PREP法制備高鈮TiAl粉末工藝研究及粒度預(yù)測

賀衛(wèi)衛(wèi)，湯慧萍，陳斌科，向長淑，劉海彥，賈文鵬

(1.西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710005)(2.西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，陜西 西安 710016)

0 引 言

高鈮TiAl合金是一種極具應(yīng)用潛力的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料。相對于傳統(tǒng)TiAl合金，高鈮TiAl合金的抗氧化性更好，蠕變抗力及高溫強(qiáng)度更高，所以高鈮TiAl合金在航空發(fā)動機(jī)、超高速飛行器等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力[1-2]。傳統(tǒng)鑄造工藝制備的高鈮TiAl合金存在成分偏析和組織不均勻的弊端，而粉末冶金工藝可解決上述不足。高鈮TiAl粉末是以粉末冶金工藝制備高鈮TiAl合金的重要原料，粉末品質(zhì)直接決定最終產(chǎn)品的性能。在現(xiàn)有球形金屬粉末制備技術(shù)中，等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)(Plasma rotate electrode process，PREP)是制備高品質(zhì)高鈮TiAl粉末的重要手段。

PREP是通過等離子弧熔融高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒料端面產(chǎn)生熔融液膜，液膜由自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力被拋出、分散為微細(xì)液滴，并因表面張力作用球化冷凝成為粉末[3-4]。該技術(shù)制粉過程中無坩堝接觸，其原料熔化及霧化氣氛為高純氬氣，制粉環(huán)境純凈，所以PREP是一種高潔凈度球形金屬粉末的制備技術(shù)，尤其適用于高活性金屬及合金球形粉末的制備，并且PREP技術(shù)制備的金屬粉末球形度高，不規(guī)則形狀粉末及衛(wèi)星粉少[5-7]。此外，PREP制粉過程中熔融金屬液滴的霧化分散依靠旋轉(zhuǎn)離心力，不像氣霧化采用氣流動力，其“傘效應(yīng)”小，所以采用PREP技術(shù)制備的金屬粉末中的空心粉末較少[8-9]。

本研究采用PREP技術(shù)制備高鈮TiAl粉末，系統(tǒng)研究PREP各工藝參數(shù)對粉末粒度大小及分布的影響，并得出高鈮TiAl粉末平均粒徑的經(jīng)驗計算公式，以期為采用PREP技術(shù)制備目標(biāo)粒徑的高鈮TiAl粉末的工藝選擇和優(yōu)化提供參考。

1 實 驗

實驗原料為通過真空自耗電弧熔煉得到的高鈮TiAl合金鑄錠。將鑄錠機(jī)械加工成φ50 mm和φ75 mm的電極棒，在電極棒一端機(jī)械加工螺紋，并將其連接到SLPA-Ⅱ型PREP制粉設(shè)備的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，另一端穿過動密封伸入霧化室內(nèi)，關(guān)閉霧化室倉門。制粉時，先開啟真空泵組，對霧化室進(jìn)行抽真空，待其真空度≤5×10-3Pa后，向霧化室內(nèi)充入高純氬氣，然后開啟旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，控制電極棒高速旋轉(zhuǎn)并緩慢進(jìn)給，在電極棒前端靠近等離子槍時，開啟等離子槍電源，熔化電極棒端面開始制粉。采用PREP技術(shù)制備球形金屬粉末，其可控工藝參數(shù)包括電極棒旋轉(zhuǎn)速度、電極棒直徑、等離子槍熔化電流、電極棒進(jìn)給速度等。本研究通過改變制粉工藝中單一參數(shù)，固定其他工藝參數(shù)進(jìn)行高鈮TiAl粉末的制備。選用直徑為50 mm和75 mm的電極棒開展實驗。電極棒的轉(zhuǎn)速設(shè)置范圍為9 000～15 000 r/min，進(jìn)給速度設(shè)置范圍為0.8～1.2 mm/s，熔化電流設(shè)置范圍為1 200～1 550 A。

采用干篩分法對不同工藝參數(shù)下制備的高鈮TiAl粉末的粒度進(jìn)行測量，即對不同工藝參數(shù)制備的高鈮TiAl粉末分別抽樣100 g，然后采用組合篩以拍擊式振篩機(jī)篩分, 測量不同粒度區(qū)間粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所用組合試驗篩的篩孔尺寸分別為46、75、105、150、200 μm。每種工藝制備的粉末分別抽樣3次，取3次測量結(jié)果的平均值作為該粉末粒度分布最終結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 電極棒轉(zhuǎn)速對粉末粒度的影響

圖1為不同電極棒轉(zhuǎn)速下制備的高鈮TiAl粉末的粒度分布圖。該組實驗電極棒的直徑為75 mm，等離子槍的熔化電流為1 500 A，電極棒的進(jìn)給速度為1.0 mm/s，電極棒的轉(zhuǎn)速從9 000 r/min逐漸增加到15 000 r/min。由圖1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，PREP制備粉末中細(xì)粉含量逐漸增多，即粒徑小于46 μm與46～75 μm區(qū)間的粉末逐漸增多，而大粒徑(>150 μm)粉末的收率逐漸減少。此外，當(dāng)電極棒轉(zhuǎn)速為9 000 r/min和11 000 r/min時，粉末粒度為單峰分布；當(dāng)電極棒轉(zhuǎn)速為13 000 r/min和15 000 r/min時，粉末粒度呈現(xiàn)雙峰分布。

圖1 電極棒轉(zhuǎn)速對高鈮TiAl粉末粒度分布的影響Fig.1 Influence of electrode rotating speed on high-Nb TiAl powder size distribution

在PREP制粉過程中，電極棒端面的熔融金屬液膜主要受電極棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，被破碎分散、甩出電極棒端面形成微小金屬液滴，該金屬液滴在脫離液膜的同時也受到金屬液體表面張力的阻礙。同樣PREP工藝條件下，較低表面張力的金屬材料所制備的粉末粒度更細(xì)小。表面張力一定時，提供給熔融液膜的離心力越大，液膜破碎越充分，形成的粉末粒徑越小。該離心力大小與電極棒旋轉(zhuǎn)速率和直徑有關(guān)。電極棒直徑一定，轉(zhuǎn)速越高，提供給電極棒端面熔融金屬液膜的離心力越大，則液膜破碎效果更好，形成的微細(xì)熔滴更小，所制備的粉末顆粒的平均粒徑就越小。

2.2 電極棒直徑對粉末粒度的影響

采用φ50 mm和φ75 mm電極棒所制備的高鈮TiAl粉末的粒度分布如圖2所示。在該制粉過程中，這2種直徑的電極棒的轉(zhuǎn)速均為15 000 r/min，進(jìn)給速度均為1.0 mm/s。φ75 mm電極棒選用的熔化電流為1 450 A，φ50 mm電極棒的熔化電流降低為1 200 A。這是因為若采用1 450 A的熔化電流，由于熔化電流過大，電極棒單位時間熔化的金屬液較多，進(jìn)給速度為1.0 mm/s時無法保證等離子槍與電極棒前段的距離，導(dǎo)致斷弧，制粉無法持續(xù)進(jìn)行。從圖2可以看出，采用φ75 mm電極棒制備的高鈮TiAl粉末粒度明顯小于φ50 mm的。φ75 mm電極棒所得粉末粒度主要分布在46～105 μm之間，其粒度呈現(xiàn)雙峰分布，而φ50 mm電極棒所制備粉末的粒度主要分布在105～200 μm之間，其粒度為單峰分布。如前所述，當(dāng)電極棒轉(zhuǎn)速一定，其直徑越大時，熔融金屬液膜的離心力越大，液膜破碎效果更好，所形成的微細(xì)熔滴更小，粉末粒徑就越小。

圖2 電極棒直徑對高鈮TiAl粉末粒度分布的影響Fig.2 Influence of electrode diameter on high-Nb TiAl powder size distribution

2.3 熔化電流對粉末粒度的影響

PREP制粉設(shè)備用熱源為轉(zhuǎn)移弧型等離子槍。該等離子槍內(nèi)鈰鎢極為陰極，緊靠鈰鎢陰極的水冷銅套噴嘴為小陽極，電極棒為大陽極。制粉時，在等離子槍內(nèi)通入氬氣，先啟動高頻維弧電源，使鈰鎢陰極與水冷銅套噴嘴間先發(fā)生維弧。然后再啟動等離子槍的主弧電源，此時，電極棒高速旋轉(zhuǎn)并慢慢接近等離子槍，待兩者達(dá)到一定距離，電弧自動轉(zhuǎn)移到鈰鎢陰極與電極棒之間，并充分電離流經(jīng)等離子槍噴嘴的氬氣，形成高能量密度的等離子主弧，熔化電極棒。PREP制粉工藝特征決定等離子槍的熔化電流可調(diào)范圍較窄。這主要是由于為保證制粉過程的穩(wěn)定連續(xù)，電極棒與等離子槍之間建立的等離子主弧要持續(xù)穩(wěn)定，這就需要電極棒與等離子槍之間的距離保持恒定。當(dāng)其他工藝參數(shù)固定時，尤其是進(jìn)給速度一定時，熔化電流若過大，電極棒的熔化量過多，則電極棒與等離子槍之間距離增大，導(dǎo)致等離子槍斷弧，無法制粉。若熔化電流過小，電極棒前端的熔化量不夠，當(dāng)電極棒進(jìn)給速度一定時，電極棒與等離子槍之間的距離持續(xù)縮短，也易導(dǎo)致等離子弧斷弧，無法完成制粉。

等離子槍作用于電極棒的額定功率等于等離子槍電流與等離子槍電壓乘積。PREP制粉階段，主弧電壓為50～70 V，當(dāng)?shù)入x子槍、電極棒和電源回路一定，其電壓值基本恒定，所以實際作用于電極棒的功率等于電流和電壓的乘積。在本組實驗中，熔化電流設(shè)定為1 450、1 500、1 550 A，3種不同電流下回路中的電壓都約為60 V，所以等離子槍作用于電極棒的功率根據(jù)熔化電流的不同略有差別。圖3為熔化電流對PREP制備高鈮TiAl粉末粒度分布的影響。由圖3可見，熔化電流對粒度分布影響不大。熔化電流為1 450 A時，因等離子槍作用于電極棒的功率最小，單位時間內(nèi)熔化的電極棒的金屬熔滴的量最小，在電極棒端面所形成的熔融液膜也最薄。在電極棒直徑和轉(zhuǎn)速一定時，提供給熔融液膜的離心力大小相同，液相量少的液膜所獲得的破碎效應(yīng)更好，所制備粉末粒度相對細(xì)小，即粒徑<75 μm的粉末收率更多。

圖3 等離子槍熔化電流對高鈮TiAl粉末粒度分布的影響Fig.3 Influence of melting current on high-Nb TiAl powder size distribution

2.4 電極棒進(jìn)給速度對粉末粒度的影響

和等離子槍熔化電流一樣，電極棒進(jìn)給速度的調(diào)整窗口也較窄。圖4為電極棒進(jìn)給速度分別為0.8、1.0、1.2 mm/s時，所制備的高鈮TiAl粉末的粒度分布圖。本組實驗中，電極棒直徑為φ75 mm，轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，等離子槍的熔化電流為1 500 A。從圖4可以看出，不同電極棒進(jìn)給速度所制備粉末的粒度分布差別不大，但進(jìn)給速度為0.8 mm/s時，所制備粉末中粒徑<46 μm和46～75 μm區(qū)間的粉末含量比進(jìn)給速度為1.0 mm/s及1.1 mm/s的多；而進(jìn)給速度為1.2 mm時，所制備粉末中粒徑在150～200 μm區(qū)間和>200 μm的粉末要比其他進(jìn)給速度的多。如前所述，進(jìn)給速度小的制粉工藝，其單位時間生成的熔化液膜少，在轉(zhuǎn)速、電極棒直徑大小相同，提供給液膜的離心力也相同時，液相量少的液膜所獲得的破碎效果更高，所制備的粉末粒度也更細(xì)小。

圖4 電極棒進(jìn)給速度對高鈮TiAl粉末粒度分布的影響Fig.4 Influence of electrode’s feeding speed on high-Nb TiAl powder size distribution

2.5 粉末顆粒形成過程及粒度預(yù)測

PREP制粉過程中，其粉末顆粒的形成存在如圖5所示的4個階段[10]。第Ⅰ階段，熔化的液態(tài)薄膜在離心力作用下流向電極棒端面邊緣，在電極棒端面的液膜受其自身表面張力作用，并不能立即被破碎甩出去，而是整齊地從端面向外鋪展開形成一個類圓形的“冠”。第Ⅱ階段，隨著電極棒端部不斷被高溫等離子體熔化，熔融液膜在電極棒高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力影響下，持續(xù)沿螺旋曲線匯入“冠”中，“冠”進(jìn)一步向外擴(kuò)展，得到“露頭”。第Ⅲ階段，不斷流入“冠”中的液相進(jìn)一步增加“露頭”的質(zhì)量，當(dāng)“露頭”受到的離心力超過其表面張力時，“冠”中“露頭”便脫離飛出，形成小液滴。第Ⅳ階段，高速飛行中的液滴在惰性氣氛中很快冷卻，并在表面張力的作用下，熔融液滴球化并冷卻凝固形成球形粉末顆粒。

圖5 PREP工藝中粉末顆粒的形成過程示意圖Fig.5 The schematic diagram of powder particle’s forming process in PREP

“露頭”是PREP工藝中形成粉末顆粒的前驅(qū)體，粉末顆粒形成的必要條件是“露頭”所受到的高速旋轉(zhuǎn)離心力大于等于其表面張力?！奥额^”表面張力的計算式為σπd1，其高速旋轉(zhuǎn)離心力的計算式為mω2D/2，即形成粉末顆粒的條件[9]:

mω2D/2≥σπd1

(1)

式中：D為電極棒直徑，m；m為熔滴的質(zhì)量，kg；ω為電極棒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；σ為熔滴表面張力，N/m；d1為“露頭”直徑，m。其中，m=ρπd3/6, kg;ρ為熔體密度，kg/m3。

液滴直徑d與“露頭”直徑d1可建立相應(yīng)的關(guān)系式：d1=ηd，其中η≤1[9]。將d1=ηd代入關(guān)系式(1)，得到形成粉末顆粒的臨界條件計算式：

mω2D/2≥σπηd

(2)

式中，ω=2πn/60，rad/s；n為電極棒轉(zhuǎn)速，r/min。

將ω和m代入式(2)可得到：

(3)

液滴的直徑大小基本決定了其冷卻凝固后粉末的粒徑大小，所以PREP法制備粉末的平均粒徑大小可由式(3)推算。由式(3)可以看出，PREP法制備金屬粉末顆粒的直徑大小除受材料本身的特性參數(shù)(密度ρ和表面張力σ)影響外，還受到制粉工藝參數(shù)的影響，如電極棒的直徑和轉(zhuǎn)速。對于本研究中的高鈮TiAl粉末，其表面張力σ=1.1 N/m[11]，ρ=3.3×103kg/m3，設(shè)定η=0.75，代入式(3)得到利用PREP法制備的高鈮TiAl粉末平均粒徑的計算式：

(4)

在電極棒直徑為75 mm時，通過式(4)計算得到利用PREP工藝在不同轉(zhuǎn)速下制備的高鈮TiAl粉末的平均粒徑，并與實測值對比，其結(jié)果見表1。由表1可以看出，在不同轉(zhuǎn)速條件下，測量值與計算值均存在一定偏差，該偏差值約為40 μm。

表1不同電極棒轉(zhuǎn)速下制備的高鈮TiAl粉末的平均粒徑

計算值與實測值

Table 1 Calculated and measured values of average diameter of high-Nb TiAl powder particle produced at different rotating speeds

高鈮TiAl粉末平均粒徑的實測值小于理論值是因為通過PREP法制粉時，電極棒和旋轉(zhuǎn)動力輸出裝置組成的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并不是理想的平衡旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；電極棒也不是絕對理想光潔表面、體密度絕對均勻的原料；電極棒在高速旋轉(zhuǎn)過程中，不可避免的存在一定振動，該振動可使液滴在小于相應(yīng)離心力作用下先脫離電極棒端面，而且有時脫離電極棒端面的液滴會出現(xiàn)二次破碎形成粒徑更小的二次顆粒。若電極棒加工尺寸精度越高，振動越小，則粉末顆粒的實際平均粒徑與理論計算值之間的偏差越小。

所以上述PREP工藝制備高鈮TiAl粉末平均粒徑的計算式可修正為：

(5)

經(jīng)修正后，計算φ75 mm電極棒在9 000 r/min到15 000 r/min的不同轉(zhuǎn)速下所得粉末的平均粒徑，將計算值與實測值進(jìn)行對比繪圖，如圖6所示。從圖6可以看出，該經(jīng)驗公式計算得到的粒徑平均值與實測值十分吻合。

圖6 利用修正公式得到的不同轉(zhuǎn)速下高鈮TiAl粉末 平均粒徑計算值與實測值的對比Fig.6 Comparation of the measured values and calculated values of average diameter of high-Nb TiAl powder particle with the modified formula

3 結(jié) 論

(1)電極棒轉(zhuǎn)速和直徑是影響PREP工藝制備高鈮TiAl粉末粒度的主要因素。提高電極棒轉(zhuǎn)速或增大直徑都可以提高所制備的粉末中粒徑<75 μm的細(xì)粉收率。當(dāng)電極棒轉(zhuǎn)速由11 000 r/min提高到13 000 r/min，或電極棒直徑由50 mm增加到75 mm時，粉末粒度由單峰分布變?yōu)殡p峰分布。

(2)等離子槍熔化電流和電極棒進(jìn)給速度對高鈮TiAl粉末粒度影響不大。熔化電流為1 450 A，進(jìn)給速度為0.8mm/s，所制備的高鈮TiAl粉末粒度相對細(xì)小。

(3)通過分析高鈮TiAl粉末顆?！奥额^”形成條件，并對比實測粉末平均粒徑，得到PREP制備高鈮TiAl粉末平均粒徑的經(jīng)驗計算式。