[发明专利]一种钛铝合金粉末及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛铝合金粉末及其制备方法，属于粉末合成领域。制备方法包括：将一定比例的金属钛与金属铝混合后，置于溶解有低价钛卤化物的熔融卤化物中，搅拌一段时间至反应完全后，得到固态钛铝合金粉末与熔融态卤化物盐的固液混合物，再经分离过程获得钛铝合金粉末。本发明避开了传统的钛基合金粉末制备工艺中的高温、高能耗过程，利用操作简单、容易控制的歧化反应实现了成分可控且合金元素铝浓度范围宽泛、元素分布均匀的钛铝合金粉末的低成本制备。所得产品不仅可用于粉末冶金，还可以作为合金型材及3D打印用球形粉末的合成原料使用。

技术领域

本发明涉及粉末合成领域，尤其是涉及一种钛铝合金粉末及其制备方法。

背景技术

钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性良好、耐热性高、生物兼容性等一系列优异的性能，而广泛应用于汽车、石油、化工、航空航天等工业领域，以及运动用品、珠宝、手机、医疗等民用领域。钛合金中常见的合金元素包括铝(Al)、镍(Ni)、钒(V)等，其中铝是钛合金的主要合金元素，得益于固溶强化作用，其对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量均有显著效果。因此，常见的钛合金(TA系列、TC系列)中，均含有一定量的铝元素。其中，TC4(Ti-6Al-V4)钛合金由于其优异的综合性能(耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物兼容性)，被看作是钛合金中的“王牌合金”，目前使用量占全部钛合金的80％以上，是名副其实的国际通用型钛合金。

由于钛合金的熔点高、化学活性强，并且其性能对间隙杂质含量的敏感性较高，因此无法采用通常的耐火材料筑炉和熔炼方法。目前常用的钛合金熔炼工艺是真空自耗电弧熔炼(VAR)和电子束熔炼(EBM)。熔炼所用原料主要是海绵钛和相应的合金元素粉或合金料，同时包括一定量的返回料(切屑、边角料等)，主要是考虑物料高效利用和成本优化。

实际上，以海绵钛与合金元素粉为原料进行熔炼的过程中，为了保证合金产品成分的均匀性以及较低的缺陷率，往往需要进行二次熔炼。在熔化、精炼和结晶三个过程分离的电子束冷床熔炼中，通过控制金属液在冷床的停留时间，使合金元素组分充分均匀化，在一定程度上解决了上述问题。另一方面，采用已经在一定尺度上实现元素均匀化的合金粉末或金属间化合物粉末作为原料，也是一种可行的优化途径。

钛铝合金粉末的制备主要包括真空冶炼、元素粉末烧结和机械合金化三种方式。真空冶炼以成分合格的钛合金为原料，采用气雾化、旋转电极、离心雾化或液滴化的方式实现粉末的制备，该类方法能耗及成本相对较高，近年来更常用于特殊粉体(如球形粉)的制造；元素粉末烧结则是以精确配比的金属粉末为原料，通过低于熔化温度的固相反应实现合金化，虽然近些年发展起来的热等静压工艺有效地解决了固相反应中柯肯达尔效应对致密度的影响，但工艺成本仍然较高；机械合金化是采用高能球磨的方式，通过冲击、碰撞带来的破碎、冷焊接作用，实现化学成分复杂均匀、显微结构细小的合金粉末的制备，该方法可使材料组织的均匀和细化程度接近极限，但存在过程控制繁琐、潜在的杂质污染(过程控制剂)等问题。因此，新型钛铝合金粉末制备方法的开发意义重大。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种钛铝合金粉末及其制备方法，避开了传统的钛铝合金粉末制备工艺中的高温、高能耗过程，通过操作简单、容易控制的歧化反应实现了成分可控、元素分布均匀的钛铝合金粉末的低成本制备。所得产品不仅可用于粉末冶金，由于其元素分布在微米尺度上的均一性，作为合金型材及3D打印用球形粉末的合成原料使用也具有优势。

本发明本质上是利用金属钛与低价钛离子之间的歧化反应达到平衡来实现钛铝合金粉末的合成，因此具有反应温度低的优势；此外，由于采用歧化反应的方式，对金属钛原料尺寸并无要求，大尺寸的海绵钛、钛粒、钛块等均可以使用，原料适应性更强；另外，从产物的角度来看，本发明所合成的钛铝合金粉末不仅同样具有元素分布均匀、纯度高等显著优势，而且合金粉末的组成范围(铝原子百分比0％～75％)也更为宽泛。

本发明是通过以下技术方案实现的：