RU2694178C1 - Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) - Google Patents
Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694178C1 RU2694178C1 RU2018126880A RU2018126880A RU2694178C1 RU 2694178 C1 RU2694178 C1 RU 2694178C1 RU 2018126880 A RU2018126880 A RU 2018126880A RU 2018126880 A RU2018126880 A RU 2018126880A RU 2694178 C1 RU2694178 C1 RU 2694178C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- titanium
- carbon nanotubes
- cer
- chamber
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 39
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 24
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910021386 carbon form Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 carbon forms chemical compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 1
- UFULAYFCSOUIOV-UHFFFAOYSA-N cysteamine Chemical compound NCCS UFULAYFCSOUIOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 235000019621 digestibility Nutrition 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000009862 microstructural analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium(II) oxide Chemical compound [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/18—Electroslag remelting
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода. Углеродсодержащий материал в виде углеродных нанотрубок размером 15 нм смешивают с титановой губкой, прессуют в блоки, которые затем сваривают в расходуемый электрод, используемый при КЭШП. Изобретение позволяет расширить технологические возможности процесса производства титана и его сплавов, повысить качество конструкционных материалов в различных областях промышленности, включая медицину, для изготовления деталей протезов и имплантов. 2 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей протезов и имплантов.
Известен способ легирования титана кислородом, при котором из кислородсодержащего материала (титано-кислородная лигатура) изготавливались электроды-спутники, затем приваривались к основному электроду, а после совместно переплавлялись методом КЭШП (А.Д. Рябцев, С.И. Давыдов, А.А. Троянский, Л.Я. Шварцман, А.О. Рябцева, В.В. Пашинский, К.Л. Феофанов. Получение титана повышенной прочности путем легирования кислородом в процессе камерного электрошлакового переплава. Журнал Специальная Электрометаллургия №3 2007 г.).
Недостатком известного способа является то, что он рассчитан на свариваемые материалы, поэтому не может быть применим как способ легирования титана углеродом.
Известен способ легирования титана углеродом, при котором в качестве углеродсодержащего материала использовали углеродный порошок и углеродные нанотрубки. Расходуемые электроды изготавливали из прессованной титановой губки, затем засверливали осевое отверстие, в которое запрессовывали углеродсодержащий материал. (А.Д. Рябцев, А.А. Троянский, Б. Фридрих, В.В. Пашинский, Ф.Л. Леоха, С.Н. Ратиев. Легирование титана углеродом в процессе камерного электрошлакового переплава. Журнал Современная Электрометаллургия №2 2014 г.). Этот способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного способа является то, что весь необходимый для легирования углерод сосредоточен в одном месте, что может привести к появлению в пределах одного участка слитка мест с различным химическим составом, а, следовательно, и физическими свойствами.
В основу изобретения поставлена задача совершенствования известного способа легирования титана кислородом.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что углеродсодержащий материал смешивают с титановой губкой в блоки, из которых затем сваривают расходуемый электрод. В качестве углеродсодержащего материала предлагают использовать углеродные нанотрубки (примерно 15 нм).
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение технологических возможностей процесса производства титана и его сплавов, повышение качества конструкционных материалов в различных областях промышленности, включая медицину.
Предлагаемый способ поясняется рисунками:
- фиг. 1 - внешний вид расходуемого электрода перед плавкой;
- фиг. 2 - микроструктура огарков после каждой плавки;
- фиг. 3 - микроструктура слитков каждой плавки;
Углерод в титане до 0,35%вес. можно рассматривать как экономно легирующий элемент, значительно изменяющий прочностные и пластические характеристики титана. Таким образом, изменяя содержание углерода в титане в пределах от 0 до 0,35%вес. можно достигать желаемых соотношений прочностных и пластических характеристик, в том числе повысить прочность за счет резерва вязкости металла.
Основной недостаток углерода, как легирующей добавки заключается в отсутствии промышленной лигатуры, которая позволяла бы с ее помощью осуществлять дополнительное легирование любых сплавов независимо от их композиций.
В тоже время углерод, как легирующий элемент имеет ряд преимуществ. При достаточно высоком упрочняющем воздействии он, в пределах рассматриваемого интервала концентраций, значительно меньше снижает пластические характеристики и, что особенно важно не снижает коррозионно-механическую прочность металла. При этом углерод образует, химические соединения с титановыми сплавами и повышает их жаропрочность.
Для легирования предлагается использовать углеродные нанотрубки. При этом введение наночастиц углерода в титан позволяет получать более дисперсную первичную структуру за счет снятия тепла перегрева, создания большого числа центров кристаллизации. Дополнительно возможно повышение прочностных свойств за счет блокировки подвижных дислокаций.
Таким образом, изменяя содержание углерода в титане в пределах от 0 до 0,35%вес. можно достигать желаемых соотношений прочностных и пластических характеристик, в том числе повысить прочность за счет резерва вязкости металла. Дальнейшее увеличение содержания углерода нецелесообразно, так как с повышением прочности резко падает пластичность.
Проведенные эксперименты показали возможность реализации данного способа на практике. Была выполнена плавка, где в качестве легирующего материала использовался порошок углерода (примерно 15 мкм), а также две плавки, где в качестве легирующего материала использовались наноуглеродные трубки (~15 нм). В обоих случаях легирующий материал смешивался с титановой губкой во время прессования.
Химический состав трех плавок приведен в таблице 1
После переплава провели микроструктурный анализ огарков электродов каждой плавки. На всех трех расходуемых электродах наблюдали равномерное распределение частиц углерода, но на огарке электрода плавки №3 (с применением углеродного порошка) наблюдали более крупные частицы углерода. Такое поведение частиц углерода подтверждает предположение о том, что наноуглеродные трубки создают большее количество центров кристаллизации, в сравнении с углеродным порошком.
Анализ микроструктур полученных слитков показал, что введение углерода в форме наночастиц приводит к формированию более измельченных равноосных кристаллитов. Следует отметить, что металл слитков однороден и усадочные дефекты наблюдаются лишь на расстоянии 10-15 мм от верхней границы слитка на плавке с использованием углеродного порошка. Микроструктура слитков показана на фиг. 3.
Наиболее мелкозернистую структуру наблюдали на плавке №1, более крупнозернистую на плавке №2, и самую крупную на плавке №3 (с применением углеродного порошка), что связано с наличием меньшего числа центров кристаллизации.
Косвенным показателем эффективности распределения примесей в титане является твердость металла. Для определения твердости из средней части каждого слитка были вырезаны образцы для проведения механических исследований. Результаты определения твердости на трех слитках показаны в таблице 2:
Как видно из данных таблицы, с ростом содержания углерода твердость слитка увеличивается. Однако, при одинаковом содержании углерода твердость у слитка выше в случае использования наноуглеродных трубок.
Приведенные данные подтверждают преимущество предлагаемого способа легирования титана наноуглеродными трубками, в сравнении с углеродным порошком:
1. Получена более высокая усвояемость углерода.
2. Получена более мелкозернистая структура.
3. При одинаковом содержании углерода (плавки №2 и №3) в металле получены более высокие значения твердости слитка.
Claims (1)
- Способ производства титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода, отличающийся тем, что углеродсодержащий материал в виде углеродных нанотрубок размером 15 нм смешивают с титановой губкой, прессуют в блоки, которые затем сваривают в расходуемый электрод, используемый при КЭШП.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018126880A RU2694178C1 (ru) | 2018-07-20 | 2018-07-20 | Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018126880A RU2694178C1 (ru) | 2018-07-20 | 2018-07-20 | Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694178C1 true RU2694178C1 (ru) | 2019-07-09 |
Family
ID=67252399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018126880A RU2694178C1 (ru) | 2018-07-20 | 2018-07-20 | Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694178C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110835698A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-02-25 | 西北工业大学 | 一种界面反应可控的石墨烯钛基复合材料制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5311655A (en) * | 1990-10-05 | 1994-05-17 | Bohler Edelstahl Gmbh | Method of manufacturing titanium-aluminum base alloys |
| RU2264887C1 (ru) * | 2004-09-29 | 2005-11-27 | ОАО "Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение" (ВСМПО) | Способ полунепрерывного прессования изделий из шихтовых материалов титановых сплавов |
| RU2335553C2 (ru) * | 2005-04-25 | 2008-10-10 | Сергей Николаевич Чепель | Расходуемый электрод для получения высокотитанового ферросплава электрошлаковым плавлением |
| RU2571021C1 (ru) * | 2014-08-26 | 2015-12-20 | ООО "Златоустовский электрометаллургический завод" | Расходуемый электрод для производства стали марки чс82-ш |
-
2018
- 2018-07-20 RU RU2018126880A patent/RU2694178C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5311655A (en) * | 1990-10-05 | 1994-05-17 | Bohler Edelstahl Gmbh | Method of manufacturing titanium-aluminum base alloys |
| RU2264887C1 (ru) * | 2004-09-29 | 2005-11-27 | ОАО "Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение" (ВСМПО) | Способ полунепрерывного прессования изделий из шихтовых материалов титановых сплавов |
| RU2335553C2 (ru) * | 2005-04-25 | 2008-10-10 | Сергей Николаевич Чепель | Расходуемый электрод для получения высокотитанового ферросплава электрошлаковым плавлением |
| RU2571021C1 (ru) * | 2014-08-26 | 2015-12-20 | ООО "Златоустовский электрометаллургический завод" | Расходуемый электрод для производства стали марки чс82-ш |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| РЯБЦЕВ А.Д. и др. Легирование титана углеродом в процессе камерного электрошлакового переплава. Журнал "Современная электрометаллургия", N2, 2014. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110835698A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-02-25 | 西北工业大学 | 一种界面反应可控的石墨烯钛基复合材料制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103443311B (zh) | 用于生产钛合金焊丝的方法 | |
| EP3156151B1 (en) | Production method of maraging steel | |
| CN108998729B (zh) | 一种高强韧钢及其制备方法 | |
| WO2013080390A1 (ja) | α＋β型またはβ型チタン合金およびその製造方法 | |
| Zhang et al. | Discontinuous core-shell structured Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn alloy with high strength and good plasticity | |
| CN110724852A (zh) | 一种WSTi1400超高强度钛合金及其制备方法 | |
| JP2014019945A (ja) | チタン合金及びその製造方法 | |
| RU2694178C1 (ru) | Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) | |
| WO2013058338A1 (ja) | ニッケル基金属間化合物複合焼結材料およびその製造方法 | |
| US8778262B2 (en) | Alloy having reduced inclusions | |
| CN105349864B (zh) | 一种Nb‑Si‑Ta‑W合金材料及其制备方法 | |
| JP5070617B2 (ja) | タンタル−ケイ素合金およびそれを含む製品およびそれを製造する方法 | |
| EP3170911A1 (en) | Production method for maraging steel and production method for maraging steel consumable electrode | |
| Rodak et al. | Ultrafine-grained microstructures of Al–Cu alloys with hypoeutectic and hypereutectic composition produced by extrusion combined with reversible torsion | |
| RU2630157C2 (ru) | Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана | |
| JP2010275630A (ja) | 高い疲労強度を持つホウ素含有のα＋β型チタン合金の製造方法およびこれに用いるチタン合金材の製造方法 | |
| CN106566964B (zh) | 一种高强韧双峰分布铝合金复合材料及其制备方法 | |
| ITMO20130084A1 (it) | Procedimento per l'alligazione meccanica di metalli | |
| Jurisch et al. | 3D Screen Printing-Additive Manufacturing of Finely Structured Titanium Based Parts | |
| JP2015517030A (ja) | 酸化物分散強化型白金‐金合金の製造方法 | |
| RU2349657C1 (ru) | Способ производства молибдена высокой чистоты | |
| RU2576288C1 (ru) | Способ получения интерметаллидных сплавов на основе алюминида титана с повышенным содержанием ниобия | |
| JP2014145128A (ja) | 銅クロム合金線材、および、高延性高強度銅クロム合金線材の非加熱製造方法 | |
| RU2349658C1 (ru) | Способ производства вольфрама высокой чистоты | |
| AT15459U1 (de) | Anode |