射频等离子体-钙还原制备低氧球形Ti-6Al-4V粉末及其性能研究

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Ti-6Al-4V合金以其低密度、高强度、耐高温等优异的综合性能,在飞机制造、石油开采、汽车装甲和生物医疗等多个领域具有广阔的应用前景。然而,由于Ti-6Al-4V合金的加工性能差,挤压锻造、熔炼铸造等传统加工技术难以实现钛合金高效和低成本的稳定生产,极大地限制了钛合金的广泛应用。近年来3D打印技术发展迅速,具有制造周期短、节材节能等优势十分适用于制造钛合金复杂零件,在3D打印钛合金零部件生产制造的推广应用中钛合金粉末质量起决定性作用。本实验采用射频感应等离子球化技术结合金属还原的技术路线,探索适用于3D打印用低氧球形Ti-6Al-4V粉末的制备方法。试验过程中得到的主要结论如下:(1)射频感应等离子体球化Ti-6Al-4V合金粉末的研究。该部分系统研究了射频感应等离子体球化工艺参数(等离子体功率、送粉速率)对Ti-6Al-4V粉末物理性能(流动性、松装密度)的影响。在球化功率为60 kW,送粉速率为80g/min时,可获得性能最佳的球形Ti-6Al-4V粉末,其流动性和松装密度分别为28.01 s/50g和2.43 g/cm~3;在球化功率为60 kW,送粉速率为140 g/min时可以得到较高的球化率和较低的质量损失率,经过工艺优化后,球化率可达到98.7%。(2)针对球化后Ti-6Al-4V粉末氧含量较高的问题,分析了粉末表面氧分布状况和金属还原原理,系统的探究了钙热还原工艺中钙的添加量、还原温度、保温时间及酸洗工艺中酸洗浓度、固液比、酸洗时间、酸洗温度对合金粉末氧含量的影响,优化出最佳钙还原工艺参数:钙颗粒添加量为m Ca:m Ti-6Al-4V=2:1,还原温度为850℃,保温时间为2 h;最佳酸洗工艺:酸洗温度40℃、盐酸浓度5%HCl、酸洗时间80 min、固液比为1:6。通过工艺优化,制备出氧含量为1240 ppm的球形Ti-6Al-4V粉末,降氧率达到73.17%,解决了球形TI-6AL-4V粉末因为氧含量过高而不能使用的问题。(3)对钙还原过程中的机理进行了推导。钙还原过程中球形Ti-6Al-4V粉末氧化层与钙蒸汽反应,在粉末表面会形成微裂纹,这些微裂纹为钙蒸气提供扩散路径,使得Ti-6Al-4V球形粉中的氧进一步与钙蒸气反应。(4)初步开展了球形Ti-6Al-4V合金粉末烧结性能的研究。研究了烧结温度及烧结时间对合金烧结坯的形貌、致密度、力学性能及物相的影响。当烧结时间为2 h时,Ti-6Al-4V合金烧结坯的硬度随着烧结温度的升高而升高,在烧结温度为1300℃时达到最大为424.69 HV,在烧结温度为1400℃时由于合金品粒长大及相变硬度下降。此外,当烧结温度为1300℃时,随着保温时间的延长致密度和硬度也逐渐增加,硬度在保温时间为6 h时达到最大,为557.72 HV。
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