Вибір спеченого металевого порошку: варіанти з титану, нікелю та нержавіючої сталі

Умови експлуатації визначають основні матеріали. Системи електролізу води PEM створюють корозійні умови з високими температурами та кислотним pH. Необхідно покращити хімічну стабільність спечених металевих порошкових матеріалів. Завдяки електрохімічній стійкості титановий порошок є оптимальною підкладкою для цих цілей. Навіть у сильних кислотних і окислювальних умовах, які руйнують інші метали, речовина зберігає свою структуру.

Високотемпературні-системи промислової фільтрації газу потребують спікання та температуро{1}}стабільних порошків. Матеріали на основі-нікелю можуть функціонувати у відновній атмосфері до 800 градусів, що робить їх придатними для хімічної обробки. Спікання порошку залежить від форми частинок. У той час як круглі частинки утворюють рівномірні пори, нерегулярні частинки створюють щільніші та міцніші структури.

Кількість кисню в металевих порошках має великий вплив як на те, наскільки добре вони проводять електрику, так і на те, наскільки добре вони протистоять корозії. Титановий порошок із вмістом кисню менше 0,15% зберігає природну провідність матеріалу, що є важливою властивістю для використання в електриці. Коли рівень кисню високий, утворюються захисні оксидні шари, які перешкоджають руху електронів, що робить систему менш ефективною в цілому. Високо{4}}порошкові поверхні зменшують дефекти, викликані домішками, які можуть спричинити початок корозії.

Порошки, які відповідають строгим вимогам до чистоти, необхідні для частин електролізера PEM. Слідові токсини, такі як вуглець, кремній і залізо, повинні залишатися нижче 100 частин на мільйон (ppm), щоб уникнути отруєння каталізаторів і швидкого руйнування мембран. Метод, який використовується для отримання порошку-газового розпилення, гідрид-дегідриду або плазмової сфероїдизації-визначає рівень чистоти, якого можна досягти, і однорідність розміру частинок.

Основна структура порспечений металевий порошокфільтруючих елементів встановлюється за розміром частинок порошку. Дрібні порошки розміром від 5 до 20 мікрометрів створюють щільні структури з порами розміром менше 1 мікрометра, які підходять для точної фільтрації. Деталі грубого порошку розміром від 40 до 80 мікрометрів створюють відкриті структури, через які пропускає багато рідини. Градієнтні структури, які поєднують поверхневу фільтрацію з потужністю глибокого навантаження, можна створити шляхом ретельного змішування частин різного-розміру.

Під час процесу спікання твердотільна-дифузія утримує частинки порошку разом, створюючи металургійні зв’язки в місцях їх дотику. Швидкість спікання змінюється залежно від розміру частинок. Менші частинки мають більшу поверхневу енергію та коротшу дифузійну відстань, що дозволяє обробляти їх за нижчих температур. Знаючи ці зв’язки, виробники можуть знайти найкращі термічні цикли для досягнення своїх цілей щодо пористості, зберігаючи при цьому форму та механічні характеристики матеріалу.

Титановий порошок дуже стійкий до окислювальних кислот, розчинів хлоридів і лугів. Речовина самостійно створює захисну оксидну плівку, яка закріплюється при пошкодженні. Це зберігає його стабільність протягом тривалого часу в суворих умовах. Завдяки цій властивості титан є найкращим металом для спечених пористих металевих фільтрів у виробництві хлор-лугу, системах опріснення й устаткування для виробництва водню.

Нікель і металеві порошки на-основі нікелю більш стійкі до відновних умов і кислих розчинів. Здатність нікелю протистояти водневій крихкості робить його корисним у ситуаціях, коли газоподібний водень присутній при високих температурах. Порошки з нержавіючої сталі, особливо з молібденом, стійкі до іржі в широкому діапазоні рівнів pH. Присутність хрому створює пасивний шар на поверхні, але він не працює добре в ситуаціях, багатих-хлоридами, або при високій температурі.

Наскільки міцні структури, залежить від складу-порошку, того, наскільки добре частинки злипаються разом і скільки отворів ще є в структурі. При однаковому рівні пористості спечені деталі з нержавіючої сталі зазвичай мають вищу міцність на розрив, ніж титанові деталі того самого розміру. З 30% пористістю порошок з нержавіючої сталі типу 316L можна використовувати для виготовлення конструкцій з міцністю на розрив понад 200 МПа. Ці конструкції можна використовувати для високого-перепаду тиску.

Титанові спечені елементи втрачають частину своєї абсолютної міцності в обмін на те, що вони легші та мають меншу ймовірність іржавіти. Співвідношення міцності-до-щільності матеріалу робить його корисним, коли вага є важливим фактором у конструкції системи. Матеріали на основі-нікелю мають середні механічні властивості, але добре зберігають міцність за високих температур. Вибір вражає суміш між рівнями тиску, умовами циклічного навантаження та здатністю сусідніх частин витримувати теплове розширення.

Витрати на матеріали мають значний вплив на загальну вартість фільтрувальної системи, особливо коли вона використовується у великих масштабах. Порошок з нержавіючої сталі є найбільш-рентабельним вибором, оскільки він має-налагоджену систему постачання та стандартні якості. Ціни на нікелевий порошок змінюються залежно від цін на інші товари, але його все ще легко отримати для комерційного використання. Оскільки його важко дістати та його якість потрібно ретельно перевіряти, титановий порошок високої-чистості коштує багато.

Дослідження вартості-життєвого циклу часто є вагомою причиною для використання високо-класуспечений металевий порошокматеріалів у складних ситуаціях. У електролізері PEM титановий фільтруючий елемент може прослужити п’ять років без необхідності заміни. З іншого боку, фільтри з нержавіючої сталі потрібно обслуговувати щороку або через такий самий проміжок часу припиняють працювати. Математика повинна враховувати вартість заміни, час простою системи та те, як втрата продуктивності впливає на загальну ефективність процесу.

Для водневої енергетики, яка використовує електроліз PEM, основним матеріалом має бути високо{0}}порошок титану з низьким вмістом кисню. Навіть невелика кількість продуктів корозії може потрапити в мембранні електродні вузли в цих системах, що прискорює процес поломки. Для найкращого електричного контакту через пористий транспортний шар порошок має бути принаймні на 99,7% чистим і мати рівень кисню нижче 0,15%.

У місцях, де обробляються хімічні речовини та змішуються кислоти, сита на основі титану- працюють добре, оскільки вони витримують умови як окиснення, так і відновлення. Матеріали, які використовуються у фармацевтичному виробництві, мають відповідати стандартам біосумісності та бути здатними до повної стерилізації без руйнування. Для фільтрації їжі та напоїв вам потрібні порошки з нержавіючої сталі, які відповідають стандартам FDA та мають електрополіровані поверхні, які запобігають розмноженню бактерій.

При виборі матеріалу для фільтруючого елемента необхідно враховувати діапазон робочих температур. Титан залишається структурно стабільним до 300 градусів в окисних середовищах, перш ніж на пористість впливає велика кількість оксиду. Матеріали на основі-нікелю можуть працювати при температурах до 800 градусів у контрольованому середовищі, що добре для переробки нафти, яка потребує фільтрації газів за високих температур.

Різні тиски створюють механічні навантаження на слабкі предмети. Щоб отримати потрібну міцність на стиск без втрати проникності, необхідно ретельно вибирати марки порошку та параметри спікання для використання з тиском вище 10 бар. Наскільки добре матеріал працює в певних ситуаціях, залежить від розміру його пор, товщини стінок і тиску, який він може витримати.

Титан має електропровідність близько 2,4 мільйона сименсів на метр, що допомагає електронам швидко рухатися в електролітичних системах. Ця якість дуже важлива для струмоприймачів в електролізерах, де втрати на опір безпосередньо впливають на ефективність використання енергії. Під час процесу спікання титановий порошок із низьким вмістом-кисню зберігає цю провідність, відкриваючи шляхи для руху як електронів, так і іонів.

Провідність нержавіючої сталі приблизно така ж, але вона може забруднитися в умовах електролізу. Коли залізо розчиняється при анодних потенціалах, воно отруює шари каталізатора та з часом знижує продуктивність мембрани. Нікель є хорошим провідником і електрохімічно стабільним у лужному середовищі, але він швидко кородує в кислих умовах PEM. Вибір матеріалу повинен відповідати хімічному складу та робочим можливостям системи.

Щоб під час термічної обробки в титановий порошок не потрапляв кисень, його потрібно спекати у вакуумі або нейтральній атмосфері. Залежно від бажаного розміру частинок і щільності температура спікання зазвичай становить від 1100 градусів до 1250 градусів. Оскільки матеріал має високу температуру плавлення, він потребує спеціального обладнання для печі, яке може точно контролювати температуру протягом тривалих термічних циклів.

При температурах від 1000 градусів до 1150 градусів атмосфери водню або розчиненого аміаку добре підходять для спікання порошку з нержавіючої сталі. У сфері порошкової металургії обробка є звичайною практикою із заданими параметрами та технологією, яка є легкодоступною. Щоб уникнути окислення матеріалів на основі-нікелю та уникнути надмірного-спікання, яке позбавляє пористості, точку роси в атмосфері потрібно ретельно контролювати.

З роботи в полі ми знаємо, що титанспечений металевий порошокфільтруючі елементи в електролізерах PEM продовжують добре працювати більше 40 000 годин з невеликими змінами. Інші матеріали не витримують закриття отворів, механічної ерозії та хімічного впливу, але цей матеріал може. Часте очищення слабкими кислотними розчинами повертає первісну проникність без шкоди для структури основи.

Деталі з нержавіючої сталі, які використовуються в менш суворих промислових умовах, зазвичай служать від 10 000 до 20 000 годин, перш ніж їх потрібно буде замінити. Корозія з часом змінює форму пор і додає забруднення в технологічні потоки. Фільтри на основі-нікелю служать довше в лужних системах, але їх потрібно перевіряти на водневу крихкість, коли вони використовуються з воднем під високим{7}}тиском.

Щоб зробити хороший фільтруючий елемент, вам потрібно почати з детальних специфікацій порошку, які описують розподіл частинок за розміром, форму, хімічний склад і властивості потоку. Діапазон розмірів частинок впливає на розміри пор, які можна отримати. Наприклад, структури з середнім діаметром пор 20–40 мікрометрів виготовляються з бімодального розподілу, який включає частини 10 мікрометрів і 50 мікрометрів. Більш широкі розподіли створюють структуровані структури з кращою проникністю, тоді як вузькі розподіли створюють регулярні мережі пор.

Форма порошку впливає на те, наскільки щільно він упаковується та як спікається. Коли для створення частинок використовується розпилення газу, частинки сферичної-форми мають чудову текучість і рівномірне ущільнення, тоді як нерівні частинки створюють механічне зчеплення, що підвищує міцність необробленого матеріалу перед тим, як він спікається. Хімія поверхні змінює швидкість спікання.

Потрібні суворі правила контролю якості порошку, щоб гарантувати, що всі фільтруючі елементи однакові від однієї виробничої партії до іншої. Лазерна дифракція використовується для вимірювання розміру частинок кожної партії порошку, щоб переконатися, що коефіцієнти розподілу залишаються в допустимих межах. Спектроскопія з індуктивно пов’язаною плазмою використовується для хімічного аналізу, щоб підтвердити елементний склад і виявити невелику кількість забруднень, які можуть вплинути на продуктивність.

Випробування швидкості потоку через стандартні отвори перевіряє, як обробляється порошок, що впливає на рівномірність заповнення та ущільнення матриці. Вимірювання уявної щільності та щільності при витоку дають нам відправну точку для визначення тиску ущільнення. Щоб бути впевненими, що щільність неспеченого матеріалу, реакція на спікання та якість готових деталей є однаковими на тисячах виробничих одиниць, властивості порошку повинні бути в межах жорстких допусків.

Індивідуальні порошкові формули, які покращують певні робочі характеристики, корисні для вимогливого використання. Різні шари порошку з частинками різного-розміру використовуються в градієнтних структурах для фільтрації поверхні та підтримки структури. Шари тонкого-порошку зверху забезпечують точні показники утримування, а шари грубого-порошку внизу забезпечують потужність і рівномірний розподіл рідини.

Зміна якості певних сплавів робить їх кращими. Наприклад, додавання молібдену до порошку нікелю знижує ймовірність іржавіння в кислому середовищі, а додавання хрому до титану робить сплави міцнішими, які твердіють через опади. Ці зміни в рецептурі потребують багато випробувань, щоб переконатися, що вони працюють у правильних умовах для застосування з точки зору поведінки спікання, механічних властивостей і-тривалої стабільності.