基于TiH2制备高Nb-TiAl合金微球粉的几个基础问题

High Nb containing TiAl alloys are a new generation of high-temperature structural materials, and have important potential application prospects in the areas of aerospace, automobile, national defense, etc. However, with the existing techniques it is still very difficult to fabricate high quality micro-fine spherical alloy powders in quantity. In this project, a new method will be proposed to fabricate micro-fine spherical high Nb containing TiAl alloy powders. By taking TiH2 powder as raw material, the alloy powders can be prepared by the combination of high-energy ball milling and radio frequency （RF） argon plasma spheroidization. And several basic problems about the refining, composition homogenizing and spheroidizing will be investigated. The study mainly focuses on the following aspects: thermodynamic analysis of dehydrogenation and alloying behavior; powder particle growth and its inhibition mechanism during the high-energy ball milling and heat-treatment; the particle motion law, the change of temperature and liquid proportion of the particles, and the nonequilibrium phase transition mechanism under the synthetical effect of the argon flow field-electromagnetic field-temperature field.Through the research mentioned above, the mechanism for the formation and control of the irregular micro-fine alloy powders can be elucidated.The models for describing the influence of the multi-field parameters on the particle phase state and spheroidization rate can be established, and correspondingly, a theoretical explanation for the control of particle morphology will be presented. The research results will contribute to the enrichment of preparation theory for micro-fine spherical metal powders with high melting point, as well as to the development and application of high Nb containing TiAl.

高Nb-TiAl合金是航空航天、汽车、国防等领域新一代最具应用潜力的轻质高温合金。但其现有的合金粉末制备工艺难以实现高质量微细球形高Nb-TiAl合金粉末的批量制备，为此本项目提出基于TiH2高能球磨-射频等离子体球化制备高Nb-TiAl合金粉末的新方法，并紧紧围绕实现粉末颗粒的细化、成分均匀化及球形化所面临的几个科学问题展开研究。重点探讨高能球磨-热处理过程粉末脱氢、合金化行为的热力学分析、颗粒间聚集长大规律及其抑制机制；不规则合金微粉在电磁-热-流耦合作用下的运动规律、颗粒温度及液相比例的演变规律、非平衡相变机理等，揭示不规则合金微粉的形成机理及控制机制，建立电磁-热-流多场参量与高Nb-TiAl合金微粉的相态、球化率的定量关系模型，提出并完善多场耦合的粉末形貌控制理论。本研究成果将丰富高熔点合金微球粉体制备理论，对于推进高Nb-TiAl合金的发展与应用具有重要理论价值和实际意义。

高Nb-TiAl金属间化合物比重低、高温强度好，并具有较好的抗氧化性能和抗蠕变性能，在现代航空航天等高技术领域具有十分广阔的应用前景。本文以TiH2、Al、Nb、 Nb-Al等粉末原料，通过高能球磨、真空热处理和射频等离子体球化相结合的工艺，成功制出微细球形高Nb-TiAl合金粉末，并对制备过程机理以及所获得合金粉末特性进行了研究，主要研究内容及结果如下：.基于TiH2采用高能球磨结合射频等离子体球化技术所制备高Nb-TiAl粉末球形度高，平均粒径小于15μm，粒径分布均匀，粉体内部致密无孔洞，颗粒间成分分布均匀性良好。以TiH2代替单质Ti，可降低合金化所需球磨时间和后续热处理温度，有助于提高合金粉末纯度。Al3Nb为原料可有效提高粉末成分均匀性，降低粉末合金化反应所需热处理温度。原料混合粉末经10h高能球磨及后续800°C热处理所制备高Nb-TiAl合金粉末具有最低的粉末平均粒度及最高的粒度均匀性，其平均粒度为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，平均粒度略升高。其平均粒度为9.6μm，粒度均匀性指数为0.622，球形粉体相成份以α2相为主，氧及碳含量分别为0.56wt. %、0.039wt. %。.利用Maxwell方程、流体力学N-S方程相耦合的方法，建立了射频等离子体炬数值模型，利用流体力学软件计算出了系统参数下产生等离子体炬的物理性质，同时对粉末颗粒在等离子体中的运动与熔融行为进行了模拟，实现了对不同粒径粉末球化效果的预测。结果表明等离子体的最高温度区域位于石英管轴线外侧，等离子体的速度场与温度场分布具有相关性，在给定的工作参数（气流量85L/min，输入功率为50KW）下，等离子体的最高温度可达9873K，速度最大值达到26.7m/s；粉末颗粒的运动轨迹随入射角度的增加逐渐向外发散，粉末在等离子体内的滞留时间随粒度的增加而显著增加，最高温度随粒径的减小以及入射角度的增大而增大；粉末实现完全球化的最大粒径约为55μm，而粒径在15μm以上的粉末能够全部被收集，因此获得较高球化率及收粉率的粉末粒度范围为15-55μm；粉末球化实验结果与模型预测结果具有较高的一致性，表明等离子体模型与粉末颗粒预测模型都具有较高的准确性。