[发明专利]一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备

说明书

本发明涉及一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备，制备方法包括如下步骤：S1、通过至少两次真空感应熔炼、浇铸成TiAl合金棒材；S2、将棒材高温相变处理；S3、将棒材进行机械加工得到精加工棒材；S4、以精加工棒材为自耗电极并放置于加工仓内；S5、开启真空系统泵组及真空阀门；S6、向加工仓内充入氩气和氦气的混合气体；S7、开启驱动器从而使得驱动器带动自耗电极旋转，金属熔滴快速凝固成TiAl合金球形金属粉末；S8、对金属粉末进行筛分包装。制备设备包括加工仓，加工仓上设置有用于带动自耗电极旋转的驱动器。用该方法制备的TiAl合金粉末，粉体综合性能指标得到了提高。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备。

背景技术

TiAl合金以其优异的高温性能及低密度，已成为重要的高温结构材料，尤其是航空发动机低压涡轮叶片的主要材料。传统工艺通常采用铸造方式制备TiAl合金叶片，但由于TiAl合金本征脆性使得叶片毛坯加工难度大、导致叶片成品率低。热等静压技术或增材制造技术以TiAl合金粉末为原材料，实现低压涡轮叶片的近净成形。两种技术制造的叶片加工量小，成品率高。因此航空发动机低压涡轮叶片制备技术已由传统铸造逐步替换为热等静压或增材制造。

热等静压或增材制造技术制备的低压涡轮叶片性能优劣的关键在于原材料粉末质量的好坏。高球形度粉末具有纯净度好、表面光洁度高以及粉末颗粒间不易桥接等优点，这是由于在热等静压或增材制造技术中粉末球形度越好，粉末振实密度越高、填充率也越高，零件成型过程中产生孔隙或裂纹越少，而孔隙和裂纹越少，零件的服役性能尤其是高温疲劳性能越优异。

离心雾化技术相对其他制粉技术具有超洁净的加工环境、无非金属夹杂引入等优势，该技术制备的粉末较其他粉末制备技术具有球形度好、纯净度高等特点，因此离心雾化技术已成为热等静压和增材制造技术中首选的原材料制备方式。虽然离心雾化技术较其他制粉技术可以获得高球形度粉末，但TiAl合金与钛合金和铝合金材料类型不同，属于金属间化合物，合金的塑性较其他两种差（延伸率仅有1%），因此制粉过程中极易出现棒材开裂，易导致熔炼过程无法进行的风险；另外，该材料自身导热性差（热导率仅为22.5 Wm⁻¹ K⁻¹），造成金属熔滴凝固速度相对其他金属材料慢，凝固过程易异向变形，因此粉末的球形度往往劣于其他离心雾化粉末。这可以解释为：离心雾化技术中金属熔滴在飞行过程中，依靠克服表面张力自发凝固成球，金属熔滴尺寸越大必然导致飞行速度过快，熔滴凝固不充分而造成粉末球形度差。另外，相对于其他制粉技术，离心雾化技术采用预抽真空处理后再充入高纯惰性气体，粉末加工环境更纯净，因此粉末氧含量较其他制备技术低；但传统离心雾化技术中加工环境为非闭环惰性气体环境，气体在加工仓内处于持续进出流动状态，若要保证加工仓内压力恒定必然要不断对仓内气体进行补给，这样一则增加了气体使用成本，二则破坏了原始预抽真空的纯净度，增加了加工仓内氧含量。而对于TiAl合金而言，300~500℃时极易与氧、氮、氢反应，严重影响合金的塑性。因此如何提高TiAl合金粉末球形度、降低粉末中氧含量，是影响航空发动机低压涡轮叶片服役寿命的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备，通过提高TiAl合金粉体综合性能、降低粉体中氧含量，改善热等静压或增材制造零件性能，最终延长低压涡轮叶片服役寿命。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过至少两次真空感应熔炼、浇铸成TiAl合金棒材；

S2、将步骤S1制备的棒材进行高温相变处理；

S3、将步骤S2处理后的棒材进行机械加工得到精加工棒材；