Введение в распыляемые порошки

Атомизированный порошок - это тип порошка металла или сплава, изготовленного методом распыления, при котором расплавленный металл превращается в мелкие капли, застывающие в порошковые частицы. Этот метод производства порошка позволяет точно контролировать такие характеристики порошка, как размер, форма и состав частиц.

Atomiзелёные порошки стали важным материалом в таких отраслях, как автомобильная, аэрокосмическая, медицинская, 3D-печать и других, благодаря своим уникальным свойствам и возможностям. В этой статье представлено полное руководство по распыляемому порошку, включая обзор вариантов состава, ключевых свойств, методов производства, областей применения, спецификаций, критериев выбора, основных мировых поставщиков и часто задаваемых вопросов.

распыляемые порошки Состав

Атомизированный порошок может быть произведен из различных металлов и сплавов с индивидуальным составом для достижения желаемых характеристик материала. Распространенные базовые материалы, используемые для производства распыляемого порошка, включают:

Материал металл	Типичные легирующие элементы
Алюминий	Кремний, магний, цинк, медь
Кобальт	Хром, вольфрам, молибден
Медь	Олово, цинк, кремний, хром
Железо	Никель, кремний, хром, молибден
Никель	Хром, молибден, кобальт
Титан	Алюминий, ванадий, железо
Вольфрам	Медь, железо, никель

Легирующие элементы добавляются для достижения повышенной прочности, твердости, износостойкости, высокотемпературных характеристик и других целевых свойств материала в конечных распыленных частицах порошка.

Наиболее распространенные марки сплавов, используемых для распыления порошка, включают нержавеющие стали, инструментальные стали, никелевые суперсплавы, титановые сплавы, алюминиевые сплавы и кобальтовые сплавы. Конкретные названия сплавов и стандартизированные составы рассматриваются далее в разделе технических характеристик.

Свойства распыленного порошка

По сравнению с обычными металлическими порошками, распыляемые порошки обладают превосходными качествами благодаря точному производственному контролю над критическими характеристиками частиц:

Недвижимость	Описание
Форма частиц	Высокосферическая морфология, полученная в результате специализированного распыления газа или воды
Размер частиц	Последовательное узкое распределение от 10 до 150+ микрон.
Химия	Однородный состав с минимальным загрязнением
Плотность	Полностью плотная структура порошка в отличие от пористых альтернатив
Поверхностный оксид	Контролируемая малая толщина оксидного слоя
Текучесть	Свободно текущие частицы с хорошей управляемостью и плотностью упаковки

Эти улучшенные характеристики порошка напрямую влияют на качество и стабильность конечной детали при использовании 3D-печати металлов методом распыления или процессов формования с применением порошковой металлургии:

• Улучшенные механические свойства - Повышенная плотность и оптимизированный химический состав сплава
• Повышенная точность - Постоянный размер частиц способствует равномерному распределению слоя
• Снижение пористости - Сферическая морфология обеспечивает лучшую упаковку с меньшим количеством пустот
• Превосходная обработка поверхности - Более равномерное распределение порошка, меньшее загрязнение
• Повышенная точность размеров - Постоянная усадка и деформации

Благодаря точному контролю над производством порошка распыление дает значительные преимущества перед менее контролируемыми аналогами, такими как порошки, распыляемые газом, плазмой, электролитические порошки и порошки из губчатого железа, когда важна производительность.

Методы производства атомизированных порошков

Существует два основных способа производства распыленных порошков металлов и сплавов на специализированном оборудовании:

Процесс газовой атомизации

Инертный газ, например азот или аргон, используется для превращения тонкой струи расплавленного металла в мелкодисперсные капли. По мере охлаждения и перемещения в башенной камере капли застывают, превращаясь в сферические частицы порошка, собранные на дне. Это наиболее распространенный метод распыления, позволяющий производить экономически эффективные коммерческие объемы.

Типичные характеристики порошка, распыляемого газом:

• Размер частиц ~20-150 микрон
• Сферичность формы средних частиц
• Умеренные скорости охлаждения изменяют структуру зерна сплава
• Объемы партий свыше 100 кг

Процесс распыления воды

С помощью струй воды под высоким давлением поток расплавленного металла разбивается на мелкие капли, которые при контакте быстро превращаются в твердые частицы. Это позволяет получить наиболее сферическую морфологию порошка, но является более дорогостоящим.

Типичные характеристики порошка, распыляемого водой:

• Размер частиц ~10-100 микрон
• Очень сферическая форма частиц
• Ускоренное охлаждение изменяет металлургию и повышает однородность сплава
• Более низкие объемы производства на партию

С точки зрения возможностей, газовое распыление лучше подходит для больших объемов, в то время как водяное распыление обеспечивает превосходное качество, несмотря на более высокую стоимость. Диапазон размеров частиц также смещается в меньшую сторону при распылении водой, что позволяет печатать на порошковом слое с более тонким разрешением.

Области применения распыляемого порошка

Благодаря улучшенной консистенции и свойствам распыляемые порошки используются в основных высокопроизводительных методах производства:

Процесс	Преимущества	Примеры отраслей
Аддитивное производство металлов (3D-печать)	- Высокоточная многослойная металлургия - Нестандартные сплавы и геометрии - Снижение требований к обработке	Аэрокосмическая, автомобильная, медицинская промышленность
Литье металлов под давлением	- Консолидированные детали высокой сложности - Широкий ассортимент сплавов	Промышленность, электроника, огнестрельное оружие
Горячее изостатическое прессование	- Полностью плотные консолидированные компоненты - Крупные сложные детали - Гибкость сплава	Аэрокосмическая промышленность, энергетика, автомобилестроение
Покрытия для термического и холодного напыления	- Износостойкие поверхности - Восстановление размеров - Устойчивость к коррозии	Нефть и газ, химикаты, инфраструктура

В частности, для металлических добавок, распыляемые порошки соответствуют самым строгим требованиям в отношении растекаемости порошка, слияния частиц, металлургической консистенции и механических характеристик конечной детали. Ведущие поставщики порошков тесно сотрудничают с OEM-производителями 3D-принтеров, чтобы адаптировать сплавы и характеристики частиц специально для нужд печати.

Технические характеристики распыляемого порошка

Распыляемые порошки для коммерческого использования должны соответствовать стандартам сертификации по химическому составу, гранулометрическому составу, форме и характеристикам текучести. Основные спецификации порошков включают:

Параметр	Типовая спецификация
Марка сплава	Обозначения сплавов ISO, ASTM, AWS
Химический состав	Процентное соотношение элементов по весу
Распределение частиц по размерам	D10, D50, D90 микрон, измеренные методом лазерной дифракции
Форма частиц	Сферичность в масштабе 1-5 при микроскопии
Расход порошка	S в с/100 г измеряется воронкой с расходомером Холла
Кажущаяся плотность	Измеряется в г/см3 с помощью расходомера Холла
Плотность отвода	Измеряется в г/см3 после механического нарезания резьбы

Эти испытания для определения характеристик порошка обеспечивают согласованность между партиями и помогают количественно оценить технологичность. Возможны индивидуальные спецификации для таких атрибутов, как распределение частиц по размерам и целевые химические составы сплавов.

Обычные стандартизированные марки сплавов, используемые для распыляемых порошков, включают в себя:

Нержавеющие стали

• 316L, 304L, 17-4PH, 420

Инструментальные стали

• H13, M2, M4

Суперсплавы:

• Инконель 625, 718, MP1

Титановые сплавы:

• Ti6Al4V

Алюминиевые сплавы

• AlSi10Mg

Кобальтовый хром

• CoCrMo

Для таких ответственных применений, как турбомашины и медицинские имплантаты, предлагаются специальные варианты распыляемых порошков, например, распыляемые плазмой никелевые суперсплавы и титановые сплавы со сверхмелкими частицами размером до 15 микрон.

Критерии выбора распыляемого порошка

Выбор подходящего распыляемого порошка зависит от требований производственного процесса и желаемых свойств конечной детали:

Рассмотрение	Ключевые факторы принятия решений
Аддитивное производство	- Диапазон размеров частиц в зависимости от модели принтера - Сферичность для распределения порошка - Механические свойства сплава при температуре - Разработан для низкой пористости и анизотропии - Химия для ограничения содержания летучих элементов
Литье металлов под давлением	- Порошкообразные загрязнения для предотвращения засорения - Текучесть сплава в расплавленном состоянии - Контролируемая форма и распределение частиц по размерам
Термальный спрей	- Пригодность порошков для источников плазменного/горелочного тепла - Химический состав, плотность, прочность сцепления - Поток через форсунку для распыления
Горячее изостатическое прессование	- Пространственная равномерность консолидации - Механические свойства готовой детали - Химический контроль для обеспечения коррозионной стойкости
Холодное распыление	- Деформация частиц при ударе - Ликвидация пор и трещин - Связывание в семействе сплавов

Подбор порошка включает в себя согласование диапазонов размеров и фракций порошка с оптимальными техническими характеристиками оборудования, а также учет факторов, влияющих на качество конечной детали, таких как примеси, поведение при растекании, текучесть сплава, микроструктура и многое другое.

Мировые поставщики распыляемого порошка

Ведущие международные поставщики, известные своими высококачественными порошками металлических сплавов, распыляемыми газом и водой, включают в себя:

Компания	Штаб-квартира	Емкость	Примечательные особенности
Sandvik Osprey	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ	10 000 тонн в год	Сферический газ распыляемые порошки с собственными разработками сплавов
Hoganas	Швеция	50 000 тонн в год	Полный ассортимент металлических порошков
Praxair	США	15 000 тонн в год	Лучшие на рынке стандарты качества
Erasteel	Франция	20 000 тонн в год	Порошки с узким распределением по размерам
TLS Technik	Германия	10 000 тонн в год	Нестандартные сплавы для аддитивного производства
AMPS	Южная Корея	3 000 тонн в год	Сферические никелевые суперсплавы с водяным распылением

Эти ведущие производители металлических порошков предлагают широкий выбор материалов, включая нержавеющие стали, низколегированные стали, инструментальные стали, суперсплавы и алюминиевые сплавы, отвечающие потребностям промышленного производства. Предлагаются как стандартные сплавы, так и услуги по разработке сплавов на заказ.

Помимо крупных корпораций, сервисные бюро и контрактные производители специализированных металлов для 3D-печати также выпускают нишевые марки сплавов, точно настроенные на производительность печати. Цены варьируются в зависимости от объемов закупок, экзотических составов, выходящих за рамки стандартных марок, и дополнительных требований к характеристикам порошка.

Вопросы и ответы

В чем разница между порошками, распыляемыми газом и водой?

• Газовое распыление более экономично, обеспечивает большие объемы и умеренную форму частиц. Водяное распыление обеспечивает превосходную сферичность порошка и скорость охлаждения, несмотря на более высокую цену.

В чем преимущества распыляемого порошка перед другими методами производства металлических порошков?

• Ключевыми преимуществами являются точные характеристики частиц, такие как контроль размера, постоянство формы, однородность сплава и чистота, что способствует повышению технологичности и производительности.

Что такое плазменное распыление и чем оно отличается?

• При плазменном распылении используется горячий ионизированный газ, обеспечивающий более тонкий контроль и меньший размер частиц. Однако производительность ниже, а стоимость намного выше по сравнению со стандартным газовым распылением.

На что влияет гранулометрический состав распыляемого порошка?

• Более плотное распределение повышает плотность слоя порошка и обеспечивает равномерное плавление. Однако некоторая доля мелких частиц также способствует удобству печати. Оптимальные смеси соответствуют конкретным настройкам принтера.

Как определить, для чего нужны порошки, распыляемые газом или водой?

• Требования к компонентам, касающиеся точности, качества обработки поверхности, консистенции и свойств сплава, определяют выбор. Для большинства применений порошок, распыляемый газом умеренной мощности, обладает достаточными характеристиками при лучшей экономичности.

Каково типичное время выполнения заказа на приобретение распыляемых порошков?

• Заказные порошки, распыляемые газом, занимают ~8-12 недель при объеме заказа более 1000 кг. Небольшие партии ~100 кг специальных сплавов могут быть поставлены в течение 4-6 недель.

Насколько чувствительны цены на распыляемый порошок к стоимости сырья?

• Цены на базовые легирующие элементы составляют 40-60% от общей стоимости порошка для обычных марок нержавеющей и инструментальной стали. Более специализированные суперсплавы менее волатильны.

Каков типичный срок хранения запечатанных распыляемых порошков?

• В продуваемых азотом контейнерах, хранящихся в сухом и прохладном месте, порошки, распыляемые газом, служат более 1 года, в то время как порошки, распыляемые водой, остаются стабильными в течение ~6 месяцев до повторной регенерации.

Распыляемые порошки, полученные с помощью специализированных процессов газового или водяного распыления, позволяют изменить качество материала и его характеристики для технологий присадки металлов, порошковой металлургии, термического распыления и других технологий производства на основе порошков с жесткими требованиями к химическому составу и характеристикам частиц.

узнать больше о процессах 3D-печати

Additional FAQs about atomized powders (5)

1) How do atomized powders differ by morphology and why does it matter for AM?

• Gas‑atomized powders are generally more spherical with narrower PSD and fewer satellites, enabling better flow and higher powder‑bed density. Water‑atomized powders are more irregular and oxidized, suiting binder jetting/MIM but less ideal for LPBF unless conditioned.

2) What certificate of analysis (CoA) data should I demand for atomized powders?

• Chemistry (wt%), interstitials O/N/H (LECO), PSD (D10/D50/D90 and span) per ISO 13320/ASTM B822, sphericity/shape (DIA), Hall/Carney flow, apparent/tap density (ASTM B212/B527), moisture, and contamination (Fe pick‑up for non‑Fe alloys). Include lot genealogy and storage guidance.

3) How tight should PSD be for LPBF vs binder jetting?

• LPBF metals: often 15–45 μm or 20–63 μm with low fines (<5–10% <10 μm) to balance flow and density. Binder jetting: finer medians (Dv50 15–25 μm) and sometimes bimodal blends to raise green density.

4) What are best practices for powder reuse and refresh rates?

• Track oxygen/moisture rise, flow loss, and fines accumulation after each cycle. Typical refresh 10–30% new powder per build for steels/Ni; stricter for Al/Ti. Sieve to spec; reject lots exceeding O/N/H or PSD tails.

5) When is plasma or EIGA atomization preferred over gas or water?

• For highly reactive/oxygen‑sensitive alloys (Ti, TiAl, Ni superalloys for critical aerospace/medical) needing ultra‑low O and high sphericity. Throughput and cost are higher, but performance and qualification justify use.

2025 Industry Trends for atomized powders

• Inline QC becomes standard: Atomizers integrate laser diffraction and dynamic image analysis to control PSD and sphericity in real time.
• Sustainability focus: Closed‑loop water systems and argon recovery lower kg CO2e per kg powder; Environmental Product Declarations (EPDs) gain traction in sourcing.
• AM‑tuned chemistries: Low‑oxygen steels and modified superalloys reduce cracking/porosity in LPBF; lot‑to‑lot printability KPIs included on CoAs.
• Shape engineering: Post‑atomization plasma spheroidization expands water‑atomized powders’ suitability for LPBF in select steels and Cu alloys.
• Supply resilience: Regional powder capacity grows in NA/EU/India, shortening lead times for standard grades (316L, 17‑4PH, IN718, AlSi10Mg).

2025 snapshot: atomized powder metrics and market indicators

Метрика	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Share of AM CoAs reporting DIA shape metrics (%)	35–45	50-60	65–75	OEM specs, supplier datasheets
Typical LPBF PSD window (μm, steels)	20–63	15–53	15–45	Narrowing for flowability/density
Average O (wt%) in GA 316L for AM	0.035–0.05	0.030–0.045	0.025–0.040	LECO trends
Lead time standard GA 316L (weeks)	6–10	5-8	4–7	Capacity additions
Price delta GA vs WA 316L (USD/kg)	+12–20	+10–18	+10–15	GA premium persists
Plants with closed‑loop water/Ar recovery (%)	25–35	35–45	45–55	ESG reporting

References:

• ISO 13320 (PSD), ASTM B822/B212/B527, ASTM F3049 (AM powder characterization): https://www.iso.org, https://www.astm.org
• ASM Handbook: Powder Metallurgy; supplier ESG/EPD reports

Latest Research Cases

Case Study 1: Real‑Time PSD Control in Gas Atomization for IN718 (2025)
Background: A powder producer faced wide PSD tails causing LPBF recoater streaks and porosity.
Solution: Installed at‑line laser diffraction and DIA feedback to adjust gas pressure/nozzle ΔP and melt flow; implemented fines bleed‑off.
Results: Span reduced 18%; out‑of‑spec tails (>63 μm) cut by 60%; LPBF relative density improved from 99.3% to 99.7%; scrap −22%.

Case Study 2: Plasma Spheroidization of Water‑Atomized 17‑4PH for LPBF (2024)
Background: Client sought lower feedstock cost versus GA powder with acceptable LPBF performance.
Solution: Post‑processed WA 17‑4PH via plasma spheroidization and H2 anneal; tuned PSD to 15–45 μm, O reduced from 0.12% to 0.06%.
Results: Hall flow improved from “no flow” to 18 s/50 g (Carney 6.2 s/50 g); LPBF build achieved 99.6% density after parameter optimization; tensile properties met internal spec with HIP.

Мнения экспертов

• Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy & Materials Processing, University of Sheffield
  Key viewpoint: “You cannot manage what you don’t measure—pairing PSD with shape metrics is now essential to predict spreadability and part density in atomized powders.”
• Dr. Christina M. Yang, Director of AM Powders, Industrial Supplier
  Key viewpoint: “Lot‑to‑lot printability hinges on oxygen and fines control. A disciplined refresh/sieving strategy beats chasing laser parameters after the fact.”
• Dr. Tony L. Fry, Principal Scientist, National Physical Laboratory (NPL), UK
  Key viewpoint: “Traceable method validation with reference materials is the only way to make PSD numbers comparable across labs and contracts.”

Citations: NPL particle metrology resources: https://www.npl.co.uk; ASM Handbook; ASTM/ISO standards

Practical Tools and Resources

• Standards and QA:
• ISO 13320 (laser diffraction), ISO 9276 (data presentation), ASTM B822 (PSD), ASTM B212/B213 (apparent density/flow), ASTM B527 (tap density), ASTM F3049 (AM powder)
• Measurement:
• Dynamic image analysis systems for sphericity/aspect ratio; LECO O/N/H (ASTM E1019/E1409)
• Управление процессом:
• Atomizer nozzle/gas pressure tuning guides; sieving/conditioning SOPs; powder reuse tracking templates (O2, fines, flow)
• Databases/handbooks:
• ASM International (Powder Metallurgy), MPIF publications, OEM AM powder specifications
• Устойчивость:
• ISO 14001 frameworks; EPD tools; best practices for closed‑loop water and argon recovery

Notes on reliability and sourcing: Specify alloy grade and chemistry tolerances, PSD (D10/D50/D90, span), shape metrics, O/N/H limits, flow and density targets on POs. Qualify each lot with print or sinter coupons. Store under inert/desiccated conditions and document reuse cycles. Align powder characteristics with the intended process (LPBF, BJ, MIM, DED) to avoid downstream variability.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 focused FAQs, a 2025 trends table with metrics, two recent case studies, expert viewpoints with citations, and practical standards/resources tailored to atomized powders for AM and PM
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ASTM/ISO powder standards are updated, major OEMs revise AM powder CoA requirements, or new data emerges on conditioning methods that broaden WA powders’ LPBF suitability