Новые технологии в порошковой металлургии для формирования почти чистой формы

Основные принципы порошковой металлургии и формирования формы ближнего сетки

Порошковая металлургия включает в себя преобразование порошка сырого металла в твердые части путем уплотнения и термической обработки. Основные этапы включают производство порошка, смешивание, уплотнение (прессование) и спекание (нагрев до частиц связи). Традиционные ТЧ могут достигать хороших допусков размеров, но детали часто все еще требуют доработки или обработки для удовлетворения жестких спецификаций. Формирование формы ближнего сетки решает эту проблему путем проектирования процесса так, чтобы промежуточная часть не нуждалась в дополнительной работе или вообще не нуждалась в ней.

Ключ к формированию формы ближнего сетки заключается в точном контроле характеристик порошка, конструкции инструмента и параметров процесса. Передовые методы теперь позволяют производителям создавать внутренние полости, тонкие стенки и сложные каналы, которые ранее были невозможны с обычными ТЧ. Результатом является резкое сокращение отходов материалов, потребления энергии и стоимости на часть.

Исторический контекст и эволюция ПМ в форме ближнего интернета

Концепция производства формы ближнего замыкания не нова; она уходит корнями в инвестиционное литье и ковку. Тем не менее, ПМ приобрела известность, потому что она может производить детали с минимальным утилизацией - часто менее 5% потерь материала по сравнению с 40-80% с традиционными субтрактивными методами. Ранние части ТЧ были ограничены простыми подшипниками и передачами. Развитие изостатического прессования в 1950-х годах и горячего изостатического прессования (HIP) в 1960-х годах расширили возможности. Последние два десятилетия видели взрыв новых процессов, подпитываемых достижениями в автоматизации, материаловедении и вычислительном моделировании.

Ключевые новые технологии в порошковой металлургии для формирования формы ближнего сетки

1. Металлическое аддитивное производство (слияние порошковой кровати и направленное энергетическое осаждение)

Аддитивное производство (АМ) с использованием металлических порошков, возможно, стало наиболее видимой техникой формирования формы ближнего сетки. Существуют два доминирующих варианта: слияние порошкового слоя (PBF) и направленное осаждение энергии (DED). В ПБФ лазерный или электронный пучок избирательно расплавляет слой за слоем внутри контролируемой атмосферы. Селективное лазерное плавление (SLM) и расплавление электронного пучка (EBM) являются наиболее распространенными процессами ПБФ. Они могут производить полностью плотные ближние формы с внутренними каналами охлаждения, решетчатыми структурами и мелкими особенностями до 0,1 мм.

DED, с другой стороны, использует сопло для нанесения порошка или проволоки на подложку, в то время как лазер, электронный луч или дуга плавит его по мере приземления. DED подходит для ремонта изношенных компонентов, добавления функций к существующим частям или создания больших форм ближнего сетки со скоростью осаждения значительно выше, чем PBF. Обе технологии резко уменьшают отходы материала по сравнению с субтрактивной обработкой и позволяют быстро итерировать конструкцию.

Преимущества:Высокая геометрическая свобода, отличное использование материала, способность производить трудноизвлекаемые сплавы (например, титан, инконель, инструментальные стали).
Ограничения: Поверхностная отделка часто требует постобработки; темпы сборки медленнее, чем обычное уплотнение; тепловые напряжения могут вызывать искажения.

2. Холодное изостатическое прессование (CIP) в сочетании с расширенным синтерингом

Холодное изостатическое прессование прикладывает равномерное гидростатическое давление (до 400 МПа) к заполненной порошком эластомерной плесени, создавая зеленый компакт с почти однородной плотностью. Гибкость формы позволяет производить сложные формы - такие как трубки, стержни и полые формы - без трения стенки, которое ограничивает обычное одноосное прессование. После CIP часть спекается с использованием методов, таких как контролируемое спекание атмосферы или спекание с помощью давления для достижения конечной плотности.

Последние инновации в CIP включают в себя wet-bag и dry-bag системы, которые улучшают время цикла. Для формирования формы ближнего сетки геометрия формы должна быть разработана для учета усадки во время спекания, что можно предсказать с помощью моделирования конечных элементов. CIP-синтернированные детали демонстрируют отличную стабильность размеров и однородные механические свойства, что делает их ценными для тисков, распыляющихся целей и аэрокосмических компонентов.

3. Spark Plasma Sintering (SPS)

Спекание плазмы Spark, также известное как техника спекания с полевым усилием (FAST), использует импульсный постоянный ток, проходящий через порошок, одновременно применяя одноосное давление. Быстрое нагревание Joule (скорость до 1000°C / мин) позволяет уплотнять при более низких температурах и в гораздо более короткие сроки, чем обычное спекание - часто в минутах, а не часах. SPS сохраняет тонкие микроструктуры, предотвращает рост зерна и позволяет консолидировать нанопорошки, керамику и композиционные материалы.

Для формирования формы около сети инструментарий SPS обычно представляет собой графит, который можно обрабатывать для создания желаемой геометрии деталей. Этот процесс особенно подходит для высокопроизводительных материалов, таких как режущие инструменты из карбида вольфрама, термоэлектрические материалы и передовая керамика. Хотя SPS в настоящее время ограничен относительно небольшими частями и серийным производством, новые непрерывные системы SPS расширяют технологию.

4. Металлическая литье для инъекций (MIM) для сложных мелких деталей

Металлическая литье под давлением сочетает в себе возможность формирования формы пластической литья под давлением со свойствами материала порошковой металлургии. Тонкий металлический порошок (обычно <20 мкм) смешивается с термопластичным связующим для образования исходного сырья, которое вводится в форму. Затем связующее химически или термически удаляется, и полученная коричневая часть спекается почти до полной плотности. MIM может производить детали нетто-формы с замысловатыми деталями, тонкими стенками и отличной отделкой поверхности, часто не требующей вторичных операций.

MIM — это зрелая техника, но продолжает развиваться с новыми связующими системами, газовой инъекцией и многоматериальным формованием. Он широко используется для небольших, сложных частей, таких как хирургические инструменты, ортодонтические скобки, компоненты огнестрельного оружия и корпуса бытовой электроники. Размерная толерантность может достигать ± 0,3% размера, что делает его сильным кандидатом на формирование формы ближнего сетки в крупносерийном производстве.

5. Горячее изостатическое нажатие (HIP) с помощью почти чистых формовых банок

Горячее изостатическое прессование включает применение высокой температуры и изостатического давления (обычно до 200 МПа и 2000 °C) к порошку, инкапсулируемому в контейнер (can). Может деформироваться под давлением, консолидируя порошок до полной плотности. При проектировании геометрии банки для зеркалирования желаемой формы детали производители могут достигать практически чистых форм с нулевой пористостью. Этот метод является общим для дисков турбины суперсплава, компонентов титановых самолетов и высокоскоростных стальных инструментов.

Сама по себе эта банка может быть изготовлена из низкоуглеродистой стали или других материалов, которые позже удаляются химическим травлением или обработкой. Продвинутое моделирование конечных элементов теперь позволяет точно предсказать деформацию и усадку, уменьшая пробную и ошибочную форму. Части формы HIPed с близкой сеткой проявляют изотропные свойства и могут заменять кованые или литые компоненты в критических приложениях.

6. Обработка фрикционного стира и аддитивное фрикционное стирание

Возникающие твердотельные процессы используют фрикционный нагрев и пластическую деформацию для консолидации порошка. Обработка фрикционного перемешивания (FSP) использует вращающийся инструмент для перемешивания и уплотнения слоя порошка на подложке, создавая покрытие или ремонт формы с близкой сеткой. Добавочное осаждение фрикционного перемешивания (AFSD) подает металлический порошок или стержень через вращающийся инструмент, осаждая слой за слоем без плавления. Этот метод позволяет избежать растрескивания, пористости и остаточного напряжения, обычного в AM на основе синтеза.

АФСД может производить крупные структуры формы ближнего сетки при высоких скоростях осаждения (несколько кг в час) с мелкозернистыми структурами и отличными механическими свойствами. Особенно перспективным он является для алюминиевых и магниевых сплавов, которые трудно обрабатывать с помощью ПБФ из-за отражательной способности и окисления. Пока они находятся на стадии исследований, эти методы предлагают путь к формированию формы ближнего сетки для крупномасштабных компонентов.

Материальные инновации, приводящие к почти чистой форме PM

Продвинутые сплавы и композитные порошки

Успех формирования формы ближнего сетчатого слоя в значительной степени зависит от наличия порошков, спроектированных для конкретного процесса. Газоматизированные сферические порошки являются предпочтительными для AM и MIM из-за хорошей текучести и плотности упаковки. Водоматомизированные нерегулярные порошки более экономичны для обычного прессования, но требуют связующих веществ для MIM.

Новые разработки сплавов включают высокоэнтропийные сплавы, интерметаллы и композиты из металлической матрицы (например, алюминий, армированный карбидом кремния или титан с карбидом бора). Эти материалы теперь могут быть обработаны до формы ближнего сечения, открывая приложения в экстремальных условиях. Например, спекание плазмы искры может консолидировать смесь вольфрама и медных порошков для создания теплоотводов для электроники, достигая формы ближнего сечения с индивидуальной теплопроводностью.

Нанопорошки и гибридные корма

Нанопорошки (размер частиц <100 нм) обладают повышенной спекательностью и уникальными свойствами, но представляют проблемы с управляемостью и безопасностью. Биндер-струйная и струйная печать адаптируются для нанесения нанопорошковых суспензий в слоях формы, близких к сетке. Гибридные исходные материалы, которые сочетают два или более типов порошка, позволяют получать градуированные композиции в одной части - например, жесткая износостойкая поверхность на жестком ядре.

Преимущества и проблемы новых технологий ПМ в форме ближнего интернета

Преимущества

• Минимальные отходы материала: Методы формирования ближнего замыкания обычно достигают 85-98% использования материала по сравнению с 30-60% для обычных субтрактивных методов. Это особенно важно для дорогих материалов, таких как титан, тантал и суперсплавы никеля.
• Сокращение энергопотребления: Устранение нескольких этапов термообработки и механической обработки значительно уменьшает энергетический след на деталь. SPS и AM также могут снизить температуру и время спекания.
• Геометрическая свобода: Такие процессы, как PBF, MIM и CIP, обеспечивают внутренние функции, подрезы и облегченные конструкции решеток, которые невозможно обрабатывать.
• Свойства материала выше: Быстрое затвердевание в AM и SPS может производить более тонкие микроструктуры и более высокую прочность. HIP обеспечивает 100% плотность и изотропное поведение.
• Укороченные цепочки поставок: Формирование ближнего замыкания уменьшает потребность в нескольких субподрядчиках (ковка, обработка, термообработка) и позволяет производить запасные части по требованию.

Вызовы

• Высокая капитальная стоимость: Оборудование для AM, SPS и HIP дорогое, а инструментарий для MIM и CIP требует значительных первоначальных инвестиций.
• Процесс управления сложностью: Параметры, такие как распределение размера порошка, скорость нагрева, профиль давления и атмосфера, должны жестко контролироваться, чтобы избежать дефектов (пористость, варпаж, трещины).
• Требования к послеобработке: Многие детали формы ближнего замыкания по-прежнему требуют отделки поверхности (например, механической обработки, полировки, обжига) для удовлетворения конечных допусков или спецификаций шероховатости поверхности.
• Ограниченные возможности: SPS и HIP в настоящее время ограничены относительно небольшими объемами деталей, а большие машины PBF медленны для производства больших объемов.
• Квалификация и стандартизация: Аэрокосмические и медицинские правила требуют обширного тестирования для проверки новых процессов. Отраслевые стандарты для ПМ ближней формы все еще развиваются, увеличивая время разработки.

Приложения в разных отраслях

Аэрокосмическая и оборонная

Aerospace был ранним сторонником PM формы ближнего сетки, особенно для компонентов турбины суперлегированного сплава, титановых конструктивных частей и алюминиевых лопастей вентилятора. HIPed формы ближнего сетки используются для впускных чехлов, подшипников и креплений двигателя. Способность уменьшать соотношение «купить-летать» с 20:1 до 3:1 является основным драйвером. AM также используется для производства малообъемных запасных частей, топливных сопел и воздуховодов.

автомобильный

Высокообъемные автомобильные приложения предпочитают MIM для небольших, сложных деталей, таких как компоненты топливного инжектора, концентраторы передачи и механизмы ремней безопасности. Синтерованные детали используются в тормозных системах и клапанах двигателя. Толчок к электрическим транспортным средствам (EV) создал спрос на разъемы терминалов аккумуляторов, охлаждающие пластины и моторные ядра с функциями формы почти сети для сокращения отходов меди и магнитной стали.

Биомедицинский и стоматологический

Порошковая металлургия необходима для производства биосовместимых имплантатов — стеблей бедра из титанового сплава, коленных суставов из кобальтохрома и пористых танталовых костных каркасов. AM позволяет создавать формы, специфичные для пациента, на основе КТ, сокращая время операции. MIM используется для ортодонтических скобок, зубных прикладов и хирургических инструментов. SPS исследуется для консолидации металлических композитов с гидроксиапатитовым покрытием.

Электроника и энергетика

ТЧ ближней формы критически важен для теплоотводов, распыляющих целей, магнитных ядер для электродвигателей и электродов для литий-ионных батарей. Композиты W-Cu, изготовленные HIP или SPS, используются в мощных полупроводниковых пакетах. MIM производит разъемы, экранирующие и микропереключатели.

Будущие направления в ближней форме Пороховой металлургии

Эта область быстро развивается, что обусловлено цифровизацией, требованиями к устойчивости и необходимостью в сложных, высокопроизводительных частях. Ожидается, что в следующем десятилетии будут сформированы несколько тенденций:

Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения

Алгоритмы ИИ могут оптимизировать циклы смешивания порошков, нажатия параметров и спекания для достижения допусков формы ближнего сетки с меньшим количеством пробных запусков. Мониторинг in situ с использованием тепловых камер и акустических датчиков в сочетании с машинным обучением позволяет обнаруживать дефекты в реальном времени и контролировать замкнутый цикл во время AM.

Гибридные производственные системы

Комбинирование аддитивных и субтрактивных процессов в одной машине (например, 5-осевой ЧПУ с лазерной головкой AM) позволяет наращивать форму ближнего сетки с последующей точной отделкой без повторного фиксирования. Это сократит время выполнения и повысит точность.

Развитие устойчивого производства порошка

Новые методы получения металлических порошков из лома (например, с использованием гидрометаллургии или снижения содержания водорода) снижают воздействие на окружающую среду. Кроме того, переработка использованных порошков (например, из АМ) становится экономически жизнеспособной. Формирование формы ближнего сетчатого слоя по своей сути снижает потребление материала, но замкнутые циклы порошка будут способствовать дальнейшему повышению устойчивости.

Процессы крупномасштабной формы ближнего интернета

Исследования в области производства добавок для фрикционного перемешивания и проволочного питания AM направлены на производство структурных частей размером несколько метров. Масштабируемые системы HIP с автоматизированным консервированием могут обеспечить формирование формы почти сети корпусов подводных лодок и ракет.

Многоматериальные и функционально градуированные части

Новые методы обработки порошка и осаждения позволяют объединять слои различных композиций в одной детали формы с близкой сеткой - например, стальное снаряжение с керамической поверхностью износа или медный радиатор с алюминиевой структурой плавника. Эти многоматериальные части могут достигать беспрецедентных комбинаций свойств.

Заключение

Ландшафт порошковой металлургии претерпевает трансформацию по мере того, как методы формирования формы ближнего замыкания созревают из лабораторных любопытств к готовым к производству процессам. Металлическое аддитивное производство, холодное и горячее изостатическое прессование, спекание искровой плазмы и литье под давлением из металла предлагают уникальные преимущества для сокращения отходов, обеспечения сложной геометрии и повышения производительности материала. Хотя проблемы остаются в стоимости, масштабируемости и квалификации, сочетание цифровых инструментов, новых материалов и гибридных подходов неуклонно расширяет применимость форм ближнего замыкания. Производители, которые инвестируют в эти новые методы, будут хорошо позиционированы для удовлетворения растущего спроса на эффективные, устойчивые и высокоточные металлические компоненты в спектре отраслей.

Для дальнейшего чтения проконсультируйтесь с отраслевыми ресурсами, такими как для стандартов и руководств, или изучите исследования ASM International Порошковые технологии регулярно публикуйте достижения в формировании формы около сети.ASTM International Комитет F42 предлагает руководящие принципы и стандарты.