本文關(guān)鍵詞：微細(xì)球形TiAl基合金粉末的制備、表征及機(jī)理研究

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【摘要】：TiAl金屬間化合物除具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫抗蠕變性和抗氧化性外,還具有良好的耐酸堿腐蝕性和生物活性等優(yōu)異的性能,不僅在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,在過濾、催化、生物醫(yī)用等方面也具有良好的應(yīng)用前景。粉末冶金方法是制備TiAl合金的重要工藝之一,也是降低合金使用成本、拓展合金應(yīng)用領(lǐng)域的重要途徑,制備具有較高質(zhì)量的TiAl合金粉末對于TiAl合金的發(fā)展具有重要意義。本文以Ti、Al及其他合金元素粉末為原料,開發(fā)三種基于高能球磨、反應(yīng)合成工藝制備粒度細(xì)小的TiAl基合金粉末的方法,并結(jié)合射頻(radio frequency,RF)感應(yīng)耦合等離子體粉末球化技術(shù)制備出微細(xì)球形粉末,對合金粉末的特性進(jìn)行表征,并對粉末制備及球化工藝進(jìn)行了深入研究。主要研究結(jié)果如下:以TiH_2、Al、Nb粉末為原料,采用機(jī)械合金化、反應(yīng)合成與射頻等離子體球化相結(jié)合的方法可制備出粒度細(xì)小、粒徑分布均勻、球形度高的高Nb-TiAl粉末。原料混合粉末經(jīng)10h高能球磨及后續(xù)800℃熱處理所制備的高Nb-TiAl合金粉末具有最低的平均粒度及最高的粒度均勻性,其平均粒徑為7.8μm,粒度分布均勻性指數(shù)為0.486,粉末顆粒間成分均勻,相組成由γ相及少量α2相組成。經(jīng)過RF等離子體球化處理后,球化率可接近100%,球化后合金粉末粒徑均勻性指數(shù)提高,平均粒度略有升高。其平均粒度為9.6μm,粒度均勻性指數(shù)為0.622。球化粉末以α2相為主,粉體內(nèi)部致密無孔洞,顆粒間成分均勻,氧含量為0.65%。以Ti、Al、Nb元素粉末為原料,采用雙步球磨、反應(yīng)合成和射頻等離子體球化相結(jié)合的方法可制備出粒度細(xì)小、球形度高的高Nb-TiAl合金球形粉末。通過一次球磨可以獲得成分均勻的復(fù)合粉末,復(fù)合粉末經(jīng)過1400℃的熱處理可以實(shí)現(xiàn)粉末的充分合金化并形成具有多孔結(jié)構(gòu)的高Nb-TiAl合金粗粉,熱處理粉末由γγ相及α2相組成。合金粗粉經(jīng)過30min二次球磨即可得到粒度細(xì)小的高Nb-TiAl合金粉末,粉末粒度均勻,平均粒徑為8.2μm。經(jīng)射頻等離子體球化處理后,粉末物相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相,粉末的球形度接近100%,平均粒度上升至8.8μm,粉末氧含量為0.48%。以Ti、Al元素粉末為原料采用熔鹽法反應(yīng)合成實(shí)現(xiàn)了 TiAl合金粉末的的制備,并對合金化的機(jī)理及工藝參數(shù)對合金化的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,熔鹽合成法制備TiAl合金粉末工藝簡單,熔鹽介質(zhì)不僅能夠促進(jìn)Ti-Al合金化反應(yīng),還能影響TiAl合金粉末的形貌和粒徑。在反應(yīng)溫度為800℃、升溫速率3℃/min、保溫時間2h、金屬熔鹽比為1:5的條件下獲得的TiAl粉末主要由γγ相和α2相組成,粉末氧含量為0.40%,平均粒徑為20.42μm。采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent以及數(shù)學(xué)計(jì)算軟件Matlab,根據(jù)麥克斯韋方程、流體力學(xué)N-S方程等建立了感應(yīng)耦合等離子體電磁場、溫度場和流場的數(shù)值模型,利用能量守恒和動量守恒方程建立粉末顆粒模型,成功地計(jì)算出射頻等離子體的熱流場以及顆粒在等離子體中的運(yùn)動及相變行為,預(yù)測了不同粒徑的TiAl合金粉末經(jīng)等離子體球化后的粒度分布、球化率和收粉率等數(shù)據(jù),并通過實(shí)驗(yàn)獲得驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明,等離子體產(chǎn)生于感應(yīng)線圈所在的位置,等離子體的最高溫度并不在軸線上,等離子體的速度場分布與溫度場具有極大的相關(guān)性。粉末顆粒在等離子體中的運(yùn)動軌跡形狀受粒徑、入射角度的影響不大,隨入射角度的增加沿徑向發(fā)散,但粉末在等離子體中的滯留時間隨顆粒直徑的增加顯著增加,在特定的等離子體系統(tǒng)參數(shù)下,限制粉末粒度范圍進(jìn)行可以提高粉末的球化率和收粉率。對于具有不同初始粒度分布特征的粉末,通過模型計(jì)算得到的粉末球化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值匹配較好,說明粉末球化模型具有較高的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TF123.71

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1282824