Металлический порошок никеля и кобальта: что это такое, как его делают и где на самом деле используют

Что на самом деле представляет собой металлический порошок никеля и кобальта

Никель-кобальтовый металлический порошок представляет собой порошок сплава, состоящий из никеля и кобальта в различных соотношениях, производимый в виде мелких частиц для использования в широком спектре промышленных и передовых производственных процессов. В отличие от сыпучих металлов, порошковая форма обеспечивает огромную площадь поверхности по отношению к массе, что является критическим преимуществом в таких приложениях, как производство аккумуляторных электродов, покрытия термическим напылением, компоненты порошковой металлургии и каталитические процессы. Конкретное соотношение никеля и кобальта в сплаве, а также размер частиц, морфология и чистота определяют, для каких применений подходит порошок.

И никель, и кобальт являются переходными металлами с взаимодополняющими свойствами, которые делают их сочетание особенно ценным. Никель обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, пластичность и высокотемпературную стабильность. Кобальт придает твердость, магнитные свойства и превосходное сохранение механической прочности при повышенных температурах. В сочетании с порошком сплава NiCo эти характеристики объединены в единый материал, который превосходит любой металл по отдельности в сложных условиях. Вот почему композитный порошок никеля-кобальта присутствует во всем: от катодов литий-ионных аккумуляторов до компонентов из суперсплавов для реактивных двигателей.

Как производится металлический порошок никеля и кобальта

Метод производства, используемый для изготовления порошка кобальта и никеля, оказывает прямое влияние на распределение частиц по размерам, морфологию, химическую чистоту и фазовую структуру конечного продукта — все это влияет на производительность в последующих приложениях. В коммерческих целях используется несколько различных производственных маршрутов, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны.

Распыление

Газовое распыление и распыление воды являются наиболее широко используемыми методами производства порошка сплава NiCo в промышленном масштабе. При газовом распылении поток расплавленного никель-кобальтового сплава распадается струями инертного газа под высоким давлением — обычно аргона или азота — на мелкие капли, которые быстро затвердевают в сферические частицы. Полученный порошок имеет превосходную сыпучесть благодаря почти идеальной сферической морфологии, что имеет решающее значение для аддитивного производства (3D-печати) и термического напыления. Распыление воды дает частицы неправильной формы с меньшими затратами, что больше подходит для процессов прессования и спекания в порошковой металлургии.

Химическое совместное осаждение

Соосаждение является доминирующим методом производства порошка никель-кобальтового композита аккумуляторного типа. Соли никеля и кобальта — обычно сульфаты — растворяются в водном растворе и осаждаются вместе путем добавления основания, такого как гидроксид натрия или аммиак, в условиях контролируемого pH и температуры. Полученный предшественник гидроксида затем прокаливают для получения конечного оксида или металлического порошка. Этот метод позволяет очень точно контролировать соотношение Ni:Co на атомном уровне, размер частиц (обычно в диапазоне от субмикрона до нескольких микрон) и морфологию — все это критически важные факторы для работы электродов батареи.

Восстановление оксидов

Восстановление водородом смешанных предшественников оксидов никеля и кобальта является еще одним признанным способом производства металлического порошка NiCo. Прекурсор оксида, часто получаемый путем совместного осаждения или пиролиза распылением, подвергается воздействию атмосферы водорода при повышенных температурах, восстанавливая оксиды металлов до металлического состояния. Этот метод позволяет получить порошок высокой чистоты с хорошим контролем размера частиц и обычно используется, когда требуется очень низкое содержание кислорода в конечном металлическом порошке, поскольку остаточный кислород может отрицательно повлиять на поведение при спекании и механические свойства.

Электроосаждение и электролиз

Электрохимические методы также могут быть использованы для нанесения никель-кобальтового сплава в виде порошка. Тщательно контролируя плотность тока, состав ванны и температуру во время электролиза, можно получать отложения NiCo, которые механически удаляются и перерабатываются в порошок. Этот подход используется для специальных применений, где требуется очень высокая чистота и специфическая кристаллическая структура. Этот метод более дорогой, чем распыление или химические методы, и поэтому предназначен для дорогостоящих применений, где определенные свойства, которые он обеспечивает, не могут быть достигнуты другим способом.

Ключевые физические и химические свойства порошка сплава NiCo

Понимание функциональных свойств металлического порошка никель-кобальта необходимо для подбора марки, подходящей для конкретного применения. Эти свойства различаются в зависимости от состава и метода производства, но следующие характеристики определяют большинство коммерческих марок порошков сплавов NiCo:

Где никель-кобальтовый металлический порошок используется в промышленности

Промышленное применение порошков сплавов NiCo охватывает несколько наиболее технологически требовательных секторов мира. В каждом случае специфическое сочетание свойств никеля и кобальта решает проблему, которую альтернативные материалы не могут решить столь же эффективно.

Катодные материалы литий-ионных аккумуляторов

В настоящее время это самое крупное и быстрорастущее применение композитного порошка никель-кобальт. В литий-ионных батареях никель и кобальт являются ключевыми компонентами катодных активных материалов, в частности, химических веществ NMC (литий-никель-марганец-кобальт-оксид) и NCA (литий-никель-кобальт-алюминиевый оксид). Порошок-прекурсор NiCo для аккумуляторных батарей производится путем совместного осаждения с жестко контролируемым размером частиц, плотностью отвода и однородностью элементов, поскольку эти параметры напрямую влияют на плотность энергии, срок службы и термическую стабильность готового аккумуляторного элемента. Составы NMC с высоким содержанием никеля, такие как NMC 811 (80% Ni, 10% Mn, 10% Co), становятся все более предпочтительными в батареях для электромобилей, поскольку они позволяют снизить содержание кобальта и одновременно максимизировать плотность энергии.

Термические напыляемые покрытия

Порошок сплава NiCo широко используется в качестве сырья для процессов термического напыления, включая высокоскоростное кислородное напыление (HVOF) и плазменное напыление. При нанесении на лопатки турбин, компоненты насосов и промышленные инструменты покрытия NiCo образуют прочный, устойчивый к коррозии и термически стабильный поверхностный слой, который значительно продлевает срок службы компонентов. В газотурбинных двигателях связующие покрытия из сплавов MCrAlY, которые часто содержат основу NiCo, действуют как критический интерфейсный слой между подложкой из суперсплава и керамическим термобарьерным покрытием, защищая от окисления при рабочих температурах, превышающих 1000°C.

Аддитивное производство деталей из суперсплавов

Сферический порошок сплава NiCo, полученный методом газового распыления, используется в качестве сырья в системах аддитивного производства лазерного порошкового сплава (L-PBF) и направленного осаждения энергии (DED). Эти процессы слой за слоем создают сложные компоненты почти идеальной формы, обеспечивая геометрию, которую невозможно получить с помощью традиционной механической обработки. В аэрокосмической и оборонной отраслях детали из суперсплавов на основе NiCo, напечатанные на 3D-принтере, используются в компонентах турбин, теплообменниках и конструктивных кронштейнах, где сочетание высокой прочности, стойкости к окислению и сложной геометрии оправдывает более высокую стоимость детали.

Компоненты порошковой металлургии

В традиционной порошковой металлургии порошок сплава NiCo смешивают, прессуют в форму и спекают для получения плотных структурных компонентов. Этот процесс экономически эффективен при крупносерийном производстве деталей сложной формы, которые требуют обширной механической обработки из цельной заготовки. Таким образом производятся магнитные компоненты, износостойкие вставки и материалы для электрических контактов. Сочетание прочности, твердости и магнитной проницаемости никель-кобальтового сплава делает его особенно подходящим для изготовления магнитомягких компонентов в датчиках, исполнительных механизмах и устройствах электромагнитного экранирования.

Гальваника и обработка поверхности

Порошок сплава NiCo используется в качестве исходного материала при подготовке гальванических ванн и в качестве компонента при гальваническом нанесении композиционных материалов, где твердые частицы осаждаются совместно с матрицей сплава NiCo. Электроосажденные покрытия из сплава NiCo обеспечивают превосходную твердость (до 600 HV), отличную износостойкость и хорошую защиту от коррозии по сравнению с покрытием из чистого никеля. Области применения включают твердые хромовые покрытия для замены гидравлических валов и компонентов шасси аэрокосмической отрасли, где хромирование постепенно прекращается из-за экологических норм.

Катализ и химическая обработка

Мелкий порошок NiCo с большой площадью поверхности используется в качестве катализатора или носителя катализатора в нескольких химических процессах, включая реакции гидрирования, риформинг метана для производства водорода и синтез Фишера-Тропша. Синергетическое взаимодействие между активными центрами никеля и кобальта улучшает каталитическую активность и селективность по сравнению с каждым металлом по отдельности. Исследования NiCo-катализаторов для производства зеленого водорода посредством электролиза воды особенно активны: электроды из сплава NiCo демонстрируют многообещающую эффективность в качестве катализаторов реакции выделения кислорода (OER) в щелочных электролизерах.

Выбор подходящей марки никель-кобальтового порошка для вашего применения

Выбор правильной марки металлического порошка никель-кобальт требует соответствия физических и химических характеристик порошка конкретным требованиям процесса и среды конечного использования. Использование неправильного сорта порошка является распространенным источником проблем с производительностью, которые не всегда напрямую связаны со спецификацией порошка.

• Для предшественников катода батареи: Укажите совместно осажденный порошок с D50 в диапазоне 5–15 мкм, плотность утряски выше 2,0 г/см³ и жесткие допуски по соотношению элементов (±0,5% или выше). Содержание кислорода и следовые примеси, такие как железо, медь и цинк, должны быть ниже установленных пределов, поскольку они ухудшают характеристики электрохимического цикла.
• Для аддитивного производства (L-PBF/DED): Газораспыленный сферический порошок с гранулометрическим составом D10/D50/D90 строго контролируется в соответствии с требованиями порошкового слоя конкретной машины. Типичные диапазоны составляют 15–45 мкм для L-PBF и 45–106 мкм для DED. Текучесть (скорость потока по Холлу) и кажущаяся плотность должны соответствовать спецификациям оборудования. Частицы-сателлиты и агломераты вызывают дефекты печати, и их необходимо минимизировать.
• Для покрытий термического напыления: Для HVOF характерна сферическая или близкая к сферической морфология с размером частиц 45–106 мкм, тогда как для плазменного напыления можно использовать немного более крупный порошок до 125 мкм. Постоянная текучесть имеет решающее значение для стабильности параметров распыления. В некоторых применениях термического напыления используется плакированный порошок, в котором сплав NiCo наносится на частицу керамического ядра.
• Для порошковой металлургии прессование: Неправильная или узловатая морфология порошка приемлема и часто предпочтительна, поскольку она обеспечивает лучшую прочность прессованных прессованных изделий в сыром состоянии по сравнению со сферическим порошком. Типичным является порошок NiCo, распыленный водой или полученный восстановлением, размером 10–100 мкм. Данные о сжимаемости и спекаемости, полученные от поставщика, следует сопоставить с заданной плотностью спекания.
• Для каталитических применений: Требуется очень мелкий порошок с высокой удельной поверхностью (измеренной методом БЭТ) — обычно субмикронные частицы с площадью поверхности 10–100 м²/г или выше. Химическая чистота имеет первостепенное значение; даже следы примесей могут отравить каталитические активные центры и резко снизить активность и селективность.

Рекомендации по обращению, хранению и безопасности

Металлический порошок никеля-кобальта предъявляет особые требования к безопасности и обращению, которые необходимо соблюдать для защиты работников и поддержания качества продукции. И никель, и кобальт классифицируются как потенциально опасные материалы в соответствии с правилами гигиены труда, а мелкодисперсные металлические порошки несут дополнительные риски, связанные с реакционной способностью и возможностью взрыва пыли.

Опасности для здоровья

Соединения никеля классифицируются Международным агентством по исследованию рака (IARC) как канцерогенные вещества, а кобальт классифицируется как возможный канцероген с доказательствами воздействия на легкие при вдыхании. Мелкий порошок сплава NiCo при обращении с ним образует респирабельную пыль, поэтому необходимо избегать длительного воздействия на органы дыхания. Пределы воздействия на рабочем месте (WELs или OELs) для никеля и кобальта следует проверять на соответствие местным нормам, а также проводить мониторинг воздуха в зонах обработки порошка. Рабочие должны использовать соответствующие средства защиты органов дыхания — как минимум противоаэрозольный респиратор P100 — и сводить к минимуму пыльные операции с помощью инженерных средств контроля, таких как местная вытяжная вентиляция и закрытые системы транспортировки.

Риск взрыва пыли

Мелкие металлические порошки, включая порошок сплава NiCo, горючи и могут образовывать взрывоопасные облака пыли в воздухе, если их распылить в достаточной концентрации и воспламенить. Риск взрыва выше для более мелких частиц и в закрытых помещениях. Предприятия, работающие с порошком металлического никеля-кобальта навалом, должны провести оценку риска взрыва пыли, внедрить процедуры уборки для предотвращения накопления пыли, использовать взрывозащищенное электрооборудование в зонах обработки порошка и поддерживать соответствующие системы пожаротушения.

Требования к хранению

Порошок сплава NiCo следует хранить в герметичных контейнерах в прохладном, сухом месте, вдали от влаги, окислителей и несовместимых материалов. Воздействие влаги вызывает поверхностное окисление частиц порошка, что изменяет химический состав поверхности и может отрицательно повлиять на поведение при спекании, электрохимические характеристики и адгезию покрытия. Для длительного хранения порошок обычно упаковывают в атмосфере инертного газа (аргона или азота) или с влагопоглотителем. Контейнеры должны быть четко маркированы с указанием состава, размера частиц, номера партии и соответствующей информации об опасностях в соответствии с местными правилами.

Тенденции рынка и что движет спросом на порошок NiCo

Мировой спрос на металлический порошок никель-кобальт быстро растет, в первую очередь за счет расширения производства электромобилей и более широкого рынка хранения энергии. Сдвиг в сторону катодной химии NMC с высоким содержанием никеля и низким содержанием кобальта отражает как желание увеличить плотность энергии, так и уменьшить зависимость от кобальта — материала с концентрированными цепочками поставок и серьезными проблемами этического выбора источников, связанных с кустарной добычей полезных ископаемых в Демократической Республике Конго.

Аэрокосмический сектор продолжает стимулировать спрос на порошок суперсплава NiCo высокой чистоты для аддитивного производства и термического напыления покрытий, поскольку турбинные двигатели следующего поколения повышают рабочие температуры и требуют все более сложных материалов. Рост промышленных систем термоядерного синтеза в порошковом слое расширил доступный рынок газоатомированных порошков сплавов NiCo за пределы аэрокосмической отрасли, в медицинские устройства, инструменты и энергетическое оборудование.

Производство экологически чистого водорода является новым драйвером спроса, который может стать значительным в течение следующего десятилетия. Электрокатализаторы на основе NiCo для щелочного электролиза воды активно разрабатываются как более дешевая альтернатива катализаторам из металлов платиновой группы, и если водородный электролиз будет масштабироваться, как прогнозируется, спрос на порошок катализатора NiCo с большой площадью поверхности может существенно вырасти. Поставщики, обладающие развитыми возможностями совместного осаждения и инфраструктурой производства предшественников аккумуляторов, имеют хорошие возможности для обслуживания этого развивающегося рынка наряду со своим существующим бизнесом по производству материалов для аккумуляторов.