Порошок титановый

Титановый порошок — мелкодисперсный металлический материал серебристо-серого цвета, частицы которого имеют иррегулярную (неправильную) форму и развитую поверхность. Именно развитая поверхность частиц обеспечивает порошку высокую формуемость и хорошее спекание — ключевые технологические свойства в порошковой металлургии. Основу составляет титан (97,95–99,02 %), остальное — нормируемые примеси.

Марки титанового порошка и их обозначение

Восстановленные порошки титана выпускаются по ТУ 14-22-57-92 в следующих марках: ПТК-1, ПТК-2, ПТС-1, ПТС-2, ПТМ-1, ПТМ-2, ПТМ(А)-2, ПТОМ-1, ПТОМ-2. Буквы после «ПТ» кодируют крупность фракции, цифра — уровень содержания примесей.

Буква в марке	Расшифровка	Преимущественный размер частиц
К	Крупный	до 280 мкм
С	Средний	45–200 мкм
М	Мелкий	45–100 мкм
ОМ	Очень мелкий	преим. −45 мкм

Цифровой индекс: 1 — меньшее суммарное содержание примесей, 2 — допускается более высокое содержание азота и железа+никеля.

Помимо восстановленных порошков ТУ 14-22-57-92, существуют смежные группы: электролитические порошки ПТЭ по ТУ 48-10-22-85 и пористые порошки ТПП по ТУ 1791-449-05785388-2010, получаемые размолом губчатого титана. Каждая группа ориентирована на свои технологические задачи.

Методы производства

Восстановление гидридом кальция (ТУ 14-22-57-92)

Основной метод производства марок ПТК, ПТС, ПТМ, ПТОМ — восстановление диоксида титана (TiO₂) гидридом кальция (CaH₂). Процесс проходит в вакууме при температуре 900–1100 °C и включает две стадии: сначала образуется дигидрид титана (TiH₂), затем его разлагают (дегидрирование) до металлического титана и водорода. Гидрид кальция применяется как восстановитель, поскольку активность кальция достаточна для восстановления оксидов большинства металлов; при этом кальций не образует твёрдых растворов с восстановленным металлом, что упрощает очистку. Частицы порошка, полученные этим методом, характеризуются пористой микроструктурой и неправильной формой, обеспечивающей хорошую формуемость при прессовании.

Электролитический метод (ПТЭ, ТУ 48-10-22-85)

Электролиз расплавов хлоридов или фторидов позволяет получить порошок с более низким суммарным содержанием примесей и высокой пластичностью. Электролитические порошки ПТЭ характеризуются минимальной усадкой при спекании, что важно для изготовления точных деталей методами порошковой металлургии.

Размол губчатого титана (ТПП, ТУ 1791-449-05785388-2010)

Пористые порошки ТПП получают механическим размолом титановой губки с применением метода гидрирования-дегидрирования. Это наиболее экономичный способ, однако суммарное содержание примесей у ТПП выше, что ограничивает их применение в высокотехнологичных областях. Форма частиц — неоднородная: чешуйчатые, игольчатые, овальные фрагменты.

Химический состав и нормируемые примеси

Химический состав порошков по ТУ 14-22-57-92 нормируется по шести примесям: азот (N), углерод (C), водород (H), суммарное содержание железа и никеля (Fe+Ni), кремний (Si), хлор (Cl). Суммарное содержание примесей составляет менее 2,1 %; остальное — титан-основа (97,95–99,02 %).

Ниже приведён химический состав для марки ПТОМ-1 по ТУ 14-22-57-92 (данные из спецификации, массовая доля, % — не более):

Марка	Ti	N, %	C, %	H, %	Fe+Ni, %	Si, %	Cl, %
ПТОМ-1	основа	0,08	0,05	0,40	0,40	0,10	0,004

Для марок с индексом «2» (ПТМ-2, ПТС-2 и т. д.) норма по азоту составляет до 0,20 %, что соответствует более высокому суммарному содержанию примесей. Конкретные нормы по каждой марке указаны в спецификации ТУ 14-22-57-92; при оформлении заявки необходимо указывать марку и требуемый гранулометрический состав.

Гранулометрический состав и физические параметры

Марки по ТУ 14-22-57-92 различаются прежде всего гранулометрическим составом, насыпной плотностью и уплотняемостью при прессовании. Физические параметры — справочные значения, средние по партии.

Параметр	ПТОМ	ПТМ(А)	ПТК
Фракция +280 мкм, масс.%	0,0	0,0	—
Фракция +100 мкм, масс.%	≤ 1,0	≤ 1,0	—
Фракция +45 мкм, масс.%	≤ 5,0	15–40	—
Фракция −45 мкм, масс.%	остальное	остальное	—
Насыпная плотность, г/см³	1,36	0,89–1,10	0,60–1,00
Уплотняемость при 200 МПа, г/см³	2,72	—	—
Уплотняемость при 600 МПа, г/см³	3,48	—	—

Для плазменного напыления покрытий применяются специальные фракции: 40–100, 40–140 или 63–160 мкм — по согласованию с заказчиком в рамках ТУ 14-22-57-92.

Физические константы чистого титана, характеризующие и поведение порошка: температура плавления — 1668 °C, температура кипения — 3260 °C, плотность монолитного металла — 4,51 г/см³.

Области применения титанового порошка

Порошковая металлургия: прессование и спекание деталей

Крупно- и среднефракционные марки (ПТК, ПТС) применяются для изготовления конструкционных деталей методом холодного или горячего прессования с последующим спеканием. Пористая микроструктура частиц и их неправильная форма обеспечивают хорошее заполнение пресс-формы и механическое сцепление частиц в зелёной заготовке. Спечённые из Ti-порошка детали сочетают малую удельную массу с коррозионной стойкостью и немагнитностью, что востребовано в химическом машиностроении и специальной технике.

Производство пористых фильтрующих элементов

Это одно из основных направлений применения марок ПТМ и ПТОМ. Из порошка прессуют и спекают пористые цилиндры, диски и пластины с заданной проницаемостью. Готовые элементы применяются для фильтрации агрессивных и высокотемпературных сред в химической и нефтехимической промышленности, для очистки питьевой и технологической воды, а также в медицинском оборудовании — при фильтрации газов и жидкостей, контактирующих с организмом. Биоинертность и коррозионная стойкость титана обеспечивают длительный срок службы и возможность стерилизации.

Плазменное напыление покрытий

Для получения антикоррозионных, износостойких и биосовместимых покрытий методом плазменного напыления (APS, VPS) применяются специальные фракции порошка: 40–100 мкм, 40–140 мкм или 63–160 мкм. Иррегулярная форма частиц, характерная для восстановленного порошка, допустима для большинства процессов плазменного напыления, однако для некоторых аппаратов требуется более высокая сыпучесть — в этом случае применяют сферические порошки, получаемые газовой атомизацией (отдельный вид продукции, выходящий за рамки ТУ 14-22-57-92). Покрытия из технически чистого Ti нашли применение в медицинском имплантологии: они создают остеоинтеграционный слой на металлических имплантатах, улучшая прирастание к костной ткани.

Аддитивные технологии (3D-печать металлами)

Технологии SLM/LPBF, EBM и DED требуют сферических порошков с фракцией 15–45 мкм (мелкий) или 45–106 мкм (стандартный), полученных методом газовой или плазменной атомизации. Восстановленный порошок по ТУ 14-22-57-92 из-за неправильной формы частиц для SLM непригоден. Сферический порошок является отдельным сегментом рынка — при запросе необходимо явно указывать технологию и требуемую морфологию частиц.

Медицинские имплантаты

Технически чистый титан (Grade 1–4) и сплав Ti-6Al-4V (Grade 5) широко применяются в производстве ортопедических и стоматологических имплантатов. Порошок служит исходным сырьём как для горячего изостатического прессования (HIP), так и для формования методом MIM (Metal Injection Moulding) с последующим спеканием. Биосовместимость, немагнитность и низкая теплопроводность (≈ 21 Вт/(м·К)) определяют предпочтение титана перед нержавеющей сталью в имплантологии.

Подробнее о деформируемых титановых сплавах в прокатных видах читайте в соответствующем разделе.

Пожаровзрывоопасность: меры при работе с порошком

Титановый порошок относится к горючим материалам с развитой удельной поверхностью. Мелкодисперсный порошок (особенно фракции ниже 45 мкм) при распылении в воздухе способен образовывать взрывоопасные аэрозоли; воспламенение сопровождается образованием оксидов титана. Основные требования безопасности при хранении и переработке:

• исключить контакт с открытым огнём, искрами, накалёнными поверхностями;
• хранить в герметичной таре в сухих помещениях с вентиляцией;
• использовать искробезопасный инструмент при фасовке и пересыпке;
• при работе с пылящим порошком — применять средства защиты органов дыхания.

Порошок не реагирует с водой при комнатной температуре, однако следует избегать контакта с сильными кислотами-окислителями и азотной кислотой в концентрированном виде.

Свойства, определяющие выбор титанового порошка

При выборе марки ключевые критерии — гранулометрический состав (определяет технологический процесс и свойства спечённых изделий), суммарное содержание примесей (влияет на пластичность и прочность после спекания) и насыпная плотность (определяет поведение при прессовании и заполнении матриц). Коррозионная стойкость спечённых из технически чистого Ti изделий сопоставима с монолитным металлом и значительно превышает таковую у нержавеющей стали в хлоридных и окислительных средах. Низкая теплопроводность является преимуществом при создании теплозащитных покрытий.

Если задача требует сочетания высокой прочности с малой массой, рассмотрите титановый лист из деформируемых сплавов — он доступен в широком сортаменте толщин и марок.

Формы поставки

Порошок титановый по ТУ 14-22-57-92 поставляется в герметичных металлических банках или контейнерах, исключающих поглощение влаги. Масса нетто партии, фасовка и условия транспортировки согласуются с заказчиком. При оформлении заявки необходимо указать: марку (ПТК-1, ПТМ-1, ПТОМ-2 и т. д.), требуемый гранулометрический состав (при нестандартных фракциях — фактический ситовый анализ), требуемый объём. Поставки осуществляются по всей России.