Спосіб отримання титанових виробів (варіанти)

Реферат: Винахід належить до галузі порошкової металургії титану і може бути використаний в авіаційній, автомобільній, хімічній промисловості та медицині. Спосіб отримання титанових виробів включає компактування порошку гідрованого титану, наводненого до концентрації не менше 1,5 8 9 мас. %, з розмірами часток не більше 500 мкм, під тиском 3∙10 -1∙10 Па в заготовки, форма яких відповідає кінцевим виробам, нагрівання скомпактованих заготовок в інтервалі температур від кімнатної до 300 °C спочатку у вакуумі зі швидкістю 3-5 °C/хв., після чого нагрівають заготовки від 300 до 600 °C зі швидкістю 5-10 °C/хв. в атмосфері водню, що виділяється з 3 4 гідрованого титану в камеру нагрівання, підтримуючи тиск водню в межах 10 -10 Па. При нагріванні вище 600 °C відновлюють вакуум у камері нагрівання, а в інтервалі від 800 до 900 °C проводять термоциклювання з кількістю циклів від 3 до 5. Після чого продовжують нагрівання до температури спікання, при яких не утворюється рідких фаз. Відповідно другого варіанту способу нагрівання скомпактованих заготовок в інтервалі температур від кімнатної до 300 °C здійснюють спочатку у вакуумі з витримкою при температурах 200-250 °C від 10 хвилин до 1 години, після чого нагрівають від 300 до 600 °C в атмосфері водню з витримкою при температурах 400-450 °C від 1 до 3 годин. Винахід дозволяє отримувати вироби, матеріалом яких є технічно чистий титан, з високою відносною густиною, низьким вмістом газових домішок (кисень, хлор, а також водень) та механічними властивостями, які не поступаються властивостям литих та деформованих сплавів. UA 101545 C2 (12) UA 101545 C2 UA 101545 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі порошкової металургії титану і може бути використаний в авіаційній, автомобільній, хімічній промисловості, медицині та в інших сферах при виробництві деталей з технічно чистого (нелегованого) титану методом пресування порошків і наступного вакуумного спікання. Титан - легкий і міцний метал, сплави на його основі за показником питомої міцності (відношення міцності до густини) переважають усі матеріали, крім берилію. Крім того, вони мають високу корозійну стійкість. На сьогоднішній день титанові деталі виробляють або методом литва, який включає виплавку зливків, їх гарячу деформацію і обробку різанням, або методом порошкової металургії, який включає пресування і спікання порошків при відсутності технологічної операції переплаву. Перший метод не є економічно ефективним, проте, при значній собівартості забезпечує високі властивості титанових виробів. Другий - економічно ефективний, проте має недоліки, які у ряді випадків суттєво обмежують використання отриманих титанових виробів. Зокрема, надмірний вміст домішок у виробах, отриманих з порошків, суттєво знижує їх механічні і функціональні характеристики. Це вимагає суворого контролю вмісту домішок як у стартових порошках, так і їх захисту від забруднення протягом технологічних операцій отримання виробів. Висока активність титану по відношенню до кисню створює ризик надмірного окислення порошків в ході технологічних операцій, і, при недостатньому захисті від окислення, веде до високого вмісту кисню в кінцевому матеріалі з відповідним зниженням механічних властивостей, зокрема, пластичності. Іншою проблемою є наявність в порошковому титані залишків хлоридів магнію або натрію внаслідок технологічних процесів виготовлення титанової губки (магній термічним або натрій термічним способом відповідно). Хлориди, при відсутності стадії переплаву в порошкових технологіях, зберігаються також і в кінцевому виробі, що погіршує не тільки механічні характеристики, а і здатність виробів до зварювання. Існуючі технології отримання виробів з титанових порошків повністю не вирішують цих проблем. Вміст кисню і хлору в кінцевих виробах визначається, перш за все, вмістом цих домішок в стартових титанових порошках. Тому усі розроблені методики спрямовані на використання високочистих (відповідно, дорогих) стартових порошків і на уникнення забруднення матеріалу впродовж технологічних операцій отримання виробів з цих порошків. При цьому жоден з відомих методів не дозволяє знижувати вміст кисню і хлору в процесі перетворення порошків на титановий виріб. В способі отримання виробів з композитних матеріалів на основі титану з додаванням зміцнюючих часток ТіВ методом порошкової металургії (US2010040500 А1, 18.02.2010), для видалення оксидних плівок на поверхні титану використовують гаряче змішування порошків титану, гідриду титану та бору, що, за думкою авторів, дає мінімальний кінцевий вміст кисню. Проте, добре відомо, що при підвищенні температури оксидні плівки на поверхні титанових часток розчиняються з дифузійним проникненням атомів кисню в глибину металу. Отже, при розчиненні плівок загальний вміст кисню в матеріалі не зменшується, і його кінцевий рівень залежить від чистоти стартових порошків і можливого їх окислення при високотемпературній обробці. Патент Японії (JP2009155702 A, 16.07.2009) захищає спосіб отримання спечених пресовок з титанового порошку з низьким вмістом кисню і високими властивостями. Дана задача вирішується шляхом використання сферичних порошків, отриманих розпиленням рідкої фази титану або титанових сплавів, порошки беруться строго визначених розмірів при заданому співвідношенні між максимальним і мінімальним розміром часток для зменшення вмісту кисню, змішуються з поверхнево-активною зв'язуючою речовиною, піддаються теплому пресуванню і послідуючому спіканню. Даний спосіб, крім вибору фракційного складу високочистих стартових порошків, не використовує ніяких спеціальних засобів, які б забезпечили очищення порошку від кисню та інших домішок в процесі виготовлення виробів. Відомий спосіб отримання масивного спеченого титану інжекційним формуванням порошків патент Японії (JP 07090318 A, 04.04.1995). Технологія дозволяє отримати низький кінцевий вміст кисню в спеченому титані шляхом використання чистого за вмістом кисню сферичного порошку, видаленням органічної зв'язки при температурах менше 500 °C в інертній атмосфері, яка не веде до окислення, і послідуючого спікання в цій же атмосфері. Таким чином, вміст кисню у виробах залежить від вмісту кисню в порошках і його можливе підвищення впродовж технологічних операцій не контролюється. Існує ряд способів, що використовують стартовий порошок гідриду титану замість титану для виготовлення титанових виробів, проте, в даних способах використання гідриду титану або не має на меті очищення матеріалу воднем, або така дія в ході операцій не реалізується. Відомий, наприклад, спосіб отримання виробів з титанових сплавів за патентом США (US 1 UA 101545 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4838935 A, 13.06.1989), що включає використання суміші гідриду титану разом з титановим порошком для пресування та спікання. Спресований виріб нагрівається в вакуумній камері гарячого пресу до температур розпаду ТіH2 для видалення газів. Потім виріб у вакуумі нагрівається до 1350-1500 °C під прикладеним тиском. Водень, який безперервно відкачується з камери, відразу видаляється з матеріалу, і тому не може зв'язувати кисень і хлор, очищаючи від них титан. Крім того, ця технологія не дозволяє повністю запобігти окисленню високоактивного титанового порошку під час другого нагріву. Відомий спосіб отримання виробів з титанових сплавів за патентом США (US 3950166, 13.04.1976), що включає попереднє часткове спікання порошків титану та гідриду титану з металевими легувальними порошками при постійному тиску аргону або у вакуумі, розпилення попередньо спеченого сплаву та кінцеве спікання з металевими легувальними порошками, такими як Mo, V, Zr та лігатура A1-V, для досягнення необхідного кінцевого складу. Отримана суміш пресується в заготовки необхідної форми та спікається у вакуумі при 1000-1500 °C. Такий складний процес необхідний для завершення металургійної реакції між компонентами сплаву, яка не завершується після першої стадії. Водень не бере участі в реакції, оскільки він неперервно відкачується при вакуумному спіканні або розбавляється інертним газом при спіканні в аргоні. Для завершення реакції і отримання однорідного сплаву необхідного складу технологія включає додаткове розпилення сплаву, добавку нових порцій компонентів і повторне спікання. Вказане розпилювання веде до низької густини і недостатньої міцності кінцевого сплаву, оскільки кожне розпилювання титанових сплавів веде до додаткового окислення та накопичення мікроструктурних дефектів і домішок. Відомі способи отримання виробів з титанових сплавів шляхом використання гідриду титану як вихідної сировини разом з легувальними порошками з метою покращення пластичності та хімічної чистоти синтезованих титанових сплавів (Японії JP7278609 A, 24.10.1995; JP06088153 A, 29.03.1994, US 3472705 A, 14.10.1969, WO 9701409 A1, 16.01.1997). Усі ці способи включають вакуумне нагрівання та спікання разом з неперервною відкачкою водню, що виділяється при нагріванні гідриду титану. Таким чином, "чистящий ефект" водню не використано належним чином, крім того, після видалення водню з вакуумної камери відбувається додаткове окислення. Отже, ці способи не забезпечують очищення воднем титану і покращення механічних властивостей спечених сплавів, незважаючи на покращення спікання при термічній дисоціації гідриду титану. Деякі спеціальні технології було запропоновано для отримання виробів з титанових сплавів у водневій атмосфері (CH 684978 A3, 28.02.1995). Ці способи не можуть попередити забруднення металу, що спікається, так само, як і способи, описані вище: після видалення атмосфери, що містить водень, має місце додаткове окислення високоактивних металів. Відомий спосіб одержання виробів з титанових сплавів за патентом України (UA 70366 C2, 15.10.2004), що включає змішування порошку гідриду титану з розміром часток