Порошковая металлургия алюминия

Порошковая металлургия металлов

Порошковая металлургия – это многосторонняя производственная технология, которая, является:

• с одной стороны, более дешевой и экологичной альтернативой традиционным методам  обработки металлов;
• с другой стороны, технологией, которая способна создавать материалы с химическим составом и микроструктурой, не достижимые при применении других технологий.

Типичная технология

Типичная традиционная технология порошковой металлургии включает:

• производство порошка;
• прессование его в копактную заготовку для последующего спекания;
• спекание частиц порошка этого «компакта» при высокой температуре.

В дополнение к этим технологическим этапам могут включаться другие технологические этапы по прессованию порошка или некоторые традиционные методы обработки металлов после операции спекания, например, ковка, прокатка, экструзия [1-3].

Три причины

Порошковая металлургия в широком понимании – это умение и наука о производстве металлических порошков и применения этих порошков для изготовления заготовочных материалов и готовых изделий со сложной формой. Для решения о применении порошковой металлургии как производственного процесса есть три причины:

• производить экономичные, точные и сложные детали;
• производить материалы с уникальной микроструктурой и свойствами и
• производить материалы, которые трудно или невозможно произвести другими способами.

Для алюминиевых сплавов порошковая металлургия может применяться по одной или более из этих трех причин, особенно по второй и третьей. Традиционные алюминиевые порошковые сплавы обрабатывают по технологии «прессование-спекание». Их применяют в основном с целью повышения экономических показателей производства сложных деталей. С помощью этой технологии производят большинство продукции порошковой металлургии (рисунок 1).

На рисунке 2 представленные основные технологические цепочки промышленного производства деталей и изделий из порошковых металлических материалов.

Рисунок 1 – Алюминиевый изделия,
изготовленные методами порошковой металлургии [1]

Рисунок 2 – Традиционные и аддитивные технологии порошковой металлургии [2]

Аддитивные технологии

Новые аддитивные технологии, которые также называют «3-Д печать», также предназначены для снижения производственных расходов при изготовлении сложных деталей. Эти технологии играют все более возрастающую промышленную роль.  Как показано на рисунке 1, эти сплавы, пропуская этап прессования и спекания порошка, сразу формируют готовую деталь. В порошковой металлургии также применяется технология «быстрого затвердевания» и композитные алюминиевые сплавы, многие из которых требуют дополнительных технологических этапов для получения из них готовых деталей и изделий.

Металлургия порошкового алюминия

Производство изделий из алюминиевых порошков

Производство порошковых алюминиевых сплавов выполняется в основном двумя методами. Для химических составов с легирующими элементами, которые имеют высокую растворимость в жидком состоянии, применяется технология быстрого затвердевания. Для легирующих элементов с низкой растворимостью в жидком состоянии обычно применяется смешивание в твердом состоянии.

Основные этапы производства

Изделия из алюминиевых порошковых материалов могут изготавливаться по различным технологиям, но общими этапами их производства являются следующие:

• производство порошка
• смешивание порошков с добавлением лубрикантов и наполнителей
• холодное или горячее уплотнение, обычно с последующей дегазацией
• спекание или горячее прессование
• различные дополнительные обработки

Пример одного из производственных процессов порошковой металлургии алюминия от изготовления порошка до готового изделия представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пример типичной технологии производства
алюминиевых порошковых материалов и изделий из них [3]

Области применения продукции из порошкового алюминия

Большинство порошковых алюминиевых сплавов могут подразделяться на три основных области применения изделий и деталей:

• пониженная плотность;
• высокая прочность;
• высокая температура эксплуатации.

Низкая плотность

Снижение плотности достигается путем добавления лития. Известно, что  некоторые промышленные алюминиево-литиевые сплавы (например, 2090 и 8090) производят классическим методом с выплавкой слитков. Однако методами порошковой металлургии достигают:

• сверхпереохлаждения за предел равновесной растворимости лития в алюминии
• повышения прочности путем дисперсного упрочнения очень мелкими частицами вторичной фазы.

Эти порошковые алюминиево-литиевые сплавы во многом способны заменить классические сплавы 2024 и 7075.

Высокая прочность

Высокопрочные сплавы производят:

• методом сверхбыстрого затвердевания сплавов серии 7ххх с дополнительным легированием переходными элементами, таким как кобальт, цирконий или никель

• механического легирования карбидами алюминия или оксидами алюминия чистого алюминия или сплавов алюминий-магний.

Эти сплавы предназначают для замены сплава 7075-Т6.

Прочность при высокой температуре

Сплавы для работы при повышенных температурах получают сверхбыстрым затвердеванием алюминиевых сплавов с добавками редкоземельных или переходных металлов путем механического легирования.

Экономика порошкового алюминия

Несмотря на интересные технические возможности, фактический экономический интерес к порошковому алюминию в алюминиевой промышленности весьма незначительный. Главным барьером для широкого применения изделий из порошкового алюминия является их высокая стоимость – грубо в 1,5-2 раза больше, чем изделия из классических алюминиевых слитков. Это происходит из-за необходимости применения специального оборудования и мер безопасности при обращении с металлическими порошками.

Другим препятствием является малый размер заготовок, которые могут перерабатываться в изделия методами обработки металлов давлением, и ограниченная доступность. Определенным препятствием для применения компонентов из порошкового алюминия  в критических несущих конструкциях из-за отсутствия надежных неразрушающих методов испытания для обнаружения малых пор или других дефектов. Промышленное применение изделий из порошкового алюминия в настоящее время в основном ограничивается [3]:

• высокопрочными сплавами для деталей военных самолетов
• износостойкими сплавами для автомобильных двигателей
• сплавов с высоким модулем упругости для повышения жесткости деталей  и изделий
• высокотемпературными сплавами для двигателей, а также фюзеляжей самолетов.

Современные технологии производства алюминиевых порошков

Порошковые алюминиевые сплавы

Большинство промышленных порошковых алюминиевых сплавов основаны на деформируемых алюминиевых сплавах серий 2ххх, 4ххх, 6ххх или 7ххх, но всегда содержат легирующие добавки магния, что необходимо для снижения образования оксида алюминия на частицах порошка при его спекании [2].

Основные методы

Порошковые алюминиевые материалы могут производиться с применением несколькими методов их изготовления. Основными такими промышленными методами, то есть такими, которыми производят порошки, которые доступны на рынке, являются:

• атомизация;
• «прядение» расплава в ленты с последующим распылением лент в хлопья;
• механическое легирование.

Атомизация

Атомизация включает формирование порошка из потока расплавленного металла, который разбивается на капли. Могут формироваться как порошки чистого алюминия, так и из предварительно легированные порошки. Фактически этим методом производится большая часть всех порошков. Важным аспектом этого метода является быстрое затвердевание порошка из расплава. Для реализации метода применяют следующие способы:

• Водная атомизация
• Газовая атомизация
• Вакуумная  атомизация
• Воздушная атомизация
• Центробежная атомизация

Водный и газовый способы атомизации являются основными.

Быстрое затвердевание в ленту и распыление

Другой метод производства алюминиевого порошка состоит в получении быстро затвердевшей ленты и последующего измельчения этой ленты в хлопья, которые можно спрессовывать и экструдировать.

Механическое легирование

Интересным методом для производства оксидного дисперсноупрочненного материала для применения в деталях при высоких температурах является механическое легирование. В этом методе порошок многократно сваривается, разламывается и снова сваривается.

Газовая атомизация

На рисунке 4 показана схематическая диаграмма вертикального атомизатора с применением инертного газа. Сверхперегретый расплав готовится в вакуумной индукционной печи и разливается в одно или несколько сопел. Быстро расширяющийся газ разбивает жидкую струю, которая сначала превращается в тонкий лист и затем образует пучки, эллипсоиды  и сферы. Этот порошок собирается, а воздух проходит через циклон, где очищается от мелкого порошка, и уходит на повторное применение.  Этот процесс газовой атомизации имеет большое количество переменных параметров, таких как:

• состав сплава
• скорость подачи металла
• температура расплава
• вязкость расплава
• давление и температура газа
• тип газа
• геометрия сопла.

Рисунок 4 – Атомизация порошковых материалов инертным газом [3]

Главным преимуществом газовой атомизации является:

• гомогенность порошкового материала,
• отсутствие загрязнения благодаря атмосфере инертного газа и
• сферическая форма частиц порошка.

Водная атомизация

Водная атомизация является аналогичной газовой атомизации, но струя расплавленного металла разбивается струями воды (рисунок 5). Скорость охлаждения выше, чем при газовой атомизации и, следовательно, химическая сегрегация в порошке меньше. Форма частиц порошка более неправильная, поверхность частиц более грубая и более окисленная. Повышенная скорость воды приводит к снижению среднего размера частиц.

Рисунок 5 – Водная атомизация порошковых материалов [3]

Механическое легирование

При механическом легировании применяют смесь шаров и порошка из чистого алюминия для создания микролегированного композитного порошка на аттриторе или в другом высокоэнергетической шаровой мельнице (рисунок 6).

Рисунок 6 – Механическое легирование алюминиевых порошков [3]

Многократное перемалывание, холодное сваривание, разбиение и повторное сваривание металлического порошка приводит к образованию гомогенного порошкового материала с однородным распределением включений. Хороший баланс между перемалыванием и свариванием достигается путем правильного выбора органических жидкостей, которые значительно влияют на технологию. Механически легированные порошки очень трудно поддаются спрессовыванию, так как для их холодной пластической деформации требуются большие усилия. Этот способ не является особенно производительным, но остается привлекательным, так так с его помощью могут производиться уникальные сплавы, которые применяются в основном для изделий и деталей, работающих при высоких температурах.

Преимущества быстрого затвердевания

Важной характеристикой атомизации является быстрое затвердевание порошка из расплава (10² – 10⁴  К/с для газовой атомизации, 10⁴ – 10⁶ К/с для водной атомизации). Одним из явных преимуществ повышенной скорости затвердевания является измельчение микроструктурных составляющих. Зависимость между скоростью охлаждения расстоянием между ветвями дендридов приблизительно линейная (рисунок 7). Это структурное измельчение имеет важное влияние на свойства порошковых материалов таких как, повышенная прочность, более высокая усталостная прочность и повышенное сопротивление коррозии. Другим эффектом повышенной скорости охлаждения является расширение пределов растворения легирующих элементов в твердом растворе выше равновесных величин (рисунок 8). Это дает возможность получать метастабильные сплавы с химическим составом, который не может быть достигнут при классическом металлургическом методе литья слитков.

 Рисунок 7 – Уменьшение расстояния между ветвями дендритов
при быстром затвердевании [3]

Рисунок 8 – Повышение растворимости легирующих элементов
при быстром затвердевании [3]

Проблема пористости

Структура и пористость порошковых алюминиевых сплавов зависит от химического состава сплава и характеристик порошка, а также технологических условий при прессовании, спекании, аддитивных процессах и вторичных операциях обработки давлением.

Практически все свойства порошковых алюминиевых сплавов зависят от их остаточной пористости. Остаточная пористость может снижать показатели качества до уровней ниже, чем у традиционных деформируемых или литейных сплавов. Важным является не только снижение или исключение остаточной пористости, но также полное понимание и контроль ее присутствия в деталях и изделиях.

Вторичные технологические операции, такие как ковка, прокатка и экструзия, способны повышать плотность и снижать остаточную поверхностную пористость. В результатеесть возможность повышать многие свойства порошковых материалов. При тщательном контроле технологических параметров порошковой металлургии свойства алюминиевых порошковых материалов могут превышать свойства традиционных деформируемых алюминиевых сплавов [2].

Источники:

1. Powder Metallurgy / Joseph W. Newkirk // Handbook of Aluminum Volume – Physical Metallurgy and Processes, ed. G. E. Totten and D. S. MacKenzie – 2003
2. Powder Metallurgy Aluminum Alloys: Structure and Porosity / W. Judge and G. Kipouros //  Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, ed. G.E. Totten, M. Tiryakioğlu, O. Kessler – 2019
3. Aluminium Powder Metallurgy / TALAT Lecture 1401, 1994