Способ получения композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам механической активации, и может быть использовано при производстве низкомодульных сплавов на основе системы титан - ниобий методами селективного лазерного плавления, которые могут найти применение в качестве материалов с низким модулем упругости для изготовления индивидуальных имплантатов в медицине.

Известен способ получения механически легированной азотсодержащей стали RU 2425166, C22C 33/02, C22C 1/04, 2011) [1]. Смесь порошков металлов подвергают механическому легированию в атмосфере азота. Соотношение масс смеси металлических порошков и мелющих шаров составляет 1:30. После механического легирования смесь порошков металлов отжигают в защитной или восстановительной атмосферах при 400-600°C, в отожженную смесь добавляют 2-4% наноразмерного порошка никеля и производят перемешивание. Затем готовую шихту прессуют в пресс-форме и спекают в азотсодержащей атмосфере при температурах 1100-1300°C. Способ обеспечивает активацию спекания, сокращение длительности механического легирования, достижение высокой плотности, прочности, износо- и коррозионной стойкости стали.

Известен способ получения композитного порошка на основе системы титан - ниобий, включающий помещение порошка титана в количестве 60 мас. % и порошка ниобия в количестве 40 мас. % в планетарную мельницу. Также в камеру добавляются стальные мелющие шары. Для предотвращения слипания порошка в камеру добавляют небольшое количество поваренной соли NaCl. Затем для обеспечения так называемой механической сварки, планетарная мельница вращается со скоростью 250 об/мин. Процесс продолжается в течение 40 часов с остановками через каждые 15 минут для охлаждения камеры. В результате получают композитный порошок состава TiNb (40 мас. %) (Ksenia Zhuravleva. Production of Porous β-Type Ti-40Nb Alloy for Biomedical Applications: Comparison of Selective Laser Melting and Hot Pressing. / Matthias Bönisch, Konda Gokuldoss Prashanth, Ute Hempel, Arne Helth, Thomas Gemming, Mariana Calin, Sergio Scudino, Ludwig Schultz, Jürgen Eckert and Annett Gebert. // Materials 2013, 6, 5700-5712; doi: 10.3390/ma6125700) [2].

Основным недостатком указанного способа является очень большая длительность получения композитного порошка на основе системы TiNb (40 мас. %) с однородным распределением структурных составляющих по всему объему частицы ввиду низкоэнергетической механоактивации, а также нежелательное наличие в композите поваренной соли NaCl.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа получения композитного порошка на основе системы титан-ниобий для аддитивных технологий с заранее заданным составом и необходимыми свойствами, на основе метода механической активации.

Техническим результатом является обеспечение получения композитного порошка, реализующего способ, с однородным распределением титана и ниобия по всему объему композита, а также уменьшение длительности процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий включает механическую активацию смеси порошков титана и ниобия с добавлением противоагломерирующего компонента, при этом механическую активацию смеси порошков титана и ниобия ведут в планетарной шаровой мельнице ударно-фрикционного типа в течение 10-20 мин, с ускорением мелющих тел 40 g, при соотношении объемов смеси порошков и мелющих тел, равном 1:20, а в качестве противоагломерирующего компонента используют этиловый спирт.

При этом используют смесь порошков титана и ниобия, при массовом соотношении порошка титана и порошка ниобия, равном 6:4.

При этом используют этиловый спирт в количественном соотношении к смеси порошков титана и ниобия, равном 1:250.

После механической активации композитный порошок упаковывают в герметичную тару, заполненную аргоном.

Однородное распределение титана и ниобия по всему объему композитного порошка обусловлено тем, что исходную порошковую смесь подвергают механической активации для перемешивания, интенсивной пластической деформации, сваривания и обеспечения диффузионных процессов при формировании готового продукта.

Количество порошка титана, составляющее 60 мас. %, и порошка ниобия в количестве 40 мас. %, является предпочтительным, так как композитный порошок может быть сырьем для получения низкомодульного бэта-сплава TiNb, то есть сплава состава Ti+Nb (40 мас. %).

Время механической активации, составляющее 10-20 мин, является оптимальным, так как при выдержке менее 10 мин синтезируемый продукт характеризуется большим количеством не связанного порошка титана и ниобия, а при выдержке более 20 мин происходит образование крупных конгломератов, что является отрицательным явлением для дальнейшего использования композитного порошка.

Ускорение мелющих тел выбрано в интервале 40 g, потому что при больших нагрузках (мельница АГО-2 может разогнать мелющие тела почти до 100 g) начинают происходить процессы переноса материала мелющих тел, так называемое "отравление" перемешиваемой смеси, кроме того, в интервале больших ускорений возникает "холодная" сварка порошковых материалов и поверхностей мельницы. Известно, что интервалы ускорений на мельнице зависят и от вида перемешиваемых материалов, но авторами экспериментально установлен такой интервал в 40 g для титана, алюминия, меди, никеля и других подобных материалов. Варьируется в этом случае другой параметр - время.

При этом выбирают соотношение объемов смеси и мелющих тел 1:20. Выбрано указанное соотношение объемов смеси и мелющих тел, исходя из проведенных экспериментов.

В качестве противоагломерирующего и поверхностно-активного вещества (ПАВ) компонента используют этиловый спирт

Использование этилового спирта в предлагаемом изобретении связано с тем, что он легко испаряется и мало влияет на состав конечного продукта. Этиловый спирт выполняет в предлагаемом изобретении не только противоагломерирующую, но также функцию ПАВ и способствует процессу смешивания. После механической активации композитный порошок упаковывают в герметичную тару, заполненную аргоном. Газ защищает готовый продукт от окисления, т.к. поверхность композитного порошка очень активна (практически без окисной пленки).

Пример конкретного выполнения способа

Готовят смесь порошков титана марки ПТМ в количестве 600 г со средним размером 12 мкм и ниобия марки НбП-а со средним размером 5 мкм в количестве 400 г. Смесь указанных порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2С ударно-фрикционного типа в течение 15 мин, при ускорении мелющих тел 40 g, соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20, диаметре размольных шаров 8 мм. Корпус камеры охлаждают водой. Перед началом механической обработки добавляют этиловый спирт в количестве 4 г. В процессе механической активации этиловый спирт полностью испаряется. После механической активации композитный порошок упаковывают в герметичную тару, заполненную аргоном.

Конечным продуктом, реализующим предложенный способ, является механокомпозитный порошок TiNb(40 мас. %) с размерами частиц 10-50 мкм.

Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает получение композитного порошка заданного состава с определенными свойствами, с однородным распределением титана и ниобия по всему объему частицы, являющегося экологически чистым за счет отсутствия в продуктах синтеза посторонних веществ, а также сокращается длительность процесса.