Новый вольфрамовый сплав в форме порошка, подходящий для 3D-печати

Литой алюминий, производство инструментов и радиационная защита: новый запатентованный процесс производства вольфрамового сплава (WNiFe/WNiCu) позволяет осуществлять аддитивное производство сложных компонентов.

Вольфрамовые сплавы (WNiFe/WNiCu) используются из-за их коррозионной стойкости к расплавленному металлу и высокой теплопроводности для обработки алюминия литьем в кокиль. Но и в инструментальном производстве, и для защиты от альфа- и гамма-излучения незаменим тяжелый металл, плотность которого сравнима с золотом. Однако вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех химических элементов (3400 °C). Поэтому, а также из-за его твердости по шкале Мооса равной 7,5, с вольфрамом трудно работать. В результате детали более сложной формы часто приходится заменять на инструментальную сталь, которую легче обрабатывать.

Чтобы обеспечить возможность использования вольфрама для более сложных геометрий и, таким образом, повысить эффективность и долговечность компонентов, компания Bayerische Metallwerke GmbH разработала новый процесс производства вольфрамовых сплавов WNiFe и WNiCu и запатентовала его в начале 2021 года. Процесс характеризуется использованием многофазного смешанного кристаллического сплава, который получается в виде порошка, подходящего в качестве исходного материала для процессов 3D-печати и нанесения покрытий. Более того, этот порошок можно изготавливать из отходов или стружки.

«Благодаря устойчивости к коррозии и эрозии из-за расплавленных металлов, а также превосходной теплопроводности вольфрам является предпочтительным материалом в области литья алюминия», — говорит Набиль Гдура, инженер по исследованиям и разработкам Bayerische Metallwerke GmbH. «Очень высокая плотность 19,25 г/см3 в чистом виде также делает его хорошей альтернативой вредному свинцу, который до сих пор используется, например, для радиационной защиты в медицине». В случае литейных форм, также известных как кокили, используемых при обработке алюминия, цель часто состоит в том, чтобы иметь длинные, но в то же время очень тонкие, а иногда и конические охлаждающие каналы диаметром менее одного миллиметра, чтобы обеспечить максимальную эффективность. Возможен равномерный и быстрый отвод тепла. В противном случае качество материала конечного изделия может ухудшиться из-за образования трещин.

Невозможно из твердого и тяжелого металла, чрезвычайно высокая температура плавления которого составляет от 3387 до 3422 °C, такие точные, а иногда и изогнутые формы, с использованием традиционных методов механической обработки или формовки. Поэтому для этих сложных компонентов для упомянутых целей пока приходится переходить на жаропрочную сталь, которой с помощью технологий 3D-печати можно придать практически любую желаемую форму. Напротив, недавно разработанный производственный процесс Bayerische Metallwerke позволяет изготавливать трудный для обработки, но прочный вольфрам, подготовленный для 3D-печати. Кроме того, этот процесс также позволяет перерабатывать остатки порошка вольфрамового сплава, тем самым сокращая отходы и производственные затраты.

«Особенностью нашего сплава вольфрам-никель-железо является то, что мы получаем его в виде предварительно легированного порошка», - объясняет доктор технических наук. Хани Гобран, менеджер по исследованиям и разработкам Bayerische Metallwerke и изобретатель производственных технологий. «Это подходит в качестве исходного продукта для процессов 3D-печати и нанесения покрытий». Из-за отсутствия альтернативы до сих пор использовался только смешанный порошок, чтобы сделать вольфрам пригодным для использования в компонентах сложной геометрии. Однако основным недостатком таких смесей является разная температура плавления вольфрама (около 3400 °С), никеля и железа, поскольку оба металла меняют свое физическое состояние примерно при 1500 °C. В результате большая часть двух добавленных веществ бесконтрольно испаряется в процессе плавления при дальнейшем процессе переработки. Это связано с тем, что температуры кипения никеля и железа составляют около 2700 °C и 3000 °C соответственно. Благодаря предварительному легированию в ходе процесса, разработанного Гобраном, все три элемента объединяются в многофазный материал в каждой частице порошка. Таким образом, можно точно контролировать их состав и распределение в конечном продукте и не допускать потерь связующих металлов.

Согласно общепринятым стандартизированным вариантам, новый сплав может производиться с содержанием вольфрама от 80 до 98,5 процентов (по весу), от 0,1 до 15 процентов (по весу) никеля и от 0,1 до 10 процентов (по весу) железа и/или меди. Благодаря этому достигается плотность конечного продукта от 17 до 18,8 г/см3, что желательно для применения в алюминиевой промышленности, производстве инструментов и защите от альфа- и гамма-излучения. «Чем выше доля вольфрама в конечном продукте, тем более он устойчив к расплавленному алюминию и тем лучше его теплопроводность», — объясняет Гобран. «Если, с другой стороны, большую роль играют хорошая пластичность и механическая обрабатываемость, то доля вольфрама в сплаве также может быть соответственно уменьшена. Поэтому композицию всегда можно адаптировать к конкретному применению и соответствующей сложности формы». В процессе измельчения в рамках производственного процесса также можно определить характеристики текучести и размер зерен порошка от 10 до 200 мкм. Таким образом, сплав индивидуально подготавливается для желаемого типа дальнейшей обработки, например, процессов плазменного нанесения покрытия или аддитивного производства.

Новый производственный процесс позволяет повторно использовать материалы.

Если, например, горячедеформированная сталь, ранее использовавшаяся для тонких и конических охлаждающих каналов в литых алюминиевых кокилях, будет заменена вольфрамовым сплавом, разработанным Гобраном, это применение выиграет не только от устойчивости тяжелых металлов к коррозии и эрозии. По сравнению со сталью вольфрам также обладает преимуществом гораздо более высокой теплопроводности, что позволяет значительно снизить износ кокиля. Благодаря более высокой плотности изделие из сплава также является альтернативой ядовитому свинцу. Его используют не только для защиты от радиации, но и в качестве стабилизатора, например, в инструментальной промышленности.

«Еще одна особенность нашего сплава заключается в том, что мы можем изготавливать порошок из отходов или стружки», — добавляет Гдура. «Это большой шаг вперед как с экономической, так и с экологической точки зрения, поскольку он позволяет нам перерабатывать отходы традиционных процессов».

Источник: https://global-recycling.info/archives/5861