Сферические и неправильные танталовые порошки для промышленного применения

Тантал - редкий коррозионно-стойкий металл, широко используемый в таких высокотехнологичных отраслях, как электроника, аэрокосмическая промышленность, биомедицинская инженерия и аддитивное производство. Хотя его неотъемлемые характеристики, такие как высокая температура плавления (~3017°C), пластичность и химическая стабильность, идентичны, морфология танталовых порошков оказывает существенное влияние на эффективность обработки, характеристики изделий и выбор материала.

Давайте обсудим технические и практические различия между сферическими и неправильными танталовыми порошками, а также то, как они отличаются по своим характеристикам в важных промышленных приложениях.

1. Морфология и производство

Основное различие между сферическими и неправильными танталовыми порошками заключается в их форме, которая является прямым результатом процессов их производства.

• Сферические танталовые порошки производятся такими передовыми методами, как газовое распыление, плазменная сфероидизация и процесс плазменного вращающегося электрода (PREP). В этих методах тантал либо расплавляется и распыляется в мелкую каплю (которая застывает в виде сферы), либо изменяет форму угловатых частиц за счет поверхностного натяжения в плазменном поле.
• Порошки тантала неправильной формы обычно получают путем водородной декрепитации (HDH), восстановления оксидов тантала натрием или магнием или механического измельчения губчатого тантала или лома. Эти методы менее затратны, но приводят к получению грубых, угловатых частиц с неровной поверхностью.

2. Сыпучесть и плотность упаковки

Текучесть имеет особое значение для таких операций, как аддитивное производство, холодное прессование и литье порошка под давлением. Обычно она оценивается по скорости потока Холла и углу упругости.

• Сферические порошки обладают лучшей текучестью благодаря гладкой поверхности и минимальному трению между частицами. Типичный сферический танталовый порошок AM-класса (15-45 мкм) имеет скорость течения по Холлу 11-14 секунд на 50 г и угол упругости 25°-30°.
• Порошки неправильной формы, напротив, имеют плохую текучесть: скорость потока Холла обычно составляет >25 секунд на 50 г, а угол откоса - >40°, и они менее пригодны для процессов, где требуется воспроизводимая текучесть.

Аналогичным образом, плотность крана и насыпная плотность выше у сферических порошков, обычно до 5,8-6,5 г/см³ (плотность крана), по сравнению с 4,0-5,2 г/см³ у порошков неправильной формы. Это означает улучшение использования материала и эффективности упаковки при спекании и аддитивных процессах.

Дополнительная информация: Газоатомизированные сферические порошки: Решение технологических и практических проблем

3. Площадь поверхности и уровни примесей

Удельная площадь поверхности, обычно измеряемая методом БЭТ-анализа, влияет на поведение при спекании, химическую реактивность и подбор примесей.

• Порошки неправильной формы имеют более высокую площадь поверхности - обычно от 0,5 до 1,2 м²/г - из-за их грубой морфологии. Это делает их более реакционноспособными, что выгодно в таких областях, как производство анодов конденсаторов, где площадь поверхности повышает производительность.
• Сферические порошки с БЭТ от 0,10 до 0,30 м²/г менее подвержены окислению и загрязнению. Они идеально подходят для применения в тех областях, где требуется высокая чистота и контролируемое спекание.

Содержание кислорода, очень важной примеси в тантале, в сферических порошках ниже (~0,015-0,03 масс.%) даже при производстве в инертном газе. Порошки неправильной формы могут содержать 0,05-0,15 мас.% кислорода или больше, в зависимости от производства и обработки.

4. Производительность в зависимости от применения

4.1 Аддитивное производство

Сферические танталовые порошки необходимы для лазерного порошкового наплавления (LPBF) и электронно-лучевого плавления (EBM) благодаря их улучшенной текучести для равномерного осаждения слоев, динамике расплава, которую можно предсказать, и высокой плотности упаковки для плотных деталей.

• Исследования показывают, что детали AM, изготовленные из сферических порошков, имеют относительную плотность >99,5%, прочность на разрыв 550-650 МПа и приемлемое усталостное поведение.
• Порошки неправильной формы, напротив, практически непригодны для AM из-за их плохой текучести и неравномерного плавления.

Дополнительная информация: Сферический порошок в аддитивном производстве

4.2 Производство конденсаторов

Для производства танталовых конденсаторов используются порошки с очень большой площадью поверхности, чтобы получить высокую емкость на единицу массы (CV/g). В этом случае предпочтительны мелкие порошки неправильной формы.

• Нерегулярные порошки размером менее 10 мкм, пористые и извилистые, достигают 80 000-200 000 CV/g, в зависимости от спекания и прессования.
• Сферические порошки не находят широкого применения из-за низкой площади поверхности и, как правило, не подходят для этой цели.

4.3 Биомедицинские имплантаты

Сферические порошки предпочтительны в биомедицинских приложениях, таких как 3D-печатные пористые танталовые имплантаты, благодаря взаимосвязанности и контролируемому размеру пор, точности размеров и равномерному спеканию, хорошей биосовместимости и остеоинтеграции.

• Имплантаты, изготовленные методом LPBF или струйного нанесения связующего на сферический тантал, имеют пористость 60-80% и диаметр пор в диапазоне 300-500 мкм, что имитирует архитектуру отменной кости.
• Порошки неправильной формы могут использоваться для получения традиционных спеченных пористых материалов, но им не хватает точности и постоянства сферического сырья.

4.4 Порошковая металлургия и покрытия

Для общей порошковой металлургии (ПМ):

• Порошки неправильной формы обеспечивают быстрое спекание благодаря более высокой поверхностной энергии.
• Сферические порошки обеспечивают более равномерную усадку и более высокую механическую прочность, что необходимо для аэрокосмической промышленности или использования в условиях высоких нагрузок.

При термическом и плазменном напылении сферические порошки еще более предпочтительны для удовлетворительной подачи и стабильной толщины покрытия.

Сводная таблица: Сферические и несимметричные танталовые порошки

Для получения дополнительной информации о танталовых продуктах, пожалуйста, проверьте Stanford Advanced Materials (SAM).

Заключение

Выбор между сферическими и неправильными танталовыми порошками основывается на компромиссе между техническими характеристиками, стоимостью и требованиями конечного использования.

Сферические порошки оптимально использовать в таких областях, как аддитивное производство, биомедицинские имплантаты и аэрокосмические детали, где текучесть, чистота и механические свойства имеют первостепенное значение. Порошки неправильной формы, напротив, находят лучшее применение в производстве конденсаторов, химической обработке и компонентах порошковой металлургии в целом, где высокая площадь поверхности и реакционная способность важнее текучести или однородности.