СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ Советский патент 1994 года по МПК B22F1/00 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей ГТД с высокими механическими свойствами.

Цель изобретения - получение равномерно легированных порошков титана при сохранении их дисперсности и повышение производительности процесса легирования за счет интенсификации процесса, обусловленного образованием интерметаллических фаз.

Существенными отличиями предлагаемого изобретения являются следующие: предварительный разогрев контейнера с порошковой смесью до температуры 550-600^oC при выдержке контейнера в расплаве в течение времени, определяемого эмпирической формулой, и содержание хлорида алюминия в солевой смеси, составляющее 2-5% , обеспечивают высоко производительное равномерное легирование порошков титана при сохранении их исходной дисперсности.

Способ осуществляют следующим образом.

В реактор загружают солевую смесь, содержащую хлориды натрия, калия и алюминия, причем содержание хлорида алюминия в смеси 2-5% . Смесь расплавляют и выдерживают при температуре 700-750^oC. В перфорированный контейнер загружают предварительно перемешанные порошки титана и легирующего компонента, преимущественно алюминия, помещают контейнер с порошками в реактор над расплавом хлоридов, нагревают контейнер до температуры 550-600^oC, после чего погружают контейнер в расплав, выдерживают контейнер в расплаве в течение времени определяемого в соответствии с эмпирической формулой τ= n ˙с, извлекают контейнер из расплава, охлаждают в атмосфере аргона, после чего полученный порошок отмывают и сушат.

П р и м е р 1. В реактор загружали солевую смесь, содержащую хлориды натрия, калия и алюминия (причем содержание хлорида алюминия в солевой смеси 2-5% ), смесь расплавляли и выдерживали при температуре 700-750^oC. В перфорированный контейнер загружали предварительно смешанные в течение получаса в шаровой мельницу порошки титана (950 г или 95% ) фракции - 630+180 мкм и алюминия (90 г или 5% ) фракции - 062 мкм. Контейнер с порошками подогревали до температуры 550-600^oC, после чего контейнер погружали в расплав, выдерживали в расплаве при температуре 700-750^oC в течение 20-30 мин (в соответствии с эмпирической формулой), после чего извлекали контейнер из расплава, охлаждали в атмосфере аргона, отмывали и сушили.

С помощью отбора проб оценивали равномерность легирования порошков титана легирующим компонентом (количественный анализ), а также оценивали дисперсность полученных порошков (ситовой анализ).

Легирование порошков титана осуществляли также и по другим режимам, в том числе и по способу-прототипу. Полученные порошки также подвергали количественному и ситовому анализам. Полученные результаты приведены в табл. 1.

П р и м е р 2. Действия, аналогичные примеру 1, за исключением того, что содержание порошка титана в исходной смеси 98% , а алюминия 2% , время выдержки в солевом расплаве 8-12 мин (в соответствии с эмпирической формулой). Полученные результаты приведены в табл. 2.

П р и м е р 3. Действия, аналогичные примеру 1, за исключением того, что содержание порошка титана в исходной смеси 90% , а алюминия 10% , время выдержки в солевом расплаве 40-60 мин (в соответствии с эмпирической формулой). Полученные результаты приведены в табл. 3. В табл. 1-3 приведены значения среднеквадратичного отклонения δ химического состава пробы от расчетного химсостава однородной смеси и дана оценка дисперсности полученных порошков.

Данные табл. 1-3 подтверждают, что равномерное легирование титанового порошка алюминием при сохранении исходной дисперсности можно провести, осуществляя предварительный разогрев контейнера с порошками до температуры 550-600^oC, время выдержки в расплаве солевой смеси в соответствии с эмпирической формулой τ= n ˙c (для примера 1 - 20-30 мин, для примера 2 - 8-12 мин. для примера 3 - 40-60 мин) и при содержании хлорида алюминия в солевой смеси в количестве 2-5% . При этом весь процесс легирования титанового порошка отличается высокой производительностью - качественные легированные порошки можно получить за 1-1,5 ч - по сравнению с методом химического соосаждения (8-12 ч) и не требует предварительной активации исходных порошков.

Предварительный нагрев порошка перед легированием позволяет обеспечить оптимальные условия протекания процесса. При погружении предварительно нагретого до 550-600^oC контейнера с порошком в солевой расплав в первый момент порошок дополнительно разогревается на 30-50^oC за счет того, что температура солевого расплава составляет 700-750^oC. Такое повышение температуры обеспечивает начало взаимодействия порошков титана и алюминия с образованием интерметаллических фаз (что подтверждают результаты рентгенофазового анализа), которое в свою очередь проходит с выделением тепла (экзотермическая реакция). При предварительном разогреве в указанном интервале температур выделяемого при экзотермических реакциях тепла достаточно для установления изотермического режима в реакторе в температурном интервале 700-750^oC. В этом случае обеспечивается равномерное легирование порошка титана алюминия за счет интенсивного образования интерметаллических фаз, при этом практически весь процесс в твердой фазе без расплавления порошков алюминия.

В случае предварительного разогрева (выше 600^oC) количество тепла в зоне реакции оказывается избыточным, что приводит к значительному плавлению порошков алюминия, которые не успели образовать интерметаллические соединения с частицами титана, что в свою очередь приводит к образованию конгломератов частиц, т. е. потере исходной дисперсности и неравномерному легированию порошка титана.

В случае предварительного разогрева до 550^oC или проведения легирования без предварительного разогрева количества тепла в системе недостаточно для активного протекания экзотермических реакций с образованием интерметаллических фаз и, как следствие, неравномерное распределение легирующих компонентов. В большинстве случаев исходная дисперсность при этом сохраняется, но неравномерное легирование порошков титана исключает возможность их дальнейшего применения.

Экспериментально была установлена эмпирическая зависимость времени выдержки контейнера порошками в солевом расплаве в зависимости от концентрации легирующего компонента (алюминия). Установлено, что время выдержки, определяемое по эмпирической формуле τ= n˙c, является оптимальным, так как именно в этом временном интервале успевает пройти необходимое взаимодействие порошков титана и алюминия при условии сохранения исходной дисперсности.

В случае более длительной выдержки происходит образование конгломератов, т. е. потеря исходной дисперсности и, как следствие, нарушение равномерности распределения легирующего компонента.

В случае меньшей выдержки полного взаимодействия между титаном и алюминием не успевает произойти и даже при сохранении исходной дисперсности получаются неравномерно легированные порошки.

Солевая смесь хлоридов калия, натрия и алюминия гомогенна в широком интервале концентраций и температур. Однако, экспериментально установлено, что процентное соотношение хлоридов калия и натрия не влияет на параметры и конечные результаты процесса, в то же время концентрация хлорида алюминия оказывает определенное влияние и является оптимальной при содержании в интервале от 2 до 5% . В основной именно хлорид алюминия обеспечивает активацию поверхности исходных порошков, является своего рода сорбентом газов и окисных пленок, находящихся на поверхности порошка. Поэтому при содержании хлорида алюминия в солевой смеси менее 2% не удается активировать поверхность исходных порошков, что приводит в конечном итоге к неравномерному легированию порошков титана. В то же время хлорид алюминия по сравнению с хлоридами натрия и калия наиболее летуч, обладает высокой упругостью паров и его избыток (в данном случае при содержании более 5% ) не оказывает уже влияния на активацию исходных порошков, частично возгоняется и отрицательно влияет на рассматриваемый процесс. Как установлено экспериментально, при его избытке образуются конгломераты, т. е. теряется исходная дисперсность, и, как следствие, нарушение равномерности распределения легирующего компонента.

Повышение качества получаемых легированных порошков по сравнению с известными техническими решениями достигнуто благодаря равномерному распределению легирующего компонента: сохранению исходной дисперсности порошка титана; высокой производительности процесса; улучшение качества порошков и, как следствие, повышение качества конечных изделий. (56) Авторское свидетельство СССР N 821063, кл. В 22 F 1/00, 1979.

Рябов В. Ф. Алитирование стали. М. : Металлургия, 1973, с. 180.

Способ заключается в загрузке в реактор солевой смеси хлоридов натрия, калия и алюминия при содержании хлорида алюминия 2 - 5% , расплавлении и выдержке смеси при температуре 700 - 750С, загрузке в контейнер смеси порошка титана с легирующим компонентом, преимущественно алюминием, нагрев контейнера до температуры 550 - 600С, погружении контейнера в расплав и выдержке в течение времени, определяемом по формуле τ=n·c, где c - концентрация легирующего компонента; n - коэффициент пропорциональности, равный 4 - 6. 3 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ , включающий загpузку в pеактоp солевой смеси, содеpжащей хлоpиды натpия, калия, алюминия, плавление смеси, погpужение в pасплав контейнеpа со смесью поpошков титана и легиpующего компонента - алюминия, выдеpжку пpи 700 - 750^oС, отличающийся тем, что, с целью pасшиpения технологических возможностей за счет фоpмиpования пpодукта в сыпучем состоянии с сохpанением исходной диспеpсности поpошка, повышения качества поpошка за счет pавномеpности pаспpеделения легиpующего компонента, пеpед погpужением в pасплав контейнеp со смесью поpошков нагpевают до темпеpатуpы 550 - 600^oС, вpемя выдеpжки контейнеpа в pасплаве опpеделяют по фоpмуле
τ = n˙c,
где c - концентрация легирующего компонента;
n - коэффициент пропорциональности, равный 4 - 6,
а хлоpид алюминия в солевую смесь вводят в количестве 2 - 5% .