Способ получения пористого титанового материала Российский патент 2025 года по МПК B22F3/11 C22C1/08 

Изобретение относится к порошковой металлургии титана, а именно к способам получения пористых материалов из титана и его сплавов. Изобретение может быть применено к получению пористых изделий из быстрозакаленных волокон, получаемых методом экстракции висящей капли расплава или тонких титановых проволок. Пористые титановые материалы, получаемые из таких металлургических полуфабрикатов, обладают повышенной прочностью при сжатии, упругим поведением и могут применяться в качестве демпфирующих, звукопоглощающих материалов, а также как медицинские имплантаты.

Известен способ получения пористых титановых материалов из быстрозакаленных волокон, заключающийся в прессовании волокон при комнатной температуре и последующем спекании при повышенных температурах (800-1000°С) [Коллеров М.Ю., Шляпин С.Д., Гусев Д.Е., Сенкевич К.С., Рунова Ю.Э. Влияние режимов термической обработки и диффузионной сварки на структуру и свойства заготовок пористого материала из волокон титана // Металлы. 2015. №6. С. 32-36, заключающийся в спекании свободно засыпанных в технологические формы порошков при температуре 600-800°С в условиях их гидрирования водородом (до концентрации 0,1-1 мас. %)]. Недостатком данного способа является невозможность получить бездефектные спеченные контакты титановых волокон при температурах ниже 900°С.

Известен способ термоводородной обработки полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов (RU 2594548 С1). Способ включает в себя 2 этапа: получение пористых заготовок из титановой проволоки или быстрокристаллизованного волокна способом диффузионной сварки в вакуумной установке диффузионной сварки с последующей термоводородной обработкой в установках типа Сивертса при разных температурно-временных параметрах и гидрировании до различных концентраций водорода. Недостатком данного способа является его сложность и экономическая неэффективность, заключающаяся в использовании трех разных технологических этапов (диффузионная сварка, гидрирование и дегидрирование) с использованием разного технологического оборудования.

Наиболее близким к заявляемому методу получения пористых титановых материалов является способ получения пористых изделий из быстрозакаленных порошков титана и его сплавов (патент RU 2641592 C2), являющегося β-стабилизатором и способствующего переходу титана в процессе спекания из α-фазы в α+β или β-фазу. Затем осуществляют вакуумный отжиг изделия при температуре 600-800°С в течение 30-120 минут, разрушают или разбирают формы и ведут спекание полученного подспеченного полуфабриката изделия в вакуумной печи при температуре 900-1200°С в течение 30-120 минут. Недостатком данного способа является невозможность получения прочных пористых материалов при низких температурах (600-800°С) из-за недостаточно активных диффузионных процессов в α+β или β-фазе при данных температурах. Поэтому требуется дополнительное высокотемпературное спекание. Кроме того, этот способ предназначен только для быстрозакаленных титановых порошков, которые имеют сферическую форму, и обладают высокой текучестью, что позволяет легко их засыпать в формы для спекания. Это невозможно применить к длинномерным волокнам или проволокам, у которых отсутствует текучесть.

Задачей настоящего изобретения является получение бездефектных спеченных пористых титановых материалов из волокон при низких температурах, 750-850°С.

Техническим результатом является разработка ресурсосберегающей технологии получение пористых титановых волоконных материалов, обладающих высокой прочностью при сжатии.

Для выполнения поставленной задачи осуществляют предварительное холодное прессование титановых волокон для формирования начальных площадок их физического контакта, после чего прессованные пористые образцы переносятся в установку для гидрирования, вакуумируют ее и проводят нагрев до температуры спекания 750-850°С, затем в камеру установки напускают водород до концентрации, способствующей формированию двухфазного βTi+TiH_x состава титана и проводят водородное спекание, после чего при температуре спекания осуществляют вакуумное дегидрирование, затем охлаждают спеченный пористый материал до комнатной температуры. Предложенный способ обеспечивает формирование прочных спеченных контактов в пористом титановом волоконном материале при спекании при пониженных температурах, 750-850°С.

В качестве исходного металлургического полуфабриката для разрабатываемых пористых материалов предлагается использование быстрокристаллизованных титановых волокон, получаемых методом экстракции висящей капли расплава, так как такие волокна обладают хорошей формуемостью при холодном прессовании и обеспечивают заданную форму пористого прессованного полуфабриката перед спеканием. Также этим требованиям удовлетворяют тонкие титановые волокна, толщиной менее 0,5 мм, получаемые традиционными методами волочения проволоки.

Материалом для пористых материалов выбран чистый титан, обладающий высокой пластичностью при холодной деформации и высокой абсорбирующей способностью к водороду. Также таким требованиям могут удовлетворять титановые сплавы, например, α+β сплав ВТ6, сплавы на основе орторомбической фазы Ti₂AlNb, титановые β-сплавы.

Холодное прессование волокон осуществляют до образования в пористых заготовках плоских физических контактов волокон со значительной пластической деформацией контактирующих волокон. Предпочтительным является пористость не более 70%, при которой формируется большое количество контактов требуемой формы.

Температура спекания находится в интервале 750-850°С, при которых титан и его сплавы активно абсорбируют водород, процессы самодиффузии достаточно активны и не наблюдается избыточный рост зерен.

Вводимая в титан концентрация водорода должна обеспечивать в процессе спекания переход его фазового состава из α-фазы в двухфазную область βTi+TiHx. Это обеспечивается β-стабилизирующим действием водорода, который снижает температуру полиморфного αTi↔βTi превращения, а с превышением концентрации водорода более 2 мас. % из β-фазы (согласно диаграмме Ti-H) выделяется гидридная фаза TiHx. Двухфазный состав в титане необходим для формирования при спекании межфазных границ типа титан/гидрид титана и активации зернограничной диффузии. Таким образом, концентрация водорода должна составлять не менее 2 мас. %.

Спекание в водороде проводят от 1 до 2 часов для обеспечения равномерного прогрева спекаемых образцов, адсорбции водорода и диффузионных процессов при спекании. Вакуумное дегидрирование осуществляют при температуре водородного спекания в течение 0,5-2 часов, в зависимости от температуры.

Примеры реализации предложенного изобретения:

1. Быстрозакаленное волокно из титана марки ВТ1-0 было получено методом экстракции висящей капли расплава и представляет собой длинномерный полуфабрикат с сечением, имеющим эквивалентный диаметр 70 мкм. Волокно определенной массы помещали в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8,5 мм и прессовали по ограничителям до заданной высоты, при которой получается спрессованный цилиндрический образец с пористостью 46%. Образец помещали в реторту установки Сивертса, вакуумировали ее и нагревали до температуры 750°С, после чего прекращали откачку из реторты и напускали в нее водород, который поглощался титаном в количестве 2,5 мас. %, и осуществляли водородное спекание в течении 1 часа. После этого осуществляли откачку водорода из реторты продолжая спекать титановый пористый образец в условиях вакуумного дегидрирования в течении 1 часа, а затем полученный спеченный образец охлаждали до комнатной температуры. Полученный спеченный пористый образец испытывали при сжатии на испытательной машине TiRaTest 2300 при скорости деформации 2 мм/минуту. Рассчитывали предел пропорциональности при сжатии (σ^с_пц). Установлено, что σ^с_пц полученного пористого материала равен 81 МПа.

2. Быстрозакаленное волокно из титана марки ВТ1-0 было получено методом экстракции висящей капли расплава и представляет собой длинномерный полуфабрикат с сечением, имеющим эквивалентный диаметр 70 мкм. Волокно определенной массы помещали в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8,5 мм и прессовали по ограничителям до заданной высоты при которой получается спрессованный цилиндрический образец с пористостью 46%. Образец помещали в реторту установки Сивертса, вакуумировали ее и нагревали до температуры 850°С, после чего прекращали откачку из реторты и напускали в нее водород, который поглощался титаном в количестве 2,5 мас. %, и осуществляли водородное спекание в течении 30 минут. После этого осуществляли откачку водорода из реторты продолжая спекать титановый пористый образец в условиях вакуумного дегидрирования в течении 1 часа, а затем полученный спеченный образец охлаждали до комнатной температуры. Полученный спеченный пористый образец испытывали при сжатии на испытательной машине TiRaTest 2300 при скорости деформации 2 мм/минуту. Рассчитывали предел пропорциональности при сжатии (σ^с_пц). Установлено, что σ^с_пц полученного пористого материала равен 108 МПа.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способу получения пористых материалов из титана. Может использоваться для получения демпфирующих, звукопоглощающих материалов и медицинских имплантатов. Путем холодного прессования быстрокристаллизованного титанового волокна получают полуфабрикат, размещают его в установке для гидрирования и нагревают до 750-800°С. Затем подают водород и проводят гидрирование до получения концентрации водорода не менее 2 мас. %. После чего проводят водородное спекание в течение 1-2 ч и дегидрирование в вакууме при температуре спекания в течение 0,5-2 ч. Обеспечивается получение пористого титанового волоконного материала с высокой прочностью при сжатии. 2 пр.

Способ изготовления пористого изделия из титана, включающий гидрирование полуфабриката из титана, спекание в гидрированном состоянии, дегидрирование и охлаждение до комнатной температуры, отличающийся тем, что упомянутый полуфабрикат получают путем холодного прессования быстрозакаленного волокна из титана, полученный полуфабрикат помещают в установку для гидрирования, вакуумируют и нагревают до температуры 750-800°С, после чего подают водород и проводят гидрирование до концентрации поглощенного титаном водорода не менее 2 мас. %, обеспечивающей формирование двухфазного состава βTi+TiHx, затем проводят водородное спекание в течение 1-2 ч, а дегидрирование осуществляют в вакууме при температуре спекания в течение 0,5-2 ч.