Исследование влияния технологических параметров на скорость азотирования при получении металлических порошков методом плазменного центробежного распыления

Повышение эксплуатационных свойств металла обеспечивается введением в него определенного набора и количества легирующих элементов. К таким элементам относится и азот, интерес к которому постоянно растет. В публикациях отмечено, что азотирование газообразным азотом используется, в том числе, при плазменно-дуговом переплаве, приводятся данные легирования металла азотом на стадии получения гранул и порошков. В данной работе исследован процесс азотирования при получении металлических микрогранул из сплава марки ЭП741НП методом плазменного центробежного распыления. Металлические порошки получают путем оплавления торца вращающейся заготовки потоком ионизированного газа (смеси газов). Технология позволяет получать легированные азотом мелкодисперсные металлические порошки многокомпонентных сплавов сферической формы с минимальным количеством сателлитов, не отличающихся по размеру и химическому составу. Исследование скорости азотирования представляет большой интерес, особенно при получении порошкового металла. Одними из параметров, влияющих на степень насыщения металла азотом, являются время нахождения жидкого расплава под азотсодержащей плазмой и время кристаллизации металлической капли. В работе приведена методика, позволяющая дать количественную оценку роли данных параметров на поглощение азота металлом при получении порошка. Известно, что на кинетические параметры процесса азотирования определяющее влияние оказывает площадь контакта двух фаз металл – газ. В случае получения порошка, этот параметр зависит от размера порошинки. В связи с этим, в работе приведена методика расчета, позволяющая оценить средний фракционный состав металлопорошков в зависимости от ряда технологических факторов. Проведено сравнение полученных значений с данными полупромышленных плавок. Показано, что фракционный состав микрогранул зависит от скорости вращения и диаметра переплавляемой заготовки, плотности сплава и силе поверхностного натяжения. Установлено, что при увеличении частоты вращения расходуемого электрода можно добиться уменьшения величины дисперсности металлических порошков.

1. Зенина М.В. Производство металлических порошков (гранул) для сырьевого обеспечения аддитивных технологий в машиностроении // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 32–38.

2. Hsu T.-I, Wei C.-M., Wu L.-D., Li Y.-P., Chiba A., Tsai M.-H. Nitinol powders generate from plasma rotation electrode process provide clean powder for biomedical devices used with suitable size, spheroid surface and pure composition // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. No. 1. Article 13776. https://doi.org/10.1038/s41598-018-32101-1

3. Uriondo A., Miguez M.E., Perinpanayagam S. The present and future of additive manufacturing in the aerospace sector: A review of important aspects // Proceedings of the institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2015. Vol. 229. No 11. P. 2132–2147. https://doi.org/10.1177/0954410014568797

4. Католиков В.Д., Логачев И.А., Комолова О.А., Железный М.В., Семин А.Е. Процесс азотирования при получении порошка и исследование структуры сплава ЭП741НП, легированного азотом // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Том 64. № 1. С. 59–67. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-1-59-67

5. Католиков В.Д., Логачев И.А., Щукина Л.Е., Семин А.Е. Термодинамика растворимости азота в сплавах на базе никеля в условиях плазменно-дугового переплава // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Том 63. № 3–4. С. 231–237. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-231-237

6. Shen J., Chen B., Umeda J., Kondoh K. Advanced mechanical pro­perties of a powder metallurgy Ti-Al-N alloy doped with ultrahigh nitrogen concentration // JOM. 2018. No. 70. Р. 626–631. https://doi.org/10.1007/s11837-018-2780-9

7. Порошковая металлургия сталей и сплавов / Ж.И. Дзнеладзе, Р.П. Щеголева, Л.С. Голубева, Е.М. Рабинович, Б.А. Борок. Моск­ва: Металлургия, 1978. 274 с.

8. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин, С.С. Кипарисов, В.И. Костиков, А.В. Крупин, В.В. Кудинов, Г.А. Либенсон, Б.С. Митин, О.В. Роман. Москва: Металлургия, 1987. 792 с.

9. Lawley A. Atomization of specialty alloy powders // JOM. 1981. Vol. 33. No. 1. P. 13–18. https://doi.org/10.1007/BF03354395

10. Entezarian M., Allaire F., Tsantrizos p., Drew R.A.L. Plasma ato­mization: A new process for the production of fine, spherical powders // JOM. 1996. Vol. 48. No. 6. P. 53–55. https://doi.org/10.1007/BF03222969

11. Antony L.V.M., Reddy G.R. Processes for production of high-pu­rity metal powders // JOM. 2003. Vol. 55. No. 3. P. 14–18. https://doi.org/10.1007/s11837-003-0153-4

12. Sun P., Fang Z.Z., Zhang Y., Xia Y. Review of the methods for production of spherical Ti and Ti alloy powder // JOM. 2017. Vol. 69. No. 10. P. 1853–1860. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2513-5

13. Li Y., Song M., Zhang X., Zhang W., Li Yan, Zhang Y. Preparation of titanium alloy powder by plasma rotating electrode process // Materials Science Forum. 2020. Vol. 993. P. 79–85. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.993.79

14. Zhang M.J., Li F.G., Wang S.Y., Liu C.Y. Effect of powder preparation technology on the hot deformation behavior of HIPed P/M nickel-base superalloy FGH96 // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528. No. 12. P. 4030–4039. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.01.118

15. Zdujic M., Uskokovic D. Production of atomized and alloy powders by the rotating electrode process // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1990. Vol. 29. P. 673–683. https://doi.org/10.1007/BF00795571

16. Бутрим В.Н., Логачева А.И. Металлургия гранул титановых сплавов в ОАО «Композит» // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 187–190.

17. Sinha O.P., Singh A.K., Ramachandra C., Gupta R.C. Plasma-mel­ted nitrogen-bearing cast stainless steels - microstructure and tensile properties // Metallurgical Transactions A. 1992. Vol. 23. No. 12. P. 3317–3324. https://doi.org/10.1007/BF03024539

18. Sinha O.P., Gupta R.C. Nitrogen absorption rate under plasma arc compared to resistance and induction melting // ISIJ International. 1994. Vol. 34. No. 3. P. 295–297. https://doi.org/10.2355/isijinternational.34.295

19. Nie Y., Tang J., Teng J., Ye X., Yang B., Huang J., Yu S., Li Y. Particle defects and related properties of metallic powders produced by plasma rotating electrode process // Advanced Powder Technology. 2020. Vol. 31. No. 7. P. 2912–2920. https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.05.018

20. Tang J., Nie Y., Lei Q., Li Y. Characteristics and atomization behavior of Ti-6Al-4V powder produced by plasma rotating electrode process // Advanced Powder Technology. 2019. Vol. 30. No. 10 P. 2330–2337. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.07.015

21. Liu Y., Liang S., Han Z., Song J., Wang Q. A novel model of calculating particle in plasma rotating electrode process for superalloys // Powder Technology. 2018. Vol. 336. P. 406–414. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.06.002

22. Zhao Y., Numata H., Bian H., Wako K., Yamanaka K., Aoyagi K., Chiba A. Centrifugal granulation behavior in metallic powder fabrication by plasma rotating electrode process // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. No. 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1038/s41598-020-75503-w

23. Кошелев В.Я., Кузнецов В.А., Сухов Д.И. К вопросу о производстве гранул крупностью менее 200 мкм из титановых сплавов методом плазменной плавки и центробежного распыления литой заготовки // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 44–48.

24. Zou L., Liu X., Xie H., Mao X. High-quality Ti-6Al-4V alloy powder by plasma rotating electrode process and its processibility in hot isostatic pressing // High Performance Structural Materials. 2018. P. 61–67. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0104-9_8

25. Струков Н.Н., Белинин Д.С., Кучев П.С., Щицын Ю.Д. Регулирование размера частиц порошков при плазменном распылении пруткового материала // Вестник Пермского государственного технического университета. Машиностроение, материаловедение. 2011. Том 13. № 3. С. 117–121.

26. Рудской А.И., Соколов Ю.А., Копаев В.Н. Особенности моделирования процесса получения гранул методом PREP // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2015. № 1 (214). С. 123–129. https://doi.org/10.5862/JEST.214.14

27. Государственная служба стандартных справочных данных в области использования атомной энергии. База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в ЯЭУ. URL: https://gsssd-rosatom.mephi.ru/DB-tp-02/Ar.php

28. Литвиненко А.И., Жудра А.П., Белый А.И. Анализ и кинетика процесса термоцентробежного распыления слитков из плавленых карбидов вольфрама // Современная электрометаллургия. 2013. № 2. С. 29–35.

29. Сентюрина Ж.А. Получение сферических порошков из сплавов на основе алюминида никеля NiAl для аддитивных технологий: Диссертация … кандидата технических наук. Москва, 2016. 168 с.