Pulver av nickellegering

Pulver av nickellegering avser pulvermetallurgiska former av olika nickelbaserade legeringar. Dessa pulver kan bearbetas till färdiga komponenter med hjälp av pulverkonsolideringstekniker som varm isostatisk pressning och formsprutning av metall. Nickellegeringspulver har hög hållfasthet, korrosionsbeständighet, hög temperaturprestanda och andra specialiserade egenskaper.

Olika typer av nickellegeringspulver

Nickellegeringar är komplexa material med exakta sammansättningar som är skräddarsydda för att uppnå vissa egenskaper. De vanligaste pulvertyperna av nickellegeringar inkluderar:

Legering	Nickelinnehåll	Andra legeringar	Viktiga egenskaper
Nickelbaserade superlegeringar	Över 50%	Krom, kobolt, molybden, volfram, aluminium, titan	Hög hållfasthet vid höga temperaturer, korrosionsbeständighet, oxidationsbeständighet
Rostfria stål	8-32%	Järn, krom, molybden	Korrosionsbeständighet, hållfasthet vid höga temperaturer
Legeringar med låg expansion	36-50%	Järn, krom, kobolt	Extremt låg termisk expansion
Magnetiska legeringar	Upp till 79%	Järn, molybden	Hög permeabilitet och mättnadsmagnetisering
Motståndslegeringar	10-30%	Krom, aluminium, koppar	Hög elektrisk resistivitet

Pulver av nickellegeringar har ett brett spektrum av sammansättningar beroende på vilka materialegenskaper som krävs. Att skräddarsy mikrostrukturen är avgörande.

Produktionsmetoder för Pulver av nickellegeringar

Flera tekniker kan producera nickellegeringspulver för industriell konsumtion:

• Atomisering – Smälta legeringar strömmas in i ett gasflöde under högt tryck och stelnar snabbt till pulver
• Elektrolys – Vattenelektrolytisk process för att direkt erhålla pulver från plattan
• Karbonylprocessen – Exponering för kolmonoxidgas vid låga temperaturer/tryck

Atomisering är den vanligaste metoden, vilket möjliggör högre volymer och billigare produktionskostnader. Tabellen nedan beskriver några för- och nackdelar med varje produktionsväg för nickellegeringspulver:

Metod	Fördelar	Nackdelar
Atomisering	Högre produktionstakt, lägre kostnader	Mindre kontroll över pulvrets morfologi
Elektrolys	God kemisk homogenitet	Långsam produktionstakt
Karbonyl	Ultrahög renhet	Begränsade legeringar, lägre densitet

Kontroll av partikelstorleksfördelning, morfologi, oxidinnehåll och mikrorenhet är också viktiga kvalitetsaspekter under tillverkningen.

Sammansättning av nickellegeringspulver

Som beskrivits tidigare innehåller nickellegeringar nickel plus olika andra element för att uppnå önskade egenskaper. Här är några typiska sammansättningar:

Superlegeringar av nickel

Element	Vikt %
Nickel	50-80%
Krom	10-25%
Aluminium	0-6%
Titan	0-5%
Kobolt	0-15%
Molybden	0-12%
Volfram	0-12%
Järn	0-10%

Pulver av rostfritt stål

Element	Vikt %
Nickel	8-32%
Krom	11-27%
Molybden	0-6%
Mangan	0-2%
Kisel	0-1%
Kväve	0-0.25%
Järn	Balans

Legeringar med låg expansion

Element	Vikt %
Nickel	34-38%
Järn	39-41%
Krom	19-23%
Kobolt	12-15%

Viktprocenten kan variera ganska kraftigt även inom samma legeringsfamilj för att skapa versioner med specifikt riktade egenskaper.

Egenskaper hos nickellegeringspulver

Viktiga egenskaper hos nickellegeringspulver inkluderar:

• Partikelstorlek: Typiskt 10 – 45 mikrometer
• Morfologi: Sfäriska, satellitformade, oregelbundna former
• Skenbar densitet: Upp till 65% av legeringens bulkdensitet
• Flytbarhet: Påverkar formfyllnadsbeteendet
• Oxidinnehåll: Påverkar konsolidering och egenskaper
• Mikroskopisk renlighet: Förekomst av hålrum, sprickor eller inneslutningar

Att kunna kontrollera dessa pulveregenskaper genom optimerad tillverkning är avgörande för att kunna tillämpa konsekventa metoder för pulverbearbetning i senare led.

Tillämpningar av Pulver av nickellegeringar

Pulver av nickellegeringar används i alla branscher där det krävs högpresterande material med specialiserade egenskaper:

Superlegeringar av nickel

• Turbinblad
• Förbränningskammare för raketmotorer
• Kärnkraftsreaktorer
• Utrustning för kemisk bearbetning

Pulver av rostfritt stål

• Pumpar och ventiler
• Marina komponenter
• Utrustning för livsmedelsbearbetning
• Kirurgiska instrument
• Blandningsutrustning

Legeringar med låg expansion

• Precisionsinstrument
• Optiska speglar och fästen
• Förpackningar för elektronik
• Kompositer för flyg- och rymdindustrin

Magnetiska legeringar

• Magnetkärnor
• Magnetiska sensorer
• Ställdon
• Elektriska motorer

Motståndslegeringar

• Värmeelement
• Motstånd
• Termoelement
• Batteriets komponenter

Pulver av nickellegeringar möjliggör små, komplexa komponenter med överlägsna egenskaper jämfört med smidda former.

Konsolideringsmetoder för nickellegeringspulver

Vanliga tekniker för att konsolidera nickellegeringspulver till fasta delar inkluderar:

• Formsprutning av metall (MIM): Bindemedel blandat med pulver, gjutet, sedan avbindning och sintring
• Het isostatisk pressning (HIP): Komprimering av pulver med hög värme och isostatiskt tryck
• Additiv tillverkning: 3D-utskriftstekniker som bindemedelsstråle och deponering med riktad energi

MIM ger stora volymer av små, komplexa geometrier till låga kostnader. HIP ger nästan full densitet och nettoform. Additiv teknik ger den största designfriheten.

Varje konsolideringsprocess har sin egen uppsättning rekommenderade pulveregenskaper för optimalt resultat:

Process	Idealisk partikelstorlek	Morfologi	Skenbar densitet
Formsprutning av metall	10-20 mikrometer	Sfärisk	Över 50%
Isostatisk varmpressning	15-45 mikrometer	Oregelbunden	Över 40 procent
Additiv tillverkning	15-45 mikrometer	Sfärisk	Över 40 procent

Specifikationer för nickellegeringspulver

Nickellegeringspulver av industriell kvalitet måste uppfylla gränsvärden för sammansättning och kvalitetsmått enligt olika internationella specifikationer:

Standard	Beskrivning
ASTM B168	Sorter av olegerat nickelpulver
AMS 2249	Nickellegeringar Pulverkvaliteter
ISO 4490	Gasatomiserade pulver
ASTM B214	Klassificeringssystem
ISO 22068	Specifikationer för MIM-pulver

Dessa standarder hjälper till att definiera gränser för kemisk sammansättning, acceptabla nivåer av föroreningar/inblandningar, förväntad partikelstorleksfördelning, skenbar densitet och andra kritiska parametrar som har stor betydelse för prestandan.

Leverantörer av nickellegeringspulver

Ledande globala leverantörer av olika nickellegeringspulver är bl.a:

Företag	Viktiga produkter	Produktionskapacitet	Prissättning
VDM Metals	Superlegeringar av nickel, lågexpanderande legeringar	10.000 ton per år	$50+ per kg
Sandvik Osprey	Rostfria stål, maråldersbeständiga stål	15.000 ton per år	$12-$40 per kg
Hoganas	Rostfria stål, magnetiska legeringar	25.000 ton per år	$5-$25 per kg
AMETEK	Legeringar för motståndsuppvärmning	7.000 ton per år	$30-$100 per kg
CNPC Pulver	Superlegeringar av nickel	5.000 ton per år	$150+ per kg

Priserna varierar beroende på legeringens komplexitet, pulveregenskaper, använd produktionsmetod, behov av kundanpassning samt efterfrågan/kapacitet på marknaden.

Fördelar med nickellegeringspulver

Viktiga fördelar med att använda pulver av nickellegeringar i stället för smidda produkter:

• Framställning av små, komplexa komponentgeometrier
• Nära nettoform med minimalt spill
• Fina mikrostrukturer från snabb stelning
• Komponenter med överlägsna egenskaper
• Möjliggör ekonomisk användning av dyra material
• Förenklar bearbetning av svårbearbetade legeringar
• Komponenterna kan massproduceras
• Utbud av konsolideringsmetoder

Pulvermetallurgiska tekniker gör annars omöjliga konstruktioner möjliga att tillverka.

Begränsningar för nickellegeringspulver

Några nackdelar förknippade med nickellegeringspulver:

• Pulverproduktionsmetoder kan vara energi-/resurskrävande
• Konsoliderade egenskaper beroende av flera pulveregenskaper
• Lägre duktilitet och brottseghet jämfört med smidda former
• Begränsade storlekar/volymer jämfört med gjutna/smidda metoder
• Efterbearbetning kan behövas för att uppnå slutliga specifikationer för detaljen
• Porositet i färdiga komponenter vid felaktig konsolidering
• Kräver specialutrustning och experthantering

De unika egenskaperna och den geometriska flexibiliteten hos nickellegeringspulver gör dem dock till ett oumbärligt avancerat material inom många tekniksektorer.

Forskning om nickellegeringspulver

Pågående forskning syftar till att utöka kapaciteten och skapa nya tillämpningar med nickellegeringspulver:

• Legeringsutveckling – Nya sammansättningar för förbättrad hållfasthet vid höga temperaturer, slitstyrka etc.
• Nya konsolideringsmetoder – mikrovågssintring, plasmaförtätning etc. för snabbare bearbetning
• Nanokristallina pulver – För extremt fina mikrostrukturer och avancerade egenskaper
• Funktionellt graderade material – Graderad sammansättning/struktur inom komponenter
• Metallmatriskompositer – Förstärkning av nickellegeringar med karbider/keramik
• Topologioptimering – Skapa organiska, bioniska former med AM-teknik

Det finns stora möjligheter att tänja på gränserna och vara banbrytande inom pulverteknik för nickellegeringar genom tvärvetenskaplig forskning och utveckling. Statliga organ som EU och USA har infört särskilda finansieringssystem för att påskynda utvecklingen av innovationscentra för pulvermetallurgi.

Design av komponenter i nickellegeringspulver

Flera konstruktionsöverväganden gäller vid användning av nickellegeringspulver för tillverkning av slutanvändarkomponenter:

Allmänna riktlinjer för design

• Optimera väggtjockleken och undvik dramatiska förändringar
• Inkludera filéer i skarpa hörn
• Minimera höga, isolerade funktioner
• Kontrollera minsta dragvinklar för vald process
• Följ konsolideringsmetod’s rekommenderade geometrier
• Redovisa efterbearbetningssteg i dimensioner

MIM-specifika råd

• Håll den totala längden under 50 mm
• Använd konsekventa väggtjocklekar
• Inkludera påfyllningshuvuden och varmkanalsgrindar
• Se upp för slitage på stålverktyg med abrasiva pulver

AM-specifika pekare

• Inga geometriska begränsningar! Ta ut svängarna.
• Utnyttja gitterstrukturer och organiska former
• Kom ihåg krav på stödstruktur

Komponentdesignen måste ta hänsyn till de speciella egenskaperna hos pulverkonsolideringstekniker samt till avsedd funktionalitet.

Säkerhetsåtgärder för Pulver av nickellegeringar

Hantering av nickellegeringspulver kräver vissa försiktighetsåtgärder:

• Använd lämplig personlig skyddsutrustning, t.ex. handskar, andningsskydd och skyddsglasögon efter behov
• Säkerställ tillräcklig ventilation och dammuppsamling
• Förhindra exponering av pulver under konsolidering
• Följ klassificeringen av brandfarlighet – vissa pulver är pyrofora
• Begränsa omedelbart spill genom att använda lämpliga saneringsmetoder
• Kassera enligt lokala miljöbestämmelser

Alla produktions- eller forskningsaktiviteter med nickellegeringspulver bör omfatta omfattande riskbedömningar och införliva alla nödvändiga system för att på lämpligt sätt minska hälso-, explosions- och miljörisker. Personalen behöver tillräcklig utbildning för att kunna hantera pulvret på ett säkert sätt.

VANLIGA FRÅGOR

F: Vilken partikelstorlek nickellegeringspulver är bäst för additiv tillverkning?

S: Sfäriska pulver på 15-45 mikron fungerar bra i de flesta AM-metoder för att balansera spridbarhet, flytbarhet och konsolidering med hög densitet. Finare pulver på 10-25 mikron kan lösa finare funktioner om den specifika AM-processen tillåter det.

F: Varför välja formsprutning av metall för tillverkning med nickellegeringspulver?

A: MIM möjliggör högvolymsproduktion av komplexa komponenter med god dimensionell noggrannhet och ytfinish. Legeringens inneboende egenskaper bibehålls väl. Processen är kostnadseffektiv för små komplicerade nickellegeringsdelar.

F: Hur görs nickellegeringspulver sfäriska?

A: Atomisering med inert gas använder principer för snabb stelning genom smidiga vätskeuppdelningsmekanismer som förmedlas av gasflödesturbulenser för att skapa i stort sett sfäriska pulverpartikelformer med goda flödesegenskaper.

F: Vilka är de vanligaste användningsområdena för nickellegeringar med låg expansion?

A: Precisionsinstrument, optiska speglar, elektronikförpackningar, flygplansstrukturer, strålningsskydd, värmeisolerande länkar, kompositer med låga CTE-krav använder nickellegeringar med kontrollerad expansion.

F: Varför är flytbarhet en viktig egenskap för nickellegeringspulver?

S: Pulver måste spridas och flöda jämnt in i formhålorna helt och snabbt för att undvika defekter. Testmetoder som Hall-flödeshastighet hjälper till att kvantifiera detta beteende som påverkar konsolidering och egenskaper.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser