Способ получения порошков из интерметаллидных титановых сплавов на основе TiAlNb (Варианты) Российский патент 2021 года по МПК B22F9/02 B22F1/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения порошков из интерметаллидных титановых сплавов на основе Ti₂AlNb (орторомбический интерметаллид титана). Способ может быть применен для получения порошков, применяемых в качестве сырья в различных методах порошковой металлургии - спекание, различные методы горячего прессования, металлическое инжекционное формование, а также методах аддитивного производства, например селективное лазерное спекание/плавление, струйная 3D-печать и других. Основным практическим применением данных порошков и технологий их обработки является получение полуфабрикатов изделий авиационного назначения - деталей газотурбинных двигателей и силовых установок, работающих при температурах до 650°. При этом в зависимости от применяемых технологий порошковой металлургии или аддитивного производства, порошки интерметаллидных титановых сплавов могут быть водородсодержащими или нет.

Известен способ получения порошков титана методом гидрирования и дегидрирования титана (RU 2628228). Способ включает загрузку губчатого титана в реторту, вакуумирование и нагрев его в вакууме, подачу водорода в реторту с обеспечением гидрирования губчатого титана при одновременном охлаждении реторты, извлечение гидрированного губчатого титана из реторты, его измельчение и рассев на фракции, загрузку измельченного гидрированного порошка титана в реторту, его дегидрирование, охлаждение реторты и извлечение порошка титана.

Известен способ получения мелкодисперсного порошка титана (RU 2609762). Способ включает активирование исходного материала, гидрирование, измельчение полученного гидрида титана, термическое разложение гидрида титана в вакууме и измельчение образовавшегося титанового спека. В качестве исходного материала используют слиток, который получают вакуумным переплавом титанового сырья.

Недостатками этих способов являются их применимость к исходному сырью из чистого нелегированного титана, которое обладает высокой способностью к гидрированию при низких температурах (650°С и ниже).

Известен способ получения порошков из титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), описанный в работе [Янко Т.Б. Технология получения «low-cost» порошков легированного Титана для аддитивных процессов / Т.Б. Янко, О.В. Овчинников, М.В. Хазнаферов // Титан, 2015. - №2. - Стр. 31-36], и представляющий собой магниетермическое воостановление губчатого титана с одновременным легированием алюминием и ванадием, гидрирование полученного легированного порошка титана, размол и последующее дегидрирование. Недостатком данного способа является сложность получения высоколегированных титановых интерметаллидных порошков с большим количеством легирующих, тугоплавких, элементов (Nb, Mo, ZR).

Известен способ получения интерметаллидного титан-алюминиевого соединения и наводоороженного интерметаллидного титан-алюминиевого сплава (CN 103639408 A), включающего выплавку слитка из сплава, размол слитка до крупных частиц, их наводороживание и последующий размол до микронного порошка. Недостатком данного способа является сложная многоступенчатая технология размола сначала слитка, а затем новодороженных частиц. Кроме того, способ предложен для сплавов на основе интерметаллида на основе TiAl, обладающего низкой пластичностью при комнатной температуре (не более 1-2%) в отличие от сплавов на основе Ti₂AlNb (до 12-15%), что позволяет легко его разрушать при деформации.

В качестве способа-прототипа взят способ получения порошков из орторомбического интерметаллидного сплава, опробованный в работе [Сенкевич К.С., Умарова О.З., Засыпкин В.В. Эффект хрупкости орторомбического титанового сплава на основе Ti₂AlNb в наводороженном состоянии // Металлы. 2019. №1. С. 35-4], при котором порошок получен размолом наводороженного быстрозакаленного волокна из сплава. Недостатком способа-прототипа является невысокая эффективность шарового размола, не приведшая к получению однородной массы мелкодисперсных порошков с размером частиц менее 30 мкм. Причиной этого является наводороживание волокна до концентраций не более 0,88 мас.%, что не привело к формированию однофазного состояния в сплаве - гидрид интерметаллида, или выделения большого количества частиц гидридной фазы. Кроме того, время размола составляло всего 10 минут. Это привело лишь к частичному размолу волокна, и в обработанной в планетарной шаровой мельнице смеси присутствуют частицы размером 5-80 мкм, отдельные фрагменты волокна размером более 100 мкм и отдельные неразрушенные волокна. Кроме того, гидрирование проводили при температуре 900°С в течение 1 часа, что привело к распаду высокотемпературной β-фазы, существующей при комнатной температуре в результате сверхбыстрой закалки при экстракции висящей капли расплава.

Задачей группы изобретений является получение мелкодисперсных порошков из сплавов на основе орторомбического интерметаллида Ti₂AlNb с размером частиц менее 30 мкм, с сохранением исходного быстрозакаленного фазового состава, или имеющих фазовый состав, представленный гидридом интерметаллида.

Решением поставленной технической задачей является изготовление быстрозакаленного волокна из сплавов методом экстракции висящей капли расплава, его гидрирование до концентрации не менее 1,4% водорода (по массе) при температуре 800°С и измельчение. По второму варианту изобретения гидрирование осуществляют до концентрации от 0,9-1,4% водорода (по массе), а после измельчения проводится дегидрирование и вторичное, окончательное измельчение.

Техническим результатом группы изобретений является технологии получения мелкодисперного порошка из сплавов на основе орторомбического интерметаллидного сплава с размером частиц менее 30 мкм, являющегося оптимальным для применения в различных методах порошковой металлургии и аддитивных технологиях.

Для выполнения поставленной задачи (по первому варианту) методом экстракции висящей капли расплава получено быстрозакаленное волокно из орторомбического интерметаллидного сплава на основе фазы Ti₂AlNb. Волокно представляет собой полуфабрикат тонкого сечения из сплава с мелкодисперсной микроструктурой (размер зерна менее 25 мкм) и высоким однородным распределением основных элементов сплава и легирующих элементов. Волокно было подвергнуто гидрированию в установке типа Сивертса до концентрации не менее 1,4 мас.% водорода. Гидрирование выше 1,4 мас.% необходимо для получения в сплаве однофазного состояния - гидрид интерметаллида, что известно из литературных источников (для химического соединения Ti₂AlNb) и собственных данных рентгенноструктурного анализа (для данного сплава на основе Ti₂AlNb). Гидрирование проводят при температуре не выше 800°С, и не более 20 минут.

Гидрированное волокно размалывают в измельчительном оборудовании в течение 5-30 минут. Время размола зависит от концентрации внедренного водорода, и может варьироваться в зависимости от степени гидрирования сплава, скорости вращения платформы и сосудов на планетарной шаровой мельнице. Полученный порошок имеет фазовый состав, представленный гидридом интереметаллида, размер частиц менее 30 мкм и оскольчатую форму.

Полученный порошок обладает хорошей формуемостью при холодном прессовании, и может быть использован для получения компактных полуфабрикатов из сплава по технологии прессование + спекание или горячее прессование. Хорошая текучесть порошка также позволяет использовать его для применения в технологиях аддитивного производства, при селективном лазерном спекании/плавлении, а использование эффекта разложения гидрида при нагреве, и образование большого количества дефектов кристаллического строения, способствует активным процессам диффузии и спеканию.

Для выполнения поставленной задачи (по второму варианту) волокно подвергают гидрированию до концентрации 0,6-1,4 мас.% водорода. Гидрирование проводят при температуре не выше 800°С не более 20 минут. Экспериментально установлено, что при такой концентрации водорода, и условиях наводороживания, сплавы на основе Ti₂AlNb сохраняют исходный β-фазовый состав и содержат большое количество частиц гидрида интерметаллида. Получение в сплаве высокого содержания мелкодисперсных частиц гидридной фазы, обладающей более высоким объемом, чем матрица сплава, создает напряжения на границе раздела матрица сплава-гидрид в материале, и способствует резкому снижению пластичности сплава. После размола гидрированного волокна, полученный порошок дегидрируют, и размалывают образовавшиеся спеки частиц. Размер и форма частиц при этом принципиально не меняются по сравнению с аналогичными характеристиками порошков в наводороженном состоянии. При дегидрировании происходит разложение гидрида интерметаллида с сохранением исходной β-фазы. Полученные по такому варианту изобретения порошки при нагреве не выделяют водород, и спекаются с менее активной, но более контролируемой усадкой. Известно также, что титановые сплавы и интерметаллиды, имеющие β-фазовый состав, обладают высокой пластичностью при обработке давлением, что в случае сохранения ее в порошках позволит подвергать их горячему прессованию при пониженных давлениях сжатия.

В заявленных вариантах способа получения порошков измельчение волокна целесообразно проводить в планетарных шаровых мельницах, наиболее часто применяемом производственном оборудовании для измельчения. Однако, в виду высокой хрупкости наводороженного волокна из интерметаллидных титановых сплавов на основе Ti₂AlNb, допускается использование других видов оборудования - механические или ручные ступки, шаровые мельницы, дробилки и атритторы.

На фиг. 1 приведена фотография порошка из сплава ВТИ-4, полученного размолом наводороженного быстрозакаленного волокна.

Примеры реализации изобретения

1. Вакуумно-дуговой плавкой изготовлен слиток из орторомбического интерметаллидного сплава марки ВТИ-4 (Ti-12%Al-41%Nb-0,9%Mo-0,8%V-l,3%Zr-0,13%Si), и подвергнут расплавлению, и экстракции висящей капли расплава на вакуумной электронно-лучевой установке ЭВКР. Полученное волокно гидрировали в установке Сивертса при температуре 800°С в течение 10 минут до концентрации 2,15 мас.% Н. При данной концентрации сплав имеет однофазовый состав - гидрид интерметаллида. Гидрированное волокно подвергали размолу в планетарной шаровой мельнице в течение 5 минут со скоростью вращения 100 оборотов/мин. В результате получен дисперсный порошок водородсодержащего интерметаллидного сплава с размером частиц менее 20 мкм и угловатой формы (фиг. 1).

2. Вакуумно-дуговой плавкой изготовлен слиток из орторомбического интерметаллидного сплава марки ВТИ-4, и подвергнут расплавлению, и экстракции висящей капли расплава на ваукуумной электронно-лучевой установке ЭВКР. Полученное волокно гидрировали в установке Сивертса при температуре 800°С в течение 10 минут до концентрации 1,2 мас.% Н. При данной концентрации водорода сплав сохраняет исходный β-фазовый состав, и в матрице сплава выделяются частицы гидрида интерметаллида. Гидрированное волокно подвергали размолу в планетарной шаровой мельнице в течение 20 минут со скоростью вращения 100 оборотов/мин. В результате получен дисперсный порошок с размером частиц менее 30 мкм и угловатой формы. После дегидрирования и вторичного размола подспеченных порошковых агломератов, получен дисперсный порошок сплава размером менее 30 мкм и угловатой формы с β-фазовым составом.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения порошка из орторомбического интерметаллидного титанового сплава на основе Ti₂AlNb. Может использоваться для получения порошка, применяемого в порошковой металлургии и аддитивных технологиях. Способ включает получение быстрозакаленнного волокна из сплава методом экстракции висящей капли расплава, его гидрирование и размол. По первому варианту гидрирование проводят при температуре 800°С до концентрации не менее 1,4 мас.% водорода и осуществляют размол в течение 5-30 минут. По второму варианту гидрирование проводят при температуре 800°С в течение 20 минут до концентрации 0,6-1,4 мас.% водорода, а после размола проводят дегидрирование и дополнительный размол. Обеспечивается получение мелкодисперсного порошка с оптимальным для его дальнейшего использования размером частиц менее 30 мкм. 2 н.з. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ получения порошка из орторомбического интерметаллидного титанового сплава на основе Ti₂AlNb, включающий получение быстрозакаленного волокна из сплава методом экстракции висящей капли расплава, его гидрирование и размол гидрированного волокна с получением порошка, отличающийся тем, что гидрирование проводят при температуре 800°С до концентрации водорода не менее 1,4 мас.%, а гидрированное волокно размалывают в течение 5-30 минут.

2. Способ получения порошка из орторомбического интерметаллидного титанового сплава на основе Ti₂AlNb, включающий получение быстрозакаленнного волокна из сплава методом экстракции висящей капли расплава, его гидрирование и размол гидрированного волокна с получением порошка, отличающийся тем, что гидрирование проводят при температуре 800°С в течение 20 минут до концентрации водорода 0,6-1,4 мас.%, а после размола порошок подвергают дегидрированию и дополнительному размолу.