Порошковая металлургия титана: технологии и применение.

Введение

Металлургия порошков титана (P/M) предоставляет возможность изготовления деталей с готовой или почти готовой формой без потерь материала и затрат, связанных с механической обработкой сложных компонентов из проката. Порошки могут быть получены методом смешивания элементарных порошков или предварительного сплавления, а затем уплотнены методами металлической инъекции, горячего изостатического прессования, прямой прокатки порошков или лазерного формования деталей заданной формы.

Смешанная элементарная техника (BE)

Традиционная технология производства титана основана на процессе Кролла, включающем хлорирование руды TiO2 в присутствии углерода и последующую реакцию полученного TiCl4 с магнием для получения титановой губки. Эти процессы протекают при температурах до 1040 °C. Размер частиц губки варьируется от 45 до 180 мкм, при этом частицы размером около 150 мкм обозначаются как "мелкая губчатая фракция". Эта фракция имеет неправильную форму и пористую структуру, напоминающую губку. Затем мелкую фракцию смешивают с легирующими добавками, холодно прессуют в заготовку при давлении до 415 МПа и далее вакуумно спекают при 1260 °C для получения компонента с плотностью 99,5%. Горячее изостатическое прессование (ГИП) может дополнительно повысить плотность этих деталей и обеспечить более экономичное производство компонентов по сравнению с литыми или коваными изделиями, однако пористость материала снижает сопротивление усталости и хрупкость. Технология BE была применена для производства клапанов для Toyota Altezza, головок клюшек для гольфа и бит для софтбола. В последнее время получены детали из титана марки 5 с плотностью, близкой к 100%, с использованием гидрированного порошка и мастер-сплава Al:V в соотношении 60:40. Механические свойства этих деталей сопоставимы с характеристиками литых и кованых изделий. Оценочная стоимость автомобильного соединительного элемента весом 0,320 г составляет менее 3,00 долларов США.

Производство предварительно легированного порошка

Существует несколько методов получения предварительно легированного порошка, например, марки 5. В процессе гидридного дегидрирования исходные материалы, такие как твердый лом, заготовки или механические стружки, подвергаются обработке для удаления загрязнений, затем гидрогенизируются для получения хрупкого материала и измельчаются под аргоном в вибрационной шаровой мельнице, обычно при 400 °C в течение 4 часов при давлении 1 psi для Ti марки 5. Полученные частицы имеют угловатую форму и размер от 50 до 300 мкм. Холодное прессование после дегидрирования порошка, с последующим вакуумным горячим прессованием (в этом случае процесс дегидрирования можно пропустить, так как водород удаляется в вакууме) или HIP и окончательным вакуумным отжигом, позволяет получить порошки с содержанием водорода менее 125 ppm. Возможное присутствие загрязнений делает эти порошки непригодными для использования в ответственных авиационных приложениях. В процессе плазменного вращающегося электрода (PREP) исходный материал, такой как Ti марки 5, имеет форму вращающегося стержня, который подвергается воздействию газовой плазмы. Расплавленный металл отбрасывается центробежной силой, охлаждается и собирается. Полученные порошки имеют сферическую форму, размер от 100 до 300 мкм, обладают хорошей сыпучестью и способностью к уплотнению, что делает порошок идеальным для получения высококачественных деталей с минимальной обработкой методом HIP, таких как детали для авиации и пористые покрытия для протезов тазобедренного сустава. В процессе газовой атомизации титана (TGA) титан плавится в вакуумной индукционной печи в водяном охлаждаемом медном тигле, металл выпускается, а струя расплавленного металла атомизируется струей инертного газа высокого давления. Крошечные капли имеют сферическую форму и размер от 50 до 350 мкм. Процесс TGA используется для производства широкого спектра материалов, таких как коммерчески чистый (CP) титан, традиционные альфа-бета и бета-сплавы. В процессе плазменной атомизации (ПА) титановая проволока атомизируется тремя струями инертной газовой плазмы для образования сферических металлических порошков. Диапазон диаметров, получаемый в процессе ПА, составляет от 0 до 200 мкм, а полученные порошки отличаются высокой чистотой. Процесс ПА специализируется на производстве материалов с высокой температурой плавления, таких как титан (CP Ti, Ti 6Al 4V), ниобий, молибден, тантал и многие другие.

Several techniques exist to produce pre alloyed powder, such as Grade 5. In the hydride dehydride process feedstock such as solid scrap, billet or machined turnings are processed to remove contaminants, hydrogenated to produce brittle material then ground under argon in a vibratory ball mill, typically at 400 °C for 4 hours at a pressure of 1 psi for Ti Grade 5. The resulting particles are angular and measure between 50 and 300 μm. Cold compaction after dehydrogenation of the powder, followed by either vacuum hot pressing (in this case the dehydrogenation process can be bypassed as hydrogen is removed under vacuum) or HIP and a final vacuum anneal, produces powders with hydrogen below 125 ppm. The possible presence of contaminants makes these powders unsuitable for use in critical aircraft applications. In the plasma rotating electrode process (PREP), the feedstock, such as Ti Grade 5, is in the form of a rotating bar which is arced with gas plasma. The molten metal is centrifugally flung off the bar, cools down and is collected. The powders produced are spherical; between 100 and 300 μm is size, with good packing and flow characteristics, making the powder ideal for high quality, near net shapes produced by HIP, such as aviation parts and porous coatings on hip prostheses. In the titanium gas atomisation (TGA) process, titanium is vacuum induction skull melted in a water cooled copper crucible, the metal tapped and the molten metal stream atomized with a stream of high pressure inert gas. The tiny droplets are spherical and measure between 50 and 350 μm. The TGA process has been used to produce a wide variety of materials such as commercially pure (CP) titanium, conventional alpha beta and beta alloys. In plasma atomization (PA) process, a titanium wire is atomized by 3 inert gas plasma jets to form spherical metal powders. The distribution of diameter obtained in the PA process ranges between 0–200 μm and the powders obtained is very pure. The PA process specializes in the production of high temperature melting material as titanium (CP Ti, Ti 6Al 4V), niobium, molybdenum, tantalum and many more.