пїњ

¬Ћ»яЌ»≈ —ќ—“ј¬ј ћ≈’јЌ»„≈— ќ… —ћ≈—» ѕќ–ќЎ ќ¬ “»“јЌј Ќј —¬ќ…—“¬ј «ј√ќ“ќ¬ќ 

”ƒ  621.762
вли€ние состава механической смеси порошков “»“јЌј на свойства заготовок
крючков д.»., ѕол€ков ј.ѕ., «алазинский ј.√., Ѕерезин ».ћ., —убачев ё.¬.
»нститут машиноведени€ ”рќ –јЌ, ≈катеринбург, e-mail: kru4koff@bk.ru
¬ работе исследуетс€ порошок из титанового сплава ¬“-22, полученного распылением плазмой, а также технологи€ получени€ изделий на его основе. ћеханические характеристики и сферическа€ форма частиц, а также тверда€ оксидна€ пленка на поверхности частиц преп€тствуют схватыванию частиц между собой и формуемости брикетов. ѕолучение брикетов возможно с использованием добавок механической смеси из порошков с развитой поверхностью и более пластичными свойствами. ѕриводитс€ морфологи€ порошков ¬“-22 и добавок. »сследуютс€ прочностные свойства спрессованных и спеченных брикетов. ѕриводитс€ режим отжига порошка ¬“-22. ќпределены относительна€ плотность, предел прочности на сжатие брикетов, скомпакированных при одном давлении, и теоретический предел прочности компактных материалов. ѕривод€тс€ рекомендации выбора оптимального процентного содержани€ добавок и режимов получени€ порошкового материала с высокой прочностью и плотностью, близкой к теоретической.
ключевые слова: титан, порошок, композит, прессование, плотность, прочностные свойства
INFLUENCE OF COMPOSITION OF A MECHANICAL MIXTURE OF POWDERS OF TITAN ON PROPERTIES OF BILLETS
Kryuchkov D.I., Polyakov A.P., Zalazinskiy A.G., Berezin I.M., Subachev Ju.V.
Ural branch of Russian Academy of Sciences Institute of Engineering Science, Ekaterinburg, e-mail: kru4kojf@bk.ru
In this article are investigated powder from alloy of titan VT-22 and technology from produce billets based on mechanical mix powders of titan. Mechanical characteristics, spherical form of corpuscles and firm sull on a surface of corpuscles are prevent dripping of corpuscles among themselves and moldability of billets. To increase moldability used additives of powders with the developed surface and more plastic properties. The morphology of powders VT-22 and additives is presented. Mechanical properties compacted and sintered billets are investigated. Conditions annealing of powder VT-22 are presented. Have been obtained relative density, an ultimate strength on compression and a theoretical ultimate strength of billets. Recommendations of optimum percentage of additives are done from of a powder material for manufacture billets with high strength and density close to theoretical.
Keywords: powder of titan, composite, pressing, density, mechanical properties
–азвитие технологий получени€ изделий идет в направлении увеличени€ коэффициента использовани€ металла при сохранении или улучшении качества готового продукта. ѕорошкова€ технологи€ отвечает требовани€м ресурсосбережени€ и малоотходности, обеспечива€ возможность создани€ материалов, которые по физикомеханическим и эксплуатационным характеристикам не уступают материалам, изготовл€емым традиционными способами [1]. ¬ажно отметить, что порошковые технологии также €вл€ютс€ эффективным способом утилизации отходов промышленности [7]. ¬ полной мере это относитс€ к материалам на основе титана, широко примен€емым в авиакосмической технике, автомобилестроении и других област€х благодар€ их высокой удельной прочности (отношение прочностных характеристик к плотности), сопротивлению усталости, в€зкости разрушени€ и коррозионной стойкости.
Ќеобходимо учитывать, что существенным фактором в производстве изделий из порошковых материалов €вл€етс€
такое свойство порошков, как формуе-мость, или способность сохран€ть форму после прессовани€ [1]. ƒанное свойство определ€етс€ прежде всего формой частиц порошка и состо€нием их поверхности. ƒл€ порошковых композитов уплотн€емость и формуемость порошка завис€т также от вида добавок порошков легирующих металлов и сплавов. “ак, если прочностные характеристики вводимых добавок выше, чем основного металла, то уплотн€емость смесей порошков ухудшаетс€. ƒл€ изготовлени€ спеченных титановых сплавов используют чистые по примес€м (особенно кислороду и азоту) порошки легирующих металлов [6], что гарантирует хорошую спекаемость заготовок и однородность их по химическому составу.
ƒл€ исследований выбрали порошок из сплава ¬“-22
(77 - 5ј1 - 5ћо -5”-1 —г - 1–е) [4].
¬ материалах на основе титана алюминий повышает прочностные и жаропрочные свойства, ванадий повышает
пластичность и снижает охрупчивание материала при эксплуатации [4,5]. —плав ¬“-22 в отожженном состо€нии €вл€етс€ наиболее прочным среди серийных сплавов, используетс€, например, дл€ изготовлени€ силовых крупногабаритных деталей летательных аппаратов. √ранулометрический состав порошков определ€ли на анализаторе частиц по размерам и форме
CAMSIZER -XT (retsch Technology, √ермани€). »сследуемый порошок представлен фракцией менее 440 мкм, средний размер частиц - 156 мкм. „астицы порошка имеют округлую и сферическую форму, коэффициент сферичности - 0,722, коэффициент симметричности - 0,876. ћорфологи€ и топографи€ поверхности порошка представлена на рис. 1.
а) б)
–ис. 1. ћорфологи€ порошка, полученного из сплава ¬“-22 распылением плазмой (а); топографи€ поверхности частиц порошка (б)
а) б)
–ис. 2. ћорфологи€ порошка после отжига (а) и после измельчени€ отожженного порошка (б)
ѕеред прессованием часть порошка сплава ¬“-22 подвергали отжигу в вакуумной электропечи сопротивлени€ камерного типа —Ќ¬Ё-9/18 в следующем режиме: выдержка 1 час при 750 0—, охлаждение с печью 2 часа, затем выдержка 3 часа при 650 0— и охлаждение с печью. ѕосле отжига частицы образовывали св€зь между собой в виде конгломератов из сросшихс€ между собой частиц (рис. 2, а), однако образовывающа€с€ между ними св€зь непрочна€, и сросшиес€ частицы поддаютс€ измельчению в виброистирателе. ѕосле измельчени€ в виброистирателе боль-
шинство частиц крупной фракции имели более развитую шероховатую поверхность (рис. 2, б), однако лучшему схватыванию при прессовании это не способствовало.
ѕрессование проводили на гидравлическом прессе ћ—-500. — целью уменьшени€ коэффициента трени€, снижени€ давлени€ прессовани€ (при обеспечении заданной плотности заготовки) и напр€жени€ вы-прессовки, уменьшени€ неравномерности распределени€ плотности по объему прессовки наносили стеарат цинка на стенки контейнера.
Ќа первом этапе исследований провели испытани€ по прессованию порошка сплава ¬“-22 в исходном состо€нии и после отжига. ¬ результате получено, что дл€ достижени€ относительной плотности р =0.75...0.8 порошка ¬“-22 требуетс€ значительное давление прессовани€ p - более 1000 ћѕа. ќднако даже при давлении пор€дка 1200.1300 ћѕа прессовки из ¬“-22 рассыпаютс€ как из отожженного, так и неотожженного порошка. „астицы деформируютс€, но не сцепл€ютс€
между собой, что обусловлено правильной формой частиц и состо€нием их поверхности, в частности, наличием оксидной пленки. ƒальнейшее увеличение давлени€ прессовани€, веро€тно, позволит получить цельные прессовки, однако учитыва€, что трудоемкость прессовани€ составл€ет в р€де случаев до 50 % в общей трудоемкости операций порошковой металлургии (от приготовлени€ шихты до калибровани€) [6], это вр€д ли экономически целесообразно.
Digital Microscopy Imaging :
–ис. 3. ќсыпавшийс€ край брикета из порошка ¬“-22 после прессовани€ при 1200 ћѕа
ѕоэтому далее исследовали смесь порошка сплава ¬“-22 с добавками более мелких порошков с частицами с развитой поверхностью: гидридно-кальциевого порошка титана ѕ“ћ-1 со средним размером частиц 46,3 мкм после отжига и порошка сплава никель-алюминий, восстановленного ѕ¬-Ќ70ё30, со средним размером частиц 43 мкм. Ќикелевый порошок примен€етс€ в порошковой металлургии в качестве добавки дл€ специальных сплавов [4]. ћорфологи€ порошков ѕ“ћ-1 и ѕ¬-Ќ70ё30 представлена на рис. 4.
ѕроцентное содержание ѕ“ћ-1 и ѕ¬-Ќ70ё30 варьировали исход€ из следующих соображений. — одной стороны, необходимо максимально возможно ис-
пользовать порошок сплава ¬“-22.  роме того, стоимость ѕ“ћ-1 в несколько раз выше, чем у ¬“-22, что €вл€етс€ немаловажным фактором при производстве изделий из титановых порошков [4]. ѕоэтому дол€ ѕ“ћ-1 должна быть по возможности ограничена. Ёто же относитс€ и к порошку сплава ѕ¬-Ќ70ё30, исход€ из того, что его плотность значительно выше (примерно в 1,75 раза), чем у ¬“-22 и ѕ“ћ-1, и, следовательно, увеличение доли порошка ѕ¬-Ќ70ё30 ведет к увеличению плотности всей композиции. — другой стороны, необходимо обеспечить сохранение формы прессовок (исключить их осыпание, растрескивание, расслоение) дл€ последующего спекани€.
а) б)
–ис. 4. ћорфологи€ частиц порошка ѕ“ћ-1 (а) сплава никель-алюминий, полученного восстановлением; марки ѕ¬-Ќ70ё30 (б)
ќбразцы прессовали при давлении 1000 ћѕа. ѕрессование брикетов проводили на гидравлическом прессе ћ—-500 в закрытой разборной пресс-форме. ¬ результате получены заготовки на основе порошка сплава ¬“-22 плотностью 0,72...0,85 от теоретической.  ачество брикетов удовлетворительное, при этом в р€де случаев дл€ неспеченных образцов наблюдалось осыпание нижней кромки. ѕосле прессовани€ образцы спекали в вакуумной электропечи сопротивлени€ камерного типа —Ќ¬Ё-9/18.
ѕрочность брикетов оценивали по результатам опытов на осевое сжатие на универсальной испытательной машине ZWICK вTl-FR050THW/A1K. ¬ момент начала разрушени€ заготовки фиксировали усилие
и определ€ли предел прочности на сжатие при текущей плотности сг .
ѕо результатам испытаний образцов на сжатие выполнена оценка предела прочности на сжатие компактного материала а* дл€ чего использована формула ћ.ё. Ѕальшина [3]:
Ч гтк јп Vй где т > 3 в диапазоне плотности р от
ї-* отн 0,5 до 0,9. ƒл€ качественной оценки прочности полученных брикетов прин€ли m=3. Ќаиболее характерные результаты представлены в таблице. ѕриведены усредненные значени€ по трем образцам дл€ каждого состава порошка.
ѕлотность и прочность спеченных брикетов
є п/п —остав, мас.% –опт <7р,ћѕа <7р, ћѕа
¬“-22 ѕ“ћ-1 ѕ¬- Ќ70ё30
1 60 10 30 0,776 535 1145
2 65 5 30 0,754 410 957
3 60 20 20 0,783 834 1737
4 65 15 20 0,756 768 1777
5 60 30 10 0,812 1103 2090
6 65 25 10 0,789 1056 2150
7 65 30 5 0,791 1124 2264
8 70 25 5 0,785 967 1999
–езультаты исследовани€ прессовок на основе порошка сплава ¬“-22 показали следующее. Ћучше всего прессуютс€ порошки с содержанием порошка ѕ“ћ-1 выше 20 % (см. таблицу). ѕри этом прочность компактного материала на сжатие (величина <т ) дл€ указанных составов имеет такую же зависимость. Ќаибольшую прочность компактного материала можно достигнуть дл€ брикетов с составом 7.
Ќизкое содержание порошка ѕ“ћ-1 не обеспечивает приемлемое качество и механические свойства готового издели€. ѕрочностные свойства напр€мую завис€т от процентного содержани€ добавок. Ќаиболее приемлемый уровень добавки ѕ“ћ-1 25-30 %, при этом рекомендуетс€ использовать в качестве 3-го компонента 5-10 % ѕ¬-Ќ70ё30. ƒанные добавки позвол€ют получить брикеты плотностью пор€дка 0,8 от теоретической, с пределом прочности на сжатие выше 1000 ћѕа.
“аким образом, дл€ получени€ изделий с высокой прочностью и плотностью с учетом фактора снижени€ стоимости исходного материала наиболее перспективным €вл€ютс€ составы с содержанием ¬“-22 (60-65 %) + ѕ“ћ-1(25-30 %) + ѕ¬-Ќ70ё30 (5-10 %), причем дл€ увеличени€ плотности заготовок рекомендуетс€ подн€ть давление прессовани€ выше 1000 ћѕа.
заключение
ћеханические характеристики и сферическа€ форма частиц порошка ¬“-22, а также тверда€ оксидна€ пленка на поверхности частиц с большим ресурсом пластичности преп€тствуют схватыванию частиц между собой. ’олодное компактирование дл€ получени€ изделий из порошка ¬“-22 возможно лишь при использовании добавок с более пластичными свойствами, с развитой поверхностью. »спользование дорогосто€щих добавок помогло значительно повысить механические характеристики готового издели€, однако потребовалс€ подбор оптимального процентного содержани€ с точки зрени€ его экономической обоснованности. ѕоиск оптимального состава композита на основе порошка сплава ¬“-22 показал, что в составе необходимо использовать порошки ѕ“ћ-1 и ѕ¬-Ќ70ё30. ќптимальным €вл€ютс€ составы с содержанием ¬“-22(60-65 %) + ѕ“ћ-1(25-30 %) + ѕ¬-Ќ70ё30(5-10%).
список литературы
1. јндриевский –.ј. ѕорошковое материаловедение. ћ.: ћеталлурги€, 1991. - 205 с.
2 јнциферова ».¬. ѕорошковые титановые сплавы// ¬естник ќ√”, 2004. - —. 198 - 202.
3. Ѕальшин ћ.ё. Ќаучные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. ћ.: ћеталлурги€,
1972. - 336 с.
4. »льин ј.ј.,  олачЄв Ѕ.ј., ѕолькин ».—. “итановые сплавы. —остав, структура, свойства. —правочник. - ћ.:
¬»Ћ—-ћј“», 2009. - 520 с.
5. ћатвийчук ћ.¬., —аввакин ƒ.√ —интез высоколегированных титановых сплавов методом порошковой металлургии// Ќов≥ матер≥али ≥ технолог≥њ в металлург≥њ та машинобудуванн≥. - 2010. - N∞1. - стр. 81 - 84.
6. ”стинов ¬.—., ќлесов ё.√., ƒрозденко ¬.ј., јнтипин Ћ.Ќ. ѕорошкова€ металлурги€ титана. ћ.: ћеталлурги€, 1973. - 248 с.
7. Ryabicheva L.A., Nikitin Yu.N., Beloshitskij N.V., Baranov A.G. Wastes of industry - source of raw materials for powder metallurgy. MTMТ07 Conference proceedings, Bulgaria, Sofia, 2007. pp. 434-438.
References
1. Andrievskij R.A. Poroshkovoe materialovedenie. M.: Metallurgija, 1991. - 205 p.
2. Anciferova I.V. Poroshkovye titanovye splavy. Vestnik OGU, 2004. 2. pp.198 - 202.
3. Bal'shin M.Ju. Nauchnye osnovy poroshkovoj metallurgii i metallurgii volokna. M.: Metallurgija, 1972. - 336 p.
4. Il'in A.A., Kolachjov B.A., Pol'kin I.S. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svojstva. Spravochnik. M.: VILS-MATI, 2009. - 520 p.
5. Matvijchuk M.V., Savvakin D.G. Sintez vysokolegirovannyh titanovyh splavov metodom poroshkovoj metallurgii. Nov≥ materiali ≥ tehnologn v metallurgn ta mashinobuduvanrn, 2010. 1. pp. 81 - 84.
6. Ustinov VS., Olesov Ju.G., Drozdenko V.A., Antipin
L.N. Poroshkovaja metallurgija titana. M.: Metallurgija,
1973. - 248 p.
7. Ryabicheva L.A., Nikitin Yu.N., Beloshitskij N.V., Baranov A.G. Wastes of industry - source of raw materials for powder metallurgy. MTMТ07 Conference proceedings, Bulgaria, Sofia, 2007. pp. 434^38.
–ецензенты:
‘едотов ¬.ѕ., д.т.н., старший научный сотрудник, главный научный сотрудник лаборатории прикладной механики »нститута машиноведени€ ”рќ –јЌ, г. ≈катеринбург;
ѕетунин ј.ј., д.т.н., доцент, заместитель директора по науке и инноваци€м, профессор кафедры Ђ»нформационные технологии и автоматизаци€ проектировани€ї механико-машиностроительного института ”ральского федерального университета им. Ѕ.Ќ. ≈льцина, г. ≈катеринбург.
–абота поступила в редакцию 04.06.2014.

пїњ