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

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