Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (кэшп)

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода. Углеродсодержащий материал в виде углеродных нанотрубок размером 15 нм смешивают с титановой губкой, прессуют в блоки, которые затем сваривают в расходуемый электрод, используемый при КЭШП. Изобретение позволяет расширить технологические возможности процесса производства титана и его сплавов, повысить качество конструкционных материалов в различных областях промышленности, включая медицину, для изготовления деталей протезов и имплантов. 2 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей протезов и имплантов.

Известен способ легирования титана кислородом, при котором из кислородсодержащего материала (титано-кислородная лигатура) изготавливались электроды-спутники, затем приваривались к основному электроду, а после совместно переплавлялись методом КЭШП (А.Д. Рябцев, С.И. Давыдов, А.А. Троянский, Л.Я. Шварцман, А.О. Рябцева, В.В. Пашинский, К.Л. Феофанов. Получение титана повышенной прочности путем легирования кислородом в процессе камерного электрошлакового переплава. Журнал Специальная Электрометаллургия №3 2007 г.).

Недостатком известного способа является то, что он рассчитан на свариваемые материалы, поэтому не может быть применим как способ легирования титана углеродом.

Известен способ легирования титана углеродом, при котором в качестве углеродсодержащего материала использовали углеродный порошок и углеродные нанотрубки. Расходуемые электроды изготавливали из прессованной титановой губки, затем засверливали осевое отверстие, в которое запрессовывали углеродсодержащий материал. (А.Д. Рябцев, А.А. Троянский, Б. Фридрих, В.В. Пашинский, Ф.Л. Леоха, С.Н. Ратиев. Легирование титана углеродом в процессе камерного электрошлакового переплава. Журнал Современная Электрометаллургия №2 2014 г.). Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что весь необходимый для легирования углерод сосредоточен в одном месте, что может привести к появлению в пределах одного участка слитка мест с различным химическим составом, а, следовательно, и физическими свойствами.

В основу изобретения поставлена задача совершенствования известного способа легирования титана кислородом.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что углеродсодержащий материал смешивают с титановой губкой в блоки, из которых затем сваривают расходуемый электрод. В качестве углеродсодержащего материала предлагают использовать углеродные нанотрубки (примерно 15 нм).

Технический результат предлагаемого изобретения - расширение технологических возможностей процесса производства титана и его сплавов, повышение качества конструкционных материалов в различных областях промышленности, включая медицину.

Предлагаемый способ поясняется рисунками:

- фиг. 1 - внешний вид расходуемого электрода перед плавкой;

- фиг. 2 - микроструктура огарков после каждой плавки;

- фиг. 3 - микроструктура слитков каждой плавки;

Углерод в титане до 0,35%вес. можно рассматривать как экономно легирующий элемент, значительно изменяющий прочностные и пластические характеристики титана. Таким образом, изменяя содержание углерода в титане в пределах от 0 до 0,35%вес. можно достигать желаемых соотношений прочностных и пластических характеристик, в том числе повысить прочность за счет резерва вязкости металла.

Основной недостаток углерода, как легирующей добавки заключается в отсутствии промышленной лигатуры, которая позволяла бы с ее помощью осуществлять дополнительное легирование любых сплавов независимо от их композиций.

В тоже время углерод, как легирующий элемент имеет ряд преимуществ. При достаточно высоком упрочняющем воздействии он, в пределах рассматриваемого интервала концентраций, значительно меньше снижает пластические характеристики и, что особенно важно не снижает коррозионно-механическую прочность металла. При этом углерод образует, химические соединения с титановыми сплавами и повышает их жаропрочность.

Для легирования предлагается использовать углеродные нанотрубки. При этом введение наночастиц углерода в титан позволяет получать более дисперсную первичную структуру за счет снятия тепла перегрева, создания большого числа центров кристаллизации. Дополнительно возможно повышение прочностных свойств за счет блокировки подвижных дислокаций.

Таким образом, изменяя содержание углерода в титане в пределах от 0 до 0,35%вес. можно достигать желаемых соотношений прочностных и пластических характеристик, в том числе повысить прочность за счет резерва вязкости металла. Дальнейшее увеличение содержания углерода нецелесообразно, так как с повышением прочности резко падает пластичность.

Проведенные эксперименты показали возможность реализации данного способа на практике. Была выполнена плавка, где в качестве легирующего материала использовался порошок углерода (примерно 15 мкм), а также две плавки, где в качестве легирующего материала использовались наноуглеродные трубки (~15 нм). В обоих случаях легирующий материал смешивался с титановой губкой во время прессования.

Химический состав трех плавок приведен в таблице 1

После переплава провели микроструктурный анализ огарков электродов каждой плавки. На всех трех расходуемых электродах наблюдали равномерное распределение частиц углерода, но на огарке электрода плавки №3 (с применением углеродного порошка) наблюдали более крупные частицы углерода. Такое поведение частиц углерода подтверждает предположение о том, что наноуглеродные трубки создают большее количество центров кристаллизации, в сравнении с углеродным порошком.

Анализ микроструктур полученных слитков показал, что введение углерода в форме наночастиц приводит к формированию более измельченных равноосных кристаллитов. Следует отметить, что металл слитков однороден и усадочные дефекты наблюдаются лишь на расстоянии 10-15 мм от верхней границы слитка на плавке с использованием углеродного порошка. Микроструктура слитков показана на фиг. 3.

Наиболее мелкозернистую структуру наблюдали на плавке №1, более крупнозернистую на плавке №2, и самую крупную на плавке №3 (с применением углеродного порошка), что связано с наличием меньшего числа центров кристаллизации.

Косвенным показателем эффективности распределения примесей в титане является твердость металла. Для определения твердости из средней части каждого слитка были вырезаны образцы для проведения механических исследований. Результаты определения твердости на трех слитках показаны в таблице 2:

Как видно из данных таблицы, с ростом содержания углерода твердость слитка увеличивается. Однако, при одинаковом содержании углерода твердость у слитка выше в случае использования наноуглеродных трубок.

Приведенные данные подтверждают преимущество предлагаемого способа легирования титана наноуглеродными трубками, в сравнении с углеродным порошком:

1. Получена более высокая усвояемость углерода.

2. Получена более мелкозернистая структура.

3. При одинаковом содержании углерода (плавки №2 и №3) в металле получены более высокие значения твердости слитка.

Способ производства титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода, отличающийся тем, что углеродсодержащий материал в виде углеродных нанотрубок размером 15 нм смешивают с титановой губкой, прессуют в блоки, которые затем сваривают в расходуемый электрод, используемый при КЭШП.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, а именно к области ультразвуковых технологических систем различного назначения, и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Изобретение относится к металлургии, а именно Сплав на основе титана для изготовления волноводов высокоамплитудных акустических систем. Сплав на основе титана для изготовления волноводов высокоамплитудных акустических систем, содержит, мас.%: алюминий 5,8-8,0, молибден 2,8-3,8, цирконий 2,1-3,0, кремний 0,20-0,40, железо ≤0,3, кислород ≤0,15, углерод ≤0,1, водород ≤0,015, азот ≤0,05, титан - остальное, при этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80)% в трансформированной β-матрице без непрерывной сетки α-фазы на границах β зерен.

Изобретение относится к металлургии, а именно к ультразвуковым технологическим системам, и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к шихте для получения износостойкого материала методом СВС, включающей порошок титана, углеродсодержащий компонент - сажу, порошок меди, причем компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: 54-67 порошок титана, 9-13 сажа, 20-37 порошок меди.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листовым материалам на основе титановых сплавов, которые пригодны для изготовления изделий методом низкотемпературной сверхпластической деформации (СПД) при температуре 775°С, и могут быть использованы как более дешевая альтернатива листовым полуфабрикатам, изготовленным из сплава Ti-6Al-4V.

Группа изобретений относится к металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемым в качестве высокопрочного термически упрочняемого конструкционного материала, промежуточным заготовкам из титановых сплавов для изготовления изделий методом холодной пластической деформации при комнатной температуре, например, деталей крепления, а также способам изготовления таких заготовок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, предназначенным для использования в качестве конструкционного высокопрочного высокотехнологичного материала для изготовления силовых конструкций судостроительной, авиационной и космической техники, энергетических установок, длительно работающих при температурах до 350°С.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным свариваемым сплавам на основе титана, обладающим высокой коррозионной стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах, и может быть использован для изготовления фасонных отливок типа корпусов насосов и арматуры, эксплуатируемых в элементах оборудования офшорной техники, ответственных сварно-литых конструкциях судостроения, химической промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, которые могут быть использованы для изготовления деталей авиационных двигателей. Титановый сплав, состоящий из, в вес.%: от 6,0 до 6,7 алюминия, от 1,4 до 2,0 ванадия, от 1,4 до 2,0 молибдена, от 0,20 до 0,35 кремния, от 0,18 до 0,23 кислорода, от 0,16 до 0,24 железа, от 0,02 до 0,06 углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки титановых сплавов. Способ обработки заготовки из титанового сплава включает этапы бета-отжига заготовки, охлаждения заготовки до температуры ниже температуры бета-перехода титанового сплава и всестороннюю ковку заготовки.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для установок электрошлакового переплава. Установка содержит литейную форму, открытую кверху, и по меньшей мере один расходуемый электрод, простирающийся внутрь литейной формы, при этом ось расходуемого электрода ориентирована наклонно к вертикальной оси и угол между осью расходуемого электрода и вертикальной осью составляет от 20° до 60°.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению расходуемого электрода для электрошлакового переплава с формированием многослойной отливки.

Изобретение может быть использовано для получения образцов для исследований свойств сталей, подвергаемых нейтронному облучению, в частности корпуса атомного реактора.

Изобретение относится к области металлургии, а конкретно к получению длинномерных высококачественных слитков, например заготовок прокатных валков. Способ включает расплавление основного расходуемого электрода и дополнительных расходуемых электродов в слое электропроводного шлака, находящегося в приемной расширенной части подвижного охлаждаемого кристаллизатора, замену основного расходуемого электрода по мере его расплавления и вытягивание слитка в вертикальном направлении.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в литейном производстве при изготовлении биметаллических деталей. В способе используют стальную трубу, которую жестко закрепляют на стальной пластине - нижнем электроде, образующем донную часть отрезка стальной трубы, вводят в нее графитовый электрод до соприкосновения с нижним электродом и засыпают шлак, содержащий 60% CaF2, 30% Al2O3, 10% CaO, пропускают ток для расплавления шлака и одновременного прогрева стальной трубы до температуры 950-1000°С, удаляют графитовый электрод и вводят наплавляемый медный электрод до касания его со шлаком и замыкания электрической цепи, после полного сплавления медного электрода процесс прекращают, полученную заготовку охлаждают, удаляют нижний электрод и шлак с поверхности меди, закрывают пространство трубы над медью фланцем с трубками для подачи и удаления охлаждающей жидкости и приваривают стальной стержень, который является держателем электрода и проводником тока.

Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к получению полой заготовки методом электрошлакового переплава с применением старта на твердом флюсе.

Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к получению полой заготовки методом электрошлакового переплава с применением старта на твердом флюсе.

Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к специальным процессам электроплавки с использованием электрошлакового переплава (ЭШП) и получением полой заготовки с использованием порошка висмута.

Изобретение относится к электрошлаковому переплаву и может найти применение при выплавке сплошных и полых слитков из конструкционных борсодержащих сталей для изготовления шестигранных труб устройств хранения отработанного ядерного топлива.

Изобретение относится к электрометаллургии, а именно к электрошлаковым печам (ЭШП) для плавки металла. Установка ЭШП содержит колонну, каретку электрододержателя с кронштейном, соединенные тросом через систему блоков и систему натяжения с контргрузом и барабаном привода перемещения каретки, отличается тем, что она снабжена зажимами и тензодатчиком, выполненным с возможностью контроля усилий, воспринимаемых тросом, при этом барабан привода перемещения каретки расположен у основания колонны, имеет двухстороннюю намотку и соединен с кареткой посредством замкнутого троса, один конец которого проходит через систему блоков, расположенную в верхней части колонны, и соединен с зажимом, расположенным с передней стороны каретки электрододержателя, а второй конец троса соединен с зажимом, расположенным на каретке с противоположной стороны колонны, при этом тензодатчик установлен на зажиме с передней стороны каретки.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, определяющих молекулярный состав вещества методом гигантского комбинационного рассеяния света. Сенсорный элемент для селективного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света от анализируемых веществ состоит из зеркальной металлической пленки, наноструктурированного диэлектрического слоя, металлических наночастиц, расположенных на поверхности диэлектрического слоя.
Наверх