Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

Фракционный состав порошка в зависимости от расхода металла.

 Атомайзеры типа VIGA применяется, в частности, для получения следующих порошков:

- никелевые жаропрочные сплавы (напр. Inconel 718, Rene , и т.д.) для деталей авиационных и стационарных турбин;

- сплавы на основе кобальта для использования в медицине, стоматологии и производстве мишеней ионного распыления;

- порошки для плазменного напыления (напр. NiCrAlY, CoCrAlY, и т.д.) для плазменного напыления защитных покрытий на детали из жаропрочных сплавов;

- порошки для гранульной металлургии (напр. 17PH, 316L) для автомобильных деталей массового производства;

- композиции для спекание в порошковом слое (напр. кобальтовые сплавы, драгоценные металлы) для применения в AM-машинах;

- высоколегированные стали (напр. инструментальная сталь, быстрорезы) с очень высоким содержанием карбидов;

- цветные металлы напр. медные или оловянные сплавы для различного применения.

Технология EIGA (Electrode induction guide inert gas atomization - индукционная плавка электрода с распылением газом) является еще одним видом газовой атомизации и разработана специально для получения порошков реактивных металлов - Ti, Zr, Hf, V, Pt, Ir, Nb, Mo, и т. д., поскольку плавка этих металлов в керамических тиглях затруднена даже в условиях вакуума. EIGA-атомайзер применяется для получения металлических порошков методом распыления в струе аргона. В конструкции атомайзера может быть предусмотрена возможность слива металла в изложницы, т. е. он может быть использован в качестве плавильной установки.

Согласно технологии EIGA прутки (так называемый feed stock – сырье, исходный материал, рис. 44а) после предварительной выплавки в форме электродов проходят индукционную плавку и распыляются без использования плавильного тигля. Плавление производится опусканием медленно вращающегося электрода в кольцевой индуктор, рис. 44б. Капли металла скапывают с электрода в систему форсунок и распыляются инертным газом. Типичными материалами, получаемыми по технологии без использования керамики, являются тугоплавкие и активные материалы, например TiAl, FeGd, FeTb, Zr и Cr. Она может также использоваться для многих других конструкционных материалов на основе Fe, Ni, Co.

Машины EIGA имеют невысокую скорость распыливания - около 0,5 кг/с, однако позволяют распыливать достаточно большой объем материала в течение одной плавки – от единиц до десятков килограммов.

Разновидностью газовой атомизации является технология Plasma Atomization, в которой плавление металла производят с помощью плазмы [17]. Например, атомайзер компании Raymor (Канада) содержит три плазматрона - генератора потока ионизированного газа, сфокусированных в точку, куда подводят металл в виде прутка, рис. 45 [18]. Недостаток технологии в необходимости наличия специального производства фидстока – прутка Ø1…5 мм, однако таким образом можно получать высококачественный особо чистый порошок молибденовых, титановых сплавов и сплавов ниобия, тантала, CoCr в широком и управляемом диапазоне фракционного состава.

Вакуумная атомизация. Процесс вакуумной атомизации в зарубежной литературе часто называют soluble gas atomization [19, 20], т. е атомизация за счет растворенного в расплаве газа. Суть его состоит в следующем. Атомайзер состоит из двух камер – плавильной, на рис. 50 внизу, и распылительной – вверху. В плавильной камере создают избыточное давление газа (водород, гелий, азот), который растворяется в расплаве. Во время атомизации металл, под действием давления в плавильной камере поступает вверх к сопловому аппарату, выходящему в распылительную камеру, где создают вакуум. Возникающий перепад давлений побуждает растворенный газ к выходу на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и мелкодисперсную структуру порошка.

Технологии ценробежной атомизации весьма разнообразны [19, 20], но наибольший интерес представляют те, которые позволяют получать порошки наиболее ценных для аддитивных технологий сплавов – реактивных и тугоплавких металлов. Технология REP – Rotating Electrode Process предполагает распыливание расплава, создаваемого электрической дугой между прутком материала (обычно Ø15-75 мм) и вольфрамовым электродом (рис. 47). Главным достоинством этого метода является полное исключение контакта расплава с тиглем, разливочными устройствами, что имеет место, например в технологии VIM или при центробежном распылении на вращающемся диске. Вариантом этой технологии является процесс PREP - Plasma Rotating Electrode Process [19, 20], в соответствии с которым плавление металлического прутка производят посредством высокоскоростного потока ионизированного инертного раза. Технологии REP и PREP, так же как и упомянутая выше технология плазменной атомизации применяется для получения особо чистых мелкодисперсных порошков сферической формы. На рис. 48 показано сравнение структуры порошков Ti6Al, полученных разными методами: а – атомизация инертным газом, б – центробежная плазменная атомизация (PREP) [21, 22]. Видно, что частицы порошка, полученного методом PREP отличаются правильной сферической формой, без «сателлитов» - пылевидных частиц, налипающих на более крупные в результате соударения в процессе газовой атомизации.

В России также имеется опыт получения порошковых материалов методом центробежного распыления с торца прутковой заготовки (фидстока), оплавляемой плазменной дугой. Метод был разработан в 70-х годах в ВИЛС (Всесоюзный институт легких сплавов) под руководством академика А. Ф. Белова и получил дальнейшее развитие в работах OOO «Сферамет» [32]. Исходным материалом для получения гранул на установке «УЦР-6» служат литые цилиндрические заготовки диаметром 76-80 мм и длиной 700 мм. Практически на установке были получены гранулы дисперсностью 50 мкм.

Аналогичный метод разработан также в институте проблем материаловеденья им. И.Н.Францевича НАН Украины (установка ВГУ-3М), в частности, для получения порошков карбида вольфрама [33] для последующего нанесения на рабочие органы породоразрушающих машин.

Здесь фидстоком является предварительно подготовленный электрод сплава карбидов вольфрама диаметром 25мм и длиной 180-200мм.

Определенный интерес представляет еще одна разновидность газовой атомизации с использованием энергии плазмы. Она предназначена для изменения морфологии порошков, полученных другими методами - не диспергированием расплава, либо «исправления» геометрии некондиционных порошков. Суть процесса, см. рис. 50 [23], состоит в том, что исходный «неправильный» порошок дообрабатывают в струе плазмы, в результате чего частицы порошка приобретают правильную сферическую форму. На рис. 50 стрелками Powder и Plasma gas показано направление подачи, соответственно, исходного порошка и газа, ионизируемого в плазматроне, а на рис. 51 – сравнение морфологии исходного порошка и порошка, прошедшего плазменную обработку.

                           Схема процесса плазменной обработки  порошка.

4.2 Производители атомайзеров и поставщики металлопорошковых композиций для использования в AMмашинах Нужно отметить, что в мире существует несколько десятков крупных компаний-производителей металлопорошков по технологиям газовой, вакуумной или центробежной атомизации (США, Франция, Германия, Швеция, Япония, Китай и др.) Часть компаний приобретала атомайзеры у других компаний, часть – разрабатывала свои собственные конструкции. Но большинство последних не продает свои технологию, даже в качестве лицензий, акцентируя свой бизнес только на производстве порошка. Редким исключением является шведская компания Sandwik Osprey, которая в 80-х годах продала лицензию на технологии атомизации немецкой компании ALD Vacuum Technologies. Сама же Sandwik Osprey, имея оборудование собственной конструкции и «ноу-хау», не продает более ни оборудование, ни технологии, но превратилась в одного их лидеров мирового рынка по производству металлических порошков. Сами технологии атомизации, безусловно, относятся к топ-уровню и являются средоточием последних научных достижений в металлургии, гидро- и газодинамики, физики плазмы, электротехники и др. В Европе лишь три компании – ALD, PSI (Phoenix Scientific Industries Ltd.) и Atomising Systems Ltd. (обе Великобритания) производят атомайзеры в качестве товарной продукции.

Мировой лидер в производстве оборудования для газовой атомизации – компания ALD (в настоящее время входит в группу AMG Advanced Metallurgical Group .., Голландия) имеет в своей производственной линейке атомайзеры как лабораторного (объем тигля 1,0…2,0 л), так и индустриального назначения с производительностью до 500 кг за одну плавку и более. Лабораторные атомайзеры ALD VIGA 1, VIGA (рис. 52) предназначены для получения порошков стали и спецсплавов в основном в исследовательских целях. Машины используется для получения небольших партий порошков различных конструкционных сталей, никелевых сплавов, кобальта, меди и др. методом VIGA. Тигель с донным сливом объемом, соответственно 1,0 и 2,0 л. Стандартная конструкция включает печь для вакуумного индукционного плавления (VIM), где сплавы плавятся, очищаются и проходят дегазацию. Очищенный расплав сливается по предварительно нагретому желобу в газовую форсунку, где металл распыляется струей инертного газа под высоким давлением. Полученный металлический порошок затвердевает, свободно падая в башне, расположенной прямо под распылительной форсункой. Смесь порошка и газа транспортируется по трубопроводу в циклонную установку, где крупные и мелкие фракции порошка отделяются от распылительного газа. Металлический порошок собирается в герметичные контейнеры, расположенные под циклонной установкой. Конфигурация машины обычно согласовывается с заказчиком с учетом конкретных условий инсталляции.

производительностью, например, VIGA6 (около 40 кг по стали) и VIGA(50 кг). Максимальная емкость тигля для машин типа VIGA составляет 250-300 л. Дисперсность распыливания зависит от материала и варьирует в пределах d50= 15…60 мкм. Фракционный состав получаемого порошка может быть откорректирован путем настройки параметров газового распылителя и сливного устройства (см. выше рис. 43).

Компания ALD является также изготовителем атомайзеров для получения порошковых композиций по технологии EIGA - индукционная плавка с распылением инертным газом. Базовые модели EIGA 50 и EIGA 100 отличаются размерами применяемого фидстока - прутка, соответственно, 50 и 100 мм. Машины EIGA (рис. 53) имеют невысокую скорость распыливания - около 0,5 кг/с, однако позволяют распыливать достаточно большой объем материала в течение одной плавки – от единиц до десятков килограммов. Машина может быть оснащена функцией spray forming для «выращивания» болванок диаметром до 50 мм и длиной до 500 мм.

Spray forming –относительно новая прогрессивная технология в металлургии, позволяющая получать болванки (заготовки для последующих переделов) путем осаждения распыливаемого металла на подложку, рис. 54).

При выборе оборудования следует иметь в виду, что технология VIGA позволяет получать порошки металлов (кроме титановых сплавов и реактивных металлов) с дисперсностью d50 = 30 мкм.

Технология EIGA весьма производительна, при 2-х сменной работе может быть получено до 500 кг порошка в день, универсальна по распыливаемым металлам, но порошки имеют больший размер частиц, d50 = 60…80 мкм в зависимости от материала, см. рис. 55.

Металлопорошковые композиции, полученные на установках VIGA и EIGA, могут быть использованы и в целях традиционной порошковой металлургии, в частности в PIM-технологиях. Общий термин PIM – Powder Injection Molding, обозначает технологии формования порошковых материалов посредством предварительной пластификации (с помощью связующего состава) и специальной термообработки на стадии получения конечного изделия.

Атомайзеры Hermiga 75/3, Hermiga 75/5 компании SI предназначены для получения порошков спецсталей и титановых сплавов. Машины отличаются объемом тигля – 3 и 5 кг (по стали) соответственно, и позволяет получать металл в слитках либо в виде порошка. Порошок со сферической геометрией частиц. Скорость охлаждения при атомизации от 103 до 106 K/sec. Дисперсность порошка варьируется от 10 до 100 мкм. Широкий спектр расплавляемых металлов, включая пирофорные сплавы и сплавы редкоземельных металлов.

При получении алюминиевых порошков с целью снижения опасности взрыва предусмотрено регулируемое пассивирование. Как опция – атомизация в воде для получения металлических гранул. Технология wirecasting (быстрое охлаждение путем погружения расплавленного металла во вращающуюся водяную ванну) позволяет получать металлическую нить с высокими магнитными и прочностными свойствами и диаметром от 0,1 мм. Габариты – 2100х3200х2400 мм, вес 2500 кг.

Атомайзер, Hermiga 100/10 – лабораторно-исследовательская машина с донным сливом и с газовым (аргон) распылителем для получения порошков спецсталей, титановых сплавов, редкоземельных металлов, пирофорных сплавов, а также заготовок методом spray formingМашина может также выполнять функцию «поставщика» расходных (строительных) материалов для аддитивных машин, для выращивания изделий (в частности, литейных форм) из металлических порошков. Модель имеет легкосъемный тигель емкостью 10,0 кг по стали. Дисперсность порошка варьируется от 10 до 100 мкм. Габаритные размеры 5050x5950х5070 мм. Машины PSI имеют в качестве отдельной специальной опции возможность атомизации титановых сплавов. Реализация данной опции требует установки дополнительного оборудования, которое существенно увеличивает габариты и стоимость системы. В линейке оборудования фирмы PSI имеются также модели Hermiga 100/25(с донным сливом), Hermiga 100/5021, Hermiga 120/100 21, Hermiga 100/200 V21 (все с поворотным тиглем), которые имеют емкость тигля по стали, соответственно, 25, 50, 100 и 200 кг и являются машинами для мало - и среднеосерийного производства металлических заготовок и порошков.

Компания Atomising Systems Ltd специализируется на выпуске оборудования для атомизации металлических и неметаллических материалов различными технологиями:

- распыление  водой;

- распыление  инертным газом;

- ультразвуковое  распыление;

- центробежное  распыление.

Atomising Systems имеет опыт в производстве оборудования, в частности, для получения порошков легкоплавких материалов, из которых изготавливаются разного рода припои для электронной промышленности. В линейке оборудования имеются как лабораторные атомайзеры, на которых можно получать 1-5 кг порошка в день, так и индустриальные установки производительностью более 5 т/день. В России компания работает в содружестве с «Уральской фирмой нетрадиционных методов обработки и новых материалов (НЕТРАММ)», которая согласно иформации на сайте компании [24] изготавливает и поставляет лабораторные установки для получения порошков цветных и черных металлов с регулируемой дисперсностью (10 -1000 мкм), формой частиц (от нитевидной до сферической) и скоростью охлаждения (от 103 до 107 K/с) различными методами, включая и газовую атомизацию. Обычно фирмы-производители AM-машин являются и поставщиками расходных материалов, причем сами эти фирмы не производят порошки, но участвуют в их подготовке для работы именно на их машинах. Порошок закупают на фирмах-изготовителях порошковых материалов, которые производят материал для разнообразных нужд порошковой металлургии. Закупленный порошок подвергается просеиванию и разделению на фракции, производится смешение фракций в определенных соотношениях и фасовка в герметичную тару. Таким образом, в частности, производители AM-машин страхуют себя от возможных претензий к качеству порошков со стороны потребителей. Ниже в таблице 2 приведен не полный перечень порошковых композиций, предлагаемый компаниями-производителями AM-машин. Нетрудно заметить, что большинство компаний предлагает практически идентичный набор строительных материалов, однако при этом нет никаких гарантий того, что порошки, например, EOS можно применять в машинах SLM Solution или ealiser.