Порошковая металлургия «Норникеля»

Порошковая металлургия применяется как экономически выгодная замена механической обработки. Из порошков можно получать изделия с уникальными характеристиками, радикально повысить коэффициент использования металла и конкурентоспособность конечной продукции. До 40% металлических порошков, востребованных на рынке специализированной порошковой металлургии, сейчас изготавливается из сплавов на базе основных металлов «Норникеля» – никеля, кобальта. А активное внедрение порошковых технологий в высокотехнологичные отрасли промышленности способствует непрерывному увеличению спроса на порошки из жаропрочных сплавов. 

«Норникель» сейчас оценивает перспективы направления порошковых материалов. У таких порошков широкий спектр применения в различных отраслях, что в будущем может быть полезно и для других инновационных разработок компании – от новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта до каталитических материалов.

Основным интересом компании сейчас являются порошки из жаропрочных сплавов на основе никеля и порошки на основе кобальта. «Это в большей степени высокотемпературные материалы, они довольно дорогие и используются в высокотехнологичном машиностроении – это авиация, ракетно-космическая техника, двигателестроение», – рассказывает Кирилл Ярцев, руководитель направления департамента технологических инноваций «Норникеля».

Навскидку порошки – никакая не инновация в промышленности: такая металлургия существовала еще в древнем Египте. Развивалось это направление и в СССР. Но интерес к таким материалам всегда шел волнами.

Новый виток роста спроса на высококачественные порошковые материалы в последние пару десятков лет был связан с интенсивным развитием технологий 3D-печати, литья металлов под давлением (MIM), горячего изостатического прессования (ГИП) и нанесения покрытий. Эти четыре технологии достаточно востребованы в промышленности и имеют хорошие темпы роста на рынке.

3D-печать, если объяснять на пальцах, подразумевает послойное формирование изделия. На входе – 3D-модель и порошок, на выходе – готовая деталь. Технология востребована, например, в реинжиниринге, так как подходит для изготовления деталей сложных форм, которые либо невозможно, либо слишком дорого производить классическими технологиями (лопатки с каналами охлаждения, сетчатые структуры и т. д.).

Аналог MIM – инжекционное формование. Берется порошок, смешивается с полимерным связующим, в виде гранул эта смесь нагревается, связующее размягчается, и под давлением это все впрыскивается в пресс-форму. Таким образом порошок компактируется. Преимущество данной технологии в том, что порошок не нужно расплавлять, зато детали можно придать любую форму. Таким способом делают детали небольших размеров и сложных форм, но поточно, в больших количествах. И это не болты и гайки, а мелкие детали в электронике, которые потом используются, например, Apple и другими технологическими гигантами. В Китае, например, почти 40% MIM применяют в ИТ-секторе.

Что касается ГИП, то эта технология используется уже в тяжелой промышленности, от авиации до энергетики, и подходит для изготовления очень крупных изделий. Например, дисков в двигателях весом до 600 кг. Жанна Сентюрина, руководитель проектов Департамента технологических инноваций «Норникеля»: «В стальную капсулу любых габаритов засыпается порошковый материал, капсула заваривается и помещается в газостат, где из порошка под высоким давлением и при высокой температуре формируется заготовка, близкая к конечной форме, со стопроцентной плотностью и очень высокими характеристиками. То есть MIM подходит для мелких массовых изделий, ГИП – для больших, а 3D-печать, скорее, для сложных форм, для очень специфических конструкций».

Четвертая технология, также интересная «Норникелю», применяется не для изготовления изделий. Это дополнительное направление, потому что в технологической цепочке изготовления порошков всегда будут оставаться хвосты, которые можно будет использовать для нанесения покрытий различного назначения — жаростойких, износостойких и т. д. 

На сегодняшний день «Норникель» ведет научно-техническую работу по изучению различных методов атомизации. Эти технологии обеспечивают все необходимые наилучшие характеристики. Плазменное центробежное распыление прутковой заготовки позволяет получать суперкачественные порошки премиального сегмента. Но в большей степени ее используют для тугоплавких металлов вроде титана, для никеля эта технология очень дорогая.

Другие способы, в том числе плазменной атомизации проволоки и плазменной сфероидизации, интересны тем, что позволяют получать порошки высокого качества, а кроме того, в мире есть всего лишь несколько компаний, которые занимаются такими технологиями. В России они тоже представлены, но пока на уровне стартапов. 

В прошлом году «Норникель» с привлеченным партнером получили первые прототипы порошков из никелевых сплавов Inconel 718 и Inconel 625 – наиболее изученных и популярных для использования в 3D-печати и ГИП (кстати, последний сплав был недавно впервые в РФ применен для защиты поверхности нагрева котельного оборудования для мусоросжигательного завода). Для этого были использованы различные технологии их получения. На данный момент проведены сравнительные исследования характеристик полученных материалов и осуществляется их промышленная апробация с использованием 3D-принтера.

В текущем году «Норникель» рассматривает возможности для пополнения линейки прототипов из никелевых сплавов порошками для нанесения покрытий и MIM-технологии, а также получение прототипов из сплавов на основе кобальта, меди и нержавеющих сталей (в которых содержится 10-15% никеля). От выбора базовой технологии будет зависеть то, как компания сможет в будущем встроить ее в имеющиеся технологические цепочки производства металлов.

Перечисленных примеров вполне достаточно, чтобы создать представление о широте возможностей практического применения порошковых материалов в различных технических сферах. Перед «Норникелем» открываются широкие возможности в новой для него области спецэлектрометаллургии.

Первоисточник