《J. Alloys Compd.》：基于超声雾化的多尺度增强钛基复合粉末的制备与性能研究

引言

随着3D打印（增材制造）技术的快速发展，高性能金属粉末的需求不断增加，特别是在航空航天、汽车、医疗等领域。作为新一代金属粉末，钛基复合粉末因其轻质高强、耐腐蚀等优良性能，成为研究的热点。然而，传统的粉末制备方法存在粒径不均、团聚严重、成分不均匀等问题，限制了其应用。近期，一项创新的超声雾化技术为这一难题带来了新的解决方案。

本文将带您深入了解由沈阳工业大学董福宇教授等人提出的“基于超声雾化的多尺度增强钛基复合粉末的制备与性能研究”，探讨其工艺流程、微观结构、性能表现以及未来应用前景。

正文

传统粉末制备技术的局限性

传统制粉方法主要包括机械研磨、雾化法（火焰雾化、气雾化）和电解法等。这些方法虽然在工业生产中应用广泛，但存在以下几个不足：

形貌不规则：机械研磨制备的粉末往往具有不规则的形状和多孔结构，影响后续的烧结和成型质量。
形状不理想：气相雾化虽能获得较高的球形度，但易产生卫星粒子，影响粉末的流动性和铺粉性能。
粒径分布不均匀：较难精准控制各种粉末的粒径，影响产品的一致性。
微观结构不可控：易出现不均匀元素分布、夹杂物和缺陷，降低材料性能。

这些问题在高性能材料特别是金属基复合材料（如钛基复合材料）的制备中尤为突出。

超声波雾化技术的出现与优势

超声波雾化技术通过利用高频声波让金属熔液产生雾化，形成细腻、均匀、球形的粉末。它比传统雾化方法具有显著优势：

1.高球形度和纯净度

超声波振动促使熔液表面形成稳定的液膜，实现温和而均匀的喷雾，极大提升粉末的球形度，且卫星粒子少，流动性更佳。

2.粒径高度可控

通过调节超声频率和振幅，可以精准控制粉末粒径范围，实现目标粒径（如50-110 μm）高效生产，为特殊应用提供保障。

3.微观结构均一

超声波振动增强熔体的均匀搅拌，有助于元素的均匀分布，减少夹杂和团聚，提高粉末的微观一致性。

4.生成特殊结构粉末

如论文所示，超声雾化能实现复杂的多尺度复合结构（如纳米级TiB钢丝和Ti5Si3颗粒的嵌入），显著改善粉末的机械性能和微观结构。

5.适应多种金属

除了钢铁、铝合金等低熔点金属，超声波雾化同样适用于高熔点合金（如钛合金、粉末金属陶瓷复合材料等），拓展了其应用范围。

研究方法

本研究采用超声雾化（Ultrasonic Atomization, UA）技术，制备了一种具有双结构增强相的钛基复合材料粉末。以Ti6Al4V合金为基体，通过原位反应引入TiB和TiC两种增强相，形成纳米颗粒与棒状结构共同嵌入的复合体系。研究系统分析了超声雾化工艺参数对粉末形貌、粒径分布、微观结构及力学性能的影响。

实验结果

01粉末形貌与粒径：

粉末颗粒呈高度球形，无明显卫星球或粘附现象
粒径分布集中在35~150 μm，适合用于增材制造

02微观结构：

增强相以纳米颗粒和细长棒状两种形态均匀分布于Ti6Al4V基体中
增强相与基体界面结合良好，无明显裂纹或孔隙
形成了典型的“双结构”增强体系，兼顾强度与韧性

03力学性能：

纳米压痕测试显示，粉末颗粒的纳米硬度高达7.564 GPa
相比未增强的Ti6Al4V粉末，硬度和强度显著提升

图文导读

图1.实验程序流程图

图2.超声波雾化装置的原理图

图3.超声雾化法制备的TMCs粉末的粒度分布和质量比。

图4.TMC粉末颗粒的扫描电子显微镜图像：(A)35-60μm粉末，(B)(A)中红盒颗粒的高倍率图像，(C)(A)，(D)60-110μm粉末的粒度分布图像，(E)(D)中红盒颗粒的高倍率图像，(F)(D)，(G)110-150μm粉末的粒度分布图像，(H)(G)中红盒颗粒的高倍率图像，(I)图像(G)的粒度分布。

图5.a）TMCs粉末颗粒的Micro-CT：(A)三维重建结果，(B)从(A)中提取1 mm边长立方体并去除边界颗粒后的重建结果，(C)(B)，(D)-(F)中不同方向的粉末气孔，(G)-(I)粉末和气孔的分析结果。

图6.超声雾化机理示意图。

图7.TMCs粉末颗粒的XRD谱图。

图8.TMCs粉末颗粒的截面微结构和线扫描能谱结果：(a)粉末的截面微结构，(b) (a)中红框的高倍图像，(c) (b)中黄线区域，(d) (c)中黄线扫描能谱结果。

图9.TMCs粉末截面EBSD图：(a)粉末截面反极图，(b)粉末截面相分布图，(c)粒度分布图。

图10.超声雾化液滴凝固成粉末的微观结构示意图。

图11.TMCs粉末颗粒截面中TiB相的TEM表征：(a)粉末截面的TEM图像，(b)-(f) (a)中红点框区域TiB的SAED模式和能谱，(g) (a)中红线框区域的HRTEM图像，(h)中红框区域的高倍成像

(g), (I)-(j) (h)中红点区域和黄线区域的FFT图像，(k)-(l) (h)中红点区域和黄线区域的IFFT图像，(k1)-(l1) (k)和(l)中标记区域的格间距测量。

图12.TMCs粉末颗粒截面中Ti5Si3相的TEM表征：(a)粉末截面的TEM图像，(b)-(f) (a)红点框区域Ti5Si3的SAED图和能谱，(g) (a)红框区域的HRTEM图像，(h) (g)红框区域的高倍图像，

(I)-(j) (h)中红点区域和黄线区域的FFT图像，(k)-(l) (h)中红点区域和黄线区域的IFFT图像，(k1)-(l1) (k)和(l)中标记区域的点阵间距测量。

图13.2 mN/s加载速率和15 mN载荷下不同位置TMCs粉末截面纳米压痕试验：(a)-(b)纳米压痕的载荷-位移曲线和形貌，(c)纳米压痕的硬度和弹性模量。

结语

本研究首次采用超声雾化技术成功制备出具有双结构增强相的钛基复合材料粉末。该方法有效解决了传统制备工艺中增强相分布不均、球形度差等问题，制备出的粉末具有良好的球形度、致密度和力学性能，适用于高性能增材制造应用。

该成果为钛基复合材料粉末的制备提供了新思路，拓展了超声雾化技术在金属基复合材料领域的应用范围，对推动航空航天等领域高性能部件的增材制造发展具有重要意义。

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