От спецификации к сборочной пластине: выбор порошков сплавов для аддитивного производства

Любой, кто годами стоял рядом с порошковой кроватью, скажет вам то же самое: машина привлекает внимание, но порошок решает результат. Порошки для аддитивного производства не являются товарным наполнителем — это специально разработанное сырье, и их химический состав, гранулометрический состав, форма и чистота передаются с каждой деталью, которую вы создаете. Сделайте их правильно, и процесс станет предсказуемым. Если вы ошибетесь, вы потратите недели на погоню за пористостью, которую не сможете объяснить.

Мы потратили много времени на производство порошков сплавов и их применение в процессах плакирования, напыления и производства изнашиваемых деталей, поэтому это руководство написано в цехе, а не в брошюре. В нем рассказывается, что это за порошки, чем различаются основные семейства, какие характеристики действительно имеют значение и как подобрать порошок к выполняемому вами процессу.

Что на самом деле представляют собой порошки для аддитивного производства

В аддитивном производстве на основе порошков металлический порошок слой за слоем консолидируется в твердую деталь. Связывание происходит по-разному в зависимости от машины: лазерный или электронный луч плавит каждый слой при плавлении в слое порошка, печатающая головка наносит связующее при струйной обработке перед спеканием, а сфокусированный источник энергии плавит порошок, когда он подается через сопло в результате направленного осаждения энергии.

Это стоит отделить от обычной порошковой металлургии. Прессование и спекание ПМ допускает образование частиц неправильной формы, угловатых форм, поскольку перед нагреванием порошок уплотняется под высоким давлением. Аддитивные процессы обычно не могут этого сделать. Порошок должен растекаться, распределяться тонким равномерным слоем и последовательно поглощать энергию от одного слоя к другому. Вот почему сырье для АД почти всегда представляет собой распыленное газом или плазмой, сферическое и строго фракционированное сырье — этого требует физика процесса, а не маркетинг.

Существует также практическое совпадение, о котором стоит знать. Порошки, разработанные для лазерной наплавки и термического напыления, являются близкими родственниками порошков для принтеров: тот же путь распыления, та же металлургия, часто другой размер нареза. Поставщик, который понимает обе стороны, обычно может избавить вас от множества проб и ошибок.

Основные семейства порохов и преимущества каждого из них

Большинство промышленных порошков AM делятся на несколько семейств. Таблица ниже представляет собой приблизительную карту, а не свод правил: в каждой семье есть десятки оценок, и оценка имеет гораздо большее значение, чем фамилия.

Сплавы на основе кобальта заслуживают особого упоминания, поскольку они являются основным средством защиты от износа. Там, где деталь трется, скользит или подвергается горячему абразивному контакту, марка кобальта часто превосходит более твердые, но более хрупкие альтернативы. Мы храним широкий ассортимент этих порошков именно потому, что один и тот же материал служит и принтеру, и сварочной горелке.

Порошки сплавов на основе кобальта для эксплуатации в условиях износа и высоких температур Ознакомьтесь с марками SD-Co с твердостью 28–53 HRC для клапанов, матриц, роторов и износостойких накладок; сравните химический состав и размер частиц, прежде чем оценивать физическое поведение. Посмотреть продукт →

Размер частиц, форма и характеристики, которые имеют значение

Два порошка могут иметь одинаковые химические сертификаты и совершенно по-разному вести себя в машине. Разница обычно заключается в физических характеристиках, и именно их мы обсуждаем в первую очередь с любым новым клиентом.

Чтение спецификации порошка

• Распределение частиц по размерам: рез должен соответствовать толщине слоя и машине. Размер среза 15–45 мкм подходит для систем с тонким слоем порошка; 45–105 мкм более характерны для направленного энерговыделения и работы электронного пучка.
• Сферичность и текстура поверхности: круглые, гладкие частицы равномерно распределяются и хорошо растекаются. Спутники и фрагменты неправильной формы вызывают полосчатость и неравномерное плавление.
• Скорость потока и кажущаяся плотность: они говорят вам, как порошок будет вести себя в бункере и устройстве для повторного нанесения покрытия, а не только в технических характеристиках.
• Содержание кислорода и азота: единственная наиболее распространенная скрытая причина плохой пластичности и дефектов сварного шва.
• Пористость внутри частиц: внутренние пустоты могут пережить плавление и позже проявиться в виде газовой пористости в детали.
• Влага и загрязнение: особенно важно для гигроскопичных марок и после длительного хранения.

Если вы хотите глубже понять, как кривая распределения влияет на реальное поведение сборки, прочтите нашу заметку о распределение частиц по размерам рассматривает практические последствия.

Как делается порошок

Почти каждый металлический порошок марки АМ начинается с плавления. Распыление газа разрушает частицы, которые расплавляются в капли инертным газом под высоким давлением и затвердевают в частицы, близкие к сферическим, — наиболее распространенный путь для марок никеля, кобальта и железа. Распыление воды дешевле и быстрее, но дает изделия неправильной формы, поэтому его используют в основном для прессования и спекания, а также в некоторых случаях плакирования. Плазменное и центробежное распыление позволяет получить порошок сферической формы с низким содержанием сателлитов, поэтому они доминируют на более требовательных рынках титана и суперсплавов.

Этап атомизации — это только половина дела. Просеивание, классификация, смешивание и упаковка определяют, соответствует ли полученная вами спецификация заказанной вами. На нашем собственном заводе порошок производится от сырого расплава до готового просеянного продукта, что является единственным способом контролировать поглощение кислорода и изменения между партиями.

Подбор порошка для вашего процесса

Не существует универсального «лучшего» порошка — только тот, который лучше всего подходит для процесса, геометрии и целевой стоимости. Сплавка в порошковом слое требует тонких, сыпучих разрезов и низкого содержания кислорода. Направленное энерговыделение гораздо более терпимо к размеру, но чувствительно к консистенции корма. Лазерная наплавка находится где-то посередине и обычно лучше всего работает при более грубой, строго контролируемой резке, чтобы ванна расплава оставалась стабильной на скорости.

Это также помогает подумать о том, что происходит после сборки. Сплав, который прекрасно обрабатывается, может оказаться плохим выбором для полируемой детали, а сплав с превосходной износостойкостью может оказаться трудным для чистовой обработки. Раннее принятие решения о маршруте постобработки обычно сужает выбор порошка до двух или трех кандидатов.

Порошки сплавов для лазерной наплавки никеля, кобальта и железа Прежде чем планировать последующую обработку, просмотрите порошки на основе никеля, кобальта и железа, а также карбидные композиты с размером среза 53–150 мкм и диапазоном твердости, чтобы составить окончательный список марок. Посмотреть продукт →

Повторное использование, обработка и контроль качества

Порошок стоит дорого, поэтому почти все используют его повторно. Это нормально, в пределах. Каждый цикл подвергает материал воздействию тепла, влаги и манипуляций, при этом фракция мелких частиц увеличивается, а кислород поднимается вверх. Работоспособный подход выглядит так:

• Отслеживайте количество циклов повторного использования каждой партии и записывайте его при сборке.
• Повторно просеивайте после каждой сборки и проверяйте распределение по исходному результату.
• Периодически измеряйте содержание кислорода, а не предполагайте, что оно стабильно.
• Храните запечатанным, сухим и четко маркированным — перекрестное загрязнение между марками сплавов гораздо легче вызвать, чем обнаружить.
• Отказ от производства партий по факту, а не по привычке.

Для критически важных деталей простая процедура входного контроля — химический состав, распределение, расход и визуальная проверка под увеличением — выявляет большинство проблем еще до того, как они достигнут машины.

Когда порошок покидает принтер

Не каждая проблема износа оправдывает замену новой детали. Большой ролик, шнек или плунжер насоса часто гораздо более экономично восстановить, чем заменить, и именно здесь одни и те же распыленные порошки зарабатывают себе на жизнь в другой роли. Через лазерная наплавка Металлургически связанный слой наносится на изношенную поверхность с минимальным разбавлением и очень незначительной деформацией, и деталь возвращается в эксплуатацию с более твердой поверхностью, чем была изначально.

Для абразивных и эрозионных работ порошки для термического напыления, содержащие карбиды, часто являются лучшим решением, обеспечивая твердый, хорошо связанный слой при относительно низком подводе тепла.

Порошки термического напыления карбида вольфрама для абразивного износа Сравните твердосплавные сплавы со связями кобальта, никеля и NiCr для HVOF, плазменной обработки и наплавки, а также укажите параметры твердости, химического состава и размера частиц. Посмотреть продукт →

Вопросы, которые стоит задать перед размещением заказа

1. К какому размеру была отнесена эта партия и как выглядит фактическая кривая распределения?
2. Каковы измеренные уровни кислорода и азота, а не типичные значения?
3. Какой путь атомизации использовался и как удалялись сателлиты и штрафы?
4. Может ли поставщик поддерживать как порошок, так и последующие процессы, такие как плакирование или напыление?
5. Что на самом деле фиксирует их отслеживание партий?

Поставщик, который отвечает на эти вопросы без колебаний, обычно является поставщиком, который понимает материал, а не просто хранит его.

Порошки для аддитивного производства вознаграждают за немного терпения на этапе выбора. Понимайте семью, настаивайте на физических характеристиках, согласовывайте раскрой с процессом и соблюдайте строгую дисциплину обращения. Сделайте это, и станок, параметры и качество деталей станут гораздо проще контролировать, и порошок перестанет быть переменной, которую вы не можете объяснить.