Введение к работе
Актуальность работы. Основная масса изделий из титановых сплавов до настоящего времени изготовляется из литых материалов с большими затратами на обработку и низким коэффициентом использования материала. Уменьшение затрат за счет снижения потерь материала при механообработке дает использование приемов порошковой металлургии при производстве заготовок деталей из титана. Кроме того, многие из процессов получения титана (металлотермическое восстановление, электролиз, плазменная металлургия), ведут к получению полуфабрикатов титана в виде порошка. Таким образом, порошковая технология получения титановых сплавов представляется наиболее естественной и экономичной.
В 70-80х гг. в ГНУ «Н1Д ПМ» (г. Пермь) был разработан ряд порошковьгх титановых сплавов на основе электролитического порошка ПТЭС, по химическому составу соответствующих серийным литым сплавам. Однако, в дальнейшем, с распадом СССР, производство электролитических порошков оказалось за рубежом, а затем было свернуто, что привело к возникновению проблемы собственного производства титанового порошка на базе местных ресурсов, из полуфабрикатов производства литого титана (титановая губка производства ОАО «АВИСМА», г. Березники). Возможность использования в качестве сырья для механического легирования полуфабрикатов производства и отходов механообработки титана и его сплавов удешевляют производство порошковых материалов на основе титана и делают механическое легирование весьма актуальным и перспективным. Кроме того, имея близкие к литым и деформированным сплавам прочностные и пластические свойства, порошковые титановые материалы, полученные по традиционной технологии, уступают им в области усталостных характеристик, что ограничивает область их применения в качестве конструкционных материалов.
Основными методами повышения свойств материалов на основе титана становятся оптимизация структуры и повышение плотности изделий. Применение метода механического легирования на стадии получения порошка позволяет получить особую структуру материала, активизировать процессы спекания, достигнуть высокой гомогенности смеси, сформировать неравновесную структуру с высокой плотностью микро- и макроскопических дефектов кристаллической структуры и ячеистой дислокационной структурой.
Цель работы. Изучение процессов механоактивации (МА) и механического легирования (МЛ) в порошковых сплавах на основе титана, механических и усталостных свойств МА и МЛ титановых сплавов.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
создать оборудование для получения МА порошков титана и МЛ титановых сплавов;
установить закономерности измельчения титановой губки и изменение исходного гранулометрического состава поликомпонептпой смеси в процессе механического легирования;
исследовать образование твердых растворов и кинетику изменения концентрационной неоднородности распределения легирующих элементов в механически легированной смеси в процессе механического легирования;
- исследовать влияние МЛ на активацию процессов спекания и формирование
структуры;
- исследовать прочностные и усталостные свойства порошковых материалов на
основе титана, полученных методами механоактивации;
Научная новизна.
впервые исследовано и дано статистическое описание дробления титановой губки и многокомпонентных порошковых смесей в различных средах. Показана зависимость процессов дробления-конгломерации и величины удельной поверхности от среды обработки;
установлено образование пересыщенных твердых растворов А1 и Mg в Ті при механическом легирований многокомпонентных смесей. Обнаружено образование ячеистой дислокационной структуры;
установлено, что при механическом легировании в газовых средах процессы гомогенизации затруднены за счет повышения концентрации примесей внедрения, а при спекании этих материалов результате торможения рекристаплизационных процессов под влиянием стопоров границ образуется мелкодисперсная равноосная структура;
установлено явление активации процесса спекания дисперсной механически легированной порошковой смеси на основе титана с получением практически компактного материала, механическая смесь порошков того же химического и гранулометрического состава имеет остаточную пористость - 3-4%;
- впервые получены зависимости прочностных свойств механически легированных
материалов на основе титана в зависимости от дисперсности, степени дефектности (уровня
механоактивации) и среды механического легирования;
- обнаружены немонотонная зависимость механических свойств пористого
порошкового титана от величины пористости и множественность типов разрушения при
циклическом нагружении.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика определения энергетической эффективности применяемого
оборудования.
-
Харзктер распределения частиц МА и МЛ порошков титана, получаемых при высокоэнергетической обработке в зависимости от среды и длительности обработки.
-
Механизм гомогенизации и формирование структуры в процессе механического легирования.
-
Образование неравновесных твердых растворов в процессе МЛ.
-
Немонотонная зависимость механических свойств пористого порошкового титана от величины пористости и множественность типов разрушения при циклическом нагружении МА порошковых титановых сплавов.
-
Технология получения дисперсных порошков титана и его сплавов.
7. Технология получения высокоплотных МА и МЛ материалов на основе титана.
Практическая ценность работы:
разработана технология получения дисперсных нанокристаллических порошков титана и механически легированных титановых сплавов в неравновесном состоянии, установлено влияние различных сред на кинетику МА и МЛ и формирование структуры и комплекса механических свойств;
разработана экономичная технология получения высокоплотного спеченного сплава состава Ti-6%Al-4%V на основе механически легированных порошков, минуя операции доуплотнения (ГИП, ГПД й др.);
получен материал на основе механоактивированной титановой губки с высоким комплексом прочностных и усталостных свойств.
из полученных порошковых материалов изготовлена опытная партия деталей для нефтеперекачиваюших насосов, образцы-прототипы стоматологических имплантантов (подана заявка на изобретение);
- отработана технология, спроектировано, изготовлено и передано ВНИИ ЭФ РФЯЦ
(г. Сэров) оборудование для получения дисперсных порошков титана.
Апробация работы. Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Научный центр порошкового материаловедения» в соответствии с:
- совместным планом работ с ГН1Д «Институт Гиредмет» (г. Москва) на научно-
исследовательскую работу «Разработка процессов и создание высокоэнергетических
технологий получения порошковых функциональных материалов и организация опытного
- производства» (01.9.80 010199);
- планом работ по разделу «Функциональные порошковые материалы»
Межвузовской научно-технической программы «Перспективные материалы» но теме
«Разработка композиционных материалов на основе титана с регулируемой структурой и
заданными свойствами» (01.9.90 001742),
Основные положения работы представлены на XXIX научно-технической конференции ПГТУ «Повышение качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин технологическими методами», Пермь 1998; Международной научно-технической конференции «Уральская металлургия на рубеже тысячелетия», Челябинск, 26-29 октября 1999; Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», 18-22 сентября 2000, Кацивели, Автономная республика Крым, Украина; Всероссийской конференции "Физикохимия ультрадисперсных систем", Екатеринбург, 9-13 сентября 2000; Международной конференции EUROMAT-2000 Conference on Advanced in Mechanical Behavior, Plasticity and Damage. TOURS, France, 7-9 November 2000
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 3 статьи, 4 тезиса.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключешія, списка литературы и приложения, изложена на 152 страницах машинописного текста, включая 18 таблиц, 51 рисунок. Список литературы содержит 123 ссылки.