Высокотемпературный железный порошок

Оглавление

Обзор

Высокотемпературные железные порошки это специализированные металлические порошки из сплавов на основе железа, предназначенные для работы при повышенных температурах, превышающих 850°C, без быстрой потери прочности. Обычные железные и стальные порошки быстрее окисляются и разрушаются за этим порогом.

Тщательно подобранный химический состав порошка и обработка позволяют повысить прочность при высоких температурах и устойчивость к воздействию окружающей среды. К основным областям применения, где требуются такие термостойкие конструкционные материалы, относятся автомобильная, аэрокосмическая, энергетическая и химическая промышленность.

Виды Высокотемпературные железные порошки

Различные легирующие добавки могут улучшить высокотемпературные свойства:

Тип сплаваОсновные легирующие элементыМаксимальная температура использования
Аустенитные нержавеющие сталиNi, Cr, Mn950°C - 1050°C
Высоконикелевые сплавы железаNi, Co, Mo1000°C - 1200°C
Усиленная оксидная дисперсияДобавки Y2O31050°C - 1150°C
Алюминиды железаAl, Cr, Ti, Si750°C - 950°C

Методы производства высокотемпературных порошков

  • Газовое распыление с контролируемым быстрым охлаждением
  • Распыление воды
  • Плазменная сфероидизация для округления порошков неправильной формы
  • Процесс карбонильного железа для порошков из нержавеющей стали
высокотемпературный железный порошок

Типы и составы сплавов

Существует четыре основные категории специальных порошков железных сплавов, предназначенных для длительного использования при температурах свыше 850°C:

Порошки из аустенитной нержавеющей стали

Такие сплавы, как нержавеющие стали 316L, 304L и 301L, содержат никель для поддержания аустенитной кристаллической структуры FCC при температуре до 1100°C и хром для устойчивости к окислению благодаря защитным поверхностным пленкам хрома (Cr2O3) при высоких температурах.

Легирующий элементРольВес % Диапазон
Никель (Ni)Стабилизатор аустенита8 – 12%
Хром (Cr)Устойчивость к окислению16 – 18%
Марганец (Mn)Прочность и утонченность зеренДо 2%
Азот (N)Укрепление0.1 – 0.25%

Преимущества: Отличная "горячая прочность", легкость уплотнения и спекания, более низкая стоимость по сравнению с суперсплавами.

Ограничения: Склонны к ползучести при температуре выше 1000°C, не подходят для динамических нагрузок.

Железные сплавы с высоким содержанием никеля

Сплавы никель-железо с содержанием никеля 25-60 масс% обеспечивают оптимальное сочетание высокотемпературной прочности, вязкости и коррозионной стойкости. Добавки никеля значительно замедляют скорость диффузии и снижают вредные микроструктурные изменения вплоть до 1150°C.

Другими ключевыми легирующими элементами являются:

Легирующий элементРольВес % Диапазон
Никель (Ni)Упрочнение твердых растворов25 – 60%
Хром (Cr)Устойчивость к окислению10 – 25%
Кобальт (Co)Улучшает механические свойства при высоких температурах10 – 25%
Молибден (Mo)Устойчивость к ползучести2 – 6%

Преимущества: Непревзойденные механические характеристики при 1100°C+, замедленная кинетика деградации. Термически стабильная микроструктура.

Ограничения: Очень высокие цены на сплавы, сложности с контролем пористости, требующие HIP-уплотнения.

Упрочнение железных сплавов оксидной дисперсией

В сплавах, упрочненных оксидной дисперсией, очень мелкие (50-100 нм) инертные частицы оксида иттрия вкраплены в матрицу материала. Эти наноразмерные оксиды препятствуют движению дислокаций, тем самым сохраняя прочность при температурах выше 1000°C.

Легирующий элементРольВес % Диапазон
Оксид иттрия (Y2O3)Нанооксидные частицы, обеспечивающие термическую стабильность0.25% – 1%
Хром (Cr)Устойчивость к воздействию окружающей средыДо 20%
Алюминий (Al)Улучшает дисперсию оксидовДо 4%

Преимущества: Исключительная микроструктурная стабильность и прочность при ползучести в условиях эксплуатации 1100°C+.

Ограничения: Очень высокая стоимость, сложность обработки - традиционно изготавливается путем механического легирования и консолидации.

Сплавы на основе алюминида железа (FeAl)

Железоалюминидные сплавы с содержанием алюминия 10- 40% обеспечивают превосходную стойкость к окислению и сульфидированию до 900°C благодаря образованию прочного защитного верхнего слоя из глинозема (Al2O3). Хром способствует защите поверхности.

Легирующий элементРольВес % Диапазон
Алюминий (Al)Устойчивость к окислению10 – 40%
Хром (Cr)Повышает устойчивость к воздействию окружающей среды5 – 10%
Углерод, Zr (C, Zr)Твердосплавные укрепителиДо 0,5%

Преимущества: Высокая экологическая стабильность, более низкая плотность по сравнению со сталями, простота изготовления по сравнению с суперсплавами.

Ограничения: Потеря прочности выше 750°C, плохое сопротивление ползучести, приложенные напряжения увеличивают вредительские явления.

Методы производства

Для получения порошков из высокотемпературных железных сплавов с подходящими характеристиками используются специальные технологии:

Газовая атомизация

  • Контролируемое быстрое охлаждение потока расплавленного металла позволяет удерживать легирующие элементы в растворе, а не образовывать осадки

Сфероидизация плазмы

  • Порошки неправильной формы, полученные в процессе распыления воды, повторно расплавляются с помощью плазменной горелки и вновь затвердевают, превращаясь в сферические порошки, идеальные для методов AM

Многократные циклы спекания

  • Порошки многократно уплотняются при высоких температурах, измельчаются и просеиваются для улучшения распределения порошка, что идеально подходит для MIM-технологий.

Механическое легирование

  • Шаровой размол порошков элементарных металлов создает нанодисперсное распределение частиц и кластеров в сплавах ODS

Рафинирование карбонилов

  • Производство металлических порошков исключительно высокой чистоты, когда более дешевые методы производства приводят к загрязнению

Сравнение методов производства

МетодУровни чистотыСодержание кислородаВарианты морфологииПроизводительность (тонн/год)
Газовая атомизацияУмеренный<1000 ppmПреимущественно сферическаяВысокий >20 000
Распыление водыНизкий2000-4000 стр.НерегулярныйОчень высокий >50 000
Сфероидизация плазмыСредний500-2000 ppmСферическаяНизкий <5 000
Механическое легированиеВысокая<1500 ppmРазличные формы частицНизкие сотни
Карбонильный процессЧрезвычайно высокий<200 ppmСферический/узловатыйВысокий >25 000

Методы определения характеристик

Для определения качества высокотемпературных порошковых сплавов необходимо использовать несколько аналитических методов:

Химический состав

  • Спектрографические методы и методы мокрой химии определяют состав и количество элементов - это необходимо для проверки конструкции сплава
  • Содержание углерода, серы, кислорода, азота свидетельствует о загрязнении, вызванном технологическим процессом и влияющем на характеристики материала

Размер и морфология частиц

  • Лазерные дифракционные анализаторы размеров частиц определяют полную гранулометрию от 10 нм до 3 мм.
  • С помощью РЭМ-изображений можно визуализировать форму, особенности поверхности, частицы-спутники, пористость, что полезно для оценки пригодности процесса сборки и анализа дефектов.

Кристаллография

  • XRD показывает наличие фаз, состояние осадка, количественный анализ кристаллических свойств
  • Оценка влияния термического воздействия на фазовые фракции по микроструктурной эволюции

Испытание свойств порошка

  • Расходометрия Холла, кажущаяся плотность и сжимаемость количественно определяют поведение порошка, облегчая его обработку и консолидацию

Применение и использование

Уникальная высокая прочность, сопротивление ползучести и медленная кинетика деградации разработанных высокотемпературных порошков железных сплавов делают их критически важными для использования в жестких условиях длительного термического нагружения, таких как:

Компоненты для реактивных двигателей и турбин наземного базирования

  • Диски, валы, корпуса, шестерни, клапаны, облицованные нержавеющей сталью или высоконикелевым сплавом 900 - 1200°C

Детали для атомных и солнечных электростанций

  • Болты из высоконикелевой стали, тепловые экраны, коллекторы, трубы, коллекторные панели, выдерживающие температуру свыше 1000°C + коррозия

Автомобильные и аэрокосмические компоненты

  • Колеса турбокомпрессоров из нержавеющей стали, повышающие производительность двигателей внутреннего сгорания

Нефтехимическое оборудование для переработки и крекинга

  • Теплообменники, рекуператоры, поддоны печей из нержавеющей стали, устойчивые к деформации и разрушению при температуре до 1100°C

Кроме того, алюминиды железа представляют собой отличные кандидаты на замену нержавеющих сталей и суперсплавов, предлагая уникальные преимущества по устойчивости к воздействию окружающей среды по сравнению с обычными сплавами в биологических, химических технологических или электрических системах, подверженных агрессивным механизмам окисления, науглероживания и коррозии, вызванной хлоридами.

Технические характеристики и классы

Высокотемпературные порошковые сплавы должны соответствовать минимальным спецификациям по химическому составу, чистоте, характеристикам и свойствам частиц:

Составы марок сплавов

Тип сплаваПрименяемые спецификацииПримеры оценок
Аустенитные нержавеющие сталиAMS 5759, ASTM B898Пользовательские 316L, 301L, 310L
Железные сплавы с высоким содержанием никеляAMS 5383, ASTM B162IN625, HastelloyTM X , Nimonic® 80A
Усиление дисперсии оксидовASTM B937, B934MA956, PM2000
Алюминиды железаASTM C1072Нестандартные марки FeAl

Критические параметры и пороговые значения

ПараметрПорогиМетоды испытаний
Содержание кислорода<4000 ppmСплавление в инертных газах
Содержание азота<1500 ppmСплавление в инертных газах
Средний размер частицС учетом специфики применения, под заказДифракция лазерного излучения
Кажущаяся плотность>2,5 г/см3Расходомерные воронки Холла
Плотность отвода>3,5 г/см3Испытания с помощью волюметра Скотта
Расход>23 с/50 гИспытания расходомера Холла

Покупатели сотрудничают с известными производителями порошков, чтобы определить потребности в характеристиках и свойствах для конкретного применения, отражающие условия эксплуатации и требования производственного процесса.

Анализ затрат

Цены на специальные порошки высокотемпературных железных сплавов, предназначенных для работы при температуре >850°C, в значительной степени зависят от:

1. Базовый материал

  • Нержавеющие стали отличаются самой низкой стоимостью, в то время как суперсплавы - самые дорогие

2. Легирующие добавки

  • Никель, кобальт и такие специализированные элементы, как рений, резко увеличивают расход материалов

3. Метод производства

  • Водное распыление и карбонильные процессы позволяют увеличить объемы и снизить цены

4. Дополнительная обработка

  • Дополнительные улучшения свойств порошка увеличивают стоимость

5. Количество заказов

  • Большие партии могут снизить цену за единицу продукции
Марка сплаваЦеновая сметаФакторы стоимости
Нержавеющая сталь 316L$15 - $30 за кгНизкая стоимость сплава, высокая скорость производства
Нестандартные высоконикелевые сплавы$50 - $250 за кгЭлементы с высокой стоимостью, меньший объем производства
Усиление дисперсии оксидов$250 - $1000 за кгНебольшие партии, специализированный процесс механического легирования
Алюминиды железа$30 - $100 за кгБолее низкое содержание алюминия и хрома по сравнению с суперсплавами

Свяжитесь с такими авторитетными поставщиками, как Sandvik Osprey, Hoganas, Carpenter Technologies, чтобы запросить конкретные ценовые предложения.

Плюсы и минусы высокотемпературных сплавов железа

Преимущества и достоинства

Настраиваемая химия и свойства

  • Позволяет настраивать состав и характеристики порошка под конкретные нужды.

Экономическая масштабируемость производства

  • Имеются отработанные методы крупносерийного производства

Гибкость маршрута изготовления

  • Совместимость с металлическими технологиями AM, MIM, прессования и спекания.

Выгодные экономические условия

  • Отсутствие драгоценных элементов делает суперсплавы значительно более дорогими

Проблемы и недостатки

Оптимизация свойств Сложность

  • Улучшение одной характеристики, например высокой проводимости, может негативно сказаться на другой, например прочности.

Ограничения по температуре плавления

  • Максимальные возможности обычно ограничиваются температурой 1150°C для обеспечения стабильности составляющих частиц

Требования к постобработке

  • Почти полная плотность и превосходные свойства требуют горячего изостатического прессования и термообработки

Ограниченная устойчивость к высоким нагрузкам и воздействиям

  • Сопротивление ползучести уступает сплавам на основе Ni, Co или керамики

Здесь представлено сравнение порошков высокотемпературной нержавеющей стали с альтернативными вариантами:

ПараметрВысокотемпературные нержавеющие сталиНикелевые суперсплавыКерамические композиты
Температура плавления1400°C1350°C>1800°C
Плотность7,5 - 8 г/см38 - 9 г/см3>4 г/см3
Стоимость$$$$$$$$$
ТеплопроводностьЛучшеХужеПохожие
Устойчивость к воздействию окружающей средыХорошийЛучшеЛучшее
Простота изготовленияОтличныйУмеренныйБедный
высокотемпературный железный порошок

Вопросы и ответы

Вопрос: Какой типичный гранулометрический состав используется для порошков из высокотемпературной нержавеющей стали в металлообработке AM?

О: Для процессов плавления в порошковом слое, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), обычным диапазоном является размер фракций 15 мкм - 45 мкм. Более мелкие фракции могут улучшить разрешение, но ухудшают распределение порошка при послойном осаждении и снижают характеристики текучести.

Вопрос: Какие скорости охлаждения при газовом распылении сохраняют оптимальные составы порошка сплава?

О: Для наилучшего сочетания сохранения химического состава и соответствующей морфологии порошка широко используются скорости затвердевания в диапазоне 1000 - 3000°C в секунду для высокотемпературных порошков нержавеющей стали и суперсплавов.

Вопрос: Почему высокий уровень содержания оксидных частиц вреден для высокотемпературных сплавов железа?

О: В процессе эксплуатации присутствующие оксиды могут огрубеть и мигрировать, образуя менее защитные и менее стабильные оксидные популяции, что приводит к ускоренному воздействию окислительной, сульфидирующей, науглероживающей или хлорирующей среды, сокращая срок службы деталей. При разработке сплавов необходимо тщательно определять и контролировать уровень содержания кислорода в зависимости от максимальной температуры воздействия и условий эксплуатации.

Вопрос: Какие методы можно использовать для увеличения плотности порошка до теоретической >95%?

О: Горячее изостатическое прессование обычно применяется к высокотемпературным компонентам из нержавеющей стали или сверхпрочных сплавов после первоначального изготовления по технологии AM или MIM для устранения остаточных пор, обеспечивая характеристики материала, близкие к характеристикам деформируемых сплавов в том же усиленном термообработанном состоянии. Плотность, близкая к теоретической, обеспечивает механическую прочность.

Вопрос: Почему контроль содержания азота ниже 1000 ppm является критическим для высокопрочных медных сплавов с высокой проводимостью?

О: При подборе азота образуются очень твердые, хрупкие нитридные фазы, которые резко снижают тепло- и электропроводность, уменьшая функциональность в системах терморегулирования, а также снижают формуемость и пластичность в процессе производства.

узнать больше о процессах 3D-печати

Поделиться

Facebook
Twitter
LinkedIn
WhatsApp
Электронная почта

MET3DP Technology Co., LTD - ведущий поставщик решений для аддитивного производства со штаб-квартирой в Циндао, Китай. Наша компания специализируется на производстве оборудования для 3D-печати и высокопроизводительных металлических порошков для промышленного применения.

Сделайте запрос, чтобы получить лучшую цену и индивидуальное решение для вашего бизнеса!

Похожие статьи

Получите информацию о Metal3DP
Брошюра о продукции

Получить последние продукты и прайс-лист