CN112575221A - 一种TiAl合金粉末及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TiAl合金粉末及其制备方法和应用,属于金属粉末技术领域。所述TiAl合金粉末包括以下质量百分比的元素:Al:34%~35%,Nb:4.5%~5.1%,Cr:2.4%~2.7%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于700ppm,余量为Ti;所述TiAl合金粉末为球形,粒径为40μm~106μm,流动性为10.0~20.0s/50g,空心球率不大于0.5%。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末技术领域,尤其涉及一种TiAl合金粉末及其制备方法和应用。
背景技术
增材制造(3D打印)是一种先导性、前沿性的智能制造技术,引领着传统生产方式的深刻变革,被认为是推动“第四次工业革命”的源动力之一,在医疗器械、航空航天等领域的应用潜力巨大。其中,金属增材制造是增材制造产业中发展速度最快、技术难度最大的板块。金属增材制造对于促进我国高端装备的品质提升以及跨越式发展具有重要意义。
金属增材制造技术主要包括电子束选区熔化(SEBM)、电子束熔丝沉积(EBDM)、激光选区熔化(SLM)、激光近净成形(LENS)等,目前这些技术已经成功用于不锈钢、Al基合金、Ti基合金、TiAl基合金等材料的制造。
作为电子束粉末床增材制造最重要的原材料之一,金属粉末是增材制造中最基础的技术环节,其质量的优劣对最终成形件产品质量的影响较大。TiAl合金粉末传统的制备方法为坩埚熔炼气雾化法,其制备的TiAl合金粉末存在杂质元素含量高、粉末球形度低以及粉末粒度分布不均匀等问题。国内电子束粉末床增材制造用高品质TiAl合金粉末主要依赖进口,粉末价格高昂,成为制约我国电子束粉末床增材制造技术快速发展的瓶颈之一。国外知名的粉末供应商主要采用无坩埚真空感应熔融气雾化(EIGA)制备TiAl合金粉末,虽然能够有效降低TiAl合金粉末的氧含量,但由于气雾化法的局限,粉末还存在氧含量较高的问题(约1000ppm),并且粉末的空心率、球形度、颗粒均匀性等理化指标也不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiAl合金粉末及其制备方法和应用,本发明制备的TiAl合金粉末氧含量低、空心率低、球形度高、粒度分布均匀。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种TiAl合金粉末,所述TiAl合金粉末包括以下质量百分比的元素:Al:34%~35%,Nb:4.5%~5.1%,Cr:2.4%~2.7%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于700ppm,余量为Ti;
所述TiAl合金粉末为球形,粒径为40μm~106μm,流动性为10.0~20.0s/50g,空心球率不大于0.5%。
本发明提供了上述方案所述TiAl合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
将TiAl合金棒材进行精加工,得到TiAl合金电极棒;所述TiAl合金棒材包括以下质量百分含量的元素:Al:37%~39%,Nb:4.7%~5.1%,Cr:2.5%~2.9%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于600ppm,余量为Ti;
将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态,然后向真空状态的反应室中充入保护气体,以所述TiAl合金电极棒作为自耗电极,采用等离子旋转电极法制得TiAl合金粉末。
优选的,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末的条件包括:等离子弧电流为1700~1900A,电极转速为15000~25000r/min。
优选的,所述TiAl合金电极棒的直径为50~85mm,长度为650~850mm,表面粗糙度不大于0.8μm。
优选的,所述保护气体为氩气。
优选的,所述抽至真空状态的压强为1×10-3~1×10-2Pa。
本发明提供了上述方案所述TiAl合金粉末在电子束粉末床增材制造中的应用。
本发明提供了一种TiAl合金粉末,所述TiAl合金粉末包括以下质量百分比的元素:Al:34%~35%,Nb:4.5%~5.1%,Cr:2.4%~2.7%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于700ppm,余量为Ti;所述TiAl合金粉末为球形,粒径为40μm~106μm,流动性为10.0~20.0s/50g,空心球率不大于0.5%。本发明提供的TiAl合金粉末氧含量低、空心率低、球形度高、粒度分布均匀,流动性好,适用于电子束粉末床增材制造。
本发明提供了一种TiAl合金粉末的制备方法,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末。与气雾化法相比,优点在于:(1)制备过程不使用坩埚,从而避免了坩埚与液态金属之间的反应而引入杂质的问题,制备的粉末纯净度高、无污染、含氧量低;(2)等离子旋转电极法不需要高速气体流,因此避免出现因“伞效应”而产生的空心粉,无“卫星球”产生,并且金属液滴球化时间长,粉末球形度高,粒度分布均匀,粉末收得率高。
附图说明
图1为实施例1制备的TiAl合金粉末的低倍形貌图;
图2为实施例2制备的TiAl合金粉末的低倍形貌图;
图3为实施例3制备的TiAl合金粉末的低倍形貌图;
图4为实施例4制备的TiAl合金粉末的高倍形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种TiAl合金粉末,所述TiAl合金粉末包括以下质量百分比的元素:Al:34%~35%,Nb:4.5%~5.1%,Cr:2.4%~2.7%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于700ppm,余量为Ti;
所述TiAl合金粉末为球形,粒径为40μm~106μm,流动性为10.0~20.0s/50g,空心球率不大于0.5%。
本发明提供了上述方案所述TiAl合金粉末的制备方法,包括以下步骤:
将TiAl合金棒材进行精加工,得到TiAl合金电极棒;所述TiAl合金棒材包括以下质量百分含量的元素:Al:37%~39%,Nb:4.7%~5.1%,Cr:2.5%~2.9%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于600ppm,余量为Ti;
将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态,然后向真空状态的反应室中充入保护气体,以所述TiAl合金电极棒作为自耗电极,采用等离子旋转电极法制得TiAl合金粉末。
将TiAl合金棒材进行精加工,得到TiAl合金电极棒。
在本发明中,所述TiAl合金棒材包括以下质量百分含量的元素:Al:37%~39%,Nb:4.7%~5.1%,Cr:2.5%~2.9%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于600ppm,余量为Ti;进一步的,所述Al的含量优选为37.5%~38.5%,所述Nb的含量优选为4.8%~5.0%,所述Cr的含量优选为2.6%~2.8%,所述Gd的含量优选为0.01%~0.015%。
本发明对所述精加工的过程没有特殊要求,优选满足所述TiAl合金电极棒的直径为50~85mm,长度为650~850mm,表面粗糙度不大于0.8μm即可。TiAl合金电极棒需要在等离子弧的作用下熔化,如果表面粗糙度太高,会对等离子弧产生不利影响,进而影响TiAl合金粉末质量,本发明控制电极棒材表面的粗糙度不大于0.8μm,避免对TiAl合金粉末的质量造成不良影响。
得到TiAl合金电极棒后,本发明将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态,然后向真空状态的反应室中充入保护气体,以所述TiAl合金电极棒作为自耗电极,采用等离子旋转电极法制得TiAl合金粉末。
在本发明中,所述抽至真空状态的压强优选为1×10-3~1×10-2Pa。所述保护气体优选为氩气。
在制备过程中,TiAl合金电极棒作为自耗电极,受电弧加热而熔化为液体,熔化的金属液滴被高速旋转的棒材甩出,在飞行过程中凝固成粉末。
在本发明中,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末的过程中,等离子弧电流优选为1700~1900A,更优选为1750~1850A;电极转速优选为15000~25000r/min,更优选为17000~23000r/min,进一步优选为19000~22000r/min。本发明将等离子弧的电流和电极转速控制在上述范围,有利于得到高品质的TiAl合金粉末。
本发明对所述等离子旋转电极法采用的设备没有特殊要求,本领域熟知的等离子旋转电极设备均可。
在等离子弧的作用下,TiAl合金电极棒达到的熔化温度较高,会导致Al、Nb和Cr元素挥发,因此,最终制得的TiAl合金粉末中Al、Nb和Cr元素的含量较原始棒材的含量要低。
本发明提供了上述方案所述TiAl合金粉末在电子束粉末床增材制造中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的TiAl合金粉末及其制备方法和应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
TiAl合金棒材的化学成分按质量百分比为:Al:37%,Nb:4.8%,Cr:2.5%,Gd:0.02%,C:180ppm,N:180ppm,H:80ppm,O:600ppm,余量为Ti;
将上述组成的TiAl合金棒材精加工成直径为70mm、长度为700mm的TiAl合金电极棒,表面粗糙度0.4μm;将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态(1×10-3~1×10-2Pa),然后向真空状态的反应室中充入Ar,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末,等离子弧电流为1700A,电极转速为20000r/min。
制得TiAl合金粉末化学成分按质量百分比为:Al:34%,Nb:4.5%,Cr:2.4%,Cd:0.015%,C:180ppm,N:210ppm,H:90ppm,O:700ppm,余量为Ti。TiAl合金粉末颗粒为球形形貌,粉末粒径为70~90μm,流动性为15s/50g,TiAl合金粉末的空心球率为0.4%。TiAl合金粉末的低倍形貌见图1,由图1可知,TiAl合金粉末粒度均匀、球形度好。
实施例2
TiAl合金棒材的化学成分按质量百分比为:Al:39%,Nb:5.1%,Cr:2.9%,Gd:0.015%,C:200ppm,N:100ppm,H:80ppm,O:500ppm,余量为Ti;
将上述组成的TiAl合金棒材精加工成直径为60mm、长度为750mm的TiAl合金电极棒,表面粗糙度0.5μm;将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态(1×10-3~1×10-2Pa),然后向真空状态的反应室中充入Ar,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末,等离子弧电流为1800A,电极转速为20000r/min。
制得TiAl合金粉末化学成分按质量百分比为:Al:35%,Nb:4.9%,Cr:2.7%,Gd:0.01%,C:220ppm,N:140ppm,H:90ppm,O:600ppm,余量为Ti。TiAl合金粉末颗粒为球形形貌,粉末粒径为70~80μm,流动性为17s/50g,TiAl合金粉末的空心球率为0.2%。本实施例制备的TiAl合金粉末的低倍形貌见图2,由图2可知,TiAl合金粉末粒度均匀、球形度好。
实施例3
TiAl合金棒材的化学成分按质量百分比为:Al:38%,Nb:4.9%,Cr:2.7%,Gd:0.01%,C:160ppm,N:100ppm,H:70ppm,O:550ppm,余量为Ti;
将上述组成的TiAl合金棒材精加工成直径为60mm、长度为500mm的TiAl合金电极棒,表面粗糙度0.6μm;将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态(1×10-3~1×10-2Pa),然后向真空状态的反应室中充入Ar,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末,等离子弧电流为1900A,电极转速为22000r/min。
制得TiAl合金粉末化学成分按质量百分比为:Al:35%,Nb:4.9%,Cr:2.6%,Gd:0.008%,C:200ppm,N:150ppm,H:100ppm,O:640ppm,余量为Ti。TiAl合金粉末颗粒为球形形貌,粉末粒径为60~90μm,流动性为17s/50g,TiAl合金粉末的空心球率为0.3%。TiAl合金粉末的低倍形貌见图3,由图3可知,TiAl合金粉末粒度均匀、球形度好。
实施例4
TiAl合金棒材的化学成分按质量百分比为:Al:38%,Nb:4.8%,Cr:2.7%,C:160ppm,N:100ppm,H:70ppm,O:570ppm,余量为Ti;
将上述组成的TiAl合金棒材精加工成直径为60mm、长度为650mm的TiAl合金电极棒,表面粗糙度0.6μm;将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态(1×10-3~1×10-2Pa),然后向真空状态的反应室中充入Ar,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末,等离子弧电流为1800A,电极转速为22000r/min。
制得TiAl合金粉末化学成分按质量百分比为:Al:34.8%,Nb:4.7%,Cr:2.6%,C:230ppm,N:160ppm,H:80ppm,O:680ppm,余量为Ti。TiAl合金粉末颗粒为球形形貌,粉末粒径为60~70μm,流动性为19s/50g,TiAl合金粉末的空心球率为0.3%。TiAl合金粉末的高倍形貌见图4,由图4可知,TiAl合金粉末粒度均匀、球形度好。
由以上实施例可知,本发明提供了TiAl合金粉末及其制备方法和应用,本发明制备的TiAl合金粉末氧含量低、空心率低、球形度高、粒度分布均匀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种TiAl合金粉末,其特征在于,所述TiAl合金粉末包括以下质量百分比的元素:Al:34%~35%,Nb:4.5%~5.1%,Cr:2.4%~2.7%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于700ppm,余量为Ti;
所述TiAl合金粉末为球形,粒径为40μm~106μm,流动性为10.0~20.0s/50g,空心球率不大于0.5%。
2.权利要求1所述TiAl合金粉末的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将TiAl合金棒材进行精加工,得到TiAl合金电极棒;所述TiAl合金棒材包括以下质量百分含量的元素:Al:37%~39%,Nb:4.7%~5.1%,Cr:2.5%~2.9%,Gd:0~0.02%,C:大于0且不大于150ppm,N:大于0且不大于200ppm,H:大于0且不大于100ppm,O:大于0且不大于600ppm,余量为Ti;
将所述TiAl合金电极棒装载至反应室的旋转轴上,将所述反应室抽至真空状态,然后向真空状态的反应室中充入保护气体,以所述TiAl合金电极棒作为自耗电极,采用等离子旋转电极法制得TiAl合金粉末。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,采用等离子旋转电极法制备TiAl合金粉末的条件包括:等离子弧电流为1700~1900A,电极转速为15000~25000r/min。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述TiAl合金电极棒的直径为50~85mm,长度为650~850mm,表面粗糙度不大于0.8μm。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述保护气体为氩气。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述抽至真空状态的压强为1×10-3~1×10-2Pa。
7.权利要求1所述TiAl合金粉末在电子束粉末床增材制造中的应用。
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