Распыление металлических порошков

Распыление металлических порошков является критической технологией для производства тонких металлических порошков со специальными характеристиками. В данном руководстве рассматриваются основы, методы, области применения и коммерческий ландшафт распыления металлических порошков.

Что такое распыление металлических порошков?

Распыление металлических порошков относится к промышленным процессам, которые превращают расплавленные металлические сплавы в мелкие жидкие капли, быстро затвердевающие в порошковые частицы.

Она включает в себя:

• Переплавка металлов в жидкое состояние
• Генерирование потока расплавленного металла
• Разбиение металла на отдельные капли
• Застывание капель в порошок
• Сбор и просеивание порошка

Распыление используется для получения металлических порошков с уникальными составами, размерами, формами и микроструктурами, подходящими для современных применений.

Основные преимущества распыления

• Нестандартные составы сплавов
• Контролируемые размеры частиц
• Сферические формы порошка
• Бездефектная порошковая металлургия
• Новые микроструктуры
• Нестандартные свойства порошка

К распространенным материалам, получаемым методом распыления, относятся различные системы сплавов:

• Нержавеющие стали
• Инструментальные стали
• Кобальтовые сплавы
• Никелевые сплавы
• Титановые сплавы
• Вольфрамовые сплавы
• Драгоценные металлы

Методы распыления металлических порошков

Существует 5 основных коммерческих технологий распыления:

Газовая атомизация

• Использует струи инертного газа под давлением
• Распространенные газы: Азот, аргон, гелий
• Получает сферические, гладкие порошки

Распыление воды

• Использует струи воды под высоким давлением
• Более низкая скорость охлаждения по сравнению с газом
• Неправильные формы порошка

Центробежное распыление

• Расплавленный металл выливается на вращающийся диск
• Экономичное производство порошка
• Средняя скорость охлаждения

Ультразвуковое распыление

• Использует ультразвуковые колебания
• Специализированный лабораторный метод
• Производство наночастиц

Индукционная плавка электродов

• Испарение электрода в инертном газе
• Ограниченные нишевые применения
• Снижение производительности

Сравнение методов распыления

Метод	Форма частиц	Диапазон размеров	Производительность	Стоимость
Газовая атомизация	Сферическая	10-150 мкм	Высокая	Высокая
Распыление воды	Нерегулярный	20-400 мкм	Очень высокий	Низкий
Центробежное распыление	Полусферический	20-250 мкм	Средний	Средний
Ультразвуковое распыление	Сферическая	1-100 нм	Очень низкий	Высокая
Индукционная плавка электродов	Смешанные	10-100 мкм	Низкий	Средний

Распыление металлических порошков Процесс

Промышленное распыление металлического порошка включает в себя серию строго контролируемых этапов в инертной атмосфере:

1. Выбор сырья

• Чистые металлы или основные сплавы

2. Плавление

• Вакуумная индукционная плавка до 2000°C
• Точные данные о химическом составе сплава

3. Распыление

• Заливка расплавленного металла в зону распыления
• Разбивание металлической струи на капли
• Закалка и застывание капель

4. Коллекция пудры

• Отстойная камера для сбора порошка
• Циклонные сепараторы

5. Просеивание

• Классификация порошка по размеру фракций
• Дальнейший отжиг при необходимости

6. Контроль качества

• Отбор проб и испытания в соответствии со стандартами
• Упаковка и отправка

Производственная среда не должна загрязняться кислородом или влагой. Такие рабочие параметры, как температурные профили, давление газа и динамика потока, тщательно контролируются.

Применение распыления металлических порошков

Среди основных областей применения распыляемого металлического порошка можно назвать следующие:

Аддитивное производство

• Селективное лазерное плавление
• Струйная обработка вяжущего
• Электронно-лучевая плавка

Литье металлов под давлением

Термические напыляемые покрытия

Горячее изостатическое прессование

Паяльные материалы

Катализаторы

Порошковая металлургия

• Инструменты для прессования и спекания
• Высокопроизводительные детали
• Пористые структуры
• Мягкие магнитные композиты

Атомизированный порошок позволяет использовать новые технологии, такие как аддитивное производство, во всех отраслях промышленности:

Промышленность	Приложения	Преимущества
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, крыльчатки, компоненты планера.	Высокое соотношение прочности и массы
Автомобильная промышленность	Шестерни, шатуны, детали шасси	Повышение эффективности
Медицина	Замена суставов, имплантаты, прецизионные инструменты	Биосовместимость
Электроника	Экранирование, контакты, датчики	Повышенная производительность
Нефть и газ	Скважинный инструмент, арматура	Износостойкость и коррозионная стойкость

Материалы для распыления металлических порошков

Многие системы сплавов и типы материалов обрабатываются методом распыления:

Нержавеющие стали

• Аустенитные марки, такие как 304, 316, 317
• Ферритные и мартенситные сорта
• Возможны композиции на заказ

Инструментальные стали

• Марки H13, P20, D2, M2
• Высокая износостойкость
• Высокая твердость после термической обработки

Кобальтовые сплавы

• Биомедицинские сплавы CoCrMo
• Износостойкие сплавы StelliteTM

Никелевые сплавы

• Коррозионностойкие сплавы, такие как Inconel 625
• Жаропрочные суперсплавы

Титановые сплавы

• Титан 5 класса Ti6Al4V
• Коммерчески чистый титан

Тугоплавкие металлы

• Ниобий, молибден, вольфрам
• Очень высокие температуры плавления

Распыление металлического порошка: Технические характеристики

Важнейшие характеристики распыляемых металлических порошков включают:

Распределение частиц по размерам

• Обычно от 10 до 150 микрон
• Метод нанесения определяет идеальный размер
• Просеивание позволяет классифицировать нужные фракции

Форма частиц

• Сферические, гладкие морфологии
• Влияние на уплотнение, текучесть

Химия

• Точно подобранные композиции
• Нестандартные сплавы, разработанные с учетом свойств

Плотность

• Теоретическая плотность до 98%
• Моделирование оптимизации плотности

Площадь поверхности

• Относительно высокая площадь поверхности
• Влияет на реактивность, растворимость

Микроструктура

• Контролируемые размеры зерен и фаз
• Динамика быстрого затвердевания

Параметр	Значение	Техника измерения
Распределение частиц по размерам	Контролирует технологичность последующих процессов	Лазерный дифракционный анализатор размеров частиц
Форма частиц	Влияет на плотность и поведение потока	Сканирующая электронная микроскопия
Химия	Достижение целевых показателей по материалам	Оптическая эмиссионная спектрометрия, масс-спектроскопия ICP
Плотность	Связанные с достижимыми свойствами	Газовая пикнометрия, тестер кажущейся плотности
Площадь поверхности	Влияет на реакционную способность и растворимость	Анализатор площади поверхности поглощения газа
Микроструктура	Определяет механические свойства	Рентгеновская дифракция, металлография

Анализ затрат на распыление металлических порошков

Атомизированный металлический порошок дороже обычного сырья из-за необходимости специальной обработки:

• Мелкосерийное производство
• Комплексный контроль качества
• Этапы работы с ручным инструментом
• Обслуживание оборудования
• Расходные материалы и энергия
• Возмещение расходов на НИОКР

Факторы, определяющие затраты:

• Стоимость металла в сырье
• Соответствие качеству
• Размер заказа
• Размер частиц
• Экзотические сплавы

Экономика:

• Сырьевые материалы: 30% от общей стоимости
• Обработка: 70% от общей стоимости

Ценовые диапазоны:

Материал	Цена за кг
Нержавеющие стали	$20-$250
Инструментальные стали	$25-$150
Титановые сплавы	$70-$1000
Кобальтовые сплавы	$100-$500
Никелевые сплавы	$100-$2000
Вольфрамовые сплавы	$800-$5000

Жизнеспособность бизнеса зависит от максимальной загрузки производственных мощностей и сквозной производительности.

Распыление металлических порошков: Плюсы и минусы

Преимущества распыления металлических порошков

• Отличные характеристики потока
• Узкий гранулометрический состав
• Настраиваемые составы сплавов
• Возможна сферическая форма порошка
• Контролируемые микроструктуры
• Обеспечивает развитие новых технологий

Проблемы распыления металлических порошков

• Высокая стоимость производства
• Ограниченные размеры партий
• Строгие меры безопасности
• Комплексное соответствие качеству
• Опыт работы квалифицированным оператором жизненно необходим
• Дорогостоящая разработка методом проб и ошибок
• Работа с мелкими реактивными порошками

Прогресс продолжает расширять горизонты специальных материалов, изготовленных методом распыления.

Вопросы и ответы

Вопрос: Как распыляются металлические порошки?

О: Металлические порошки распыляются путем разбивания потока расплавленного металла на мелкие капли с помощью газовых струй, струй воды или центробежных сил, которые быстро затвердевают в порошок.

Вопрос: Что такое распыление воды?

О: При распылении воды тонкая струя расплавленного металлического сплава подвергается воздействию струй воды под высоким давлением, которые разбивают ее на мелкие капли. Капли, проходя через воду, застывают в порошковые частицы неправильной формы.

Вопрос: Какие металлы можно распылять в порошки?

О: Многие технические металлы, такие как инструментальные стали, нержавеющие стали, никелевые сплавы, титановые сплавы, вольфрамовые сплавы и драгоценные металлы, могут быть распылены в тонкие сферические порошки или порошки неправильной формы с помощью соответствующих методов.

Вопрос: Каких размеров частиц можно добиться распылением металлического порошка?

О: Обычное распыление металлических порошков позволяет получать порошки размером от 10 микрон до более 150 микрон. Специализированные сопла и условия обработки позволяют получать частицы размером менее 5 микрон.

Вопрос: Сколько стоит распыление металлического порошка?

О: В связи с небольшими объемами и наличием специализированного оборудования стоимость распыляемого металлического порошка в пересчете на единицу веса в 5-10 раз выше, чем стоимость стандартного металлического сырья. В зависимости от состава и качества цена варьируется от $50 за кг до более чем $2000 за кг.

Вопрос: Можно ли одновременно распылять несколько металлов в сплав?

О: Да, атомизация позволяет плавить и легировать различные металлы в индивидуальные композиции, которые застывают в порошок сплава с желаемым соотношением элементов и улучшенными металлургическими свойствами.

Вопрос: Какие опасности связаны с распылением металлического порошка?

О: Мелкие металлические порошки могут самовозгораться, взрываться или быть токсичными при вдыхании. Строгие протоколы безопасности по продувке инертным газом, взрывозащищенное электрооборудование, сопла под давлением, аварийная вентиляция и СИЗ для оператора соблюдаются.

Вопрос: Какие машины используются для распыления металлического порошка?

A: Основное оборудование для распыления металлического порошка включает вакуумные индукционные печи, системы заливки промковша, газовые и водоструйные форсунки, распылительные башни, циклоны-сепараторы, просеивающие машины, печи для сушки порошка и станции просеивания.

Заключение

Распыление металлического порошка - сложная, многогранная технология производства, необходимая для разработки новых материалов, пересекающих границы отрасли. Постоянные металлургические проблемы продолжают стимулировать совершенствование процесса путем проведения обширных трибологических исследований и испытаний установок. При более широком сотрудничестве в цепочке создания стоимости металлических порошков с использованием новейших технологий автоматизации распыление обещает повысить уровень производства, а не устранить его.

узнать больше о процессах 3D-печати