RU2725460C1

RU2725460C1 - Method of producing titanium-based powder material

Info

Publication number: RU2725460C1
Application number: RU2019138091A
Authority: RU
Inventors: Ольга Владимировна Романова; Михаил Николаевич Захаров; Ольга Федоровна Рыбалко; Борис Рафаилович Гельчинский; Алексей Владимирович Долматов
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-07-02

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to production of titanium-based powder materials. Mixture containing not more than 65 wt% of powder obtained by method of plasma spraying of titanium alloy VT-22, not less than 30 wt% of titanium powder PTM-1 and not more than 5 wt% of powder of nickel-aluminum alloy of grade N70U30. Obtained mixture is pressed at pressure of 1500–1900 MPa, and then sintering is carried out in protective atmosphere of helium at temperature of not less than 900 °C with holding for at least 4 hours.EFFECT: obtaining titanium-based material with high hardness and strength.1 cl, 1 dwg, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения порошковых материалов на основе титана.The invention relates to the field of powder metallurgy and can be used to obtain powder materials based on titanium.

В различных областях промышленности для получения изделий широкого спектра назначения применяются порошки титана и его сплавов. Для изготовления деталей из титановых сплавов методами порошковой металлургии существуют ряд основных методов, такие как: горячее и холодное изостатическое прессование, гидростатическое прессование, динамическое горячее прессование, холодное прессование с последующим спеканием и др. Метод холодного прессования заготовок с их последующим спеканием является наиболее простым в аппаратурном оснащении, менее энергозатратным, легко осуществимым на производстве по сравнению с другими вышеперечисленными.In various industries, powders of titanium and its alloys are used to obtain products for a wide range of purposes. For the manufacture of parts from titanium alloys by powder metallurgy methods, there are a number of basic methods, such as: hot and cold isostatic pressing, hydrostatic pressing, dynamic hot pressing, cold pressing followed by sintering, etc. The cold pressing method of workpieces with their subsequent sintering is the easiest in hardware equipment, less energy-consuming, easily feasible in production compared to the others listed above.

Известен способ получения порошкового материала на основе титана, включающий приготовление смеси из лигатуры Ti+Al и чистых металлов Mo, Zr V, прессование порошковых брикетов при 900 МПа, спекание при температуре 1100-1430°С и выдержке в течение 2-7 часов. Полученный порошок сплава ВТ-20 содержит 6-7% Al, 1-2% Zr, 1-2% Mo, 1-2% V, Ti - остальное. (Анциферов В.Н., Устинов B.C., Олесов Ю.Г. Спеченные сплавы на основе титана. М.: Металлургия. 1984, с. 116-117).A known method of producing a powder material based on titanium, comprising preparing a mixture of Ti + Al alloys and pure metals Mo, Zr V, pressing powder briquettes at 900 MPa, sintering at a temperature of 1100-1430 ° C and holding for 2-7 hours. The resulting powder of VT-20 alloy contains 6-7% Al, 1-2% Zr, 1-2% Mo, 1-2% V, Ti - the rest. (Antsiferov V.N., Ustinov B.C., Olesov Yu.G. Sintered alloys based on titanium. M .: Metallurgy. 1984, p. 116-117).

Недостатком способа является низкая прочность порошкового материала, полученного даже при температуре 1400-1430°С, что обусловлено высоким содержанием Al, т.к. при растворении алюминия в α-титане образуется хрупкая α₂-фаза, что и приводит к снижению качества полученного материала.The disadvantage of this method is the low strength of the powder material obtained even at a temperature of 1400-1430 ° C, which is due to the high Al content, because upon dissolution of aluminum in α-titanium, a brittle α ₂ phase is formed, which leads to a decrease in the quality of the obtained material.

В качестве прототипа принят способ получения порошкового материала на основе титана, (патент РФ №2555698, МПК B22F 3/15. С22С 1/04, С22С 14/00, опубликован 10.07.2015, бюл. №19) включающий приготовление смеси, содержащей не более 65 мас. % порошка, полученного методом плазменного распыления титанового сплава ВТ-22, не менее 30 мас. % смеси технических порошков титана ПТМ-1 (порошок титана, полученный гидридно-кальциевым методом) и никеля ПНК (порошок никеля, полученный карбонильным методом), взятых в соотношении 1:1, и 3-5 мас. % полученного электролизом порошка меди ПМС-1 фракции менее 50 мкм. Полученную смесь прессуют при давлении 800-1000 МПа, а затем проводят спекание в вакууме при температуре не менее 900°С более 1 часа.As a prototype, a method for producing titanium-based powder material was adopted (RF patent No. 2555698, IPC B22F 3/15. С22С 1/04, С22С 14/00, published July 10, 2015, bull. No. 19) comprising preparing a mixture containing no more than 65 wt. % of the powder obtained by plasma spraying of VT-22 titanium alloy, not less than 30 wt. % of a mixture of technical titanium powders PTM-1 (titanium powder obtained by the hydride-calcium method) and PNA nickel (nickel powder obtained by the carbonyl method), taken in a ratio of 1: 1, and 3-5 wt. % obtained by electrolysis of copper powder PMS-1 fraction of less than 50 microns. The resulting mixture is pressed at a pressure of 800-1000 MPa, and then sintering in vacuum at a temperature of at least 900 ° C for more than 1 hour.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая прочность и твердость порошкового материала, даже при давлении 1000 МПа, что обусловлено недостаточной гомогенизацией порошковых компонентов и отсутствием достаточного взаимодействия частиц порошкового материала.The disadvantage of the prototype is the insufficiently high strength and hardness of the powder material, even at a pressure of 1000 MPa, which is due to insufficient homogenization of the powder components and the lack of sufficient interaction of the particles of the powder material.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение порошкового материала на основе титана, обладающего высокой прочностью и твердостью, пригодного для изготовления деталей машин и механизмов специального назначения.The technical result of the claimed invention is to obtain a powder material based on titanium having high strength and hardness, suitable for the manufacture of machine parts and special-purpose mechanisms.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем приготовление смеси компонентов, содержащей порошок, полученный методом плазменного распыления титанового сплава ВТ-22, и порошок титана ПТМ-1, прессование смеси и спекание, согласно изобретению в смесь дополнительно вводят порошок никель-алюминиевого сплава марки Н70Ю30 при поддержании соотношения компонентов, мас. %:The specified technical result is achieved by the fact that in the method comprising preparing a mixture of components containing a powder obtained by plasma spraying of a VT-22 titanium alloy and PTM-1 titanium powder, pressing the mixture and sintering, according to the invention, nickel-aluminum powder is additionally introduced into the mixture alloy grade Н70Ю30 while maintaining the ratio of components, wt. %:

порошок сплава ВТ-22 не более 65alloy powder VT-22 no more than 65

порошок титана ПТМ-1 не менее 30PTM-1 titanium powder not less than 30

порошок никель-алюминиевого сплава марки Н70Ю30 не более 5, прессование полученной смеси ведут при давлении 1500-1900 МПа, а затем проводят спекание в защитной атмосфере гелия при температуре не менее 900°С с выдержкой не менее 4 часов.powder of nickel-aluminum alloy of brand Н70Ю30 no more than 5, pressing the resulting mixture is carried out at a pressure of 1500-1900 MPa, and then sintering in a protective helium atmosphere at a temperature of at least 900 ° C with a holding time of at least 4 hours.

Использование в качестве компонентов приготовляемой смеси кроме порошка, полученного методом плазменного распыления сплава ВТ-22 и технического порошка титана марки ПТМ-1, порошка никель-алюминиевого сплава марки Н70Ю30 позволяет при прессовании регулировать плотность материала при увеличении твердости за счет образования интерметаллидных фаз. Полученный порошковый материал имеет однородную структуру сплава, что объясняется гомогенизацией компонентов и это подтверждается микроструктурой полученных образцов, представленной на рисунке.The use of the prepared mixture as components, in addition to the powder obtained by plasma spraying of VT-22 alloy and technical PTM-1 titanium powder, N70Y30 nickel-aluminum alloy powder makes it possible to control the density of the material during pressing with increasing hardness due to the formation of intermetallic phases. The obtained powder material has a uniform alloy structure, which is explained by the homogenization of the components and this is confirmed by the microstructure of the obtained samples, shown in the figure.

При этом получение порошкового материала, обладающего высокой прочностью и твердостью, достигается при соблюдении в смеси заявляемого соотношения компонентов и проведении операций прессования и спекания в указанных интервалах давления и температуры.Moreover, obtaining a powder material with high strength and hardness is achieved by observing the claimed ratio of components in the mixture and performing pressing and sintering operations in the indicated pressure and temperature ranges.

Проведение прессования при давлении менее 1500 МПа и спекания при температуре ниже 900°С в защитной атмосфере гелия с выдержкой менее 4 часов не позволяет получить высокую прочность образцов ввиду недостаточной диффузии компонентов и гомогенизации спекаемого материала. Увеличение давления выше 1900 МПа является нецелесообразным, так как не приводит к дальнейшему повышению прочности.Pressing at a pressure of less than 1500 MPa and sintering at a temperature below 900 ° C in a protective helium atmosphere with a holding time of less than 4 hours does not allow obtaining high strength samples due to insufficient diffusion of components and homogenization of the sintered material. The increase in pressure above 1900 MPa is impractical, since it does not lead to a further increase in strength.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: порошок, полученный распылением плазмой титана марки ВТ-22 фракции менее 100 мкм, смешивают с техническими порошками титана ПТМ-1 и порошка сплава никель-алюминий Н70Ю30 фракции менее 100 мкм, при поддержании соотношения компонентов в смеси в мас. %: ВТ-22 не более 65, ПТМ-1 не менее 30 и Н70Ю30 не более 5. После приготовления смеси заявленного состава, проводят однократное прессование при 1500-1900 МПа в разборной пресс-форме и спекание изделия в защитной атмосфере гелия при температуре не менее 900°С с плавным нагревом и выдержкой не менее 4 часов, после чего проводят в печи охлаждение полученного порошкового материала.The proposed method is as follows: the powder obtained by spraying with titanium plasma of grade VT-22 fraction of less than 100 microns, mixed with technical powders of titanium PTM-1 and powder of nickel-aluminum alloy H70Y30 fraction of less than 100 microns, while maintaining the ratio of components in the mixture in wt. %: VT-22 no more than 65, PTM-1 no less than 30 and Н70Ю30 no more than 5. After preparing the mixture of the claimed composition, one-time pressing is carried out at 1500-1900 MPa in a collapsible mold and the product is sintered in a protective helium atmosphere at a temperature not less than 900 ° C with smooth heating and holding for at least 4 hours, after which the resulting powder material is cooled in an oven.

Способ проверен в лабораторных условиях.The method was tested in laboratory conditions.

Пример. Для приготовления порошкового материала использовали исходные компоненты, состав которых приведен в таблице 1.Example. To prepare the powder material used the starting components, the composition of which is shown in table 1.

Готовили смесь, состоящую из порошка ВТ-22, порошка ПТМ-1 и Н70Ю30, крупностью менее 100 мкм. Соотношение компонентов в смеси варьировали в пределах, мас. %: порошок сплава ВТ-22 60-70, порошок ПТМ-1 10-35, порошок сплава никель-алюминий Н70Ю30 3-30. После приготовления смеси ее подвергали прессованию при 1500-1900 МПа в разборной пресс-форме, полученные брикеты спекали в защитной атмосфере гелия при температуре не менее 900°С в течение не менее 4 часов, после чего проводили в печи охлаждение полученного порошкового материала. Получен порошковый материал, состав, мас %: Ti - 83,1-85,0; Ni - 3,5-4,0; Fe - 0,5-1,0; Cr - 0,5-1,0; Al - 4,0-6,0; V - 2,1-3,5; Mo - 1,8-3,0; Ca<0,004; C≤0,06, O≤0,15, N≤0,003, H≤0,05.A mixture was prepared consisting of VT-22 powder, PTM-1 powder and H70Y30, with a particle size of less than 100 microns. The ratio of components in the mixture varied within, wt. %: VT-22 alloy powder 60-70, PTM-1 powder 10-35, nickel-aluminum alloy powder H70Y30 3-30. After the mixture was prepared, it was pressed at 1500-1900 MPa in a collapsible mold, the obtained briquettes were sintered in a protective helium atmosphere at a temperature of at least 900 ° C for at least 4 hours, after which the obtained powder material was cooled in an oven. The obtained powder material, composition, wt.%: Ti - 83.1-85.0; Ni - 3.5-4.0; Fe - 0.5-1.0; Cr - 0.5-1.0; Al - 4.0-6.0; V - 2.1-3.5; Mo - 1.8-3.0; Ca <0.004; C≤0.06, O≤0.15, N≤0.003, H≤0.05.

Результаты опытов по получению порошкового материала и его свойства (плотность, прочность и твердость спеченных брикетов) приведены в таблице 2.The results of experiments to obtain a powder material and its properties (density, strength and hardness of sintered briquettes) are shown in table 2.

Из таблицы видно, что порошковый материал состава: порошок сплава ВТ-22, порошки ПТМ-1 и Н70Ю30 в соотношении 65-25-10 мас. % имеет твердость и прочность ниже, чем по прототипу, и чистому сплаву ВТ-22 (по справочным данным в отожженном виде ВТ-22 имеет твердость 283НВ), при испытании на диаметральное сжатие образец начинает разрушаться при нагрузке 35770Н.The table shows that the powder material composition: powder alloy VT-22, powders PTM-1 and H70U30 in a ratio of 65-25-10 wt. % has a hardness and strength lower than that of the prototype, and pure alloy VT-22 (according to reference data in the annealed form, VT-22 has a hardness of 283NV), when tested for diametrical compression, the sample begins to break at a load of 35770N.

Оптимальным составом порошкового материала на основе титана является смесь порошков сплава ВТ-22, порошков ПТМ-1 и Н70Ю30 в соотношении 65-30-5 мас. %. Образец имеет твердость и прочность выше, чем в прототипе. При испытании на диаметральное сжатие у образца откололся край при нагрузке 38432Н, при этом сам образец остался целым, без признаков разрушения.The optimal composition of the titanium-based powder material is a mixture of VT-22 alloy powders, PTM-1 and Н70Ю30 powders in a ratio of 65-30-5 wt. % The sample has a hardness and strength higher than in the prototype. In the diametric compression test, the edge broke off at a load of 38432N, while the sample itself remained intact, with no signs of destruction.

Испытание на осевое сжатие показало, что 1 и 2 образец при максимальной нагрузке в 84000Н не разрушились.An axial compression test showed that samples 1 and 2 at maximum load of 84,000 N were not destroyed.

Предложенный способ позволяет получить порошковый материал на основе титана, обладающий высокой прочностью и твердостью пригодный для изготовления деталей машин и механизмов специального назначения.The proposed method allows to obtain a powder material based on titanium with high strength and hardness suitable for the manufacture of machine parts and special-purpose mechanisms.

Claims

A method for producing a titanium-based powder material, comprising preparing a mixture of components containing a powder obtained by plasma spraying of VT-22 titanium alloy and PTM-1 titanium powder, pressing the mixture and sintering, characterized in that nickel-aluminum powder is additionally introduced into the mixture alloy grade N70U30 in the following ratio of components in the mixture, wt. %:

alloy powder VT-22 no more than 65 PTM-1 titanium powder not less than 30 powder of nickel-aluminum alloy brand H70Y30 no more than 5,

while pressing the resulting mixture is carried out at a pressure of 1500-1900 MPa, and then sintering in a protective atmosphere of helium at a temperature of at least 900 ° C with a holding time of at least 4 hours.