采用射频等离子球化技术制备轻质TiNbCrAlVMoZr多主元素合金粉末

《Powder Technology》：Fabrication of lightweight TiNbCrAlVMoZr multi-principal element alloy powder by RF plasma spheroidization

轻质多主元合金TiNbCrVAlMoZr通过射频等离子体球化处理，优化功率（25-40kW）和气体环境（Ar、Ar-H2）可有效提升球化率至92.1%，改善粉末流动性和密度，降低氧含量至0.63wt%，抑制Cr-rich Laves相形成并实现均匀BCC结构。

　　

冯瑞|谭冲|周子怡|苏毅|Francois Gizthofer|周志伟|文家欣|文世航|朱海龙|刘欣

山西大学物理与电子工程学院，中国太原030006

摘要

轻质多主元素合金由于其优异的比强度和热稳定性，在航空航天和能源应用领域受到了越来越多的关注。然而，由于这些合金具有强烈的氧化倾向、较差的流动性以及元素偏析（Laves相）问题，制备高质量的轻质多主元素合金粉末用于增材制造仍然面临挑战。在本研究中，采用射频等离子体处理技术对不规则的TiNbCrAlVMoZr合金粉末进行了球化处理，并系统地研究了等离子体功率（25–40 kW）和等离子体气氛（Ar、Ar₂）对粉末形态、微观结构和氧含量的影响。随着等离子体功率的增加，球化率从80.1%提高到了92.1%，同时粉末的流动性、堆积密度和尺寸均匀性也得到了显著改善。更高的功率使得更宽尺寸范围内的颗粒能够完全熔化。元素映射分析证实了元素偏析的消除以及Cr富集的Laves相的抑制，从而形成了均匀的单相体心立方微观结构。在Ar₂等离子体作用下，氧含量从原始粉末的1.24 wt%有效降低到了0.63 wt%，这一结果得到了X射线光电子能谱和热力学分析的支持，表明原子氢具有很强的化学还原能力。本研究展示了一种可行的方法，用于生产适用于先进轻质合金增材制造的高球形度、低氧含量的轻质多主元素合金粉末。

引言

轻质多主元素合金（LMPEAs）被视为极具前景的下一代结构材料，因为它们结合了高性能和低密度[1]。通过在灵活的成分空间内集成多种主要元素，这些合金为实现比传统结构合金更高的比强度提供了可行的途径[2]。在各种LMPEA体系中，基于Ti–Nb–Cr的合金特别受到关注，因为它们结合了相对较低的密度和稳定的高熔点体心立方（BCC）固溶体，这有利于高温下的机械稳定性，并使其能够在航空航天发动机、燃气轮机、军用装甲和核反应堆等苛刻应用中发挥作用[[3],[4],[5]]。

尽管具有这些优势，但相不稳定性和对氧的敏感性仍然是LMPEAs面临的两大关键挑战。先前的研究表明，Laves相的形成会通过促进元素偏析、孔隙形成和脆性断裂行为严重恶化微观结构的均匀性和机械可靠性[6,7]。在基于Ti–Nb–Cr的体系中，氧化现象难以抑制，且在粉末处理过程中已经观察到Cr富集的Laves相的形成，这会进一步降低粉末质量和处理稳定性。因此，在制备LMPEA粉末时严格控制氧含量和微观结构均匀性至关重要[[8],[9],[10],[11]]。

LMPEAs的内在成分复杂性使其对加工条件非常敏感，使得粉末制备成为控制氧吸收和相稳定性的关键步骤。因此，粉末的特性（如球形度、纯度和成分均匀性）在减少加工引起的缺陷方面起着决定性作用，尤其是在基于粉末的增材制造中[[12],[13],[14],[15]]。目前，LMPEA粉末主要通过气体雾化（GA）和等离子旋转电极工艺（PREP）[[[16],[17],[18]]生产。然而，与内部缺陷、球形度不一致以及细粉产量有限相关的问题仍然难以克服[19,20]。

为了解决这些问题，射频（RF）等离子体球化（高温、高焓、无电极污染）作为一种有效的后处理技术，已被证明可以改善粉末的形态和纯度[21]。先前的研究表明，RF等离子体球化可以显著降低氧含量并促进各种合金粉末的成分和微观结构均匀化[22],[23],[24]]。然而，尤其是在不同等离子体气氛下，控制氧还原的机制尚未得到充分理解。

在本研究中，采用RF等离子体球化技术系统地研究了等离子体功率和气氛对Ti–Nb–Cr基LMPEA粉末球化行为、相演变、氧含量和Laves相抑制的影响。深入阐明了不同气体环境中等离子体球化过程中氧去除的机制。研究结果为生产具有均匀成分和低氧含量的球形LMPEA粉末提供了重要指导。本研究制备的粉末将用于后续的粘结剂喷射3D打印实验，相关工艺参数和成型零件的性能评估将在后续工作中进行展示。

部分摘录

原始粉末制备

不规则的TiNbCrVAlMoZr轻质多主元素合金锭经过氢化-脱氢（HDH）处理后得到了原始粉末。原始粉末的形态和粒径分布如图1所示。粉末具有粗糙不规则的形态，粒径分布范围为1 μm至30 μm，中位直径（D₅₀）为12.12 μm。如图1(c)所示，观察到了许多树枝状特征

等离子体功率对TiNbCrVAlMoZr粉末球化的影响

不同等离子体功率下球化的TiNbCrVAlMoZr粉末的表面形态如图4(a–d)所示。随着输入功率从25 kW增加到40 kW，粉末逐渐从不规则颗粒转变为高度球形的颗粒。相应的球化率分别为80.1%、82.9%、87.2%和92.1%，如表3所示。这种单调增加反映了在高功率下颗粒熔化和表面张力驱动的重塑作用的增强。

结论

本研究成功利用射频等离子体球化技术将不规则的TiNbCrVAlMoZr轻质多主元素合金粉末高效转化为高性能的球形粉末。等离子体功率显著影响球化速率。输入功率从25 kW增加到40 kW时，球化率从80.1%提高到了92.1%，显著改善了粉末的流动性、表观密度和堆积密度。与原始粉末（氧含量1.24 wt%）相比，

作者贡献声明

冯瑞：撰写——原始草稿，研究，数据整理。谭冲：撰写——审阅与编辑，方法论。周子怡：研究。苏毅：方法论。Francois Gizthofer：方法论。周志伟：方法论。文家欣：研究。文世航：研究。朱海龙：指导，方法论，资金获取。刘欣：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：11875039）、山西省基础研究计划（项目编号：202303021221071）、山西省留学基金委员会支持的研究项目（项目编号：2023-033和2022-014）以及广东省科技创新项目（项目编号：2025A0505080019）的支持。