Распылительная формовка: скрытый производственный процесс, лежащий в основе современных материалов

Формование распылением В процессе кристаллизации можно достичь скорости охлаждения до 10^7 К/с, что весьма существенно, поскольку превосходит показатели традиционных методов литья. Профессор Сингер разработал этот замечательный металлургический процесс в Университете Суонси в конце 1960-х годов, позволяющий получать детали, близкие к заданной форме, с однородной микроструктурой и минимальной сегрегацией. Размеры капель металла, полученных этим методом, составляют от 20 до 200 мкм, а скорость их охлаждения в процессе полёта достигает 50–100 м/с.

Производственные возможности преобразились благодаря технологии распылительной формовки, особенно в случаях, когда требуется производство стали методом распыления. Методы распыления металла позволяют достичь плотности материала 96–99,5% при значительном снижении макросегрегации, в отличие от традиционных методов. Компания Osprey Metals Ltd вывела на рынок свой метод распылительной формовки, который стал незаменимым при производстве деталей из таких сложных материалов, как никелевые жаропрочные сплавы и быстрорежущая сталь. Теперь, используя технологию распылительной формовки, можно получать стальные заготовки весом более 1 тонны, кольцевые заготовки из никелевых жаропрочных сплавов весом до 500 кг и заготовки для прессования алюминиевых сплавов весом до 400 кг.

В этой статье рассматривается, как распылительная формовка сочетает в себе традиционные Порошковый металлВ книге также рассматриваются концепции литья металлов под давлением и литья под давлением для создания современных материалов с улучшенными свойствами. Также рассматривается поэтапный процесс внедрения технологии и её расширяющееся применение в различных отраслях промышленности.

 

Эволюция метода распылительной формовки из традиционной металлургии

РазрабВечерПоявление метода распылительной формовки знаменует собой прорыв в металлургической обработке, начавшийся в конце 1960-х годов. Этот новый подход создал связь между традиционным литьём и порошковой металлургией, обеспечив уникальные преимущества по сравнению с обоими методами.

Osprey Spray от Singer: прорыв в формировании

Современная технология распылительного формования возникла благодаря новаторской работе профессора Сингера в Университете Суонси в 1970-х годах. Он разработал новый метод, при котором струя газа высокого давления направлялась на стабильный поток расплавленного металла для распыления. Капли собирались на мишени и формировали почти плотные заготовки с формой, близкой к заданной. Этот прорыв привел команду Сингера к созданию компании Osprey Metals Ltd., которая стала первой компанией, применившей этот процесс в коммерческих целях.

Первоначальной целью было создание альтернативного способа производства тонких металлических листов непосредственно из расплавленного материала. Это заменило бы традиционные металлургические методы, требующие литья и формовки больших слитков. Процесс «Оспри», как его теперь называют, привлек внимание промышленности в течение последних 35 лет, несмотря на различные технические сложности. Сегодня по всему миру работают около 25 лицензиатов, от небольших исследовательских лабораторий до крупных промышленных предприятий.

Переход отПорошковая металлургияк методам распыления металла

Распылительная формовка стирает границу между традиционной порошковой металлургией и методами прямого литья. Материалы, полученные распылительной формовкой, не имеют макросегрегации и границ между частицами, в отличие от изделий, полученных традиционным методом порошковой металлургии. Этот гибридный метод сочетает газовое распыление с созданием интегрированных блоков или отдельных элементов за один этап.

Этот процесс экономит деньги, превращая расплавленный сплав в полуфабрикаты за один этап. Быстрое затвердевание улучшает свойства за счёт микроструктурного измельчения и устраняет макросегрегацию. Вот лишь один пример:

• Компании могут производить алюминиевые сплавы методом распылительного формования с меньшими затратами, чем при использовании порошковой металлургии, при этом цены приближаются к ценам на сплавы, литые методом прямого кокильного литья, при производстве в больших объемах.
• Эти материалы демонстрируют лучшую усталостную долговечность и вязкость разрушения, чем продукты порошковой металлургии, поскольку они имеют меньшее загрязнение оксидами.
• Измельченная структура зерна позволяет создавать материалы, обладающие лучшими характеристиками и улучшенной изотропией.

Интеграция сЛитье металла под давлениемКонцепции

Распылительная формовка сочетает в себе элементы традиционной металлургии и порошковых технологий. Как и литьё металлов под давлением, она позволяет создавать детали, близкие к заданной форме, и пропускает несколько этапов обработки. Отличие распылительной формовки заключается в непрерывности процесса по сравнению с многоэтапным литьём металлов под давлением.

Реальный процесс начинается, когда металлургически подготовленный расплав металла поступает из плавильного тигля через промежуточный ковш в зону распыления. Существует несколько методов плавки:

• Индукционные блоки с нижней заливкой располагаются прямо над головкой распылителя и используют керамические сопла для подачи расплава из печи в распылитель.
• Печи с наклонной заливкой используют индукционную печь, которая наклоняется для заливки расплава в конический промежуточный ковш, который подает расплавленный металл к разгрузочному соплу.
• Комплексные системы для никелевых суперсплавов сочетают вакуумную индукционную плавку, электрошлаковый переплав и тигли с холодным подом для управления уровнями примесей.

Эта 35-летняя технология сегодня конкурирует с такими существующими методами, как литьё, металлургия в слитках, переплавка электродов и порошковая металлургия, и завоёвывает их. Умение создавать специализированные сплавы с улучшенными свойствами открыло возможности для производства материалов, которые было сложно производить традиционными методами.

 

Пошаговое описание процесса распыления

Распылительная формовка — это сложный металлургический процесс, объединяющий распыление, быстрое затвердевание и консолидацию отложений в одну операцию. Техническая сложность процесса становится очевидной, если внимательно рассмотреть каждый этап.

Подготовка расплава и контроль инертного газа

Процесс начинается с тщательной подготовки металлического сплава в тигле с использованием индукционного нагрева. Температура расплава поддерживается на 50–150 °C выше температуры ликвидуса сплава для минимизации температурных градиентов. Плавильная камера тщательно продувается инертными газами, такими как азот или аргон, для предотвращения окисления. Небольшое избыточное давление помогает поддерживать эту защитную атмосферу. Для специализированных применений, таких как производство никелевых суперсплавов, требуются сложные плавильные установки, использующие вакуумную индукционную плавку, электрошлаковый переплав и тигли с холодным подом для контроля уровня примесей.

Конфигурация потока и сопла промежуточного ковша

После подготовки жидкий металл поступает в конический промежуточный ковш и направляется к соплу подачи расплава. Такая конструкция разделяет процесс плавки и распыления, что позволяет оптимизировать каждый этап. Промковш помогает стабилизировать поток металла и служит буфером перед распылением. В современных системах используются либо системы с нижней разливкой с керамическими соплами (диаметром 3–5 мм), либо системы с наклонной разливкой, где индукционная печь наклоняется для подачи металла в промежуточный ковш. Первичные газовые струи работают при промежуточном давлении (2–4 бар), предотвращая срыв потока расплава в камере турбулентного распыления.

Распыление газа и образование капель

Высокоскоростные газовые струи (250–350 м/с) под высоким давлением (6–10 бар) воздействуют на струю металла во время распыления. Эти вторичные струи распылителя образуют либо кольцевое пространство вокруг сопла подачи расплава, либо представляют собой отдельные симметрично расположенные струи. Это мощное взаимодействие разбивает струю расплава на капли диаметром от 10 до 500 мкм. Соотношение массовых расходов газа и металла (GMR) варьируется от 1,5 до 5,5 и влияет на распределение размеров капель, скорость охлаждения и выход продукта. Более высокое GMR обеспечивает более мелкие капли, но снижает общий выход продукта с 75% до примерно 60%.

Охлаждение в полете и ускорение капель

Капли быстро разгоняются и охлаждаются во время полёта, достигая скорости 50–100 м/с. Охлаждение происходит в основном за счёт конвекции и излучения. Мелкие капли (200 мкм) остаются преимущественно жидкими. Компьютерные модели показывают скорость охлаждения от 10³ до 10⁶ K/с, при этом 60–80% скрытой теплоты исчезает в течение миллисекунд после распыления. Диаметр капель, начальная осевая скорость газа, скорость течения расплава и начальный перегрев играют решающую роль в динамике полёта.

Осаждение и формирование заготовок

Капли, достигая подложки, сливаются в сплошной слой плотностью 96–99,5%. На поверхности заготовки доля твердой фазы составляет 0,3–0,6%. Этот процесс требует тщательного баланса между теплопотерями от поступающих капель и теплопотерями от заготовки за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Инженеры могут регулировать этот баланс, изменяя высоту распыления, давление газа в распылителе, скорость потока расплава и настройки распылителя. Современные технологии используют программируемые приводы осциллирующего распылителя для обеспечения более стабильной формы.

Развитие микроструктуры и затвердевание

Окончательное затвердевание происходит при значительно более низких скоростях охлаждения (1–20 К/с) по сравнению с охлаждением в процессе. Микроструктура формируется из смеси твёрдых, полутвёрдых и жидких капель. Остаточная жидкость образует непрерывную сетку, образующую полигональные границы зёрен на поверхности заготовки. Быстрое затвердевание создаёт очень мелкую равноосную зернистую структуру без макросегрегации. Этот уникальный процесс сочетает быстрое охлаждение мелких капель с умеренным окончательным затвердеванием, что позволяет получать материалы с более высокой микроструктурной однородностью, чем при традиционных методах литья.

Возможности материалов и совместимость сплавов

Технология распылительной формовки позволяет обрабатывать многие металлические сплавы, которые трудно изготовить традиционными методами, и придавать им улучшенные свойства.

Сталь для распылительной штамповки и быстрорежущие инструментальные сплавы

Быстрорежущие стали, изготовленные методом распылительной формовки, демонстрируют значительные преимущества по сравнению с литыми аналогами. Этот процесс позволяет получить более мелкие первичные карбиды, которые более равномерно распределяются по матрице материала. Быстрорежущая сталь AISI M3:2, изготовленная таким способом, обладает лучшей изотропностью вязкости, поскольку её карбиды менее ориентированы. Плотность инструментальных сталей достигает 96–99,5% от теоретического максимума. Измельчённая структура устраняет грубые эвтектические карбидные сетки, характерные для обычных материалов, что обеспечивает лучшую обрабатываемость в горячем состоянии. Это имеет большое значение, поскольку стальные заготовки могут весить более 1 тонны.

Алюминиево-литиевые и Al-Si сплавы для аэрокосмической промышленности

В аэрокосмической промышленности алюминиево-литиевые сплавы ценятся за их исключительное соотношение веса и прочности. Эти сплавы снижают вес конструкции на 10–20% по сравнению с традиционным алюминием. Каждый 1% лития снижает плотность на 3%, одновременно повышая модуль Юнга на 6%. В современных самолётах, таких как Airbus A330/350/380 и Boeing 747/777/787, теперь используются алюминиево-литиевые сплавы третьего поколения, такие как 2195, 2196 и 2198. Сплавы Al-Si, полученные методом распыления, содержат частицы очищенного кремния размером 3–5 мкм, что значительно меньше частиц размером 100 мкм в литых материалах. Эти сплавы лучше противостоят износу, меньше расширяются при нагревании и легче поддаются литью.

Суперсплавы и ММС на основе никеля

Процесс распыления представляет собой уникальный способ получения суперсплавов на основе никеля. Он сочетает электрошлаковое рафинирование с распылением, обеспечивая экономичное получение чистых, однородных суперсплавов для критически важных условий усталостной долговечности. Температура поверхности покрытия играет решающую роль в контроле пористости никелевых суперсплавов IN718 и U720, полученных распылением, с наилучшей температурой в диапазоне 1240–1270 °C. В процессе распыления образуются два типа композиционных материалов с металлической матрицей (КММ): реактивное распыление с газожидкостными реакциями и инертное распыление, при котором нейтральные частицы смешиваются с металлическим распылением.

Микроструктура распыленного металла и литого металла

Различия в эксплуатационных характеристиках материалов, полученных методом распыления, и литых материалов обусловлены их различной микроструктурой. Материалы, полученные методом распыления, имеют равномерное распределение равноосных зерен размером 15–50 мкм по всей заготовке, в то время как традиционное литье создает нерегулярные, часто дендритные структуры. Заевтектические сплавы Al-Si, полученные методом распыления, характеризуются мелкодисперсными, равномерно распределенными кремниевыми фазами в равноосной алюминиевой матрице. Никелевые суперсплавы, изготовленные таким способом, достигают размера зерна ASTM 6 с минимальной изолированной пористостью, что соответствует стандартам аэрокосмической промышленности по прочности на разрыв после отжига в растворе и старения. Эти материалы служат дольше и лучше противостоят разрушению, чем материалы, полученные методом порошковой металлургии, поскольку не содержат оксидных загрязнений.

 

Применение в передовом производстве

В производственном секторе наблюдается стремительный рост применения распылительной формовки. Эта технология позволяет создавать детали с исключительно высоким качеством микроструктуры. Этот процесс также обеспечивает возможность производства изделий с формой, близкой к заданной.

Кольца и трубы для турбин, изготовленные методом напыления

Химическая промышленность широко использует трубы, изготовленные методом распыления. Наиболее важную роль эти трубы нашли в авиакосмических двигательных установках. Компания Sprayform Technologies International производит кольца из никелевого суперсплава диаметром до 1400 мм. Компания является совместным предприятием Pratt & Whitney и Howmet. Объем производства для аэрокосмического сектора достигает 500 тонн в год за смену. Кольца из никелевого суперсплава отличаются мелкозернистой равноосной структурой (ASTM 5-8) без макроскопической ликвации. Эта структура улучшает горячую обрабатываемость и позволяет обжимать более чем на 50% всего за два прохода прокатки.

Производство плоских листов и полос с помощью линейных сопел

Производители изготавливают плоские изделия двумя основными методами. Они либо сканируют (колеблются) распылитель, либо используют линейные щелевые сопла. Эти методы позволяют распылять факел на определённые участки при нанесении покрытия на движущиеся подложки. Листы имеют мелкозернистую структуру, что позволяет создавать металлические полосы с улучшенной коррозионной стойкостью и механическими свойствами. Эти материалы хорошо подходят для применений, требующих высокой прочности и однородной микроструктуры.

Производство заготовок для прессования и ковки

Производители создают цилиндрические заготовки путём распыления материала со смещением от центра под углом на вращающиеся цилиндрические подложки. Современное оборудование позволяет производить заготовки диаметром до 0,5 метра и высотой до 2 метров. Этот процесс сочетает принципы порошковой металлургии с прямым осаждением металла для создания заготовок для последующей экструзии или ковки. В автомобильной и аэрокосмической промышленности эти заготовки используются после традиционной деформационной обработки. Готовые детали демонстрируют более высокую прочность на разрыв и твёрдость, чем изделия, полученные традиционными методами ковкой.

Защитные покрытия и облицовка

Технология распыления – отличный способ создания защитных покрытий. Технология нанесения покрытия с заданным процессом (PSD) позволяет наносить металлические покрытия на компоненты двигателей и высокотемпературные керамические экраны. Распыление позволяет создавать толстые трубы с разнородной стальной оболочкой, обеспечивающие прочные металлургические связи между слоями при нанесении покрытия. Эти поверхности выдерживают остаточные напряжения и последующую термомеханическую обработку. Крупногабаритные стальные конструкции, эксплуатируемые в морских условиях, защищены от коррозии в морской воде благодаря самовосстанавливающимся цинковым покрытиям. Эта технология обеспечивает защиту от коррозии до 25 лет в суровых морских условиях.

 

Преимущества и ограничения по сравнению с порошковой металлургией

У каждой производственной технологии есть свои сильные и слабые стороны. Распылительная формовка имеет явные преимущества и недостатки по сравнению с методами 20-летней давности. Экономический успех этого процесса зависит от баланса между его производственными преимуществами и техническими ограничениями.

Эффективность формы, близкая к чистой, и сокращение отходов

Экономическое преимущество распылительного формования заключается в сокращении технологических этапов между расплавом и готовым изделием. Этот процесс исключает операции литья слитков, гомогенизации и горячей прокатки, характерные для традиционной обработки. Это обеспечивает:

• Значительно меньшее потребление энергии
• Снижение производственных затрат
• Производительность, достигающая в некоторых случаях 4100 кг/(ч · м)

Тем не менее, нам необходимо найти баланс между экономической выгодой и техническими трудностями. Этот процесс далеко не так многоэтапен, как порошковая металлургия и традиционные методы литья/ковки. Однако фактическая экономическая выгода зависит от решения ряда ключевых задач внедрения.

Контроль пористости и потребности в последующей обработке

Пористость остаётся самой серьёзной проблемой при формовании материалов методом распыления. Типичная заготовка, полученная методом распыления, имеет пористость 1–2% и требует дополнительной обработки. Горячее изостатическое прессование (ГИП) или термомеханическая обработка позволяют устранить мелкие поры (менее 30 мкм). В некоторых случаях требуется полное удаление пор. Температура поверхности играет решающую роль в образовании пор. Никелевые суперсплавы показывают наилучшие результаты в диапазоне температур 1240–1270 °C. Угол распыления также влияет на конечную плотность. Пористость снижается до минимума, когда средневзвешенный угол соударения остаётся менее 25°.

Расход газа и потери от распыления

Высокая стоимость инертных газов для распыления и потери материала создают серьёзные проблемы для экономической эффективности формовки методом распыления. В этом процессе теряется около 30% материала из-за перерасхода, разбрызгивания и отскока от полутвёрдой поверхности. Соотношение газ/металл обычно составляет от 1,5 до 5,5. Более высокое соотношение означает снижение выхода готовой продукции. Многие операторы теперь используют системы инжекции частиц для повторного использования перераспылённого порошка и повышения эффективности.

Сравнение с выходом годного при литье металла под давлением

Литье металлов под давлением (MIM) отлично подходит для сложных форм, но обходится дороже, чем традиционная порошковая металлургия. Это происходит из-зараспыление газа и требования к компаундированию связующего. Распылительное формование позволяет получать изделия, близкие к заданным, без удаления связующего. Технология MIM позволяет достичь более высокой конечной плотности (более 95%) за счёт использования порошка меньшего размера и более высоких температур спекания. Материалы, полученные распылительным формованием, обычно требуют дополнительной обработки для устранения остаточной пористости.

 

Заключение

Распылительная формовка представляет собой революционный металлургический прорыв, который меняет подход к производству сложных сплавов. Этот процесс объединяет традиционное литье, порошковую металлургию и литье металлов под давлением благодаря уникальному сочетанию методов распыления и прямой консолидации. Теперь производители могут производить детали с формой, близкой к заданной, с исключительной однородностью микроструктуры, минимальной сегрегацией и плотностью, достигающей 96–99,5% от теоретической.

Технология исключает множество промежуточных этапов обработки. Это оптимизирует процессы и снижает общие производственные затраты, позволяя создавать специализированные сплавы, которые ранее было сложно производить. Быстрорежущие инструментальные стали, алюминиево-литиевые компоненты для аэрокосмической промышленности и никелевые суперсплавы демонстрируют улучшенные свойства и эксплуатационные характеристики благодаря этой технологии.

Некоторые проблемы всё ещё существуют. К наиболее серьёзным относятся остаточная пористость, затраты на газ и потери материала из-за перерасхода. Для решения этих проблем компании внедряют такие решения, как системы рециркуляции перерасхода и оптимизация технологических параметров.

Экономическая ценность метода распыления зависит от соотношения его технических преимуществ и сложностей реализации. Первоначальные инвестиции и эксплуатационные расходы могут быть выше, чем при использовании стандартных методов. Однако знание того, как производить специализированные материалы с превосходными свойствами, делает этот метод выгодным для многих высокопроизводительных применений.

Распылительная формовка, несомненно, останется важнейшей технологией, объединяющей традиционную металлургию с передовыми порошковыми технологиями. Производители получили мощный инструмент для создания материалов нового поколения, отвечающих высоким требованиям к эксплуатационным характеристикам в аэрокосмической, автомобильной и других отраслях промышленности. Достижения в области исследований помогут этой технологии стать более эффективной и экономичной, одновременно расширяя возможности обработки материалов. Это укрепляет роль распылительной формовки в передовых производственных процессах.

 

Часто задаваемые вопросы

В1. Что такое распылительная формовка и чем она отличается от традиционных методов производства?Распылительная формовка — это передовой производственный процесс, позволяющий создавать изделия, близкие к заданной форме, путём распыления расплавленного металла в капли и их нанесения на подложку. В отличие от традиционного литья или порошковой металлургии, этот метод сочетает быстрое затвердевание и консолидацию в один этап, что позволяет получать материалы с точной микроструктурой и минимальной сегрегацией.

В2. Какие типы материалов можно производить методом распылительной формовки?Распылительная формовка совместима с широким спектром сплавов, включая быстрорежущие инструментальные стали, алюминиево-литиевые сплавы для аэрокосмической промышленности, суперсплавы на основе никеля и композиты с металлической матрицей. Она особенно эффективна при обработке материалов, которые сложно производить традиционными методами.

В3. Каковы основные преимущества метода распылительной формовки?Ключевые преимущества включают возможность производства деталей с формой, близкой к заданной, с однородной микроструктурой, сокращение технологических этапов по сравнению с традиционными методами и возможность создания специализированных сплавов с улучшенными свойствами. Это также позволяет производить крупногабаритные заготовки и детали с улучшенными изотропными и эксплуатационными характеристиками.

В4. Существуют ли какие-либо ограничения для технологии напылительного формования? Несмотря на множество преимуществ, распылительное формование имеет и некоторые ограничения. К ним относятся остаточная пористость готового продукта (обычно 1–2%), высокие затраты, связанные с расходом инертного газа для распыления, и потери материала из-за перерасхода. Кроме того, в некоторых случаях для достижения желаемых конечных свойств может потребоваться дополнительная обработка.

В5. В каких отраслях промышленности чаще всего применяется технология распылительной формовки?Распылительная формовка находит широкое применение в аэрокосмической, автомобильной и других отраслях промышленности. Она особенно ценна при производстве компонентов турбин, деталей высокопроизводительных двигателей и специализированных инструментов. Эта технология также используется для создания защитных покрытий и облицовок для различных промышленных применений.