Способ получения ячеистых проницаемых материалов на основе порошка титана

(51)22 3/11, 3/10 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯЧЕИСТЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКА ТИТАНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Савич Вадим Викторович Пилиневич Леонид Петрович Тумилович Мирослав Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ получения проницаемых ячеистых материалов на основе порошка титана,включающий смешивание порошка титана с гранулами карбамида, форма которых близка к сферической, засыпку шихты в пресс-форму, одноосное прессование и спекание, отличающийся тем, что смешивание осуществляют в течение 3-5 мин, используют порошок титана с губчатой формой частиц размером 630-1000 мкм и гранулы карбамида размером 2500-3000 мкм, причем количество гранул карбамида составляет 40-60 объема шихты, а их размер в 2-4 раза превышает размер частиц порошка титана, прессование ведут при давлении 56-112 МПа, а спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 900-950 С в течение 30-40 мин, а затем - в вакууме при температуре 1050-1100 С в течение 40-60 мин. Изобретение относится к способам получения пористых порошковых материалов(ППМ) с ячеистой структурой и может быть использовано при производстве элементов теплообменных устройств, фильтров, глушителей шума, катализаторов, медицинских имплантатов и других изделий. 7770 1 2006.02.28 Известен ряд способов получения ячеистых проницаемых материалов, включающий нанесение электропроводного слоя на ячеистую подложку из органического материала,электрохимическое осаждение металлического покрытия из электролита и термообработку, включающую выжигание подложки и спекание 1, 2. Недостатками известных способов являются сложность реализации, технологическое ограничение толщины материала 20-25 мм, связанное с поляризацией и падением тока внутри объема подложки, ограничение типов материалов - как правило, никель и медь. Известен способ получения ячеистой керамики, используемой в качестве фильтров,включающий пропитку ячеистой подложки из органического материала суспензией, удаление избытка суспензии, сушку, выжигание подложки и спекание 3. Недостатками этого и подобных известных способов является сложность реализации,ограничение типов материалов - оксидная и нитридная керамика. Известен способ получения ячеистого материала, включающий приготовление суспензии металлического порошка в водном растворе поливинилового спирта, нанесение суспензии на ячеистую подложку из полимерного материала, сушку заготовки, удаление полимера термодеструкцией и спекание 4. Недостатками способа являются сложность реализации, невысокое качество, связанное с большой усадкой и низкой начальной прочностью заготовки после удаления полимера из-за высокой пористости и слабой адгезии частиц металлического порошка друг к другу. В качестве прототипа выбран способ получения ячеистых проницаемых материалов,включающий смешивание в присутствии петролейного эфира порошка титана размерами 45 мкм с гранулами порообразователя - карбамида размерами 1000-2500 мкм в течение 3-5 мин, помещение шихты в пресс-форму, одноосное прессование при давлении 166 МПа,спекание в вакууме по следующему режиму до 133 С со скоростью нагрева 5/мин в диапазоне 133-170 С со скоростью нагрева 0,5 С/мин в диапазоне температур 170-1400 С со скоростью нагрева 1 С/мин выдержка при температуре 1400 С в течение 1,5 ч 5. Недостатками способа являются сложность осуществления, связанная с необходимостью использования специальной вакуумной печи с ловушкой для предохранения от загрязнения продуктами разложения карбамида форвакуумного насоса и вакуумной системы в целом токсичность и огнеопасность, связанная с использованием петролейного эфира в качестве интенсификатора процесса плакирования частицами титанового порошка гранул карбамида большая продолжительность процесса спекания - без охлаждения 22,5 ч,высокая стоимость единицы объема материала, связанная с тем, что мелкие порошки титана с размерами частиц меньше 63 мкм - нестандартные, выпускаются в ограниченных масштабах и их стоимость на 25-30 больше, чем у выпускаемых серийно промышленностью порошков титана с размерами частиц в диапазоне 63-1000 мкм (марка ПТХ 2-1) или 1000-2500 мкм (марка ТГ). Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в упрощении технологии изготовления за счет отказа от мокрого смешивания порошка титана и гранул карбамида в присутствии петролейного эфира с последующей длительной сушкой прессовки (что также способствует повышению экологичности и безопасности процесса), а также за счет отказа от использования специальной вакуумной печи с ловушкой для предохранения от загрязнения продуктами разложения карбамида форвакуумного насоса и вакуумной системы в целом в сокращении продолжительности спекания, а также в снижении стоимости материала. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения ячеистых проницаемых материалов на основе порошка титана, включающем смешивание порошка титана с гранулами карбамида, форма которых близка к сферической, засыпку шихты в пресс-форму, одноосное прессование, спекание, смешивание осуществляют в течение 2 7770 1 2006.02.28 3-5 мин, используют порошок титана с губчатой формой частиц размером 630-1000 мкм и гранулы карбамида размером 2500-3000 мкм, причем количество гранул карбамида составляет 40-60 объема шихты, а их размер в 2-4 раза превышает размер частиц порошка титана, прессование ведут при давлении 56-112 МПа, а спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 900-950 С в течение 30-40 мин,а затем - в вакууме при температуре 1050-1100 С в течение 40-60 мин. При соотношении размеров гранул порообразователя и порошка титана меньше 2 технически трудно обеспечить надежный контакт между частицами порошка, что не позволяет получить качественное изделие. Вследствие малой и неравномерной по объему прочности прессовки она в процессе спекания частично разрушается и неравномерно усаживается. При соотношении размеров гранул порообразователя и порошка титана больше 4 усложняется технология изготовления, т.к. требуется для избежания сегрегации и случайного (неравномерного) распределения крупных пор в объеме ППМ использовать связующие для удержания металлических частиц на поверхности гранул порообразователя. При содержании гранул порообразователя менее 40 от объема шихты получается не ячеистая, а бипористая структура, в которой крупные поры размерами 1000-1500 мкм изолированы, а не сообщаются напрямую друг с другом. При содержании гранул порообразователя более 60 от объема шихты получается некачественный материал и изделие вследствие недостаточной прочности прессовки, что ведет к разрушению и неравномерной усадке изделия в процессе спекания. Размер частиц порошка титана находится в пределах 630-1000 мкм, а размер гранул порообразователя в пределах 2000-3000 мкм. Выбор таких диапазонов размеров частиц и гранул, обеспечивающий соблюдение оптимального их соотношения, гарантирует получение необходимого типа структуры - ячеистой и проницаемой, а также не усложняет технологию изготовления - размеры частиц и гранул стандартные, серийно выпускаемые промышленностью, в связи с чем не требуется дополнительная обработка (измельчение,рассев и выделение фракций с другими размерами и т.п.). Форма частиц порошка титана - губчатая, а гранул порообразователя - близка к сферической. С одной стороны, это условие обеспечивает округлую форму ячеек, способствующую повышению прочностных и иных характеристик, а с другой стороны, упрощает дополнительно технологию изготовления - уменьшается время смешивания, повышается равномерность структуры в целом за счет лучшей адгезии губчатых частиц титана к сферической и относительно мягкой поверхности гранул порообразователя. Прессование ведут при давлении 56-112 МПа, а спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 900-950 С в течение 30-40 мин, а затем - в вакууме при температуре 1050-1100 С в течение 40-60 мин. Прессование при давлении меньше 56 МПа не позволяет, во-первых, обеспечить достаточной прочности сырой прессовки, во-вторых, не позволяет выровнять распределение гранул (а, следовательно, и ячеек) в объеме прессовки и материале в целом за счет их относительного скольжения. Прессование при давлении больше 112 МПа может привести к разрушению гранул порообразователя, искажению и уменьшению размеров ячеек, т.е. не позволяет решить техническую задачу изобретения. Двухстадийное спекание при указанных режимах позволяет обеспечить минимальное искажение поровой структуры и усадку, что дополнительно способствует достижению поставленной цели. Способ поясняется фотографией микроструктуры ячеистого материала, полученного по предлагаемому способу при следующих технологических параметрах размер частиц порошка титана марки ПТХ 2-1 - 630-1000 мкм размер гранул карбамида - 2,0-3,0 мм объемное содержание гранул порообразователя - 60 , давление прессования - 112 МПа. Свойства полученного ППМ следующие интегральная пористость - 72 размер ячеек,3 7770 1 2006.02.28 образованных на месте гранул порообразователя (определен металлографически) - около 1300 мкм размер пор между ячейками - близок к 450-500 мкм. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В выбранном диапазоне соотношений размеров и количества смешивают порошки титана и гранулы карбамида, прессуют при давлении 56-112 МПа, а спекание осуществляют в две стадии - предварительное спекание в аргоне при температуре 900-950 С в течение 30-40 мин, а затем - в вакууме при температуре 1050-1100 С в течение 40-60 мин. Пример. Порошок титана марки ПТХ 2-1 с губчатой формой частиц размерами 0,63-1,0 мм смешивают с гранулами карбамида размерами 2-3 мм в ручном смесителе в течение 2-3 минут. Полученную шихту засыпают в металлическую пресс-форму диаметром 30 мм и прессуют диски толщиной 8 мм. Затем осуществляют спекание в две стадии - предварительное спекание в аргоне при температуре 900-950 С в течение 30-40 мин, а затем - в вакууме при температуре 1050-1100 С в течение 40-60 мин. После спекания определяют основные свойства ячеистого материала. В таблице приведены свойства при различном объемном содержании гранул карбамида и давлении прессования. Аналогичные результаты получены для ячеистых материалов, изготовленных из смеси с гранулами карбамида размерами 2-3 мм порошков титана с другими размерами (0,4-0,63 мм и 1,0-1,5 мм). Содержание Давление Интеграль- Размеры пор,Примечание (вид структуры) карбамида, прессования, ная порис- п п МПа тость,70 28 образец разрушен 70 56 77,0 1530 620 неравномерная усадка 70 112 74,6 1480 690 неравномерная усадка 70 140 73,8 1560 550 ячеистая неравномерная 60 28 образец разрушен 60 56 72,0 1310 470 ячеистая 60 112 71,3 1400 430 ячеистая 60 140 66,0 1060 290 не вполне равномерная 40 28 70,6 1480 570 не вполне равномерная 40 56 69,4 1430 540 ячеистая 40 112 68,7 1470 530 ячеистая 40 140 56,8 1060 340 не вполне равномерная 30 28 59,7 970 140 частично ячеистая, а частич 30 56 55,4 840 150 но - с изолированными круп 30 112 49,8 630 110 ными порами 30 140 44,1 370 120 Результаты показывают, что при только оптимальных режимах изготовления обеспечивается получение ячеистой структуры. Относительно снижения стоимости по сравнению с прототипом следует отметить, что на рынках России и Западной Европы средняя цена порошка титана с размером частиц менее 0,05 мм составляет 30-33 долл. США за кг, а порошка с размерами частиц в диапазоне 0,2-1,0 мм - от 4 до 8 долл. США за кг (в зависимости от метода получения порошка). Относительно продолжительности процесса спекания. Вследствие более высокой, чем у прототипа, прочности сырой прессовки скорость нагрева на первой стадии может быть 5 С/мин (т.е. время нагрева - максимум 190 мин). С выдержкой время первой стадии спекания составит максимум 230 мин (т.е. меньше 4-х ч). На второй стадии спекания скорость 4 7770 1 2006.02.28 нагрева может быть такой же или даже выше (т.е. время нагрева - максимум 220 мин, а с выдержкой - 280 мин или 4 часа 20 мин). В целом по предлагаемому процессу время спекания (без охлаждения) не превысит 8,5 часов по сравнению с 22,5 часами у прототипа. Разработанная нами технология может быть использована при производстве элементов теплообменных устройств, фильтров, глушителей шума, катализаторов, медицинских имплантатов и других изделий. Источники информации 1. А.с. СССР 1449595, МПК 725 7/00, 1989. 2. А.с. СССР 1458439, МПК 725 7/00, 1989. 3. А.с. СССР 1666156, МПК 701 39/20, 1991. 4. Патент РФ 2002580, МПК 722 3/10, С 22 С 1/08, 1993. 5..-.//1998- , ,18-22, 1998. . 5. - . 189-194. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.