Metaalpoederproductie

Overzicht

Metaalpoeders zijn fijne metaaldeeltjes die worden gebruikt als grondstof voor productietechnieken zoals additieve productie, metaalspuitgieten en poedermetallurgisch persen en sinteren. Het produceren van geavanceerde speciale metaalpoeders met precieze controle over de chemie, deeltjesgrootteverdeling, morfologie en microstructuur is cruciaal voor de eigenschappen van afgewerkte componenten.

Er zijn verschillende methoden die gebruikt worden voor grootschalige productie van metaalpoeder uit verschillende legeringssystemen, waaronder:

• Gasverneveling
• Waterverneveling
• Plasma-verneveling
• Elektrode-inductie smeltgasverstuiving
• Proces met roterende elektrode
• Carbonylproces
• Elektrolytisch proces
• Metaalreductieprocessen

Elk proces resulteert in poeders met verschillende eigenschappen die geschikt zijn voor specifieke toepassingen.

Productiemethoden voor metaalpoeder

Metaalpoeder Productie methodes

Er zijn verschillende commerciële methoden die worden gebruikt voor het produceren van metaalpoeders uit verschillende legeringssystemen. De keuze van de productiemethode hangt af van factoren zoals:

• Type legeringsmateriaal
• Zuiverheidseisen
• Gewenste poederkenmerken zoals deeltjesgrootte, vorm, korrelstructuur
• Productieschaal in ton per jaar
• Eindtoepassing poeder

Hier zijn enkele van de meest voorkomende industriële processen voor metaalpoederproductie:

Verstuiving van gas

Bij het gasatomisatieproces wordt een stroom gesmolten metaallegering uiteengereten door gasstralen onder hoge druk, meestal stikstof of argon. De metaalstroom valt uiteen in fijne druppeltjes, die stollen tot poederdeeltjes.

Gasvernevelde poeders hebben een bolvorm en een gladde oppervlaktemorfologie. De deeltjesgrootteverdeling kan worden geregeld door de procesparameters aan te passen. Dit is een veelgebruikte techniek voor reactieve materialen zoals titanium, aluminium, magnesiumlegeringen en roestvast staal, gereedschapsstaal en nikkelsuperlegeringen.

Waterverneveling

Bij waterverstuiving wordt de stroom gesmolten metaal geraakt door waterstralen met hoge snelheid. De plotselinge afkoeling veroorzaakt een explosie die het metaal in fijne deeltjes breekt. De poeders hebben een onregelmatige vorm en bevatten een hoger zuurstofgehalte door het contact met water.

Waterverstuiving is een goedkoper proces dat wordt gebruikt voor het produceren van grote hoeveelheden roestvrij staal, gelegeerd staal, ijzer- en koperpoeders voor pers- en sintertoepassingen.

Plasmaverstuiving

Bij het plasmaatomisatieproces wordt een plasmatoorts gebruikt om de metaallegering te smelten voordat deze uiteenvalt in fijne druppeltjes door middel van gasstralen. Door de ultrahoge temperaturen kunnen zeer reactieve elementen zoals titaniumaluminiden met succes worden geatomiseerd.

De poeders hebben een zeer sferische vorm en een smalle grootteverdeling die geschikt is voor additieve productiemethoden zoals lasersmelten en smelten met elektronenbundels.

Roterend Elektrode Proces (REP)

Bij het roterende elektrodeproces wordt een cilindrische metalen elektrode op hoge snelheid rondgedraaid in een geëvacueerde kamer. Het wordt gesmolten met behulp van een elektrische boog en de gesmolten metaaldruppels die door middel van centrifugale krachten worden weggeslingerd, koelen af tot poeders.

REPoeders hebben een korrelstructuur en morfologie die ideaal is voor warme extrusie tot fijne draden en staven voor luchtvaartlegeringen zoals wolfraam, molybdeen, tantaal.

Elektrode-inductie gasverstuiving (EIGA)

Het EIGA-proces maakt gebruik van inductieverwarming om verbruikbare elektrodepunten te smelten in een inerte gasatmosfeer. De druppels ondergaan secundaire gasverstuiving door argonstralen tot fijne bolvormige poeders.

EIGA maakt zeer hoge zuiverheid van reactieve nikkelsuperlegeringen mogelijk voor kritieke luchtvaartonderdelen door gecontroleerd smelten en minimaliseren van vervuiling.

Carbonylproces

In het carbonylproces wordt metaal omgezet in een vluchtig carbonyl, dat onder gecontroleerde omstandigheden ontleedt tot uniforme, ultrafijne metaaldeeltjes. Deze aanpak is geschikt voor het produceren van zeer zuivere ijzer-, nikkel- en kobaltpoeders.

Andere poederproductiemethoden

Enkele andere technieken die worden gebruikt voor de productie van speciale metaalpoeders zijn:

• Elektrolytisch proces: Gebruikt voor het produceren van onregelmatig gevormde koper- en nikkelpoeders met dendritische morfologie door middel van elektrodepositieproces
• Metaalreductieprocessen: Reductie van metaaloxiden met behulp van waterstof of koolstof om titaan-, zirkonium-, wolfraam- en molybdeenpoeders te produceren
• Mechanisch legeren: Hoge energie kogelmalen om samengestelde en nanogestructureerde legeringen te synthetiseren

Metaalpoeder Specificaties

Kritische kwaliteitsattributen en specificaties die getest worden voor metaalpoeders hangen af van de productiemethode en de eindtoepassing, maar omvatten meestal:

Poederchemie

• Samenstelling van de legering met optische emissie- of röntgenfluorescentiespectroscopie
• Minder belangrijke legeringselementen
• Onzuiverheidselementen zoals zuurstof, stikstof, waterstof
• Verlies bij ontsteking testen bij hoge temperatuur

Deeltjesgrootteverdeling

• Volume gemiddelde deeltjesgrootte
• Distributiebreedtes zoals D10, D50, D90

Karakterisering deeltjesvorm

• Rasterelektronenmicroscopie voor morfologie
• Vormfactoren zoals hoogte-breedteverhouding en vormfactor

Microstructuur

• Aanwezige fasen met röntgendiffractie
• Korrelkarakteristieken van beeldvorming

Poeder eigenschappen

• Schijnbare/tikdichtheid
• Debiet door Hall flowmeter trechtertests
• Samendrukbaarheidsniveaus

De specificatievereisten voor poeders variëren sterk afhankelijk van het eindgebruik in verschillende toepassingen:

Karakterisatiemethoden

Er zijn verschillende analysemethoden die gebruikt worden om de eigenschappen van metaalpoeders te karakteriseren die essentieel zijn voor productprestaties:

Deeltjesgrootteanalyse

Laserdiffractiemethoden worden het meest gebruikt om de deeltjesgrootteverdeling te karakteriseren. Bij deze techniek wordt een laserstraal door een gedispergeerd poedermonster gestuurd dat licht verstrooit onder een hoek die afhankelijk is van de deeltjesgrootte. Computeranalyse van het diffractiepatroon levert binnen enkele seconden gedetailleerde statistisch relevante gegevens over de grootteverdeling.

Morfologie en oppervlaktebeeldvorming

Scanning elektronenmicroscopie (SEM) levert beelden met hoge resolutie van de vorm van poederdeeltjes, oppervlaktetopografieën en kenmerken bij een veel hogere vergroting en focusdiepte dan optische microscopie.

SEM-beeldvorming wordt gebruikt om de deeltjesafronding, satellietvorming, oppervlaktegladheid en defecten zoals porositeit te bestuderen.

Meting van dichtheid en vloei-eigenschappen

Er zijn standaardtestmethoden vastgesteld om het bulkgedrag te kwantificeren met behulp van:

• Hall flowmetertrechter om poederdoorstroming door een opening te meten
• Carney trechter om de stroombaarheid te beoordelen aan de hand van de hellingshoek
• Scott volumeter om de tapdichtheid en samendrukbaarheid te bepalen

Deze methoden helpen bij het voorspellen van het gemak van hanteren, mengen, vullen en spreiden tijdens de productie van componenten.

Röntgenmethoden voor samenstelling en kristalstructuur

• Röntgenfluorescentiespectroscopie identificeert en kwantificeert nauwkeurig de elementaire samenstelling van metalen.
• Röntgendiffractie analyseert de aanwezige atomaire rangschikkingen en fasen aan de hand van diffractiepiekpatronen

Toepassingen van metaalpoeders

Enkele belangrijke eindtoepassingen van metaalpoeders zijn:

Additieve productie

Ook bekend als 3D-printtechnieken zoals selective laser melting (SLM), direct metal laser sintering (DMLS) en electron beam melting (EBM) om complexe geometrieën te bouwen van titanium, aluminium, roestvrij staal, superlegering, kobaltchroompoeders.

Metaalspuitgieten (MIM)

Poeders zoals roestvast staal, titaniumlegeringen en gereedschapsstaal worden gecombineerd met een bindmiddel, spuitgegoten en vervolgens gesinterd om kleine, complexe onderdelen in grote volumes tegen lagere kosten te produceren.

Poedermetallurgie Pers en Sinter

Verdichten en sinteren van ijzer-, koper- en gelegeerde staalpoeders tot componenten met een hoog volume, zoals tandwielen, bussen en magneten.

Er zijn ook nichetoepassingen op gebieden zoals lassen, diamantgereedschappen, elektronica en oppervlaktecoatings die speciale metaalpoeders gebruiken.

Leveranciers en prijzen

Enkele toonaangevende wereldwijde leveranciers van verschillende metaalpoeders zijn:

De prijs van metaalpoeders varieert sterk:

• Materiaal en samenstelling van de legering
• Gebruikte productiemethode
• Verwerking om deeltjeseigenschappen te verkrijgen
• Zuiverheidsniveaus en mate van verontreiniging
• Inkoopvolumes - contracten met zeer grote volumes brengen lagere prijzen met zich mee

Typische basisprijzen per kilogram zijn:

De prijzen gaan aanzienlijk omhoog voor sterk aangepaste deeltjesgrootteverdelingen, gecontroleerde zuurstof- en stikstofniveaus onder 100 ppm en aankopen van kleine hoeveelheden.

Voordelen en beperkingen van poedermetallurgie

Voordelen van poedermetallurgie

• Mogelijkheid om complexe geometrieën te produceren die niet mogelijk zijn door gieten of machinaal bewerken
• Near-net-shape productie vermindert materiaalverspilling
• Metalen en legeringen met hogere prestaties kunnen worden gebruikt
• Consistente poreusheidsstructuren die niet mogelijk zijn in de metallurgie van ingots
• Componenten kunnen in massa worden aangepast

Beperkingen van poederproductie en -verwerking

• Kapitaalinvestering voor productie- en verwerkingsapparatuur is zeer hoog
• Verhoogd oppervlak maakt het hanteren van pyrofore reactieve poeders riskant
• Om een hoge verdichtingsdichtheid te bereiken, kan een hoge druk nodig zijn.
• Extra processtappen vergeleken met gieten
• Draagbaarheid van AM-machines doordat het poeder LO/NO is

Hier is een snelle vergelijking van poedermetallurgie met het conventionele gietproces:

Veelgestelde vragen

V: Wat is de typische deeltjesgrootte die wordt gebruikt in metalen 3D printpoeders?

A: Bij poederbedtechnologieën zoals selectief lasersmelten (SLM) en elektronenbundelsmelten (EBM) is het optimale deeltjesgroottebereik 15-45 micron. Fijnere poeders verbeteren de resolutie, maar kunnen lastig te hanteren en verwerken zijn.

V: Wat bepaalt de morfologie van metaalpoeders met verschillende methoden?

A: Productiefactoren zoals de intensiteit van de afbraakkrachten van de smeltstroom door gasstralen of waterinslagen en de daaropvolgende afkoelsnelheden bepalen de deeltjesvorm. Snellere afkoeling produceert onregelmatige, dendritische deeltjes, terwijl langzamere stolling (bolvormige atomisatie) gladde, ronde structuren mogelijk maakt.

V: Waarom is een hoge zuiverheidsgraad belangrijk voor metaalpoeders in additieve productie?

A: Onzuiverheden kunnen defecten en porositeitsproblemen veroorzaken, de microstructuur van legeringen wijzigen, de dichtheid verminderen en de prestaties onder belastingen en temperaturen beïnvloeden - met negatieve gevolgen voor de mechanische eigenschappen. Streefwaarden voor zuurstof onder 500 ppm en stikstof onder 100 ppm zijn inmiddels gebruikelijk.

V: Hoe worden metaalpoeders veilig behandeld tijdens transport en opslag?

A: Reactieve metaalpoeders worden gepassiveerd om geoxideerde oppervlakken te creëren die het risico op ontvlambaarheid minimaliseren. Poeders worden verzegeld in vaten onder inerte gassen zoals argon in plaats van lucht tijdens transport om ontsteking te voorkomen. Opslagcontainers moeten goed geaard zijn. Personeel draagt speciale persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) tijdens het hanteren.

V: Wat zijn gangbare poederkarakterisatiemethoden?

A: Hall flowmetrie, tapdichtheidstests, pyknometrie, LOI-tests, spectografische analyse, metallografie en deeltjesgrootteverdeling met behulp van laser- of zeeftechnieken zijn van vitaal belang voor het kwantificeren van gedrag, het opbouwen van kwaliteitsprocescontrole voor metaalpoederproductie en het beoordelen van de geschiktheid van batches voor bepaalde toepassingen.

ken meer 3D-printprocessen