制备铍及铍合金小球的旋转离心雾化工艺及装置

摘要

一种用于制备铍及铍合金微球的旋转离心雾化工艺及装置，该工艺制备的铍及铍合金小球可用于3D打印增材制造铍金属部件以及核能特殊领域。该工艺首先形成熔融的液态铍金属，其次将液态铍金属引流到高速旋转的轴托的梯形斜面上，利用高速旋转产生的离心力将液态铍金属甩成大小均匀的铍液滴，然后铍液滴在表面张力的作用下形成球形，进一步在惰性气体保护下冷却凝固成具有高球形度、球径尺寸均匀的铍小球。该工艺相比熔融气雾化工艺，制备的铍小球球形度高，球径均匀可控；相比等离子辅助旋转电极雾化工艺，由于无需采用热等静压工艺制备铍电极，减少了工艺流程环节，降低了铍小球的生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金领域、3D打印增材制造技术领域以及核能 技术领域，具体涉及一种制备用于铍的3D打印增材制造成形以及核 能技术的具有高球形度的铍小球的旋转离心雾化工艺。

背景技术

铍是原子能、火箭、导弹、航空、宇宙航行以及冶金工业中不可 缺少的宝贵材料。X射线对铍有很强的透过能力，因此铍是制造X 射线管小窗口不可取代的材料。铍在被中子、粒子、氘核及γ射线 撞击或照射时会产生中子，因此铍又是一种中子源材料。铍由于原子 序数低，通过与中子的散射作用可以很好地慢化和反射中子，所以铍 在一些核核反应堆中也是一种优良的慢化剂和反射层材料。另外铍比 常用的铝和钛都轻，比强度是钢的四倍，吸热能力强，热导率高，机 械性能稳定，同时也可以用于制造火箭和卫星的结构材料。

不过铍部件的加工制造非常困难，不能采用传统的锻造机加的方 式，目前主要采用热等静压工艺来加工铍部件，但热等静压工艺对设 备要求高，灵活性差，加工成本高。随着3D打印增材制造技术的兴 起，激光立体成形技术有望应用于铍部件的加工，但该技术需要球形 度高、流动性好、球径在200微米以下的铍小球作为原料。同时，随 着国际磁约束聚变技术的发展，中国将在国际热核聚变实验堆上参试 自主设计研制的固态增殖剂氚增殖实验包层模块。而这一模块也需要 球形度高、流动性好、球径在1mm左右均匀可控的铍小球。

目前制备铍小球的工艺主要有两种，一种是气雾化的方法，即利 用高压惰性气流将铍的金属液流吹散，在表面张力的作用下形成雾状 的近球形铍液滴，在气体中冷却形成铍小球，这种方法的特点是成本 低，但球形度差，球径不均匀。

另一种方法是等离子辅助旋转电机离心雾化法，即将铍先加工成 铍电极棒，与钨电极之间通过高压发电形成等离子体，将铍电极的顶 端熔融，同时高速旋转铍电极，将熔融的液态铍甩出，形成雾状的球 形液滴，在惰性气氛中冷却得到球形度高、球径均匀的铍小球。该方 法制备铍小球虽然球形度高、球径均匀，但是需要先采用热等静压工 艺制备铍电极棒，即先将镁热还原得到的大球径铍珠用高压气流冲击 打碎形成不规则的铍粉，然后将铍粉采用真空电子束焊接封装在包壳 里，然后利用热等静压机利用高温高压制备出铍棒，整个工艺涉及多 个技术要求和设备成本非常高的环节，因此铍小球制备成本比较高 昂，并不利用铍的规模化市场应用。

针对这一问题，我们结合了等离子辅助旋转电极离心雾化工艺和 熔融气雾化工艺的特点开发出了一种旋转离心雾化的新工艺来制备 球形度高、球径均匀可控、可以满足3D打印增材制造及聚变核能应 用需求且成本相对低廉的铍小球。

发明内容

本发明属于粉末冶金领域、3D打印增材制造技术领域以及核能 技术领域，具体涉及一种制备用于铍的3D打印增材制造成形以及核 能领域特殊用途的具有高球形度、球径均匀可控、且成本相对低廉的 铍小球的旋转离心雾化工艺。

为达到以上目的，本发明提出了一种旋转离心雾化制备铍及铍合 金小球的方法，该方法按照如下步骤实现：首先形成熔融的液态铍金 属；然后将液态铍金属引流到高速旋转的轴托的梯形斜面上，利用高 速旋转产生的离心力将液态铍金属甩成大小均匀的铍液滴，铍液滴在 表面张力的作用下形成球形；最后在惰性气体保护下冷却凝固成具有 高球形度、球径尺寸均匀的铍小球。

由轴托的转速控制铍小球直径，且轴托的转速控制在8000-10000 转/分钟；所述惰性保护气体选用纯度超过99％的氦气且氦气压不超 过10Mpa。

所述铍合金，包括Be₁₂M和Be₁₇M₅，所述M为Ti，W，V，Ta， Zr金属，M元素在铍合金中的原子百分比在5％-30％；根据铍合金的 铍与M元素的质量比备料，在熔融炉加热得到液态铍合金。

实现上述工艺的装置，该装置由镁热还原炉或铍及铍合金熔融 炉、惰性气体保护的密闭容器腔室、以及将从熔融炉流出的液态金属 通过旋转离心力甩成大小均匀的铍液滴离心轴托构成，所述熔融炉位 于所述密闭容器腔室的上部，所述离心轴托穿过所述熔融炉，所述离 心轴托上端与电机驱动系统连接，所述离心轴托下端制有梯形斜面并 位于所述密闭容器腔室内，所述熔融炉下端设有可通过阀门控制的引 流嘴并且引流嘴位于所述密闭容器腔室内；所述密闭容器腔室内上制 有惰性保护气的进气口和惰性保护气的出气口。

所述熔融炉的炉腔为环筒状。

所述离心轴托通过一根贯穿所述熔融炉内筒环的旋转离心轴与 电机轴承连接；离心轴和熔融炉之间有隔热保护层；离心轴托由耐高 温的钽合金制成；离心轴托为圆锥台体构型，圆锥台的梯形斜面与台 面法线的夹角小于等于45度。

本发明的有益效果为：(1)相比熔融气雾化工艺，制备的铍小球 球形度高，球径均匀可控；(2)相比等离子辅助旋转电极雾化工艺， 由于无需采用热等静压工艺制备铍电极，降低了铍小球的生产成本。

附图说明

图1为旋转离心雾化工艺装置图。图号说明：1旋转离心轴托； 2镁热还原炉或铍及铍合金熔融炉；3带有阀门控制的引流嘴；4惰 性气体保护的密封容器腔室；5惰性保护气的进气口；6惰性保护气 的出气口；7驱动旋转离心轴托的电机系统。

具体实施方式

本发明工艺包括如下步骤：

(一)该方法首先形成熔融的液态铍金属，其次将液态铍金属引 流到高速旋转的轴托的梯形斜面上，利用高速旋转产生的离心力将液 态铍金属甩成大小均匀的铍液滴，然后铍液滴在表面张力的作用下形 成球形，进一步在保护性气体的冷却下凝固成具有高球形度、球径尺 寸均匀的铍小球。

(二)该方法需要通过一套旋转离心雾化装置来得以实现，该装 置由旋转离心轴托、惰性气体保护的密闭容器腔室、铍金属熔融炉、 电机驱动系统、铍防护系统等组成。

其中熔炼炉的炉腔为环筒状，下端设有可通过阀门控制的引流 嘴；

旋转离心轴托通过一根贯穿真空熔炼炉内筒环的旋转离心轴与 电机轴承连接；

旋转离心轴和熔融炉之间有隔热保护层；

旋转离心轴托由耐高温的钽合金制成；

旋转离心轴托为圆锥台体构型，圆锥台的梯形斜面与台面法线的 夹角小于等于45度；

(三)该方法可通过镁热还原法直接得到铍的液态金属，将原有 的镁热还原法相适应的熔融炉改造为环筒状，制备过程中原料为氟化 铍(BeF₂)和镁金属，利用BeF₂+Mg→Be+MgF₂反应直接到到熔融的 液态金属铍；

(四)该方法也可通过加热现有的铍珠或其他铍原材料至熔点， 得到液态铍金属流。

(五)该方法中熔融的液态金属铍通过熔融炉下端的引流嘴进入 惰性气体保护的密封容器腔室，落在旋转离心轴托的梯形斜面上；高 速旋转的轴托将其梯形斜面上的液态金属铍甩出，液态金属铍在表面 张力的作用下形成球形铍液滴，铍液滴在惰性气体保护的密封容器腔 室内下落过程中快速冷却凝固，形成铍小球，在真空腔室的底部收集。

(六)惰性保护气体选用具有较高热导率的高纯氦气，为提高冷 却效果，可以增加氦气压但不超过10Mpa。

(七)铍小球的球径主要由轴托的转速控制，转速在2000转/ 分钟—10000转/分钟之间。

该方法也可用于制备铍合金，包括Be₁₂M和Be₁₇M₅(M为Ti，W， V，Ta，Zr等金属，M元素在铍合金中的原子百分比在5％-30％)；根 据铍合金的铍与M元素的质量比备料，在熔融炉加热得到液态铍合 金。

实施方式1.采用旋转离心雾化工艺制备用于核反应堆中子倍增 和慢化以及反射作用的直径约1mm的高球形度铍小球，可按以下步 骤：

(一)建造一套旋转离心雾化装置，该装置由旋转离心轴托、惰 性气体保护的密闭容器腔室、铍金属熔融炉、电机驱动系统、铍防护 系统等组成。

其中熔炼炉的炉腔为环筒状，下端设有可通过阀门控制的引流 嘴；

旋转离心轴托通过一根贯穿真空熔炼炉内筒环的旋转离心轴与 电机轴承连接；

旋转离心轴和熔融炉之间有隔热保护层；

旋转离心轴托由耐高温的钽合金制成；

旋转离心轴托为圆锥台体构型，圆锥台的梯形斜面与台面法线的 夹角等于45度，上台面与离心轴直径均为60mm，下台面直径90mm；

(二)将现有的铍珠投入到铍金属熔融炉中，加热至1300度以 上，得到液态铍金属流。

(三)打开引流嘴的阀门，熔融的液态金属铍通过熔融炉下端的 引流嘴进入惰性气体保护的密封容器腔室，落在旋转离心轴托的梯形 斜面上；高速旋转的轴托将其梯形斜面上的液态金属铍甩出，液态金 属铍在表面张力的作用下形成球形铍液滴，铍液滴在惰性气体保护的 密封容器腔室内下落过程中快速冷却凝固，形成铍小球，在真空腔室 的底部收集。

(四)惰性保护气体选用纯度超过99％的氦气。

(五)铍小球的球径主要由轴托的转速控制，转速控制在3000 转/分钟。

2.采用旋转离心雾化工艺制备用于3D打印增材制造成形铍部件的 高球形度，球径在200微米以下的铍小球，可按以下步骤：

(一)建造一套旋转离心雾化装置，该装置由旋转离心轴托、惰 性气体保护的密闭容器腔室、镁热还原炉、电机驱动系统、铍防护系 统等组成。

其中镁热还原炉的炉腔为环筒状，下端设有可通过阀门控制的引 流嘴；

旋转离心轴托通过一根贯穿镁热还原炉内筒环的旋转离心轴与 电机轴承连接；

旋转离心轴和没热还原炉之间有隔热保护层；

旋转离心轴托由耐高温的钽合金制成；

旋转离心轴托为圆锥台体构型，圆锥台的梯形斜面与台面法线的 夹角等于45度，上台面与离心轴直径均为60mm，下台面直径90mm；

(二)将氟化铍(BeF₂)和镁金属投料到改造的镁热还原炉，利 用BeF₂+Mg→Be+MgF₂反应直接到到熔融的液态金属铍。

(三)打开引流嘴的阀门，熔融的液态金属铍通过炉腔下端的引 流嘴进入惰性气体保护的密封容器腔室，落在旋转离心轴托的梯形斜 面上；高速旋转的轴托将其梯形斜面上的液态金属铍甩出，液态金属 铍在表面张力的作用下形成球形铍液滴，铍液滴在惰性气体保护的密 封容器腔室内下落过程中快速冷却凝固，形成铍小球，在真空腔室的 底部收集。

(四)惰性保护气体选用纯度超过99％的氦气。

(五)铍小球的球径主要由轴托的转速控制，转速控制在 8000-10000转/分钟。