惰性气体雾化法制备TiAl3 粉末
TiAl合金气雾化制粉及热等静压成形研究进展
TiAl合金气雾化制粉及热等静压成形研究进展
刘玉峰;张国庆;刘娜;李周
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2022(14)11
【摘要】概述了TiAl合金气雾化制粉及热等静压成形的主要研究成果。
在TiAl合金粉末制备方面,重点介绍了气雾化制粉工艺、粉末粒度控制、粉末氧含量控制和粉末组织特征。
针对热等静压技术,介绍了TiAl合金粉末热等静压致密化过程及机理,总结了采用热等静压近净成形工艺制备TiAl合金转捩片的研究成果。
结合粉末冶金TiAl合金研究进展,提出了未来TiAl合金粉末制备及成形技术的发展方向。
【总页数】8页(P47-54)
【作者】刘玉峰;张国庆;刘娜;李周
【作者单位】中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.23
【相关文献】
1.高温TiAl合金热成形技术研究进展
2.稀土Y在γ-TiAl基合金及其精密热成形中应用的研究进展
3.用机械合金化方法和热等静压工艺控制γ—TiAl合金的显微结构
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5.液态金属雾化成形及非晶合金制粉的研究进展
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粉末冶金钛合金制备技术分析
粉末冶金钛合金制备技术分析摘要：钛合金的应用广泛，涵盖了航空航天、船舶运输、汽车工业、医疗器械等领域，究其根本，其金属属性优良，具备生物兼容性，虽然金属的整体密度较低，但强度很高，且具有良好的耐热性、耐腐蚀性。
但是，钛价格昂贵，因此，如何有效地降低产品成本、提高合金性能，是钛合金生产中亟待解决的问题。
相比传统的制备方式，粉末冶金方法简化了融化、锻造等过程，钛合金产品直接产出，减少了制备过程中的材料浪费，在提高产量的同时，也为生产企业节约了成本，因而广受业内人士关注。
关键词：粉末冶金；钛合金；制备技术一、粉末冶金钛合金特点目前，国内钛合金产品的生产方式以熔铸工艺和粉末熔炼工艺为主。
钛是一种化学性质非常活泼的金属性材料，熔点较高，不能使用传统的熔铸载体，只能选用无坩埚或水冷铜坩埚中的一种，这种熔铸方式，会产生较高的经济投入，熔炼过程中会产生较高的能耗，而最终产品的纯度却不高。
粉末冶金制备过程与传统工艺存在较大差异，对温度要求较低，只需要低于熔点的温度便可进行制备，以金属粉末为原料进行成型和烧结，可实现近净成形，且加工费用较低。
通常，企业可使用氢化脱氢法、气雾化法、旋转式电极雾化法等制备钛粉。
虽然钛的金属活泼性较高，但因为处于较低的温度，避免了与其他材料产生化学反应的情况，且组分均匀，因而这种制备方式潜力巨大，受到各领域的追捧。
二、粉末冶金钛合金制备技术（一）钛粉制备工艺钛粉制备工艺按钛粉的形状，可分为非规则粉体制备工艺和球体粉体制备工艺两大类。
其中，非规则粉体制备工艺主要包括氢化脱氢法和热还原法，球体粉体制备工艺主要包括气雾化法、旋转式电极雾化法和等离子球化法。
1.氢化脱氢法利用钛和氢的可逆反应实现钛粉制备。
Ti和H2在一定温度和压力条件下，反应生成TiH2，其脆性较高，通过机械手段破碎可以得到微粉，再将微粉脱去氢气，即可得到纯钛粉。
该工艺可选用海绵钛或残余钛作原料，对设备的要求较低，可有效降低制钛成本，是目前最常用的钛粉制备工艺，非常适合工业化的大量生产。
三氯化铝制备
三氯化铝制备
三氯化铝（Aluminum trichloride，简称AlCl3）是一种重要的无机化合物，常用于有机合成和其他工业过程中作为催化剂。
以下是一种制备三氯化铝的方法：
实验室合成方法：
材料：
1.氢气气体
2.粉末铝（Al）
3.氯气气体（Cl2）
4.干燥的惰性气体（如氮气）
步骤：
1.准备实验器材：
•准备干燥的氢气、氯气和粉末铝。
确保实验器材是干燥的，可以使用氮气通气，防止水分的进入。
2.反应器：
•将粉末铝放入反应器中，通入氢气。
通过热处理，使铝表面生成氧化铝的膜。
3.氯化反应：
•将反应器升温至铝开始释放氢气。
在此温度下，引入氯气，反应发生如下：2��+3��2→2����32Al+3Cl2
→2AlCl3
4.收集产物：
•将生成的三氯化铝气体收集，并通过冷却或其他手段将其转化为液体。
5.处理产物：
•可以通过将产物与适当的溶剂（如四氢呋喃）反应，得到三氯化铝的溶液。
请注意，这是一种实验室合成方法，工业生产中通常使用更高效的方法。
三氯化铝是一种强Lewis 酸，因此在操作时应当小心谨慎，并遵守相应的安全规范。
工业制备可能采用更复杂的流程和设备，以提高产率和纯度。
一种TiAl粉的雾化制备方法[发明专利]
![一种TiAl粉的雾化制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/dec7f2317f1922791788e8c0.png)
专利名称：一种TiAl粉的雾化制备方法专利类型：发明专利
发明人：王茜,潘龙,白嘉瑜
申请号：CN201611263642.6
申请日：20161230
公开号：CN106994516A
公开日：
20170801
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种TiAl粉的雾化制备方法，包括抽真空，加热熔炼，随后熔体引导到离心喷嘴中，离心喷嘴开始离心旋转，同时惰性气体喷嘴喷出氩气，同时控制系统控制离心喷嘴上排液口的电磁阀以脉冲的方式开启关闭，使熔体以脉冲的方式被甩出，使每次喷射出的液流均正对雾化气体喷出方向，熔体与雾化气体正面冲击，在气流作用下被粉碎成微小液滴，并冷却凝固为细粉，随后进入收集室，通过旋风分离器分离后经振动筛筛分后收集。
申请人：西安交通大学青岛研究院,青岛翰兴知识产权运营管理有限公司
地址：266300 山东省青岛市胶州市经济技术开发区汇英街2号
国籍：CN
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气雾化钛合金粉末快速凝固过程模拟
㊀第40卷㊀第11期2021年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.11Nov.2021收稿日期:2020-09-17㊀㊀修回日期:2020-11-19基金项目:陕西省重点研发计划项目(2021GY -234)第一作者:王利卿,男,1988年生,工程师通讯作者:谈㊀萍,女,1968年生,教授,Email:tanping@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202009022气雾化钛合金粉末快速凝固过程模拟王利卿,赵少阳,谈㊀萍,殷京瓯,李增峰,沈㊀垒(西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室,陕西西安710016)摘㊀要:气雾化制粉技术是目前制备球形钛合金粉末应用最广泛㊁最成熟的技术之一㊂基于流体力学模拟方法,粉末破碎机理研究获得了很大进步㊂而在气雾化制粉过程中,金属熔滴在高速气流的强制冷却作用下快速凝固形成粉末颗粒,很大程度上决定了粉末的微观组织及性能㊂针对熔滴快速凝固过程,利用Fluent 软件模拟雾化气体与合金熔滴之间的热量传输过程,揭示熔滴快速凝固过程中固液相分布规律㊂结果显示,随着雾化压力增加,气流汇聚中心轴线上的最大气流速率由190增加到290m㊃s -1;在不同气流速率的作用下,钛合金熔滴凝固速率达到103~104K㊃s -1;随着熔滴粒径减小或者气流速率增加,熔滴凝固速率均逐渐增加㊂熔滴凝固过程中,气流流动导致熔滴表面传热不均匀,造成熔滴内部出现不均匀凝固过程㊂关键词:气雾化;钛合金;球形粉末;快速凝固;流体力学中图分类号:TG146.2㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)11-0894-06Simulation on the Rapid Solidification Process of TitaniumAlloy Powders Prepared by Gas AtomizationWANG Liqing,ZHAO Shaoyang,TAN Ping,YIN Jingou,LI Zengfeng,SHEN Lei(State Key Laboratory of Porous Metal Materials,Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi a n 710016,China)Abstract :Gas atomization is the most widely used and mature technology to prepare spherical titanium alloy powders.Theformation process of the powders,especially the breakup mechanism,has been revealed by the computational fluid dynamicsapproach.But for the gas atomization process,metal droplets rapidly solidify and form powders under the forced cooling of high-speed gas flow,which primarily determined the microstructure and properties of the powders.In this study,Fluent soft-ware was used to simulate the heat transfer process between the gas flow and the droplet to reveal the rapid solidification process.The results indicated that,for the present atomizer,with the increase of atomization pressure,the maximum gas ve-locity on the central axis increased from 190to 290m㊃s -1.The solidification rate of titanium alloy droplet reached 103~104K㊃s -1under the action of different gas velocity.With the decrease of droplet size or the increase of gas velocity,the so-lidification rate increases gradually.In the rapid solidification process,the gas flow leads to the uneven heat transfer on the surface of the droplet,resulting in the heterogeneous solidification process inside the droplet.Key words :gas atomization;titanium alloy;spherical powders;rapid solidification;fluid dynamic1㊀前㊀言球形钛合金粉末具有良好的流动性,是3D 打印钛合金产品的基础原材料[1]㊂目前气雾化制粉工艺是制备球形钛合金粉末最成熟㊁最广泛的技术㊂经过几十年的发展,气雾化制粉技术已经在粉末粒径控制㊁杂质元素含量控制㊁粉末缺陷控制以及制粉装备㊁工艺研发等方面取得了显著进步,形成了电极感应熔化气雾化(electrode induction-melting gas atomization,EIGA)㊁冷坩埚感应熔化气雾化(vacuum induction-melting gas atomization-cold-wall crucible,VIGA-CC)等技术,有力地支持着3D 打印技术的发展[2-4]㊂气雾化制粉过程包含合金熔化㊁液流破碎㊁熔滴球化㊁熔滴凝固和熔滴(或粉末)飞行5个过程,如图1所示㊂由于钛合金粉末的形成过程是在封闭空间中且在极短时间内完成,整个过程伴随着高温和高速飞行,因此很难实现可视化研究㊂仿真模拟为重现制粉过程提供可能,研究人员通过仿真模拟对气流速率分布㊁液流破碎博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期王利卿等:气雾化钛合金粉末快速凝固过程模拟与液滴形貌演变规律等开展了大量研究工作,对熔滴破碎过程与粉末粒径分布规律及其影响因素等有了更深入的认识[5-7]㊂上述研究重点关注气流与液流之间的相互作用规律,通常假设破碎过程中液流温度保持不变,而实际上当液流离开热源后,其温度即开始降低,特别是在气液两相相互作用过程中,气流的强制冷却会加速金属液流或熔滴的凝固过程㊂图1㊀气雾化过程示意图Fig.1㊀Schematic diagram of gas atomization熔滴凝固是气雾化制粉过程中非常重要的环节㊂首先,制备球形粉末必须要满足的条件是熔滴凝固时间要大于球化时间㊂其次,凝固过程决定了粉末的微观组织特征,包括合金元素分布㊁物相组成㊁晶粒形貌等㊂所以,研究熔滴凝固过程对理解和调控粉末形貌㊁微观组织特征具有重要的意义㊂Yang 等[8]利用牛顿(Newtonian)传热模型,对Ti-48Al(原子百分数)合金熔滴的传热㊁形核㊁凝固过程进行了分析,并结合粉末微观组织进行验证㊂结果表明,粉末微观组织与其粒径大小直接相关,随着粉末粒径的增加,初始形核数量增加,同时粉末微观组织由胞状晶组织向枝晶组织转变㊂但文献中并未对气流速率和熔滴散热过程给予关注,气流速率或者气液速率之差对传热过程具有决定性影响,而气流速率由雾化器结构㊁参数决定,因此本文拟采用Fluent 软件模拟计算雾化器形成的气流速率分布状态,以此为基础模拟钛合金熔滴在气流中的传热特性,得出熔滴直径㊁气流速率对熔滴冷却速率㊁凝固过程的影响规律㊂2㊀模拟方法与过程2.1㊀雾化气流速率分布气雾化过程中,雾化气体以一定压力进入雾化器,经过压缩㊁膨胀过程,气流速率提高㊂经过测绘得到雾化器的几何模型,由于雾化器㊁雾化室均具有旋转对称性,为提高计算效率,将雾化器几何模型简化为二维轴对称模型,几何模型与边界条件如图2a 所示㊂网格划分采用四边形网格,气体喷管内网格划分尺寸为0.5mm,其他区域网格划分尺寸为1mm,最终网格总数为23419(如图2b 和2c 所示)㊂将雾化器模型及网格导入Fluent 软件,选用标准k-ε湍流模型,忽略重力作用,利用稳态求解计算不同压力下气流速率的分布状态,计算迭代次数为1000次㊂雾化气体为高纯氩气(Ar),其热物理性能如表1所示,设置雾化气体温度为300K,雾化压力分别为2,4,6,8和10MPa㊂图2㊀雾化器模型图及其网格划分:(a)雾化器几何模型图与边界条件,(b)计算区域网格划分,(c)喷管区域网格划分细节Fig.2㊀Model diagram of the atomizer and its mesh grid:(a)model diagram and boundary condition of the atomizer,(b)mesh grid ofthe computation domain,(c)details of the mesh grid at nozzle598博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷表1㊀雾化气体Ar 的热物理性能Table 1㊀Thermophysical properties of ArDensity/(kg㊃m -3)Specificheat /(J㊃(kg㊃K)-1)Thermal conductivity/(W㊃(m㊃K)-1)Viscosity/(mPa㊃s)Molecular weight Ideal-gas520.640.0158Sutherland39.9482.2㊀钛合金液滴凝固过程液流在高速气流作用下破碎得到细小钛合金熔滴,熔滴在气流强制冷却作用下快速凝固,同时在气流带动下快速飞行㊂针对熔滴快速凝固过程,选取雾化室狭小空间内不同粒径的钛合金熔滴为研究对象,模拟其在气流中温度㊁固液相分布等变化规律,其几何模型与边界条件如图3a 所示㊂网格划分同样采用四边形网格,钛合金熔滴内网格划分尺寸为0.0002mm,其他区域网格划分尺寸为0.001mm,最终网格总数为42146(如图3b 和3c 所示)㊂将雾化器模型及网格导入Fluent 软件,选用标准k-ε湍流模型㊁熔化/凝固模型(solidification /melting model),设置Y 轴方向重力加速度为-9.8m㊃s -2㊂采用瞬态求解,选择压力速度耦合算法(pressure implicit withsplitting of operators,PISO)计算熔滴温度变化与凝固过程㊂时间步长为0.2ms,每步计算迭代20次,共计算100个时间步(即20ms)㊂设置氩气为基础相,Ti-6Al-4V 合金熔滴为第二相㊂对整个计算区域初始化,雾化气体为高纯氩气且温度为300K,设置计算区域钛合金熔滴体积分数为1㊁温度为300K,计算气流场分布;待气流场稳定后导入(Patch)温度为2000K 的钛合金熔滴,通过对Ti-6Al-4V 合金熔滴的热物理性能进行简化(如表2所示),计算熔滴凝固过程㊂利用上述方法分别计算气流速率为32,150和300m㊃s-1条件下㊁直径为45,100,250μm 熔滴的凝固过程㊂图3㊀钛合金熔滴凝固模型图及其网格划分:(a)计算区域模型图与边界条件,(b)计算区域网格划分,(c)界面处网格划分细节Fig.3㊀Model diagram of the solidification process of titanium alloy drop-let and its mesh grid:(a)model diagram and boundary condition of the computation domain,(b)mesh grid of the computation domain,(c)details of mesh grid at the interface表2㊀Ti-6Al-4V 合金熔滴在不同温度下的热物理性能[9-12]Table 2㊀Thermophysical properties of Ti-6Al-4V alloy at different temperature [9-12]Temperature/K Density/(kg㊃m -3)Specific heat/(J㊃(kg㊃K)-1)Thermal conductivity/(W㊃(m㊃K)-1)Viscosity /(mPa㊃s)Latent heat/(J㊃kg -1)Solidus temperature /K Liquidus temperature /K<1700442571424.61877418975928.4 4.8619233920100783.5 4.552000388683183.54.07295610187719233㊀结果与讨论3.1㊀雾化气流速率分布模拟结果气雾化制粉过程中,雾化气体对钛合金液流或液滴起到强制冷却的作用,雾化气流速率对粉末微观组织具有决定性作用㊂由于雾化气体是经过雾化器之后喷射到钛合金熔体中,所以本文基于雾化器结构开展雾化气流速率模拟,得到不同雾化压力下雾化气流速率分布结果,如图4所示㊂由图可见,雾化气体在喷嘴口处速率最大,离开喷嘴后气流速率开始衰减,在喷嘴下方两侧气流发生汇聚,在气流汇聚区域上方形成回流区㊂图5所示为不同雾化压力时气流速率沿中心轴线(即698博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期王利卿等:气雾化钛合金粉末快速凝固过程模拟图2a 中Y 轴)的变化规律㊂首先,在不同雾化压力下,回流区内气流速率先增加后减小,气流速率减小到0所对应的位置称为滞点;越过滞点后进入气流汇聚区域,气流速率再次增大,之后逐渐减小并趋于稳定㊂随着雾化压力增大,回流区起始位置基本相同;而回流区内最大气流速率先增大后减小且对应位置略有下移,最大速率维持在100~130m㊃s -1㊂滞点位置同样随雾化压力增大而向下移动㊂在气流汇聚区域内,最大气流速率随着雾化压力增加而增大,维持在190~290m㊃s-1之间㊂总之,该雾化器喷射气流的速率维持在0~300m㊃s -1范围内㊂图4㊀不同雾化压力下气流经过雾化器后的速率分布:(a)2MPa,(b)4MPa,(c)6MPa,(d)8MPa,(e)10MPaFig.4㊀Distribution of the gas velocity formed by the atomizer with different atomization pressure:(a)2MPa,(b)4MPa,(c)6MPa,(d)8MPa,(e)10MPa图5㊀不同雾化压力下中心轴线(图2a 中Y 轴方向)上气流速率变化规律Fig.5㊀Gas velocity distribution along the central axis (Y -axis inFig.2a)under different atomization pressure3.2㊀液滴凝固过程模拟结果钛合金熔滴的凝固过程决定了最终粉末的微观组织,而气流速率㊁熔滴尺寸均会影响凝固过程㊂由于钛合金熔体在气流场内被冲击破碎形成液滴,液滴在气流带动下获得一定速率飞行同时冷却凝固,液滴飞行速率与气流速率的差值一直处于变化状态[13,14],这导致二者换热状态并非恒定不变㊂为揭示气流强制冷却作用下钛合金液滴的凝固过程,简化了液滴与气流的状态,即假设钛合金液滴静止不动,在恒定气流速率环境中冷却凝固㊂本文仅考虑气流与熔滴之间的传热过程导致的熔滴温度与固液相分布的变化,忽略熔滴凝固过程中形核㊁再辉与钛合金固态相变过程㊂结合3.1节中气流速率模拟结果,选择气流速率分别为32,150和300m㊃s -1㊂图6所示为Φ100μm 钛合金熔滴在气流速率为150m㊃s-1的情况下,冷却过程中温度分布与固液相分布随时间的动态演变过程㊂当气流场稳定后,Patch 钛合金熔滴的温度为2000K,此时t =0ms㊂当t =0.4ms 时,熔滴表面气体温度迅速上升至约1300K,在熔滴背风侧气体温度升高并形成温度梯度,熔滴迎风侧气体温度恒定在300K,同时熔滴周围形成稳定的热边界层;此时,熔滴整体温度仍处于液相线温度以上,所以熔滴内仍全部为液相㊂随着时间延长至t =3.6ms 与t =6.6ms,熔滴表面的热边界层始终保持稳定,熔滴周围气流温度分布也保持稳定,但是熔滴的温度由最初的2000K 分别减小到1910K 和1880K㊂相应地,固相体积分数随温度减小而增加,熔滴表面最先凝固,表层固相体积分数始终高于内部;此外,熔滴迎风侧固相体积分数也始终高于背风侧,当t =6.6ms 时仅熔滴中心偏下部保留少量液相㊂当t =12ms 时,熔滴温度降低到约1400K,此时熔滴周围气体温度分布规律仍与之前保持一致,仅温度梯度略有减小,熔滴全部转变为固相㊂熔滴凝固过程中温度分布与固液相分布说明,高速气流使熔滴表面迅速形成稳定的热边界层,使Ti-6Al-4V 合金熔滴(Φ100μm)由表面向心部逐渐凝固,并在6.6ms 内完全凝固;由于在熔滴迎风侧与背风侧引起传热的不均匀性,导致熔滴最终凝固的区域处于中心偏下部位㊂在钛合金熔滴整个凝固过程中,熔滴内部并未形成明显的温度梯度,这与文献[15,16]中分析结果一致㊂798博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷图6㊀气流速率为150m㊃s -1时,Φ100μm 钛合金熔滴温度分布(a)和固液相分布(b)随时间的变化规律Fig.6㊀The temperature distribution (a)and solid-liquid phase distribution (b)at different time of titanium alloy droplet withdiameter of 100μm under the condition of gas velocity of 150m㊃s -1㊀㊀图7给出了不同粒径钛合金熔滴在不同气流速率下的温度变化过程㊂熔滴温度变化主要包括液相冷却㊁凝固㊁固相冷却3个阶段㊂根据凝固阶段温度与时间变化规律计算出熔滴的凝固速率如表3所示,可以看出,钛合金熔滴凝固速率维持在103~104K㊃s-1之间,随着气流速率增大,熔滴的凝固时间缩短㊁凝固速率增大,在同一直径下,300m㊃s -1气流速率时的熔滴凝固速率约是气流流速为32m㊃s -1时的2倍;随着熔滴粒径减小,熔滴的凝固时间缩短㊁凝固速率增大,在气流速率相同时,Φ45μm 钛合金熔滴凝固速率大约是Φ250μm 熔滴的10倍㊂图7㊀不同粒径钛合金熔滴在不同气流速率下的温度变化规律:(a)45μm,(b)100μm,(c)250μmFig.7㊀Temperature variation of titanium alloy droplet with different particle sizes under different gas velocity:(a)45μm,(b)100μm,(c)250μm表3㊀不同粒径㊁不同气流速率下钛合金熔滴的凝固速率Table 3㊀Solidification rate of droplets with different particle sizes and gas velocityDiameter /μm45100250Velocity /(m㊃s -1)321503003215030032150300Solidification rate /(K㊃s -1)1.42ˑ1042.35ˑ1042.53ˑ1045.28ˑ1038.25ˑ103 1.01ˑ1041.36ˑ1032.09ˑ1032.64ˑ103㊀㊀图8所示为不同粒径钛合金粉末的微观组织,由图可知粉末内部凝固得到的β-Ti 均为等轴状晶粒,并未观察到明显的柱状晶或枝晶组织㊂这说明凝固过程中熔滴内部并没有明显的温度梯度,与模拟结果一致;同时,模拟结果显示直径小于100μm 的熔滴的凝固速率大于1ˑ104K㊃s -1,快速凝固过程抑制合金元素扩散,使熔滴成分过冷的作用非常有限,这也是其形成等轴晶的原因之一㊂此外,随着凝固速率逐渐增加,粉末颗粒中β-Ti898博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期王利卿等:气雾化钛合金粉末快速凝固过程模拟晶粒显著细化,由20μm 减小到大约2μm 以下,远小于传统的铸造合金[17],这也证实了随着粒径的减小熔滴凝固速率增加的规律㊂由上述结果可知,粒径小于100μm 的钛合金熔滴表面开始凝固的时间约为0.5ms,完全凝固的时间在10ms以内㊂那么,气雾化制粉过程中,液流破碎㊁熔滴球化的时间最好控制在0.5ms 以内才能够获得球形粉末㊂增加雾化气体动能,提高破碎效率,使熔滴在表面凝固之前尽可能细化,仍是气雾化制粉技术今后的主要发展方向之一㊂图8㊀不同粒径的气雾化钛合金粉末的截面微观组织:(a)74~104μm,(b)45~74μm,(c)小于45μmFig.8㊀The cross-section microstructure of gas-atomized titanium alloy powders with different particle sizes:(a)74~104μm,(b)45~74μm,(c)less than 45μm4㊀结㊀论(1)针对本文使用的雾化器,随着雾化气体压力增加,气流汇聚的中心轴线上最大气流速率由190增加到290m㊃s -1,回流区最大气流速率略有增加,同时回流区位置下移㊂(2)高速气流强制冷却作用下,钛合金熔滴凝固速率维持在1ˑ103~3ˑ104K㊃s-1之间㊂随着熔滴粒径减小或者气流速率增加,熔滴凝固速率逐渐增加,熔滴粒径细化至100μm 以下时完全凝固仅需10ms㊂(3)高速气流强制冷却作用下,熔滴凝固是从表面向心部逐渐进行,背风侧与迎风侧熔滴表面传热不均匀,造成熔滴内部出现不均匀凝固过程㊂参考文献㊀References[1]㊀DEBROY T,WEI H L,ZUBACK J S,et al .Progress in MaterialsScience[J],2018,92:11-224.[2]㊀魏明炜,陈岁元,郭快快,等.材料导报B[J],2017,31(6):64-67.WEI M W,CHEN S Y,GUO K K,et al .Materials Report B[J],2017,31(6):64-67.[3]㊀赵少阳,陈刚,谈萍,等.中国有色金属学报[J],2016,26(5):980-987.ZHAO S Y,CHEN G,TAN P,et al .The Chinese Journal of Nonfer-rous Metals[J],2016,26(5):980-987.[4]㊀毛新华,刘辛,谢焕文,等.材料研究与应用[J],2017,11(1):13-18.MAO X H,LIU X,XIE H W,et al .Materials Research and Applica-tion[J],2017,11(1):13-18.[5]㊀夏敏,汪鹏,张晓虎,等.物理学报[J],2018,67(17):41-51.XIA M,WANG P,ZHANG X H,et al .Acta Physica Sinica[J],2018,67(17):41-51.[6]㊀ARACHCHILAGE K H,HAGHSHENAS M,PARK S,et al .Ad-vanced Powder Technology[J],2019,30(11):2726-2732.[7]㊀LI X G,FRITSCHING U.Journal of Materials Processing Technology[J],2017,239:1-17.[8]㊀YANG D Y,PENG H X,FU Y Q,et al .Nanoscience and Nanotechn-ology Letters[J],2015,7:603-610.[9]㊀PARADIS P F,ISHIKAWA T,YODA S.International Journal ofThermophysics[J],2002,23(3):825-842.[10]LI J J Z,JOHNSON W L,RHIM W K.Applied Physics Letters[J],2006,89:111913.[11]FALLAH V,AMOOREZAEI M,PROVATAS N,et al .Acta Materials[J],2012,60(4):1633-1646.[12]MILLS K C.Recommended Values of Thermophysical Properties forSelected Commercial Alloys[M].1st ed.Cambridge:ASM Interna-tional,2002.[13]YANG Q,LIU Y T,LIU J,et al .Materials and Design[J],2019,182:108045.[14]SU Y H,TSAO C Y A.Metallurgical and Materials Transactions B[J],1997,28B:1249-1255.[15]PEREPEZKO J H,SEBRIGHT J L,HOCKEL P G,et al .MaterialsScience and Engineering A[J],2002,326(1):144-153.[16]胡云飞,李景昊,周香林.热喷涂技术[J],2018,10(1):1-7.HU Y F,LI J H,ZHOU X L.Thermal Spray Technology[J],2018,10(1):1-7.[17]LUAN J H,JIAO Z B,CHEN G,et al .Journal of Alloys and Com-pounds[J],2014,602:235-240.(编辑㊀吴㊀锐)998博看网 . All Rights Reserved.。
高Nb-TiAl合金粉的制备及其特性
，
氧含量 为
6 20 ppm
。
经 12 0 0 C ／
～
0
单 比重 小 和 易 于 通 过 组 织 控 制 改 善性 能 的优 点 同
时高含 量 难熔元 素
，
50 h
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退 火处理
m
，
，
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)
m
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的加 人 提高 了合金 的熔 点和
，
，
棒材 最 后 采用无 坩埚 感应 加 热连 续
采 用 等离 子 束 熔 炼 工 艺 制 备 了 名 义 成 分 为
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一
团平均尺 寸为
2 1 5 斗m
。
。
图
1b
，
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，
分别是 铸锭 心 部 和
另外
一
边 缘 的背散射组 织
可 以 看 出 在 铸 锭 合金 粗 大 的
。
，
片 层 组 织 中存 在
一
些 带 状 和 点 状 的 白色 相
。
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-
一
，
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目粉 只 存 在
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合 金 粉 的 表 面 和 内 部 组 织 均 卫 枝 状 ；内 部 组 织 存 在 四 种 成 分 偏 析 随 着 粒 度 变 细 偏 析 细 化
，
关键词
T iA l
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5 Nb 0
惰性气体雾化法制取钛和钛合金粉末
作者简介:刘学晖,男,40岁,邦圳钛业发展有限公司总工程师,一直从事钛粉末冶金产品的生产与开发工作。
收稿日期:2000-04-14惰性气体雾化法制取钛和钛合金粉末刘学晖 徐 广(陕西邦圳钛业发展有限公司 西安710063)摘 要:本文叙述了采用无坩锅感应加热Ar 气雾化制取钛与钛合金粉末的装置与工艺,讨论了气雾化钛与钛合金粉末的物理和化学特性以及粉末的粒度分布。
结果表明,气雾化钛与钛合金粉末的物理、化学特性与PRE P 工艺粉末相同,粉末粒度分布特性优于PRE P 工艺粉末。
气雾化小于0.246mm (-60目)粉末收得率可达82%以上,成本比PRE P 工艺低得多。
关键词:气雾化;钛与钛合金粉末;粒度分布;粉末收得率中图分类号:TF123.1+12,TF123.2+3;TG146.2+3THE Ti AND ITS ALLOY POWDER MADE BY INERT GAS ATOMIZATI ONLiu Xue -hui ,Xu Guang(Bongen TITANIUM C O .LTD .Xian ,710063,China )Abstract :The manufacturing unit and process of the Ti and its alloy powder made by inert gas atomization which is using by induce heating without crucible is described in the pa -per .The powder character and particle size distribution is discussed .The results sho w that the physical and chemical characters of the Ti and its alloy powder made by inert gas at -omization is identical with that by PREP ,but the character of particle size distribution has an advantage over that of PRE P .The powder yield with -60mesh of Ti and its alloy made by inert gas atomization is above 82%.The cost is much lower than that of PREP Key words :gas atomization ;titanium and its alloy powder ;particle size distribution ;po w -der yield1 前 言获得优质廉价的粉末是发展高性能钛粉末冶金的关键。
TiAl金属间化合物粉末冶金工艺研究进展
TiAl金属间化合物粉末冶金工艺研究进展[摘要] 粉末冶金工艺可有效避免铸锭冶金带来的成分偏析、组织粗大、缩松缩孔等问题，是TiAl金属间化合物制备的重要研究方向。
从粉末制备、烧结、成形、热处理4个方面对TiAl金属间化合物粉末冶金工艺的研究进展进行了介绍，重点评述了冷壁坩埚真空气雾化、电极感应熔炼气雾化、热等静压等制备技术，对粉末冶金制备TiAl金属间化合物的研究方向进行了展望。
关键词： TiAl金属间化合物；粉末冶金；气雾化；热等静压（HIP）；近净成形随着现代工业的快速发展，对材料的强度、承温能力、减重等提出了更高的要求。
TiAl金属间化合物密度低、比强度高、阻燃性能好、抗蠕变抗氧化性能好，使用温度为700～900℃，是极具潜力的新型轻质耐高温结构材料[1]。
目前，TiAl 金属间化合物大量应用于航空发动机低压涡轮叶片的研制和生产。
2006年，GE 公司就将4822合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb）用于制造GEnx 发动机的第六、七级低压涡轮叶片，首次实现了TiAl金属间化合物的工程化应用[2]。
2013年，中国科学院金属所获得了罗罗公司颁发的TiAl 涡轮叶片精密铸造技术质量认证证书，使国内TiAl叶片达到国际先进水平。
赛车等高档汽车上也采用TiAl金属间化合物制造增压涡轮、排气阀等，对提高发动机转速，减少动阀磨损具有重要作用[3]。
随着超音速飞行器、热防护系统用结构材料对承温能力的要求逐渐提高，TiAl金属间化合物板材、箔材等也具有广阔的应用前景[4]。
TiAl金属间化合物常用的制备工艺有铸造、铸锭冶金和粉末冶金。
TiAl叶片的制备需先用重力铸造出毛坯，再机加出最终尺寸的叶片，原料利用率较低，另外TiAl金属间化合物的本征脆性也导致机加难度较大，从而使TiAl叶片制造成本一直居高不下[5]。
采用铸锭冶金工艺制备TiAl 板材等，需先采用热等静压、均匀化退火等消除铸锭的缩松、缩孔、成分偏析等缺陷，随后进行一次或多次锻造来细化晶粒组织，最终轧制成所需的材料[6]。
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惰性气体雾化法制备TiAl3 粉末
TiAl 系金属间化合物具有密度小、高温强度高和抗蠕变性能优异等特点，作为一种新型的高温结构材料，极有希望在先进发动机结构材料、弹体及舱体结构材料和超声速飞行器的热防护系统材料中得到应用[1]。
TiAl 系金属间化合物主要包括TiAl、Ti3Al 和TiAl3，其中TiAl3 的密度最低(3.36 g/cm3)、比强度最高、高温抗氧化性能最好，是理想的轻质高温结构材料，但由于室温塑性以及韧性太低，限制了其实际应用。
目前，对TiAl3 的应用研究主要是将其作为复合材料的基体、增强体和耐腐蚀高温涂层薄膜等方面[2−4]。
此外，TiAl3 粉末还可以作为催化剂以改善储氢材料的性能。
目前，制取TiAl3 金属间化合物的方法如下：熔炼法、机械合金化法和自蔓延高温合成法等[6]。
其中，机械合金化法作为制备TiAl3 粉末简单有效的方法，其缺点是容易导致杂质污染问题并且不利于大规模工业生产。
气雾化技术由于其制备的粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向[7]。
本文作者采用惰性气体雾化法制备TiAl3 粉末，并对粉末特性进行了表征。
试验采用纯度为一级的海绵钛和电解铝为原料，按照实验采用纯度为一级的海绵钛和电解铝为原料，按照Ti与Al质量比为37.1:62.9配成合金原料后在中频感应感应熔炼炉内熔化，采用氧化镁坩埚进行熔炼，熔炼前先抽真空，然后充入氩气保护。
待原料充分熔化并达到1 500 ℃后，将得到的合金熔液浇入中间包开始雾化。
所用雾化介质为纯氩气，雾化压力为5.5 MPa，
雾化结束后，将雾化罐和旋风分离器内的粉末混合，经标准筛筛分后称取粒径小于154 μm 的粉末作为样品。