Металлические порошки специального назначения относятся к металлам, которые были обработаны в виде мелких частиц для использования в передовых производственных технологиях. Они обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для специализированного применения в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская, электронная и другие.
В этой статье будет представлен полный обзор различных типов специальных металлических порошков, их состава и характеристик, областей применения, спецификаций и марок, поставщиков, цен, а также преимуществ и ограничений.
Виды специализированных металлических порошков
Существует множество категорий и разновидностей специализированных металлических порошков, используемых в различных технологиях. К основным типам относятся:
| Тип | Описание |
|---|---|
| Никелевые сплавы | Инконель, монель, хастеллой, сплавы Nilo с никелем и хромом, железом, молибденом и т.д. Высокая прочность и коррозионная стойкость при высоких температурах |
| Кобальтовые сплавы | Сплавы Хейнса с кобальтом и хромом/вольфрамом/молибденом. Биосовместимость для имплантатов |
| Титановые сплавы | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb и др. Легкость, прочность, биосовместимость |
| Тугоплавкие металлы | Вольфрам, молибден, тантал. Чрезвычайно высокие температуры плавления |
| Магнитные сплавы | Сплавы железа, никеля или кобальта с высокой проницаемостью и низкой коэрцитивной силой |
| Порошки для термического напыления | Сфероидальные порошки для покрытий, противостоящих износу, коррозии и т.д. |
Преимущества порошковой металлургии
По сравнению с традиционной обработкой металлов порошковая металлургия обладает такими преимуществами, как:
- Более жесткие допуски
- Возможность изготовления сложных или пористых деталей
- Высокая повторяемость
- Низкий уровень отходов материалов
- Экономическая эффективность для небольших производств
Это делает порошковые металлы пригодными для специальных целей, где традиционные методы могут иметь ограничения.
Состав и характеристики
Металлические порошки специального назначения может содержать различные легирующие элементы для достижения желаемых свойств. Ниже приведены некоторые типичные составы и характеристики:
| Материал | Типовой состав | Характеристики |
|---|---|---|
| Никелевые сплавы | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo | Устойчивость к нагреву, коррозии. Хорошая прочность и вязкость |
| Кобальтовые сплавы | Co, Cr, W, Ni, Mo | Биосовместимость, высокая твердость и износостойкость |
| Титановые сплавы | Ti, Al, V, Nb, Ta | Чрезвычайно прочный и в то же время легкий. Биоинертность |
| Тугоплавкие металлы | W, Mo, Ta | Выдающиеся высокотемпературные свойства, тепловая/электрическая проводимость |
| Магнитные сплавы | Fe, Ni, Co, Nd, Sm | Высокая намагниченность насыщения и магнитная проницаемость |
Конкретное процентное содержание каждого элемента можно варьировать, чтобы получить порошки с несколько иными свойствами для предполагаемых применений. Более экзотические специальные сплавы также возможны путем смешивания нескольких металлов.
Характеристики частиц
Помимо состава, на эффективность влияют такие характеристики порошка, как форма частиц, их распределение по размерам, текучесть и чистота.
- Форма частиц - Сферические, неправильные, смешанные. Определяет плотность упаковки и поведение при спекании.
- Распределение по размерам - Диапазон и распределение размеров. Влияет на плотность и свойства.
- Текучесть - Решающее значение для точности дозирования в АМ. Улучшается за счет сферичности и однородности размеров.
- Чистота - Содержание кислорода/азота влияет на качество. Выше - лучше.
Производители тщательно контролируют эти свойства порошка, чтобы гарантировать постоянство состава разных партий.
Области применения специализированных металлических порошков
Уникальные преимущества специальных металлических порошков делают их подходящими для нишевых применений, где традиционные металлические изделия не подходят. Некоторые примеры включают:
| Промышленность | Приложения |
|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | Лопасти турбин, арматура для самолетов, сопла для ракет. |
| Медицина | Ортопедические/стоматологические имплантаты, хирургические инструменты |
| Автомобильная промышленность | Облегченные детали шасси, высокоэффективные компоненты |
| Электроника | Экранирование, контакты, выводные рамки, разъемы |
| Промышленность | Инструментальная оснастка, приспособления для термообработки, износостойкие/коррозионностойкие покрытия |
Другие распространенные области применения - оборудование для химической обработки, спортивные товары, компоненты часов и т.д. Их применение продолжает расти по мере широкого внедрения аддитивного производства.
Степени и спецификации
Как и обычные металлы, марки порошковой металлургии стандартизированы профессиональными организациями для обеспечения постоянного качества и производительности. Некоторые ключевые стандарты включают:
| Стандарт | Организация | Материалы |
|---|---|---|
| ASTM | ASTM International | Никель, кобальт, титановые сплавы |
| UNS | SAE International | Специальные металлические сплавы |
| ISO | Международная организация по стандартизации | Широкий спектр металлов и керамики |
В каждом стандарте материалам присвоены уникальные коды для идентификации. Кроме того, для регулирования качества предусмотрены спецификации, касающиеся предельного состава, характеристик порошка, отбора проб, испытаний и т. д.
Сертификаты соответствия химическому составу и отчеты об испытаниях предоставляются авторитетными производителями для подтверждения соответствия приобретенной спецификации. Также возможны нестандартные марки вне стандартов для собственных применений.
Поставщики и ценообразование
Существует ряд ведущих мировых поставщиков специальных металлических порошков для коммерческого использования:
| Поставщик | Типичные материалы | Средняя ценовая политика |
|---|---|---|
| Sandvik | Никель, кобальт, титановые сплавы | $50 - $100 за кг |
| Praxair | Сплавы никеля, железа, вольфрама | $75 - $250 за кг |
| Hoganas | Инструментальные стали, нержавеющие стали | $30 - $150 за кг |
| GKN | Титан, алюминиевые сплавы | $100 - $300 за кг |
| Техник-плотник | Широкий ассортимент специальных сплавов | $250 - $500 за кг |
Цены значительно варьируются в зависимости от сложности сплава, объема заказа, характеристик порошка и стандартов качества. Как правило, сферические порошки с контролируемым распределением по размерам имеют более высокую цену.
Сравнение материалов
Не существует универсально лучшего специального сплава - между различными вариантами порошковых металлов существуют определенные компромиссы:
| Параметр | Никелевые сплавы | Титановые сплавы | Тугоплавкие металлы |
|---|---|---|---|
| Прочность | Очень хорошо | Отличный | Хороший |
| Твердость | Хороший | Очень хорошо | Отличный |
| Жесткость | Отличный | Хороший | Среднее |
| Коррозионная стойкость | Отличный | Очень хорошо | Среднее |
| Устойчивость к высоким температурам | Отличный | Среднее | Отличный |
| Биосовместимость | Среднее | Отличный | Среднее |
| Стоимость | Высокая | Очень высокий | Среднее |
Основные выводы:
- Никелевые сплавы обладают наилучшими универсальными свойствами, но стоят дорого
- Титановые сплавы обладают превосходным соотношением прочности и веса, но могут быть недостаточно пластичными
- Тугоплавкие металлы выдерживают экстремальные температуры, но менее устойчивы к коррозии
- Правильный выбор зависит от критических требований к производительности приложения
Преимущества порошковой металлургии
Некоторые заметные преимущества специальные металлические порошки:
Повышенная чистота - Быстрое затвердевание при распылении обеспечивает более высокую достижимую чистоту по сравнению с обычными литыми/коваными металлами. Это расширяет возможности применения и эксплуатационные границы.
Атрибуты точности - Постоянство характеристик порошка обеспечивает воспроизводимость результатов, более жесткие допуски и контроль качества для таких критически важных компонентов, как аэрокосмические турбины и медицинские имплантаты.
Сложная геометрия - Специальные порошки позволяют получать топологически оптимизированные, легкие или пористые компоненты, невозможные при использовании субтрактивных технологий.
Настраиваемость - Химический состав сплава и свойства порошка могут быть подобраны в соответствии с конкретными требованиями к механическим, физическим или биологическим свойствам.
Устойчивое развитие - Аддитивные технологии отличаются меньшим соотношением цены и качества, а также меньшим расходом материала по сравнению с механической обработкой из массы. Это способствует экологичности производства.
Проблемы порошковой металлургии
Несмотря на значительные достижения, некоторые присущие им ограничения все еще остаются:
Контроль качества - Обеспечение надежных характеристик материала за счет стабильного исходного сырья и строго контролируемых параметров обработки. За последние годы в этом направлении был достигнут значительный прогресс.
Повторяемость - Существуют различия между партиями при производстве порошка и незначительные различия между сборками AM. Это может повлиять на измерение механических свойств. Продолжающиеся исследования направлены на укрепление доверия.
Стоимость - Порошки из специальных сплавов стоят дороже, чем стандартные марки. Однако автоматизированная АМ может компенсировать это за счет эффективности в масштабах производства.
Данные о производительности - Широкие данные о поведении порошковых материалов стали появляться только в последнее время. Опубликованные значения могут иметь статистическое распределение в отличие от отдельных фиксированных цифр.
Одобрение регулирующих органов - Такие отрасли, как аэрокосмическая и медицинская, традиционно имеют длительные квалификационные процессы, которым компоненты из порошковых металлов должны соответствовать до полномасштабного внедрения, несмотря на большой базовый спрос.
В целом, металлические порошки открывают широкие возможности, но все еще нуждаются в стандартизации и зрелости как развивающийся технологический сектор, обслуживающий уже сложившиеся отрасли.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
В этом разделе FAQ представлены ответы на часто задаваемые вопросы по порошковой металлургии для справки:
Какие специальные металлические порошки наиболее широко используются сегодня?
Большую часть спроса составляют титановые сплавы, суперсплавы на основе никеля, кобальтохромовые сплавы и инструментальные стали. Основные области применения - аэрокосмические двигатели, имплантаты для замены суставов, автомобильная/промышленная оснастка и инструментальные стали для пресс-форм и штампов.
Какие методы могут быть использованы для производства металлического порошка специального назначения?
К распространенным технологиям производства относятся газовое распыление, плазменное распыление, электролиз и карбонильное разложение. Каждый из них имеет относительные преимущества - газовая атомизация предлагает наилучшее сочетание стоимости и стабильного размера/формы порошка.
Как характеризуются металлические порошки?
Обычно исследуются такие характеристики, как распределение частиц по размерам, морфология, скорость потока, плотность ленты, химический состав, микроструктура и уровень загрязнения. Они влияют на пригодность для процессов AM и свойства конечной детали.
К какому размерному ряду относятся специализированные порошки для AM?
Подавляющее большинство порошков находится в диапазоне от 10 до 100 микрон. Более мелкие частицы могут воспламеняться или быть опасными в обращении, в то время как крупные частицы негативно влияют на разрешение, плотность и качество поверхности.
Что такое специальный сплав, распыляемый в инертном газе?
Это высокоэффективный порошок, получаемый путем распыления потока расплавленного металла с использованием инертного газа, такого как аргон или азот, чтобы избежать загрязнения. Это предпочтительный метод производства для реактивных сплавов.
Как обрабатываются детали после AM?
Обычная последующая обработка включает в себя горячее изостатическое прессование (HIP), термообработку, горячее изостатическое прессование (HIP), обработку поверхности, нанесение покрытий и окончательный контроль/испытания в соответствии с требованиями приложения.
