Способ получения мелкодисперсных сферических титансодержащих порошков

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения сферических порошков сплавов на основе титана узкого (+10-40 мкм) фракционного состава, и может быть использовано в аддитивных технологиях.

Технической задачей изобретения является повышение производительности процесса на разных стадиях получения порошка, степени сфероидизации порошка в узком (+10-40 мкм) интервале фракционного состава и выхода годного материала.

Известен способ получения порошка титана методом гидрирования-дегидрирования, включающий измельчение и рассев как гидрида титана, так и полученного дегидрида. Отходы титана насыщают водородом содержания, равного около 430 см³ H₂ на 1 г титана, что соответствует формуле TiH_1,9. Полученный гидрид измельчают, рассеивают на фракции. Затем проводят длительный (более 20 часов) процесс дегидрирования при температуре 700-800°C для термического разложения гидрида удаления водорода. В результате технологического процесса получают достаточно прочный спек частиц, с трудом поддающийся измельчению. В результате получается порошок титана широкого фракционного состава, при этом количество фракции +40 мкм превышает 20-25%, а фракции -10 мкм - 8-12%, что делает его непригодным для использования в аддитивных технологиях [Гармата В.А. и др. Титан. - 1983. - М: Металлургия. - с. 489-490].

Известен способ получения порошка титана с использованием процессов гидрирования-дегидрирования, включающий измельчение и рассев полученных гидрида и дегидрида, в котором с целью снижения степени спекания частиц при дегидрировании процесс нагрева проводят в два этапа. На первом этапе в течение 2-6 часов поднимают температуру до 500°C, а затем медленно увеличивают температуру до 600-750°C, при этом, с учетом выдержки при этой температуре, время данного этапа составляет 3-4 суток. Остаточный вакуум в реакторе в конце процесса находится на уровне 12-13 Па, что не способствует полному удалению водорода. Следует отметить, что, хотя медленный подъем температуры, длительная выдержка на втором этапе обеспечивает некоторое снижение спекаемости частиц порошка титана, в интервале температур 650-700°C он получается достаточно плотным, что затрудняет измельчение дегидрида. При этом невысокий вакуум при откачке не позволяет достаточно полно удалить водород из дегидрида, а производительность процесса находится на весьма низком уровне [Патент США № US 200215501, опубл. 24.10.2002].

Известен способ изготовления сферического порошка титана, включающий гидрирование отходов титана, измельчение и рассев полученного гидрида, дегидрирование, измельчение и рассев дегидрида. Сфероидизация полученного порошка в плазменной установке с подачей порошка в плазму под углом. В результате получают сферический порошок с широким диапазоном (от 5 до 200 мкм) фракционного состава, что делает его малопригодным для применения в аддитивных технологиях. При этом из-за наличия крупных частиц исходного гидрида степень сфероидизации порошка титана не превышает 70-75%. Сквозная производительность данного процесса также находится на достаточно низком уровне и не превышает 0,06 кг/час. [Патент Южная Корея KR 20140040476, опубл. 14.10.2015 г.]. Способ принят за прототип.

Техническим результатом данного изобретения является стабилизация фракционного состава полученных титансодержащих порошков в пределах +10-40 мкм, повышение степени сфероидизации порошков до 93-95% и увеличение общей сквозной производительности процесса получения сферических порошков.

Технический результат достигается тем, что в способе получения мелкодисперсных сферических титансодержащих порошков, включающем операции гидрирования-дегидрирования исходного материала с последующим измельчением, рассевом, классификацией и сфероидизацией порошка в установке с дуговым плазматроном, согласно изобретению процесс гидрирования проводят циклически: нагрев исходного материала в атмосфере водорода до температуры не ниже 815°C с последующим охлаждением до температуры не выше 400°C и повторяемостью цикла от трех до пяти раз, дегидрирование проводят при температуре 580-610°C и разрежении на конечном этапе 0,67-0,93 Па, измельчение гидрированного и дегидрованного материала в барабане шаровой мельницы проводят при отношении объема измельчаемого материала к объему размольных тел (0,27-0,33), классификацию при скорости вращения ротора 3900-4200 об./мин, а подачу порошка в дугу плазматрона - со скоростью 2,5-3,7 г/мин.

Сущность способа заключается в следующем

Исходный материал в виде слитков, проката и отходов проката титана и сплавов на его основе загружают в реактор, затем вакуумируют форвакуумным насосом и напускают водород из водородного аккумулятора (нагретая титановая губка) до небольшого избыточного давления (~0,12 МПа). Далее проводят цикл нагрева материала до 815°C и охлаждения до 400°C. Нагрев до 815°C позволяет достичь наиболее благоприятных условий поглощения водорода за счет фазовых превращений титана, а охлаждение до 400°C приводит к расслаиванию исходного материала, что также улучшает условия поглощения водорода, при этом возрастает выход годного при гидрировании. Температуры выше 815°C и ниже 400°C не оказывают существенного влияния на условия поглощения водорода, при этом возрастает время проведения цикла и, соответственно, снижается производительность процесса. Циклический характер процесса гидрирования позволяет значительно повысить скорость и полноту поглощения водорода титаном. При этом количество циклов меньше трех не позволяет достичь требуемой степени насыщения металла водородом, что снижает выход годного при измельчении гидрида. Увеличение количества циклов выше пяти не оказывает значительного влияния на скорость и степень насыщения металла водородом, при этом увеличивается время проведения процесса, и, соответственно, снижается производительность.

Дегидрирование измельченного и рассеянного гидрида проводят в реакторе, при этом основной объем водорода перегоняют в титановую губку, а на конечном этапе вакуумируют реактор форвакуумным и диффузионным насосами. Выбор температуры проведения процесса дегидрирования, равной 580-610°C, обусловлен следующим: при температуре ниже 580°C скорость выделения водорода из порошка находится на весьма низком уровне, что значительно увеличивает время проведения процесса и снижает его производительность, а увеличение температуры процесса дегидрирования свыше 610°C приводит к получению относительно плотного спека порошка дегидрида, что затрудняет последующее его измельчение и снижает выход годного порошка требуемой фракции.

Предложенный интервал разрежения в реакторе на заключительном этапе, равный 0,67-0,93 Па, обеспечивает получение достаточно низкого (≤70 ppm) содержания водорода в порошке. Разрежение в реакторе ниже 0,67 не оказывает значительного влияния на степень удаления водорода, при этом возрастает время вакуумирования и снижается производительность процесса. При разрежении в реакторе свыше 0,93 Па, отмечается повышение (≥100 ppm) содержания водорода в порошке. Полученный спек дегидрида загружают в барабан шаровой мельницы, изготовленной из титана, в качестве размольных тел используется обрез титановых прутков. Предложен интервал соотношения объема измельчаемого материала к объему размольных тел, равный 0,27-0,33, позволяющий получать порошок требуемой фракции при достаточно высокой производительности шаровой мельницы. При соотношении объема измельчаемого материала к объему размольных тел менее 0,27 значительно снижается производительность измельчения. При соотношении объема измельчаемого материала к объему размольных тел более 0,33 ухудшаются условия измельчения, при этом возрастает количество порошка, крупностью более 40 мкм, и, соответственно, уменьшается выход годного требуемой фракции.

Скорость вращения ротора в газовом центробежном классификаторе, в основном, определяет количество крупной и мелкой фракции в классифицированном порошке. При скорости вращения ротора классификатора ниже 3900 об/мин в классифицированном порошке отмечается присутствие более 3% частиц крупнее 40 мкм. При увеличении скорости вращения ротора свыше 4200 об/мин ухудшаются условия отсева мелкой фракции, количество которой в порошке может достигать 10-12%.

Сфероидизацию титансодержащего порошка осуществляют в установке с дуговым плазматроном, при этом степень сфероидизации порошка, в основном, определяется скоростью его подачи в дугу плазмы. При скорости подачи порошка ниже 2,5 г/мин снижается производительность установки. При скорости подачи порошка выше 3,7 г/мин в готовом материале отмечается присутствие свыше 5-7% частиц несферической формы.

Пример осуществления способа

Предлагаемым способом и с использованием заявленных параметров проведены процессы получения сферического порошка титановых сплавов ВТ20, ВТ14, ВТ6. Процессы гидрирования и дегидрирования проводили в теплоизолированных герметичных реакторах с внешним источником нагрева и вакуумной системой, включающей форвакуумный и диффузионный насосы. В качестве источника водорода использовали предварительно гидрированную титановую губку марки ТГ-100. Сырьем служили отходы проката сплавов.

Полученные гидриды и дегидриды сплавов ВТ20, ВТ14, ВТ6 измельчали в шаровой мельнице, герметичный барабан и размольные тела которой были изготовлены из титана. Рассев полученного порошка проводили на вибрационном ситовом анализаторе с использованием сита -40 мкм. Окончательную сортировку порошка проводили с использованием газового центробежного классификатора в атмосфере аргона до получения порошка крупностью +10-40 мкм.

Сфероидизацию порошков сплавов ВТ20, ВТ14, ВТ6 осуществляли в установке с дуговым плазматроном мощностью 23 кВт.

Один из экспериментальных процессов был проведен следующим образом:

В реактор для гидрирования поместили контейнер с 5 кг исходного материала (предварительно подготовленные отходы проката сплава ВТ20). Провели четыре цикла нагрева до 815°C и охлаждения до 400°C с подачей водорода из титановой губки, нагретой до 670°C. Время каждого цикла составляло около 1,5 ч, степень насыщения водородом составила 385 л/кг.

Полученный гидрид сплава ВТ20 измельчили в шаровой мельнице при соотношении объема измельчаемого материала (V_Me) к объему размольных тел (V_p), равном 0,3, и просеяли на вибрационном ситовом анализаторе через сито с ячейкой - 45 мкм.

Порошок измельченного и рассеянного гидрида поместили в реактор для дегидрирования. Процесс дегидрирования вели при температуре 580°C. Основной объем водорода перекачивали в титановую губку, затем включали откачку реактора вакуумными насосами до достижения разрежения 0,75 Па. Общее время процесса дегидрирования составило 8,5 ч. Полученный в результате процесса дегидрирования спек частиц подвергли операции измельчения в шаровой мельнице при соотношении V_Me/V_p=0,3 и рассеву на вибрационном ситовом анализаторе через сито с ячейкой - 45 мкм. Спек дегидрида измельчался достаточно легко. В результате получили 4,75 кг порошка сплава ВТ20 крупностью - 45 мкм, т.е. выход годного материала в результате проведенных операций составил 95%.

Для окончательной сортировки с целью получения заявленной крупности +10-40 мкм полученный порошок сплава ВТ20 классифицировали на газовом центробежном классификаторе при скорости вращения ротора, равной 4000 об/мин. В результате получили 4,56 кг порошка требуемой фракции.

Полученный порошок сфероидизировали в установке с дуговым плазматроном мощностью 23 кВт при скорости подачи материала, равной 3,12 г/мин. В результате получили 4,38 кг сферического порошка сплава ВТ20. Степень сфероидизации составила 96%.

Выход годного материала в результате всех операций составил около 88%. Сквозная производительность по всем операциям составила 0,23 кг/час.

Результаты экспериментальных процессов сопоставлены с результатом процесса получения сферического порошка титана, выполненного по прототипу. Результаты представлены в таблице 1.