CN105537603A - 一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

<b>一种超细高纯度</b>Ti2AlNb合金粉末的制备方法,包括以下步骤:1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,熔炼成Ti2AlNb合金棒;2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为10-100mm,长度为100-1000mm;3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空,向反应室充入氦气、氩气或氦氩混合气;4)PREP制粉设备的等离子枪功率为100-300kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,对电极棒端部进行加热,使端部均匀熔化,雾化液滴从电极棒端部被甩出,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,落入反应室底部收集器中;5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装;6)该方法制备的Ti2AlNb合金粉末具有超细、高纯度、高球形度、低含氧量的特点。

Description

一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法
技术领域
本发明属于轻质高强钛铝金属间化合物的粉末冶金制备技术领域,具体涉及一种超细高纯度Ti2AlNb基合金粉末的制备方法。
背景技术
Ti2AlNb是以有序正交结构O相为基础的金属间化合物合金,成分通常在Ti-(18-30)Al-(12.5-30)Nb范围,并含有少量的Mo、V和Ta等合金元素。由于长程有序的超点阵结构减弱了位错运动和高温扩散,因而该合金不仅具有较高的比强度、比刚度,还有高温蠕变抗力、断裂韧性高、抗氧化性好、热膨胀系数低等特点,因此它已经成为最具潜力的新型航空航天用轻质高温结构材料。
Ti2AlNb合金化程度高,在熔炼过程中易出现宏观成分偏析,在凝固过程中易出现缩孔、疏松等铸造缺陷,室温塑性低且离散度大。目前制备Ti2AlNb合金构件的主要方法为铸锭热变形+机加工的方法,锻造遗传组织分布不均匀易导致后续机加工产生裂纹。采用粉末冶金近净成形工艺能够解决铸造和变形Ti2AlNb合金宏观成分偏析和微观组织不均匀等问题,突破了铸锭尺寸和热变形设备的局限对变形Ti2AlNb合金形状及尺寸的限制,可以成型大尺寸复杂构件,且成分均匀,组织细小,致密化程度高,性能一致性好。相比于气雾化法和转移弧等离子旋转电极制粉工艺,采用非转移弧等离子旋转电极技术能够制备出超细、高纯度、高球形度、低氧含量的Ti2AlNb合金粉末,确保成型后具有优异的性能,满足航空航天服役要求。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种,针对粉末冶金近净成形能够解决传统工艺制备Ti2AlNb合金过程中的偏析、缺陷、难以加工等问题,以及当前普遍使用的制粉方法制得的合金粉末球形度、纯净度不佳,影响成型后性能的问题,本发明提供了一种超细、高纯度、高球形度、低氧含量Ti2AlNb合金粉末的制备方法,确保成型后的Ti2AlNb合金成分均匀、组织细小、性能优异,满足航空航天领域的应用要求。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,Al:5-20wt%,Nb:20-50wt%,其余Ti为基体,添加0-25wt%的Mo、Ta、V、Si、Zr、W、V合金元素,并熔炼成Ti2AlNb合金棒;
2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为10-100mm,长度为100-1000mm,圆度偏差小于0.1mm,直线度偏差小于0.1mm/m,粗糙度小于1.6μm;
3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空至10-3-10-2Pa,向反应室充入氦气、氩气或氦氩混合气,使腔室内压力为0.01-1MPa,气氛中氧含量小于0.1wt%;
4)PREP制粉设备的等离子枪功率为100-300kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,等离子体对电极棒端部进行加热,电极棒转速为10000-30000r/min,使端部均匀熔化,雾化液滴在离心力作用下从电极棒端部被甩出,并形成细小液滴,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,落入反应室底部收集器中;
5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度为50μm-1.5mm。
所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度小于60μm的超细粉末。
所述的步骤4)制粉过程增氧量为100-1000ppm。
所述的步骤4)制粉过程增氧量小于200ppm的超低增氧量。
本发明的有益效果在于:
使用非转移弧等离子旋转电极工艺,在超高转速条件下,能够制得超细、高纯度、高球形度、低氧含量的Ti2AlNb合金粉末,其成型件能够满足航空航天部件的应用需求。
使用本方法制得的粉末进行热等静压成型及热处理,其力学性能可达到:屈服强度大于950MPa,抗拉强度大于1050MPa,断后伸长率大于15%,断面收缩率大于35%。
本发明通过调整工艺参数可获得平均粒度为50μm-1.5mm的Ti2AlNb合金粉末,尤其能够制得平均粒度小于60μm的超细粉末,夹杂物小于10颗/kg,制粉过程增氧量在100-1000ppm范围内可控,尤其能实现小于200ppm的超低增氧量;该粉末的热等静压成型件力学性能为:屈服强度大于950MPa,抗拉强度大于1050MPa,断后伸长率大于15%,断面收缩率大于35%。
添加不同合金元素对Ti2AlNb合金性能的影响,Mo:提高合金的强度、弹性模量,但会降低合金的断裂韧性;Ta:当Nb含量达到27%(at%),用Ta代替部分Nb有利于合金组织优化,室温屈服强度和塑性均能提高;V:提高强度、蠕变抗力和室温塑性,体弹性模量降低,剪切模量增加;Si:提高蠕变性能和抗氧化性,体弹性模量降低,剪切模量增加;Zr:增加中温动力学应变时效效应;Mo、W、V:替代合金中的部分Nb,在保留合金良好的综合力学性能的同时,可进一步降低合金的密度。
附图说明
图1为本发明Ti2AlNb合金粉末扫描电镜照片。
图2为本发明Ti2AlNb合金粉末能谱分析。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,Ti:47.1wt%,Al:10.6wt%,Nb:41.3wt%,Mo:1.0wt%,并熔炼成Ti2AlNb合金棒。
2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为95mm,长度为1000mm,圆度偏差0.01mm,直线度偏差0.06mm/m,粗糙度0.48μm;
3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空至5*10-3Pa,向反应室充入氦气,使腔室内压力为0.5MPa,气氛中氧含量为0.001wt%;
4)PREP制粉设备的等离子枪功率为300kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,等离子体对电极棒端部进行加热,电极棒转速为30000r/min,使端部均匀熔化,雾化液滴在离心力作用下从电极棒端部被甩出并形成液滴,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,落入反应室底部收集器中;
5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度为52μm。
所述的步骤4)制粉过程中增氧量为150ppm。
实施例2
一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,Ti:39.64wt%,Al:9.64wt%,Nb:30.16wt%,Ta:20.56wt%,并熔炼成Ti2AlNb合金棒;
2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为15mm,长度为110mm,圆度偏差为0.05mm,直线度偏差为0.02mm/110mm,粗糙度为1.34μm;
3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空至8*10-3Pa,向反应室充入氦氩混合气,使腔室内压力为0.08MPa,气氛中氧含量为0.089wt%;
4)PREP制粉设备的等离子枪功率为100kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,等离子体对电极棒端部进行加热,电极棒转速为10000r/min,使端部均匀熔化雾化液滴在离心力作用下从电极棒端部被甩出,熔融金属在离心力作用下雾化飞出,形成细小液滴,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,落入反应室底部收集器中;
5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度为263μm。
所述的步骤4)制粉过程中增氧量为560ppm。
实施例3
一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,Al:10.08wt%,Nb:44.35wt%,Ti:45.57wt%,并熔炼成Ti2AlNb合金棒;
2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为55mm,长度为650mm,圆度偏差0.035mm,直线度偏差0.04mm/650mm,粗糙度1.02μm;
3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空至3*10-3Pa,向反应室充入氩气,使腔室内压力为0.7MPa,气氛中氧含量0.03wt%;
4)PREP制粉设备的等离子枪功率为200kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,等离子体对电极棒端部进行加热,电极棒转速为20000r/min,使端部均匀熔化,雾化液滴在离心力作用下从电极棒端部被甩出并形成细小液滴,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,在重力作用下沿光滑的腔室内壁滑至腔室下方的收集器中,腔室由循环冷却水冷却;
5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度为89μm。
所述的步骤4)制粉过程中增氧量为260ppm。
所述的粉末形貌及能谱如附图1和附图2所示,从微观形貌能看出该方法制备的Ti2AlNb合金粉末非常纯净,球形度高,几乎没有杂质和非球形粉末颗粒,从能谱中能看出Ti2AlNb合金中各元素的相对含量。对上述粉末进行热等静压成型,并进行热处理,其力学性能为:屈服强度987MPa,抗拉强度1051MPa,断后伸长率16%,断面收缩率38%,能够满足航空航天领域的应用需求。

Claims (5)

1.一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)按照Ti2AlNb基合金的成分为配料,Al:5-20wt%,Nb:20-50wt%,其余Ti为基体,添加0-25wt%的Mo、Ta、V、Si、Zr、W、V合金元素,并熔炼成Ti2AlNb合金棒;
2)对熔炼的Ti2AlNb合金棒进行精车加工,加工后的电极棒为:直径为10-100mm,长度为100-1000mm,圆度偏差小于0.1mm,直线度偏差小于0.1mm/m,粗糙度小于1.6μm;
3)装载电极棒至反应室中,对反应室抽真空至10-3-10-2Pa,向反应室充入氦气、氩气或氦氩混合气,使腔室内压力为0.01-1MPa,气氛中氧含量小于0.1wt%;
4)PREP制粉设备的等离子枪功率为100-300kW,等离子炬包含钨阴极和铜阳极,电极棒不做电极,等离子体对电极棒端部进行加热,电极棒转速为10000-30000r/min,使电极棒端部均匀熔化,雾化液滴在离心力作用下从电极棒端部被甩出,形成细小液滴,液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒,落入反应室底部收集器中;
5)对制得的Ti2AlNb合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
2.根据权利要求1所述的一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,其特征在于,所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度为50μm-1.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,其特征在于,所述的Ti2AlNb合金粉末平均粒度小于60μm的超细粉末。
4.根据权利要求1所述的一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,其特征在于,所述的步骤4)制粉过程中增氧量为100-1000ppm。
5.根据权利要求4所述的一种超细高纯度Ti2AlNb合金粉末的制备方法,其特征在于,所述的步骤4)制粉过程增氧量小于200ppm的超低增氧量。
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