鈦鋁合金（TiAl)粉末常見制備方法介紹

鈦鋁（TiAl）合金材料密度低，模量高，具有良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、抗氧化性、阻燃及較低的熱膨脹率和導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異的性能，在汽車發(fā)動機(jī)增壓渦輪、航空航天發(fā)動機(jī)和火箭推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是極具吸引力的新一代輕質(zhì)、高強(qiáng)、高溫結(jié)構(gòu)材料。

制備 TiAl 基合金粉末的方法主要有元素粉末法、預(yù)合金粉末法、機(jī)械合金化結(jié)合等離子體球化法等，以下將進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.元素粉末法

元素粉末法是通過加入高純 Ti、Al 金屬粉末和其他合金元素，在一定條件下完成合金化的過程。元素粉末法制備 TiAl 基合金的成本低，易于添加各種合金

元素，成形性較好，但是雜質(zhì)含量較高。另外，粉末燒結(jié)過程中由于 Ti、Al 的擴(kuò)散速率相差較大，容易產(chǎn)生Kirkendall 效應(yīng)，導(dǎo)致其燒結(jié)性能較差。

2.預(yù)合金粉末法

預(yù)合金粉末法制備的 TiAl 合金粉末成分均勻性好，雜質(zhì)(氧、氮)含量低且力學(xué)性能優(yōu)良。制備 TiAl預(yù)合金粉末的方法主要有惰性氣體霧化法(Gas Atomization，GA)、等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma Rotate Electrode Pulverization，PREP)和射頻等離子體球化法(Radio Frequency，RF)等。

惰性氣體霧化法

GA 技術(shù)的基本原理是用超高速氣流將金屬液流破碎成細(xì)小的液滴并凝固成球形的粉末。GA 技術(shù)主要有冷壁坩堝等離子熔化感應(yīng)霧化(PIGA)、無坩堝電極感應(yīng)熔煉霧化(EIGA)、水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉(VIGA－CC)等方法。

Young－Kyun Kim等采用 PIGA 方法制備了Ti－48Al－2Cr－2Nb 預(yù)合金粉末，使用電子束熔煉(EBM)技術(shù)，成功制造了沒有開裂的 TiAl 基合金預(yù)制件?？祩ジ５炔捎?PIGA 工藝制備的預(yù)合金粉末顆粒細(xì)小，具有良好的球形度。

惰性氣體霧化法原理圖

等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法

PREP 法無坩堝，霧化氣氛為高純惰性氣體，所以制粉環(huán)境純凈無污染。相對于其他 GA 技術(shù)，PREP 法制備的 TiAl 基合金粉末具有更高的球形度、更好的流動性和更窄的粒度分布，且成本更低。此外，PREP 法制備的粉末幾乎沒有出現(xiàn)對最終構(gòu)件的疲勞性能有害的“衛(wèi)星粉末”和“中空顆粒”。

H. P. Tang等采用 PREP 法制備了球形度高、氧氮含量低的 Ti－45Al－7Nb－0.3W 預(yù)合金粉末，將其用于改進(jìn)的 EBM 工藝，制備出了具有細(xì)小全片層組織，抗拉強(qiáng)度為2 750 MPa，應(yīng)變斷裂率達(dá)到 37%，無裂紋的 Ti－45Al－7Nb－0. 3W 合金。

等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法原理圖

射頻等離子體球化法

射頻(RF)等離子體具有較高的溫度，用等離子炬進(jìn)行材料處理時，加熱和冷卻速度很快。其原理是載氣將粉末顆粒送入等離子炬，粉末顆粒迅速吸收熱量完成熔化，在其表面張力作用下形成小液滴，最后冷卻凝固成合金粉末。RF 是制備成分均勻、流動性好、球形度高和缺陷較少的 TiAl 基合金球形粉末的良好途徑。

路新等采用感應(yīng)熔煉、機(jī)械破碎、流化床氣流磨和射頻等離子體球化工藝制備出了 Ti－45Al－8. 5Nb－0. 2W－0. 2B－0. 02Y 合金粉末。經(jīng)測試表征后發(fā)現(xiàn)，該粉末平均粒度為 90 μm 且分布均勻細(xì)小，球形度較高，內(nèi)部組織無孔洞，但氧氮含量偏高。