powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2023-4-5-15powder-845Research ArticleПроцессы получения и свойства порошковProduction Processes and Properties of PowdersИсследование физических, химических и технологических свойств порошка титана, полученного термическим дегидрированием в вакуумеInvestigation of physical, chemical, and technological properties of titanium powder obtained by thermal dehydrogenation in vacuumhttps://orcid.org/0000-0003-4942-5520ЧерезовН. П.CherezovN. P.

Никита Петрович Черезов – мл. науч. сотрудник лаборатории высокоэнергетических методов синтеза сверхвысокотем­пературных керамических материалов

Россия, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Nikita P. Cherezov – Junior Researcher of the Laboratory of high-energy methods of synthesis of ultrahigh-temperature ceramic materials

8 Akademican Osip'yan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432, Russia

cherezovnikita@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6147-5753АлымовМ. И.AlymovM. I.

Михаил Иванович Алымов – д.т.н., чл.-корр. РАН, директор

Россия, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Mikhail I. Alymov – Dr. Sci. (Eng.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Director

8 Akademican Osip'yan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432, Russia

alymov.mi@gmail.comИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАНРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202329122023174515Copyright © НИТУ "МИСИС", 20232023НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/845

В последнее время наблюдается большой интерес к порошковой металлургии – в частности, благодаря активному развитию аддитивного производства, в связи с чем актуальной задачей является разработка методов получения исходных порошков металлов, которые обладали бы низкой стоимостью, но соответствовали высоким требованиям потребителя. Настоящая работа является продолжением исследований титановых порошков, получаемых методом СВС-гидрирования и термического дегидрирования. Полученные ранее порошки гидрида титана по технологии СВС были просеяны на фракции, соответствующие гранулометрическому составу порошка титана марок ПТК, ПТС, ПТМ и ПТОМ. Далее порошковые образцы гидрида титана были дегидрированы с помощью вакуумного отжига в электрической печи сопротивления. В процессе дегидрирования была исследована кинетика выделения водорода из порошка титана в зависимости от размера частиц. Изучены макро- и микроструктура, химические, технологические свойства дегидрированных порошков. Установлено, что порошок титана после дегидрирования сохранил исходную полигональную осколочную форму. Средний размер частиц уменьшился на 5–20 %, на крупных частицах были обнаружены «сателлиты». Химическим анализом выявлено, что крупные образцы содержат большее количество остаточного водорода и газовых примесей (Σ 0,77 мас. %), чем тонкие порошки (около Σ 0,26 мас. %). Согласно исследованиям технологических свойств, получаемые порошки обладают необходимыми характеристиками для применения в порошковой металлургии титана (исключением является низкая текучесть порошков из-за формы частиц и микронеоднородности структуры). Таким образом, показана перспективность метода СВС-гидрирования и термического дегидрирования, который позволяет изготавливать качественные порошки титана.

In recent times, there has been significant interest in powder metallurgy, driven primarily by the active development of additive manufacturing. Consequently, a pressing task is the development of methods for producing initial metal powders that are cost-effective while meeting high consumer standards. This research is a continuation of studies on titanium powders obtained through SHS hydrogenation and thermal dehydrogenation. The titanium hydride powders, previously obtained using SHS technology, were sieved, resulting in fractions that matched the granulometric composition of titanium powders of PTK, PTS, PTM, and PTOM grades. Subsequently, the titanium hydride powder samples underwent dehydrogenation through vacuum annealing in an electric resistance furnace. Throughout the dehydrogenation process, the kinetics of hydrogen release from the titanium powder were examined as a function of particle size. The macro- and microstructure, chemical composition, and technological properties of the dehydrogenated powders were thoroughly analyzed. It was determined that the titanium powder maintained its original polygonal fragmented shape after dehydrogenation. The average particle size decreased by 5–20 %, and “satellites” were observed on larger particles. Chemical analysis revealed that larger samples contained a higher level of residual hydrogen and gas impurities (Σ 0.77 wt. %) compared to finer powders (Σ 0.26 wt. %). Regarding the study of technological properties, the resulting powders exhibited the necessary characteristics for use in titanium powder metallurgy, with the exception of low flowability due to the particle shape and microstructural heterogeneity). In conclusion, this research has demonstrated the potential of the SHS hydrogenation and thermal dehydrogenation method in producing high-quality titanium powders.

титанпорошковая металлургиясамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)дегидрированиеморфологияхимические свойстватехнологические свойстваtitaniumpowder metallurgyself-propagating high-temperature synthesis (SHS)dehydrogenationmorphologychemical propertiestechnological propertiesРабота выполнена в рамках государственного задания Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН.This work was carried out under the state assignment received by the Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science.ReferencesМальшин В.М., Завадовская В.Н., Пампушко Н.А. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1991. 208 с.Mal’shin V.M., Zavadovskaya V.N., Pampushko N.A. Metallurgy of titanium. Moscow: Metallurgiya, 1991. 208 p. (In Russ.).Bolzoni L., Ruiz-Navas E.M., Gordo E. Powder metal­lurgy CP–Ti performances: Hydride–dehydride vs. sponge. Materials & Design. 2014;60:226–232. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.04.005Bolzoni L., Ruiz-Navas E.M., Gordo E. Powder metal­lurgy CP–Ti performances: Hydride–dehydride vs. sponge. Materials & Design. 2014;60:226–232. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.04.005Грамата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. М.: Металлургия, 1983. 539 с.Gramata V.A., Petrun’ko A.N., Galickii N.V., Olesov Yu.G., Sandler R.A. Titan. Moscow: Metallurgiya, 1983. 539 p. (In Russ.).Panda A., Dobránsky J., Jančík M. Pandová I., Kača­lová M. Advantages and effectiveness of the powder metallurgy in manufacturing technologies. Metalurgiya. 2018;57(4):353–356.Panda A., Dobránsky J., Jančík M. Pandová I., Kača­lová M. Advantages and effectiveness of the powder metallurgy in manufacturing technologies. Metalurgiya. 2018;57(4):353–356.Fang Z.Z., Paramore J.D., Sun, P., Ravi Chandran K.S., Zhang Y., Xia Y., Cao F., Koopman M., Free M. Powder metallurgy of titanium – past, present, and future. International Materials Reviews. 2017;63(7):1–53. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1366003Fang Z.Z., Paramore J.D., Sun, P., Ravi Chandran K.S., Zhang Y., Xia Y., Cao F., Koopman M., Free M. Powder metallurgy of titanium – past, present, and future. International Materials Reviews. 2017;63(7):1–53. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1366003Анциферов В.Н., Сметкин А.А., Ярмонов А.Н., Пещеренко С.Н. Способ получения титанового порошка: Патент 2178341 (РФ). 2002.Antsiferov V.N., Smetkin A.A., Yarmonov A.N., Peshcherenko S.N. Method for producing titanium powder: Patent 2178341 (RF). 2002. (In Russ.).Рымкевич Д.А., Танкеев А.Б., Бездоля И.Н., Тетерин В.В., Пермяков А.А. Способ получения губчатого титана: Патент 2466198 (РФ). 2015.Rymkevich D.A., Tankeev A.B., Bezdolja I.N., Tete­rin V.V., Permjakov A.A. Method of obtaining sponge titanium: Patent 2466198 (RF). 2015. (In Russ.).Withers J.C. 3 – Production of titanium powder by an electro­lytic method and compaction of the powder. In book: Titanium powder metallurgy. 2015. P. 33–49. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00003-4Withers J.C. 3 – Production of titanium powder by an electro­lytic method and compaction of the powder. In book: Titanium powder metallurgy. 2015. P. 33–49. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00003-4Yanko T., Brener V., Ovchinnikov O. Production of spherical titanium alloy powders used in additive manufacturing from titanium scrap. In: MATEC Web of Conferences (The 14th World Conference on Titanium (Ti 2019), Nantes, France, 10–14 June 2019). 2020;321(07008). https://doi.org/10.1051/matecconf/202032107008Yanko T., Brener V., Ovchinnikov O. Production of spherical titanium alloy powders used in additive manufacturing from titanium scrap. In: MATEC Web of Conferences (The 14th World Conference on Titanium (Ti 2019), Nantes, France, 10–14 June 2019). 2020;321(07008). https://doi.org/10.1051/matecconf/202032107008Goso X.C., Kale A. Production of titanium metal powder by the HDH process. Journal of the Southern African Ins­titute of Mining and Metallurgy. 2011;111(3):203–210.Goso X.C., Kale A. Production of titanium metal powder by the HDH process. Journal of the Southern African Ins­titute of Mining and Metallurgy. 2011;111(3):203–210.Heidloff A., Rieken J., Anderson I., Byrd D., Sears J., Glynn M., Ward R. Advanced gas atomization processing for Ti and Ti alloy powder manufacturing. The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (JOM). 2010;62:35–41. https://doi.org/10.1007/s11837-010-0075-xHeidloff A., Rieken J., Anderson I., Byrd D., Sears J., Glynn M., Ward R. Advanced gas atomization processing for Ti and Ti alloy powder manufacturing. The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (JOM). 2010;62:35–41. https://doi.org/10.1007/s11837-010-0075-xАлишин М.И., Князев А.Е. Производство металлопорошковых композиций высокой чистоты титановых сплавов методом индукционной газовой атомизации для аддитивных технологий. Труды ВИАМ. 2017;(11):35–43. https://dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-11-5-5Alishin M.I., Knjazev A.E. Production of metal powder compositions of high purity titanium alloys by induction gas atomization for additive technologies. Trudy VIAM. 2017;(11):35–43. (In Russ.). https://dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-11-5-5Новиков А.Н. Способ получения ультрадисперсных порошков металла или металлических сплавов: Патент 2588931 (РФ). 2016.Novikov A.N. A method for producing ultrafine powders of metal or metal alloys: Patent 2588931 (RF). 2016. (In Russ.).Sun P., Fang Z.Z., Xia Y., Zhang Y., Zhou C. A novel method for production of spherical Ti–6Al–4V powder for additive manufacturing. Powder Technology. 2016;301: 331–335. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.022Sun P., Fang Z.Z., Xia Y., Zhang Y., Zhou C. A novel method for production of spherical Ti–6Al–4V powder for additive manufacturing. Powder Technology. 2016;301: 331–335. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.022Kasimtsev A.V., Zhigunov V.V., Tabachkova N.Y. The composition, structure, and properties of calcium-hydride powder of titanium carbide. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009;50(3):276–280. https://doi.org/10.3103/S1067821209030171Kasimtsev A.V., Zhigunov V.V., Tabachkova N.Y. The composition, structure, and properties of calcium-hydride powder of titanium carbide. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009;50(3):276–280. https://doi.org/10.3103/S1067821209030171Xia Y., Fang Z.Z., Zhang T., Zhang Y., Sun P., Huang Z. Deoxygenation of titanium hydride with calcium hydride. In: Proceedings of the 13th World Conference on Titanium Ti-2015 (Manchester Grand Hyatt, San Diego, California, USA, 16–20 August 2015). John Wiley & Sons, Inc., 2016. P. 135–137. https://doi.org/10.1002/9781119296126.ch20Xia Y., Fang Z.Z., Zhang T., Zhang Y., Sun P., Huang Z. Deoxygenation of titanium hydride with calcium hydride. In: Proceedings of the 13th World Conference on Titanium Ti-2015 (Manchester Grand Hyatt, San Diego, California, USA, 16–20 August 2015). John Wiley & Sons, Inc., 2016. P. 135–137. https://doi.org/10.1002/9781119296126.ch20Neikov O.D., Gopienko V.G. Production of titanium and titanium alloy powders. In: Handbook of non-ferrous me­tal powders. Elsevier Ltd., 2009. P. 549–570. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100543-9.00018-XNeikov O.D., Gopienko V.G. Production of titanium and titanium alloy powders. In: Handbook of non-ferrous me­tal powders. Elsevier Ltd., 2009. P. 549–570. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100543-9.00018-XIvasishin O., Moxson V. 8 – Low-cost titanium hydride powder metallurgy. In: Titanium powder metallurgy. Elsevier Inc., 2015. P. 117–148. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00008-3Ivasishin O., Moxson V. 8 – Low-cost titanium hydride powder metallurgy. In: Titanium powder metallurgy. Elsevier Inc., 2015. P. 117–148. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00008-3Abakumov G., Duz V., Ivasishin O., Moxson V., Savva­kin D. High performance titanium powder metallurgy components produced from hydrogenated titanium powder by low cost blended elemental approach. In: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium Ti-2011 (Beijing, China, 19–24 June 2011). Beijing: Science Press, 2012. Vol. 2. P. 1639–1643.Abakumov G., Duz V., Ivasishin O., Moxson V., Savva­kin D. High performance titanium powder metallurgy components produced from hydrogenated titanium powder by low cost blended elemental approach. In: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium Ti-2011 (Beijing, China, 19–24 June 2011). Beijing: Science Press, 2012. Vol. 2. P. 1639–1643.Бешкарев В.Т., Гасанов А.А., Южакова Е.А., Иванов В.В., Карцев В.Е., Котляров В.И., Козлов Р.Ю. Способ получения мелкодисперсных сферических титан­содержащих порошков: Патент 2631692 (РФ). 2016.Beshkarev V.T., Gasanov A.A., Yuzhakova E.A., Ivanov V.V., Kartsev V.E., Kotlyarov V.I., Kozlov R.Yu. Method for obtaining finely dispersed spherical titanium-containing powders: Patent 2631692 (RF). 2016. (In Russ.).Oh J.M., Roh K.M., Lee B.K., Suh C.Y., Kim W., Kwon H., Lim J.W. Preparation of low oxygen content alloy powder from Ti binary alloy scrap by hydrogenation–dehydrogenation and deoxidation process. Journal of Alloys and Compounds. 2014;593:61–66. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.01.033Oh J.M., Roh K.M., Lee B.K., Suh C.Y., Kim W., Kwon H., Lim J.W. Preparation of low oxygen content alloy powder from Ti binary alloy scrap by hydrogenation–dehydrogenation and deoxidation process. Journal of Alloys and Compounds. 2014;593:61–66. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.01.033Долуханян С.К. СВС-метод получения аккумуляторов водорода. Альтернативная энергетика и экология. 2005;(11):13–16.Doluhanjan S.K. SHS is a method for producing hydrogen storages. Al’ternativnaya energetika i ekologiya. 2005;(11):13–16. (In Russ.).Павленко Д.В. Влияние параметров порошков титана на прочность спеченных полуфабрикатов. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудува­нні. 2014;(2):87–92.Pavlenko D.V. Influence of titanium powder parameters on the strength of sintered semi-finished products. Novі materіali і tekhnologіi v metalurgіi ta mashinobuduvannі. 2014;(2):87–92. (In Russ.).Князев А.Е., Неруш С.В., Алишин М.И., Куко И.С. Исследования технологических свойств металлопорошковых композиций титановых сплавов ВТ6 и ВТ20, полученных методом индукционной плавки и газовой атомизации. Труды ВИАМ. 2017;59(11):44–53. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-11-6-6Knyazev A.E., Nerush S.V., Alishin M.I., Kuko I.S. Investigations of technological properties of metal powder compositions of titanium alloys VT6 and VT20 obtained by induction melting and gas atomization. Trudy VIAM. 2017;59(11):44–53. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-11-6-6Chen B., Shen J., Ye X., Umeda J., Kondoh K. Advanced mechanical properties of powder metallurgy commercially pure titanium with a high oxygen concentration. Journal of Materials Research. 2017;32(19):3769–3776. https://doi.org/10.1557/jmr.2017.338Chen B., Shen J., Ye X., Umeda J., Kondoh K. Advanced mechanical properties of powder metallurgy commercially pure titanium with a high oxygen concentration. Journal of Materials Research. 2017;32(19):3769–3776. https://doi.org/10.1557/jmr.2017.338Черезов Н.П., Алымов М.И. Структура и свойства порошка гидрида титана, полученного из титановой губки методом СВС-гидрирования. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;16(4):15–24. https://dx.doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-15-24Cherezov N.P., Alymov M.I. Structure and properties of titanium hydride powder obtained from titanium sponge by SHS hydrogenation. Powder Matallurgy and Functional Coatings. 2022;16(4):15–24. (In Russ.). https://dx.doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-15-24Устинов В.С., Олесов Ю.Г., Антипин Л.Н., Дрозденко В.А. Порошковая металлургия титана. М.: Металлургия, 1973. 248 с.Ustinov V.S., Olesov Yu.G., Antipin L.N., Drozdenko V.A. Titanium powder metallurgy. Moscow: Metallurgiya, 1973. 248 p. (In Russ.).Царев М.В., Забавин Е.В., Мокрушин В.В., Бережко П.Г. Изменение размера частиц порошковых металлов в процессе их гидрирования и дегидрирования. В сб.: Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’11 JUNIOR: Сборник докладов Седьмой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова (Звенигород, 24–28 октября 2011 г.). Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2012. С. 379–384.Tsarev M.V., Zabavin E.V., Mokrushin V.V., Berezhko P.G. Change in the particle size of powdered metals during their hydrogenation and dehydrogenation. In: Interaction of hydrogen isotopes with structural materials. IHISM’11 JUNIOR: The Seventh International School of young scientists and specialists named after A.A. Kur­dyumov (Zvenigorod, 24–28 October 2011). Sarov: FGUP ״RFYaTs–VNIIEF״, 2012. P. 379–384. (In Russ.).Рудских В.В., Волкова Т.С., Левченкова О.Н., Жарков А.Ю., Светлаков С.В. Гидрирование дроби титана при пониженном давлении водорода. В сб.: Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’14: Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова (Саров, 7–11 июля 2014 г.). Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2014. С. 265–276.Rudskih V.V., Volkova T.S., Levchenkova O.N., Zharkov A.Yu., Svetlakov S.V. Hydrogenation of titanium fractions at reduced hydrogen pressure. In: Interaction of hydrogen isotopes with structural materials. IHISM’14: The Fifth International Conference and the Ninth International School of young scientists and specialists named after A.A. Kurdyumov (Sarov, 7–11 June 2014). Sarov: FGUP ״RFYaTs–VNIIEF״, 2014. P. 265–276. (In Russ.).Шаповалова О.М., Бабенко Е.П. Влияние температуры нагрева на процесс насыщения газами титановых порошков. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2008;(2):93–98.Shapovalova O.M., Babenko E.P. The influence of the heating temperature on the process of gas saturation of titanium powders. Novі materіali і tekhnologіi v metalurgіi ta mashinobuduvannі. 2008;(2):93–98. (In Russ.).Liu H., Lixian L., Liu Y. Vacuum activation assisted hydrogenation-dehydrogenation for preparing high-quality zirconium powder. Materials and Manufacturing Proces­ses. 2019;34(6):630–636. https://dx.doi.org/ 10.1080/10426914.2019.1566610Liu H., Lixian L., Liu Y. Vacuum activation assisted hydrogenation-dehydrogenation for preparing high-quality zirconium powder. Materials and Manufacturing Proces­ses. 2019;34(6):630–636. https://dx.doi.org/ 10.1080/10426914.2019.1566610Park Choi, Kang Jang-Won. Oxygen reduction behavior of HDH TiH2 powder during dehydrogenation reaction. Metal­­s. 2019;9(11):1154. https://doi.org/10.3390/met9111154Park Choi, Kang Jang-Won. Oxygen reduction behavior of HDH TiH2 powder during dehydrogenation reaction. Metal­­s. 2019;9(11):1154. https://doi.org/10.3390/met9111154

The authors declare that there are no conflicts of interest present.