CN104357783A - 热喷涂用钛铝合金粉体材料及其制备方法 - Google Patents

热喷涂用钛铝合金粉体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

热喷涂用钛铝合金粉体材料及其制备方法，可为不同热喷涂技术使用。粉体材料以γ-TiAl合金为基体，通过单独和复合添加Nb、Cr、V合金元素，采用真空自耗电弧熔炼炉制备钛铝合金母合金铸锭，并利用气雾化法实现含亚稳β相的γ-TiAl合金粉体材料制备，实现改善粉体材料物相组成的目的。新型γ-TiAl基合金粉体材料主要相成分为γ相、β相和α2相，粉体中无氧化相和氮化相，且球形度较好。

Description

热喷涂用钛铝合金粉体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热喷涂用含亚稳β相钛铝基合金粉体材料及其制备方法。
背景技术
热喷涂是一种重要的表面工程技术，是提高材料表面性能的重要手段，通过热喷涂技术可以制备防腐、耐磨、隔热、导电、绝缘、密封等功能涂层，已广泛应用于航空航天、汽车工业、信息技术、光学工程等制造业和再制造行业。
钛铝二元系金属间化合物，密度界于纯钛和纯铝之间。其具有金属间化合物的一般特点，原子间不仅存在金属键，同时存在共价键，原子与原子间结合力增强，化学键趋于稳定。因此，钛铝金属间化物的耐腐蚀性能及耐摩擦性能均高于一般钛合金。其中，γ-TiAl金属间化合物作为一种新型轻质结构材料，因具有高比强度、高比刚度、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性能等优点，成为当代航空航天工业、民用工业等领域的优秀候选结构材料之一。
然而，γ-TiAl合金中共价键约占30～40％，金属键约占60～70％，因共价键所占比例较大导致了合金的脆性，致使单相的γ-TiAl合金在0.5％～1％的室温塑性拉伸应变中就具有断裂倾向，这种脆性主要与材料本身的结构有关。由于γ-TiAl合金塑性变形能力差、难于沉积成形，很难将其制备为涂层应用于材料的表面防护。
在γ-TiAl基合金中，通过添加β相稳定元素如Cr，V，Nb，Mo，W等或通过加工变形可以引入亚稳β相(或B2相)。含有亚稳β相的γ-TiAl基合金具有较良好的塑性。研究发现，γ-TiAl基合金中的β相(或B2)相是一种软质相，这种软质相在超塑性变形时往往包裹于γ相***，或沿γ相界扩展，有助于增强界面间的抗脱粘能力和协调变形能力，可使γ-TiAl基合金的塑性得到了提高。然而，由于热喷涂用钛铝合金粉体材料开发滞后，制备的钛铝涂层普遍存在杂质含量高、涂层质量低的问题。目前研究表明，没有适合热喷涂用的高纯钛铝合金粉体材料。
发明内容
本发明目的在于提供热喷涂用钛铝合金粉体材料及其制备方法，获得含亚稳β相(或B2相)可用于热喷涂沉积成形的γ-TiAl基粉体材料。
本发明涉及的含亚稳β相(或B2相)γ-TiAl合金的粉体材料，其具有以下组成(原子比)：
(1)Ti-45Al-7Nb-4V；
(2)Ti-45Al-7Nb-4Cr；
(3)Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr。
本发明涉及的含β相(或B2相)γ-TiAl基合金的粉体材料，其具有以下物相组成之一：
(1)Ti-45Al-7Nb-4V合金粉体中γ-TiAl相含量为65wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～30wt.％、β-Ti相含量为3wt.％～6wt.％；
(2)Ti-45Al-7Nb-4Cr合金粉体中γ-TiAl相含量为80wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～15wt.％、β-Ti相含量为4wt.％～7wt.％；
(3)Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr合金粉体中γ-TiAl相含量为90wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～5wt.％、β-Ti相含量为5wt.％～10wt.％。
本发明涉及的热喷涂含亚稳β相(或B2相)γ-TiAl基合金粉体材料的制备步骤如下：
(1)采用真空自耗电弧熔炼炉制备γ-TiAl基合金母合金，具体步骤如下：
1)将纯度为99.9％以上的Ti棒、Al粒和中间合金AlNb、AlV、AlCr分别按原子比Ti-45Al-7Nb-4V、Ti-45Al-7Nb-4Cr和Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr进行配比；
2)将配好的原材料压制为自耗电极；
3)在真空自耗电弧熔炼炉中进行三次均匀化熔炼制备母合金，工艺参数为电流5～8kA、电压24～40V、先抽真空6×10-2Pa，熔炼过程通入氩气保护，每次熔炼保温时间10min。
(2)采用气雾化设备制备含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料
1)将步骤一制备的γ-TiAl基母合金铸锭放入气雾化设备的感应炉中，抽真空至10-2Pa；
2)利用感应线圈将γ-TiAl基母合金加热至熔化，加热功率40～50kw、保温时间20min；
3)使熔化后的γ-TiAl基母合金通过炉底小孔，形成4～6mm直径的金属液流，通过环形喷嘴通入高压氩气击碎金属液流形成分散粉末，氩气压力8～12MPa，最终得到含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料。
本发明进一步优化了γ-TiAl基合金粉体组织及性能，可制备组织均匀、球形度高、流动性好、氧氮含量低的γ-TiAl基合金粉体材料，同时可获得不同粒度分布的粉体材料，可用于不同热喷涂技术的沉积成形，拓展了钛铝合金的应用范围。
本发明有益的效果：以γ-TiAl合金为基体，通过单独和复合添加Nb、Cr、V合金元素，并采用气雾化法实现含亚稳β相的γ-TiAl合金粉体材料制备，实现改善粉体材料相组成、力学性能的目的。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
图2是实施例一的钛铝合金铸态组织SEM图。
图3是实施例一的钛铝合金粉体微观形貌图。
图4是实施例一的不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图。
图5是实施例二的钛铝合金粉体金相组织图。
图6是实施例二的钛铝合金粉体材料的XRD图。
图7是实施例二的不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图。
图8是实施例三的钛铝合金粉体粒度分布图。
图9是实施例三的不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图。
具体实施方式
本发明通过以下措施来实现：
实施例一：
1)将纯度为99.9％以上的Ti棒、Al粒和中间合金AlNb、AlV按原子比Ti-45Al-7Nb-4V进行配比，将配好的原材料压制为自耗电极，在真空自耗电弧熔炼炉中进行三次均匀化熔炼制备Ti-45Al-7Nb-4V母合金铸锭，钛铝合金铸锭的微观组织如图2所示，β相在晶界处析出，如图中箭头所示。母合金熔炼工艺参数为：电流6kA、电压30V、先抽真空6×10-2Pa，熔炼过程通入氩气保护，每次熔炼保温时间10min。
2)将步骤一制备的γ-TiAl基母合金铸锭放入气雾化设备的感应炉中，抽真空至10-2Pa；利用感应线圈将γ-TiAl基母合金加热至熔化，加热功率50kw、保温时间20min；使熔化后的γ-TiAl基母合金通过炉底小孔，形成5mm直径的金属液流，通过环形喷嘴通入高压氩气击碎金属液流形成分散粉末，氩气压力9MPa，最终得到含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料。如图3所示为钛铝合金粉体的微观形貌图，从图中可以看出，钛铝合金粉体球形度较好，有利于提高粉体流动性，图4是不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图，粉体弹性模量随粉体粒径增大而增大。
实施例二：
1)将纯度为99.9％以上的Ti棒、Al粒和中间合金AlNb、AlCr按原子比Ti-45Al-7Nb-4Cr进行配比，将配好的原材料压制为自耗电极，在真空自耗电弧熔炼炉中进行三次均匀化熔炼制备Ti-45Al-7Nb-4Cr母合金铸锭，工艺参数为电流5kA、电压40V、先抽真空6×10-2Pa，熔炼过程通入氩气保护，每次熔炼保温时间10min。
2)将步骤一制备的γ-TiAl基母合金铸锭放入气雾化设备的感应炉中，抽真空至10-2Pa；利用感应线圈将γ-TiAl基母合金加热至熔化，加热功率45kw、保温时间20min；使熔化后的γ-TiAl基母合金通过炉底小孔，形成6mm直径的金属液流，通过环形喷嘴通入高压氩气击碎金属液流形成分散粉末，氩气压力10MPa，最终得到含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料。图5为钛铝合金粉体抛面的金相组织，由图中可以看出，粉体组织为细小的柱状晶。图6所示为不同粒径范围钛铝合金粉体XRD衍射图谱，由测试结果可以看出粉体主要由γ相、β相(B2相)和α2相组成，粉体中无氧化相和氮化相。图7是不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图，粉体弹性模量随粉体粒径增大而增大。
实施例三：
1)将纯度为99.9％以上的Ti棒、Al粒和中间合金AlNb、AlCr、AlV按原子比Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr进行配比，将配好的原材料压制为自耗电极，在真空自耗电弧熔炼炉中进行三次均匀化熔炼制备Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr母合金铸锭，工艺参数为电流8kA、电压28V、先抽真空6×10-2Pa，熔炼过程通入氩气保护，每次熔炼保温时间10min。
2)将步骤一制备的γ-TiAl基母合金铸锭放入气雾化设备的感应炉中，抽真空至10-2Pa；利用感应线圈将γ-TiAl基母合金加热至熔化，加热功率40kw、保温时间20min；使熔化后的γ-TiAl基母合金通过炉底小孔，形成4mm直径的金属液流，通过环形喷嘴通入高压氩气击碎金属液流形成分散粉末，氩气压力8MPa，最终得到含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料。图8所示为采用筛分法测得钛铝合金粉体的粒径分布范围。图9是不同粒径钛铝合金粉体弹性模量图，粉体弹性模量随粉体粒径增大而增大。

Claims (3)

1.热喷涂用钛铝合金粉体材料，其特征在于具有以下原子组成：Ti-45Al-7Nb-4V，或者Ti-45Al-7Nb-4Cr，或者Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr，所述粉体材料含γ-TiAl相和β-Ti相。
2.根据权利要求1的热喷涂用钛铝合金粉体材料，其特征在于：Ti-45Al-7Nb-4V合金粉体中γ-TiAl相含量为65wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～30wt.％、β-Ti相含量为3wt.％～6wt.％；Ti-45Al-7Nb-4Cr合金粉体中γ-TiAl相含量为80wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～15wt.％、β-Ti相含量为4wt.％～7wt.％；Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr合金粉体中γ-TiAl相含量为90wt.％～95wt.％、α2-Ti3Al相含量为0wt.％～5wt.％、β-Ti相含量为5wt.％～10wt.％。
3.根据权利要求1所述的热喷涂用钛铝合金粉体材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)采用真空自耗电弧熔炼炉制备合金母合金，具体步骤如下：
1)将纯度为99.9％以上的Ti棒、Al粒和中间合金AlNb、AlV、AlCr分别按原子比Ti-45Al-7Nb-4V、Ti-45Al-7Nb-4Cr和Ti-45Al-7Nb-2V-2Cr进行配比；
2)将配好的原材料压制为自耗电极；
3)在真空自耗电弧熔炼炉中进行三次均匀化熔炼制备母合金，工艺参数为电流5～8kA、电压24～40V、先抽真空6×10-2Pa，熔炼过程通入氩气保护，每次熔炼保温时间10min；
(2)采用气雾化设备制备含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料：
1)将步骤一制备的γ-TiAl基母合金铸锭放入气雾化设备的感应炉中，抽真空至10-2Pa；
2)利用感应线圈将γ-TiAl基母合金加热至熔化，加热功率40～50kw、保温时间20min；
3)使熔化后的γ-TiAl基母合金通过炉底小孔，形成4～6mm直径的金属液流，通过环形喷嘴通入高压氩气击碎金属液流形成分散粉末，氩气压力8～12MPa，最终得到含亚稳β相γ-TiAl基合金粉体材料。
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