微细球形TiAl基合金粉末的制备、表征及机理研究

发布时间：2017-12-12 14:22

  本文关键词：微细球形TiAl基合金粉末的制备、表征及机理研究

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【摘要】：TiAl金属间化合物除具有良好的高温强度、高温抗蠕变性和抗氧化性外,还具有良好的耐酸碱腐蚀性和生物活性等优异的性能,不仅在航空航天、汽车工业等领域具有广泛应用,在过滤、催化、生物医用等方面也具有良好的应用前景。粉末冶金方法是制备TiAl合金的重要工艺之一,也是降低合金使用成本、拓展合金应用领域的重要途径,制备具有较高质量的TiAl合金粉末对于TiAl合金的发展具有重要意义。本文以Ti、Al及其他合金元素粉末为原料,开发三种基于高能球磨、反应合成工艺制备粒度细小的TiAl基合金粉末的方法,并结合射频(radio frequency,RF)感应耦合等离子体粉末球化技术制备出微细球形粉末,对合金粉末的特性进行表征,并对粉末制备及球化工艺进行了深入研究。主要研究结果如下:以TiH_2、Al、Nb粉末为原料,采用机械合金化、反应合成与射频等离子体球化相结合的方法可制备出粒度细小、粒径分布均匀、球形度高的高Nb-TiAl粉末。原料混合粉末经10h高能球磨及后续800℃热处理所制备的高Nb-TiAl合金粉末具有最低的平均粒度及最高的粒度均匀性,其平均粒径为7.8μm,粒度分布均匀性指数为0.486,粉末颗粒间成分均匀,相组成由γ相及少量α2相组成。经过RF等离子体球化处理后,球化率可接近100%,球化后合金粉末粒径均匀性指数提高,平均粒度略有升高。其平均粒度为9.6μm,粒度均匀性指数为0.622。球化粉末以α2相为主,粉体内部致密无孔洞,颗粒间成分均匀,氧含量为0.65%。以Ti、Al、Nb元素粉末为原料,采用双步球磨、反应合成和射频等离子体球化相结合的方法可制备出粒度细小、球形度高的高Nb-TiAl合金球形粉末。通过一次球磨可以获得成分均匀的复合粉末,复合粉末经过1400℃的热处理可以实现粉末的充分合金化并形成具有多孔结构的高Nb-TiAl合金粗粉,热处理粉末由γγ相及α2相组成。合金粗粉经过30min二次球磨即可得到粒度细小的高Nb-TiAl合金粉末,粉末粒度均匀,平均粒径为8.2μm。经射频等离子体球化处理后,粉末物相转变为α2相,粉末的球形度接近100%,平均粒度上升至8.8μm,粉末氧含量为0.48%。以Ti、Al元素粉末为原料采用熔盐法反应合成实现了 TiAl合金粉末的的制备,并对合金化的机理及工艺参数对合金化的影响进行了研究。结果表明,熔盐合成法制备TiAl合金粉末工艺简单,熔盐介质不仅能够促进Ti-Al合金化反应,还能影响TiAl合金粉末的形貌和粒径。在反应温度为800℃、升温速率3℃/min、保温时间2h、金属熔盐比为1:5的条件下获得的TiAl粉末主要由γγ相和α2相组成,粉末氧含量为0.40%,平均粒径为20.42μm。采用计算流体力学软件Fluent以及数学计算软件Matlab,根据麦克斯韦方程、流体力学N-S方程等建立了感应耦合等离子体电磁场、温度场和流场的数值模型,利用能量守恒和动量守恒方程建立粉末颗粒模型,成功地计算出射频等离子体的热流场以及颗粒在等离子体中的运动及相变行为,预测了不同粒径的TiAl合金粉末经等离子体球化后的粒度分布、球化率和收粉率等数据,并通过实验获得验证。模拟结果表明,等离子体产生于感应线圈所在的位置,等离子体的最高温度并不在轴线上,等离子体的速度场分布与温度场具有极大的相关性。粉末颗粒在等离子体中的运动轨迹形状受粒径、入射角度的影响不大,随入射角度的增加沿径向发散,但粉末在等离子体中的滞留时间随颗粒直径的增加显著增加,在特定的等离子体系统参数下,限制粉末粒度范围进行可以提高粉末的球化率和收粉率。对于具有不同初始粒度分布特征的粉末,通过模型计算得到的粉末球化结果与实验值匹配较好,说明粉末球化模型具有较高的准确性。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF123.71

【参考文献】

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