钛铝合金（TiAl)粉末常见制备方法介绍

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钛铝合金（TiAl)粉末常见制备方法介绍

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http://www.cfclkj.com/sys-nd/86.html

钛铝合金（TiAl）因其低密度、高模量以及优异的高温性能，在汽车和航空航天领域展现出巨大的应用潜力。本文将详细介绍钛铝合金粉末的三种主要制备方法：元素粉末法、预合金粉末法和机械球磨等离子体球化两步法，帮助读者全面了解这一前沿材料的制备技术。

钛铝（TiAl）合金材料密度低，模量高，具有良好的高温强度、抗蠕变性、抗氧化性、阻燃及较低的热膨胀率和导热系数等优异的性能，在汽车发动机增压涡轮、航空航天发动机和火箭推进系统领域有着广阔的应用前景，是极具吸引力的新一代轻质、高强、高温结构材料。
制备 TiAl 基合金粉末的方法主要有元素粉末法、预合金粉末法、机械合金化结合等离子体球化法等，以下将进行详细阐述。
1.元素粉末法
元素粉末法是通过加入高纯 Ti、Al 金属粉末和其他合金元素，在一定条件下完成合金化的过程。元素粉末法制备 TiAl 基合金的成本低，易于添加各种合金
元素，成形性较好，但是杂质含量较高。另外，粉末烧结过程中由于 Ti、Al 的扩散速率相差较大，容易产生Kirkendall 效应，导致其烧结性能较差。
2.预合金粉末法
预合金粉末法制备的 TiAl 合金粉末成分均匀性好，杂质(氧、氮)含量低且力学性能优良。制备 TiAl预合金粉末的方法主要有惰性气体雾化法(Gas Atomization，GA)、等离子体旋转电极雾化法(Plasma Rotate Electrode Pulverization，PREP)和射频等离子体球化法(Radio Frequency，RF)等。
惰性气体雾化法
GA 技术的基本原理是用超高速气流将金属液流破碎成细小的液滴并凝固成球形的粉末。GA 技术主要有冷壁坩埚等离子熔化感应雾化(PIGA)、无坩埚电极感应熔炼雾化(EIGA)、水冷铜坩埚真空感应熔炼气雾化制粉(VIGA－CC)等方法。
Young－Kyun Kim等采用 PIGA 方法制备了Ti－48Al－2Cr－2Nb 预合金粉末，使用电子束熔炼(EBM)技术，成功制造了没有开裂的 TiAl 基合金预制件。康伟福等采用 PIGA 工艺制备的预合金粉末颗粒细小，具有良好的球形度。

惰性气体雾化法原理图
等离子体旋转电极雾化法
PREP 法无坩埚，雾化气氛为高纯惰性气体，所以制粉环境纯净无污染。相对于其他 GA 技术，PREP 法制备的 TiAl 基合金粉末具有更高的球形度、更好的流动性和更窄的粒度分布，且成本更低。此外，PREP 法制备的粉末几乎没有出现对最终构件的疲劳性能有害的“卫星粉末”和“中空颗粒”。
H. P. Tang等采用 PREP 法制备了球形度高、氧氮含量低的 Ti－45Al－7Nb－0.3W 预合金粉末，将其用于改进的 EBM 工艺，制备出了具有细小全片层组织，抗拉强度为2 750 MPa，应变断裂率达到 37%，无裂纹的 Ti－45Al－7Nb－0. 3W 合金。

等离子体旋转电极雾化法原理图
射频等离子体球化法
射频(RF)等离子体具有较高的温度，用等离子炬进行材料处理时，加热和冷却速度很快。其原理是载气将粉末颗粒送入等离子炬，粉末颗粒迅速吸收热量完成熔化，在其表面张力作用下形成小液滴，最后冷却凝固成合金粉末。RF 是制备成分均匀、流动性好、球形度高和缺陷较少的 TiAl 基合金球形粉末的良好途径。
路新等采用感应熔炼、机械破碎、流化床气流磨和射频等离子体球化工艺制备出了 Ti－45Al－8. 5Nb－0. 2W－0. 2B－0. 02Y 合金粉末。经测试表征后发现，该粉末平均粒度为 90 μm 且分布均匀细小，球形度较高，内部组织无孔洞，但氧氮含量偏高。

射频等离子体球化法原理图
3.机械球磨等离子体球化两步法
两步法是指先将高纯 Ti 粉、Al 粉和其他合金元素按指定成分配比后进行机械球磨，通过等离子体球化设备球化处理，获得颗粒细小、粒度均匀分布、球形度较高的 TiAl 合金粉末。
佟健博采用高能球磨与反应合成相结合的方法制备了高Nb－TiAl 合金粉末，并对粉末进行了射频等离子体球化处理。结果显示，TiAl 合金粉末球化率接近 100%，平均粒度为9. 6 μm，粒径均匀性指数为0. 662。
制备高品质的 TiAl 基合金粉末将为成型性能优良的构件奠定坚实的基础，因此改进 TiAl 基合金制粉工艺，降低制造成本，以获得性能优良的 TiAl 预合金粉末，这将是未来研究的重点。
文献来源：《TiAl 基合金及其合金粉末制备方法发展概述》，刘佳伟等，黑龙江省科学院高技术研究院