[发明专利]一种制备细粒径球形铌钛基合金粉末的方法

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别提供了一种制备细粒径球形铌钛基合金粉末的方法。

背景技术

铌钛基合金具有较低的密度、较高的熔点、以及良好的热强性，在航空航天和热喷涂领域有重要的应用前景。粉末冶金技术是制备铌钛基合金零部件的一个重要方法，例如采用注射成形、快速成形技术能够制备出复杂形状的零部件。零部件的性能与原料粉末的形状、粒径和粒度分布等参数密切相关。高质量的原料粉末是开发粉末冶金铌钛基合金的前提条件。注射成形、快速成形技术所用的原料粉末要求粒径细小、球形度较好、氧含量低、流动性良好，而热喷涂用的铌钛合金粉末则要求球形度高、粒度分布窄、气体及杂质含量低、松装密度合适。

低氧含量细粒径球形铌基合金粉末制备的难点主要体现在：一是粉末的细化（粒径<10μm）及球化；二是铌基合金的活性高，氧含量控制困难。三是非金属夹杂的数量和粒径的控制，减少它对铌基合金的高温力学性能的影响。目前，制备铌基合金粉末一般采用高能球磨的方法，存在引入夹杂、氧含量高、粉末团聚和粒径粗大、形状不规则等问题，不适合用作注射成形或快速成形工艺的原料粉末。本发明采用氢爆碎和等离子球化相结合的工艺来制备细粒径球形铌钛基合金粉末。氢爆碎工艺是利用铌钛基合金在吸氢和放氢过程中合金本身所产生的晶界断裂和穿晶断裂的特性导致合金粉化，从而得到细粒径的不规则的合金粉末。接着，利用射频等离子体球化技术将不规则的合金粉末转变成球形铌钛合金粉末。射频等离子体球化的原理是将形状不规则的粉末颗粒由携带气体通过加料枪喷入等离子体炉中，在辐射、对流、传导和化学四种传热机制作用下被迅速加热而熔化，熔融颗粒在表面张力作用下形成球形液滴，并在极高的温度梯度下迅速凝固，从而获得球形粉末。采用本发明制备出的铌钛合金粉末的特点是：粒径细小、成分均匀、流动性好、球化率高、氧含量低，适用于注射成形、快速成形和热喷涂技术领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备细粒径球形铌钛基合金粉末的方法，旨在解决铌钛基合金粉末细化、球形化和氧含量控制的难题，制备出的粉末具有粒径细小、球形度好、氧含量较低的优点。

本发明首先采用真空感应熔炼技术制备铌钛基合金铸锭，解决纯净化熔炼的问题，设法减少非金属夹杂的数量和尺寸，并进行均匀化热处理，获得合金成分均匀的铸锭。然后对铸锭进行氢化处理，获得吸氢铌钛合金粉末。最后进行等离子球化，在球化的过程中需要优化输出功率、送粉速率和气流速率，避免空心粉末的形成，提高细粉收得率。最终制备出分散性和流动性良好、粒度均匀的球形铌钛基合金粉末，制备工艺如图1所示。具体工艺步骤有：

1、真空感应熔炼：按照铌钛基合金的成分称取如下原料：TiNb中间合金、TiAl中间合金、TiMo中间合金、TiCr中间合金、TiW中间合金、海绵Zr、V块、Nb棒和石墨。熔炼前将金属铸型预热到350～400℃，将水冷铜坩埚真空感应熔炼炉的熔炼功率升高170～190kW后停止增大功率，然后在恒定功率下熔炼1～3min得到熔体，冷却后得到铌钛基合金铸锭；

所述的铌钛基合金的成分为：各种合金元素的质量百分含量为17～45%的Ti、0～15%的Al、0～10%的Mo、0～5%的V、0～8%的W、0～5%的Cr、0～2.5%的Zr、0～0.05%的C和余量的Nb。

2、均匀化热处理：铌钛基合金铸锭在真空度≦10^-2Pa的真空炉中进行均匀化退火处理，均匀化退火处理温度为800～1100℃，保温时间为1～3小时，获得合金成分均匀的铌钛基合金铸锭；

3、氢化处理：通过机械粉碎的方法将铌钛基合金铸锭破碎成10～30mm的小块铸锭，并置于不锈钢压力罐中，将压力罐抽真空到1.0×10^-3Pa后通入高纯氢气到0.1～1.0MPa，在700～800℃保温1～2小时，得到粒径为50～300μm的吸氢铌钛基合金粉末，对粉末进行筛分，得到粒径小于120μm的吸氢铌钛基合金粉末。

4、等离子体球化：将平均粒径小于120μm的吸氢铌钛基合金粉末进行等离子球化，等离子球化过程中吸氢铌钛基合金粉末迅速吸热氢爆碎生成微细球形铌钛基合金粉末，其中送粉速率为20～100g·min^-1，等离子输出功率为50～90KW，真空度为1×10^-3Pa。最终得到平均粒径≤40μm的细粒径球形铌钛基合金粉末。