توضیح پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت: نمرات، موارد استفاده و نحوه انتخاب مناسب

پودر آلیاژی بر پایه کبالت چیست و چرا اهمیت دارد؟

پودر آلیاژ مبتنی بر کبالت خانواده ای از پودرهای فلزی است که در آن کبالت به عنوان عنصر ماتریس اولیه عمل می کند که معمولاً با کروم، تنگستن، نیکل، کربن و سایر عناصر آلیاژ می شود تا به سختی استثنایی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام در دمای بالا دست یابد. این پودرها برای کاربردهای صنعتی سخت که در آن آلیاژهای فولاد یا نیکل معمولی شکست می‌خورند، مهندسی شده‌اند.

فرم پودر چیزی است که مواد آلیاژ کبالت را در تولید مدرن بسیار متنوع می کند. مهندسان می توانند به جای ماشینکاری بخشی از یک شمش جامد از آلیاژ کبالت سخت - فرآیندی گران و دشوار - استفاده کنند. پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت به عنوان یک پوشش اسپری حرارتی، آن را به قسمتی شبیه به شبکه تف جوشی کنید یا مستقیماً به سیستم های تولید افزودنی وارد کنید تا هندسه های پیچیده لایه به لایه بسازید. نتیجه، قرار دادن دقیق مواد دقیقاً در جایی که عملکرد مورد نیاز است، با حداقل ضایعات است.

درجات اصلی پودر آلیاژ کبالت و ترکیبات آنها

پودرهای آلیاژی مبتنی بر کبالت یک ماده واحد نیستند - آنها خانواده ای از آلیاژها هستند که هر کدام برای ترکیب خاصی از خواص بهینه شده اند. پرمصرف ترین گریدها منشأ خود را به خانواده آلیاژ Stellite می رسانند که در اوایل قرن بیستم توسعه یافتند، اگرچه بسیاری از گریدهای معادل و اختصاصی در حال حاضر از تولید کنندگان در سراسر جهان وجود دارد.

درجه	عناصر کلیدی آلیاژی	ویژگی های اولیه	برنامه های کاربردی معمولی
Stellite 6 (Co-Cr-W)	شرکت، 28٪ کروم، 4.5٪ W، 1.2٪ C	مقاومت در برابر سایش و خوردگی عالی، سختی متوسط	صندلی سوپاپ، قطعات پمپ، سخت‌افزار عمومی
استلایت 12	شرکت، 29٪ کروم، 8.3٪ W، 1.4٪ C	سختی بالاتر از Stellite 6، مقاومت در برابر سایش خوب	لبه های برش، تیغه های کشاورزی، سخت کاری
استلایت 21	شرکت، 27٪ کروم، 5.5٪ مو، 0.25٪ C	کربن کم، مقاومت در برابر خوردگی عالی، زیست سازگار	ایمپلنت های پزشکی، تجهیزات پردازش مواد غذایی
Tribaloy T-400	شرکت، 8.5٪ کروم، 28٪ مو، 2.6٪ سی	مقاومت فوق العاده در برابر تهوع و تشنج	سطوح تماس کشویی، یاتاقان ها، بوش ها
CoCrMo (ASTM F75)	شرکت، 27-30٪ کروم، 5-7٪ مو	زیست سازگاری بالا، قدرت خستگی	ایمپلنت هیپ/زانو، پروتزهای دندانی
Mar-M 509	شرکت، 23.5٪ کروم، 10٪ نیکل، 7٪ W، 3.5٪ Ta	مقاومت عالی در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون	پره های توربین، قطعات بخش گرم هوافضا

نحوه تولید پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت

روش تولید مورد استفاده برای تولید پودر آلیاژ کروم کبالت تأثیر مستقیمی بر مورفولوژی پودر، توزیع اندازه ذرات، جریان پذیری و در نهایت عملکرد قسمت یا پوشش نهایی دارد. فرآیندهای پایین دستی مختلف به پودرهایی با ویژگی های فیزیکی متفاوت نیاز دارند، بنابراین درک نحوه تولید پودر به شما کمک می کند محصول مناسب را مشخص کنید.

اتمیزه کردن گاز

اتمیزه کردن گاز روش غالب تولید پودر آلیاژ کبالت است که برای تولید افزودنی و کاربردهای اسپری حرارتی در نظر گرفته شده است. یک جریان مذاب از آلیاژ کبالت توسط جت‌های گاز بی‌اثر پرفشار - معمولاً آرگون یا نیتروژن - به قطرات ریز تبدیل می‌شود که در پرواز به صورت ذرات کروی جامد می‌شوند. پودر به دست آمده دارای جریان پذیری عالی، تخلخل کم و شیمی ثابت در سرتاسر هر ذره است. اندازه ذرات با تنظیم فشار گاز و سرعت جریان مذاب، با محدوده‌های معمولی 15-53 میکرومتر برای همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) و 45-150 میکرومتر برای فرآیندهای پوشش لیزری یا قوس انتقال‌یافته پلاسما (PTA) کنترل می‌شود.

اتمیزه شدن پلاسما

اتمیزاسیون پلاسما از یک مشعل پلاسما برای ذوب یک سیم یا میله خام استفاده می کند که سپس توسط گاز بی اثر اتمیزه می شود. این روش پودر بسیار کروی و بسیار تمیز با محتوای اکسیژن بسیار کم تولید می کند - برای آلیاژهای واکنش پذیر با عملکرد بالا مهم است. پودرهای آلیاژ کبالت اتمیزه شده با پلاسما در پرتقاضاترین کاربردهای تولید افزودنی استفاده می‌شوند که در آن پاکیزگی ریزساختاری و ویژگی‌های خستگی بسیار مهم است، مانند تولید ایمپلنت‌های پزشکی و هوافضا.

اتمیزه کردن آب و خشک کردن با اسپری

اتمیزه کردن آب به جای گاز از جت های آب با فشار بالا استفاده می کند و ذرات نامنظم و غیر کروی را با هزینه کمتر تولید می کند. این پودرها معمولاً در کاربردهای پرس و تف جوشی، فرآیندهای پاشش حرارتی که در آن الزامات جریان پذیری کمتر سخت است، و به عنوان ماده اولیه برای خشک کردن اسپری، که در آن ذرات نامنظم ریز به گرانول های بزرگتر و قابل جریان تر برای عملیات پوشش دهی پلاسما تجمع می یابند، استفاده می شود.

کاربردهای کلیدی پودر آلیاژ کبالت در سراسر صنایع

پودر سوپرآلیاژی مبتنی بر کبالت در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد که با نیاز به عملکرد در محیط های شدید متحد می شود. در زیر بخش هایی وجود دارد که پودرهای آلیاژ کبالت بیشترین تأثیر مهندسی را دارند.

نفت و گاز: قطعات سخت و شیر

در تولید نفت و گاز، اجزایی مانند شیرهای دروازه، شیرهای توپی، سوپاپ های خفه کننده و پروانه های پمپ در معرض دوغاب های ساینده، سیالات خورنده و فشارهای دیفرانسیل بالا قرار دارند. سفت کردن این اجزا با پودر آلیاژ تنگستن کبالت کروم - که از طریق جوشکاری قوس انتقال پلاسما (PTA) یا روکش لیزری اعمال می شود - یک پوشش متالورژیکی چسبیده و متراکم ایجاد می کند که در برابر فرسایش و خوردگی بسیار فراتر از آنچه فولاد پایه می تواند به دست آورد، مقاومت می کند. به عنوان مثال، یک نشیمنگاه سوپاپ سخت‌فضار Stellite 6، می‌تواند در محیط‌های خدماتی حاوی آب تولید شده با شن و ماسه، از معادل بدون پوشش دهی یا بیشتر دوام بیاورد.

هوافضا: اجزای توربین و سیستم های مانع حرارتی

پودرهای سوپرآلیاژی مبتنی بر کبالت در هوافضا برای ساخت و تعمیر اجزای بخش داغ توربین حیاتی هستند. پره های توربین با فشار بالا، پره های راهنمای نازل و سخت افزار محفظه احتراق در دمای بیش از 1000 درجه سانتیگراد عمل می کنند در حالی که استرس مکانیکی و گازهای اکسید کننده را تحمل می کنند. آلیاژهای کبالت در این دماها بهتر از اکثر سوپرآلیاژهای نیکل در کاربردهای خاص استحکام خود را حفظ می کنند و در برابر اکسیداسیون مقاومت می کنند. رسوب انرژی هدایت شده با لیزر (DED) با استفاده از پودر آلیاژ کبالت به طور گسترده ای برای تعمیر پره های فرسوده یا آسیب دیده توربین به ابعاد OEM استفاده می شود و قطعاتی به ارزش ده ها هزار دلار را بازیابی می کند که در غیر این صورت از بین می رفتند.

پزشکی: ایمپلنت و ابزار جراحی

پودر آلیاژ CoCrMo - به ویژه گریدهای مطابق با ASTM F75 و ISO 5832-4 - ماده انتخابی برای ایمپلنت های ارتوپدی تحمل بار از جمله ساقه هیپ، سر استخوان ران، سینی تیبیا و دستگاه های فیوژن ستون فقرات است. ترکیب این آلیاژ از استحکام خستگی بالا، مقاومت در برابر خوردگی عالی در مایعات بدن و زیست سازگاری، آن را به طور منحصر به فردی برای ایمپلنت هایی مناسب می کند که باید به مدت 20 سال یا بیشتر در بدن انسان به طور قابل اعتماد عمل کنند. تولید افزودنی با پودر CoCrMo تولید ایمپلنت‌های مخصوص بیمار با ساختارهای شبکه‌ای پیچیده را امکان‌پذیر کرده است که رشد استخوان را تقویت می‌کند - هندسه‌هایی که با ریخته‌گری یا ماشین‌کاری سنتی به دست نمی‌آیند.

تولید برق: قطعات سایش در توربین های بخار و گاز

اجزای توربین بخار مانند پوشش تیغه ها، سپرهای فرسایش و میل سوپاپ ها در محیط هایی با دمای بالا، فرسایش بخار و ضربه مکانیکی کار می کنند. پوشش‌های اسپری حرارتی آلیاژ کبالت که از مواد اولیه پودری استفاده می‌شوند، از این سطوح محافظت می‌کنند و فواصل نگهداری را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. در نیروگاه های هسته ای، اجزای آلیاژ کبالت به طور خاص به دلیل مقاومت آنها در برابر شکنندگی تابش و توانایی آنها در حفظ خواص مکانیکی تحت شار نوترون انتخاب می شوند - اگرچه محتوای کبالت در محیط های هسته ای به دلیل نگرانی های فعال سازی باید به دقت کنترل شود.

برنامه های ابزار و برش

پودر آلیاژ کبالت در قطعات ابزار برش، پدهای سایش، و قالب‌های شکل‌دهی مورد استفاده در برش فلز، قالب‌گیری تزریقی پلاستیک و شکل‌دهی شیشه، پخته می‌شود. سختی گرم بالای آلیاژهای کبالت-کروم- تنگستن - آنها سختی قابل توجهی را در دمای 700 تا 800 درجه سانتیگراد حفظ می کنند که در آن فولاد با سرعت بالا به طور چشمگیری نرم می شود - آنها را برای برش قطع شده با سرعت بالا قطعات کار ساینده موثر می کند. کاربید تنگستن پیوند خورده با کبالت (WC-Co)، از نظر فنی یک کاربید سیمانی به جای آلیاژ کبالت است، از پودر کبالت به عنوان فاز اتصال دهنده استفاده می کند و نشان دهنده بزرگترین استفاده منفرد از کبالت در کاربردهای متالورژی پودر در سطح جهان است.

Cobalt Based Alloy Powder

روش‌های پردازشی که از پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت استفاده می‌کنند

پودر آلیاژ کبالت یک ماده خام است که برای تبدیل آن به یک قسمت یا پوشش مفید نیاز به فرآیند پایین دستی دارد. هر فرآیند تقاضاهای متفاوتی را در مورد ویژگی های پودر ایجاد می کند و انتخاب پودر نامناسب برای یک فرآیند خاص منجر به تخلخل، ترک خوردگی، چسبندگی ضعیف یا عدم دقت ابعادی می شود.

لیزر پودر بستر فیوژن (LPBF): این فرآیند تولید افزودنی که به نام ذوب لیزری انتخابی (SLM) نیز شناخته می‌شود، لایه‌های نازکی از پودر آلیاژ کبالت را در سرتاسر یک پلت فرم پخش می‌کند و به‌طور انتخابی آنها را با یک لیزر پرقدرت ذوب می‌کند. قطعات ساخته شده توسط LPBF از پودرهای CoCrMo یا Stellite دارای چگالی عالی (> 99.5٪) هستند و می توانند به هندسه های داخلی پیچیده دست یابند. پودر باید بسیار کروی، به اندازه 15-45 میکرومتر، با محتوای کم ماهواره و حداقل رطوبت باشد.
رسوب مستقیم انرژی (DED) / روکش لیزری: پودر آلیاژ کبالت به صورت هم محور به یک پرتو لیزر متمرکز وارد می شود و به عنوان یک لایه متراکم و متالورژیکی پیوند خورده روی یک بستر ذوب و جامد می شود. DED هم برای ساخت قطعات جدید و هم برای تعمیر قطعات فرسوده استفاده می شود. اندازه پودر معمولاً 45-150 میکرومتر است. نرخ رسوب گذاری بالاتر از LPBF است، که باعث می شود DED برای پوشش های بزرگ یا کاربردهای ضخیم سازی مناسب تر باشد.
قوس انتقال یافته پلاسما (PTA) Hardfacing: PTA از یک قوس پلاسما برای ذوب پودر آلیاژ کبالت و رسوب آن بر روی یک بستر به عنوان یک پوشش کاملاً ذوب شده استفاده می کند. این پرکاربردترین روش برای سخت‌کاری صنعتی با پودرهای آلیاژ کبالت است که نرخ رسوب بالا، رقت کم و استحکام باند عالی را ارائه می‌دهد. اندازه پودر معمولی 53-150 میکرومتر است. PTA فرآیند استاندارد برای صندلی های شیر سخت، اجزای پمپ و ابزارهای حفاری سوراخ است.
اسپری حرارتی سوخت اکسیژن با سرعت بالا (HVOF): HVOF سوزاندن سوخت و ذرات پودر آلیاژ کبالت را تا سرعت مافوق صوت قبل از برخورد بر بستر تسریع می کند. نتیجه یک پوشش متراکم و کم تخلخل با چسبندگی عالی و حداقل اکسیداسیون است. پوشش‌های آلیاژ کبالت پاشیده شده با HVOF بر روی ارابه فرود هواپیما، محور پمپ و سایر اجزایی که به سطوح نازک (0.1 تا 0.5 میلی‌متر) نیاز دارند، استفاده می‌شود.
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) و تف جوشی: پودر آلیاژ کبالت در قالب یا کپسول بارگذاری می شود و تحت دمای بالا و فشار ایزواستاتیک همزمان یکپارچه می شود و تخلخل را از بین می برد و یک جزء کاملاً متراکم و نزدیک به شبکه تولید می کند. HIP برای قطعات پیچیده هوا فضا و پزشکی استفاده می شود که در آن چگالی کامل و خواص مکانیکی ایزوتوپی مورد نیاز است. تف جوشی بدون فشار برای هندسه های ساده تر که در آن مقداری تخلخل باقیمانده قابل قبول است استفاده می شود.

پارامترهای کیفیت حیاتی هنگام تعیین پودر آلیاژ کبالت

همه پودرهای آلیاژی مبتنی بر کبالت که با درجه یکسانی فروخته می شوند، برابر نیستند. هنگام خرید پودر آلیاژ کروم کبالت برای کاربردهای حیاتی، پارامترهای زیر باید از طریق گواهی‌های آزمایشی ارائه‌شده توسط تامین‌کننده تأیید شوند - و به طور ایده‌آل به‌طور مستقل برای مصارف پرمخاطره آزمایش شوند:

ترکیب شیمیایی: هر عنصر آلیاژی باید در محدوده مشخص شده برای درجه قرار گیرد. حتی انحرافات کوچک در محتوای کربن، به عنوان مثال، می تواند به طور قابل توجهی سختی و حساسیت به ترک رسوب یا قطعه متخلخل را تغییر دهد. درخواست آنالیز عنصری کامل در هر گرما یا دسته.
توزیع اندازه ذرات (PSD): PSD با پراش لیزری، مقادیر D10، D50 و D90 را تعیین می کند. PSD سازگار رفتار پودر قابل پیش بینی را در فیدرها و پخش کننده ها تضمین می کند. جریمه های خارج از مشخصات، خطر اکسیداسیون را افزایش می دهند و می توانند باعث گرفتگی نازل شوند. ذرات درشت بزرگ باعث زبری سطح و ذوب ناقص در LPBF می شوند.
جریان پذیری: با اندازه‌گیری جریان سنج هال (ASTM B213) یا فلومتر کارنی، جریان‌پذیری تعیین می‌کند که پودر تا چه حد از طریق سیستم‌های خودکار تغذیه شود. پودر با جریان ضعیف، تغییرات چگالی در ساختارهای LPBF و تغذیه ناپایدار در فرآیندهای PTA یا روکش لیزری ایجاد می کند.
چگالی ظاهری و چگالی شیر: این مقادیر بر میزان متراکم بودن بسته بندی پودر در حجم ساخت یا قالب تأثیر می گذارد و بر دقت ابعادی قطعات متخلخل و کنترل ضخامت لایه در تولید افزودنی تأثیر می گذارد.
میزان اکسیژن و نیتروژن: افزایش محتوای اکسیژن در پودر آلیاژ کبالت نشان‌دهنده اکسیداسیون در حین اتمیزه کردن یا ذخیره‌سازی است که منجر به انباشته شدن اکسید در رسوب می‌شود که شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می‌دهد. برای کاربردهای AM، محتوای اکسیژن کمتر از 500 ppm معمولاً مشخص می‌شود. پودرهای پریمیوم هوافضا و پزشکی زیر 200 پی پی ام هدف گذاری شده است.
مورفولوژی و محتوای ماهواره ای: تصویربرداری SEM شکل ذرات، بافت سطح و حضور ماهواره ها را نشان می دهد - ذرات کوچکی که به ذرات بزرگتر چسبیده اند. محتوای بالای ماهواره، جریان پذیری و تراکم بسته بندی را مختل می کند. پودرهای اتمیزه شده با گاز برای AM باید عمدتاً کروی با حداقل ماهواره باشند.

ملاحظات نگهداری، جابجایی و ایمنی

پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت برای حفظ خواص و محافظت از پرسنل نیاز به رسیدگی دقیق دارد. کبالت هنگامی که به صورت ذرات ریز استنشاق می شود به عنوان یک سرطان زا بالقوه برای انسان (گروه 2A توسط IARC) طبقه بندی می شود و پودرهای آلیاژ کبالت در این دسته قرار می گیرند. پودرهای فلزی ریز همچنین هنگامی که در هوا با غلظت کافی پراکنده می شوند، خطر آتش سوزی و انفجار را ایجاد می کنند.

حفاظت تنفسی: هنگام کار با ظروف باز پودر آلیاژ کبالت از ماسک‌های تنفسی P100 یا معادل آن استفاده کنید. عملیات تولید پودر معلق در هوا - الک کردن، ریختن و تمیز کردن - باید در جعبه های دستکش بسته یا تحت تهویه خروجی محلی انجام شود.
شرایط نگهداری: ظروف در بسته را در یک محیط خشک و با دمای کنترل شده نگهداری کنید. جذب رطوبت باعث تجمع پودر و اکسیداسیون سطحی، کاهش جریان پذیری و افزایش محتوای اکسیژن می شود. ظروف ذخیره سازی با گاز بی اثر برای نگهداری طولانی مدت پودرهای درجه AM توصیه می شود.
بازیافت پودر در تولید مواد افزودنی: پودر غیر ذوب شده از ساختارهای LPBF را می توان الک کرد و دوباره استفاده کرد، اما هر چرخه استفاده مجدد کمی محتوای اکسیژن را افزایش می دهد و می تواند PSD را تغییر دهد. یک پروتکل مدیریت پودر مستند ایجاد کنید که حداکثر چرخه های استفاده مجدد و نسبت های ترکیبی با پودر بکر را برای حفظ کیفیت ساخت ثابت مشخص می کند.
دفع زباله: ضایعات پودر حاوی کبالت باید طبق مقررات محلی به عنوان مواد خطرناک دفع شوند. پودر خشک را جارو نکنید - از سیستم خلاء با فیلتر HEPA برای جمع آوری نشت و جلوگیری از تولید گرد و غبار در هوا استفاده کنید.

انتخاب پودر آلیاژ کبالت مناسب برای کاربرد شما

با درجه بندی های متعدد، روش های اتمیزه کردن و توزیع اندازه موجود، انتخاب پودر آلیاژی مبتنی بر کبالت مناسب نیاز به تطبیق خواص مواد با حالت خرابی خاصی دارد که می خواهید به آن رسیدگی کنید و فرآیندی که برای اعمال آن استفاده خواهید کرد. در اینجا یک چارچوب عملی وجود دارد:

اگر سایش ساینده حالت شکست اولیه است: یک گرید با کربن بالا مانند Stellite 12 یا Stellite 1 را انتخاب کنید که دارای فاز کاربید بیشتری برای مقاومت در برابر سایش است. از طریق PTA یا روکش لیزری برای یک رسوب کاملاً ذوب شده و پیوند متالورژیکی اعمال کنید.
اگر خوردگی همراه با سایش مشکل است: Stellite 6 یا Stellite 21 تعادل بهتری از مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد سایش ارائه می دهد. محتوای کربن پایین‌تر Stellite 21 آن را برای محیط‌هایی که مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای حیاتی است، مناسب‌تر می‌کند.
در صورتی که تماس کشویی فلزی یا فلز به فلز نگران کننده باشد: گریدهای Tribaloy T-400 یا T-800 به دلیل محتوای بالای مولیبدن و تشکیل فاز Laves که به عنوان روان کننده جامد عمل می کند، به طور خاص برای مقاومت در برابر تشنج فرموله شده اند.
اگر در حال ساخت ایمپلنت پزشکی یا دستگاه زیست سازگار هستید: پودر CoCrMo مطابق با ASTM F75 یا ISO 5832-4، تولید شده توسط اتمیزه کردن گاز یا پلاسما با آزمایش زیست سازگاری مستند و مستندات ردیابی کامل را مشخص کنید.
اگر برنامه تولید افزودنی باشد: مورفولوژی پودر، PSD و محتوای اکسیژن را بر هزینه اولویت دهید. یک پودر آلیاژ کبالت با درجه AM کمی گران‌تر و با مشخصه خوب، نتایج ساختاری سازگارتر و نقص‌های کمتری را نسبت به یک جایگزین ارزان‌تر و با مشخصات ضعیف ارائه می‌دهد.