Объяснение порошка сплава на основе кобальта: марки, использование и как выбрать правильный

Что такое порошок сплава на основе кобальта и почему это важно?

Порошок сплава на основе кобальта представляет собой семейство металлических порошков, в которых кобальт служит основным матричным элементом, обычно легированным хромом, вольфрамом, никелем, углеродом и другими элементами для достижения исключительной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и жаропрочности. Эти порошки разработаны для сложных промышленных применений, где обычная сталь или никелевые сплавы выходят из строя преждевременно — например, компоненты реактивных двигателей, хирургические имплантаты, нефтегазовые клапаны и промышленные режущие инструменты.

Порошковая форма делает материалы из кобальтовых сплавов такими универсальными в современном производстве. Вместо обработки детали из твердой заготовки твердого кобальтового сплава — дорогостоящего и сложного процесса — инженеры могут применить порошок сплава на основе кобальта в качестве покрытия термического напыления, спекайте его в деталь почти готовой формы или подавайте непосредственно в системы аддитивного производства для создания слоя за слоем сложной геометрии. Результатом является точное размещение материала именно там, где требуется производительность, с минимальными отходами.

Основные марки порошков сплавов кобальта и их составы

Порошки сплавов на основе кобальта не представляют собой отдельный материал — это семейство сплавов, каждый из которых оптимизирован для определенного сочетания свойств. Наиболее широко используемые марки берут свое начало от семейства сплавов стеллита, разработанных в начале двадцатого века, хотя в настоящее время существует множество эквивалентных и запатентованных марок от производителей по всему миру.

Как производят порошок сплава на основе кобальта

Метод производства, используемый для изготовления порошка сплава кобальта и хрома, оказывает прямое влияние на морфологию порошка, гранулометрический состав, текучесть и, в конечном итоге, на характеристики конечной детали или покрытия. Для различных последующих процессов требуются порошки с разными физическими характеристиками, поэтому понимание того, как производится порошок, поможет вам выбрать правильный продукт.

Распыление газа

Газовое распыление является доминирующим методом производства порошка кобальтового сплава, предназначенного для аддитивного производства и термического напыления. Поток расплавленного кобальтового сплава распадается струями инертного газа под высоким давлением (обычно аргона или азота) на мелкие капли, которые в полете затвердевают в сферические частицы. Полученный порошок имеет превосходную сыпучесть, низкую пористость и стабильный химический состав каждой частицы. Размер частиц контролируется путем регулирования давления газа и скорости потока расплава. Типичные диапазоны составляют 15–53 мкм для лазерной сварки в порошковом слое (LPBF) и 45–150 мкм для процессов лазерной наплавки или плазменной дуги (PTA).

Плазменное распыление

При плазменном распылении используется плазменная горелка для плавления проволоки или прутка, который затем распыляется инертным газом. Этот метод позволяет получить очень сферический, очень чистый порошок с чрезвычайно низким содержанием кислорода, что важно для реактивных высокопроизводительных сплавов. Порошки сплавов кобальта, распыленные плазмой, используются в наиболее требовательных приложениях аддитивного производства, где чистота микроструктуры и усталостные свойства имеют первостепенное значение, например, в аэрокосмической и медицинской имплантации.

Распыление воды и распылительная сушка

При распылении воды вместо газа используются водяные струи под высоким давлением, что приводит к образованию частиц неправильной, несферической формы при меньших затратах. Эти порошки обычно используются в процессах прессования и спекания, процессах термического напыления, где требования к сыпучести менее строгие, а также в качестве сырья для распылительной сушки, где мелкие частицы неправильной формы агломерируются в более крупные, более текучие гранулы для операций плазменного напыления.

Ключевые применения порошка кобальтового сплава в различных отраслях промышленности

Порошок суперсплава на основе кобальта находит применение в чрезвычайно широком спектре отраслей промышленности, объединенных необходимостью работы в экстремальных условиях. Ниже приведены отрасли, в которых порошки сплавов кобальта оказывают наиболее существенное инженерное влияние.

Нефть и газ: наплавка и компоненты клапанов

При добыче нефти и газа такие компоненты, как задвижки, шаровые краны, дроссельные клапаны и рабочие колеса насосов, подвергаются воздействию абразивных суспензий, агрессивных жидкостей и высоких перепадов давления. Наплавка этих компонентов порошком сплава кобальта, хрома и вольфрама, нанесенным с помощью плазменной дуговой сварки (PTA) или лазерной наплавки, создает металлургически связанное плотное покрытие, которое устойчиво к эрозии и коррозии, намного превосходящее возможности базовой стали. Например, седло клапана с твердым покрытием Stellite 6 может прослужить дольше аналога без покрытия в десять и более раз в условиях эксплуатации, содержащих пластовую воду с содержанием песка.

Аэрокосмическая промышленность: компоненты турбин и системы теплового барьера

Порошки суперсплавов на основе кобальта имеют решающее значение в аэрокосмической отрасли как для производства, так и для ремонта компонентов горячей секции турбин. Лопатки турбин высокого давления, направляющие аппараты сопел и аппаратура камеры сгорания работают при температурах, превышающих 1000°C, выдерживая механические нагрузки и окислительные газы. Сплавы кобальта сохраняют прочность и сопротивляются окислению при этих температурах лучше, чем большинство никелевых суперсплавов в конкретных областях применения. Лазерное напыление направленной энергии (DED) с использованием порошка кобальтового сплава широко используется для ремонта изношенных или поврежденных лопаток турбин до размеров оригинального оборудования, восстанавливая компоненты стоимостью десятки тысяч долларов, которые в противном случае были бы отправлены на слом.

Медицина: имплантаты и хирургические инструменты

Порошок сплава CoCrMo — особенно марки, соответствующие ASTM F75 и ISO 5832-4 — является предпочтительным материалом для несущих ортопедических имплантатов, включая ножки тазобедренного сустава, головки бедренной кости, лотки большеберцовой кости и устройства для спондилодеза. Сочетание высокой усталостной прочности, превосходной коррозионной стойкости в биологических жидкостях и биосовместимости сплава делает его уникальным для имплантатов, которые должны надежно функционировать в течение 20 и более лет внутри человеческого тела. Аддитивное производство с использованием порошка CoCrMo позволило производить индивидуальные имплантаты со сложной решетчатой ​​структурой, которая способствует врастанию кости — геометрии, которую невозможно достичь традиционным литьем или механической обработкой.

Производство электроэнергии: изнашиваемые детали паровых и газовых турбин

Компоненты паровой турбины, такие как бандажи лопаток, эрозионные щитки и стержни клапанов, работают в средах, сочетающих высокую температуру, паровую эрозию и механическое воздействие. Покрытия термического напыления из кобальтового сплава, нанесенные из порошкового сырья, защищают эти поверхности и значительно продлевают интервалы технического обслуживания. На атомных электростанциях компоненты из кобальтовых сплавов выбираются специально из-за их устойчивости к радиационному охрупчиванию и способности сохранять механические свойства под воздействием нейтронного потока, хотя содержание кобальта в ядерной среде необходимо тщательно контролировать из-за проблем с активацией.

Применение инструментов и резки

Порошок кобальтового сплава спекают во вставки режущего инструмента, изнашиваемые накладки и штампы, используемые при резке металла, литье пластмасс под давлением и формовании стекла. Высокая горячая твердость кобальт-хром-вольфрамовых сплавов — они сохраняют значительную твердость при 700–800°С, когда быстрорежущая сталь резко размягчается, — делает их эффективными для высокоскоростного прерывистого резания абразивных заготовок. Карбид вольфрама, связанный кобальтом (WC-Co), технически представляющий собой цементированный карбид, а не сплав кобальта, использует порошок кобальта в качестве связующей фазы и представляет собой крупнейшее разовое использование кобальта в порошковой металлургии в мире.

Методы обработки, в которых используется порошок сплава на основе кобальта

Порошок кобальтового сплава — это сырье, требующее последующего процесса преобразования его в полезную деталь или покрытие. Каждый процесс предъявляет разные требования к характеристикам порошка, и выбор неправильного порошка для данного процесса приводит к пористости, растрескиванию, плохой адгезии или неточности размеров.

• Лазерная сварка в порошковом слое (LPBF): Этот процесс аддитивного производства, также известный как селективное лазерное плавление (SLM), распределяет тонкие слои порошка кобальтового сплава по рабочей платформе и избирательно плавит их с помощью мощного лазера. Детали, изготовленные из LPBF из порошков CoCrMo или Stellite, имеют превосходную плотность (>99,5%) и могут иметь сложную внутреннюю геометрию. Порошок должен быть сильно сферическим, размером 15–45 мкм, с низким содержанием спутников и минимальной влажностью.
• Направленное осаждение энергии (DED)/лазерная наплавка: Порошок кобальтового сплава коаксиально подается в сфокусированный лазерный луч, плавясь и затвердевая в виде плотного металлургически связанного слоя на подложке. DED используется как для производства новых деталей, так и для ремонта изношенных компонентов. Размер порошка обычно составляет 45–150 мкм. Скорость осаждения выше, чем у LPBF, что делает DED более подходящим для нанесения покрытий большой площади или толстых наплавок.
• Плазменная дуговая наплавка (PTA): PTA использует плазменную дугу для плавления порошка сплава кобальта и нанесения его на подложку в виде полностью расплавленного покрытия. Это наиболее широко используемый метод промышленной наплавки порошками кобальтовых сплавов, обеспечивающий высокую скорость осаждения, низкое разбавление и отличную прочность сцепления. Типичный размер порошка составляет 53–150 мкм. PTA — это стандартный процесс наплавки седел клапанов, компонентов насосов и скважинных буровых инструментов.
• Термическое распыление высокоскоростного кислородного топлива (HVOF): HVOF ускоряет горение топлива и частиц порошка кобальтового сплава до сверхзвуковых скоростей перед попаданием на подложку. В результате получается плотное, малопористое покрытие с отличной адгезией и минимальным окислением. Покрытия из кобальтового сплава, напыляемые HVOF, используются на шасси самолетов, валах насосов и других компонентах, требующих тонких (0,1–0,5 мм) точных износостойких поверхностей.
• Горячее изостатическое прессование (ГИП) и спекание: Порошок кобальтового сплава загружается в форму или капсулу и консолидируется под действием одновременно высокой температуры и изостатического давления, устраняя пористость и создавая полностью плотный компонент почти чистой формы. HIP используется для сложных деталей аэрокосмической и медицинской промышленности, где требуются полная плотность и изотопные механические свойства. Спекание без давления используется для изделий более простой геометрии, где допустима некоторая остаточная пористость.

Критические параметры качества при выборе порошка кобальтового сплава

Не все порошки сплавов на основе кобальта, продаваемые под одним и тем же обозначением, одинаковы. При покупке порошка сплава кобальта и хрома для критически важного применения следующие параметры должны быть проверены с помощью сертификатов испытаний, предоставленных поставщиком, а в идеале — независимо проверены для использования с высокими рисками:

• Химический состав: Каждый легирующий элемент должен находиться в пределах, установленных для марки. Например, даже небольшие отклонения в содержании углерода могут существенно изменить твердость и чувствительность к растрескиванию наплавленной или спеченной детали. Запросите полный элементный анализ каждой плавки или партии.
• Распределение частиц по размерам (PSD): PSD, измеренная методом лазерной дифракции, определяет значения D10, D50 и D90. Постоянный PSD обеспечивает предсказуемое поведение порошка в питателях и разбрасывателях. Мелкие частицы, не соответствующие техническим требованиям, повышают риск окисления и могут вызвать засорение форсунок; Крупные частицы слишком большого размера вызывают шероховатость поверхности и неполное плавление LPBF.
• Текучесть: Текучесть, измеряемая расходомером Холла (ASTM B213) или расходомером Карни, определяет, насколько стабильно порошок подается через автоматизированные системы. Плохая текучесть порошка приводит к изменениям плотности в конструкциях LPBF и нестабильной подаче в процессах PTA или лазерной наплавки.
• Кажущаяся плотность и плотность отвода: Эти значения влияют на то, насколько плотно порошок упаковывается в объем сборки или штамп, влияя на точность размеров спеченных деталей и контроль толщины слоя в аддитивном производстве.
• Содержание кислорода и азота: Повышенное содержание кислорода в порошке кобальтового сплава указывает на окисление при распылении или хранении, что приводит к появлению оксидных включений в осадке, снижающих пластичность и коррозионную стойкость. Для применений AM обычно указывается содержание кислорода ниже 500 ppm; Для аэрокосмических и медицинских порошков премиум-класса целевой показатель должен быть ниже 200 ppm.
• Морфология и спутниковый контент: СЭМ-изображения выявляют форму частиц, текстуру поверхности и наличие спутников — мелких частиц, прилипших к более крупным. Высокое содержание спутников ухудшает сыпучесть и плотность упаковки. Газораспыленные порошки для АМ должны иметь преимущественно сферическую форму с минимальным количеством сателлитов.

Рекомендации по хранению, обращению и безопасности

Порошок сплава на основе кобальта требует осторожного обращения для сохранения его свойств и защиты персонала. Кобальт классифицируется как потенциальный канцероген для человека (группа 2А по версии IARC) при вдыхании в виде мелких частиц, и в эту категорию попадают порошки кобальтовых сплавов. Мелкодисперсные металлические порошки также представляют опасность возгорания и взрыва при распылении в воздухе в достаточных концентрациях.

• Защита органов дыхания: Используйте респираторы P100 или эквивалентные при работе с открытыми контейнерами с порошком кобальтового сплава. Операции, при которых образуется переносимый по воздуху порошок — просеивание, разсыпание и очистка — следует проводить в закрытых перчаточных боксах или под местной вытяжной вентиляцией.
• Условия хранения: Храните запечатанные контейнеры в сухом помещении с контролируемой температурой. Поглощение влаги вызывает агломерацию порошка и окисление поверхности, ухудшая сыпучесть и увеличивая содержание кислорода. Для длительного хранения порошков марки АМ рекомендуется использовать контейнеры, продутые инертным газом.
• Переработка порошка в аддитивном производстве: Нерасплавленный порошок из сборок LPBF можно просеять и использовать повторно, но каждый цикл повторного использования немного увеличивает содержание кислорода и может изменить PSD. Разработайте документированный протокол управления порошками, определяющий максимальные циклы повторного использования и соотношения смешивания с первичным порошком для поддержания стабильного качества сборки.
• Утилизация отходов: Кобальтсодержащие порошковые отходы следует утилизировать как опасный материал в соответствии с местными правилами. Не подметайте сухой порошок — используйте вакуумную систему с фильтром HEPA, чтобы собрать пролитую жидкость и избежать образования пыли в воздухе.

Выбор подходящего порошка кобальтового сплава для вашего применения

При наличии множества марок, методов распыления и распределения по размерам выбор правильного порошка сплава на основе кобальта требует соответствия свойств материала конкретному виду отказа, который вы пытаетесь устранить, и процессу, который вы будете использовать для его применения. Вот практическая основа:

• Если абразивный износ является основным видом отказа: Выбирайте марку с высоким содержанием углерода, например Stellite 12 или Stellite 1, которая содержит больше карбидной фазы для устойчивости к истиранию. Нанесите методом PTA или лазерной наплавки для получения полностью расплавленного металлургически связанного покрытия.
• Если проблема связана с коррозией в сочетании с износом: Stellite 6 или Stellite 21 обеспечивают лучший баланс коррозионной стойкости и износостойкости. Низкое содержание углерода в Stellite 21 делает его более подходящим для сред, где стойкость к точечной коррозии имеет решающее значение.
• Если проблемой является истирание или скользящий контакт металла с металлом: Марки Tribaloy T-400 или T-800 специально разработаны для обеспечения устойчивости к схватыванию благодаря высокому содержанию молибдена и образованию фазы Лавеса, которая действует как твердая смазка.
• Если вы создаете медицинский имплантат или биосовместимое устройство: Укажите порошок CoCrMo, соответствующий ASTM F75 или ISO 5832-4, полученный методом газового или плазменного распыления с документированными испытаниями на биосовместимость и полной документацией по отслеживанию.
• Если приложением является аддитивное производство: Отдавайте приоритет морфологии порошка, PSD и содержанию кислорода, а не стоимости. Немного более дорогой порошок кобальтового сплава марки AM с хорошими характеристиками обеспечит более стабильные результаты сборки и меньше дефектов, чем более дешевая, плохо охарактеризованная альтернатива.