RU2794190C1 - Method for purification of titanium powders and alloys from oxygen impurity - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods for purification of titanium powders and alloys from oxygen impurities. Purification of titanium powders and alloys is carried out by interaction with magnesium or calcium hydride powder in a flow of inert gas thermal plasma generated with an electric discharge.

EFFECT: intensification of a purification process and reduction in a reaction time.

1 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, очистки порошков титана и его сплавов от примесей кислорода. В настоящее время сферические порошки титана и его сплавов используются для изготовления изделий методами аддитивных технологий (AT). После многократного прохождения циклов изготовления изделий методами 3D печати происходит деградация порошков титана и его сплавов, включающая изменение из гранулометрического состава, морфологии частиц и повышением содержания примеси кислорода до 0.2 мас. % и выше, что исключает дальнейшее использование порошка без регенерации, обеспечивающей снижение концентрации кислорода, коррекции гранулометрического состава и морфологии частиц. Предлагаемый способ может использоваться для регенерации отработанных в процессах AT порошков титана и сплавов на его основе.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular, the purification of powders of titanium and its alloys from oxygen impurities. Currently, spherical powders of titanium and its alloys are used for the manufacture of products using additive technologies (AT). After repeated cycles of manufacturing products by 3D printing, degradation of titanium powders and its alloys occurs, including a change in particle size distribution, particle morphology, and an increase in the oxygen impurity content to 0.2 wt %. % and higher, which excludes the further use of the powder without regeneration, which reduces the oxygen concentration, corrects the particle size distribution and morphology of the particles. The proposed method can be used for the regeneration of titanium powders and titanium-based alloys spent in AT processes.

Известны различные методы очистки металлического титана от примеси кислорода, основанные на восстановлении оксидов титана до металла магнием или кальцием, находящимися в жидком или парообразном состоянии [Z.Z. Fang, J.D. Paramore, P. Sun, et al. Powder metallurgy of titanium - past, present, and future. International Materials Reviews, 2018, vol. 63, no. 7, pp. 407-459]. Кальций- и магнийтермические методы очистки металлического титана обеспечивают уменьшение содержания примесей кислорода ниже 0.2 мас. %, однако они имеют недостатки, связанные с возможным спеканием частиц обрабатываемого порошка, длительным временем обработки, необходимостью использования высокого вакуума для реализации процессов с участием паров металлов-восстановителей.There are various methods for cleaning metallic titanium from oxygen impurities, based on the reduction of titanium oxides to metal with magnesium or calcium in a liquid or vapor state [Z.Z. Fang, J.D. Paramore, P. Sun, et al. Powder metallurgy of titanium - past, present, and future. International Materials Reviews, 2018, vol. 63, no. 7, pp. 407-459]. Calcium- and magnesium-thermal methods for cleaning metallic titanium provide a reduction in the content of oxygen impurities below 0.2 wt. %, however, they have disadvantages associated with the possible sintering of particles of the processed powder, long processing time, the need to use high vacuum for the implementation of processes involving vapors of reducing metals.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является подход, представленный в [Jing Li, Zhenhua Нао, Yongchun Shu, Jilin He. Fabrication of spherical Ti6A14V powder for additive manufacturing by radio frequency plasma spheroidization and deoxidation using calcium. Journal of materials research and technology, 2020, 9 (6), 14792-14798]. Сферический порошок сплава Ti6A14V был получен в результате обработки исходного порошка в потоке термической плазмы ВЧ разряда. Обработка в плазме обеспечила преобразование частиц с неправильной формой в сферические. Полученные сферические частицы с содержанием кислорода 0.46 мас. % смешивались с гранулами кальция, смесь загружалась в контейнер, который помещался в печь с температурой 850°С. Полученный продукт охлаждался, обрабатывался раствором соляной кислоты, промывался и высушивался. Обработка порошка титанового сплава кальцием в течение двух часов позволила снизить содержание кислорода до 0.12 мас. %. Рассмотренный подход обеспечивает получение порошка титанового сплава со сферической формой частиц и допустимым содержанием примесей кислорода. Недостатком данного подхода является длительное время термообработки порошка при разделении термообработки на две стадии - сфероидизацию частиц сплава в потоке термической плазмы и термообработку порошка в печи в присутствии кальция для удаления примеси кислорода. Если время плазменной обработки не превышает сотых долей секунды, то продолжительность рафинирующей термообработки составляет два часа, что приводит к значительному энергопотреблению.The closest in technical essence and the achieved result to the present invention is the approach presented in [Jing Li, Zhenhua Nao, Yongchun Shu, Jilin He. Fabrication of spherical Ti6A14V powder for additive manufacturing by radio frequency plasma spheroidization and deoxidation using calcium. Journal of materials research and technology, 2020, 9(6), 14792-14798]. The spherical powder of the Ti6A14V alloy was obtained by processing the initial powder in a thermal plasma flow of an RF discharge. Plasma treatment provided the transformation of irregularly shaped particles into spherical ones. The resulting spherical particles with an oxygen content of 0.46 wt. % were mixed with calcium granules, the mixture was loaded into a container, which was placed in an oven with a temperature of 850°C. The resulting product was cooled, treated with a hydrochloric acid solution, washed and dried. The treatment of titanium alloy powder with calcium for two hours made it possible to reduce the oxygen content to 0.12 wt %. %. The considered approach ensures the production of a titanium alloy powder with a spherical particle shape and an acceptable content of oxygen impurities. The disadvantage of this approach is the long time of heat treatment of the powder when the heat treatment is divided into two stages - spheroidization of the alloy particles in a thermal plasma flow and heat treatment of the powder in a furnace in the presence of calcium to remove oxygen impurities. If the plasma treatment time does not exceed hundredths of a second, then the duration of the refining heat treatment is two hours, which leads to significant energy consumption.

Техническим результатом изобретения является снижение времени очистки порошков титана и его сплавов от примеси кислорода в процессе металлотермического восстановления оксидов титана.The technical result of the invention is to reduce the cleaning time of titanium powders and its alloys from oxygen impurities in the process of metal-thermal reduction of titanium oxides.

В отработанных порошках AT титана и его сплавов кислород присутствует в виде оксидов металла преимущественно на поверхности частиц, что значительно сокращает время, необходимое для осуществления химических реакций поверхностного рафинирования по кислороду по сравнению с удалением кислорода из объема частиц порошка.In the spent powders of AT titanium and its alloys, oxygen is present in the form of metal oxides mainly on the surface of the particles, which significantly reduces the time required for the implementation of chemical reactions of surface refining for oxygen compared to the removal of oxygen from the bulk of the powder particles.

Технический результат достигается обработкой порошков титана и его сплавов в потоке термической плазмы инертного газа, в который также вводятся порошкообразный магний (кальций) или гидрид магния (кальция).The technical result is achieved by processing powders of titanium and its alloys in a thermal plasma flow of an inert gas, into which powdered magnesium (calcium) or magnesium (calcium) hydride is also introduced.

Металлические частицы в потоке плазмы расплавляются и за счет сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму. Частицы гидрида кальция или магния при нагреве от температуры 900 К разлагаются на металл и водород, а затем кальций (магний) испаряются (температуры кипения кальция и магния при атмосферном давлении 1760 К и 1360 К соответственно). Пары металлов взаимодействуют с оксидами титана, которые находятся на поверхности обрабатываемых частиц, восстанавливая их до металла. Реакции восстановления происходят при температуре плавления обрабатываемого титана (сплава) или превышающей ее, т.к. осуществляются в потоке термической плазмы, имеющей температуру порядка нескольких тысяч градусов. Характерная температура, при которой происходят металлотермические реакции восстановления оксидов в потоке плазмы, значительно превышают температуру проведения таких реакций в традиционных условиях, где они реализуются при температуре 1000-1300 К. Повышение температуры реакций обеспечивает значительное сокращение времени их протекания, и делает возможным осуществить реакции непосредственно в потоке термической плазмы.Metal particles in the plasma flow melt and acquire a spherical shape due to surface tension forces. Particles of calcium or magnesium hydride, when heated from a temperature of 900 K, decompose into metal and hydrogen, and then calcium (magnesium) evaporates (the boiling points of calcium and magnesium at atmospheric pressure are 1760 K and 1360 K, respectively). Metal vapors interact with titanium oxides, which are on the surface of the treated particles, reducing them to metal. Reduction reactions occur at the melting temperature of the processed titanium (alloy) or higher, because are carried out in a thermal plasma flow having a temperature of the order of several thousand degrees. The characteristic temperature at which metallothermic reactions of oxide reduction in a plasma flow occur is significantly higher than the temperature of such reactions under traditional conditions, where they are realized at a temperature of 1000-1300 K. An increase in the reaction temperature provides a significant reduction in the time of their occurrence, and makes it possible to carry out the reactions directly. in a thermal plasma flow.

Использование гидридов кальция и магния в качестве источника паров металлов обусловлено тем, что металлические кальций и магний не производятся в промышленном масштабе в виде микропорошков с размером частиц порядка десяти микрон. Такой размер частиц необходимо иметь, чтобы обеспечить их полное испарение за время нахождения в плазменном потоке. Гидриды указанных металлов могут быть подвергнуты размолу с получением частиц необходимого микронного диапазона размеров в отличие от пластичных металлов, размол которых затруднителен.The use of calcium and magnesium hydrides as a source of metal vapors is due to the fact that metallic calcium and magnesium are not produced on an industrial scale in the form of micropowders with a particle size of about ten microns. It is necessary to have such a particle size in order to ensure their complete evaporation during the time spent in the plasma flow. Hydrides of these metals can be subjected to grinding to obtain particles of the required micron size range, in contrast to ductile metals, the grinding of which is difficult.

Отличительная особенность предлагаемого изобретения является проведение процесса очистки порошков титана и его сплавов в результате металлотермического восстановления оксидов титана парами кальция или магния, осуществляемого в высокотемпературном газодисперсном потоке с использованием термической плазмы электрических разрядов, в то время как в известных подходах этот процесс реализуется в слое частиц при прохождении паров металлов-восстановителей. Проведение процесса в потоке термической плазмы обеспечивает интенсификацию процесса и значительное сокращение времени реакции.A distinctive feature of the present invention is the process of cleaning powders of titanium and its alloys as a result of metal-thermal reduction of titanium oxides with calcium or magnesium vapor, carried out in a high-temperature gas-dispersed flow using thermal plasma of electrical discharges, while in known approaches this process is implemented in a layer of particles at the passage of vapors of reducing metals. Carrying out the process in a thermal plasma flow ensures the intensification of the process and a significant reduction in the reaction time.

Преимущество предложенного способа определяется снижением на порядки времени, необходимого для удаления примеси кислорода из порошков титана в результате реакций металлотермического восстановления парами кальция или магния. Кроме того, проведение обработки исходного порошка в потоке термической плазмы позволяет обеспечить сфероидизацию частиц, не выделяя ее в отдельную стадию как в представленном выше прототипе.The advantage of the proposed method is determined by the reduction by orders of magnitude of the time required to remove oxygen impurities from titanium powders as a result of metallothermic reduction reactions with calcium or magnesium vapors. In addition, the processing of the initial powder in a thermal plasma flow allows for the spheroidization of particles without separating it into a separate stage, as in the prototype presented above.

Предлагаемый процесс реализуется следующим образом. Исходный порошок титана или титанового сплава подвергается классификации с выделением фракции частиц в заданном диапазоне размеров, обычно 20-100 мкм. Исходные гранулы гидрида кальция или магния измельчаются в мельнице в защитной газовой среде (инертные газы) и из полученного порошка выделяется фракция с размером менее 20 мкм. Оставшаяся более крупная фракции возвращается на размол. Порошок магния (кальция) или их гидрида смешивается с обрабатываемым титановым порошком в порошковом смесителе. Массовая доля магния (кальция) или их гидрида должна превышать стехиометрическое количество, необходимое для металлотермического восстановления примесей оксидов в исходном порошке. Точное значение избытка гидрида определяется экспериментально.The proposed process is implemented as follows. The original powder of titanium or titanium alloy is subjected to classification with the separation of the fraction of particles in a given size range, usually 20-100 microns. The initial granules of calcium or magnesium hydride are crushed in a mill in a protective gaseous medium (inert gases) and a fraction with a size of less than 20 μm is separated from the resulting powder. The remaining larger fraction is returned to the grinding. Magnesium (calcium) powder or their hydride is mixed with titanium powder to be processed in a powder mixer. The mass fraction of magnesium (calcium) or their hydride must exceed the stoichiometric amount required for the metallothermic reduction of oxide impurities in the original powder. The exact value of the hydride excess is determined experimentally.

Порошковая смесь из порошкового питателя подается в поток термической плазмы по трубопроводу с использованием транспортирующего инертного газа. Поток термической плазмы формируется в электроразрядном генераторе термической плазмы - электродуговом (ЭД), высокочастотном (ВЧ), сверхвысокочастотном (СВЧ) или комбинированном плазмотроне при прохождении плазмообразующего газа через один из указанных электрических разрядов. В качестве плазмообразующего газа могут использоваться инертные газы (преимущественно аргон) или их смеси.The powder mixture from the powder feeder is fed into the thermal plasma stream through a pipeline using a carrier inert gas. A thermal plasma flow is formed in an electric-discharge thermal plasma generator - electric arc (ED), high-frequency (HF), microwave (MW) or combined plasma torch when the plasma-forming gas passes through one of the indicated electric discharges. Inert gases (mainly argon) or their mixtures can be used as the plasma gas.

Высокотемпературный газодисперсный поток истекает в объем реактора, где происходят процессы расплавления обрабатываемых металлических частиц, разложения гидрида, испарение кальция (магния), реакции восстановления оксидов титана парами металлов. Продукты обработки, осажденные на днище реактора и вынесенные на фильтр, обрабатываются раствором соляной кислоты для удаления оксида кальция (магния), промываются водой и высушиваются. Полученный в итоге порошок титана или титанового сплава состоит из частиц сферической формы и содержит не более 0.15 мас. % примеси кислорода.The high-temperature gas-dispersed flow flows into the reactor volume, where the processes of melting of the processed metal particles, decomposition of the hydride, evaporation of calcium (magnesium), reduction reactions of titanium oxides with metal vapors take place. The treatment products deposited on the bottom of the reactor and placed on the filter are treated with a hydrochloric acid solution to remove calcium (magnesium) oxide, washed with water and dried. The resulting titanium or titanium alloy powder consists of spherical particles and contains no more than 0.15 wt. % admixture of oxygen.

Реализация способа представлена следующим примером.The implementation of the method is presented by the following example.

Пример 1.Example 1

Отработанный в процессе 3D печати порошок титанового сплава ВТ6 с размером частиц в диапазоне 50-100 мкм содержит 0.34 мас. % кислорода. Для очистки порошка от примеси кислорода используется порошок гидрида кальция СаН₂ с размером частиц менее 20 мкм. Порошки смешиваются в механическом смесителе в соотношении СаН₂/ВТ6=1/10. Порошковая смесь транспортирующим газом аргоном подается в поток термической плазмы аргона, генерируемой в электродуговом плазмотроне. Энтальпия струи плазмы на выходе из плазмотрона составляет 4,2 кВт*ч/м3. Высокотемпературный газодисперсный поток истекает сверху в вертикально расположенную цилиндрическую камеру обработки (диаметр 200 мм, длина 800 мм) с водоохлаждаемыми поверхностями.The VT6 titanium alloy powder with a particle size in the range of 50–100 µm, processed in the 3D printing process, contains 0.34 wt. % oxygen. To clean the powder from oxygen impurities, calcium hydride CaH ₂ powder with a particle size of less than 20 μm is used. The powders are mixed in a mechanical mixer in the ratio CaH ₂ /BT6=1/10. The powder mixture is fed by the transporting gas argon into the flow of thermal argon plasma generated in an electric arc plasma torch. The enthalpy of the plasma jet at the outlet of the plasma torch is 4.2 kW*h/m3. The high-temperature gas-dispersed flow flows from above into a vertically located cylindrical processing chamber (diameter 200 mm, length 800 mm) with water-cooled surfaces.

Собранный с днища камеры порошок обрабатывался 10% водным раствором соляной кислоты в сосуде с мешалкой, затем промывался дистиллированной водой до достижения в воде рН=7 и высушивался в вакуумном сушильном шкафу при температуре 323 К. Содержание кислорода в полученном порошке составляет 0.14 мас. %.The powder collected from the bottom of the chamber was treated with a 10% aqueous solution of hydrochloric acid in a vessel with a stirrer, then washed with distilled water until pH=7 in water was reached and dried in a vacuum oven at a temperature of 323 K. The oxygen content in the obtained powder is 0.14 wt %. %.

Пример 2.Example 2

Отработанный в процессе 3D печати порошок титана ВТ 1-00 с размером частиц в диапазоне 25-50 мкм содержит 0.26 мас. % кислорода. Для очистки порошка от примеси кислорода используется порошок магния с размером частиц менее 20 мкм. Порошки смешиваются в механическом смесителе в соотношении Mg/BT1-00=1/12. Порошковая смесь транспортирующим газом гелием подается в поток термической плазмы гелия, генерируемой в электродуговом плазмотроне. Энтальпия струи плазмы на выходе из плазмотрона составляет 3,8 кВт*ч/м3. Высокотемпературный газодисперсный поток истекает сверху в вертикально расположенную цилиндрическую камеру обработки (диаметр 200 мм, длина 800 мм) с водоохлаждаемыми поверхностями.The VT 1-00 titanium powder processed in the 3D printing process with a particle size in the range of 25-50 µm contains 0.26 wt. % oxygen. To purify the powder from oxygen impurities, magnesium powder with a particle size of less than 20 microns is used. The powders are mixed in a mechanical mixer in the ratio Mg/BT1-00=1/12. The powder mixture is fed by the transporting gas helium into the helium thermal plasma flow generated in the electric arc plasma torch. The enthalpy of the plasma jet at the outlet of the plasma torch is 3.8 kW*h/m3. The high-temperature gas-dispersed flow flows from above into a vertically located cylindrical processing chamber (diameter 200 mm, length 800 mm) with water-cooled surfaces.

Собранный с днища камеры порошок обрабатывался 10% водным раствором соляной кислоты в сосуде с мешалкой, затем промывался дистиллированной водой до достижения в воде рН=7 и высушивался в вакуумном сушильном шкафу при температуре 323 К. Содержание кислорода в полученном порошке составляет 0.14 мас. %.The powder collected from the bottom of the chamber was treated with a 10% aqueous solution of hydrochloric acid in a vessel with a stirrer, then washed with distilled water until pH=7 in water was reached and dried in a vacuum oven at a temperature of 323 K. The oxygen content in the obtained powder is 0.14 wt %. %.

Приведенные примеры свидетельствуют о эффективности предложенного изобретения, позволяющего снизить содержание примеси кислорода в порошках титана и его сплавов до значений, не превышающих 0.15 мас. %.The examples given testify to the effectiveness of the proposed invention, which makes it possible to reduce the content of oxygen impurities in powders of titanium and its alloys to values not exceeding 0.15 wt. %.

Claims (1)

Способ очистки порошков титана и его сплавов от примеси кислорода путем взаимодействия с порошком магния или гидрида кальция, отличающийся тем, что очистку проводят в потоке термической плазмы инертных газов, генерируемой электрическим разрядом.A method for cleaning titanium powders and its alloys from oxygen impurities by interacting with magnesium or calcium hydride powder, characterized in that the cleaning is carried out in a stream of inert gas thermal plasma generated by an electric discharge.