一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备技术

本发明专利技术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。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法及其设备


[0001]本专利技术属于粉末冶金
，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。

技术介绍

[0002] 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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术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；S4、以步骤S3制备的精加工棒材为自耗电极，将自耗电极放置于加工仓内；S5、开启真空系统泵组及真空阀门，使得加工仓内真空度低于10
‑3Pa，关闭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，直至加工仓内压力为2
×
101Pa，氧含量低于50ppm，关闭装有混合气体的气瓶、开启惰性气体闭环系统；S7、开启驱动器从而使得驱动器带动自耗电极以30000~33000rpm的速度旋转，开启等离子枪控制器，产生功率为50~60kw的等离子电弧，等离子电弧加热高速旋转的自耗电极端面使其熔化形成液面并形成金属熔滴，金属熔滴快速凝固成TiAl合金球形金属粉末；S8、在高纯惰性气体环境下，对步骤S7制备的金属粉末进行筛分包装。
[0007]进一步地，所述步骤S2中高温相变处理在真空环境下，真空度低于10
‑2Pa，温度加热至1330~1350℃，保温1~4h，采用水淬冷却；然后在真空环境下回火处理即加热至1300~1320℃，保温1~4h，炉冷冷却。
[0008]进一步地，所述步骤S7中TiAl合金球形金属粉末的球形度≥98%，TiAl合金球形金属粉末氧含量低于50ppm。
[0009]一种实现高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备方法的设备，其特征在于，所述设备包括加工仓，所述加工仓上设置有用于带动自耗电极旋转的驱动器，与驱动器相对应的位置设置有等离子枪，所述等离子枪由等离子枪控制器控制，所述加工仓上连接有真空系统泵组，所述真空系统泵组通过控制系统与设置于加工仓上的氧探头连接。
[0010]进一步地，所述加工仓上还设置有惰性气体闭环系统，所述惰性气体闭环系统包括气体循环管路，所述气体循环管路的输入端和输出端分别与加工仓连接，所述气体循环管路上依次连接有气体过滤器和压缩机。
[0011]进一步地，所述真空系统泵组包括与加工仓连接的机械泵与扩散泵，所述机械泵及扩散泵均与控制系统连接。
[0012]进一步地，所述加工仓与扩散泵之间连接有钛升华泵，所述钛升华泵与控制系统连接。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将TiAl合金铸态棒材进行高温相变处理，为获得离心雾化细小熔滴提供了组织基础；通过本专利技术可有效提高粉末球形度，使得粉体综合性能指标提高；本专利技术真空系统泵组中设计了钛升华泵，用于进一步降低加工仓内氧含量，保证所制备TiAl合金粉末氧含量低于50ppm；本专利技术增设了惰性气体闭环系统，降低了制粉过程惰性气体使用成本、同时减小了合金粉末中氧含量；TiAl合金棒材经历至少两次熔炼，最大程度降低了TiAl合金中杂质元素含量，提高合金纯净度。
[0014]本专利技术中，通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其
它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
[0015]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本专利技术的原理。
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本专利技术一种高球形度低氧含量TiAl合金粉末制备设备结构图；图2为利用本专利技术技术制备的TiAl合金粉末的扫描电镜照片；图3为利用传统技术制备的TiAl合金粉末的扫描电镜照片；图4为采用本专利技术技术制备的TiAl合金粉末所生产的TiAl合金低压涡轮叶片的截面微观组织形貌；其中：1、加工仓；2、自耗电极；3、气体循环管路；4、等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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；S4、以步骤S3制备的精加工棒材为自耗电极（2），将自耗电极（2）放置于加工仓（1）内；S5、开启真空系统泵组及真空阀门，使得加工仓（1）内真空度低于10
‑3Pa，关闭真空系统泵组及真空阀门；S6、向加工仓（1）内充入氩气和氦气的混合气体，直至加工仓（1）内压力为2
×
101Pa，氧含量低于50ppm，关闭装有混合气体的气瓶、开启惰性气体闭环系统；S7、开启驱动器从而使得驱动器带动自耗电极（2）以30000~33000rpm的速度旋转，开启等离子枪控制器，产生功率为50~60kw的等离子电弧（4），等离子电弧（4）加热高速旋转的自耗电极（2）端面使其熔化形成液面并形成金属熔滴，金属熔滴快速凝固成TiAl合金球形金属粉末；S8、在高纯惰性气体环境下，对步骤S7制备的金属粉末进行筛分包装。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中高温相变处理在真空环境下，真空度低于10
‑2Pa，温度加热至1330~1350...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐洪奎，卓君，宋嘉明，李安，马宽，赖运金，王庆相，梁书锦，
申请(专利权)人：西安欧中材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：