Производство металлических порошков

Существующие способы получения порошков весьма разнообразны, что позволяет широко варьировать их свойства. Общепринятым является условное деление имеющихся способов получения порошков на физико-химические и механические.

К физико-механическим методам относят технологические процессы производства порошков (таблице 5. 1), связанные с глубокими физико-механическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок заметно отличается по составу от исходных материалов. Основными являются методы восстановления, электролиз, термическая диссоциация и т.п. Под восстановлением понимают процесс получения металла из его химического соединения путем отделения неметаллической составляющей. В общем случае простейшая реакция восстановления имеет вид:

МеА + Х «Ме + ХА + Q,

где Ме – любой металл; А – неметаллическая составляющая; Х – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции.

Таблица 5.1

Основные методы производства порошков

Методы получения порошков	Характеристика методов	Получаемые порошки
Физико-химические методы
Химическое восстановление: Оксидов и других твердых соединений металлов.     Растворов различных соединений металлов     Газообразных соединений различных металлов	Восстановителями являются газы (водород, конвертируемый природный газ и др.), твердый углерод, (кокс, сажа и др.) и металлы (натрий, литий и др.) Исходным сырьем являются руды металлов, отходы производства, побочные продукты производства (прокатная окалина), а также различные соединения металлов. Восстановитель – водород или диоксид углерода. Исходное сырье – сернокислые или аммиачные растворы солей соответствующих металлов Восстановитель – водород в реакторе кипящего слоя или плазме.	Железо, медь, никель, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и др. металлы и сплавы   Медь, никель, кобальт, серебро, золото   Вольфрам, молибден, никель, ниобий
Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов	На катоде под действием электрического тока осаждают из водных растворов или расплавов солей чистые порошки практически любых металлов.	Железо, медь, никель, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий
Диссоциация карбонилов	Разлагают нагреванием соединения металлов с СО типа Меn(CO)m	Железо, никель, хром, кобальт, молибден, вольфрам
Термодиффузионное насыщение	Чередующиеся слои или смесь порошков разнородных металлов нагревают до температуры, обеспечивающей их активное взаимодействие.	Латунь, сплавы на основе хрома, высоколегированные стали
Возгонка и конденсация.	Для получения порошка металл испаряют и конденсируют пары на холодной поверхности.	Цинк, магний, кадмий.
Механические
Дробление и размол	Измельчение стружки, обрезков и компактных кусков проводят в шаровых, вихревых и молотковых мельницах.	Железо, медь, марганец, латунь, бронза, стали, хром.
Распыление	Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (вращающимися лопастями под действием центробежных сил) или воздействием струи энергоносителя (газа, пара).	Алюминий, медь, латунь, олово, никель, чугун, железо, сталь.
Грануляция	Порошок образуется при литье расплавленного металла в жидкость (воду), получают крупные порошки.	Железо, медь, серебро, чугун
Обработка металлов резанием	При резании компактных заготовок подбирают такой режим обработки, который обеспечивает получение мелких частиц, а не стружки.	Сталь, латунь, бронза, чугун.

Механические методы получения порошков заключаются в измельчении начального размера частиц материала путем разрушения их под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. Наибольшая эффективность процесса наблюдается при использовании в качестве исходного сырья отходов производства, например, стружки. При измельчении комбинируются те или иные усилия, например раздавливание и удар при получении крупных порошков или истирание и удар при тонком измельчении. При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия расходуется на упругие и пластические деформации, на теплоту и образование новых поверхностей, что и является, в конечном счете, целью размола.

Из-за высокой хими­ческой активности легирующих элементов, входящих в состав суперсплавов, распространение получили лишь процессы получения порошков, которые протекают в инертной атмосфере (в газовой среде или вакууме). Известно, что содержание кислорода и азота в рабочей среде должно быть минимальным, а проч­ное соединение частиц порошка в прессованной детали воз­можно лишь в случае, когда их поверхности свободны от ок­сидов, нитридов и карбидов. Всем этим требованиям удовлетворяют такие технологические процессы, как распы­ление в атмосфере инертного или растворимого газа, про­цесс с вращающимся электродом и центробежное распыление (так называемый процесс быстрого затвердевания). Требова­ния к порошкам с дисперсными оксидами отличаются от обыч­ных, и такие порошки изготавливаются методом механического легирования.

Частицы распыленного порошка суперсплавов обычно имеют сферическую форму и чаще всего для сведения к минимуму влияния загрязнений на критической размер дефектов струк­туры материала используются мелкодисперсные фракции по­рошка (от 100 … 150 мкм до 25 … 43 мкм).

Распыление в инертном и растворимом газе. Наиболее распространенными методами получения порошков являются процессы распыления металла в инертном или раст­воримом газе (РИГ и РРГ соответственно). Базисный процесс распыления в инертном газе заключается в том, что требу­емый сплав вакуумной очистки расплавляется в атмосфере инертного газа и разливается в промежуточный ковш. Выте­кающая из ковша через калиброванное выпускное отверстие дозированная струя расплавленного металла протекает мимо форсунки, обеспечивающей непрерывную подачу потока инер­тного газа высокого давления на струю жидкого металла, что приводит к ее дроблению на сферические частицы. Эти частицы остывают со скоростью около 10² град/сек. На выходе распылительной камеры собирается порошок. Типичный аргоновый распылитель показан на рис.1.

Процесс в растворимом газе осуществляется путем распы­ления расплавленного индукционной плавкой металла вверх от тигля (рис.5. 2). Среда, в которой происходит плавле­ние (при давлении выше атмосферного), содержит некоторое количество газа, растворимого в данном сплаве (обычно Н₂). Распыление осуществляется путем погружения в расплав трубки (обычно керамической), открытый конец которой вы­веден в верхнюю вакуумированную камеру распылителя. Жид­кий металл поднимается по трубке вверх и попадает в каме­ру распылителя, где и происходит его распыление, вызыва­емое как резким перепадом давления, так и бурным выделе­нием растворенного в расплаве газа. По результатам изме­рения расстояния между ветвями дендритов скорость охлаж­дения частичек порошка оценивается в 10³ град/сек.

Хотя у разных производителей в каждом конкретном слу­чае процессы и различаются в каких-то частностях, однако общие закономерности механизмов остаются неизменными. Во всех современных процессах распыления в системах плавле­ния и переноса расплавленного металла применяются тугоплавкие материалы, которые служат основным источником заг­рязнения и препятствуют полной реализации всех возможнос­тей методов.

Обычный и плазменный процессы с вращающимся электродом. Процесс с вращающимся электродом (ПВЭ) раньше использо­вался при производстве порошка сплава Ш-100, однако в настоящее время он уже не применяется как по техническим, так и экономическим соображениям. Как обычный, так и плазменный процессы с вращающимся электродом (ППВЭ) характеризуются наличием электрода, изготовленного из суперспла­ва и быстро вращающегося в камере с инертной атмосферой. В процессе с вращающимся электродом оплавление поверхнос­ти вращающегося электрода происходит под действием элект­рической дуги между ним и нерасходуемым вольфрамовым электродом. Под действием центробежных сил расплавленный металл уносится с поверхности, застывая в камере в виде сферических частичек порошка.

а	Б
Рис.1. Система газового распыления для производства суперсплавов в виде порошка: а – распылительное сопло; б – типичная схема распылительной установки; 1 – вакуумирование; 2 – шлюз для введения добавок на поздних этапах плавки; 3 – плавильная камера; 4 – сопло чашечного типа; 5 – печь; 6 – камера для распыления; 7 – сдвоенные вентили; 8 – циклонный сепаратор; 9 –дополнительный коллектор; 10 – основной коллектор; 11 – выпуск; 12 – разливочный ковш (тундиш); 13 – газовый ввод; 14 – газовая струя; 15 – сопло; 16 – капельки металла
	Рис. 2. Система распыления растворимым газом для производст­ва порошка суперсплавов: 1 – к вакуумным насосам; 2 – ре­зервуар-коллектор порошка; 3 – плавильный тигель; 4 – запорная система; 5 – сосуд высокого давления; 6 – источник электроэнер­гии; 7 – устройство для стекания порошка; 8 – индукционная катуш­ка; 9 – контейнер для порошка

Плазменный процесс отлича­ется от обычного лишь тем, что в нем для оплавления по­верхности вращающегося электрода из суперсплава вместо вольфрамового электрода используется плазменная дуга (рис.3). При производстве титанового порошка плазмен­ным методом была достигнута скорость охлаждения 10⁵ град/сек, как и для сплава Ш-100, близкие скорости ожидаются и для порошков из никелевых сплавов, хотя для частиц большого диаметра более подходящей, по-видимому, будет более низкая скорость охлаждения (10² град/сек).

Эти процессы, хотя они и не получили широкого расп­ространения, обладают большими потенциальными возможнос­тями как технологии, не загрязняющие порошок в процессе производства (особенно плазменный метод). Однако и здесь еще остаются нерешенные технические проблемы, связанные с ликвацией электродов, сохраняющейся в процессе производства порошка, и некоторым испарением, вызываемым наг­ревом высокотемпературной дугой или плазмой.

Рис.3. Процесс плазменного распыления с вращающимся электродом (ППРВЭ), осуществляется в вакуумплотной камере.

Принципиальная схема установки: 1 – вращающийся электрод (анод);

2 – гелиевая плазменная дуга; 3 – водоохлаждаемый вольфрамовый

катод; 4 – водоохлаждаемое медное сопло; 5 – вода; 6 – гелий;

7 – источник электроэнергии для поддержания дуги;

8 – источник электроэнергии для поджига дуги

Центробежное распыление. Еще один процесс производства порошков, впервые предло­женный фирмой Ргаtt & Whitney и ограниченный областью производства суперсплавов, - это процесс центробежного распыления. Он позволяет получить очень высокие скорости охлаждения (от 1 до 8×10⁶ град/сек) и очень узкое расп­ределение по размерам частиц получаемого порошка. Процесс заключается в том, что, как показано на рис.4, струя расплавленного в индукционной печи металла очень аккурат­но и дозировано разливается на поверхность быстро враща­ющегося диска.

Слой жидкого металла ускоряется на пери­ферии диска и там происходит образование сферических час­тиц, которые затем распыляются вертикальной струей инерт­ного газа (гелия).

Это вторичное распыление приводит к очень большой скорости охлаждения частиц. До сих пор не ясны причины сохранения благоприятного влияния очень вы­соких скоростей охлаждения на микрокристалличность порош­ка после его консолидации, учитывая те колебания темпера­туры, которые происходят во время проведения этой технологической операции

Рис.4. Система распылительной центрифуги для производства

порошка суперсплавов в режиме быстрой кристаллизации.

Камера низкого давления обеспе­чивает вторичную закалку:

1 – четыре циклонных сепаратора с приемной камерой; 2 – индукционная печь (плав­ка 136 кг); 3 – G-Не рециркуляционный контур (схема); 4 – холодильник; 5 – компрессор; 6 – ввод для охлажденного G-Не; 7 – турбина на 35000 мин^-1; 8 – отсек низкого давления; 9 – к 4-х циклонному сепараторному блоку;10 – ка­мера