Для непосвященный порошок и металл — понятия прямо противоположные. Однако порошковые металлы известны давно и использовались еще до нашей эры — в Древнем Египте. Порошковая металлургия дешевле механической обработки и позволяет получать изделия с уникальными характеристиками. Конечно, и конкурентоспособность конечной продукции намного выше. Сегодня спрос на порошки из жаропрочных сплавов непрерывно растет благодаря широкому применению порошковых технологий в высокотехнологичных отраслях. Наиболее востребованы порошки из сплавов никеля, кобальта, меди — основных металлов «Норникеля».
В настоящее время специалисты компании оценивают перспективу использования порошковых материалов. Поскольку они широко применяются в различных отраслях, эта технология может пригодиться и для других инновационных разработок «Норникеля» — от новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта до каталитических материалов. Порошки из жаропрочных сплавов на основе никеля и порошки на основе кобальта и меди — основной интерес компании. По словам Кирилла Ярцева, руководителя направления департамента технологических инноваций «Норникеля», эти материалы довольно дорогие и используются в высокотехнологичном машиностроении: авиации, ракетно-космической технике, двигателестроении.
Четыре технологии
За последние двадцать лет спрос на высококачественные порошки материалы значительно вырос. Это обусловлено развитием технологий 3D-печати, литья металлов под давлением (MIM), горячего изостатического прессования (ГИП) и нанесения покрытий.
3D-печать — это послойное формирование изделия. Такой метод позволяет создавать детали сложных форм, которые нерентабельно (а подчас и невозможно) изготавливать традиционными способами (лопатки с каналами охлаждения, сетчатые структуры и т. д.). Поэтому 3D-печать так востребована в реинжиниринге.
MIM (Metal Injection Molding) — инжекционное формование. Порошок смешивают с полимерным связующим, затем получившиеся гранулы нагревают, а когда связующее размягчается, под давлением впрыскивают смесь в пресс-форму. Порошок компактируется, его не надо расплавлять, а детали можно придать любую форму, что является несомненным плюсом MIM-технологии. Так поточно производят изделия небольших размеров и сложных форм — например, мелкие детали в электронике, которые применяются Apple и другими технологическими гигантами. В КНР почти 40% изделий MIM используют в ИТ-секторе.
Технология ГИП применяется в тяжелой промышленности. Этим способом изготавливаются очень большие изделия для авиации или энергетики — например, диски в двигателях весом до 600 кг. «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, — рассказывает Жанна Сентюрина, руководитель проектов департамента технологических инноваций. — То есть MIM подходит для мелких массовых изделий, ГИП — для больших, а 3D-печать — для сложных форм, для очень специфических конструкций».
Четвертая технология, которая интересна «Норникелю», — это нанесение покрытий. Хвосты, которые всегда остаются при изготовлении порошков, можно применять для нанесения разнообразных покрытий — жаростойких, износостойких и т. д.
В настоящее время компания ведет научно-техническую работу по изучению различных методов атомизации. Плазменное центробежное распыление прутковой заготовки позволяет производить порошки премиального сегмента. Наиболее рентабельна эта технология при работе с тугоплавкими металлами — например, титаном. Для изготовления порошков на основе никеля она очень дорогостоящая. Плазменная атомизация проволоки и плазменная сфероидизация позволяют получать порошки высокого качества. Такими технологиями занимается лишь несколько компаний в мире. В России они представлены на уровне стартапов.
Работа на перспективу
В 2022 году «Норникель» получил первые прототипы порошков из никелевых сплавов Inconel 718 и Inconel 625. Эти порошки наиболее востребованы в 3D-печати и ГИП. Интересно, что Inconel 625 был недавно впервые в России использован для защиты поверхности нагрева котельного оборудования, которое предназначено для установки на мусоросжигательном заводе. Специалисты компании провели сравнительные исследования характеристик полученных порошков, и на данный момент началась их промышленная апробация с использованием 3D-принтера.
Компания собирается пополнить линейку прототипов из никелевых сплавов порошками для нанесения покрытий и MIM-технологии, а также получить прототипы из сплавов на основе кобальта, меди и нержавеющих сталей (с содержанием 10—15% никеля). От выбора базовой технологии будет зависеть, как «Норникель» сможет в будущем встроить ее в технологические цепочки производства металлов.
Порошковые материалы широко применяются в различных технических сферах — от автомобильной и аэрокосмической промышленности до изготовления электроинструментов и бытовой техники. Перед «Норникелем» открываются огромные возможности в новой для него области спецэлектрометаллургии.