EA018035B1 - Способ получения изделий из титановых сплавов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения титановых изделий сложной формы из порошков, которые содержат титан и легирующие элементы. Экономически эффективная смесь, которая поддается формованию при комнатной температуре и спеканию, содержит: (а) 10-50 мас.% недосепарированного титанового порошка с размером частиц ≤500 мкм, который получен из недосепарированной титановой губки, содержащей до 2,0 мас.% хлора и до 2,0 мас.% магния. Себестоимость недосепарированного титанового порошка значительно ниже порошка, полученного из полностью сепарированной губки; (b) 10-90 мас.% гидрированного порошка титана, который является смесью двух гидрированных порошков А и В с разным содержанием водорода: порошок А содержит 0,2-1,0 мас.% водорода, а порошок В содержит 2,0-3,9 мас.% водорода. Порошок с высоким содержанием водорода обеспечивает очистку недосепарированного титанового порошка во время термической обработки и спекания, в то время как порошок с низким содержанием водорода обеспечивает достаточную прочность сырых заготовок и необходимую структуру и качество конечных спеченных изделий; (с) до 90 мас.% стандартного титанового порошка и 5,0-50 мас.% порошков легирующих элементов: лигатур или металлов. Способ включает (а) смешивание указанных порошков недосепарированного 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)

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии титановых сплавов и может быть использовано в авиационной, автомобильной, химической промышленности и других сферах деятельности при производстве титановых деталей сложной формы путем прессования порошковых смесей при комнатной температуре и последующего спекания.

Титановые сплавы - легкие и высокопрочные материалы, которые по показателям удельной прочности (отношения прочности к плотности) превосходят все материалы, кроме бериллия. Кроме того, они имеют высокую коррозионную стойкость. На сегодняшний день детали из титановых сплавов производят либо способом литья, который включает выплавку слитков, их горячую деформацию и обработку резанием, либо способом порошковой металлургии. Первый способ не является экономически эффективным, однако при значительной себестоимости обеспечивает высокие свойства титановых сплавов. Второй - экономически эффективен, но приводит к некоторому снижению механических свойств.

На протяжении последних 30 лет разработаны разные порошковые технологии получения изделий из титановых сплавов, которые характеризуются плотностью и механическими свойствами, достаточными для практического применения. Новые технологии включают использование многокомпонентных порошковых смесей, контроль размера частиц, горячее изостатическое прессование и специальную обработку поверхности. Однако все эти порошковые технологии, в том числе традиционные, как правило, не обеспечивают достижения высоких характеристик порошковых титановых сплавов.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов, защищенный патентом Японии № 06092605, МПК В22Р 3/24, Бюл.ИСМ, №4, 1998, который включает формование смесей металлических порошков на основе порошка титана, вакуумное спекание, горячее изостатическое прессование сплава в α+β области и ударную обработку поверхности для удаления пор в поверхностном слое. Неравномерное распределение пор в глубине спеченных изделий является недостатком способа, поскольку снижает механические свойства изделий, особенно прочность.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов (см. акц. заявку Японии №1-29864, МПК С22Р 1/18, Бюл. ИСМ, №3, 1990), который включает прессование порошковой смеси на основе порошка титана, вакуумное спекание, закалку сплава от температур β-области и горячее прессование при температуре выше 800°С. При этом окисление, которое имеет место при горячем прессовании, ведет к ухудшению комплекса механических свойств.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов, защищенный патентом США № 4,432,795, МПК С22С 14/00, Бюл. ИСМ №10, 1984, который заключается в размоле порошков легких металлов до размера частиц менее 20 мкм, смешивании их с частицами титановой основы с размером более 40 мкм, формовании смесей в пресс-формах и спекании при температурах, при которых не образуются жидкие фазы. Способ позволяет получить изделия с плотностью, близкой к теоретической, однако полученные сплавы загрязнены железом, кислородом и другими примесями, что снижает их механические свойства и не позволяет использовать сплавы в условиях критических нагрузок.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов по патенту США № 4,838,935, МПК С22С 1/04, 1989, включающий использование смеси гидрида титана вместе с титановым порошком для прессования и спекания. Спрессованное изделие нагревается в вакуумной камере горячего прессования до температур распада Т1Н₂ для удаления газов. Потом изделие в вакууме нагревается до 1350-1500°С под приложенным давлением. Эта технология не позволяет полностью предотвратить окисление высокоактивного титанового порошка во время второго нагрева, так как водород непрерывно откачивается из камеры. Кроме того, способ не подходит для смесей, которые содержат легкоплавкие металлы и фазы.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов по патенту США № 3,950,166, МПК С22С 1/04, 1976, включающий предварительное частичное спекание порошков титана и гидрида титана с металлическими легирующими порошками при постоянном давлении аргона или в вакууме, распыление предварительно спеченного сплава и повторное спекание с металлическими легирующими порошками, такими как Мо, V, Ζτ и лигатура А1-У, для достижения необходимого конечного состава. Полученная смесь прессуется в заготовки необходимой формы и спекается в вакууме при 1000-1500°С. Такой сложный процесс необходим для завершения металлургической реакции между компонентами сплава, которая не завершается после первой стадии. Водород не участвует в реакции, поскольку он непрерывно откачивается при вакуумном спекании или разбавляется инертным газом при спекании в аргоне. Для завершения реакции и получения однородного сплава необходимого состава технология включает дополнительное распыление сплава, добавку новых порций компонентов и повторное спекание. После такого трудоемкого и малоэффективного процесса плотность конечных изделий составляет лишь 95-98% от теоретического значения. Низкая плотность и недостаточная прочность обусловлены указанным распылением, поскольку распыление расплавов титановых сплавов приводит к дополнительному окислению и накоплению микроструктурных дефектов и примесей.

Известен способ получения изделий из титановых сплавов по патенту США № 5,441,695, МПК В22Р 3/10, 1995, путем спекания порошка гидрида титана. Однако этот процесс относится к производству материалов, которые содержат соединение ΤίΝί, поскольку конечной стадией описанного в патенте процесса является спекание порошка при 1200°С в атмосфере азота, причем происходит реакция титана с

- 1 018035 азотом. Соединение ΤίΝί формируется выше 800°С, и растворимость азота в твердом титане составляет до 6 мас.% при нагревании до 1200°С (Уо1 А.Е. §1гис1иге аиб Ргорегйек о£ В1пагу Ме1а1 8у51сш5. ν. 1, 1959, р. 145). Такое высокое содержание азота является абсолютно неприемлемым для всех титановых сплавов, которые используются в качестве конструкционных материалов в разных областях. Однако нитрид титана пригоден для декорирования поверхностей, так как своим блеском и цветом напоминает золото. Именно декорирование титана является целью патента США 5,441,695, что следует из его названия и примеров, где спеченные детали имеют интенсивный блеск. Таким образом, эта технология не может быть использована для получения каких-либо конструкционных деталей из титановых сплавов, включая сплавы, которые содержат алюминий и ванадий, по причине формирования нитридов этих металлов, что ведет к ухудшению механических свойств титановых сплавов. Более того, продукция, полученная по этому патенту, насыщена кислородом, а также водородом.

Известны также способы получения изделий из титановых сплавов путем использования гидрида титана как исходного сырья вместе с легирующими порошками с целью улучшения пластичности и химической чистоты синтезированных титановых сплавов (см. патенты Японии № 07278609, 1995; № 06088153, 1994; США № 3472705, 1969, международную заявку № 9701409, 1997). Все эти способы включают вакуумный нагрев и спекание одновременно с непрерывной откачкой выделяющихся газов. Таким образом, чистящий эффект водорода должным образом не используется, и частичное окисление снова происходит после удаления водорода из вакуумной камеры. Таким образом, эти способы не обеспечивают эффективное улучшение механических свойств спеченных сплавов, несмотря на активированное спекание при термической диссоциации гидрида титана.

Некоторые специальные технологии были предложены для получения изделий из титановых сплавов в водородной атмосфере (см. патенты Японии № 58034102, 1983, и Швейцарии № 684978, МПК С22С 14/00, 1995). Эти способы не могут предотвратить загрязнение спекаемого металла так же, как и способы, описанные выше, поскольку после удаления атмосферы, содержащей водород, имеет место повторное окисление высокоактивных металлов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ получения изделий из титановых сплавов, защищенный патентом Украины № 70366, МПК7 В22Р 3/16, 2001, выбранный в качестве прототипа, который включает смешивание основы - гидрида титана с размером частиц <100 мкм, с порошками легирующих элементов, которые образуют с титаном сплавы, с размером частиц не больше 1/3-2/3 от размеров частиц основы, формование смеси в заготовку, форма которой соответствует конечному изделию, при давлении 400-1000 МПа при комнатной температуре и спекание изделия в вакууме при температурах, при которых не образуется жидких фаз, причем при нагреве в вакуумной камере в интервале температур 400-900°С контролируют выделяющийся водород до давления 10⁴ Па, а затем продолжают нагрев изделий до температуры спекания с одновременным снижением давления в камере до 10^-2 Па.

Недостатком этой технологии является низкая прочность гидрида титана, т.е. титана, наводороженного до максимальной концентрации, что ограничивает получение из него изделий сложной формы, поскольку ведет к появлению трещин и сколов после прессования и во время спекания, а также дефектов в структуре конечных изделий. Кроме того, наводороживание титана до максимальной концентрации (гидрид титана) требует значительных затрат.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача совершенствования известного способа получения изделий из титановых сплавов путем использования в качестве основы стартовой порошковой смеси вместо гидрида титана порошка гидрированного (наводороженного) титана с несколько меньшим (оптимизированным) содержанием водорода, и оптимизации процессов формования порошков и режимов спекания изделий, благодаря чему достигаются высокие механические характеристики изделий при улучшении экономической эффективности процесса.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе получения изделий из титановых сплавов, включающем смешивание порошка основы, содержащей титан, с порошками легирующих элементов, которые образуют с титаном сплавы, формование в заготовки, форма которых соответствует конечным изделиям, спекание в вакууме при температурах, при которых не образуются жидкие фазы, в соответствии с изобретением в качестве основы используют 10-50 мас.% порошка недосепарированного титана с размерами частиц меньше 500 мкм, полученного из недосепарированной титановой губки, которая содержит до 2,0 мас.% хлора и до 2,0 мас.% магния, и/или 10-90 мас.% порошка гидрированного титана, причем этот порошок является смесью двух порошков гидрированного титана А и В, которые содержат разное количество водорода: порошок А содержит 0,2-1,0 мас.% водорода, а порошок В содержит 2,0-3,9 мас.% водорода, и/или до 90 мас.% стандартного титанового порошка, в качестве легирующих порошков добавляют 5,0-50 мас.% лигатур или металлов, причем соотношение между размерами частиц порошков титана, гидрированного титана и легирующих порошков составляет 1:(0,5-2,0):(0,01-0,7), формование полученной смеси в заготовки проводят в пресс-формах, или прямой прокаткой порошков, или холодным изостатическим прессованием, или инжекционным прессованием до относительной плотности не менее 60% под давлением 400-960 МПа, потом нагревают сформованные заготовки до 300-900°С и

- 2 018035 выдерживают их в этом температурном интервале не менее 30 мин в атмосфере водорода, выделяющегося из гидрированного титана, а спекание изделий проводят в β-области титана путем нагрева в вакууме до температуры 1000-1350°С, при которой выдерживают не менее 30 мин.

Вариантом реализации способа является использование легирующего порошка, который содержит 60 мас.% алюминия и 40 мас.% ванадия при размере частиц менее 70 мкм. Вариантом реализации способа также является то, что смесь гидрированных порошков титана состоит из порошка А, который содержит менее 1,0 мас.% водорода и имеет размер частиц менее 100 мкм, и порошка В, который содержит приблизительно 3,9 мас.% водорода и имеет размер частиц менее 250 мкм, а стандартный титановый порошок имеет размер частиц менее 500 мкм.

Суть и особенности данного изобретения детально описаны ниже. Данное изобретение устраняет указанные выше недостатки путем:

(a) подготовки экономически-эффективного стартового порошкового состава для дальнейшего формования при комнатной температуре и спекания.

В состав порошковой смеси входят

10-50 мас.% порошка недосепарированного титана с размерами менее 500 мкм, полученного из недосепарированной титановой губки, включающей до 2,0 мас.% хлора и до 2,0 мас.% магния. Недосепарированный титановый порошок значительно дешевле порошка титана, полученного из полностью сепарированной титановой губки, потому что конечные стадии очищения титановой губки являются наиболее длительными и затратными в общем процессе ее производства;

10-90 мас.% гидрированного порошка титана, причем этот порошок является смесью двух гидрированных порошков А и В, которые содержат разное количество водорода: порошок А содержит 0,2-1,0 мас.%, а порошок В - 2,0-3,9 мас.% водорода. Порошок с высоким содержанием водорода обеспечивает очищение недосепарированного порошка титана во время термической обработки и спекания, в то время как порошок с низким содержанием водорода обеспечивает достаточную прочность сырых заготовок и качественную структуру конечных спеченных изделий;

до 90 мас.% стандартного титанового порошка;

5,0-50 мас.% легирующих порошков: лигатур или чистых металлов. Соотношения между размерами частиц порошков титана, гидрированного титана и легирующих порошков составляет 1:(0,5-2,0): (0,010,7);

(b) использования экономически-эффективных технологических операций для производства плоских изделий и изделий сложной формы, которые включают смешивание вышеуказанных порошка недосепарированного титана, полученного из недосепарированной титановой губки, стандартного титанового порошка, гидрированных порошков титана с разным содержанием водорода и легирующих лигатур или порошков металлов в соотношении, необходимом для достижения химического состава сплава, формование полученной смеси в заготовки при комнатной температуре путем прессования в прессформах, прямой прокатки, холодного изостатического прессования или инжекционного формования до плотности не менее 60% от теоретического значения, при этом происходит дополнительное измельчение порошков гидрированного титана на фрагменты при 400-960 МПа и обеспечивается однородное распределение мелких пор в заготовках, что способствует лучшему залечиванию пор в процессе спекания, нагревание заготовок до 300-900°С и их выдержка не менее 30 мин в атмосфере водорода, который выделяется при распаде гидрированного титана, что обеспечивает реакцию хлора, магния, кислорода и других примесей с водородом и, в результате, химическое очищение титановых порошков в сформованных заготовках;

нагревание в вакууме для спекания в температурной области β-фазы титана в интервале 10001350°С, выдержку не менее 30 мин и охлаждение.

Суть изобретения состоит в управлении чистотой и механическими свойствами спеченных титановых сплавов путем использования: (а) экономически-эффективного порошка недосепарированного титана, полученного из недосепарированной титановой губки, (Ь) порошков гидрированного титана, которые содержат разное количество водорода и имеют определенный размер, в качестве основного компонента, (с) оптимального соотношения размеров частиц порошков недосепарированного титана, гидрированного титана и легирующих порошков, (б) химического очищения титановых порошков непосредственно во время процесса спекания и (е) переменного давления водорода в печи во время нагревания и спекания.

Оптимальный размер стартовых порошков, а также их защита от окисления при нагреве и спекании играют значительную роль в процессе.

Ни один из известных способов, в том числе перечисленных в описании изобретения, не посвящается поиску экономически эффективных составов порошковой смеси и оптимальному соотношению размеров частиц порошков гидрированного титана (или гидрида титана), порошков титана и легирующих порошков. Известные технологии всегда используют дорогие очищенные порошки и традиционный процесс спекания с непрерывным откачиванием вакуумной камеры во время нагрева и спекания. Соответственно не реализуется в полной мере реакция водорода с порошками в прессовке, конечный спеченный

- 3 018035 сплав содержит повышенную концентрацию кислорода и неравномерное распределение значительного объемного количества пор.

В соответствии с изобретением стоимость стартовой порошковой смеси резко снижена по причине использования дешевого порошка недосепарированного титана, полученного из недосепарированной титановой губки. При использовании порошка недосепарированного титана в количестве более чем 50% от общей массы стартовой порошковой смеси порошковая смесь будет чрезмерно загрязнена магнием и хлором, что ухудшит результат водородной очистки при спекании и приведет к деградации свойств спеченного сплава. Те же негативные последствия происходят и при стартовом содержании в недосепарированном порошке хлора более 2% и магния более 2%. При использовании порошка недосепарированного титана в количестве менее 10% снижается экономическая эффективность метода.

Одним из вариантов изобретения является использование в качестве основы смесей 10-90% порошка гидрированного титана, состоящего из двух порошков А и В с разным содержанием водорода. Это позволяет варьировать приготовление смеси, регулируя прочность сырых заготовок и предотвращая их растрескивание, улучшать процесс спекания и регулировать усадку при спекании заготовок, т.е. контролировать стабильность размеров конечных спеченных изделий. Кроме того, использование сниженной концентрации водорода в титане является экономически привлекательным, поскольку уменьшает затраты на наводораживание. Если гидрированные порошки А и В вместе составляют менее 10% от общей массы смеси, то положительный эффект водорода на плотность и очищение изделия теряется, если они составляют более 90% - наблюдается растрескивание сырых заготовок. Использование порошка В с высоким содержанием водорода (2,0-3,9 мас.%) является важным фактором для достижения высокой плотности изделий независимо от давления формования и содействует водородной очистке порошков. Содержание водорода в титане не может превышать 3,9 мас.% в соответствии с диаграммой состояния титан-водород, а при содержании водорода менее 2,0 мас.% теряется позитивное влияние водорода на улучшение плотности и очистку материала. С другой стороны, использование в смеси гидрированного порошка А с малым содержанием водорода (0,2-1,0 мас.%) необходимо для достаточной прочности сырых заготовок, что важно при сложной форме изделий (отверстия, тонкие стенки, и т.п.), а также для уменьшения усадки изделий при спекании. При содержании водорода более 1 мас.% прочность сырых заготовок недостаточная, а при содержании водорода менее 0,2 мас.% не обеспечивается достаточная плотность конечных изделий.

При использовании в смеси более 90 мас.% стандартного титанового порошка теряется не только позитивное влияние водорода на очистку и плотность, но и экономический эффект. Легирующие порошки составляют 5,0-50 мас.% от массы смеси, поскольку при содержании легирующих порошков более 50 мас.% титан перестает быть основой смеси, а при содержании легирующих порошков менее 5,0 мас.% химический состав конечного сплава не соответствует составу практически используемых стандартных титановых сплавов.

Соотношение размеров порошков титана, гидрированных порошков титана и легирующих порошков в стартовой смеси также играет важную роль. С одной стороны, размер частиц порошков титановой основы и легирующих порошков должен быть наименьшим для быстрого достижения химической однородности сплава и его высокой плотности. Но чем меньше размер частиц, тем больше порошковая смесь загрязняется примесями в процессе ее изготовления и обработки. Соотношение размеров порошков титана, гидрированного титана и легирующих порошков должно быть в пределах 1:(0,5-2,0):(0,01-0,7), поскольку при меньшем размере гидрированных и легирующих порошков сплав чрезмерно загрязнен примесями (кислород, железо и др.), а при большем не достигается химическая однородность, необходимый уровень плотности и механических свойств.

Установлено, что титановый порошок должен иметь размеры частиц менее 500 мкм, поскольку при большем размере необходимая плотность и гомогенность сплава не достигаются. Смесь гидрированных порошков титана должна содержать порошок В с 3,9 мас.% водорода и с размерами частиц менее 250 мкм, в то же время порошок А в смеси должен иметь менее 1,0 мас.% водорода при размере частиц менее 100 мкм. При размере частиц порошков А и В больших, чем указанные, необходимая плотность изделий не достигается. Легирующий порошок, содержащий 60 мас.% алюминия и 40 мас.% ванадия, должен иметь размеры частиц менее 70 мкм, поскольку при больших размерах частиц материал конечных изделий химически неоднородный и имеет недостаточную плотность. Указанные размеры стартовых порошков являются оптимальными, поскольку обеспечивают быстрое достижение химической однородности сплава при высокой плотности и малом содержании примесей, что и обеспечивает улучшенные механические свойства.

Формование порошков при комнатной температуре в заготовки, соответствующие по форме конечным изделиям и имеющие относительную плотность не менее 60%, производится при давлениях 400-960 МПа. В зависимости от формы изделий могут быть использованы различные методы формования: прямая прокатка порошков для получения листов и плит, формование в пресс-формах и холодное изостатическое прессование для получения изделий достаточно простых геометрических форм, а также инжекционное формование для получения изделий сложной геометрической формы. При относительной плотности заготовок менее 60% их прочность недостаточная и не достигается необходимая плотность после

- 4 018035 спекания. Давление меньше 400 МПа является недостаточным для формования, и заготовка разрушается. С другой стороны, при давлении более 960 МПа заготовки растрескиваются. Под действием указанных давлений формования (400-960 МПа) происходит дополнительное измельчение частиц гидрированного титана на дисперсные фрагменты, это способствует образованию однородной системы мелких пор, которые лучше залечиваются во время последующего нагревания, содействуя, таким образом, повышенной плотности конечного изделия.

Использование порошка гидрированного (по меньшей мере, частично) титана в качестве порошка основы вместо только традиционного титанового порошка обеспечивает ускоренное формирование фаз и активацию спекания заготовок. Гидрированный титан при нагреве в вакууме распадается в интервале температур 300-900°С с выделением водорода, это ведет к образованию титана с высокой плотностью дефектов кристаллической структуры, что содействует развитию диффузионных процессов, которые и определяют формирование однородного сплава с высокой плотностью.

Атомарный водород, который выделяется при этом, полезен для улучшения кинетики спекания, восстановления оксидов и хлоридов, которые, как правило, содержатся на поверхностях порошковых частиц, и, таким образом, очищения межчастичных контактов. Это ускоряет диффузию между компонентами порошковой смеси. Для того чтобы реализовать этот положительный эффект, необходимо иметь высокую концентрацию водорода в порошковых заготовках и обеспечить постепенный выход водорода из кристаллической решетки титана в процессе нагрева до 900°С, что достигается нагревом и выдержкой не менее 30 мин в атмосфере выделяющегося водорода. Высокое давление водорода в камере препятствует резкому снижению концентрации водорода, растворенного в титане, что обычно происходит при нагреве до температур спекания. Выдержка при температуре ниже 300°С нецелесообразна, поскольку при этих температурах не выделяется водород и не происходит очистка материала от магния и хлора, содержащихся в недосепарированном порошке титана. При выдержке порошковых заготовок менее 30 мин достаточного очищения не происходит. Выше 900°С выделение водорода завершается, поэтому выдержка при этих температурах не дает положительного влияния на чистоту материала.

Дальнейший нагрев и спекание проводят при откачивании водорода из камеры спекания для достижения начального уровня вакуума. Это полностью удаляет водород из металла, также на этих стадиях происходит превращение многофазной порошковой смеси в химически гомогенный массивный сплав. Таким образом, положительное влияние водорода используется на стадии нагрева, но водород не должен присутствовать в вакуумной камере на последних стадиях спекания, чтобы исключить его отрицательное влияние на свойства спеченного сплава и достичь улучшенного комплекса механических свойств. Отсутствие водорода в конечном титановом сплаве исключает деградацию его механических свойств, а именно, появление водородной хрупкости.

Спекание происходит при температурах 1000-1350°С (однофазная β-область титана) в течение не менее 30 мин. При меньших температурах и меньшем времени выдержки материал получается химически неоднородным и с недостаточной плотностью, а соответственно с низкими механическими свойствами. Повышение температуры выше 1350°С является нецелесообразным, поскольку приводит к значительному росту зерна в полученных сплавах и снижает экономическую эффективность процесса.

Данный способ позволяет получать изделия, материал которых - химически однородные титановые сплавы с высокой относительной плотностью и механическими свойствами, не уступающими свойствам литых и деформированных сплавов.

Пример 1.

В соответствии с изобретением, стартовая порошковая смесь содержала 60 мас.% гидрированного порошка титана (3,8 мас.% водорода, размер частиц менее 120 мкм); 30 мас.% порошка недосепарированного титана (0,9 мас.% хлора и 0,8 мас.% магния, размер частиц менее 100 мкм); 10 мас.% лигатуры 60Л1-40У (размер частиц менее 65 мкм). Эти порошки смешивали и прессовали в пресс-форме при 600 МПа в заготовки с относительной плотностью 74%.

Заготовки нагревали в вакууме 10^-2 Па до 1350°С. При этих температурах не образовывалось жидких фаз. Во время нагрева заготовки выдерживали 60 мин при 350° С, а давление в камере повышали до 10⁴ Па в интервале температур 350-900°С за счет водорода, выделяющегося из порошка гидрированного титана. Давление в камере постепенно снижали до 10^-2 Па при дальнейшем нагревании выше 900°С. После этого заготовки спекали 4 ч при 1350°С. Полученные изделия исследовали с помощью микроструктурного, рентгеновского и микрорентгеноспектрального анализа. Полученный материал является химически и микроструктурно однородным сплавом Т1-6Л1-4У. Его относительная плотность 98,8%, предел прочности при растяжении 960 МРа, удлинение 11%.

Пример 2.

Стартовая порошковая смесь состояла из 50 мас.% порошка гидрированного титана (содержание водорода 3,8 мас.%, размер частиц менее 100 мкм); 40 мас.% порошка гидрированного титана (содержание водорода 1,0 мас.%, размер частиц менее 40 мкм); 10 мас.% лигатуры 60А1-40У с размером частиц 40 мкм. Эти порошки смешивали и прессовали при 420 МПа в заготовки с относительной плотностью 76%.

Заготовки нагревали в вакууме 10^-2 Па до 1250°С. Во время нагрева давление в камере повышали до

- 5 018035

10⁴ Па в течение 30 мин в температурном интервале 300-900°С за счет водорода, выделяющегося из гидрированного титана. Давление в камере постепенно снижали до 10^-2 Па при нагреве выше 900°С, потом заготовки спекали при 1250°С в течение 4 ч. Полученные изделия исследовали с помощью микроструктурного, рентгеновского и микрорентгеноспектрального анализа. Полученный материал является химически и микроструктурно однородным сплавом Т1-6Л1-4У с относительной плотностью 99%, пределом прочности при растяжении 950 МПа и удлинением 12%.

Пример 3.

Стартовая порошковая смесь содержала 60 мас.% порошка гидрированного титана (3,7 мас.% водорода, размер частиц менее 160 мкм); 30 мас.% стандартного порошка титана (размер частиц менее 100 мкм); 10 мас.% лигатуры 60А1-40У (размер частиц менее 65 мкм). Эти порошки смешивали и формовали методом холодного изостатического прессования при 400 МПа в заготовки необходимой формы с относительной плотностью 70%, которые нагревали до 1250°С для спекания.

Заготовки нагревали до 400°С в вакууме 10^-2 Па, а в интервале температур 400-900°С в течение 30 мин - в атмосфере водорода, выделяющегося при распаде гидрированного титана, под давлением до 10⁴ Па. Давление в камере постепенно снижали до 10^-2 Па при нагреве выше 900°С. Заготовки спекали в течение 6 ч при 1250° С, при этом не образовывалось никаких жидких фаз. Полученный материал является химически и микроструктурно однородным сплавом Т1-6А1-4У с относительной плотностью 98,6%, пределом прочности при растяжении 950 МПа и удлинением 10%.

Пример 4.

Стартовая порошковая смесь содержала 80 мас.% порошка гидрированного титана (3,9 мас.% водорода, размер частиц менее 100 мкм); 10 мас.% порошка недосепарированного титана (1,7% хлора и 1,5% магния, размер частиц менее 100 мкм); 10 мас.% лигатуры 60А1-40У (размер частиц менее 65 мкм). Порошки смешивали и формовали в пресс-формах при давлении 750 МПа в заготовки с относительной плотностью 76%.

Заготовки во время нагрева в вакуумной печи выдерживали 30 мин при 300°С, затем нагревали до 1350°С, при этой температуре жидкие фазы не образуются. Во время нагрева давление в камере повышали до 10⁴ Па в интервале температур 300-900°С за счет водорода, выделяющегося при распаде гидрированного титана, а затем постепенно снижали до 10^-2 Па при нагреве выше 900°С. Заготовки спекали при 1350°С в течение 4 ч. Материал полученных изделий по данным рентгеновского, микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализов является химически и микроструктурно однородным сплавом Т16А1-4У. Плотность сплава 98.9%, предел прочности при растяжении - 960 МПа, удлинение - 10.6%.

Предложенный способ может быть использован как в лабораторных, так и в промышленных условиях для получения изделий из титановых сплавов.

Claims (3)

1. Способ получения изделий из титановых сплавов, включающий смешивание порошка основы, содержащей титан, с порошками легирующих элементов, которые образуют с титаном сплавы, формование в заготовки, форма которых соответствует конечным изделиям, спекание в вакууме при температурах, при которых не образуются жидкие фазы, отличающийся тем, что при смешивании порошка основы, содержащей титан, с порошками легирующих элементов порошок основы получают путем смешивания двух компонентов, в качестве первого компонента порошка основы используют порошок гидрированного титана, в качестве второго компонента порошка основы используют порошок недосепарированного титана, полученного из недосепарированной титановой губки, и/или порошок гидрированного титана, и/или стандартный порошок титана, с размерами частиц менее 500 мкм, при следующем соотношении ингредиентов: первый компонент порошка основы 50-80 мас.%, второй компонент порошка основы 1040 мас.%, легирующий порошок - остальное, при этом первый компонент содержит (2,0-3,9) мас.% водорода, второй компонент из порошка недосепарированного титана, полученный из недосепарированной титановой губки, содержит до 2,0 мас.% хлора и/или до 2,0 мас.% магния, или (0,2-1,0) мас.% водорода, соотношение между размерами частиц порошков титана, гидрированного титана и легирующих порошков составляет 1:(0,5-2,0):(0,01-0,7); формование полученной смеси в заготовки проводят в прессформах, или прямой прокаткой порошков, или холодным изостатическим прессованием, или инжекционным прессованием до относительной плотности не менее 60% под давлением 400-960 МПа, затем нагревают сформованные заготовки до 300-900°С и выдерживают их в этом температурном интервале не менее 30 мин в атмосфере водорода, выделяющегося из гидрированного титана, а спекание изделий проводят в β-области титана путем нагрева в вакууме до температуры 1000-1350°С, при которой выдерживают не менее 30 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующий порошок содержит 60 мас.% алюминия и 40 мас.% ванадия при размере частиц менее 70 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь гидрированных порошков титана состоит из порошка, который содержит менее 1,0 мас.% водорода и имеет размер частиц менее 100 мкм, и порошка, кото- 6 018035 рый содержит приблизительно 3,9 мас.% водорода и имеет размер частиц менее 250 мкм, а стандартный титановый порошок имеет размер частиц менее 500 мкм.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2