Оценка услуг
8 (496) 524-99-83
8 (496) 522-25-60

Стереть в порошок: ИСМАН разработал новый эффективный способ переработки титановой стружки

В Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наук нашли новый метод переработки отходов титана в порошок  с помощью СВС

 Черноголовка, 30.09.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

В Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова ученые нашли новый метод переработки отходов титана в порошок, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1].

Титан [2] и титановые сплавы являются одними из наиболее перспективных материалов, которые сегодня активно применяются в аэрокосмической, энергетической и медицинской областях. Часто в процессе изготовления изделий из титана образуется значительное количество отходов, но из-за отсутствия какой-либо эффективной технологии по переработке, эта стружка просто складируется или идет на переплавку.

Ученые ИСМАН нашли способ оптимизировать этот процесс  — они научились перерабатывать титановую стружку в порошок, который в дальнейшем можно использовать для изготовления разных титановых компонентов и изделий. В основе этой технологии лежит  сжигание в режиме СВС — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Этапы технологии таковы:

  1. Отходы титана (стружку) очищают от загрязнений.
  2. Стружку размещают в специальном реакторе высокого давления, который представляет собой полый толстостенный стальной цилиндр.
  3. Реактор закрывают и подают водород [3] под необходимым давлением.
  4. Полученную смесь поджигают, после чего запускается процесс СВС, где водород выделяет тепло при взаимодействие с титаном.
  5. Это тепло распространяется на соседний слой титана, запуская аналогичную реакцию. Так повторяется от слоя к слою, по всему объему стружки.
  6. После насыщения водородом (в ходе СВС) титановая стружка изменяет свои свойства и становится очень хрупкой.
  7. Хрупкую стружку титана с легкостью измельчают в порошок, размером частиц менее 0,1 мм.
  8. Далее водород из измельченного порошка можно легко удалить, поместив порошок в печь и нагревая его при определенной температуре в вакууме.
  9. Получается готовый к использованию порошок титана.

Особенностью данного метода является его низкая себестоимость и высокая энергоэффективность, так как для прохождения данной реакции необходимо затратить небольшое количество энергии на поджиг, а далее горение проходит без внешних энергозатрат, просто за счет собственного тепла. Важным  фактором является  и то, что  эта технология никак не вредит окружающей среде и позволяет сберечь природные ресурсы.

Примечания:

  1. СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Это протекание реакции горения, в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи.
  2. Титан (Ti) — металл, известный своей прочностью и легкостью по весу. Одним из основных свойств титана является его высокая коррозионная стойкость. Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей.
  3. Водород (H) — самый распространённый химический элемент во Вселенной. На Земле встречается в основном в виде соединений. Водород взаимодействует с простыми и сложными веществами и способен проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Рисунок 1 Стружка титана, СВС, Порошок титана (ИСМАН)

Евгений Петров, Анна Дацюк

 

 

 

В ИСМАН создают новые прочные слоистые композиционные материалы для промышленности

Слоистая структура металлокерамических материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, обеспечивает повышенную трещиностойкость и усталостную прочность.

Черноголовка, 21.09.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

Разработка прочных слоистых композиционных материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, ведется в Лаборатории пластического деформирования материалов ИСМАН под руководством профессора Александра Моисеевича Столина [1].

Метод свободного СВС-сжатия [2] позволяет всего за несколько десятков секунд получать новые материалы и готовые изделия из исходных порошковых материалов. Что касается боридов титана [3], то эти вещества сегодня вызывают серьезный интерес среди ученых и практиков, благодаря исключительно высокой твёрдости, низкой плотности, высокой температуре плавления, высокой теплопроводности и электрической проводимости. Композитные материалы на их основе обладают особой прочностью и упругостью. При этом на свойства материала влияют как методы изготовления, доля и структура боридов, так и дизайн композитов.
На данный момент одним из перспективных направлений является разработка структуры композиционного материала из чередующихся слоев. Особое значение имеют границы раздела между слоями, которые способствуют разветвлению трещин и их перезарождению в каждом новом слое. Важной задачей является установление влияния пропорций толщин слоев и их упругих свойств на перераспределение напряжений и, как следствие, на предельные нагрузки, которые может выдержать образец.

Рисунок 1 Фото образцов металлокерамических материалов на основе боридов титана (ИСМАН)

Учеными ИСМАН разработана математическая модель, позволяющая определять порядок разрушения слоев и условия достижения максимума предельной нагрузки при трехточечном нагружении. Результаты работы опубликованы в июле 2023 г. в известном научном журнале Metals [4]. 

Разрабатываемые новые металлокерамические композитные материалы могут применяться в машиностроении, авиакосмической отрасли и в смежных областях.

Примечания:
  1. ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН) создан в 1987 году. Первым Директором-организатором Института был академик А.Г Мержанов, который известен во всем мире как автор открытия: «Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций». Оно стало основой процессов СВС — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза большого числа неорганических соединений и новых материалов.
  2. Метод свободного СВС-сжатия является энергоэффективным методом, используемым для получения композиционных керамических и металлокерамических материалов. Он основан на сочетании процесса СВС и последующего сжатия продуктов горения, что позволяет быстро формировать новые материалы и изделия. Этот процесс происходит в едином цикле и обычно занимает всего десятки секунд.
  3. Бориды титана — химические соединения металла титанаи бора с формулой TiB и TiB2. Материалы на основе боридов титана обладают высокой твердостью, малой плотностью, способны поглощать нейтроны. Они хорошо проводят ток и имеют высокие температуры плавления до 3230°C. Бориды титана применяются в производстве твёрдых сплавов, износостойких покрышек и сопел и др. Они также используются в машиностроении для защиты деталей от абразивного износа и в атомной энергетике для создания нейтронопоглощающих экранов.
  4. Metals: Khvostunkov, P. Bazhin, Q-Q. Ni, A. Bazhina, A. Chizhikov and A. Konstantinov. Influence of Layer-Thickness Proportions and Their Strength and Elastic Properties on Stress Redistribution during Three-Point Bending of TiB/Ti-Based Two-Layer Ceramics Composites / Metals. 2023. Vol. 13(8), № 1480. https://doi.org/10.3390/met13081480 
     

Павел Бажин, Анна Дацюк 

Новый раздел на сайте Дома ученых НЦЧ РАН

Здесь вы можете прочитать Актуальные новости о научно-исследовательской работе институтов НЦЧ РАН