Распыляемые металлические порошки: применение, характеристики и сравнение

Атомизированные металлические порошки для таких методов производства, как аддитивное производство и термическое напыление, требуется сырье с заданными размерами, формой и металлургическими свойствами частиц. В данном руководстве рассматриваются производственные процессы, спецификации, подходящие металлы, способы применения, выбор поставщика и альтернативы коммерческим распыляемым порошкам.

распыляемые металлические порошки Обзор

Распыление превращает потоки расплавленного металла в мелкие сферические капли, быстро охлаждающиеся до порошкообразного состояния. Ключевые преимущества по сравнению с такими альтернативами, как химическое осаждение, включают:

• Контролируемый гранулометрический состав от 10 до 300+ микрон
• Способность обрабатывать реактивные сплавы в атмосфере инертного газа
• Быстрое затвердевание позволяет получить более тонкие микроструктуры
• Низкий уровень примесей кислорода и азота
• Экономическая эффективность благодаря высокому выходу порошка на уровне 50%+
• Возможность подготовки большинства коммерческих металлов и сплавов

Понимание доступных методов производства, технических характеристик, областей применения и экономики позволяет правильно использовать преимущества и ограничения распыления при выборе металлических порошков.

Методы распыления металлических порошков

Промышленные масштабы требуют распыления с помощью газа, воды или центробежных процессов:

Метод	Описание	Используемые металлы	Размеры частиц
Газ	Сверхзвуковые струи инертного газа превращают поток металла в порошок	Наиболее распространенные. Совместимость с реактивными материалами	10 мкм - 150 мкм
Вода	Вода под высоким давлением разрушает расплавленный металл, подвергая его быстрой закалке	В основном медь и железо. Ограниченное количество реактивных материалов	5 мкм - 350 мкм
Центробежный	Расплавленный металл вытекает из вращающегося диска. Быстро охлаждается и превращается в порошок.	Совместим с большинством металлов. Низкая реакционная способность	45 мкм - 1 мм+

Таблица 1. Технологии распыления в промышленных масштабах для получения металлических порошков наряду с выходными признаками

Каждый метод обеспечивает уникальные преимущества, связанные с размерами частиц, выходом порошка, скоростью закалки и совместимостью с обширным спектром металлов.

Металлы и сплавы, совместимые с распылением

Атомизация эффективно обрабатывает большинство коммерческих металлов и сплавов, включая:

• Титановые сплавы, содержащие алюминий и ванадий
• Суперсплавы, такие как никелевый сплав Inconel и кобальтовые сплавы Haynes
• Высокотемпературные металлы, такие как молибден, вольфрам и тантал
• Реактивные элементы, такие как хром и марганец
• Драгоценные металлы, включая золото, серебро и платину
• Тугоплавкие металлы: ниобий, цирконий и гафний
• Распространенные аустенитные сорта нержавеющей стали 316L и 304L

Сильная химическая реактивность в расплавленном состоянии ограничивает возможности применения некоторых элементарных металлов, таких как чистый марганец или хром. Но смешивание в сплавы смягчает недостатки реактивности за счет совместимости с распылением, что является преимуществом по сравнению с другими подходами к производству порошков.

Характеристики и свойства Распыляемые металлические порошки

Распыление позволяет получать металлические порошки с индивидуальными характеристиками, отвечающими требованиям производственного процесса:

Распределение частиц по размерам

• Возможность настройки размеров от 10 микрон до 1 мм, просеивание на точные фракции

Форма частиц

• Преимущественно сферическая морфология, особенно при распылении в инертном газе

Внутренняя пористость

• Быстрое затвердевание и инертная обработка сводят к минимуму образование пустот и улавливание газов

Химическая чистота

• 99%+ достижимо для материалов, распыляемых инертным газом. При распылении водой этот показатель несколько ниже.

Оксид поверхности

• Водное распыление захватывает в 5-15 раз больше поверхностных загрязнений кислородом по сравнению с инертными средствами защиты при распылении

Микроструктурные фазы

• Округленные благодаря быстрой закалке по сравнению с аналогами из литых слитков

Способность оптимизировать параметры размера и формы частиц при сохранении высокой химической чистоты и благоприятной микроструктуры позволяет использовать распыляемые металлические порошки в качестве сырья для аддитивного производства, где эти характеристики оказывают решающее влияние на успешность процесса и качество конечных деталей.

Характеристики размеров металлических порошков, полученных в результате распыления

Партии распыленного металлического порошка классифицируются по распределению частиц по размерам. Обычные размеры сит включают:

Сетка	Размер микрона	Типичное использование
+100	>150 мкм	Компоненты и покрытия для термического напыления
-100 +325	105 - 150 мкм	Прекурсоры для горячего изостатического прессования
-325/+500	32 - 105 мкм	Струйное/холодное напыление 3D-печати
-500	<32 мкм	Аддитивное производство с применением порошкового напыления

Таблица 2. Категории размеров частиц для классифицированных распыляемых металлических порошков в соответствии с совместимостью производственных процессов

Большинство запатентованных систем распыления нацелены на 50 %+ выход порошка, собранного в соответствии со спецификациями производственного класса после отсеивания фракций с избыточным и недостаточным размером, возвращаемых в поток технологического расплава.

Спецификации промышленности для распыляемых металлических порошков

Различные ассоциации поддерживают стандарты состава, химических и физических свойств для коммерческих металлических порошков, включая:

Сущность	Стандартный номер	Охватываемые металлы
ASTM International	F3049	Титан и титановые сплавы
ASTM International	F3056	Никель и никелевые сплавы
ASM International	MMPDS-06	Свойства различных металлических материалов
APMI Int'l	ANSI/APMI B.101	Медь и медные сплавы

Таблица 3. Торговые группы, предлагающие спецификации, применимые к просеянным химическим веществам и порошковым метрикам, полезным для обеспечения качества распыляемых материалов

Кроме того, отдельные производители предоставляют узкоспециализированные спецификации, охватывающие уникальные сплавы или специальные характеристики, такие как максимальные пороговые значения кислорода или азота, необходимые для реактивной обработки сплавов.

Анализ областей сертификации гарантирует, что стандарты должным образом охватывают обязательные для покупателя окна состава, приемлемые характеристики порошка, такие как скорость потока в зале и уровни химической чистоты, соответствующие как возможностям распыления, так и требованиям последующего производственного процесса.

Применение и использование распыляемого металлического порошка

Являясь основным сырьем для промышленного производства, основные области применения металлического порошка включают:

Аддитивное производство

• Аэрокосмические компоненты – лопатки турбин, аэродинамические профили
• Медицинские имплантаты – тазобедренные, коленные и зубные протезы
• Инструментальная оснастка – Легкие пресс-формы для литья пластмасс с конформным охлаждением
• Химические реакторы – Структурированные каталитические опоры с высокой площадью поверхности

Термическое напыление

• Нефть & газовые антикоррозионные покрытия – скважинный инструмент
• Поверхности печатных валов, устойчивые к истиранию
• Замена хромированных автомобильных поверхностей
• Формы для архитектурного стекла с высокой степенью разделения и низким коэффициентом трения

Порошковая металлургия

• Автомобильные трансмиссии и компоненты двигателей
• Постоянные магниты в двигателях и датчиках
• Алмазные пластины и режущие инструменты
• Электрические контакты, использующие специфическую проводимость

Основное сырье подходит для любых задач, требующих комбинированного химического состава и изысканной текстуры порошка, способного консолидироваться в конечные геометрические формы.

Производители и поставщики распыляемых металлических порошков

Ведущие мировые поставщики, предоставляющие возможности распыления для медицинских, аэрокосмических и промышленных рынков, включают:

Компания	Расположение
Sandvik	Швеция
Технология столярных работ	Соединенные Штаты
Praxair	Соединенные Штаты
Höganäs	Швеция
PyroGenesis	Канада
Erasteel	Франция

Таблица 4. Известные производители, предлагающие производство металлического порошка методом распыления по различным технологиям

Вторичные брокеры также распространяют порошки, но лучшие практики закупают их непосредственно на заводах, обеспечивая прослеживаемость партий и исключая риски загрязнения качества материалов между основными производителями и изготовителями конечных деталей.

Ценообразование для Распыляемые металлические порошки

Цены варьируются в зависимости от состава, гранулометрического состава, объема производства и качества:

Материал	Цена за килограмм
Титан Ti64	$50 - $150
Никелевые суперсплавы	$50 - $250
Нержавеющие стали	$5 - $30
Инструментальные стали	$2 - $15

Нишевые сплавы, производимые небольшими партиями, требуют более высоких цен, компенсирующих переналадку печей. Товарные металлы, такие как нержавеющая сталь, перерабатываемые в больших объемах, предлагают самую низкую стоимость. Но покупатели проверяют справедливость относительной стоимости, сравнивая получаемое повышение производительности с использованием в конечных компонентах.

Плюсы и минусы атомизированного металлического порошка

Преимущества распыляемых металлических порошков:

• Контролируемое распределение частиц по размерам при коммерческих объемах производства
• Сферическая морфология порошка, полученная в процессе обработки инертным газом
• Быстрое затвердевание и инертная обработка обеспечивают химическую чистоту
• Адаптируется к широкому спектру потребностей в сырье для специальных сплавов

Ограничения рассмотреть:

• увеличение стоимости сырья в 10-100 раз по сравнению с коваными изделиями
• Ограниченная гибкость по требованию при длительных сроках выполнения заказа
• Необходимо обратить внимание на то, чтобы не завышать требования к качеству порошка или его стоимости

Правильное сопоставление преимуществ и ограничений позволяет избежать чрезмерных расходов на использование технологий, не приносящих ощутимой пользы клиентам.

Сравнение с другими методами производства металлических порошков

Компромиссы между распространенными подходами к производству металлических порошков:

Метод	Масштабируемость	Стоимость	Чистота	Контроль частиц	Ограничения по металлам
Распыление	Очень высокий	$$$$	Высокая	Отличный	Некоторые элементарные металлы
HDH	Низкий	$	Средний	Бедный	Пирофоры
Электролиз	Высокая	$$	От среднего до высокого	Умеренный
Химические осадки	Высокая	$	Средний	Бедный

Таблица 5. Качественное сравнение методов производства металлических порошков в промышленных масштабах

Несмотря на значительные объемы производства при оптимальных характеристиках порошка, распыление требует ценовых надбавок, что может ограничить его применение в таких чувствительных к затратам отраслях, как автомобилестроение.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Какова основная цель распыления металлических порошков?

О: Точное управление параметрами размера и формы частиц, которые в других технологиях могут быть произвольными, в соответствии с жесткими требованиями процессов аддитивного производства.

В: Сохраняют ли переработанные металлические порошки свои первоначальные свойства?

О: Да, такие факторы, как захват кислорода и микроструктурные фазы, остаются практически неизменными, что позволяет использовать их повторно, дополняя порошки, полученные в результате первичной обработки.

Вопрос: Можно ли с помощью газового распыления получить порошок размером менее 10 микрон?

О: Возможно очень тонкое распределение, менее 5 микрон, но при очень низком выходе неэкономично для коммерческого использования в аддитивном производстве, так как площадь поверхности определяет реакционную способность.

В: В каких отраслях промышленности используются распыляемые металлические детали?

О: Аэрокосмическая промышленность, медицина, автомобилестроение, нефтегазовая отрасль - все они используют индивидуальные сплавы и микроструктуры, полученные благодаря уникальности процесса распыления.

узнать больше о процессах 3D-печати