Production de poudres métalliques
Table des matières
Vue d'ensemble
Poudres métalliques are fine metal particles used as feedstock for manufacturing techniques like additive manufacturing, metal injection molding, and powder metallurgy pressing and sintering. Producing advanced specialty metal powders with precise control of chemistry, particle size distribution, morphology, and microstructure is critical to properties of finished components.
There are various methods used for large scale production of metal powder production from different alloy systems including:
- Atomisation du gaz
- Vaporisation de l'eau
- Atomisation par plasma
- Electrode induction melting gas atomization
- Procédé d'électrode rotative
- Processus de carbonylation
- Procédé électrolytique
- Metal reduction processes
Each process results in powders with different characteristics suited to specific applications.
Méthodes de production de poudre métallique
Méthode | Métaux utilisés | Caractéristiques principales | Principales applications |
---|---|---|---|
Atomisation des gaz | Titanium, aluminum, stainless steel, tool steel, superalloys | Spherical powders, moderate production rate | Metal injection molding, Hot isostatic pressing |
Atomisation de l'eau | Low-alloy steel, iron, copper | Irregular powder shapes, higher oxygen content | Processus de pressage et de frittage |
Atomisation par plasma | Alliages de titane, superalliages | Very fine spherical powders | Fabrication additive |
Électrode rotative | Tungstène, molybdène, tantale | Controlled grain structure | Filaments, cutting tools |
Processus de carbonylation | Iron, nickel, cobalt | Ultrafine high purity powders | Electronic components, magnets |
Électrolytique | Copper, nickel | Dendritic flake morphology | Revêtements de surface |
![Metal Powder Production 1 production de poudres métalliques](https://met3dp.com/wp-content/uploads/2023/10/CoCr28Mo6-Powder.jpg)
Poudre de métal Méthodes de production
There are a variety of commercial methods used for producing metallic powders from different alloy systems. The choice of production method depends on factors like:
- Type of alloy material
- Purity requirements
- Desired powder characteristics like particle size, shape, grain structure
- Scale of production in tons per year
- Powder end use application
Here are some of the most common industrial processes for metal powder production:
Processus d'atomisation des gaz
In gas atomization process, a stream of molten metal alloy is disintegrated by high pressure jets of gas, usually nitrogen or argon. The metal stream breaks up into fine droplets, which solidify into powder particles.
Gas atomized powders have a spherical shape and smooth surface morphology. Particle size distribution can be controlled by adjusting process parameters. This is a widely used technique for reactive materials like titanium, aluminum, magnesium alloys as well as stainless steels, tool steels and nickel superalloys.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Titanium alloys, aluminum, magnesium, stainless steel, tool steel, superalloys |
Forme des particules | Morphologie sphérique |
Taille des particules | 50 – 150 μm typical |
La pureté | High, inert gas prevents contamination |
Capteur d'oxygène | Minimal compared to liquid metal atomization |
Échelle de production | Up to 10,000 metric tons per year |
Atomisation de l'eau
In water atomization, the molten metal stream is hit by high velocity water jets. The sudden cooling causes an explosion that breaks the metal into fine particles. The powders have irregular shapes and contain higher oxygen content from water contact.
Water atomization is lower cost process used for producing large volumes of stainless steel, alloy steel, iron and copper powders for pressing and sintering type applications.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Carbon steels, low alloy steels, stainless steels, copper, iron powders |
Forme des particules | Irregular morphology from explosive water breakup |
Taille des particules | 10 – 300 μm typical |
La pureté | Lower, water contact increases oxygen levels by 200-500 ppm |
Échelle de production | Very high, over 50,000 tons per year |
Plasma Atomization Process
In plasma atomization process, a plasma torch is used to melt the metal alloy before disintegration into fine droplets through gas jets. The ultra-high temperatures enable highly reactive elements like titanium aluminides to be successfully atomized.
The powders have a very spherical shape and narrow size distribution suitable for additive manufacturing methods like laser melting and electron beam melting.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Titanium alloys, nickel superalloys, titanium aluminides |
Forme des particules | Très sphérique |
Taille des particules | 15 – 45 μm typical |
La pureté | Very high purity due to melting under inert atmosphere |
Échelle de production | Lower, about 100 – 1000 tons per year |
Rotating Electrode Process (REP)
In the rotating electrode process, a cylindrical metallic electrode is spun at high speeds in an evacuated chamber. It is melted using an electric arc and the molten metal droplets flung off through centrifugal forces cool to form powders.
REP powders have a grain structure and morphology ideal for hot extrusion into fine wires and rods for aerospace alloys like tungsten, molybdenum, tantalum.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Tungstène, molybdène, tantale |
Forme des particules | Microstructure irrégulière et contrôlée |
Taille des particules | 45 - 150 μm typique |
La pureté | Très élevé en raison du traitement sous vide |
Échelle de production | Petits volumes de poudres de grande valeur |
Atomisation par induction de gaz par électrodes (EIGA)
Le procédé EIGA utilise le chauffage par induction pour faire fondre les pointes d'électrodes consommables dans une atmosphère de gaz inerte. Les gouttelettes sont ensuite atomisées par des jets d'argon pour former de fines poudres sphériques.
L'EIGA permet d'obtenir des superalliages de nickel réactif d'une très grande pureté pour les composants critiques de l'aérospatiale grâce à une fusion contrôlée et à une minimisation de la contamination.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Superalliages de nickel, aluminures de titane |
Forme des particules | Sphérique |
Taille des particules | 15 - 53 μm typique |
La pureté | Extrêmement élevé, personnalisé pour les alliages critiques |
Échelle de production | R&D/prototypage jusqu'au volume moyen |
Processus de carbonylation
Dans le processus de carbonylation, le métal est converti en un carbonyle volatil, qui se décompose dans des conditions contrôlées pour produire des particules métalliques uniformes et ultrafines. Cette approche permet de produire des poudres de fer, de nickel et de cobalt très pures.
Paramètres | Description |
---|---|
Metals used | Iron, nickel, cobalt |
Forme des particules | Sphérique à polyédrique |
Taille des particules | 1 - 10 μm typique |
La pureté | Pureté extrêmement élevée de 99,9%+. |
Échelle de production | Jusqu'à 30 000 tonnes par an |
Autres méthodes de production de poudre
Parmi les autres techniques utilisées pour la production de poudres de métaux spéciaux, on peut citer les suivantes :
- Procédé électrolytique: Utilisé pour produire des poudres de cuivre et de nickel de forme irrégulière et de morphologie dendritique par électrodéposition.
- Procédés de réduction des métaux: Réduction d'oxydes métalliques à l'aide d'hydrogène ou de carbone pour produire des poudres de titane, de zirconium, de tungstène et de molybdène.
- Alliage mécanique: Broyage à haute énergie pour synthétiser des alliages composites et nanostructurés
Poudre de métal Spécifications
Les attributs de qualité critiques et les spécifications testées pour les poudres métalliques dépendent de la méthode de production et de l'application finale, mais comprennent généralement les éléments suivants :
Chimie des poudres
- Composition des alliages par spectroscopie d'émission optique ou de fluorescence X
- Éléments d'alliage mineurs
- Éléments d'impureté tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène
- Essai de perte au feu à haute température
Distribution de la taille des particules
- Taille moyenne des particules en volume
- Largeurs de distribution telles que D10, D50, D90
Caractérisation de la forme des particules
- Microscopie électronique à balayage pour la morphologie
- Facteurs de forme tels que le rapport d'aspect et le facteur de forme
Microstructure
- Phases présentes par diffraction des rayons X
- Caractéristiques des grains à partir de l'imagerie
Propriétés des poudres
- Densité apparente/tap
- Débit dans les essais de débitmètre à entonnoir de Hall
- Niveaux de compressibilité
Les exigences en matière de spécifications pour les poudres varient considérablement en fonction de l'utilisation finale dans différentes applications :
Paramètres | Moulage par injection de métal (MIM) | Fabrication additive | Presse et frittage |
---|---|---|---|
Gamme de taille des particules | 3 - 25 μm | 15 - 45 μm | 150 - 300 μm |
Rapport d'aspect | 1 - 1,25 préféré | <1,5 sphérique | Pas critique |
Niveaux d'oxygène | <1000 ppm | <500 ppm | 2000 - 4000 ppm |
Densité apparente | >2,5 g/cm3 | >2,8 g/cm3 | 2 - 3 g/cm3 |
Débit de Hall | 15 - 35 s/50g | 25 - 35 s/50g | >12 s/50g |
Méthodes de caractérisation
Plusieurs méthodes analytiques sont utilisées pour caractériser les propriétés des poudres métalliques essentielles à la performance des produits :
Analyse de la taille des particules
Laser diffraction methods are most widely used to characterize the particle size distribution. This technique passes a laser beam through a dispersed powder sample which scatters light at an angle dependent on particle sizes. Computer analysis of the diffraction pattern provides detailed statistically relevant size distribution data within seconds.
Morphology and Surface Imaging
Scanning electron microscopy (SEM) provides high resolution images of powder particle shape, surface topographies and features at much higher magnification and depth of focus compared to optical microscopy.
SEM imaging is used to study particle rounding, satellite formation, surface smoothness and defects like porosity.
Density and Flow Property Measurement
Standard test methods have been established to quantify bulk behavior using:
- Hall flowmetry funnel to measure powder flow rates through an orifice
- Carney funnel to assess flowability by angle of repose
- Scott volumeter to determine tap density and compressibility
These methods help predict ease of handling, blending, die filling and spreading during component manufacturing.
X-ray Methods for Composition and Crystal Structure
- X-ray fluorescence spectroscopy accurately identifies and quantifies elemental composition of metals
- X-ray diffraction analyzes the atomic arrangements and phases present by diffraction peak patterns
-
Poudre Ti45Nb pour la fabrication additive
-
Poudre d'alliage TiNb
-
Poudre d'alliage TiNbZrSn
-
Poudre Ti6Al4V Poudre métallique à base de titane pour la fabrication additive
-
Poudre CPTi
-
Poudre TC18 : Libérer la puissance du carbure de titane
-
TC11 Poudre : Un guide complet
-
TC4 ELI Poudre
-
Meilleure poudre de Ti-6Al-4V (TC4 Powder)pour la fabrication additive
Applications des poudres métalliques
Some major end uses of engineering metal powders include:
Fabrication additive
Also known as 3D printing techniques like selective laser melting (SLM), direct metal laser sintering (DMLS) and electron beam melting (EBM) to build complex geometries from titanium, aluminum, stainless steel, superalloy, cobalt chrome powders.
Moulage par injection de métal (MIM)
Powders like stainless steels, titanium alloys and tool steels are combined with a binder, injection molded then sintered to manufacture small, complex parts at high volumes for lower costs.
Presse et frittage pour la métallurgie des poudres
Compacting and sintering iron, copper and alloy steel powders into high volume components like gears, bushings and magnets.
Application | Métaux utilisés | Key Property Needs |
---|---|---|
Fabrication additive | Titanium alloys, nickel superalloys, aluminum, tool steel, stainless steel, cobalt chrome | Spherical morphology Good flowability High purity |
Moulage par injection de métal | Stainless steel, titanium, tool steel, tungsten heavy alloys | Fine <25 μm powder Good packed density |
Pressage et frittage | Iron, steel, stainless steel, copper | Cost effective powder Lubricant coatings |
There are also niche applications in areas like welding, diamond tools, electronics and surface coatings that use specialty metal powders.
Fournisseurs et prix
Some leading global suppliers of various metal powders are:
Entreprise | Méthodes de production | Matériaux |
---|---|---|
Sandvik Osprey | Atomisation du gaz | Titane, aluminium, alliages de nickel |
AP&C | Atomisation par plasma | Titanium aluminides, superalloys |
Technologie des charpentiers | Atomisation du gaz et de l'eau | Tool steels, stainless steels, alloys |
Höganäs | Vaporisation de l'eau | Iron, stainless steels |
Acier JFE | Vaporisation de l'eau | Poudres d'acier inoxydable |
Rio Tinto | Aluminum powder | Carbonyl nickel and iron |
Pricing for metal powders varies widely by:
- Alloy material and composition
- Méthode de production utilisée
- Processing to achieve particle characteristics
- Purity levels and degree of contamination
- Purchase volumes – very high volume contracts bring lower pricing
Typical base prices per kilogram are:
Matériau | Estimation des prix |
---|---|
Acier inoxydable 316L | $12 – $30 per kg |
Aluminium AlSi10Mg | $15 – $45 per kg |
Titane Ti-6Al-4V | $80 – $220 per kg |
Nickel superalloy Inconel 718 | $90 - $250 par kg |
Specialty alloys for AM | $250 - $1000 par kg |
Prices go up significantly for highly customized particle size distributions, controlled oxygen and nitrogen levels below 100 ppm, and small lot purchases.
Advantages and Limitations of Powder Metallurgy
Benefits of Powder Metallurgy
- Ability to produce complex geometries not possible through casting or machining
- Near-net-shape manufacturing reduces material waste
- Higher performance metals and alloys can be used
- Consistent porosity structures not possible in ingot metallurgy
- Components can be mass customized
Limitations of Powder Production and Processing
- Capital investment for production and handling equipment is very high
- Increased surface area makes handling pyrophoric reactive powders risky
- Achieving high compaction densities can require high pressures
- Additional process steps compared to casting
- Portability of AM machines due to powder being LO/NO
Here is a quick comparison of powder metallurgy against the conventional casting process:
Paramètres | Métallurgie des poudres | Casting |
---|---|---|
Formes complexes | ✅ Excellent for layered AM builds | Limited for typical castings |
Propriétés mécaniques | Can approach cast properties after Hot Isostatic Pressing | ✅ Predictable properties |
Durée du cycle | Slower process for AM methods | ✅ Faster for volume production |
Précision dimensionnelle | Varies, depends on post-processing | Very good for precision investment castings |
Equipment costs | Very high for industrial AM machines | ✅ Lower capital costs |
Types of metals | Continually expanding options | ✅ Broadest selection |
![Metal Powder Production 11 production de poudres métalliques](https://met3dp.com/wp-content/uploads/2023/10/CoCrMoW-Powder.jpg)
FAQ
Q: What is the typical particle size range used in metal 3D printing powders?
A: In powder bed technologies like selective laser melting (SLM) and electron beam melting (EBM), the optimal particle size range is 15-45 microns. Finer powders improve resolution but can be challenging to handle and process.
Q: What determines morphology of metal powders from different methods?
A: Production factors like intensity of melt stream breakdown forces from gas jets or water impacts and subsequent cooling rates determine particle shapes. Faster cooling produces irregular, dendritic particles while slower solidification (spherical atomization) enables smooth rounded structures.
Q: Why is high purity important for metal powders in additive manufacturing?
A: Impurities can cause defects, porosity issues, alter alloy microstructures, reduce density, affect performance under loads and temperatures – negatively impacting mechanical properties. Target oxygen levels below 500 ppm and nitrogen levels below 100 ppm have become typical.
Q: How are metal powders handled safely during transportation and storage?
A: Reactive metal powders are passivated to create oxidized surfaces minimizing flammability risk. Powders are sealed in drums under inert gases like argon instead of air during shipment to prevent ignition. Storage containers must be properly grounded. Personnel wear specialized PPE while handling.
Q: What are common powder characterization methods?
A: Hall flowmetry, tap density tests, pycnometry, LOI testing, spectrographic analysis, metallography and particle size distribution using laser or sieve techniques are vital to quantifying behavior, building quality process control for metal powder production and assessing batch suitability for given applications.
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