铝粉的纳米化使固体推进剂、含铝炸药等含能材料的燃烧特性得到明显提升^[1-4]。但高度活化的纳米铝粉表面极易形成2~5 nm的致密氧化层，这不仅降低了活性铝原子的比例，也同时阻碍或延缓了内部铝原子的进一步反应，导致其燃烧热值及速率相对降低^[5-6]。采用表面包覆改性技术可以有效提高表面抗氧化性能，但存在组分相容性、工艺路线设计等诸多问题需要进一步解决^[6]。根据不同金属的氧化特性来调节铝基合金纳米粉末的表面氧化层状态，有望提高纳米铝粉的活性，改善其应用效能。而对于高活性TiAl合金纳米粉末的制备，尚未见公开文献报导，仅有采用球磨法制备纳米晶粒TiAl合金的相关研究，且其粉末的颗粒大小均为微米量级^[7]。为了获得高活性的铝基合金纳米粉末，本试验采用一种自悬浮定向流方法制备了TiAl合金纳米粉末。

自悬浮定向流方法是一种金属/合金纳米粉末的物理类制备技术，其原理示意图如图 1^[8-9]所示。金属丝在高频感应加热和表面张力作用下熔化成液体小球，并由于电磁力的相互作用悬浮于高频电磁场中。随着温度的继续升高，液态金属开始蒸发并形成金属蒸气，随之与惰性气体碰撞，冷却形成金属团簇，并进而长大成纳米粉末。最后惰性气体携带纳米金属粉末，完成其分级、分离和收集。

图 1(Fig. 1)

图 1 自悬浮定向流原理示意图 Fig.1 Scheme of flow-levitation method

金属的饱和蒸气压是自悬浮定向流方法中的一个关键参数。相对于Cu/Al、Ni/Al等金属而言，Ti/Al单质金属的饱和蒸气压相差甚大，其饱和蒸气压与温度的关系如图 2所示，在2300 ℃时其比值约117倍，而Ti的饱和蒸气压仅约400 Pa。因此，和CuAl、NiAl合金纳米粉末的制备相比^[9]，为了获得稳定的TiAl合金制备工艺，必须先调节出稳定的单质Ti纳米粉末的工艺参数，然后再添加Al，获得Ti/Al合金纳米粉末，且蒸发温度须控制在2300 ℃以上。本实验固定Ti、Al金属丝的进料原子百分比为48:52，并通过进丝速率调节蒸发温度，考察不同蒸发温度下TiAl合金纳米粉末的特征。

图 2(Fig. 2)

图 2 Ti/Al金属饱和蒸气压与温度的关系 Fig.2 Relationship between saturated vapor pressure and temperature for Ti/Al metals

图 3所示为TiAl合金纳米粉末的TEM照片。从图 3可以看出，TiAl合金纳米粉末基本上呈球形；在蒸发温度2400 ℃时，其粒径分布在30~200 nm，平均粒径约95 nm；在蒸发温度2330 ℃时，其粒径分布在15~70 nm，平均粒径约40 nm。在自悬浮定向流技术中，高温金属蒸气原子在低温惰性气氛中自由形核、凝聚，所以基本上呈球形。在惰性气体冷却气氛条件一定的条件下，金属熔球的温度越高，所蒸发逸出熔球表面的金属蒸气原子的温度也随之越高，且数量越多，其相对冷却速率越低，因此纳米粉末的粒径也增大。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同蒸发温度下TiAl合金纳米粉末的TEM形貌 Fig.3 TEM images of nanoparticles of TiAl alloy at different evaporating temperatures

图 4所示为TiAl合金纳米粉末的XRD谱，其中图谱下部分分别为α₂-Ti₃Al相和γ-TiAl相的标准谱线。从图 4可以看出，在蒸发温度2400 ℃时，TiAl合金纳米粉末的成分绝大多数为Ti₃Al相，仅含有少量的TiAl相；而在蒸发温度2330 ℃时，其组分为Ti₃Al相和TiAl相的混合物。对于Ti、Al原子计量比接近1:1的TiAl合金，主要存在高温α₂-Ti₃Al相和低温γ-TiAl相。在其微米粉末制备过程中，冷却速率越高，高温Ti₃Al相的比例越大^[10]，恰好与本实验中冷却速率对纳米粉末相组分的影响规律相反，说明TiAl合金纳米粉末的形成机制可能与之不同，有待进一步研究。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同蒸发温度下TiAl合金纳米粉末的XRD谱 Fig.4 XRD spectra of nanoparticles of TiAl alloy at different evaporating temperatures

图 5所示为TiAl合金纳米粉末的EDS谱。从图 5可以计算出，在不同的蒸发温度下TiAl合金纳米粉末的原子百分比约为43:57，与实验设计值48:52接近，其偏差主要来源于原料金属丝的直径不均匀性和测量误差。另外，TiAl合金纳米粉末中还含有少量的氧，但在XRD谱中未见明显的TiAl氧化物的谱线，可能是由于TiAl合金纳米粉末的表面原子层发生了部分氧化，但其晶化程度有限所致。

图 5(Fig. 5)

图 5 TiAl合金纳米粉末的EDS谱 Fig.5 EDS of nanoparticles of TiAl alloy

图 6所示为TiAl合金纳米粉末在空气中氧化后的照片。图 6a显示钝化后的TiAl合金纳米粉末暴露空气后仍然大部分氧化燃烧成白色的TiAl氧化物，且因高温放热凝结成块状物。图 6b显示经等静压压制的相对密度约60%的TiAl合金块体直接暴露空气后也能发生明显氧化，其氧化放热导致称量纸燃烧和玻璃器皿热炸裂。而平均颗粒尺寸相当的Cu、Al、Ni等金属纳米粉末经缓慢氧化钝化后可以在空气中直接使用，因此能够定性表明TiAl合金纳米粉末的高活性。

图 6(Fig. 6)

图 6 TiAl合金纳米粉末在空气中氧化后的照片 Fig.6 Images of nanoparticles of TiAl alloy after oxidized under air atmosphere

采用自悬浮定向流方法制备了球形TiAl合金纳米粉末，其平均颗粒尺寸小于100 nm，主要成分为Ti₃Al相。熔球蒸发温度明显影响TiAl合金纳米粉末的颗粒尺寸和相组成。