本發(fā)明屬于輕質(zhì)高強(qiáng)鈦鋁金屬間化合物的粉末冶金制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)的Mcandrew等人首先發(fā)現(xiàn)TiAl基合金具有低密度的同時(shí)伴隨著優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，但其顯著的室溫脆性制約了TiAl基合金的發(fā)展。隨著鑄錠冶金和粉末冶金等新技術(shù)的出現(xiàn)，TiAl 基合金的塑性逐步得以改善。在美國(guó)宇航局制定的宇航計(jì)劃以及宇航局和國(guó)防部聯(lián)合制定的發(fā)展高性能軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃中，TiAl 基合金均被視為優(yōu)先發(fā)展的材料，從此在全球掀起了TiAl 基合金的研究熱潮。
目前TiAl基合金的主要制備工藝有粉末冶金(PM)和鑄錠冶金(IM)及鍛造等，TiAl基合金的粉末冶金(PM)制備可以克服鑄錠冶金工藝的成分偏析、晶粒粗大及疏松缺陷，并具有近凈成形的優(yōu)點(diǎn)，從而減少加工步驟，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本，近年來(lái)受到學(xué)者們的極大關(guān)注。大量的相關(guān)研究證明TiAl基合金的成分偏析缺陷是造成其力學(xué)性能降低的主要因素之一，例如TiAl基合金中Al元素含量的很小的波動(dòng)就能引起材料顯微組織發(fā)生很大的改變，從而造成力學(xué)性能發(fā)生很大變化。國(guó)外的研究學(xué)者John和Brain將TiAl基合金進(jìn)行熱等靜壓處理后，用EBSD進(jìn)行分析，證明了TiAl基合金的元素偏析缺陷在粉末冶金技術(shù)制備中得到明顯改善，并且材料的顯微結(jié)構(gòu)得到明顯細(xì)化，力學(xué)性能方面得到明顯提升。同時(shí)，大尺寸的TiAl基合金也可以通過(guò)粉末冶金制備，獲得的粉末冶金坯料具有均勻的組織，材料力學(xué)性能也十分均勻，因此粉末冶金工藝解決了TiAl基合金在加工方面的很多技術(shù)難題。
高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備，是獲得性能優(yōu)異的粉末冶金件的基礎(chǔ)。而相比于氣霧化法和轉(zhuǎn)移弧等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝，采用非轉(zhuǎn)移弧等離子旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)能夠制備出高球形度、低增氧量、無(wú)夾雜、粒度分布可控的高品質(zhì)γ-TiAl合金球形粉末，為成型件的優(yōu)異性能夯實(shí)了基礎(chǔ)，從而滿足航空航天、汽車(chē)行業(yè)等應(yīng)用需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種，針對(duì)粉末冶金近凈成形工藝能夠解決傳統(tǒng)方法制備γ-TiAl合金過(guò)程中的成分偏析、晶粒粗大及疏松缺陷等問(wèn)題，以及當(dāng)前普遍使用的制粉方法制得的合金粉末球形度、純凈度不佳，影響成型后性能的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高球形度、低增氧量、無(wú)夾雜、粒度分布可控的γ-TiAl合金粉末制備方法，確保成型后的γ-TiAl合金成分均勻、組織細(xì)小、性能優(yōu)異，滿足航空航天、汽車(chē)行業(yè)等應(yīng)用需求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備方法，其特征在于，按質(zhì)量百分比，包括以下步驟：
1）按照γ-TiAl合金的成分配料，Al：20-40wt%，Nb：10-20wt%，其余Ti為基體，添加0-10wt%的B、V、Cr、W、Y、Ta中的任意幾種合金元素，熔煉成γ-TiAl合金棒；
2）對(duì)γ-TiAl合金棒鍛造加工，消除棒材內(nèi)部缺陷，隨后進(jìn)行去應(yīng)力退火，防止加工后回彈變形；
3）對(duì)退火態(tài)的γ-TiAl合金棒精車(chē)加工，加工后的高精度合金棒為：直徑為20-100mm，長(zhǎng)度為50-1000mm，圓跳動(dòng)小于0.1mm/m，表面粗糙度小于3μm；
4）裝載高精度合金棒至反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空至10-3-10-2Pa，向反應(yīng)室充入氦氣、氬氣或氦氬混合氣，使腔室內(nèi)壓力為0.01-1MPa，氣氛中氧含量小于0.5wt%；
5）PREP制粉設(shè)備的等離子槍功率為30-300kW，等離子炬包含鎢陰極和銅陽(yáng)極，等離子體對(duì)高精度合金棒端部加熱，高精度合金棒轉(zhuǎn)速為3000-35000r/min，使高精度合金棒端部均勻熔化，霧化液滴在離心力作用下從合金棒端部被甩出，形成細(xì)小液滴，液滴在惰性氣體環(huán)境中快速冷卻成球形顆粒，落入反應(yīng)室底部收集器中，制得γ-TiAl合金粉末；
6）對(duì)制得的γ-TiAl合金粉末在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下篩分和包裝。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度為40μm-1.5mm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形顆粒占比大于99%。
所述的γ-TiAl合金粉末沒(méi)有夾雜物。
所述的步驟5）制粉過(guò)程增氧量為小于100ppm的超低增氧量。
本發(fā)明的有益效果在于：
使用非轉(zhuǎn)移弧等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝，在超純凈氣氛和超高轉(zhuǎn)速條件下，能夠制得高球形度、低增氧量、無(wú)夾雜、粒度分布可控的γ-TiAl合金粉末，其成型件能夠滿足航空航天和汽車(chē)行業(yè)等應(yīng)用需求。
使用本方法制得的粉末進(jìn)行增材制造及熱處理，其力學(xué)性能可達(dá)到：屈服強(qiáng)度大于900MPa，抗拉強(qiáng)度大于1000MPa，斷后伸長(zhǎng)率大于13%，斷面收縮率大于32%。
本發(fā)明通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)可獲得平均粒度為40μm-1.8mm的高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末，粉末中沒(méi)有夾雜物，制粉過(guò)程能實(shí)現(xiàn)小于100ppm的超低增氧量；該粉末的增材制造成型件力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度大于900MPa，抗拉強(qiáng)度大于1000MPa，斷后伸長(zhǎng)率大于13%，斷面收縮率大于32%。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明γ-TiAl合金粉末掃描電鏡照片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
一種高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備方法，按質(zhì)量百分比，包括以下步驟：
1）按照γ-TiAl基合金的成分配料，Ti：48.32wt%，Al：31.5wt%，Nb：15.82wt%，Cr：1.26wt%，V：3.10%，熔煉成γ-TiAl合金棒；
2）對(duì)熔煉的γ-TiAl合金棒進(jìn)行鍛造加工后，去應(yīng)力退火；
3）對(duì)退火態(tài)γ-TiAl合金棒進(jìn)行精車(chē)加工，加工后的高精度合金棒為：直徑為85mm，長(zhǎng)度為900mm，圓跳動(dòng)0.03mm/m，粗糙度0.98μm；
4）裝載高精度合金棒至反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空至2*10-3Pa，向反應(yīng)室充入氦氣，使腔室內(nèi)壓力為0.3MPa，氣氛中氧含量為150ppm；
5）PREP制粉設(shè)備的等離子槍功率為280kW，等離子炬包含鎢陰極和銅陽(yáng)極，等離子體對(duì)合金棒端部進(jìn)行加熱，高精度合金棒轉(zhuǎn)速為30000r/min，使高精度合金棒端部均勻熔化，霧化液滴在離心力作用下從高精度合金棒端部被甩出并形成液滴，液滴在惰性氣體環(huán)境中快速冷卻成球形顆粒，落入反應(yīng)室底部收集器中；
6）對(duì)制得的γ-TiAl合金粉末在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下篩分和包裝。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度為51μm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.6%。
所述的γ-TiAl合金粉末無(wú)夾雜。
所述的步驟5）制粉過(guò)程中增氧量為50ppm。
對(duì)上述粉末進(jìn)行增材制造成型，并進(jìn)行熱處理，其力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度965MPa，抗拉強(qiáng)度1051MPa，斷后伸長(zhǎng)率14.1%，斷面收縮率35%，能夠滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
實(shí)施例2
一種高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備方法，按質(zhì)量百分比，包括以下步驟：
1）按照γ-TiAl基合金的成分為配料，Ti：51.93wt%，Al：28.57wt%，Nb：18.58wt%，W：0.87wt%，B：0.05wt%，熔煉成γ-TiAl合金棒；
2）對(duì)熔煉的γ-TiAl合金棒進(jìn)行鍛造加工后去應(yīng)力退火；
3）對(duì)退火態(tài)γ-TiAl合金棒進(jìn)行精車(chē)加工，加工后的高精度合金棒為：直徑為35mm，長(zhǎng)度為150mm，圓跳動(dòng)為0.07mm，粗糙度為2.5μm；
4）裝載合金棒至反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空至9*10-3Pa，向反應(yīng)室充入氦氬混合氣，使腔室內(nèi)壓力為0.07MPa，氣氛中氧含量為350ppm；
5）PREP制粉設(shè)備的等離子槍功率為150kW，等離子炬包含鎢陰極和銅陽(yáng)極，等離子體對(duì)高精度合金棒端部進(jìn)行加熱，高精度合金棒轉(zhuǎn)速為4000r/min，使高精度合金棒端部均勻熔化，霧化液滴在離心力作用下從高精度合金棒端部被甩出，熔融金屬在離心力作用下霧化飛出，形成細(xì)小液滴，液滴在惰性氣體環(huán)境中快速冷卻成球形顆粒，落入反應(yīng)室底部收集器中，制得γ-TiAl合金粉末；
6）對(duì)制得的γ-TiAl合金粉末在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下篩分和包裝。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度為1.1mm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.5%。
所述的γ-TiAl合金粉末無(wú)夾雜。
所述的步驟5）制粉過(guò)程中增氧量為100ppm。
對(duì)上述粉末進(jìn)行增材制造成型，并進(jìn)行熱處理，其力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度903MPa，抗拉強(qiáng)度1001MPa，斷后伸長(zhǎng)率13%，斷面收縮率30%，能夠滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
實(shí)施例3
一種高品質(zhì)γ-TiAl球形粉末的制備方法，按質(zhì)量百分比，包括以下步驟：
1）按照γ-TiAl基合金的成分為配料，Al：26.89wt%，Nb：9.85wt%，Ti：38.57wt%，Cr：5.51wt%，Ta：19.18wt%，并熔煉成γ-TiAl合金棒；
2）對(duì)熔煉的γ-TiAl合金棒進(jìn)行鍛造加工，隨后進(jìn)行去應(yīng)力退火；
3）對(duì)退火態(tài)γ-TiAl合金棒進(jìn)行精車(chē)加工，加工后的高精度合金棒為：直徑為66mm，長(zhǎng)度為550mm，圓跳動(dòng)0.05mm，粗糙度1.89μm；
4）裝載高精度合金棒至反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空至1*10-3Pa，向反應(yīng)室充入氬氣，使腔室內(nèi)壓力為0.75MPa，氣氛中氧含量300ppm；
5）PREP制粉設(shè)備的等離子槍功率為250kW，等離子炬包含鎢陰極和銅陽(yáng)極，等離子體對(duì)高精度合金棒端部進(jìn)行加熱，高精度合金棒轉(zhuǎn)速為15000r/min，使高精度合金棒端部均勻熔化，霧化液滴在離心力作用下從合金棒端部被甩出并形成細(xì)小液滴，液滴在惰性氣體環(huán)境中快速冷卻成球形顆粒，在重力作用下沿光滑的腔室內(nèi)壁滑至腔室下方的收集器中，腔室由循環(huán)冷卻水冷卻，制得γ-TiAl合金粉末；
6）對(duì)制得的γ-TiAl合金粉末在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行篩分和包裝。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度為155μm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.2%。
所述的γ-TiAl合金粉末無(wú)夾雜。
所述的步驟5）制粉過(guò)程中增氧量為90ppm。
對(duì)上述粉末進(jìn)行增材制造成型，并進(jìn)行熱處理，其力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度947MPa，抗拉強(qiáng)度1021MPa，斷后伸長(zhǎng)率13.5%，斷面收縮率33%，能夠滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求。