Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения квазисферических частиц титана

Изобретение относится к области материаловедения порошковых металлических материалов и может быть использовано в технологических циклах получения прекурсоров для синтеза интерметаллических и керамических соединений, а также для производства химических катализаторов.

Известен способ получения наноструктурированных порошков для керамики, синтезированных методом ультразвукового распылительного пиролиза (А.В. Галахов, Л.В. Виноградов, В.И. Антипов, А.Г. Колмаков. Наноструктурированные порошки для керамики. // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. №9-10. С. 131-135).

Исходным сырьем для получения порошков служат водорастворимые (или растворимые в органических жидкостях) соединения, содержащие набор компонентов, требующихся для синтеза порошкового материала с необходимым элементным и фазовым составом. Рабочие растворы преобразуются в газовую взвесь капель микронного размера с помощью ультразвукового генератора аэрозолей. Образование порошковых частиц происходит при пиролизе капель аэрозоля, транспортируемого через горячую зону проходного реактора. При этом газ - носитель аэрозоля - еще выполняет и функцию активного компонента реакции. Указанным способом были получены порошки ZrO₂+Y₂O₃ со средним размером частиц 0.8 мкм и средним размером внутричастичных зерен 26 нм. Недостатком данного метода является технологическая сложность процесса обработки и отсутствие возможности получения порошков чистых металлов.

Известен способ синтеза пористых титановых микросферических частиц (Н.Н. Nersisyan, H.I. Won, C.W. Won, J.B. Kim, S.M. Park, J.H. Kim Combustion synthesis of porous titanium microspheres // Materials Chemistry and Physics. 2013. V. 141. P. 283-288) из смеси порошков диоксида титана (99% чистоты, размер частиц: 0.1-0.3 мкм) и магния (99% чистоты, размер частиц: 50-300 мкм).

Порошок TiO₂ подвергали термической обработке на воздухе в диапазоне 600-1300°С в течение 2 ч, чтобы модифицировать размер и форму частиц. Затем его охлаждали до комнатной температуры и просеивали через 300 микронное сито. Затем порошки TiO₂ и Mg смешивали, подвергали обработке в шаровой мельнице в течение 30 минут и вручную спрессовывали в металлической оснастке. Чашку со смесью помещали в реакционную камеру, которую вакуумировали и заполняли аргоном до давления 2 МПа, чтобы предотвратить возможные потери магния и удлинение образца в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Для старта синтеза использовалась легковоспламеняющаяся смесь титана, черной сажи и тефлона. После синтеза образец охлаждали, механически очищали от продуктов реакции и подвергали химической обработке в водном растворе азотной кислоты для удаления оставшегося магния и его оксидов с последующей промывкой в дистиллированной воде и длительной (несколько часов) просушкой на воздухе при температурах 80-90°С. В результате такой обработки удается получить сферические частицы титана, размерами 10-50 мкм, с высокой плотностью пор до 2 мкм в диаметре, при этом часть таких частиц представляют собой полые сферические образования с толщиной стенок до нескольких микрон. Недостатком данного метода является технологическая сложность процесса обработки, требующая как применения вакуумной техники, так и химической обработки кислотой для удаления вспомогательных компонентов.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения измельченного титанового порошка со сферическими частицами (D. Kogut, L. Jacobsen, W. Ernst, D. Armstrong «Attrited titanium powder» US patent 20080031766 A1, B22F 9/16, 07.02.2008).

В качестве исходных материалов используются порошки титана или титановых сплавов. Обработку порошков проводили в струйной мельнице с применением инертных газов при различных давлениях и скоростях подачи порошков. Данный способ применяется для увеличения насыпной плотности титановых порошков за счет изменения морфологии отдельных частиц порошка. Обработка исходных частиц, обладающих вытянутой формой, позволяет получить частицы порошка почти сферической формы, размерами менее 100 мкм, что приводит к значительному увеличению насыпной плотности обрабатываемого материала.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения квазисферических частиц титана.

Поставленная задача решается посредством того, что заявленный способ включает механическую обработку порошка титана в планетарной шаровой мельнице в инертной атмосфере аргона, но в отличие от прототипа, в качестве исходного материала применяется порошок чистого титана марки ПТОМ-2 и обработку проводят в шаровой мельнице при ускорении шаров от 100 до 600 м/с² продолжительностью не менее 5 минут.

Сущность изобретения поясняется рисунками:

Фиг. 1 - РЭМ изображение исходного порошка титана ПТОМ-2.

Фиг. 2 - РЭМ изображение порошка титана после механической активации (10 минут).

Фиг. 3 - РЭМ изображение частицы активированного титана в разрезе (10 минут).

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Механическая обработка (активация) порошка титана проводится в планетарной шаровой мельнице. Загрузка и обработка порошка производятся в инертной атмосфере. Продолжительность механической активации, коэффициент загрузки, количество и размер мелющих тел выбираются в зависимости от характеристик шаровой мельницы. Для ограничения разогрева материала в процессе обработки мельница оснащается водяным охлаждением или обработка осуществляется с перерывами. В результате комплексного действия процессов деформации, слипания и фрагментации происходит формирование конгломератов титана из мелкодисперсных частиц. Такие конгломераты характеризуются высокой дефектностью внутренней структуры и сильно активированной поверхностью.

Примеры использования заявленного изобретения приведены ниже.

Пример 1

Порошок титана марки ПТОМ-2 был подвергнут механической активации продолжительностью 5 минут в планетарной шаровой мельнице АГО-2. При обработке использовалась стальная оснастка, атмосфера аргона, центробежное ускорение шаров составляло 200 м/с².

Пример 2

Порошок титана марки ПТОМ-2 с размером частиц менее 30 мкм (фиг. 1) был подвергнут механической активации продолжительностью 10 минут в планетарной шаровой мельнице АГО-2. При обработке использовалась стальная оснастка, атмосфера аргона, центробежное ускорение шаров составляло 400 м/с². Загрязнения обрабатываемого порошка материалом оснастки обнаружено не было.

Как показано на фиг. 2, после механической активации формируются порошинки, размер которых находится в диапазоне от 10 до 100 микрометров. Эти порошинки представляют собой квазисферические конгломераты, состоящие из частиц размерами от субмикронных до нескольких микрон и обладающие развитой сильноактивированной поверхностью. Изучение сечения такой порошинки в разрезе (фиг. 3) свидетельствует о том, что полученный материал характеризуется малой остаточной пористостью. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, размер областей когерентного рассеяния обработанного порошка составляет 26 нм (до обработки более 300 нм). При этом отмечается рост микроискажений кристаллической решетки, достигающих 1.3%. Микротвердость обработанного порошка после 10 минут механической активации возрастает с 1.95 ГПа в исходном состоянии до 4.4 ГПа, что также свидетельствует о накоплении высокой плотности дефектов кристаллического строения и фрагментации микроструктуры. Такая аккумуляция энергии деформации может приводить к изменениям теплофизических свойств материала.

К преимуществам изобретения следует отнести технологическую простоту и малую продолжительность цикла обработки, отсутствие требования дополнительного нагрева материала в процессе обработки, формирование в материале высокодефектного состояния, реализацию деформационного упрочнения материала.