本发明属于轻质高强钛铝金属间化合物的粉末冶金制备技术领域，具体涉及一种高品质γ-TiAl球形粉末的制备方法。
背景技术：
20世纪50年代中期，美国的Mcandrew等人首先发现TiAl基合金具有低密度的同时伴随着优良的高温力学性能，但其显著的室温脆性制约了TiAl基合金的发展。随着铸锭冶金和粉末冶金等新技术的出现，TiAl 基合金的塑性逐步得以改善。在美国宇航局制定的宇航计划以及宇航局和国防部联合制定的发展高性能军用飞机发动机的计划中，TiAl 基合金均被视为优先发展的材料，从此在全球掀起了TiAl 基合金的研究热潮。
目前TiAl基合金的主要制备工艺有粉末冶金(PM)和铸锭冶金(IM)及锻造等，TiAl基合金的粉末冶金(PM)制备可以克服铸锭冶金工艺的成分偏析、晶粒粗大及疏松缺陷，并具有近净成形的优点，从而减少加工步骤，提高材料的利用率，降低生产成本，近年来受到学者们的极大关注。大量的相关研究证明TiAl基合金的成分偏析缺陷是造成其力学性能降低的主要因素之一，例如TiAl基合金中Al元素含量的很小的波动就能引起材料显微组织发生很大的改变，从而造成力学性能发生很大变化。国外的研究学者John和Brain将TiAl基合金进行热等静压处理后，用EBSD进行分析，证明了TiAl基合金的元素偏析缺陷在粉末冶金技术制备中得到明显改善，并且材料的显微结构得到明显细化，力学性能方面得到明显提升。同时，大尺寸的TiAl基合金也可以通过粉末冶金制备，获得的粉末冶金坯料具有均匀的组织，材料力学性能也十分均匀，因此粉末冶金工艺解决了TiAl基合金在加工方面的很多技术难题。
高品质γ-TiAl球形粉末的制备，是获得性能优异的粉末冶金件的基础。而相比于气雾化法和转移弧等离子旋转电极制粉工艺，采用非转移弧等离子旋转电极技术能够制备出高球形度、低增氧量、无夹杂、粒度分布可控的高品质γ-TiAl合金球形粉末，为成型件的优异性能夯实了基础，从而满足航空航天、汽车行业等应用需求。
技术实现要素：
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种，针对粉末冶金近净成形工艺能够解决传统方法制备γ-TiAl合金过程中的成分偏析、晶粒粗大及疏松缺陷等问题，以及当前普遍使用的制粉方法制得的合金粉末球形度、纯净度不佳，影响成型后性能的问题，本发明提供了一种高球形度、低增氧量、无夹杂、粒度分布可控的γ-TiAl合金粉末制备方法，确保成型后的γ-TiAl合金成分均匀、组织细小、性能优异，满足航空航天、汽车行业等应用需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高品质γ-TiAl球形粉末的制备方法，其特征在于，按质量百分比，包括以下步骤：
1）按照γ-TiAl合金的成分配料，Al：20-40wt%，Nb：10-20wt%，其余Ti为基体，添加0-10wt%的B、V、Cr、W、Y、Ta中的任意几种合金元素，熔炼成γ-TiAl合金棒；
2）对γ-TiAl合金棒锻造加工，消除棒材内部缺陷，随后进行去应力退火，防止加工后回弹变形；
3）对退火态的γ-TiAl合金棒精车加工，加工后的高精度合金棒为：直径为20-100mm，长度为50-1000mm，圆跳动小于0.1mm/m，表面粗糙度小于3μm；
4）装载高精度合金棒至反应室中，对反应室抽真空至10-3-10-2Pa，向反应室充入氦气、氩气或氦氩混合气，使腔室内压力为0.01-1MPa，气氛中氧含量小于0.5wt%；
5）PREP制粉设备的等离子枪功率为30-300kW，等离子炬包含钨阴极和铜阳极，等离子体对高精度合金棒端部加热，高精度合金棒转速为3000-35000r/min，使高精度合金棒端部均匀熔化，雾化液滴在离心力作用下从合金棒端部被甩出，形成细小液滴，液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒，落入反应室底部收集器中，制得γ-TiAl合金粉末；
6）对制得的γ-TiAl合金粉末在惰性气体保护环境下筛分和包装。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度为40μm-1.5mm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形颗粒占比大于99%。
所述的γ-TiAl合金粉末没有夹杂物。
所述的步骤5）制粉过程增氧量为小于100ppm的超低增氧量。
本发明的有益效果在于：
使用非转移弧等离子旋转电极工艺，在超纯净气氛和超高转速条件下，能够制得高球形度、低增氧量、无夹杂、粒度分布可控的γ-TiAl合金粉末，其成型件能够满足航空航天和汽车行业等应用需求。
使用本方法制得的粉末进行增材制造及热处理，其力学性能可达到：屈服强度大于900MPa，抗拉强度大于1000MPa，断后伸长率大于13%，断面收缩率大于32%。
本发明通过调整工艺参数可获得平均粒度为40μm-1.8mm的高品质γ-TiAl球形粉末，粉末中没有夹杂物，制粉过程能实现小于100ppm的超低增氧量；该粉末的增材制造成型件力学性能为：屈服强度大于900MPa，抗拉强度大于1000MPa，断后伸长率大于13%，断面收缩率大于32%。
附图说明
图1为本发明γ-TiAl合金粉末扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种高品质γ-TiAl球形粉末的制备方法，按质量百分比，包括以下步骤：
1）按照γ-TiAl基合金的成分配料，Ti：48.32wt%，Al：31.5wt%，Nb：15.82wt%，Cr：1.26wt%，V：3.10%，熔炼成γ-TiAl合金棒；
2）对熔炼的γ-TiAl合金棒进行锻造加工后，去应力退火；
3）对退火态γ-TiAl合金棒进行精车加工，加工后的高精度合金棒为：直径为85mm，长度为900mm，圆跳动0.03mm/m，粗糙度0.98μm；
4）装载高精度合金棒至反应室中，对反应室抽真空至2*10-3Pa，向反应室充入氦气，使腔室内压力为0.3MPa，气氛中氧含量为150ppm；
5）PREP制粉设备的等离子枪功率为280kW，等离子炬包含钨阴极和铜阳极，等离子体对合金棒端部进行加热，高精度合金棒转速为30000r/min，使高精度合金棒端部均匀熔化，雾化液滴在离心力作用下从高精度合金棒端部被甩出并形成液滴，液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒，落入反应室底部收集器中；
6）对制得的γ-TiAl合金粉末在惰性气体保护环境下筛分和包装。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度为51μm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.6%。
所述的γ-TiAl合金粉末无夹杂。
所述的步骤5）制粉过程中增氧量为50ppm。
对上述粉末进行增材制造成型，并进行热处理，其力学性能为：屈服强度965MPa，抗拉强度1051MPa，断后伸长率14.1%，断面收缩率35%，能够满足航空航天领域的应用需求。
实施例2
一种高品质γ-TiAl球形粉末的制备方法，按质量百分比，包括以下步骤：
1）按照γ-TiAl基合金的成分为配料，Ti：51.93wt%，Al：28.57wt%，Nb：18.58wt%，W：0.87wt%，B：0.05wt%，熔炼成γ-TiAl合金棒；
2）对熔炼的γ-TiAl合金棒进行锻造加工后去应力退火；
3）对退火态γ-TiAl合金棒进行精车加工，加工后的高精度合金棒为：直径为35mm，长度为150mm，圆跳动为0.07mm，粗糙度为2.5μm；
4）装载合金棒至反应室中，对反应室抽真空至9*10-3Pa，向反应室充入氦氩混合气，使腔室内压力为0.07MPa，气氛中氧含量为350ppm；
5）PREP制粉设备的等离子枪功率为150kW，等离子炬包含钨阴极和铜阳极，等离子体对高精度合金棒端部进行加热，高精度合金棒转速为4000r/min，使高精度合金棒端部均匀熔化，雾化液滴在离心力作用下从高精度合金棒端部被甩出，熔融金属在离心力作用下雾化飞出，形成细小液滴，液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒，落入反应室底部收集器中，制得γ-TiAl合金粉末；
6）对制得的γ-TiAl合金粉末在惰性气体保护环境下筛分和包装。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度为1.1mm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.5%。
所述的γ-TiAl合金粉末无夹杂。
所述的步骤5）制粉过程中增氧量为100ppm。
对上述粉末进行增材制造成型，并进行热处理，其力学性能为：屈服强度903MPa，抗拉强度1001MPa，断后伸长率13%，断面收缩率30%，能够满足航空航天领域的应用需求。
实施例3
一种高品质γ-TiAl球形粉末的制备方法，按质量百分比，包括以下步骤：
1）按照γ-TiAl基合金的成分为配料，Al：26.89wt%，Nb：9.85wt%，Ti：38.57wt%，Cr：5.51wt%，Ta：19.18wt%，并熔炼成γ-TiAl合金棒；
2）对熔炼的γ-TiAl合金棒进行锻造加工，随后进行去应力退火；
3）对退火态γ-TiAl合金棒进行精车加工，加工后的高精度合金棒为：直径为66mm，长度为550mm，圆跳动0.05mm，粗糙度1.89μm；
4）装载高精度合金棒至反应室中，对反应室抽真空至1*10-3Pa，向反应室充入氩气，使腔室内压力为0.75MPa，气氛中氧含量300ppm；
5）PREP制粉设备的等离子枪功率为250kW，等离子炬包含钨阴极和铜阳极，等离子体对高精度合金棒端部进行加热，高精度合金棒转速为15000r/min，使高精度合金棒端部均匀熔化，雾化液滴在离心力作用下从合金棒端部被甩出并形成细小液滴，液滴在惰性气体环境中快速冷却成球形颗粒，在重力作用下沿光滑的腔室内壁滑至腔室下方的收集器中，腔室由循环冷却水冷却，制得γ-TiAl合金粉末；
6）对制得的γ-TiAl合金粉末在惰性气体保护环境下进行筛分和包装。
所述的γ-TiAl合金粉末平均粒度为155μm。
所述的γ-TiAl合金粉末球形度99.2%。
所述的γ-TiAl合金粉末无夹杂。
所述的步骤5）制粉过程中增氧量为90ppm。
对上述粉末进行增材制造成型，并进行热处理，其力学性能为：屈服强度947MPa，抗拉强度1021MPa，断后伸长率13.5%，断面收缩率33%，能够满足航空航天领域的应用需求。