Полное руководство по металлическим порошкам на основе никеля: свойства, производство и промышленное применение

Основные характеристики и преимущества порошков на основе никеля

Металлические порошки на основе никеля незаменимы в современном машиностроении благодаря их исключительной способности сохранять структурную целостность в экстремальных условиях. В отличие от стандартных стальных порошков, сплавы на основе никеля обладают уникальным сочетанием жаропрочности, превосходной стойкости к термической усталости и превосходной стойкости к окислению. Эти порошки часто легируют такими элементами, как хром, молибден, вольфрам и алюминий, для улучшения определенных свойств, таких как сопротивление ползучести или защита от локальной коррозии. Их универсальный характер позволяет им надежно работать в средах, где температура часто превышает 600°C, что делает их предпочтительным материалом для применения в «суперсплавах».

Одной из определяющих особенностей этих порошков является их гранецентрированная кубическая (ГЦК) кристаллическая структура, которая остается стабильной от криогенных температур до точки плавления. Эта стабильность предотвращает фазовые превращения, которые могут привести к хрупкости или нестабильности размеров во время термоциклирования. Кроме того, высокая толерантность никеля к легирующим элементам позволяет создавать сложные микроструктуры, такие как фаза гамма-первичного выделения (γ'), которая значительно увеличивает механическую прочность, препятствуя движению дислокаций внутри металлической матрицы.

Часто используемые группы сплавов на основе никеля

Выбор металлический порошок на основе никеля во многом зависит от предполагаемых стрессовых факторов окружающей среды. Ниже приведено сравнение наиболее распространенных семейств сплавов, используемых в порошковой металлургии и аддитивном производстве:

Инконель 718: отраслевой стандарт

Инконель 718, пожалуй, наиболее широко используемый никелевый порошок. Это дисперсионно-твердеющий сплав, содержащий значительное количество железа, ниобия и молибдена. Его популярность обусловлена ​​его превосходной свариваемостью и устойчивостью к растрескиванию после сварки, что делает его идеальным для лазерной порошковой сварки (LPBF) и других процессов 3D-печати. Он сохраняет высокую прочность до 700°C и часто встречается в дисках турбин и высокопрочных болтах.

Серия Hastelloy для коррозионной обработки

Для химической промышленности порошки Hastelloy обеспечивают непревзойденную защиту от агрессивных сред. Эти порошки предназначены для защиты от точечной коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением и окислительной атмосферы. Их обычно используют для покрытия или изготовления компонентов реакторов, теплообменников и клапанов, где стандартные нержавеющие стали быстро выходят из строя.

Методы производства и качество порошка

Характеристики металлического порошка на основе никеля определяются его морфологией, гранулометрическим составом (PSD) и химической чистотой. Различные технологии производства позволяют получить порошки, подходящие для различных промышленных применений:

• Газовое распыление: это наиболее распространенный метод производства высококачественных сферических порошков. Расплавленный никелевый сплав разрушается инертным газом под высоким давлением (обычно аргоном или азотом). В результате получаются очень сферические частицы с превосходной сыпучестью, что необходимо для получения однородных слоев при 3D-печати.
• Процесс плазменного вращающегося электрода (PREP): этот метод позволяет получить порошки с высочайшим уровнем сферического совершенства и минимальными керамическими включениями. Его часто используют для критически важных применений в аэрокосмической отрасли, где усталостная долговечность является основной проблемой.
• Распыление воды. Хотя распыление воды более рентабельно, оно позволяет получить неправильные, игольчатые формы. Эти порошки лучше подходят для традиционной металлургии «прессования и спекания», где требуется прочность сырца (способность порошка сохранять форму перед обжигом).

Ключевые промышленные применения

Внедрение металлических порошков на основе никеля произвело революцию в нескольких высокотехнологичных секторах, позволив создавать более эффективные конструкции и увеличивать срок службы компонентов. Переход от объемной обработки к порошковому производству позволил создать внутренние каналы охлаждения и сложные геометрические формы, которые ранее было невозможно изготовить.

Аэрокосмические и газовые турбины

В аэрокосмической отрасли никелевые порошки используются для изготовления лопаток турбин, лопаток и камер сгорания. Эти компоненты должны выдерживать центробежные силы высокоскоростного вращения во время взрыва при горении топлива. Использование порошков инконеля в 3D-печати позволяет инженерам объединять несколько деталей в единую легкую конструкцию, уменьшая вес двигателя и повышая топливную экономичность.

Добыча нефти и газа

Условия подводного бурения невероятно суровы и связаны с высоким давлением и воздействием высокосернистого газа (H2S). Порошки на основе никеля используются для плакирования (наложения) более дешевых стальных деталей защитным слоем из коррозионностойкого сплава. Этот метод «лазерной наплавки» продлевает срок службы буровых долот, валов насосов и клапанов, предотвращая катастрофические отказы при глубоководных операциях.

Медицинская и возобновляемая энергия

Хотя некоторые никель-хромовые порошки менее распространены, чем титан, в имплантатах, они используются в специализированных медицинских инструментах и зубных протезах из-за их износостойкости. В секторе возобновляемых источников энергии никелевые порошки находят применение в установках концентрированной солнечной энергии (CSP), где они используются в системах теплопередачи, которые работают при чрезвычайно высоких температурах для выработки пара для производства электроэнергии.