TiAl基合金及其合金粉末制备方法发展概述

刘佳伟，宋美慧,2，张晓臣,2，陈 卓，韩芳明

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150001； 2.哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心，哈尔滨 150000； 3.航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司，哈尔滨 150009)

TiAl基合金材料密度低，模量高，具有良好的高温强度、抗蠕变性、抗氧化性、阻燃及较低的热膨胀率和导热系数等优异的性能[1]，在汽车发动机增压涡轮、航空航天发动机和火箭推进系统领域有着广阔的应用前景，是极具吸引力的新一代轻质、高强、高温结构材料。但是，TiAl基合金在室温条件下的塑性及断裂韧性较低，所以采用传统的制造方法很难制造出性能优良的TiAl合金零件。

TiAl基合金材料的制备方法主要有传统铸造、粉末冶金和增材制造等方法[2]。传统铸造法制备的TiAl基合金晶粒粗大且呈层片状结构，铸件内部容易形成缩孔缩松和成分偏析，导致力学性能较差。粉末冶金技术可以避免传统铸造技术产生的缩松、缩孔、成分不均匀等铸造缺陷，且晶粒细小，所以制备的TiAl基合金构件力学性能良好，是制备TiAl基合金的有效方法[3]。增材制造技术相比于其他技术，优势在于可以在较短的周期内制备形状复杂的TiAl构件，且成型的TiAl基合金组织致密，力学性能优良。

性能优良的TiAl基合金粉末是制备TiAl基合金构件的基础。制备TiAl基合金粉末的方法主要有元素粉末法、预合金粉末法、机械合金化结合等离子体球化法等。对TiAl基合金及其合金粉末的制备方法进行了概述，并对合金粉末未来发展趋势展开了讨论。

1 TiAl合金制备方法

1.1 传统铸造技术

铸态TiAl基合金在凝固过程中会形成粗的柱状组织，晶粒尺寸大且不均匀，导致室温塑性低，因此需要采用适当的热处理工艺调整其微观组织，改善和提高其综合力学性能[4]。

Juraj Lapin[5]等采用真空感应熔炼、离心铸造法制备了名义成分为Ti-42.6Al-8.7Nb-0.3Ta-2.0C和Ti-41.0Al-8.7Nb-0.3Ta-3.6C (at.%)的两种TiAl基合金，合金组织由α2(Ti3Al) +γ (TiAl)片层状晶粒、单γ相、粗大的Ti2AlC颗粒和不规则形状的α2相组成。

Yingfei Guo[6]等采用感应熔炼方法制备了Ti-48Al-2Cr-2Nb(T4822)、Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.05 Y2O3(T4822-Y2O3)、Ti-48Al-6Nb(T486)和Ti-48Al-6Nb-0.05 Y2O3(T486- Y2O3)的TiAl合金，在950℃下退火36 h，结果显示，在TiAl合金中添加Y2O3，可以明显细化晶粒，显著提高抗拉强度和伸长率。

1.2 粉末冶金技术

粉末冶金方法制备的TiAl基合金克服了传统制造方法产生的铸造缺陷，可以获得均匀细小的显微组织，极大改善了构件的力学性能。同时，粉末冶金过程中可以添加其他合金元素，可以实现TiAl基合金的合金化[7]。与传统制造方法制备的TiAl基合金相比，粉末冶金法制备的TiAl基合金具有较高的加工硬化率，这主要是由于其晶粒细化和含氧量高所致[8]。Si-hui OUYANG[9]等采用粉末冶金技术制备的 Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.2W合金具有良好的冲击性能，适用于高温和高冲击领域。

1.3 增材制造技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是一项涉及材料、机械、控制、计算机等多学科的交叉技术。AM的原理是是基于计算机辅助设计(CAD)模型，在高能量激光或电子束作用下，以逐层方式堆叠粉末，该技术能够制造近净形状的零件。TiAl基合金增材制造的方法主要包括激光选区熔化成型(Selective Laser Melting，SLM)和电子束熔化法(Electron Beam Melting，EBM)[10]。

增材制造可以成型任意形状的构件，在较短的周期内可以制备出形状复杂的TiAl构件，且成型的TiAl基合金组织致密，力学性能优良。SLM成型的TiAl合金组织致密，成型件在上表面呈细小等轴晶，而在侧面呈柱状晶[11]，但极高的冷速使得TiAl合金容易产生裂纹[12]。EBM技术制备的TiAl合金杂质(氧、氮)含量低，无裂纹，孔隙率低，致密度可达98%以上[13]。然而，EBM成型时能量较高时，Al元素容易挥发，致使合金成分改变，从而影响合金的性能[14]。

2 TiAl合金粉末制备方法

2.1 元素粉末法

元素粉末法是通过加入高纯Ti、Al金属粉末和其他合金元素，在一定条件下完成合金化的过程。元素粉末法制备TiAl基合金的成本低，易于添加各种合金元素，成形性较好，但是杂质含量较高。另外，粉末烧结过程中由于Ti、Al的扩散速率相差较大，容易产生Kirkendall效应，导致其烧结性能较差[15]。

2.2 预合金粉末法

预合金粉末法制备的TiAl合金粉末成分均匀性好，杂质(氧、氮)含量低且力学性能优良。制备TiAl预合金粉末的方法主要有惰性气体雾化法(Gas Atomization，GA)、等离子体旋转电极雾化法(Plasma Rotate Electrode Pulverization，PREP)和射频等离子体球化法(Radio Frequency，RF)等。

2.2.1 惰性气体雾化法

GA技术的基本原理是用超高速气流将金属液流破碎成细小的液滴并凝固成球形的粉末。GA技术主要有冷壁坩埚等离子熔化感应雾化(PIGA)、无坩埚电极感应熔炼雾化(EIGA)、水冷铜坩埚真空感应熔炼气雾化制粉(VIGA-CC)等方法。

Young-Kyun Kim[16]等采用PIGA方法制备了Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末，使用电子束熔炼(EBM)技术，成功制造了没有开裂的TiAl基合金预制件。康伟福[17]等采用PIGA工艺制备的预合金粉末颗粒细小，具有良好的球形度。

欧园园[18]采用EIGA技术制备了适用于选区激光熔化成形工艺的、球形度高、粒径分布较窄、杂质含量少的TiAl合金粉末。王刚[19]等对EIGA法制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B 和 Ti-45Al-8Nb-0.2Si-0.3B预合金粉末进行表征，根据DSC曲线，Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B和 Ti-45Al-8Nb-0.2Si-0.3B预合金粉末在 730℃～800℃和700℃～760℃出现放热峰，这表明随着冷却速率的增加，TiAl预合金粉末在雾化过程中出现相转变。冯凯[20]采用EIGA法制备出了可用于3D打印的球形TC4粉末。该粉末球形度较高，粒度分布均匀细小，呈单峰分布，氧含量较低，但出现了“卫星状”的粘连粉末。Yuyong Chen[21]等的实验结果表明，EIGA法可以制备出用于选择性电子束熔化(SEBM)的、球形度高、粒径分布均匀的TiAl基预合金粉末。

赵少阳[22]采用VIGA-CC技术制备球形Ti-5.8Al-18.4Nb合金粉末，粒度主要分布在4～150 μm，粉末流动性为27.2[s·(50 g)-1]，氧氮含量较低，大颗粒粉末表面为枝状组织，小颗粒粉末则是光滑的表面。

2.2.2 等离子体旋转电极雾化法

PREP法无坩埚，雾化气氛为高纯惰性气体，所以制粉环境纯净无污染。相对于其他GA技术，PREP法制备的TiAl基合金粉末具有更高的球形度、更好的流动性和更窄的粒度分布，且成本更低。此外，PREP法制备的粉末几乎没有出现对最终构件的疲劳性能有害的“卫星粉末”和“中空颗粒”[23]。

西北有色金属研究院[24]采用PREP工艺制取的高温TiAl合金粉末流动性良好，粒度均匀，振实密度和松装密度相差不大，氧含量低于800 ppm，氮含量低于600 ppm。

中南大学[25]采用等离子旋转电极法制备制得的钛铝粉末球形度高达99%，氧含量仅为500 ppm。

H.P.Tang[26]等采用PREP法制备了球形度高、氧氮含量低的Ti-45Al-7Nb-0.3W预合金粉末，将其用于改进的EBM工艺，制备出了具有细小全片层组织，抗拉强度为2 750 MPa，应变断裂率达到37%，无裂纹的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金。

W. Kan[27]等采用PREP法和电子束熔炼(EBM)技术制备了高Nb-TiAl合金，该合金具有完全致密的微观结构和良好的室温和高温拉伸性能。

但由于PREP工艺制备TiAl基合金粉末时存在粉体粒度较大、细粉收率较低，会造成生产周期较长和成本的增加等情况，所以在量产方面受到了一定的制约。因此，改善PREP工艺，提高细粉收得率将是未来研究重点。

2.2.3 射频等离子体球化法

射频(RF)等离子体具有较高的温度，用等离子炬进行材料处理时，加热和冷却速度很快。其原理是载气将粉末颗粒送入等离子炬，粉末颗粒迅速吸收热量完成熔化，在其表面张力作用下形成小液滴，最后冷却凝固成合金粉末。RF是制备成分均匀、流动性好、球形度高和缺陷较少的TiAl基合金球形粉末的良好途径[28]。

北京科技大学的盛艳伟[29]等研究了用射频等离子体球化钛和钛合金粉末。实验原料为粒度小于30 μm的不规则Ti-6Al-4V粉末，采用射频等离子体进行球化。经球化处理后，粉末颗粒明显细化且分布均匀，内部组织呈针状马氏体，粉末表面光滑，球形度很高，最佳的球化率可达99%。同时，钛合金粉末的松装密度、振实密度和粉末流动性得到明显改善。

古忠涛[30]等利用射频等离子体球化技术，对不规则的钛粉进行球化处理后改善了钛粉流动性，提高了钛粉松装密度，消除了钛粉颗粒内部的缩孔和缩松，改变了钛粉颗粒表面形貌，提高了钛粉纯度。

路新[31]等采用感应熔炼、机械破碎、流化床气流磨和射频等离子体球化工艺制备出了Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金粉末。经测试表征后发现，该粉末平均粒度为90 μm且分布均匀细小，球形度较高，内部组织无孔洞，但氧氮含量偏高。

朱郎平[32]等对射频等离子体球化过程进行了数值模拟。结果显示，等离子体温度过高时会导致太小的TiAl粉末颗粒蒸发，气流量对收粉率有较大的影响，不同大小的颗粒应设置相应的气流量来提高收粉率。

上述各种技术制备的TiAl基合金粉末纯净度高、球形度良好、流动性高、杂质(氧、氮)含量低，但是仍然存在粉末颗粒成分偏析、合金元素挥发、粘连卫星粉、内部空心粉、球形度不高等问题。设备初期投入较高，需消耗大量的惰性气体以保证整个制备工艺流程的气氛纯净，这使得预合金粉末法制备TiAl基合金粉末的成本较高。因此，改进预合金法制粉工艺、降低制造成本，以期获得性能优良的TiAl预合金粉末将是未来研究重点。

2.3 机械球磨等离子体球化两步法

两步法是指先将高纯Ti粉、Al粉和其他合金元素按指定成分配比后进行机械球磨，通过等离子体球化设备球化处理，获得颗粒细小、粒度均匀分布、球形度较高的TiAl合金粉末。

佟健博[33]采用高能球磨与反应合成相结合的方法制备了高Nb-TiAl合金粉末，并对粉末进行了射频等离子体球化处理。结果显示，TiAl合金粉末球化率接近100%，平均粒度为9.6 μm，粒径均匀性指数为0.662。

Igor Polozov[34]等以气雾化(GA)和机械合金化等离子球化(MAPS)方法制备的Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)合金粉末为原料，研究了激光粉床熔融(L-PBF)工艺参数(预热温度)对材料的微观组织和力学性能的影响。结果表明，在900℃ 预热温度下可制备出相对密度为99.9%的无裂纹TiAl金属间化合物。与GA粉末相比，MAPS粉末中的氧含量有所增加(分别为1.1wt.%和0.1wt.%)，导致抗压强度和应变较低，但显微硬度较高。

J.B. Tong[35]等采用机械合金化反应合成和等离子球化技术相结合的方法，开发了一种制备致密TiAl-Nb合金微细球形粉末的工艺。实验过程为TiH2、Al、Nb粉末先用高能球磨机混合细化，在600℃～1 200℃不同温度下热处理2 h，再通过射频等离子体熔化TiAl-Nb合金粉末，最后快速凝固成微细球形的TiAl-Nb合金粉末。测试分析结果表明，TiAl-Nb合金粉末成分均匀性良好、球形性较高。所得到的球形粉末具有均匀的等轴晶组织，以过饱和的α2-Ti3Al相为主。粉体的平均粒径为9.6 μm，分布均匀性为0.622。

路新[36]等以EIGA法制备的Ti-47Al(178～840 μm)预合金粉末为原料，采用高能球磨和射频等离子体球化技术进行粉末细化和球化处理，得到了粒径分布窄、球形度较高的微细TiAl基合金粉末。但是由于机械合金化和射频等离子体球化过程中的环境气氛并不纯净，导致了粉末的氧氮等杂质的含量较高，这一定程度上阻碍了机械合金化等离子体球化的制粉效果。

3 结语

传统铸造方法成型的TiAl铸件，内部容易形成缩孔缩松和成分偏析，导致室温塑性较差，应用有限。粉末冶金和增材制造技术成型TiAl基合金构件组织均匀，力学性能良好，是制备TiAl基合金的有效方法。但是，粉末冶金和增材制造均对粉末原料提出极其苛刻的要求，制备高品质的TiAl基合金粉末将为成型性能优良的构件奠定坚实的基础，因此改进TiAl基合金制粉工艺，降低制造成本，以获得性能优良的TiAl预合金粉末，这将是未来研究的重点。