Порошковая металлургия титана: технологии (ХПС, ГИП, 3D-печать), свойства и области примененияи из титана

Титан, открытый в конце XVIII века и названный в честь титанов из древнегреческой мифологии за свою выдающуюся прочность, долгое время оставался «лабораторным» металлом. Его промышленное освоение началось лишь в середине XX века после разработки сложного и энергозатратного процесса Кролла для его извлечения. Уникальное сочетание высокой удельной прочности, исключительной коррозионной стойкости и биосовместимости быстро сделало титан незаменимым материалом для аэрокосмической отрасли, химической промышленности и медицины.

Однако высокая стоимость сырья и сложность его механической обработки (склонность к налипанию на инструмент, низкая теплопроводность) стали серьезным барьером для его более широкого распространения. Именно эти экономические и технологические вызовы послужили мощным стимулом для развития порошковой металлургии (ПМ) титана. Эта технология, позволяющая создавать изделия сложной формы с минимальными отходами (коэффициент использования металла достигает 90-95%), стала ключом к демократизации использования титана, открыв для него новые горизонты применения.

1. Сферы и Экономические Аспекты Применения Титановых Порошков

Глобальный рынок титана характеризуется высокой волатильностью, зависящей от циклов в ключевых отраслях-потребителях. Спрос со стороны гражданского авиастроения, где титан используется в элементах планера и компонентах двигателей, является одним из главных драйверов рынка. Не менее важны проекты в химической и энергетической сферах, такие как строительство опреснительных установок на Ближнем Востоке и нефтехимических комплексов в Азии, где коррозионная стойкость титана к агрессивным средам, включая морскую воду, является решающим фактором.

Для оптимизации затрат и расширения областей применения изделий из титана и его сплавов, промышленность сосредоточена на решении нескольких ключевых задач: повышение выхода годного материала, снижение себестоимости передела и создание эффективных технологий утилизации отходов. В этом контексте методы порошковой металлургии выходят на передний план, так как позволяют производить полуфабрикаты и готовые заготовки, размеры которых максимально приближены к чистовым размерам деталей (технология «near-net-shape»).

Титановые порошки, полностью сохраняя уникальные свойства компактного металла, значительно расширяют сферы его использования. Ключевые направления включают:

• Производство спеченных изделий: детали сложной формы для машиностроения, авиации и медицины с высочайшим коэффициентом использования металла.
• Нанесение покрытий: создание защитных, износостойких и декоративных слоев методами плазменного или газодинамического напыления.
• Композитные материалы: использование в качестве матрицы для создания высокопрочных и жаропрочных композитов.
• Фильтрующие элементы: изготовление изделий с заданной пористостью для фильтрации агрессивных сред, газов и в биомедицинских приложениях.
• Компоненты шихты: применение в качестве основы для синтеза тугоплавких соединений (карбидов, боридов, нитридов), фрикционных материалов и металлополимерных композиций. Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) позволяет экономически эффективно производить из порошков карбиды, бориды, гидриды, нитриды и силициды титана.
• Специальные применения: использование в дисперсном состоянии для пиротехнических смесей, в качестве катализаторов, геттеров (газопоглотителей) в вакуумной технике.

Выбор марки титанового порошка напрямую зависит от его дисперсности и назначения. Например, порошки марки ПТХ-1 применяются для раскисления и легирования сталей, а также как геттерная засыпка. Порошки ПТХ-2 востребованы как высокотемпературный сорбент на АЭС и для высокопористых изделий. Марки ПТХ-3, ПТХ-4 и ПТХ-5 идут на изготовление конструкционных деталей и анодных покрытий. Наиболее мелкие фракции, такие как ПТХ-6 и ПТХ-7, обладающие высокой химической активностью, используются для СВС-синтеза, а также в качестве материала для биологической защиты и накопителей сверхчистого водорода.

2. Технологии Порошковой и Гранульной Металлургии Титана

В последние годы порошковая металлургия титана переживает настоящий ренессанс. Это обусловлено комплексом причин: от возможности существенного снижения стоимости и повышения качества изделий до преодоления «масштабного фактора» — теперь производство титановых компонентов возможно на оборудовании малой мощности на сравнительно небольших предприятиях. Это открывает двери для освоения новых ниш и нетрадиционных областей применения титана.

2.1. Спеченные Изделия: Основы Технологии

Классическая порошковая металлургия (ПМ) предлагает неоспоримые преимущества: высочайший коэффициент использования металла (К_им) и значительное снижение трудозатрат на механическую обработку. Для титана ПМ открывает дополнительные возможности: создание сплавов новых систем с более высоким уровнем легирования, недостижимым при традиционной плавке. Это позволяет получать материалы с улучшенным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств. Структура спеченных изделий отличается высокой однородностью химического состава и мелким зерном, что обеспечивает изотропность свойств по всему объему детали.

Титановые порошки обладают отличной формуемостью и спекаемостью. Изделиям можно придать сложную геометрическую форму уже на этапе прессования, при этом они не только сохраняют все достоинства литого металла, но и приобретают новые полезные свойства, например, управляемую пористость. Основными потребителями продукции ПМ титана традиционно остаются авиакосмическая отрасль и, в растущей степени, автомобильная промышленность, стремящаяся к снижению массы компонентов.

Применение металлургии гранул в авиадвигателестроении позволяет повысить К_им с 0,2–0,3 до 0,4–0,6 (снижение расхода металла в 2–3 раза), сократить трудоемкость мехобработки в 1,5–2 раза и уменьшить массу двигателя на 10–25%. Более того, это приводит к увеличению ресурса двигателя в 5–10 раз за счет повышения рабочих температур на 30–50 °C и улучшения прочностных свойств на 15–25%.

Свойства спеченных деталей из нелегированных электролитических порошков сопоставимы со свойствами литого титана марки ВТ1-0 (соответствует Grade 2 по ASTM). Предел прочности σ_В достигает 350–450 МПа при относительном удлинении δ в 10–15%. Легирование порошками алюминия и молибдена способно увеличить σ_В почти вдвое при сохранении приемлемой пластичности. Такие детали успешно выдерживают вибрационные испытания с частотой до 1000 Гц и ударные нагрузки с высоким ускорением.

Экономический эффект впечатляет: производство деталей типа втулок, фланцев и гильз из электролитических порошков фракции +80–500 мкм обходится на 40–45 % дешевле, чем их изготовление из сортового проката (трубы или прутка) сплава ВТ1-0. При этом К_им возрастает в 4–6 раз, а производительность труда — в 1,3–1,5 раза. Каждая тонна переработанного порошка позволяет сэкономить от 2 до 5 тонн дорогостоящего титанового проката.

2.2. Детали по Схеме «Холодное Прессование – Спекание» (ХПС)

Технология получения спеченных деталей по схеме «холодное прессование – спекание» (ХПС) является базовым методом ПМ. Процесс включает формование заготовки из порошковой шихты в пресс-форме при комнатной температуре и последующий обжиг (спекание) в вакууме или инертной атмосфере. Во время спекания при температурах 1000–1200 °С оксидная пленка, всегда присутствующая на поверхности частиц титана, активно диффундирует вглубь металла. Это «очищает» поверхности, открывая ювенильные слои и способствуя формированию прочных межчастичных связей.

Этот способ реализуется на стандартном оборудовании для ПМ, что делает его доступным, однако он преимущественно применим для получения изделий сравнительно небольших габаритов.

Преимущества метода ХПС:

• Высокая производительность и возможность автоматизации.
• Использование стандартного и относительно недорогого оборудования.
• Хорошая точность размеров для многих применений.

Недостатки метода ХПС:

• Наличие остаточной пористости (5-15%), что снижает механические свойства по сравнению с литым металлом.
• Ограничения по сложности формы и габаритам изделий.
• Не подходит для высоконагруженных и критически важных деталей.

Пример внедрения: Запорожское ПО “Моторостроитель” использует спеченный сплав 2М2А (2% Al, 2% Mo) для средненагруженных деталей. Исходная шихта представляет собой механическую смесь порошка ПТЭМ-1 с легирующими элементами и 1% стеарата цинка в качестве смазки. Прессование заготовок ведется на гидравлических прессах с удельным давлением 600–800 МПа. Спекание осуществляется в вакуумных печах при 1200 °С в течение 3–4 часов. Полученные детали имеют механические свойства: σ_В ≥ 700 МПа, δ ≥ 10%. Применение ПМ для фасонного кольца позволило поднять К_им с 0,1 (при точении из прутка) до 0,9.

2.3. Детали, Получаемые Методом Горячего Прессования (ГП)

В случаях, когда свойства изделий, полученных по технологии ХПС, недостаточны, применяют процессы горячего прессования (ГП) и горячей штамповки. Приложение давления при повышенной температуре значительно интенсифицирует процессы диффузии и пластической деформации частиц, что позволяет достичь более высокой плотности и, как следствие, механических характеристик, сопоставимых с уровнем стандартного проката.

Технико-экономические показатели ГП весьма привлекательны: К_им достигает 0,8–0,9, а себестоимость деталей снижается за счет резкого уменьшения объемов финишной механической обработки. Процессы ГП позволяют получать широкий спектр малогабаритных конструкционных деталей – от заготовок корпусов часов до изделий для высокоточного морского приборостроения. Методами ГП из электролитических порошков также возможно производство труб со свойствами, близкими к трубам из деформируемого металла.

Порошковая металлургия открыла путь к созданию новых материалов, например, сплавов на основе интерметаллидов Ti₃Al и TiAl. Эти материалы обладают выдающейся жаропрочностью и сопротивлением окислению при температурах до 950 °С, но их производство традиционной металлургией крайне затруднено из-за высокой хрупкости. Методы ГП оказались перспективны для изготовления из них фасонных заготовок, дисков и лопаток компрессоров газотурбинных двигателей.

2.4. Детали, Получаемые Методом Горячего Изостатического Прессования (ГИП)

Наилучшими свойствами и практически полным отсутствием пористости (плотность близка к 100% теоретической) характеризуются изделия, полученные методом горячего изостатического прессования (ГИП). Суть метода заключается в помещении порошка в герметичную капсулу, которая затем подвергается всестороннему обжатию инертным газом (обычно аргоном) при высокой температуре. Этот процесс обеспечивает равномерную плотность по всему объему изделия и механические свойства, не уступающие кованому металлу.

Технология прямого ГИП в капсулах специальной конструкции находит применение в авиакосмическом и энергетическом машиностроении для изготовления критически важных деталей двигателя и планера: дисков, лопаток, крыльчаток для перекачки криогенных компонентов. Методом ГИП из гранул и порошков титана получают изделия крупных размеров с диаметром до 700 мм, высотой до 1000 мм и массой до 300 кг.

Например, ОАО “Композит” для изготовления высоконагруженных деталей сложных форм, работающих в диапазоне температур от –253 до +850 °С, успешно применяет сферические гранулы из титановых сплавов, полученные плазменным оплавлением вращающегося электрода. Перед прессованием гранулы проходят вакуумную дегазацию в капсулах при остаточном давлении 10^–5 мм рт. ст.

Основным сдерживающим фактором широкого внедрения ГИП является высокая стоимость и дефицитность необходимого оборудования.

2.5. Аддитивные Технологии (3D-печать) из Титановых Порошков

Революционным развитием порошковой металлургии стало появление аддитивных технологий, широко известных как 3D-печать. Методы, такие как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), используют титановые порошки для послойного создания изделий сложнейшей геометрии непосредственно по цифровой модели (CAD).

В процессе SLM/EBM тонкий слой порошка распределяется на платформе, после чего лазерный или электронный луч выборочно плавит частицы в соответствии с сечением детали. Затем платформа опускается, наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до полного построения объекта. Эти технологии открывают беспрецедентные возможности:

• Создание бионических дизайнов: возможность изготавливать легкие и прочные конструкции со сложной внутренней топологией, недоступной для традиционных методов.
• Персонализированная медицина: производство кастомизированных имплантатов (тазобедренных, коленных, черепных), идеально подходящих конкретному пациенту.
• Быстрое прототипирование и производство: значительное сокращение времени от разработки до получения готового изделия.
• Консолидация сборок: возможность напечатать сложный узел, ранее состоявший из десятков деталей, как единый монолитный компонент.

После печати изделия часто подвергаются ГИП для снятия внутренних напряжений и достижения максимальной плотности, что гарантирует высочайшие механические свойства, требуемые, например, в аэрокосмической отрасли согласно стандартам, таким как ASTM F3001.

2.6. Сравнение Основных Технологий ПМ Титана

Для наглядности сведем ключевые характеристики рассмотренных технологий в сравнительную таблицу.

2.7. Пористые Изделия из Титана

Пористые изделия, получаемые методами ПМ, являются одной из важнейших областей потребления титановых порошков. По сравнению с другими пористыми материалами, титановые обладают уникальным набором преимуществ: высокой прочностью, коррозионной стойкостью, биологической инертностью и малой плотностью (2,3–3,0 г/см³). Они могут многократно использоваться после регенерации и легко свариваются.

Благодаря химической инертности, титановые фильтры нашли широкое применение в пищевой (очистка напитков, соков), фармацевтической и химической промышленности (фильтрация агрессивных жидкостей и газов). Их изготавливают в виде труб, дисков, патронов и используют в качестве аэраторов, распылителей, дренажных устройств, огнепреградителей.

Параметры пористых изделий (размер пор, пористость, проницаемость) можно гибко регулировать, изменяя дисперсность исходного порошка, режимы прессования и спекания. В зависимости от требований, основной диаметр пор может варьироваться от 10 до 300 мкм при общей пористости 30–50%.

Таблица 1

Свойства фильтрующих титановых элементов

2.8. Дисперсно-упрочненные Композиционные Материалы (ДУКМ)

Методы ПМ открыли широкие перспективы для создания дисперсно-упрочненных композиционных материалов (ДУКМ) на основе титана. Основное преимущество таких материалов — их прочность и вязкость заметно превосходят стандартные титановые сплавы. Классификация КМ на основе титана включает волокнистые (с дискретными или непрерывными волокнами) и порошковые композиты.

Особый интерес представляют композиты Be–Ti. Бериллий, обладая высоким удельным модулем упругости, выступает в качестве эффективного упрочнителя. Такие материалы получают методом совместной экструзии смесей порошков бериллия и титана. Их удельный модуль упругости значительно повышается, что делает их привлекательными для аэрокосмических приложений. Однако недостатком является токсичность бериллия при механической обработке.

Другим перспективным направлением является создание псевдосплавов титан-магний. Поскольку эти металлы взаимно нерастворимы, их композит получают методом пропитки пористого титанового каркаса расплавом магниевого сплава. Полученный материал сочетает высокую прочность и коррозионную стойкость титана с низким весом и хорошими антифрикционными свойствами магния. Магниевая составляющая выполняет роль твердой смазки, что позволяет использовать такие композиты в узлах сухого трения, работающих в жестких режимах.

2.9. Применение Титана в Медицине

Уникальная биосовместимость титана, то есть его способность не вызывать реакции отторжения в организме человека, сделала его золотым стандартом в имплантологии и восстановительной хирургии. Применение титана регламентируется международными стандартами, такими как ГОСТ Р ИСО 5832-2-2020 (Нелегированный титан для хирургических имплантатов) и ГОСТ Р ИСО 5832-3-2020 (Сплав Ti-6Al-4V).

Порошковая металлургия играет здесь ключевую роль, позволяя создавать:

• Эндопротезы с пористым покрытием: На гладкую поверхность имплантата (например, тазобедренного сустава) наносится пористый слой из сферических титановых гранул. Это способствует остеоинтеграции — прорастанию костной ткани в поры, обеспечивая надежную и долговечную фиксацию протеза.
• Пористые имплантаты позвонков: Разработаны имплантаты (системы CVPI, TVPI) с анизотропной структурой: гладкая боковая поверхность минимизирует травматизацию мягких тканей, а шероховатые торцевые поверхности с открытыми порами способствуют врастанию кости.
• Наноструктурный титан: Используя методы интенсивной пластической деформации (ИПД), удается получить ультрамелкозернистый титан. Его прочность достигает уровня легированных сплавов, но при этом сохраняется высокая биосовместимость чистого титана, что идеально для медицинских имплантатов и инструментов.

2.10. Тугоплавкие Соединения Титана и Твердые Сплавы

Порошки титана служат основой для синтеза целого ряда тугоплавких соединений с уникальными свойствами. Карбид титана (TiC), нитрид титана (TiN) и карбонитрид титана (TiCN) обладают высочайшей твердостью и температурами плавления. Они являются базовыми материалами для создания износостойких покрытий и инструментальных твердых сплавов.

Безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида и карбонитрида титана с никель-молибденовой связкой (например, марки ТНМ, КНТ) являются эффективной заменой дорогостоящим и дефицитным вольфрамовым сплавам (типа ВК, ТК). Они существенно превосходят стандартные сплавы по окалиностойкости и имеют пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом. Покрытия из нитрида и карбонитрида титана, наносимые на режущий инструмент, фильеры, пресс-формы, значительно повышают их ресурс и производительность.

Таблица 2
Сравнение характеристик безвольфрамовых и стандартных твердых сплавов

2.11. Применение в Черной и Цветной Металлургии

Титан обладает уникальными химико-металлургическими свойствами, что делает его ценным компонентом в производстве высококачественных сталей и специальных сплавов. Он используется как легирующий, рафинирующий и модифицирующий элемент.

В черной металлургии титан вводят в расплав в виде ферротитана (сплав железа с 25–70 % Ti) или таблетированных порошков. Введение титана в сталь приводит к связыванию углерода и азота в прочные карбиды (TiC) и нитриды (TiN). Эти частицы выступают как центры кристаллизации, измельчая зерно стали, что приводит к одновременному повышению её прочности и ударной вязкости. Кроме того, связывание углерода улучшает свариваемость нержавеющих сталей и их сопротивление межкристаллитной коррозии.

Для внепечной обработки стали используется металлургическая порошковая проволока, представляющая собой стальную оболочку, заполненную порошковым наполнителем, например, ферротитаном марки ФТи70. Такая технология,  обеспечивает точное дозирование и высокое усвоение легирующего элемента расплавом.

Таблица 3
Содержание примесей в сырье для гидрида титана

Гидрид титана (TiH₂) — еще один важный продукт на основе титанового порошка. При нагревании он разлагается с выделением водорода спектральной чистоты. Это свойство используется для светлого отжига прецизионных деталей, как катализатор в химическом синтезе, как вспениватель при производстве пенометаллов (например, пеноалюминия) и как добавка, интенсифицирующая процесс спекания в ПМ.

3. Интересные Факты о Титане

• Космическое происхождение: Титан не только земной металл. Анализ лунного грунта, доставленного миссиями «Аполлон», показал значительно более высокое содержание оксида титана по сравнению с земными породами.
• Архитектурное чудо: Знаменитый музей Гуггенхайма в Бильбао (Испания) облицован титановыми панелями общей площадью 33 000 м². Благодаря пассивной оксидной пленке, титан не тускнеет и не ржавеет, сохраняя свой уникальный внешний вид десятилетиями.
• Легенда холодной войны: Легендарный высотный самолет-разведчик SR-71 Blackbird на 93% состоял из титановых сплавов, что позволяло ему выдерживать колоссальный кинетический нагрев при полете на скорости свыше 3 Махов.
• Случайное открытие биосовместимости: Инертность титана к живым тканям была обнаружена случайно в 1950-х годах шведским ученым Пер-Ингваром Бранемарком, который заметил, что титановые имплантаты в кости кролика невозможно извлечь, так как кость прочно срослась с металлом. Это явление он назвал «остеоинтеграцией».

4. FAQ: Часто Задаваемые Вопросы

Почему титан и изделия из него такие дорогие?

Высокая стоимость обусловлена несколькими факторами: 1) сложность и многостадийность процесса извлечения металла из руды (процесс Кролла), который очень энергоемок; 2) высокая химическая активность титана при высоких температурах, требующая плавки в вакууме или инертной среде; 3) трудности механической обработки, ведущие к быстрому износу инструмента и низкой производительности.

В чем разница между чистым титаном и сплавом ВТ6 (Ti-6Al-4V)?

Чистый титан (марки ВТ1-0, ВТ1-00 или Grade 1-4) обладает максимальной коррозионной стойкостью и пластичностью, но относительно невысокой прочностью. Его используют в химической промышленности и для медицинских имплантатов. Сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V или Grade 5) — это альфа+бета сплав, легированный алюминием и ванадием. Он значительно прочнее и жаропрочнее чистого титана, поэтому является основным конструкционным материалом в аэрокосмической отрасли.

Можно ли сваривать титан?

Да, титан можно сваривать, но это требует особой технологии. Сварка должна производиться в среде инертного газа (аргона) с защитой не только сварочной ванны, но и остывающих участков шва с обеих сторон. Попадание кислорода или азота из воздуха в горячий металл делает шов хрупким и непригодным к эксплуатации.

Какие преимущества у порошковой металлургии титана перед литьем?

Основные преимущества ПМ: 1) Высокий коэффициент использования металла (до 95% против 20-50% у литья с последующей мехобработкой), что критически важно для дорогого титана. 2) Возможность получения деталей «near-net-shape», т.е. близких к конечной форме, что минимизирует мехобработку. 3) Более однородная и мелкозернистая структура, обеспечивающая стабильные и изотропные свойства. 4) Возможность создания материалов, которые невозможно получить плавкой (например, композиты или сплавы на основе интерметаллидов).

5. Заключение

Порошковая металлургия титана перестала быть нишевой технологией и превратилась в одно из ключевых направлений развития современного материаловедения. От классических методов прессования и спекания, обеспечивающих экономическую эффективность в массовом производстве, до революционных аддитивных технологий, открывающих эру кастомизированных и бионических конструкций, титановые порошки и гранулы демонстрируют свою незаменимость.

Способность ПМ создавать материалы с уникальным комплексом свойств — от пористых фильтров и биосовместимых имплантатов до сверхпрочных композитов и износостойких твердых сплавов — гарантирует ей дальнейшее расширение сфер применения. По мере совершенствования технологий производства порошков и оборудования для их переработки, титан будет становиться все более доступным, продолжая свое проникновение в самые высокотехнологичные отрасли промышленности и улучшая качество жизни человека.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологическое обеспечение точности: Базирование, размерные цепи и методы монтажа - 09.10.2025
• Метрологическое обеспечение точности производственных процессов: цели и структура - 09.10.2025
• Материалы для технологических трубопроводов: сталь, пластик, металлополимеры - 07.10.2025