Способ получения плотного материала из порошка титана Российский патент 2024 года по МПК B22F3/15 

Изобретение относится к порошковой металлургии, к термомеханическому способу уплотнения порошковых заготовок как альтернативе горячему изостатическому прессованию порошков металлов и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при изготовлении заготовок и деталей из титановых порошков.

Известен способ из патента ЕА018035, 2013 [1], включает (а) смешивание крупных нерафинированных порошков титана, стандартных титановых порошков, гидрированных порошков титана, которые содержат различное содержание водорода с легирующими порошками, (b) формование полученной смеси при комнатной температуре в пресс-формах, прямой прокаткой, холодным изостатическим прессованием или инжекционным формованием до плотности не менее 60% от теоретического значения, (с) дополнительное дробление порошка гидрированного титана на фрагменты во время формования под давлением 400-960 МПа для обеспечения однородной системы мелких пор, которая содействует их исчезновению во время спекания, (d) химическую очистку титанового порошка в заготовках при нагреве до 300-900°С и выдержке не менее 30 мин для реакции Cl, Mg и кислорода с водородом, который выделяется при распаде гидрида титана, (е) нагревание в вакууме для спекания в области существования β-фазы титана при температурах 1000-1350°С, выдержку не меньше 30 мин и охлаждение.

Недостатком данного способа является наличие дополнительных операций по дроблению порошка гидрированного титана и химической очистки. При этом на предварительном этапе компактирования в пресс-формах обеспечивается плотность в диапазоне 60% от теоретической, т.е. допустима остаточная пористость до 40%. Наличие нерафинированного недосепарированного крупного порошка титана хотя и удешевляет сырье, но требует дополнительных операций химической очистки для реакции Cl, Mg и кислорода с водородом, который выделяется при распаде гидрида титана, что также можно отнести к недостаткам способа с точки зрения экологичности.

Известен способ получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов из патента RU 2583564 C1, 10.05.2016 [2]. Способ получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов включает компактирование заготовки из гранул, горячее изостатическое прессование и поэтапную термомеханическую обработку. Перед проведением горячего изостатического прессования гранулы помещают в капсулу, полость которой вакуумируют для дегазации помещенных в нее гранул. Горячее изостатическое прессование гранул осуществляют вместе с капсулой, а термомеханическую обработку компактированной заготовки осуществляют в два этапа: на первом осуществляют предварительную горячую деформацию заготовки с относительной деформацией ε не менее 0,7 и при температуре на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава, а на втором осуществляют окончательную горячую деформацию с относительной деформацией 0,9< ε <1,0 при температуре на 10-100 °C выше температуры сольвуса сплава. Поковки с нанокристаллической структурой характеризуются высокими характеристиками прочности и пластичности.

Недостатком данного способа является двухступенчатая процедура компактирования с разной степенью деформирования, что усложняет процесс и увеличивает время формования заготовок.

Известен способ получения полуфабрикатов из отходов титановых сплавов из патента RU 2131791, опубл. 20.06.1999 [3]. Способ получения полуфабрикатов из отходов титановых сплавов, включающий измельчение исходных титановых сплавов на гранулы и смешение их с порошком гидрида титана, компактирование смеси в заготовки, формирование защитной гермооболочки на поверхности заготовки, нагрев под прессование и термическое наводороживание, последующее прессование, при котором компактирование заготовок осуществляют в виде таблеток с последующим их соединением по меньшей мере попарно с прослойкой между ними из гидрида титана, например, в виде пластины, в качестве защитной гермооболочки используют полый стакан из тугоплавкого жаростойкого сплава с встроенной в его донышке фильерой для прессования, нагрев под прессование ведут в две стадии, при этом на первой стадии нагрева проводят очистку поверхности и приповерхностного слоя гранул от окислов путем растворения их в объеме гранул, на второй стадии проводят нагрев собранной заготовки для поверхностного термического наводороживание, осуществляемого путем послойного разложения гидрида титана в собранной заготовке, очистку приповерхностного слоя от окислов проводят на глубину до 20% от средней толщины гранул, при этом нагрев ведут до температуры не выше 400 °С, а насыщение водородом слоя, очищенного от окислов, осуществляют вплоть до концентрации соответствующей гидриду титана. Способ позволяет снизить затраты на получение полуфабрикатов за счет увеличения производительности процесса не менее чем в 1,5-1,6 раза и повысить качество на 20-25%.

Недостатком известного способа является его сложность за счет применения нескольких стадий термической обработки, требующие дополнительную очистку от окислов и наводороживание, что увеличивает длительность технологического процесса.

Известен способ получения компактного материала из патента RU 2038193, опубл. 27.06.1995 [4]. Способ получения компактного материала заключается в том, что засыпку гранул ведут в контейнер, выполненный из материала с температурой плавления ниже температуры окончательного газостатического прессования, перед которым проводят предварительное горячее газостатическое прессование при температуре ниже температуры плавления контейнера с выдержкой 4 - 12 ч и давлении, равном давлению окончательного прессования.

Недостатком известного способа является то, что известным способом получают компактный материал с более высокими энергетическими и временными затратами по сравнению с заявляемым способом.

Наиболее близким по технической сущности является техническое решение из статьи «Pribytkov G.A., Firsina I.A., Baranovskiy A.V., Krivopalov V.P. Hot Consolidation of Titanium Powders. Powders. 2023, 2, 484–492» [5], в которой исследована микроструктура, твердость и прочность при испытаниях на изгиб пластинчатых образцов, полученных горячим уплотнением титановых порошков, отличающихся дисперсностью и содержанием водорода. Порошки помещали в герметичные контейнеры и деформировали после кратковременного нагрева в печи до 900 °С. Схема деформирования обеспечивала преимущественно сдвиговую деформацию с боковым подпором, предотвращающим растрескивание. Наибольшие значения твердости и прочности на изгиб получены для мелкого порошка марки ПТОМ-1, содержащего 0,32 % водорода. Дополнительный вакуумный отжиг прессовок из порошка ПТОМ-1 увеличивает прочность на изгиб на 60 %.

Недостатком известного, описанного в статье, способа является то, что известным способом получают компактный материал в условиях, требующих более длительный процесс нагрева с более высокими энергетическими и временными затратами по сравнению с заявляемым способом, при достижении аналогичных механических свойств материала.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения плотного материала из порошка титана.

Техническим результатом способа является получение плотного материала с показателями прочности, твердости и низкой пористости не хуже, чем у прототипа, при меньших энергетических и временных затратах технологического процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения плотного материала из порошка титана включает засыпку порошка в тонкостенную стальную трубку, герметизацию капсулированной заготовки, нагрев и прессование заготовки, при этом заготовку помещают в печь, предварительно нагретую до температуры 850 °С и выдерживают в течение 10-15 мин, далее осуществляют прессование горячей заготовки, при этом используют титановые порошки с содержанием с водорода не более 0,32 масс. %.

При этом прессование горячей заготовки осуществляют при давлении 360 - 600 МПа. После прессования горячей заготовки может быть дополнительно проведен отжиг заготовки в вакуумной печи при вакууме 10^-2 Па и температуре 870 °C с выдержкой 2 часа или при температуре 1300 °C с выдержкой 1 час. В способе использован титановый порошок марки ТПП-8.

Раскрытие сущности изобретения.

Из общедоступных источников известно, что горячее изостатическое прессование (ГИП) - сложный технологический процесс обработки изделий высоким газовым давлением при повышенных температурах. Наиболее широко ГИП применяется для производства плотных, беспористых изделий из металлических порошков, а также для уплотнения фасонных отливок, например, из титановых сплавов. Для осуществления ГИП необходимо специальное оборудование и оснастка (например, газостат).

Предлагаемый способ получения плотного материала из порошка титана относится к порошковой металлургии, к термомеханическому способу уплотнения порошковых заготовок как альтернативе горячему изостатическому прессованию порошков металлов.

Для осуществления заявляемого способа используют порошок титана марок: ТПП-8 с дисперсностью <160 мкм, содержанием водорода не более 0,32 масс. %.

Указанную марку порошка засыпают в тонкостенную трубку из стали, заплющенную с одного конца. Трубку с порошком титана заплющивают с другого конца, то есть проводят герметизацию капсулированной заготовки, чтобы не допустить окисление порошка при последующем нагреве. В отличие от прототипа, капсулированную заготовку в предлагаемом способе помещают в предварительно нагретую муфельную печь СНОЛ до температуры 850 °С и выдерживают в течение 10-15 мин. Температура 850 °С и выдержка 10-15 мин являются оптимальными для повышения пластичности порошка и обеспечения его максимального межчастичного контактного взаимодействия за счет последующей высокой сдвиговой деформации, которая облегчает прохождение процессов диффузионного взаимодействия между частицами порошка титана при образовании компакта. Помещая капсулированную заготовку в предварительно нагретую до 850 °С муфельную печь и выдерживая не более 10-15 мин, гарантируется повышение пластичности порошка в заготовке, снижения твердости и хрупкости приповерхностного слоя частиц. При этом, выбранное время (10-15 мин) выдержки при данной температуре является незначительным, чтобы сформировать существенный оксидный слой на поверхности частиц титана, который бы препятствовал пластическому течению порошкового материала.

Поэтому далее осуществляют прессование горячей капсулированной заготовки при давлении прессования 360 - 600 МПа. При вариации давления прессования от 360 до 600 плотность материала прессовок растет от 4,399 г/см³ до 4,436 г/см³, а пористость уменьшается с 2,4% до 1,5%. Для получения наивысших прочностных характеристик материала заготовки, авторы рекомендуют использовать давление прессования порядка 600 МПа, при котором происходит более плотная упаковка частиц порошка титана, разогретых при температуре печи 850 °С и выдержке 10-15 мин, способствующее получению беспористой структуры материала прессовки. Для предотвращения быстрого охлаждения при прессовании между плитами пресса и поверхностью сборок помещали теплоизолирующие прокладки из плотного асбестового картона толщиной 0,8 мм.

После прессования нагретой капсулированной заготовки дополнительно проводят ее отжиг в вакууме 10^-2 Па при температуре 870 °C с выдержкой 2 часа или при температуре 1300 °C с выдержкой 1 час. Уменьшение выдержки снижает свойства компактов из-за незавершенности процесса сращивания смежных частиц порошка титана, а увеличение выдержки приводит к нежелательному росту зерна, также приводит к удорожанию технологического процесса при отсутствии улучшения свойств.

Пористость полученного материала равна (1,5-2,4) %, твердость HV₂₀₀ 1,9-2,3 ГПа, предел прочности на изгиб σ_ИЗ 490-530 МПа, плотность (4,399-4,436) г/см³.

Для выполнения конкретных примеров использовалось следующее оборудование и материалы.

Испытания на трехточечный изгиб по ГОСТ 57749-2017 проводили на испытательной машине INSTRON 1185 при скорости нагружения 0,5 мм/мин с записью диаграмм в координатах «изгибающая сила - стрела прогиба». Микротвердость измерялась на твердомере Роквелла в соответствии с ГОСТ 9013-59. Плотность материала пластинок измерялась по ГОСТ 24409-80.

В примерах использовалось оборудование для прессования гидравлический пресс ПРП на 80т; муфельная печь марки СНОЛ. Электропечь вакуумная СНВЭ. Порошок титана: марки ТПП-8 с дисперсностью не более 160 мкм.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Порошок титана марки ТПП-8 плотно набивают в заплющенные с одного конца отрезки тонкостенной стальной трубки с внешним диаметром 14 мм. Трубку с порошком титана заплющивают с другого конца и таким образом герметизируют, чтобы избежать окисления порошка при последующем нагреве. Полученную сборку помещают в муфельную печь, предварительно разогретую до 850 °С и выдерживают в ней в течение 10 мин. Затем горячую стальную трубку с порошком титана прессуют давлением 600 МПа. Для предотвращения быстрого охлаждения при прессовании между плитами пресса и поверхностью сборок помещают теплоизолирующие прокладки из плотного асбестового картона толщиной 0,8 мм.

После охлаждения пластины из спрессованного порошка титана освобождают от стальной оболочки. Размер пластины в поперечном сечении составляет (2,6×2,1) мм.

В результате пористость материала пластины 1,5 %, твердость HV₂₀₀ 2,2 ГПа, предел прочности на изгиб σ_И 530 МПа, плотность 4,436 г/см³. При этом материал пластины претерпевает излом по хрупкому механизму.

Пример 2.

Порядок проведения эксперимента такой же, как в примере 1.

Отличием является то, что для примера 2 выдержка сборки в печи, предварительно разогретой до 850 °С проводят в течение 15 минут, давление горячего прессования 360 МПа.

В результате плотность материала пластины 4,399 г/см³, пористость 2,4%, твердость HV₂₀₀ 1,9 ГПа, предел прочности на изгиб σ_И 490 МПа.

Пример 3.

Порядок проведения эксперимента такой же, как в примере 1.

Отличием является то, что полученные после прессования пластины подвергают дополнительному вакуумному (10^-2 Па) отжигу при 870 °C с выдержкой 2 часа в вакуумной печи.

В результате отжига твердость материала пластин равна HV₂₀₀ 2,3 ГПа, при одновременном росте предела прочности на изгиб примерно на 40% (σ_И 700 МПа), пористость равна 2,0 %. При этом характер излома материала пластин меняется от хрупкого к хрупко-вязкому.

Пример 4.

Порядок проведения эксперимента такой же, как в примере 3.

Отличием является то, что полученные после прессования пластины подвергают дополнительному вакуумному (10^-2 Па) отжигу при 1300 °C с выдержкой 1 час.

В результате отжига твердость материала пластин равна HV₂₀₀ 2,2 ГПа, при одновременном росте предела прочности на изгиб примерно на 40% (σ_И 735 МПа), пористость равна 1,8 %.

При этом характер излома материала пластин меняется также от хрупкого к хрупко-вязкому.

Преимуществами заявляемого изобретения являются:

- уменьшение количества стадий технологических операций;

- отсутствие дополнительных неэкологических (химических и химико-термических) операций;

- простая конструкция капсулы-оболочки для уплотнения и простота ее использования;

- низкие трудозатраты при освобождении от стальной оболочки контейнера;

- меньшие энергетические затраты.

Изобретение относится к порошковой металлургии, к термомеханическому способу уплотнения порошковых заготовок как альтернативе горячему изостатическому прессованию порошков металлов и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при изготовлении заготовок и деталей из титановых порошков. Способ включает засыпку порошков в тонкостенную стальную трубку для получения капсулированной заготовки, герметизацию капсулированной заготовки, нагрев с последующим прессованием заготовки, при этом заготовку помещают в печь, предварительно нагретую до температуры 850°C, и выдерживают в течение 10-15 мин, затем осуществляют прессование нагретой заготовки при давлении 360-600 МПа, при этом используют титановые порошки с содержанием водорода не более 0,32 мас. %. Технический результат - получение плотного материала с показателями прочности, твердости и низкой пористости не хуже, чем у прототипа, при меньших энергетических и временных затратах технологического процесса. 1 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Способ получения спрессованного материала из порошков титана, включающий засыпку порошков в тонкостенную стальную трубку для получения капсулированной заготовки, герметизацию капсулированной заготовки, нагрев с последующим прессованием заготовки, отличающийся тем, что заготовку помещают в печь, предварительно нагретую до температуры 850°С, и выдерживают в течение 10-15 мин, затем осуществляют прессование нагретой заготовки при давлении 360-600 МПа, при этом используют титановые порошки с содержанием водорода не более 0,32 мас. %.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после прессования нагретой заготовки проводят отжиг заготовки в вакууме 10^-2 Па при температуре 870°C с выдержкой 2 ч или при температуре 1300°С с выдержкой 1 ч.