Титановый порошок

Титановая порошковая металлургия (P/M) дает возможность создавать детали чистой формы или почти чистой формы без потерь материала и затрат, связанных с необходимостью механической обработки сложных компонентов из деформируемых заготовок. Порошки могут быть изготовлены методом смешанных элементов или путем предварительного легирования, а затем консолидированы с помощью литья под давлением металла , горячего изостатического прессования , прямой порошковой прокатки или формования сетки с помощью лазера .

Смешанная элементальная техника (BE)

Традиционным методом производства титана является процесс Кролла , который включает хлорирование руды TiO ₂ в присутствии углерода и реакцию полученного TiCl ₄ с магнием с получением губчатого титана. Эти процессы происходят при температуре до 1040 °C. Размер губчатых частиц варьируется от 45 до 180 мкм, причем частицы размером ~150 мкм называются «губчатыми частицами». Эти частицы имеют неправильную форму, пористые и имеют губчатую морфологию. ^{[ 1 ]} Затем мелочь смешивают с добавками сплавов; холодное прессование в неспеченную прессовку при давлении до 415 МПа, а затем спекание в вакууме при 1260 °C для получения компонента с плотностью 99,5%. Горячее изостатическое прессование (HIP) может еще больше увеличить плотность этих деталей и производить компоненты более экономично, чем литые или деформируемые детали, но пористость, присутствующая в материале, ухудшает усталостные свойства и свойства разрушения. Подход BE использовался при производстве клапанов для Toyota Altezza, головок клюшек для гольфа и бит для софтбола. ^{[ 2 ]} Совсем недавно плотность деталей из титана класса 5, близкая к 100%, была достигнута с использованием гидридированного порошка вместе с лигатурой Al:V 60:40. Механические свойства сравнимы с характеристиками литых и кованых изделий. Была сделана смета стоимости автомобильного соединительного звена массой 0,320 г менее 3,00 долларов США.

Производство предварительно легированных порошков

Существует несколько методов производства предварительно легированного порошка, такого как Grade 5. В процессе гидрид-дегидрида сырье, такое как твердый лом, заготовка или стружка, обрабатывается для удаления загрязнений, гидрируется для получения хрупкого материала, а затем измельчается в атмосфере аргона в вибрационном шаре. в мельнице, обычно при 400 °C в течение 4 часов при давлении 1 фунт на квадратный дюйм для Ti Grade 5. Полученные частицы имеют угловатую форму и имеют размеры от 50 до 300 мкм. Холодное компактирование после дегидрирования порошка с последующим либо вакуумным горячим прессованием (в этом случае процесс дегидрирования можно обойти, поскольку водород удаляется под вакуумом), либо ГИП и окончательным вакуумным отжигом дает порошки с содержанием водорода ниже 125 частей на миллион. Возможное присутствие загрязнений делает эти порошки непригодными для использования в критически важных самолетах.

В процессе плазменного вращающегося электрода (PREP) сырье, такое как Ti Grade 5, имеет форму вращающегося стержня, который подвергается дуговой обработке газовой плазмой. Расплавленный металл центробежно сбрасывается с прутка, охлаждается и собирается. Получаемые порошки имеют сферическую форму; Размер порошка составляет от 100 до 300 мкм, он обладает хорошей упаковкой и характеристиками текучести, что делает порошок идеальным для высококачественных, почти чистых форм, производимых HIP, таких как авиационные детали и пористые покрытия на протезах тазобедренного сустава.

В процессе газового распыления титана (TGA) титан представляет собой вакуумную индукционную черепку, расплавленную в медном тигле с водяным охлаждением, металл выпускают, а поток расплавленного металла распыляют потоком инертного газа под высоким давлением. Крошечные капли имеют сферическую форму и имеют размер от 50 до 350 мкм. Процесс ТГА использовался для производства широкого спектра материалов, таких как технически чистый (CP) титан, обычные альфа-бета- и бета-сплавы. ^{[ 3 ]}

В процессе плазменного распыления (PA) титановая проволока распыляется тремя плазменными струями инертного газа с образованием сферических металлических порошков. Распределение диаметра, полученное в процессе PA, находится в диапазоне 0–200 мкм, а получаемые порошки очень чистые. Процесс PA специализируется на производстве высокотемпературных плавких материалов, таких как титан (CP-Ti, Ti-6Al-4V), ниобий, молибден, тантал и многие другие. ^{[ 3 ]}

Консолидация порошка

Для производства конечного продукта используются несколько методов консолидации металлов. Литье металла под давлением (MIM), также известное как литье под давлением порошка, является хорошо зарекомендовавшим себя и экономически эффективным методом изготовления металлических компонентов малых и средних размеров в больших количествах. Он основан на методе литья пластмасс под давлением, при котором при смешивании металлического порошка с полимерным связующим образуется сырье, которое затем впрыскивается в форму, после чего связующее удаляется посредством термической обработки в вакууме перед окончательным спеканием. Однако в случае титана связующие, используемые в MIM, приводят к внедрению углерода в матрицу из-за недостаточного удаления связующего перед спеканием и/или вредных реакций между разлагающимся связующим, атмосферой удаления связующего и металлической фазой. В результате получаются титановые детали с механическими свойствами, непригодными для критически важных применений в аэрокосмической отрасли, но пригодными для деталей, где свойства растяжения и удара менее важны. Недавно были проведены работы по снижению объемной доли связующего до < 8%, что привело к полному удалению связующего из формованной детали во время термообработки.

В процессе прямой порошковой прокатки (DPR) порошок BE используется для производства листов и пластин, а также композитных многослойных листов и пластин. Листы толщиной от 1,27 до 2,54 мм и плотностью от 50 до 99+% из однослойного титана CP, Ti Grade 5, TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb) и композита Ti/Grade 5/Ti и Grade 5/TiAl/Grade 5 имеют были произведены методом ДПР и агломерации.

Лазерное формирование сетки (LENS) — это метод аддитивного производства, позволяющий быстро изготавливать, улучшать и ремонтировать металлические компоненты непосредственно на основе данных САПР. В этих процессах используется мощный твердотельный лазер, сфокусированный на металлической подложке для создания ванны расплава диаметром около 1 мм. Затем в ванну расплава впрыскивают металлический порошок, чтобы увеличить объем материала и слой за слоем наращивать компонент. Экспериментальные газовые двигатели (время сборки 8 часов) и автомобильные кронштейны были изготовлены из Ti-Grade 5. Селективное лазерное спекание (SLS) аналогично, за исключением того, что лазер выборочно плавит порошковый материал путем сканирования на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускают на одну толщину слоя, сверху наносят новый слой материала и процесс повторяют до тех пор, пока деталь не будет завершена.

При горячем изостатическом прессовании высокая температура и давление используются для уплотнения порошков до их максимальной теоретической плотности.

Спекание электрическим током, также известное как искрово-плазменное спекание (SPS), основано на быстром применении резистивного нагрева и давления для консолидации порошков, близких к их максимальной теоретической плотности, без нежелательного эффекта роста зерен, тем самым сохраняя близкий к исходному размер зерна и достигая улучшенных результатов. механические свойства конечного продукта.

Новые технологии

Продолжается работа по обходу традиционного способа распыления деформируемого сырья или губки и затрат, связанных с традиционным процессом Кролла. Некоторые из этих процессов, такие как процессы FFC, MER Corporation, OS, Ginatta и BHP Billiton, основаны на электролитическом восстановлении TiO ₂ (дешевого и распространенного материала) с образованием металлического Ti. До сих пор ни один материал, полученный в результате этих процессов, не продавался на открытом рынке, а модели затрат еще не опубликованы, но они открывают возможность получения недорогого титанового порошка в ближайшем будущем. Странами, имеющими такие мощности для производства титановой губки, являются Саудовская Аравия, Китай, Япония, Россия, Казахстан, США, Украина и Индия. Завод по производству титановой губки в Индии — единственный в мире, который может осуществлять все виды деятельности по производству губчатого титана для аэрокосмической отрасли под одной крышей. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Ссылки

^ Гренье С., Бжезинский Т., Цантризос П., Аллер Ф. (январь 1998 г.). «Нанесение VPS сферических порошков на основе титана, полученных методом плазменного распыления» . В Коддете C (ред.). Термическое напыление: решение задач 21 века: материалы 15-й Международной конференции по термическому напылению, 25–29 мая 1998 г., Ницца, Франция . АСМ Интернешнл. стр. 1278– . ISBN 978-0-87170-659-1 . Проверено 9 октября 2011 г.
^ Разработки FH Froes в титане P/M . Институт материалов и передовых процессов (IMAP). Университет Айдахо
^ Jump up to: ^а ^б Фриц Аппель; Джонатан Дэвид Хитон Пол; Майкл Эринг (22 ноября 2011 г.). Гамма-титаналюминидные сплавы: наука и технологии . Вайли-ВЧ. стр. 522–. ISBN 978-3-527-31525-3 . Проверено 9 октября 2011 г.
^ «Завод ISRO по производству титановой губки в Керале полностью введен в эксплуатацию» . Timesofindia- EconomicTimes . Проверено 8 ноября 2015 г.
^ «Информационные службы Roskill: прогнозируется увеличение мировых поставок титана» . www.prnewswire.com (пресс-релиз) . Проверено 8 ноября 2015 г.

[1] Гренье С., Бжезинский Т., Цантризос П., Аллер Ф. (январь 1998 г.). «Нанесение VPS сферических порошков на основе титана, полученных методом плазменного распыления» . В Коддете C (ред.). Термическое напыление: решение задач 21 века: материалы 15-й Международной конференции по термическому напылению, 25–29 мая 1998 г., Ницца, Франция . АСМ Интернешнл. стр. 1278– . ISBN 978-0-87170-659-1 . Проверено 9 октября 2011 г.

[2] Разработки FH Froes в титане P/M . Институт материалов и передовых процессов (IMAP). Университет Айдахо

[b1-3] Jump up to: ^а ^б Фриц Аппель; Джонатан Дэвид Хитон Пол; Майкл Эринг (22 ноября 2011 г.). Гамма-титаналюминидные сплавы: наука и технологии . Вайли-ВЧ. стр. 522–. ISBN 978-3-527-31525-3 . Проверено 9 октября 2011 г.

[4] «Завод ISRO по производству титановой губки в Керале полностью введен в эксплуатацию» . Timesofindia- EconomicTimes . Проверено 8 ноября 2015 г.

[5] «Информационные службы Roskill: прогнозируется увеличение мировых поставок титана» . www.prnewswire.com (пресс-релиз) . Проверено 8 ноября 2015 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]