通過鈣熱還原法降氧，利用鈣的高活性將初級鈦粉表面氧化物還原得到低氧鈦粉，然后再利用等離子炬將不規則形狀的低氧鈦粉熱熔改形為球形鈦粉。本發明采用氫化脫氫—鈣熱還原—等離子體炬球化組合工藝，打破了目前霧化法制備球型鈦粉的傳統思路，產品可達到低氧、球形、細粒度等3D打印要求，本發明的方法制粉率高，其生產成本與霧化法相比可降低50%以上，具有較好的產業應用前景。

二、超細鈦粉的制備方法

普通金屬鈦粉的生產方法主要有：電解法、氫化脫氧法、超聲氣霧化法、等離子旋轉電極法等，但都存在一些不足，極大地限制了鈦及鈦合金粉末的生產和廣泛應用。其中，電解法的生產效率低，粉末顆粒的流動性差，且一般不能用于生產合金粉；氫化脫氫法的產品氧含量高、粉末顆粒呈多角狀、流動性差、脫氫時間長且效率低；超聲氣霧化法需要消耗大料氬氣，一次成粉合格率低，壓縮機功率大且粉末一般較粗；等離子旋轉電極法對電極規格要求較高，連續送料性差，粉末顆粒較粗用。

目前，離心霧化法是生產金屬粉末的常用方法，因其經濟合理、產量大、設備造價低、能耗低、生產效率高而被廣泛使用。但現有的離心霧化裝置通常以高速電機驅動小直徑的離心盤高速旋轉的方式來粉碎熔融金屬液，離心盤主軸的轉速通常要達到30000r/min以上，因此現有的離心霧化法和裝置不能用于生產高熔點的金屬粉末如鈦粉，只能用于制備熔點為500℃以下的金屬粉末如鋁粉、銅粉。提供一種工藝簡單、技術可 靠、產品粒度易于控制、能耗低、生產效率高的超細鈦粉或鈦合金粉的制備方法以及由該方法生產的離心霧化鈦粉或離心霧化鈦合金粉。CN201310328532.3提供了一種超細鈦粉或鈦合金粉的制備方法，所述方法包括以下步驟：將鈦或鈦合金原料熔化為鈦液或鈦合金液；將所述鈦液或鈦合金液通過轉動的第一離心霧化盤進行一次離心霧化；再將經一次離心霧化后的鈦液滴或鈦合金液滴通過轉動的第二離心霧化盤進 行二次離心霧化；收集經兩次離心霧化并冷卻后的鈦粉或鈦合金粉得到超細鈦粉或鈦合金粉，其中，以上各步驟均在惰性氣體氣氛下進行。本發明與現有技術相比具有如下優點：1、熔化鈦或鈦合金的金屬液體所需的過熱度低，低于超聲霧化和其他霧 化方法。這對于熔點高的鈦及鈦合金的霧化而言，尤為重要，這可有效地減 少熔化爐（或坩堝）耐火材料的消耗和霧化設備的損壞。2、離心霧化法是用機械力粉碎金屬液，所需功率低、效率高且不污染環 境，也不需要消耗大量的惰性氣體。3、對鈦液或鈦合金液的兩次離心霧化同時進行，霧化效果好，可以獲得 90％以上粒度小于45μm的鈦粉或鈦合金粉，并大大降低了離心霧化器的霧化 盤轉速，大大提高了霧化器的穩定工作壽命，減少了霧化器的備件消耗。

應用 ^[2]

先天性畸形、創傷、感染、腫瘤等導致的面部古河發育畸形、骨缺損、骨不連等的修復重建是顱面外科的主要內容。目前，顱頜面外殼常采用手術截骨重排，結合骨修復材料，如自體骨、異體骨、異體骨及人工合成材料等，對顱面部骨骼進行修復重建。異體骨修復材料存在諸多缺陷，如免疫原性、生物相容性差，而自體骨組織修復存在供區有限的問題。因此人工合成材料得到廣泛的應用，可是在骨組織愈合過程中，造成骨應力吸收，引起種植體松動，另外骨組織愈合的周期長，給患者帶來更多的傷害。

CN201621479774.8針對現在骨組織在愈合過程中，造成骨應力吸收，引起種植體松動，另外骨組織愈合的周期長，給患者帶來更多的傷害的情況，提出了一種表面噴有鈦粉和羥基磷灰石的顱頜面鈦板。包括：板狀部，其上設置有多個矩形通孔，矩形通孔均勻分布；鈦粉層，鈦粉層覆蓋于板狀部的一側表面；羥基磷灰石層，羥基磷灰石層覆蓋于鈦粉層的表面；其中，板狀部覆蓋有鈦粉層和羥基磷灰石層的表面為貼靠人體骨骼的一側表面。其中，鈦粉層的厚度小于板狀部的厚度，羥基磷灰石層的厚度小于鈦粉層的厚度。

具有如下有益效果：板狀部與鈦粉是同種材料，有很強的結合強度，不易脫落，并具有良好的生物相容性，內部存在大量的孔隙，增加與骨組織的牢固性，防止種植體的松動；羥基磷灰石是人體骨骼組織的主要無機組成成分，植入體內后， 鈣和磷會游離出材料表面被身體組織吸收，并生長出新的組織，誘導骨組織的生長，能夠短治療周期，減少患者的痛苦。

主要參考資料

[1] CN201610925463.8 3D打印用球形鈦粉的生產方法

[2] CN201621479774.8 表面噴有鈦粉和羥基磷灰石的顱頜面鈦板

[3] CN201310328532.3 超細鈦粉或鈦合金粉及其制備方法、制取裝置