Метод атомизации титанового порошка: глубокий анализ технологий, конструктивных особенностей и влияния параметров на свойства для аддитивных технологий

В мире, где границы возможного постоянно расширяются благодаря инновационным технологиям, металлы играют ключевую роль. Среди них особое место занимает титан — материал, ставший символом прогресса в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях. Обладая уникальным сочетанием высокой прочности, низкой плотности, исключительной коррозионной стойкости и непревзойденной биосовместимости, титан и его сплавы открывают двери для создания компонентов, ранее считавшихся невозможными. И если еще десять лет назад титановые изделия ассоциировались преимущественно с традиционными методами обработки, то сегодня, с рассветом аддитивных технологий, порошковый титан стал подлинным «золотым стандартом» в производстве высокотехнологичных деталей.

В этом контексте метод атомизации выходит на передний план как ключевая технология, способная обеспечить производство титановых порошков с требуемым уровнем качества и характеристик. Он позволяет формировать сферические частицы, обладающие идеальной текучестью и высокой химической чистотой, что делает их незаменимым сырьем для 3D-печати и других передовых методов порошковой металлургии.

Данный реферат призван всесторонне рассмотреть метод атомизации титанового порошка. Мы углубимся в принципы и физико-химические основы этого процесса, детально изучим конструктивные особенности различных типов атомайзеров — газовых, центробежных и плазменных, — а также проанализируем влияние технологических параметров на морфологию, размер, чистоту и другие критически важные свойства получаемых порошков. Особое внимание будет уделено сравнению атомизации с альтернативными методами получения титана и рассмотрению требований, предъявляемых к этим порошкам в ключевых областях применения, таких как аддитивное производство и медицинское имплантирование. Завершит работу обзор современных тенденций и перспективных направлений развития, указывая путь к будущим инновациям в этой динамично развивающейся сфере.

Общие сведения о титановом порошке и методах его получения

Титановый порошок — это не просто металлический материал, а скорее воплощение универсальности, чьи выдающиеся характеристики определяют качество и долговечность конечных изделий. Его ценность обусловлена уникальным сочетанием свойств: высокой удельной прочности (плотность титановых сплавов составляет 4,40-4,50 г/см³, при пределе текучести 380-1100 МПа и пределе прочности на растяжение 900-1400 МПа), исключительной коррозионной стойкости и, что особенно важно, биосовместимости. Порошки титана, имея кажущуюся плотность в диапазоне 1,5–2,7 г/см³, что значительно ниже плотности компактного титана (4,5 г/см³), становятся основой для создания сложных геометрических форм и функциональных изделий. От качества исходного порошка — его химической чистоты, формы и размера частиц, а также насыпной плотности — напрямую зависит успех порошковой металлургии и, в частности, аддитивных технологий, поскольку любые отклонения неизбежно скажутся на эксплуатационных характеристиках готового продукта.

Классификация методов получения титановых порошков

Все многообразие методов получения титановых порошков можно условно разделить на две большие, концептуально различные группы: металлургические и физико-механические. Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и ограничения, предопределяя спектр применения получаемого порошка.

• Металлургические способы
  Эта группа методов сосредоточена на получении порошка непосредственно из титансодержащего сырья, такого как оксиды или хлориды. Исторически сложившиеся и развивающиеся до сих пор, эти процессы включают:
  • Металлотермические методы: Классические примеры — это процессы Кролля (восстановление TiCl₄ магнием) и Хантера (восстановление TiCl₄ натрием), а также менее распространенные, но важные процессы Ван Аркеля – де Бура (йодидный метод получения высокочистого титана) и восстановление TiO₂ кальцием или гидридом кальция. Эти методы часто требуют сложных условий и многоступенчатой очистки, но могут давать порошки с высокой чистотой.
  • Электролитические методы: Предполагают электролиз расплавленных солей, содержащих титан, что позволяет получать металлический порошок на катоде.
• Физико-механические способы
  В отличие от металлургических, эти методы основаны на переработке уже существующего компактного титана (слитков, губки, отходов) в порошок. Здесь выделяют:
  • Механическое измельчение: Фактически, это различные виды дробления и помола титанового лома или губки. Однако для получения мелких частиц требуется значительная энергия, и такие порошки обычно имеют неправильную, угловатую форму.
  • Измельчение предварительно охрупченного титана (метод гидрирования-дегидрирования, HDH): Один из наиболее распространенных методов, при котором титан сначала насыщают водородом (гидрируют), делая его хрупким. Полученный гидрид титана легко измельчается, а затем дегидрируется (водород удаляется), оставляя порошок титана. Порошки HDH, как правило, имеют неправильную, осколочную форму.
  • Распыление расплавленного металла (атомизация): Это ключевой метод для получения высококачественных сферических порошков. Расплавленный титан диспергируется потоком газа или центробежной силой на мелкие капли, которые затем затвердевают в полете, образуя частицы сферической формы. Именно атомизация является предпочтительным способом для производства порошков, предназначенных для аддитивных технологий и наиболее ответственных применений.

Требования к порошкам для аддитивных технологий

Для современных аддитивных технологий, таких как селективное лазерное плавление (SLM) или электронно-лучевое плавление (EBM), требования к титановым порошкам особенно строги. Здесь необходимы сферические порошки, обладающие высокой текучестью, узким гранулометрическим составом и минимальным содержанием примесей. Сферичность порошка для 3D-печати титаном должна быть ≥0,90, а текучесть — ≤25 секунд на 50 грамм порошка. Эти характеристики напрямую влияют на равномерность распределения порошка по рабочей платформе, плотность спекания и, в конечном итоге, на качество и механические свойства конечной детали. Методы атомизации, в частности газовая и центробежная, являются ключевыми в удовлетворении этих высоких требований, позволяя получать порошки с идеальной морфологией и контролируемым химическим составом.

Принципы и физико-химические процессы атомизации титана

Атомизация — это высокотехнологичный процесс, который превращает расплавленный металл в мелкодисперсный порошок сферической формы. В своей основе он представляет собой контролируемое диспергирование жидкого металла на мельчайшие капли, которые затем быстро охлаждаются и затвердевают в полете, сохраняя свою сферическую форму. Этот метод является краеугольным камнем в производстве высококачественных металлических порошков для целого ряда передовых применений, особенно в аддитивных технологиях.

Суть процесса атомизации

Процесс атомизации титана, как и других металлов, начинается с получения расплава. Затем этот расплав подвергается воздействию внешних сил, которые разбивают его на микроскопические капли. Наиболее распространенными способами диспергирования являются струя инертного газа или центробежная сила. После диспергирования капли быстро охлаждаются, обычно в инертной атмосфере, чтобы предотвратить окисление и обеспечить формирование сферических частиц.

• Этапы газовой атомизации:
  1. Плавление: Металл (в нашем случае титан или его сплав) плавится в специальной плавильной камере, которая обычно заполнена инертным газом, таким как аргон, для минимизации реакций с окружающей средой. Для реактивных металлов, таких как титан, часто используются индукционные или электронно-лучевые печи, а также бестигельные методы, чтобы избежать загрязнения расплава материалом тигля.
  2. Слив и распыление: Расплавленный металл сливается в управляемом режиме через специальный распылитель. Здесь поток жидкого металла встречается с мощными струями инертного газа, подаваемого под высоким давлением. Энергия газового потока разбивает струю металла на мельчайшие капли.
  3. Затвердевание: Образовавшиеся капли металла быстро затвердевают в полете, сохраняя сферическую форму благодаря поверхностному натяжению. Порошок собирается в специальной камере после охлаждения.

Ключевым преимуществом этого метода является то, что частицы, полученные методом атомизации, имеют тот же химический состав, что и исходный расплавленный поток, обеспечивая высокую однородность материала. Более того, атомизация позволяет получать порошки с высокой сферичностью (для 3D-печати титаном она должна быть ≥0,90) и превосходной текучестью (варьируется от 25 до 35 секунд на 50 грамм, а для 3D-печати может быть ≤25 секунд), что делает их идеальным сырьем для аддитивных технологий. Размеры атомизированных частиц титана варьируются в широком диапазоне — от 15 до 500 мкм. При этом мелкие порошки имеют размер менее 45 мкм, средние — от 45 до 150 мкм, а грубые — более 150 мкм, что позволяет выбирать фракции под конкретные технологические задачи.

• Процесс плазменной атомизации:
  Плазменная атомизация — это особая разновидность процесса, которая использует высокотемпературную плазму для испарения твердых частиц металла, которые затем быстро охлаждаются газовой закалкой, образуя сверхтонкий порошок. В этом процессе расплавление сплава происходит в форме прутка под воздействием плазматрона в специальной емкости атомайзера. Металл застывает в форме сферических частиц по мере падения.

Одним из наиболее значимых преимуществ плазменной атомизации является возможность получения особо чистого металлического порошка, поскольку высокая температура плазмы способствует удалению примесей, а бесконтактный нагрев исключает загрязнение. Например, для порошков, применяемых в 3D-печати, возможно достижение низкого содержания кислорода, в диапазоне 0,07-0,11% по массе. Этот метод особенно эффективен для получения ультратонких и нанопорошковых материалов с исключительной химической чистотой, открывая новые горизонты для материаловедения.

Таким образом, атомизация, будь то газовая или плазменная, представляет собой сложный, но высокоэффективный процесс, обеспечивающий производство титановых порошков с уникальными свойствами, необходимыми для самых требовательных современных технологий.

Типы атомайзеров: конструкция и принцип действия

В современном производстве более 90% всех металлических порошков для аддитивных технологий получают методами диспергирования расплава, что наглядно демонстрирует центральную роль атомизации в индустрии. Глубокое понимание конструктивных особенностей различных типов атомайзеров — газовых, центробежных и плазменных — критически важно для контроля над свойствами получаемых порошков и оптимизации производственных процессов.

Газовая атомизация (Gas Atomization, GA)

Газовая атомизация является одним из наиболее распространенных и гибких методов получения сферических металлических порошков. В основе процесса лежит разбиение струи расплавленного металла мощными потоками инертного газа.

• Описание процесса: Расплавленный титан, полученный в индукционной или электронно-лучевой печи, подается в зону распыления, где он встречается с высокоскоростными струями инертного газа, чаще всего аргона, подаваемого под высоким давлением. Эти газовые потоки разбивают жидкий металл на мельчайшие капли. Образующиеся капли быстро охлаждаются в инертной атмосфере, застывая в полете и формируя сферические частицы порошка. Процесс атомизации осуществляется в специальных атомайзерах, оснащенных индукционной или вакуумно-индукционной плавильной камерой.
• Установка EIGA (Electro-Induction Gas Atomization):
  Для реактивных металлов, таких как титан, цирконий, гафний, ванадий, платина, иридий, ниобий, молибден, плавка в традиционных керамических тиглях сопряжена с риском загрязнения расплава материалом тигля. Именно поэтому был разработан метод EIGA (бестигельная индукционная газовая атомизация), который является одной из наиболее передовых реализаций газовой атомизации для этих металлов.
  • Принцип работы: В установке EIGA, например, ВИПиГР 50/500 (разработанной ФГУП «ВИАМ»), используется бестигельная плавка. Заготовка для распыления (металлический электрод) устанавливается в загрузочной камере. Камеры предварительно вакуумируются, а затем заполняются аргоном высокой чистоты (99,999%) для создания инертной атмосферы. Плавление осуществляется путем медленного опускания вращающегося электрода в конический индуктор. Электромагнитное поле индуктора бесконтактно нагревает и плавит торец электрода. Капли расплавленного металла стекают с торца электрода непосредственно в полость форсунки, где они распыляются высокоскоростным потоком инертного газа.
  • Преимущества бестигельной плавки: Отсутствие контакта расплава с керамическим тиглем полностью исключает возможность загрязнения порошка компонентами тигля, обеспечивая высочайшую чистоту конечного продукта. Это особенно важно для таких реактивных металлов, как титан.
  • Достижимые показатели чистоты: Установка ВИПиГР 50/500 позволяет получать порошки титана с очень низким содержанием газовых примесей: кислорода не более 0,15% (по массе) и водорода не более 0,01% (по массе), что является критически важным для высокоответственных применений, включая аддитивные технологии.

Центробежная атомизация (Centrifugal Atomization)

Центробежная атомизация — это еще один эффективный метод получения сферических порошков, особенно подходящий для активных металлов, таких как титан. Наиболее известная и широко применяемая реализация этого метода — Процесс Вращающегося Электрода (PREP).

• Процесс Вращающегося Электрода (PREP — Plasma Rotating Electrode Process):
  • Принцип действия: В установке PREP используется вертикально расположенный стержень из титанового сплава, который вращается с очень высокой скоростью, достигающей 15 000 оборотов в минуту. Торец этого стержня оплавляется с помощью плазменной дуги. Под действием мощной центробежной силы, создаваемой вращением, капли расплавленного металла срываются с торца электрода и разлетаются в стороны. Эти капли быстро охлаждаются в контролируемой инертной атмосфере, формируя сферические гранулы.
  • Характеристики гранул: Метод PREP известен тем, что обеспечивает максимальную сферичность получаемых гранул. Однако, как правило, порошки, полученные этим методом, имеют более крупный размер частиц по сравнению с газовой атомизацией.
  • Области применения: Оборудование PREP в основном используется для производства высококачественных порошков суперсплавов на основе никеля, порошков титанового сплава, порошков нержавеющей стали и порошков тугоплавких металлов, где требуется исключительная сферичность и чистота.

Плазменная атомизация (Plasma Atomization, PA)

Плазменная атомизация представляет собой передовую технологию, использующую высокотемпературную плазму для получения металлических порошков, часто сверхтонких или наноразмерных, с очень высокой степенью чистоты.

• Принцип действия: В этом процессе высокотемпературная плазма применяется для испарения твердых частиц металла или прутка. В отличие от газовой атомизации, где газ разбивает расплав, здесь плазма непосредственно переводит металл в парообразное состояние. Насыщенный металлический пар затем очень быстро охлаждается (закаляется) в потоке инертного газа, что приводит к его конденсации и образованию сверхтонкого порошка. При этом расплавленный металл застывает в виде сферических частиц по мере падения.
• Особенности и преимущества:
  • Высокая чистота: Плазменная атомизация позволяет производить особо чистый металлический порошок, например, Ti6Al4V, с низким содержанием кислорода (0,07-0,11% по массе для порошков, применяемых в 3D-печати). Высокая температура плазмы способствует удалению летучих примесей, а отсутствие контакта с тиглем предотвращает вторичное загрязнение.
  • Получение сверхтонких/нанопорошковых материалов: Быстрое охлаждение и конденсация пара позволяют получать порошки с крайне малым размером частиц, вплоть до нанодиапазона, что открывает новые возможности для создания материалов с уникальными свойствами.
  • Плавление прутка: Сплав в форме прутка подается в емкость атомайзера и плавится под воздействием плазматрона, что обеспечивает контролируемый и непрерывный процесс.

Тип атомайзера	Принцип действия	Особенности для титана	Преимущества	Недостатки/Характеристики
Газовая (GA)	Расплавленный металл разбивается высокоскоростными струями инертного газа (аргона). Капли затвердевают в полете.	Применяется EIGA (Electro-Induction Gas Atomization) для реактивных металлов (Ti, Zr, Hf, V, Pt, Ir, Nb, Mo). Бестигельная плавка вращающегося электрода индуктором. Пример: ВИПиГР 50/500.	Высокая чистота порошка (O ≤ 0,15%, H ≤ 0,01% для ВИПиГР 50/500). Хороший контроль размера частиц.	Высокие энергозатраты.
Центробежная (CA)	Расплавленный металл срывается с высокоскоростно вращающегося электрода под действием центробежной силы.	PREP (Plasma Rotating Electrode Process): торец вращающегося (до 15 000 об/мин) титанового стержня оплавляется плазменной дугой.	Максимальная сферичность гранул. Отсутствие контакта расплава с тиглем.	Более крупный размер частиц.
Плазменная (PA)	Высокотемпературная плазма испаряет твердые частицы металла (пруток), затем пар быстро конденсируется в сверхтонкий порошок.	Применяется для производства особо чистого металлического порошка (например, Ti6Al4V). Плавление сплава в форме прутка под воздействием плазматрона.	Получение сверхтонких/нанопорошковых материалов. Высокая химическая чистота (O 0,07-0,11%). Отсутствие контакта с тиглем.	Сложность оборудования.

Таким образом, каждый тип атомайзера обладает уникальными конструктивными особенностями и принципами действия, которые определяют его применимость для конкретных металлов и требований к конечному порошку. В случае титана, как реактивного металла, бестигельные методы атомизации, такие как EIGA и PREP, а также плазменная атомизация, играют решающую роль в обеспечении высокой чистоты и контролируемой морфологии порошков, необходимых для передовых технологий.

Ключевые преимущества и недостатки атомизации по сравнению с другими методами получения титановых порошков

Выбор метода получения титанового порошка — это всегда компромисс между качеством, стоимостью и технологическими возможностями. Атомизация, безусловно, находится в авангарде высококачественного производства, но и у нее есть свои особенности, которые становятся яснее при сравнении с другими, порой более традиционными, методами.

Преимущества атомизации

Атомизация предлагает ряд неоспоримых преимуществ, которые делают ее предпочтительным выбором для производства высокотехнологичных титановых порошков:

• Идеальная морфология частиц: Порошки, полученные атомизацией, имеют форму частиц, близкую к сферической (сферичность ≥0,90). Эта характеристика обеспечивает превосходную текучесть порошка (≤25 секунд на 50 грамм), что критически важно для равномерного распределения материала в аддитивных технологиях, таких как SLM и EBM.
• Высокая чистота порошка: Особенно при использовании бестигельных методов плавления, таких как EIGA, атомизация позволяет получать порошки с минимальным содержанием примесей. Отсутствие контакта расплава с керамическим тиглем исключает загрязнение, а контролируемая инертная атмосфера минимизирует насыщение газовыми примесями. В результате, содержание кислорода может быть снижено до 0,07-0,11% по массе.
• Низкое содержание газовых примесей: Методы атомизации позволяют строго контролировать содержание таких нежелательных газов, как кислород и водород, что предотвращает образование дефектов и улучшает механические свойства конечных изделий.
• Пригодность для реактивных металлов: Атомизация, особенно в бестигельных вариантах, идеально подходит для производства порошков из высокореактивных металлов и сплавов (Ti, Zr, Hf), которые трудно плавить в обычных тиглях без риска загрязнения или взаимодействия.
• Высокая воспроизводимость химического состава: Химический состав порошка полностью соответствует составу исходного расплава, что обеспечивает стабильность свойств от партии к партии.
• Ключевое сырье для аддитивных технологий: Атомизированные порошки являются основным и, зачастую, единственным подходящим сырьем для наиболее ответственных применений в аддитивных технологиях, где требуются высокая плотность, однородность и механические свойства.

Недостатки атомизации

Несмотря на все преимущества, атомизация не лишена своих недостатков:

• Высокая стоимость: Оборудование для атомизации является дорогостоящим, а сам процесс требует значительных энергозатрат. Это приводит к высокой стоимости конечного продукта. Например, стоимость порошка Ti6Al4V, полученного атомизацией, составляет 100-150 долларов США за кг при оптовых заказах свыше 500 кг, что значительно выше, чем у порошков из стали и никелевых сплавов.
• Возможные дефекты: При атомизации могут возникать недостатки, такие как неправильная форма частиц (из-за неоптимальных параметров распыления), наличие так называемых «сателлитов» (мелких частиц, прилипших к более крупным), а также внутригранульная пористость, вызванная столкновением твердых, полутвердых и жидких частиц в процессе затвердевания. Эти дефекты могут ухудшать текучесть порошка и механические свойства конечных изделий.

Сравнение с методом гидрирования-дегидрирования (HDH)

Метод HDH является одним из самых распространенных и относительно недорогих способов получения титанового порошка, основанным на обратимом взаимодействии титана с водородом.

• Принцип HDH: Процесс включает гидрирование (насыщение титана водородом при 400–500 °C), в результате чего титан становится хрупким гидридом. Затем гидрид механически измельчается до порошка. На заключительном этапе происходит дегидрирование (удаление водорода при 650–800 °C в вакууме или инертной атмосфере), восстанавливая чистый титановый порошок.
• Характеристики HDH-порошков: Порошки, полученные методом HDH, имеют неправильную, осколочную морфологию и развитую поверхность, что делает их идеальными для процессов прессования. Их стоимость значительно ниже, поскольку затраты на гидрирование и дегидрирование лишь незначительно увеличивают стоимость исходного материала. При условии использования высокочистого исходного сырья, содержание примесей в HDH-порошках может быть очень низким.
• Недостатки HDH: Основной недостаток — необходимость контроля остаточного содержания водорода, который может вызывать водородную хрупкость изделий. Кроме того, неправильная форма частиц порошков HDH не подходит для аддитивных технологий, требующих высокой текучести. Для придания сферической формы таким порошкам может потребоваться дополнительная обработка, например, методом плазменной сферонизации, что увеличивает затраты.

Сравнение с кальциегидридотермией

Кальциегидридотермия — это метод, позволяющий использовать в качестве сырья более дешевый диоксид титана (TiO₂), что является значительным экономическим преимуществом.

• Принцип и характеристики: Этот метод позволяет получать высокодисперсный порошок. Титановый порошок, полученный кальциегидридотермией диоксида титана, может иметь сферическую форму частиц и средний размер частиц в диапазоне от 110 до 450 мкм, в зависимости от параметров процесса, что позволяет варьировать свойства конечного продукта.

Сравнение с порошками из отсевов губчатого титана (ТПП)

Порошки, получаемые из отсевов губчатого титана (ТПП), представляют собой наименее качественный, но самый дешевый вариант.

• Характеристики ТПП: Эти порошки отличаются высоким содержанием примесей, таких как железо и хлор. Например, для марки ТПП-1 содержание железа может достигать 1,8% по массе, азота — 0,30%, хлора — 0,30%, а для марки ТПП-8 — железа 2,1%, азота 1,10%, хлора 0,50%. Такое высокое содержание примесей существенно ограничивает их применение в наукоемких и ответственных сферах, где требуется высокая чистота и предсказуемые свойства.

Метод получения	Форма частиц	Чистота	Стоимость	Основные преимущества	Основные недостатки
Атомизация	Сферическая	Высокая (O до 0,07-0,11%)	Высокая ($100-150 за кг Ti6Al4V)	Идеально для аддитивных технологий, высокая текучесть, воспроизводимость состава.	Дорогая технология, возможны дефекты (сателлиты, пористость).
HDH	Неправильная, осколочная	Низкая, зависит от сырья, есть остаточный H2	Относительно низкая	Хорошо подходит для прессования, гибкость в сырье.	Требует контроля H2, угловатая форма (не для 3D-печати без доп. обработки).
Кальциегидридотермия	Может быть сферической	Зависит от процесса	Потенциально низкая (из TiO2)	Использование дешевого сырья (TiO2), получение высокодисперсного порошка.	Требует дальнейших исследований для контроля свойств.
ТПП	Неправильная, пористая	Низкая (высокое содержание Fe, Cl)	Очень низкая	Доступность, утилизация отходов губчатого титана.	Ограниченное применение из-за высокого содержания примесей.

В итоге, хотя атомизация является наиболее дорогим методом, она обеспечивает непревзойденное качество титановых порошков, критически важное для передовых технологий. Выбор других методов оправдан лишь в случаях, когда требования к морфологии и чистоте порошка менее строги или бюджетные ограничения являются определяющими.

Влияние параметров процесса атомизации на свойства титановых порошков

Контроль над параметрами процесса атомизации является краеугольным камнем в производстве титановых порошков с заданными свойствами. От таких факторов, как температура расплава, давление и тип распыляющего газа, а также скорость подачи расплава, напрямую зависят критически важные характеристики порошка: его морфология, размер, распределение частиц и, безусловно, химическая чистота. Оптимизация этих параметров позволяет «настраивать» порошок под конкретные требования аддитивных технологий и других высокотехнологичных применений.

Ключевые параметры и их влияние

1. Температура расплава:
   • Влияние: Более высокая температура расплава приводит к снижению его вязкости и поверхностного натяжения. Это облегчает диспергирование расплава на более мелкие капли, что, в свою очередь, способствует получению более мелкого порошка. Однако излишнее повышение температуры может увеличить реакционную способность расплава с окружающей атмосферой (даже инертной), потенциально увеличивая содержание газовых примесей.
   • Оптимизация: Поддержание оптимальной температуры расплава критически важно для баланса между размером частиц и химической чистотой.
2. Давление и тип распыляющего газа:
   • Влияние: Увеличение давления распыляющего газа (например, аргона) приводит к более интенсивному разбиению струи расплава и, как следствие, к уменьшению среднего размера частиц порошка и сужению гранулометрического состава. Использование различных газов (например, азота вместо аргона) может влиять на теплообмен с каплями и, соответственно, на скорость их затвердевания, а также на химическое взаимодействие с титаном (азот может образовывать нитриды).
   • Качественные показатели: При индукционной газовой атомизации достигается улучшение технологических свойств и гранулометрического состава порошков титана, что соответствует требованиям аддитивных технологий. Установка ВИПиГР 50/500, благодаря строгому контролю этих параметров, обеспечивает получение порошков титана с низким содержанием газовых примесей: кислорода не более 0,15% по массе, водорода не более 0,01% по массе.
3. Скорость подачи расплава:
   • Влияние: Скорость, с которой расплавленный металл поступает в зону распыления, напрямую коррелирует с объемом металла, подвергающегося диспергированию. Более высокая скорость подачи при фиксированном давлении газа может привести к образованию более крупных частиц, так как газу сложнее эффективно разбить больший объем расплава. Оптимальная скорость подачи обеспечивает стабильный процесс и требуемый гранулометрический состав.

Количественные данные и микроструктура порошков

Тщательный контроль над параметрами процесса атомизации позволяет достигать впечатляющих результатов:

• Гранулометрический состав: Выход годной фракции 10-80 мкм для сплава ВТ6 составляет 80,7%, а для ВТ20 — 80,3%. При этом фракции размером 10-63 мкм представляют особый интерес для аддитивных технологий, так как они обеспечивают оптимальное разрешение и плотность спекания.
• Морфология и сферичность: Для титановых порошков, используемых в 3D-печати, требуемая сферичность составляет ≥0,90. Достигаются высокие показатели качества по текучести, которая может быть ≤25 секунд для 50 г порошка, для целевой фракции 40–100 мкм.
• Чистота: Чистота является критическим фактором, поскольку даже микроэлементы, такие как Fe, C, N и O, находятся под строгим контролем для соответствия химическим требованиям аддитивного производства. Низкое содержание этих примесей обеспечивает высокие механические свойства и долговечность конечных изделий.
• Микроструктура: Частицы порошков, полученных бестигельной индукционной плавкой и газовой атомизацией, представляют собой быстрозакристаллизованные in-situ гранулы. Они характеризуются дендритной структурой, что является результатом высокой скорости охлаждения, и могут иметь метастабильный фазовый состав, например (γ+α(α₂)+β) или (β+α₂+О). Эти особенности микроструктуры влияют на дальнейшую обработку порошка и конечные механические свойства материала.

В заключение, влияние параметров процесса атомизации на свойства титановых порошков многогранно и взаимосвязано. Глубокое понимание этих зависимостей и точный контроль каждого аспекта процесса позволяют производителям получать материалы, идеально соответствующие строгим требованиям современных высокотехнологичных отраслей.

Области применения и требования к титановым порошкам, полученным атомизацией

Титановые порошки, полученные методом атомизации, не просто материалы; они — строительные блоки для будущего, открывающие новые возможности в самых требовательных отраслях промышленности. Их уникальные свойства делают их незаменимыми в аддитивном производстве (3D-печати), литье металлов под давлением (MIM) и горячем изостатическом прессовании (HIP) для создания сложных, высокофункциональных титановых компонентов.

Основные области применения

Спектр применения титановых порошков широк и постоянно расширяется:

• Аэрокосмическая промышленность: Титан и его сплавы незаменимы для изготовления компонентов самолетов, космических аппаратов и двигателей. Здесь ключевыми являются высокое соотношение прочности и массы, теплостойкость, а также исключительное сопротивление коррозии. Титановые сплавы обладают плотностью около 4,5 г/см³ (примерно 60% от плотности стали), при этом предел прочности на разрыв может превышать 1000 МПа.
• Медицинские имплантаты: Благодаря биосовместимости, коррозионной стойкости и отличным механическим свойствам, титановые порошки широко используются для производства ортопедических протезов (коленные и тазобедренные суставы), стоматологических имплантатов и других биомедицинских изделий.
• Автомобильная промышленность: В производстве высокопроизводительных и легких автомобильных деталей, особенно для спортивных автомобилей и гоночных болидов, титановые компоненты позволяют снизить вес и улучшить динамические характеристики.
• Спортивное оборудование: Высокотехнологичное спортивное снаряжение, где важны прочность и легкость (например, клюшки для гольфа, велосипедные рамы), также выигрывает от использования титановых порошков.
• Химическая обработка: Коррозионная стойкость титана делает его идеальным материалом для оборудования, работающего в агрессивных химических средах.
• Потребительские товары: В сегменте люксовых и высокотехнологичных потребительских товаров (часы, оправы для очков) титан ценится за эстетику и долговечность.

Требования к титановым порошкам для 3D-печати

Для 3D-печати титаном предъявляются строжайшие требования к порошкам, поскольку они напрямую влияют на качество, точность и механические свойства конечных изделий:

• Сферичность: Порошки должны иметь высокую сферичность (≥0,90), чтобы обеспечить равномерное распределение по рабочей платформе принтера и высокую насыпную плотность.
• Контролируемый гранулометрический состав: Требуется узкий диапазон размеров частиц (часто 15–45 мкм для SLM, 45–105 мкм для EBM), чтобы гарантировать оптимальную плотность слоя и разрешение печати.
• Минимальная внутренняя пористость: Отсутствие внутренних пор в частицах порошка крайне важно для получения плотных, бездефектных изделий с высокими механическими свойствами.
• Строгий уровень химической чистоты: Низкое содержание кислорода (до 0,07-0,11%), водорода, азота и других примесей критически важно для предотвращения охрупчивания и сохранения пластичности изделий.

Сплав Ti-6Al-4V (Ti64/TC4)

Наиболее распространенным и востребованным порошком титанового сплава для аддитивного производства является Ti-6Al-4V (TC4). Этот сплав состоит из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия и обеспечивает превосходное сочетание прочности, пластичности и коррозионной стойкости.

• Детальные свойства:
  • Предел прочности на разрыв: 900-1100 МПа.
  • Предел текучести: 830-1030 МПа.
  • Относительное удлинение: 10-15%.
  • После 3D-печати: Прочность на разрыв может достигать 1070±50 МПа, предел текучести — 1000±50 МПа, а относительное удлинение — 11%±3.
  • Коррозионная стойкость: Сплав известен отличной коррозионной стойкостью к морской воде, хлору и агрессивным химическим веществам.
• Применение: Широко используется в стоматологии, костной хирургии, аэрокосмической промышленности и для создания сложных форм деталей, где требуется высокая простота использования, короткий технологический цикл, высокая точность и возможность изготовления сложных деталей.

Сплав Ti-6Al-7Nb

Сплав Ti-6Al-7Nb является перспективной альтернативой Ti-6Al-4V, особенно для медицинских имплантатов, где важен нетоксичный состав. Он содержит 6% алюминия и 7% ниобия.

• Детальные свойства:
  • Предел прочности на разрыв: до 1000 МПа.
  • Предел текучести: до 900 МПа.
  • Относительное удлинение: 12%.
  • Преимущества: Обладает более высокой коррозионной стойкостью и биотолерантностью по сравнению с Ti-6Al-4V, что критически важно для длительных имплантаций.
• Применение: Используется для ортопедических протезов коленного и тазобедренного суставов.
• Особое требование: Для минимизации пустот и обеспечения максимальной плотности изделий из Ti-6Al-7Nb часто требуется дополнительная обработка методом горячего изостатического прессования (HIP).

В целом, титановые порошки, полученные атомизацией, благодаря своим исключительным свойствам и способности создавать сложные формы с высокой точностью, остаются незаменимым материалом для развития высокотехнологичных отраслей и инновационных производственных процессов. Однако, несмотря на все преимущества, стоимость порошка Ti6Al4V для 3D-печати остается высокой, что составляет 100-150 долларов США за кг при оптовых заказах, что указывает на необходимость дальнейших исследований по снижению себестоимости.

Современные тенденции и перспективные направления развития

Эволюция технологий получения титановых порошков не стоит на месте, движимая постоянно растущими требованиями высокотехнологичных отраслей, особенно в сфере аддитивного производства. Дальнейшее развитие будет сосредоточено на нескольких ключевых направлениях, призванных сделать титановые порошки еще доступнее, чище и функциональнее.

Снижение стоимости и повышение чистоты

Одной из главных задач остается снижение стоимости титановых порошков. При нынешних ценах (100-150 долларов США за кг для Ti6Al4V, полученного атомизацией) они остаются значительно дороже многих других металлических порошков. Это стимулирует исследования в области оптимизации существующих процессов атомизации, а также поиск новых, более экономически эффективных методов получения порошков, которые при этом соответствовали бы высоким требованиям к качеству.

Параллельно с этим, непрерывное повышение чистоты порошков остается приоритетом. С развитием аддитивных технологий, где каждый дефект или примесь может критически сказаться на свойствах конечной детали, потребность в порошках с еще более низким содержанием газовых примесей и включений только возрастает. Ведущие научно-исследовательские центры, такие как ФГУП «ВИАМ», активно работают в этом направлении, организуя производство высококачественных порошков и металлопорошковых композиций методом газового распыления на современных тигельных и бестигельных атомайзерах.

Оптимизация параметров процесса атомизации

Исследования активно ведутся в области тонкой настройки параметров процесса атомизации. Цель — достижение еще более точного контроля над морфологией, гранулометрическим составом и внутренней структурой порошка. Это включает:

• Усовершенствование систем распыления: Разработка новых конструкций распылителей, оптимизация геометрии газовых сопел и режимов подачи газа для получения более узких фракций и снижения образования сателлитов.
• Контроль охлаждения: Управление скоростью охлаждения расплавленных капель для формирования оптимальной микроструктуры, минимизации пористости и предотвращения образования нежелательных фаз.
• Автоматизация и цифровизация: Внедрение систем искусственного интеллекта и машинного обучения для предиктивного контроля и адаптивной оптимизации параметров процесса в режиме реального времени.

Разработка новых сплавов с улучшенными свойствами

Помимо оптимизации производства существующих порошков, значительное внимание уделяется разработке новых титановых сплавов, адаптированных под специфические требования аддитивных технологий и новых областей применения. Одним из перспективных направлений является создание сплавов на основе алюминидов титана (например, TiAl, Ti₂AlNb). Эти материалы обладают выдающимися жаропрочными свойствами и низкой плотностью, что делает их идеальными кандидатами для применения в высокотемпературных компонентах аэрокосмической промышленности и энергетике. Атомизация, особенно газовая, является ключевым методом для получения порошков этих сплавов.

Создание ультратонких и нанопорошковых материалов

Плазменная атомизация демонстрирует огромный потенциал в производстве сверхтонких и нанопорошковых материалов с высокой химической чистотой. Это открывает двери для создания материалов с принципиально новыми свойствами, включая повышенную прочность, уникальные каталитические характеристики и возможности для использования в нанотехнологиях и функциональных покрытиях. Развитие этой области позволит получать титановые порошки с размером частиц, измеряемым в нанометрах, что значительно расширит их функциональные возможности.

В целом, будущее технологий атомизации титановых порошков видится динамичным и инновационным. Активное развитие аддитивного производства и появление новых требований к материалам будут стимулировать дальнейшие исследования и разработки, направленные на создание еще более совершенных, доступных и функциональных титановых порошков для применения в самых передовых отраслях мировой промышленности.

Заключение

Исследование метода атомизации титанового порошка выявило его фундаментальную роль в ландшафте современной металлургии и материаловедения, особенно в контексте бурного развития аддитивных технологий. Мы увидели, что титан, этот уникальный материал с его выдающимся сочетанием прочности, легкости, коррозионной стойкости и биосовместимости, обретает новую жизнь благодаря способности атомизации формировать высококачественные порошки.

Атомизация, будь то газовая, центробежная или плазменная, предстает как сложный, но прецизионный процесс, способный превратить расплавленный металл в сферические частицы с контролируемым размером, высокой чистотой и идеальной текучестью. Детальный анализ конструктивных особенностей атомайзеров, таких как бестигельные установки EIGA или процесс PREP с вращающимся электродом, подчеркивает технологическую изощренность, необходимую для работы с реактивными металлами и получения порошков с минимальным уровнем примесей.

Мы убедились, что каждый параметр процесса атомизации – от температуры расплава до давления распыляющего газа – играет критическую роль в формировании конечных свойств порошка: его морфологии, гранулометрического состава, химической чистоты и даже микроструктуры. Именно этот глубокий контроль позволяет создавать порошки, удовлетворяющие строжайшим требованиям аэрокосмической, медицинской и других высокотехнологичных отраслей, где сплавы вроде Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb становятся основой для создания сложных и ответственных компонентов.

Вместе с тем, мы отметили, что, несмотря на свои неоспоримые преимущества в качестве, атомизация сталкивается с вызовами в виде высокой стоимости и возможных дефектов, что стимулирует поиск и развитие альтернативных методов, таких как HDH или кальциегидридотермия, для менее требовательных применений.

Будущее атомизации титановых порошков обещает быть динамичным. Современные тенденции указывают на непрерывную работу по снижению себестоимости, повышению чистоты и разработке новых, функционально продвинутых сплавов, в том числе алюминидов титана. Создание ультратонких и нанопорошковых материалов методом плазменной атомизации открывает горизонты для инноваций, которые могут изменить наше представление о возможностях титана.

Таким образом, глубокое понимание принципов, конструктивных особенностей атомайзеров и влияния технологических параметров на свойства титановых порошков является не просто академическим интересом, но и краеугольным камнем для дальнейшего развития и оптимизации производства, прокладывая путь к созданию следующего поколения материалов и технологий.

Список использованной литературы

1. Кипарисов, С.С. Порошковая металлургия / С.С. Кипарисов, Г.А. Либенсон. – М.: Металлургия, 1980. – 496 с.
2. Андриевский, Р.А. Порошковое материаловедение / Р.А. Андриевский. – М.: Металлургия, 1991. – 205 с.
3. Гопиенко, В.Г. Металлические порошки алюминия, магния, титана и кремния. Потребительские свойства и области применения / В.Г. Гопиенко [и др.], под ред. чл.-корр. РАН, проф. А. И. Рудского. – С-Пб.: Изд-во СПБГТУ, 2012. – 356 с.
4. Устинов, В.С. Порошковая металлургия титана / В.С. Устинов, Ю.Г. Олесов, Л.Н. Антипин, В.А. Дрозденко. – М.: Металлургия, 1973. – 248 с.
5. Анциферов, В.Н. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: учебник для ВУЗов / В.Н Анциферов [и др.], под ред. Б.С. Митина. М.: Металлургия, 1987. – 792 с.
6. Производство металлопорошковых композиций высокой чистоты титановых сплавов методом индукционной газовой атомизации для аддитивных технологий. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proizvodstvo-metalloporoshkovyh-kompozitsiy-vysokoy-chistoty-titanovyh-splavov-metodom-induktsionnoy-gazovoy-atomizatsii-dlya-additivnyh-tehnologiy (дата обращения: 01.11.2025).
7. Порошковый титан: все способы производства для промышленности и 3D-печати. URL: https://extxe.com/tehnologii/poroshkovy-titan (дата обращения: 01.11.2025).
8. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ METALLURGY AND MATERIAL SCIENCE. URL: https://mai.ru/upload/iblock/c38/metallurgiya-i-materialovedenie-metallurgy-and-material-science.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
9. Оборудование для производства сферического металлического порошка с помощью индукционной плавки и газового распыления (EIGA). URL: https://greenstone-tech.com/eiga-equipment (дата обращения: 01.11.2025).
10. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ АТОМИЗАЦИИ. URL: https://www.researchgate.net/publication/372769485_ISSLEDOVANIE_METALLOPOROSKOVYH_KOMPOZICIJ_ZAROPROCNYH_SPLAVOV_NA_OSNOVE_ALUMINIDOV_TITANA_POLUCENNYH_METODOM_GAZOVOJ_ATOMIZACII (дата обращения: 01.11.2025).
11. Титановый порошок для 3d-печати Применение. URL: https://yunchtitanium.com/ru/news/additive-manufacturing-titanium-and-titanium-alloys-36916812.html (дата обращения: 01.11.2025).
12. Исследование физических, химических и технологических свойств порошка титана, полученного термическим дегидрированием в вакууме. URL: https://pmpf.misis.ru/jour/article/view/286 (дата обращения: 01.11.2025).
13. Купить Оборудование для производства порошковых материалов методом плазменной атомизации (PA) по низкой цене. URL: https://3d-alliance.ru/oborudovanie-dlya-proizvodstva-poroshkovykh-materialov-metodom-plazmennoy-atomizatsii-pa/ (дата обращения: 01.11.2025).
14. Титан, его сплавы и 3D‑печать с помощью Ti6Al4V. URL: https://additive-tech.ru/ru/articles/titan-ego-splavy-i-3d-pechat-s-pomoshchyu-ti6al4v/ (дата обращения: 01.11.2025).
15. Порошковая металлургия титана: технологии (ХПС, ГИП, 3D-печать), свойства и области применения из титана. URL: https://extxe.com/tehnologii/poroshkovaya-metallurgiya-titana (дата обращения: 01.11.2025).
16. Газовая атомизация металла | Распыление порошков. URL: https://nissa-digispace.com/articles/technologies/gazovaya-atomizatsiya-metalla/ (дата обращения: 01.11.2025).
17. Оборудование PREP (плазменный процесс с вращающимися электродами). URL: https://met3dp.com/ru/prep-equipment (дата обращения: 01.11.2025).
18. Структура и свойства порошка гидрида титана, полученного из титановой губки методом СВС-гидрирования. URL: https://pmpf.misis.ru/jour/article/view/178 (дата обращения: 01.11.2025).
19. Все ли так просто? Чем отличаются дешевые титановые порошки от дорогих. URL: https://ru-powder.ru/articles/vse-li-tak-prosto-chem-otlichayutsya-deshevye-titanovye-poroshki-ot-dorogih/ (дата обращения: 01.11.2025).
20. Аддитивные технологии и порошковая металлургия. URL: https://extxe.com/tehnologii/additivnye-tehnologii-i-poroshkovaya-metallurgiya (дата обращения: 01.11.2025).
21. Порошки, полученные методом PREP, для аддитивных технологий и ГИП. URL: https://viam.ru/upload/iblock/88b/88b2eb5957d19a41b2c45ee83f516a75.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
22. Исследования технологических свойств металлопорошковых композиций титановых сплавов ВТ6 и ВТ20, полученных методом индукционной плавки и газовой атомизации. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovaniya-tehnologicheskih-svoystv-metalloporoshkovyh-kompozitsiy-titanovyh-splavov-vt6-i-vt20-poluchennyh-metodom-induktsionnoy-plavki-i-gazovoy-atomizatsii (дата обращения: 01.11.2025).
23. Производство титанового порошка методом HDH (гидрирования-дегидрирования). URL: https://labsteel.ru/stati/proizvodstvo-titanovogo-poroshka-metodom-hdh-gidrirovaniya-degidrirovaniya (дата обращения: 01.11.2025).
24. 5 методов приготовления чистого титанового порошка. URL: https://www.metal-titanium.com/info/5-methods-of-preparing-pure-titanium-powder-100207865768856012.html (дата обращения: 01.11.2025).
25. Диссертация на тему «Синтез, свойства и применение порошков на основе титана, полученных методом СВС-гидрирования и термического дегидрирования». URL: https://www.dissercat.com/content/sintez-svoistva-i-primenenie-poroshkov-na-osnove-titana-poluchennykh-metodom-svs-gidrirovani (дата обращения: 01.11.2025).
26. ФИЗИКО — ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ ОТ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ. URL: https://natural-sciences.ru/article/view?id=12735 (дата обращения: 01.11.2025).