Металло-порошковые композиции

1.

Ведущий научный сотрудник, к.т.н. Сухов Д.И.

2.

Металло-порошковые композиции
Гранулы
Свойства:
- форма - размер (фракционный состав и d50)
- содержание газовых примесей (O2,N2,H2,H2O)
- текучесть и сыпучесть
- насыпная плотность и плотность утряски и др.

3.

Основные методы производства
Plasma
Atomizing
PREP
Atomization

4.

Процесс PA
Принципиальная схема
Установка PA
Основные преимущества метода:
- идеальная сферичность
- низкое содержание газовых примесей
- высокий выход годного для частиц менееПлазмотроны
40 мкм
Фракция
25-250
Содержание кислорода
Менее 0,007 % масс.
Материалы
Чистые металлы и
малолегированные
сплавы
В России только ООО «Нормин»

5.

Процесс PREP
Принципиальная схема
Рабочая среда
Аргон+гелий
Т металла, С
Tпл.+20-40
Вакуум
5 10-5 мм рт.ст
Основные игроки в России:
- ОАО «ВИЛС» (сплавы Ni, Ti)
- ОАО «СМК» (сплавы Ni)
- ОАО «Композит» (сплавы Ni, Ti)
Установка УЦР-6
Плазмотрон

6.

Характеристики
Возможный диапазон размеров, мкм
<500
Средний размер гранул (d50), мкм
48-56
Минимальная фракция гранул, мкм
менее 70
Внешний вид
Содержание газовых примесей:
для никелевых суперсплавов – O2 0,005-0,007 % масс.
для титановых сплавов - O2 0,08-0,1 % масс.
Основные
преимущества
метода:
N2 0,005-0,012
% масс.
70,0
- идеальная сферичность
Фракционный состав
Фракционный состав
-длянизкое
содержание
газовых
примесей
никелевых суперсплавов
для титановых сплавов
- высокий выход годного для частиц крупнее 40 мкм
%
70,0
60,0
60,0
60,0
50,0
58,4
50,0
40,0
35,0
40,0
30,0
30,0
20,0
20,0
10,0
%
34,6
10,0
5,0
3,9
3,1
-140+100
-100+50
0,0
0,0
-80+71
-71+50
Фракции гранул, мкм
-50
-250+200
-200+140
Фракции гранул, мкм

7.

Материалы и исследования
Сплавы:
на основе Ni – ЭИ698, ЭП741НП, ЖС6, ЭП962, ВВ750П, ВВ751П, Astralloy,
Rene-95, Inconel 718 и др.
на основе Ti – ВТ1-0, ВТ6, ВТ8-1, ВТ18, ВТ25УП, Ti6Al4V и др.
Основные исследуемые параметры процесса:
Сила тока плазменной дуги
I до 2000 А
Напряжение
U до 70 В
Частота вращения заготовки
n до 25000 об/мин
Мощность плазмотрона
P до 150 кВт

8.

Технологическая схема
получения и обработки
Выплавка заготовки
Печи типа ИСВ и VIDP
Обточка и шлифовка
заготовки
Токарные и шлифовальные станки
(иногда применяется ЭКО)
Анализ
химического состава
Анализ
фракционного состава
Плазменная плавка и
центробежное распыление
Анализ
содержания кислорода
Классификация
(рассев)
Магнитная сепарация
Физико-механическая
обработка
Электростатическая
сепарация
КОНТРОЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
- фракционный состав
- содержание кислорода
- магнитные включения
- неметаллические включения
Дегазация
Установки бескамерной дегазации
и типа УЗГК

9.

Физико-механическая обработка
Классификация
Электростатическая сепарация

10.

Дегазация гранул с одновременной их засыпкой
в капсулы

11.

Применение
Горячее изостатическое прессование (ГИП)

12.

Перспектива применения порошков
Аддитивные технологии – Direct Deposition
Необходимая фракция порошка – от 40 до 80 мкм

13.

Перспектива развития PREP процесса
Мощность
плазмотрона
Частота
вращения
заготовки
Снижение
вибрации
Уменьшение среднего размера
порошков до менее 40 мкм

14.

PREP: аналитический прогноз
70,0%
60,0
60,0
d50=55,1 мкм
60,0%
53,0
50,0
УЦР-6
50,0
d50=44,8 мкм
УЦР-9Т
45,0
40,0
40,0
35,0
30,0
30,0
20,0
20,0
10,0
10,0
5,0
2,0
0,0
0,0
-80+71
-71+50
Фракции гранул
-50
τ=15-17 мин, P=81000 Вт, n=22000 об/мин
-80+71
-71+50
Фракции гранул
-50
τ=10-10,5 мин, P=150000 Вт, n=25000 об/мин
Фракция -40 мкм составляет лишь 5-10% от общей массы гранул

15.

PREP: рост мощности установок
80,0
%
75,0
70,0
70,0
60,0
60,0
50,0
40,0
τ=7-8 мин
P=200000 Вт
n=30000 об/мин
d=80 мм
35,0
28,0
30,0
24,0
20,0
10,0
5,0
2,0
1,0
0,0
-80+71
-71+50
Фракции гранул
τ=15-17 мин
P=81000 Вт
n=22000 об/мин
d=80 мм
-50
Фракция -40 мкм составит 42-54%
τ=8-9 мин
P=200000 Вт
n=30000 об/мин
d=90 мм
d50=55,1 мкм
d50=38,0 мкм
d50=33,2 мкм

16.

Процесс Atomizing
Рабочий вакуум:
5 10-2мм рт.ст.
Процесс атомизации
Давление распыления:
В плавильной камере :
0,2-0,6 атм. изб.
На форсунке: 30-70 атм.
Емкость
тигля, кг
до 20
Т металла,
С
до 1750
Слив
Донный
Основные схемы атомизации
Установка Hermiga

17.

Процесс Atomizing
Форсунка
Компьютерная система
управления
Плавильная камера
Процесс плавки
Разработанная
форсунка
Тигли

18.

Характеристики
Возможный диапазон размеров, мкм
<250
Средний размер гранул (d50), мкм
20-32
Минимальная фракция гранул, мкм
10-40
Внешний вид
Рабочий диапазон установки:
d50=50-55мкм
Холодный газ
Основные преимущества метода:
0
25
50
75
100,мкм
- высокая
сферичность
порошков
Горячий газ, скорость
2МАХ
- низкое содержание
газовых
примесей
d50=20мкм
- высокий выход
годного
для примесей:
порошков мельче 40 мкм
Содержание
газовых
содержание газов в порошке ВПр50
Содержание газов в порошке ВПр24
Холодный газ
Горячий газ
%
Холодный газ
0,007
0,006
0,006
0,005
0,005
0,004
0,004
% 0,003
0,003
0,002
0,002
0,001
0,001
0
Горячий газ
0
О12
2
1О
2
2N
2

19.

Материалы, выпускаемые на установке HERMIGA
Металло-порошковые композиции припоев на никелевой основе
марок ВПр24, ВПр27, ВПр36, ВПр42, ВПр50 и др.
Металло-порошковые композиции жаропрочных сплавов для
применения в качестве наполнителей при пайке (ЖС6У, ВКНА1В,
ВКНА1ВР, ВКНА4У и др.).
Металло-порошковые композиции жаропрочных сплавов и сталей
для установок селективного (послойного) лазерного спекания
(грануляция <40 и <20 мкм)
Металло-порошковые композиции жаропрочных
установок лазерной наплавки (грануляция 40-80 мкм)
сплавов
для

20.

Порошки припоя, полученные различными методами
ВПр42, газоструйное
распыление (ВИЛС, 50400мкм)
х100
х300
х850
ВПр50, размол аморфной
ленты (40-320 мкм)
х100
х500
х1000
ВПр50, атомизация (ВИАМ,
установка HERMIGA, 1-100мкм)
х100
х6000
х18000

21.

Особенности процесса
Технологическая схема
производства порошков
Газовый анализ,
исследование
микроструктуры
Распыление
Рассев и
классификация
(плавка
целиком)
Ситовой
анализ
(интервал
20040мкм)
Разделение в
классификаторе
(интервал
40-0мкм)
Исследуемые
параметры процесса
1 избыточное
давление
2 трубки
давление
3 распыления

22.

Рассев и классификация порошков
Вибротранспортер
(питатель)
Аппаратура контроля
и очистки среды
30 канальный ротор
Рассев
система
рециркуляции
Бункер для тонкой
фракции
●Шлюз
Система рассева и упаковки порошков
в атмосфере аргона
Бункер для крупной
фракции
Классификатор

23.

Кумулятивные кривые для припоя ВПр50
Грануляция припоя ВПр50
100
90
ГГ (Горячий Газ)
ХГ (Холодный Газ)
Т=450 С (на форсунке 410-435 С )
на форсунке 0 С
80
ГГ, 35/0,2бар
70
60
%
ХГ, 25/0,2бар
50
ГГ, 40/0,25бар
40
ХГ, 30/0,3бар 1мм
30
20
ХГ, 35/0,3бар
10
0
1
10
размер частиц, мкм
Горячий газ
100
1000
Холодный газ
40/0,25 бар
35/0,2 бар
30/0,3 бар, 1мм
35/0,3 бар
25/0,2 бар
D50= 25мкм
D50= 30 мкм
D50= 32 мкм
D50= 36 мкм
D50= 54 мкм

24.

Кумулятивные кривые для припоя ВПр24
ГГ (Горячий Газ)
ПГГ (Полугорячий газ)
ХГ (Холодный Газ)
Т=450 С (на форсунке 410-435 С )
Т=250 С (на форсунке 230-240 С )
на форсунке 0 С
Грануляция припоя ВПр24
100
ХГ 40/0,2 бар
90
80
ХГ 30/0,2
70
ХГ 30/0,3
60
% 50
ГГ 40/0,25 бар
40
ПГ 35/0,2
30
20
10
0
1
10
размер частиц, мкм
Горячий газ
100
1000
Холодный газ
40/0,25 бар (450 )
35/0,2 бар (250 )
40/0,2 бар
30/0,2 бар
30/0,3 бар
D50= 24мкм
D50= 43 мкм
D50= 30 мкм
D50= 33 мкм
D50= 40 мкм

25.

Фракционный состав металло-порошковых композиций
в зависимости от режимов распыления
ВПр50
-10 мкм
6,4%
ВПр24
скрап
5,3%
-200+160мкм
-160+100
3,1%
8,8%
-20+10мкм
27,2%
20-10мкм
21,5%
-100+63
18,5%
-63+20
29,9%
-20+10мкм
28,7%
ВПр24, Холодный газ
-10 мкм
6,6%
скрап -200+160 -160+100
2,6%
2,7%
4,6%
-100+63мкм
15,9%
-63+20мкм
31,8%
ВПр50, Горячий газ
100-63
19,2%
63-20мкм
39,2%
ВПр50, Холодный газ
-10мкм
13,3%
скрап
3,4% 200-160мкм
160-100мкм
3,3%
7,9%
-10 мкм
4,5%
20-10мкм
34,2%
скрап 200-160мкм 160-100 мкм
2,2%
1,9%
4,4%
100-63мкм
12,7%
63-20 мкм
35,2%
ВПр24, Горячий газ

26.

Содержание газов
Для фракции 100-63 мкм
Для фракции 100-63 мкм
содержание газов в порошке ВПр50
Содержание газов в порошке ВПр24
Холодный газ
Горячий газ
%
Холодный газ
0,007
0,006
0,006
0,005
0,005
0,004
0,004
% 0,003
0,003
0,002
0,002
0,001
0,001
0
Горячий газ
0
О12
2
1О
N2
2N
2
2
Содержание О2 в зависимости от фракционного состава порошка (ВПр24)
0,014
0,013
0,012
0,01
%0,008
0,0058
0,006
0,0045
0,0035
О2
0,004
0,002
0
1
+100мкм
2
-100+63мкм
3
-63+20мкм
4
-20мкм

27.

Структура металло-порошковых композиций, полученных распылением
горячим и холодным газом
ВПр50
(х100, оптика)
ВПр50 ХГ
ВПр50 ГГ
ВПр24 ХГ
ВПр24 ГГ

28.

Порошки жаропрочных сплавов для применения в качестве
наполнителей при пайке (ЖС6У, ВКНА1В, ВКНА1ВР, ВКНА4У и др.)
Оптимизация параметров распыления для получения
максимального количества фракции 40-100 мкм
ЖС6У
Паяный шов с
наполнителем

29.

Кумулятивные кривые фракционного состава
%
d50 =20мкм
d50 =17мкм
d50 =18мкм
d50 =51мкм
d50 =60мкм
d50 =51мкм
Размер частиц, мкм

30.

Пример применения порошков, произведенных
ФГУП «ВИАМ», на ОАО «Авиадвигатель»
Гранулы сплава ЭП648,
грансостав 40-80 мкм
Наплавленный материал
Основной материал
Сегмент моноколеса
лазерный центр
TruLaser Cell 7020
ОАО «Авиадвигатель»

31.

Технология селективного лазерного спекания
Возможности технологии:
Установка EOS M270
•Создание прототипов и
предсерийных образцов
•Серийный выпуск деталей
небольшими партиями
•Опробование «в металле»
•Производство штамповой
оснастки
•Ремонт штампов и др. деталей
Параметры поставляемых порошков (EOS)
Гранулометри
ческий состав
Фракция 40-20
мкм
Форма
-60 мкм
~70%
Сферическая
ФГУП ВИАМ:
Организация поставки ультрадисперсных порошков
отечественных марок для установок СЛС
СADПослойный
моделирование
лазерный
синтез

32.

Перспектива развития метода Atomizing
Size Distributions
- EIGA Atomizer
Example ParticleParticle
Size Distributions
of EIGA powder
100
90
Cum. Volume Percentage [%]
Ti-Alloy, Ø 60 mm
Установка с бестигельной
плавкой электрода
80
Stainless Steel, Ø 45/65 mm
70
Ti-Alloy, Ø 45 mm
60
Niobium-Alloy, Ø 35 mm
50
40
30
20
10
0
1
10
100
1000
Particle Diameter [ m]
+ отсутствие расходных
материалов
+ возможность работы на
давальческом сырье
+ производительность до 30 т/мес
Пути снижения стоимости
порошков:
- Серийное производство порошка
при бестигельной плавке
- Параллельное извлечение фракций
(LMD,SLS)