Übersicht
FeCoNiCrAl-Pulverauch bekannt als High Entropy Alloy (HEA)-Pulver, bezieht sich auf eine neue Klasse fortschrittlicher metallischer Werkstoffe, die mehrere Hauptelemente in äquimolaren oder nahezu äquimolaren Verhältnissen enthalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen, die auf einem Hauptelement basieren, werden bei HEAs vier oder mehr Elemente in beträchtlichen Mengen verwendet, um Legierungen mit überlegenen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen herzustellen.
Zu den wichtigsten Eigenschaften von FeCoNiCrAl-Pulver gehören:
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht
- Verbesserte Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
- Hohe Härte und Verschleißfestigkeit
- Hohe thermische Stabilität
- Gute Bearbeitbarkeit
- Abstimmbare magnetische Eigenschaften
Mit seinem einzigartigen Eigenschaftscocktail hat FeCoNiCrAl eine vielversprechende Leistung für Anwendungen wie Werkzeugbau, biomedizinische Implantate, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Beschichtungen und mehr gezeigt. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über FeCoNiCrAl-Pulver, seine Herstellungsverfahren, Eigenschaften, Anwendungen und Lieferanten.
Arten von FeCoNiCrAl-Pulver
FeCoNiCrAl-Pulver können je nach Zusammensetzung und Verarbeitungstechnik in die folgenden Haupttypen eingeteilt werden:
| Typ | Zusammensetzung | Merkmale |
|---|---|---|
| Equiatomic | 25at.% von jedem Element | Ausgezeichnete Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit |
| Außerhalb des Äquiatoms | Unterschiedliche Verhältnisse der Elemente | Abstimmbare Eigenschaften durch Anpassung der Verhältnisse |
| Vorlegiert | Legiert durch Gießen/Schmelzen | Gleichmäßige Zusammensetzung, stabile Eigenschaften |
| Mechanisch legiert | Legiert durch Kugelmahlen | Feines Gefüge, metastabile Phasen |
Die äquiatomische Zusammensetzung mit 25% der einzelnen Elemente Fe, Co, Ni, Cr und Al gilt als Basiszusammensetzung für HEA. Durch die Abstimmung des Verhältnisses der verschiedenen Elemente können jedoch Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Magnetismus usw. je nach Anwendungsanforderungen angepasst werden.
Vorlegierte Pulver werden mit herkömmlichen Schmelz- und Gießverfahren hergestellt, um die Legierungszusammensetzung zu homogenisieren, bevor sie in Pulverform zerstäubt werden. Mechanisch legierte Pulver werden durch hochenergetisches Kugelmahlen von elementaren oder vorlegierten Pulvern hergestellt, um metastabile Nanostrukturen zu erhalten.
Merkmale und Eigenschaften
Einige der bemerkenswerten Merkmale und Eigenschaften von FeCoNiCrAl-Pulver sind:
Hohe Festigkeit
- Streckgrenze > 500 MPa
- Zugfestigkeit > 700 MPa
- Entsteht durch Gitterverzerrungseffekt und Versetzungsverstärkung
Gute Duktilität und Zähigkeit
- Dehnung > 15%
- Absorbierte Energie bis zu 30 J
- Verhindert sprödes Versagen
Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
- Besseres Passivierungsverhalten als Edelstahl 304
- Widersteht Lochfraß und Spaltkorrosion
- Hohe Beständigkeit gegen Säuren, Basen und Salze
Oxidationsbeständigkeit
- Bildet eine schützende Al2O3-Oxidschicht
- Behält seine Festigkeit in oxidierenden Umgebungen bis zu 700°C
Hohe Härte
- Vickershärte etwa 200-450 HV
- Schleifen, maschinelle Bearbeitung möglich
Thermische Stabilität
- Betriebstemperatur von -196 bis 700°C
- Langsame Vergröberungsrate bis zu 0,5 Tm
Abstimmbare magnetische Eigenschaften
- Kontrolliert mit Fe, Co, Ni Verhältnissen
- Ferromagnetischer bis paramagnetischer Bereich
Anwendungen von FeCoNiCrAl-Pulver
Aufgrund der ausgezeichneten Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Umweltbeständigkeit eignet sich FeCoNiCrAl für die folgenden Anwendungen:
Stanzwerkzeuge und Matrizen
- Ersatz für WC-Co Werkzeuge
- verbesserte Verschleißfestigkeit und Zähigkeit
Biomedizinische Implantate
- Gelenkersatz, Fixierungsvorrichtungen
- Biokompatible, nicht-toxische Legierung
Luft- und Raumfahrt und Automobilindustrie
- Triebwerkskomponenten, Fahrwerk
- Widersteht hohen Temperaturen und Beanspruchungen
Korrosionsbeständige Beschichtungen
- Schutz für Rohrleitungen, Behälter, Tanks
- Ersetzt rostfreien Stahl, Ni-Legierungen
Dauermagnete
- Energiebezogene Anwendungen
- Alternative zu Seltenerdmagneten
Hochentrope Legierungen
- Legierungselement für andere HEAs
- Verleiht Festigkeit und Umweltbeständigkeit
3D-Druck
- Direktes Metall-Laser-Sintern
- Erzeugt komplexe, dichte Teile
Herstellungsverfahren
FeCoNiCrAl-Pulver kann mit den folgenden Verfahren hergestellt werden:
Gaszerstäubung
- Schmelzen der Legierung und Zerstäuben mit Inertgas
- Ergibt feines kugelförmiges Pulver 10 - 150 μm
- Einheitliche Zusammensetzung, hohe Reinheit
Wasserzerstäubung
- Schmilzt Legierung und spritzt ins Wasser
- Unregelmäßige Pulverformen 2 - 300 μm
- Höhere Sauerstoffaufnahme
Verfahren mit rotierenden Plasmaelektroden (PREP)
- Zentrifugaler Aufschluss von geschmolzenem Metall
- Pulvergröße 5 - 25 μm
- Niedrigerer Sauerstoffgehalt
Mechanisches Legieren
- Hochenergie-Kugelmahlen
- Elementare/vorlegierte gemischte Pulver
- Partikelgröße 10 - 50 μm
- Metastabile Nanostrukturen
Gasverdüsung und PREP werden für die Herstellung von vorlegierten Pulvern bevorzugt, um die Sauerstoffkontamination zu minimieren. Durch mechanisches Legieren entstehen Verbund- und nanostrukturierte Pulver, die sich für die Konsolidierung zu Massenlegierungen eignen.
Spezifikationen
Typische Spezifikationen für FeCoNiCrAl-Pulver sind:
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Zusammensetzung der Legierung | Äquiatomische oder nicht-äquiatomische Verhältnisse |
| Partikelform | Sphärisch, unregelmäßig, zusammengesetzt |
| Partikelgröße | 10 - 150 μm |
| Sauerstoffgehalt | < 300 ppm |
| Kohlenstoffgehalt | < 100 ppm |
| Scheinbare Dichte | 2 - 4 g/cc |
| Dichte des Gewindebohrers | 4 - 6 g/cc |
| Durchflussmenge | 15 - 25 s/50g |
| Spezifische Oberfläche | 0,05 - 0,5 m2/g |
Die Zusammensetzung ist anwendungsspezifisch. Kleinere Pulvergrößen (<20 μm) werden für die additive Fertigung bevorzugt. Geringere Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalte verbessern die Legierungseigenschaften. Eine gute Fließfähigkeit des Pulvers erleichtert das Füllen der Matrize und die Ausbreitung beim AM.
Gestaltung und Normen
Zu den wichtigsten Konstruktionsfaktoren und einschlägigen Normen für FeCoNiCrAl-Pulver gehören:
Legierungsverhältnisse: Angepasst an die erforderlichen Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Magnetismus usw.
Eigenschaften des Pulvers: Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Reinheit usw. werden je nach Herstellungsverfahren angepasst.
Konsolidierungsmethode: Abhängig von der Anwendung - Metallspritzguss, HIP, Schweißen oder AM-Verfahren.
Kontrolle der Mikrostruktur: Lösungsglühen, Alterung und thermomechanische Bearbeitung zur Anpassung von Korngröße, Ausscheidungen und Phasen.
ASTM B939: Standardspezifikation für vorlegiertes Pulver für HEAs. Definiert die zulässigen Grenzwerte für Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Verunreinigungsgrad usw.
ASTM E1405: Leitfaden für die Diskussion von HEA-Materialeigenschaften unter Verwendung eines Mindestdatensatzes. Fördert die Konsistenz bei der Meldung von Daten.
ASTM E3159: Standardterminologie für HEA-Zusammensetzungen, Verarbeitung, Mikrostrukturen, Eigenschaften und Leistung. Enthält Definitionen der wichtigsten HEA-Begriffe.
Die Einhaltung von Standardspezifikationen und Charakterisierungsrahmen gewährleistet die Qualitätskontrolle und ermöglicht den Vergleich von Daten aus verschiedenen HEA-Studien.
Lieferanten und Preisgestaltung
Einige der wichtigsten Anbieter von FeCoNiCrAl-Pulver sind:
| Anbieter | Standort | Preisspanne |
|---|---|---|
| Sandvik | Schweden | $100 - $500/kg |
| Praxair | USA | $80 - $450/kg |
| Hoganas | Schweden | $150 - $600/kg |
| CNPC-Pulver | China | $50 - $250/kg |
| Metallpulver Unternehmen | Indien | $70 - $350/kg |
Die Preise variieren je nach Zusammensetzung, Herstellungsverfahren, Pulvereigenschaften, Bestellmenge und Reinheitsanforderungen. Kleine F&E-Mengen sind relativ teuer, während Großbestellungen für die gewerbliche Nutzung in der Regel deutlich weniger pro kg kosten.
Installation, Lagerung und Handhabung
Um eine optimale Leistung von FeCoNiCrAl-Pulver zu gewährleisten, müssen korrekte Installations-, Lagerungs- und Handhabungsverfahren eingehalten werden:
- In einer kühlen, trockenen Umgebung lagern, fern von Feuchtigkeit, Hitze, Funken oder Flammen
- Verwenden Sie für die Langzeitlagerung eine Inertgasversiegelung oder eine Vakuumverpackung.
- Begrenzung der Luftexposition, um Oxidation und Kontamination zu vermeiden
- Pulver vorsichtig handhaben, um Entmischung, Abrieb und Kontamination zu vermeiden
- Installation eines Staubsammelsystems und von Bodengeräten zur Vermeidung von Staubexplosionen
- Tragen Sie beim Umgang mit Pulver PSA wie Atemschutzmasken, Handschuhe und Augenschutz.
- Befolgen Sie die örtlichen Vorschriften für die Lagerung und Handhabung von brennbarem Metallpulver.
Die ordnungsgemäße Installation von Ausrüstungen wie Siebstationen, Mischbehältern und Entstaubungsanlagen schafft ein sicheres Arbeitsumfeld für die Verarbeitung von Pulvern für verschiedene Anwendungen.
Betrieb und Wartung
Wichtige Betriebs- und Wartungspraktiken für die Handhabung von Geräten FeCoNiCrAl-Pulver:
Siebung:
- Siebe regelmäßig reinigen, um ein Verstopfen der Maschen zu verhindern
- Unversehrtheit des Siebs vor der Verwendung prüfen
- Kontrolle von Amplitude und Zeit zur Begrenzung des Partikelabriebs
Mischen:
- Verstärkerleisten für effektives Verblenden verwenden
- Nicht übermischen, um die Oxidation des Pulvers zu begrenzen
Trichter/Feeder:
- Keil, Rad und Düse auf Schäden untersuchen
- Entfernen Sie Pulverablagerungen, um einen gleichmäßigen Fluss zu gewährleisten
Kaltverdichtung:
- Überwachung der Pressenkapazität und der Halteposition
- Verwenden Sie ein geeignetes Schmiermittel für hohe Dichte und geringen Verschleiß
- Regelmäßiger Austausch von Stempeln und Matrizen
Sinterofen:
- Kontrolle der Atmosphäre, um Oxidation zu verhindern
- Kalibrierung der Temperaturgleichmäßigkeit
- Isolierung und Heizelemente instand halten
Sicherheit:
- Alle Geräte zur Handhabung von Pulver erden
- Strenge Kontrolle der Funken-/Flammenquellen
- Pulver ordnungsgemäß in verschlossenen Behältern aufbewahren
Eine ordnungsgemäße Wartung optimiert die Geräteleistung, sorgt für einen gleichmäßigen Pulverfluss und vermeidet Verunreinigungen. Dies führt zu einer höheren Qualität der fertigen HEA-Teile.
Wie wählt man Lieferanten für FeCoNiCrAl-Pulver aus?
Bei der Auswahl eines Lieferanten für FeCoNiCrAl-Pulver sollten die Käufer Folgendes beachten:
Produktionsfähigkeit
- Kapazität zur Herstellung der erforderlichen Legierungszusammensetzungen
- Pulvermenge und Vorlaufzeiten
- Individuelle Anpassung von Größenverteilung, Form usw.
Qualitätssysteme
- Zertifizierung nach ISO 9001 und ISO 13485
- Strenge Qualitätskontrollstandards
- Konsistenz der Pulvereigenschaften
Technisches Fachwissen
- Kenntnisse über die Zusammensetzung und Eigenschaften von HEA
- Fähigkeit zur Anpassung von Legierungen und Verfahren
- Unterstützung bei der Konstruktion und Fertigung von Teilen
Prüfdienste
- Chemische Analyse, Partikelgrößenanalyse
- Kristallstruktur, Charakterisierung des Mikrogefüges
- Bewertung der Pulvereigenschaften
Reputation und Referenzen
- Gute Kundenrezensionen und Feedback
- Erfahrung mit der Lieferung an ähnliche Anwendungen
Preis und Wert
- Angemessene Preise für Kapazität und Qualität
- Bereitstellung von Stichproben, kleine Chargen
- Flexible Preisgestaltung für Großaufträge
Ein leistungsfähiger Lieferant, der sich durch Qualität und Kundenservice auszeichnet, sorgt für eine reibungslose Beschaffung und trägt zum Erfolg der endgültigen Anwendung bei.
Pro und Kontra von FeCoNiCrAl-Pulver
Vorteile
- Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht
- Bessere Korrosionsbeständigkeit als rostfreier Stahl
- Hohe Härte und Verschleißfestigkeit
- Gute thermische Stabilität bis zu 700°C
- Abstimmbare magnetische Eigenschaften
- Biokompatible Zusammensetzung
- Gut geeignet für Metall-AM-Prozesse
Benachteiligungen
- Relativ teurer als herkömmliche Legierungen
- Die Verarbeitung kann aufgrund der hohen Legierungsanteile schwierig sein
- Begrenzte Daten im Vergleich zu herkömmlichen Materialien verfügbar
- Erfordert besondere Überlegungen zur Lagerung/Handhabung
- Bestimmten Zusammensetzungen kann es an Duktilität mangeln
FAQs
Was sind die typischen Anwendungen von FeCoNiCrAl-Legierungspulver?
Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen, in denen die Eigenschaften dieses hochentropischen Legierungspulvers genutzt werden, gehören Schneidwerkzeuge, biomedizinische Implantate, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, korrosionsbeständige Beschichtungen, Permanentmagnete und die additive Fertigung von Metallen.
Welcher Partikelgrößenbereich wird für AM mit FeCoNiCrAl empfohlen?
Bei pulverbettbasierten AM-Verfahren wie dem selektiven Laserschmelzen und dem Elektronenstrahlschmelzen liegt der ideale Partikelgrößenbereich bei 15-45 μm. Feinere Pulver fördern eine höhere Dichte, während größere Größen über 50 μm den Fluss und die Ausbreitung negativ beeinflussen können.
Wie wird die Korrosionsbeständigkeit von FeCoNiCrAl-Pulver verbessert?
Die Korrosionsbeständigkeit wird durch eine Erhöhung des Al- und Cr-Gehalts in der Legierungszusammensetzung verbessert. Das Al bildet eine schützende Oxidschicht, während das Cr für die Passivierung sorgt. Die Abstimmung der Verhältnisse zwischen 5-35% Al und 10-40% Cr führt zu einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit.
Was ist der Unterschied zwischen gasverdüstem und wasserverdüstem FeCoNiCrAl-Pulver?
Die Gaszerstäubung ergibt feinere kugelförmige Pulverpartikel mit geringerer Sauerstoffaufnahme als die Wasserzerstäubung. Allerdings ist wasserverdüstes Pulver billiger, wenn auch für kritische Anwendungen weniger geeignet. Gasverdüstes Pulver fließt besser und erzeugt hochwertigere AM- oder Sinterteile.
Wie sollte FeCoNiCrAl-Pulver gelagert werden, damit es möglichst lange haltbar ist?
Eine ordnungsgemäße Lagerung in einer kühlen, trockenen, inerten und von der Atmosphäre abgeschlossenen Umgebung verhindert Oxidation und Kontamination. Vakuumverpackung oder Versiegelung unter Argon werden empfohlen. Begrenzen Sie den Feuchtigkeitsgehalt auf unter 10 ppm und den Sauerstoffgehalt auf unter 100 ppm für eine stabile Langzeitlagerung über Monate.
Schlussfolgerung
Mit seiner verlockenden Mischung aus hoher Festigkeit, Zähigkeit, Härte und Umweltbeständigkeit hat sich FeCoNiCrAl zu einem vielversprechenden Legierungssystem mit mehreren Hauptelementen entwickelt. Obwohl sie relativ neu ist, können fortgesetzte Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zur Erforschung der Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Verarbeitung und Eigenschaften dazu beitragen, das volle Potenzial dieser hochentropischen Legierung auszuschöpfen. Die Auswahl der optimalen Pulverzusammensetzung, des Herstellungsverfahrens, der Eigenschaften, des Konsolidierungsprozesses und der Parameter ist der Schlüssel zur kosteneffizienten Herstellung von Hochleistungsbauteilen aus FeCoNiCrAl.
