【摘 要】
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钛及钛合金因具有强度高、密度小、机械性能好、无磁性、韧性和抗蚀性能好等优异的特性,被广泛应用于航空、航天、航海、汽车、医疗等领域。近年来,基于钛及钛合金粉末的成形技术已进入快速发展阶段,而钛及钛合金粉末的纯度、球形度、流动性、夹杂、气体含量、粒度及粒度分布是决定钛及钛合金成形技术发展的重要因素,也是发展钛及钛合金先进成形技术的基石。因此本文以制备低成本,高质量的钛粉为研究目的,采用数值模拟的方法,
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钛及钛合金因具有强度高、密度小、机械性能好、无磁性、韧性和抗蚀性能好等优异的特性,被广泛应用于航空、航天、航海、汽车、医疗等领域。近年来,基于钛及钛合金粉末的成形技术已进入快速发展阶段,而钛及钛合金粉末的纯度、球形度、流动性、夹杂、气体含量、粒度及粒度分布是决定钛及钛合金成形技术发展的重要因素,也是发展钛及钛合金先进成形技术的基石。因此本文以制备低成本,高质量的钛粉为研究目的,采用数值模拟的方法,对等离子熔化技术和气体雾化技术进行了仿真研究。在等离子雾化法的基础上,采用同轴送丝的方式,设计了等离子同轴送丝雾化制粉设备。并利用自主设计的等离子同轴送丝雾化制粉设备对钛粉的制备工艺进行研究,分析了各工艺参数对钛粉粒度及粒度分布的影响,以及粒径大小对钛粉表面形貌的影响。最后成功制备了低成本、高质量的钛粉。主要研究成果如下:设计了四种不同内径的阴极喷嘴结构,利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics5.6分析了等离子体及钛丝熔化规律,并对阴极喷嘴结构进行优化,优化后的阴极喷嘴内径为4.8mm。通过数值模拟发现,增大电流强度,等离子体的温度会随之升高,当电流强度超过60A时,等离子体的最高温度将达到10~4K以上,出口温度也超过了8.0×10~3K。同时增大入口氩气速度,等离子体会发生一定程度的收缩,但总体上最高温度都在8.0×10~3K以上。等离子体的温度分布对钛丝熔化有着显著影响,温度越高,钛丝吸收的热量就越多,钛丝熔化速度越快。分别设计了不同伸出量和不同角度的雾化喷嘴结构,利用有限元分析软件Fluent19.2建立了气体雾化结构模型,分析了雾化喷嘴伸出量、雾化喷嘴角度对雾化气流场的影响,确定了最优雾化喷嘴伸出量为2mm,雾化喷嘴角度为36°。在此基础上,分析了雾化氩气入口压强对单相气流场和气液两相流场的影响,当雾化氩气的速度较大时,有利于氩气对钛液进行有效雾化,提高粉末质量。引入钛液以后,钛液会与回流区内的氩气发生碰撞,同时对气流场产生影响,造成回流区变形。基于数值模拟结果,设计了等离子同轴送丝雾化制粉设备,对等离子同轴送丝雾化制粉工艺进行研究,确定最佳工艺参数为:电流强度40A,雾化氩气压力4MPa,送丝速度0.01m/s。在该工艺参数下,细粉（≤50μm）收得率可达47.99%,粉末表面光洁度好,基本不存在卫星粉,球形度高。
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