Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения порошка титана методом электроэрозионного диспергирования

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам и способам получения порошкового титанового сплава, и может быть использовано в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Титан может использоваться в химической, военной, автомобильной, сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

Известен способ получения порошков титана методом гидрирования-дегидрирования [Гармата В.А. и др. Титан. - М.: Металлургия. 1983, с. 489-490.]. Метод основан на высокой хрупкости титана, насыщенного водородом. Исходный титан в виде кусков или стружки насыщают водородом до содержания от 420 до 445 см³ Н₂ на 1 г титана, соответствующего формулам TiH_1,8-TiH_1,9. Полученный гидрид измельчают до требуемого гранулометрического состава. Водород из порошка удаляют термическим дегидрированием в вакууме. Операцию проводят при температуре от 700 до 800°С. По ходу дегидрирования частицы титана спекаются. Для получения конечного продукта спекания, который разрушают механическим измельчением. Гранулометрический состав готового порошка контролируют просевом через сита с заданным размером ячеек.

По приведенному способу освоено производство дисперсного порошка титана фракций (-0,10+0,04) мм [1].

При получении по данному способу порошка титана с остаточным содержанием водорода менее 5 см Н₂ на 1 г титана (массовой долей водорода менее 0,045%) продолжительное воздействие высоких температур на стадии дегидрирования приводит к чрезмерному укрупнению частиц металла. В результате выход порошка с размерами частиц менее 0,04 мм оказывается неудовлетворительным.

Другим недостатком представленного способа получения порошка титана является повышенная пожаровзрывоопасность процесса дегидрирования, связанная с использованием в качестве промежуточного продукта гидрида титана с составом, близким к TiH₂, что обусловлено высоким значением равновесного давления водорода в интервале температур от 450 до 750°С над гидридами состава TiH_1,80-TiH_1,99.

Себестоимость порошка получается высокой, потому что приходится использовать термическое дегидрирование в вакууме.

Существенным отличием предложенного способа является то, что не нужно использовать водород, высокие температуры и применять метод термического дегидрирования в вакууме, это делает процесс более дешевым и вероятность возникновения пожара практически равна нулю.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи получения порошков титана из отходов с низкой себестоимостью, снижение пожаровзрывоопасности, а также возможность получения порошка с размерами частиц менее 0,04 мм.

Поставленная задача достигается способом получения порошка титана из отходов, отличающимся от прототипа тем, что отходы титана (стружка марки ВТ6) подвергают электроэрозионному диспергированию в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 250 Гц; напряжении на электродах 150 В и емкости конденсаторов 65 мкФ.

На фигуре 1 описаны этапы получения порошка титана; на фигуре 2 - схема процесса ЭЭД, на фигуре 3 - распределение по размерам микрочастиц порошка титана, на фигуре 4 - результаты исследования распределения по размерам частиц, на фигуре 5 - фазовый состав порошка титана, на фигурах 6 (А,Б) - микрофотографии частиц порошка титана.

Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами [Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.]. Получение порошка титана на экспериментальной установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Патент RU на изобретение №2449859] проводилось по схеме, представленной на фигуре 1 в четыре этапа:

- 1 этап - подготовка к процессу электроэрозионного диспергирования;

- 2 этап - процесс электроэрозионного диспергирования;

- 3 этап - выгрузка порошка из реактора.

- 4 этап - сушка и взвешивание порошка титана.

Получаемые этим способом порошковые материалы имеют в основном сферическую и эллиптическую форму частиц. Причем, изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов), можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса.

На первом этапе производили сортировку титановых отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой - дистиллированной водой, отходы (стружку) загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.

На втором этапе - этапе электроэрозионного диспергирования - включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 2. Импульсное напряжение генератора 2 прикладывается к электродам 5 и далее к титановым отходам 8 (в качестве электродов также служат титановые отходы). При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды 10, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырем 9). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка титана 7.

На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора.

На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, сушка порошка, взвешивание, фасовка, упаковка и последующий анализ порошка.

При этом достигается следующий технический результат: получение порошков титана с частицами правильной сферической формы (средний размер частиц составляет 33.12 мкм) с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса способом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД). При этом значительно уменьшается возможность возникновения пожара во время проведения эксперимента.

Способ позволяет получить титановые порошки без использования химических реагентов, что существенно влияет на себестоимость порошка и позволяет избежать загрязнения рабочей жидкости и окружающей среды химическими веществами.

Средние удельные затраты электроэнергии при производстве титанового электроэрозионного порошка составляют 2,3 кг/кВт⋅ч, что ниже других способов получения титановых порошков. Электроэрозионное диспергирование позволяет эффективно утилизировать отходы титана с невысокими энергетическими затратами и экологической частотой процесса и получать порошок титана.

Порошковые материалы, получаемые ЭЭД титановых отходов, могут эффективно использоваться при изготовлении и восстановлении деталей машин различными способами. В промышленности применяется антикоррозионное покрытие на основе титановых порошков. В этом покрытии титановый порошок, состоящий из кристаллов с сильно развитой поверхностью, которые обладают высокой коррозионной стойкостью, применен как наполнитель, а вяжущее вещество - эпоксидная смола. Новое антикоррозионное покрытие по сравнению с известными имеет следующие преимущества: высокую коррозионную стойкость, химическую устойчивость, высокую адгезию к металлу, что обеспечивает отличную сцепляемость с защищаемой поверхностью, механическую прочность, долговечность, определяемую противодействием титанового порошка старению эпоксидной смолы.

Пример 1

Для получения порошка титана на экспериментальной установке методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали отходы титанового сплава (стружка марки ВТ6). Стружку загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью - дистиллированной водой. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

- частота следования импульсов 250 Гц;

- напряжение на электродах 150 В;

- емкость конденсаторов 65 мкФ.

Полученный порошок титана исследовали различными методами. Гранулометрический состав порошка титана, полученного методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде, был исследован на лазерном анализаторе размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» (Фигура 3, 4). Диапазон измерений «Analysette 22 NanoTec» составляет от 0.01 до 2000 мкм.

Экспериментально установлено, что порошки, полученные из отходов титанового сплава при напряжении 150 В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ и частоте следования импульсов 250 Гц, имеют размер частиц от 0,4 до 106 мкм. Средний размер частиц составляет 33,12 мкм, арифметическое значение - 33.121 мкм, удельная площадь поверхности - 10151,91 см²/см³. Также установлено, что коэффициент элонгации (удлинения) частиц размером 31,372 мкм составляет 2,59. Из таблицы 1 видно, что значимую часть порошка титана (33,36%) занимают частицы, размер которых находится в интервале от 20,000 до 50,000 мкм. В таблице 2 показано, что максимальный размер частиц титанового порошка, полученного электроэрозионным диспергированием в дистиллированной воде, не превышает 105.198 мкм, также показано, что 50% частиц имеют размер менее 31.272 мкм и 5% частиц имеют размер менее 1.116 мкм.

Рентгеноструктурный анализ полученного порошка проводили на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV, результаты которого показаны на Фигуре 5. На основании проведенных экспериментальных исследований, направленных на исследование рентгеноструктурного состава порошка титана, полученного электроэрозионным диспергированием отходов титана в дистиллированной воде, при следующих электрических параметрах: емкость разрядных конденсаторов 65 мкФ, напряжение 150 В, частота импульсов 250 Гц установлено, что основными фазами являются TiO и Ti₂O.

С целью изучения формы и морфологии частиц порошка титана, полученного методом электроэрозионного диспергирования отходов, были сделаны снимки на растровом (сканирующем) электронном микроскопе «QUANTA 600 FEG». На основании фигуры 6А и Б порошок, полученный методом ЭЭД из титановых отходов, в основном, состоит из частиц правильной сферической формы (или эллиптической), с включениями частиц неправильной формы (конгломератов).

Пример 2

Для получения порошка титана на экспериментальной установке методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали отходы титанового сплава (стружка марки ВТ6). Стружку загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью - дистиллированной водой. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

- частота следования импульсов 50 Гц;

- напряжение на электродах 60 В;

- емкость конденсаторов 55 мкФ.

При данных режимах получается процесс электроэрозионного диспергирования идет медленнее, в результате чего производительность установки уменьшается в 2-3 раза.

Пример 3

Для получения порошка титана на экспериментальной установке методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали отходы титанового сплава (стружка марки ВТ6). Стружку загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью - дистиллированной водой. При этом использовали следующие электрические параметры установки:

- частота следования импульсов 350 Гц;

- напряжение на электродах 200 В;

- емкость конденсаторов 65 мкФ.

При данных режимах процесс диспергирования нестабилен и носит взрывной характер.