Структура и свойства порошка гидрида титана, полученного из титановой губки методом СВС-гидрирования

Представлены результаты исследования структуры и свойств порошков гидрида титана, полученных из титановой губки СВС-гидрированием и механическим измельчением. Гидрирование осуществляли в реакторе при постоянном давлении водорода 3 МПа. После прохождения волны горения горячую титановую губку охлаждали до комнатной температуры в среде водорода. В результате были получены губчатые гранулы гидрида титана с содержанием водорода 4,2 мас.%. Их измельчали в шаровой мельнице и разделяли на 4 фракции, соответствующие фракционному составу порошка титана: ПТК, ПТС, ПТМ и ПТОМ. Анализ размера частиц показал, что образцы порошков ПТК и ПТОМ имеют более узкое распределение частиц в сравнении с ПТС и ПТМ. Далее для полученных порошков были проведены исследования химического состава, морфологии поверхности и определены насыпная плотность, уплотняемость, пикнометрическая плотность и удельная поверхность. Из результатов химического анализа было установлено, что в ходе СВС-гидрирования происходит снижение содержания примеси углерода и кислорода, а при механическом измельчении, в зависимости от его времени, незначительно увеличивается содержание железа. Исследование морфологии показало, что частицы гидрида титана имеют неправильную осколочную форму, – такая морфология характерна для порошков, полученных по данной технологии. Структура поверхности частично сохранила структуру исходной титановой губки и состоит из вытянутых ориентированных зерен. Установлено, что с уменьшением размера частиц насыпная плотность снижается, а уплотняемость возрастает. Значения пикнометрической плотности и удельной поверхности приблизительно равны для всех образцов порошка.

1. Xu J.J., Cheung H.Y., Shi S.Q. Mechanical properties of titanium hydride. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 436. Iss. 1—2. P. 82—85. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.06.107.

2. Левинский Ю.В., Патрикеев Ю.Б., Филянд Ю.М. Водород в металлах и интерметаллидах. М.: Научный мир, 2017.

3. Ma M., Liang L., Wang L., Wang Y., Cheng Y., Tang B., Xiang W., Tan X. Phase transformations of titanium hydride in thermal desorption process with different heating rates. Int. J. Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. Iss. 29. P. 8926—8934. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.083.

4. Sakintuna B., Lamari-Darkrim F., Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review. Int. J. Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. Iss. 9. P. 1121—1140. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2006.11.022.

5. Liu H., He P., Feng J.C., Cao J. Kinetic study on nonisothermal dehydrogenation of TiH2 powders. Int. J. Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. Iss. 7. P. 3018—3025. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.01.095.

6. Erk K.A., Dunand D.C., Shull K.R. Titanium with controllable pore fractions by thermoreversible gelcasting of TiH2. Acta Mater. 2008. Vol. 56. Iss. 18. P. 5147—5157. DOI: 10.1016/j.actamat.2008.06.035.

7. Lehmhus D., Rausch G. Tailoring titanium hydride decomposition kinetics by annealing in various atmospheres. Adv. Eng. Mater. 2004. Vol. 6. Iss. 5. P. 1438—1656. DOI: 10.1002/adem.200300572.

8. Yang C.C., Nakae H. Foaming characteristics control during production of aluminum alloy foam. J. Alloys Compd. 2000. Vol. 313. Iss. 1—2. P. 188—191. DOI: 10.1016/S0925-8388(00)01136-1.

9. Kennedy A.R., Lopez V.H. The decomposition behavior of as-received and oxidized TiH2 foaming-agent powder. Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 357. Iss. 1—2. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00211-9.

10. Жарков А.Ю., Рудских В.В., Левченкова О.Н., Волкова Т.С., Светлаков С.В. Исследование процесса гидрирования дроби титана при пониженном давлении водорода. В сб. 2-й отрасл. конф.: Титан в атомной промышленности. Глазов: ОАО ЧМЗ, 2014.

11. Bhosle V., Baburaj E.G., Miranova M., Salama K. Dehydrogenation of TiH2. Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 356. Iss.1—2. P. 190—199. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00117-5.

12. Zheng Y., Zhang J., Liu Y., Jia S., Tang R., Zhang D. Dehydrogenation and spheroidization of titanium hydride powder based on fluidization principle. Heat Treat. Surf. Eng. 2020. Vol. 2. No. 1. P. 22—29. DOI: 10.1080/25787616.2020.1845443.

13. Yanko T., Brener V., Ovchinnikov O. Production of spherical titanium alloy powders used in additive manufacturing from titanium scrap. In: MATEC Web Conf: 14th World Conf. on Titanium (Ti-2019). 2020. Vol. 321. DOI:10.1051/matecconf/202032107008.

14. Goso X., Kale A. Production of titanium metal powder by the HDH process. In: Advanced Metals Initiative: Light Metals Conf. 2010. Vol. 111. No. 3. P. 203—210.

15. Huiping S., Zhi W., Tao L., Zhimeng G., Qing Y., Jun W., Sen S., Shaoyuan L. Method for preparing TiAl intermetallic compound powder by using titanium hydride powder: Pat. 102825259A (China). 2012.

16. Ivasishin O., Moxson V. Low-cost titanium hydride powder metallurgy. Titanium Powder Metallurgy. 2015. P. 117—148. DOI: 10.1016/B978-0-12-800054-0.00008-3.

17. Долуханян С.К. СВС-метод получения аккумуляторов водорода. Альтерн. энергетика и экология. 2005. No. 11. С. 13—16.

18. Ратников В.И., Прокудина В.К., Беликова А.Ф., Сачкова Н.В. Получение порошка титана из титановой губки СВС-гидрированием и дегидрированием. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. No. 4. С. 25—30.

19. Chen W., Yamamoto Y., Peter W.H., Gorti S.B., Sabau A.S., Clark M.B., Nunn S.D., Kiggans J.O., Blue C.A., Williams J.C., Fuller B., Akhtar K. Cold compaction study of Armstrong Process Ti—6Al—4V powders. 2011. Powder Technol. Vol. 214. Iss. 2. P. 194—199. DOI: 10.1016/j.powtec.2011.08.007.

20. Machaka R., Chikwanda H.K. Analysis of the cold compaction behavior of titanium powders: A comprehensive Inter-model comparison study of compaction equations. Metall. Mater. Trans. A. 2015. Vol. 46. P. 4286—4297. DOI: 10.1007/s11661-015-3038-6.

21. Павленко Д.В. Влияние параметров порошков титана на прочность спеченных полуфабрикатов. Нові матеріали і технології в металургії i машинобудуванні. 2014. No. 2. С. 87—92.

22. 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. Тр. ВИАМ. 2017. Vol. 59. No. 11. С. 44—53. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-11-6-6.

23. Chen B., Shen J., Ye X., Umeda J., Kondoh K. Advanced mechanical properties of powder metallurgy commercially pure titanium with a high oxygen concentration. J. Mater. Res. 2017. Vol. 32. P. 3769—3776. DOI: 10.1557/jmr.2017.338.

24. Потехин А.А., Горькаев Д.А., Постников А.Ю., Тарасова А.И., Малышев А.Я. Изучение самоочистки реакционной системы в процессе СВС. Тр. РФЯЦ—ВНИИЭФ. 2015. Т. 20. Ч. 2. C. 618—619.