تحليل عميق لمساحيق الألومنيوم

لمحة عامة

يشير مسحوق الألومنيوم إلى جزيئات معدن الألومنيوم الدقيقة المستخدمة كمادة وسيطة لتقنيات التصنيع مثل التصنيع الإضافي والرش الحراري وضغط مسحوق المعادن وقضبان اللحام. ويُعد التحكم في خصائص مسحوق الألومنيوم مثل توزيع حجم الجسيمات والتشكيل ومستويات الأكسيد والبنية المجهرية أمرًا بالغ الأهمية لخصائص مكونات الألومنيوم النهائية.

هناك طرق مختلفة تستخدم لإنتاج مساحيق الألومنيوم بما في ذلك:

• ترذيذ الغاز
• التذرية الهوائية
• شظايا الأسلاك المتفجرة
• الطحن والطحن
• عملية التحليل الكهربائي
• الطرق الكيميائية

ينتج عن كل تقنية من تقنيات إنتاج مساحيق الألومنيوم مساحيق ذات خصائص مختلفة تناسب تطبيقات محددة.

طرق إنتاج مسحوق الألومنيوم المسحوق

طريقة	الخصائص الرئيسية	التطبيقات الرئيسية
ترذيذ الغاز	المساحيق الكروية، مستويات الأكسجين المعتدلة	الطلاء بالرش الحراري بالرش الحراري
التذرية الهوائية	أشكال مسحوق غير منتظمة ومستويات أكسيد غير منتظمة، ومستويات أكسيد مضبوطة	قطع غيار السيارات، بثق المسحوق
الأسلاك المتفجرة	مساحيق كروية دقيقة للغاية	التصنيع المضاف، وقود الصواريخ
الطحن بالكرات	مساحيق الألومنيوم المركب	المواد الطاقية والألعاب النارية
إلكتروليت	المساحيق الرقائق والمساحيق الزاويّة والتشعبية	المتفجرات، تفاعلات الثرميت
المواد الكيميائية	الجسيمات متناهية الصغر إلى الجسيمات النانوية	تركيبات الألعاب النارية

طرق إنتاج مسحوق الألومنيوم المسحوق

هناك مجموعة متنوعة من الطرق التجارية المستخدمة لإنتاج مساحيق الألومنيوم اعتمادًا على خصائص المواد المطلوبة وتطبيقات الاستخدام النهائي:

ترذيذ الغاز

في عملية الانحلال الغازي، يتفكك الألومنيوم المصهور بواسطة نفاثات غاز خامل عالي الضغط إلى قطرات دقيقة تتصلب إلى جزيئات مسحوق. وتتخذ مساحيق الألومنيوم المرذاذة بالغاز شكلًا كرويًا بأحجام تتراوح بين 10 ميكرون و350 ميكرون بناءً على معايير المعالجة. هذه هي التقنية السائدة لإنتاج مساحيق الألومنيوم التفاعلية مع التقاط أكسجين أقل من الانحلال المعدني السائل.

المعلمة	الوصف
شكل الجسيمات	التشكل الكروي
حجم الجسيمات	10 &#8211؛ 350 ميكرومتر نموذجي
محتوى الأكسيد	&lt؛ 3% بالوزن
مقياس الإنتاج	مئات الأطنان سنوياً
التكلفة	أعلى

التذرية الهوائية

في عملية الانحلال الهوائي، يتم تعطيل تيار الألومنيوم المصهور بواسطة نفاثات الهواء المضغوط، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات ألومنيوم دقيقة غير منتظمة تحتوي على مستويات أكسيد سطح أعلى من الأكسجين في الهواء. يسهِّل الانحلال الهوائي إنتاج مسحوق الألومنيوم بكميات كبيرة من الألومنيوم بكميات اقتصادية للأجزاء الهيكلية P/M وتفاعلات الألومنيوم الحرارية.

المعلمة	الوصف
شكل الجسيمات	شكل الجسيمات غير المنتظم
حجم الجسيمات	20 &#8211؛ 180 μm
محتوى الأكسيد	3-8% بالوزن
مقياس الإنتاج	آلاف الأطنان سنوياً
التكلفة	اقتصادية للغاية

عملية القطب الكهربائي الدوار (REP)

في تقنية REP، يتم تدوير معدن الألومنيوم المنصهر على شكل أسلاك أو قضبان على شكل أقطاب كهربائية بسرعات عالية، مما يؤدي إلى صهره باستخدام التقوس الكهربائي. تقوم قوى الطرد المركزي بقذف القطرات المنصهرة لتنتج جزيئات ألومنيوم كروية دقيقة للغاية ومثالية للتطبيقات المتخصصة.

المعلمة	الوصف
شكل الجسيمات	كروي للغاية
حجم الجسيمات	5 &#8211؛ 60 ميكرومتر
محتوى الأكسيد	&lt؛ 1% بالوزن
مقياس الإنتاج	أحجام أقل
التكلفة	تسعير أعلى

الطحن بالكرات

يتم الطحن الكروي عالي الطاقة لرقائق معدن الألومنيوم وجزيئاته ومساحيقه الكيميائية لتشكيل مساحيق الألومنيوم المركبة عن طريق تضمين جسيمات تقوية توفر تفاعلية ميكانيكية أو كيميائية أو متفجرة متخصصة.

المعلمة	الوصف
شكل الجسيمات	الجسيمات المسطحة والمركبة
حجم الجسيمات	1 &#8211؛ 100 ميكرومتر
محتوى الأكسيد	الجسيمات المغلفة
مقياس الإنتاج	دفعات صغيرة
التكلفة	معتدل

عملية التحليل الكهربائي

في عملية التحليل الكهربائي للملح المنصهر، يتم ترسيب أيونات الألومنيوم كهربائيًا على الكاثودات مما ينتج عنه جسيمات شجيرية أو غير منتظمة الشكل ذات شكل سطح مسامي مناسب بشكل مثالي للألعاب النارية الحرارية.

المعلمة	الوصف
شكل الجسيمات	التشعبات وعدم الانتظام
حجم الجسيمات	1 – 75 ميكرومتر
محتوى الأكسيد	عالية من المورفولوجيا
مقياس الإنتاج	حجم أقل
التكلفة	اقتصادية للتطبيقات المتخصصة

مسحوق الألومنيوم التركيبات

تشكّل معظم مساحيق الألومنيوم ألومنيوم عالي النقاء بنسبة تزيد عن 98% من محتوى الألومنيوم. الاعتبارات الرئيسية في التركيب هي:

1. عناصر السبائك

تتم إضافة كميات صغيرة من السيليكون أو المغنيسيوم أو الزنك أو عناصر أخرى لإضفاء خصائص محددة.

إضافات السبائك	النسبة المئوية للوزن	التأثير
السيليكون	0.5 – 12%	زيادة الصلابة ومقاومة التآكل
المغنيسيوم	1 – 5%	يحسن القوة
الزنك	1 – 8%	قوام قوة درجات الحرارة المرتفعة العالية

2. محتوى الأكسيد

تحدد طرق المعالجة ما إذا كانت طبقات الأكسيد الواقية الرقيقة أو الأكاسيد الثقيلة غير الملتصقة موجودة على أسطح الجسيمات.

مستوى الأكسيد	الملاءمة
<3%	سبائك عالية الأداء، ومكونات AM
3-8%	الأجزاء الهيكلية P/M
>10٪	المواد الحرارية والألعاب النارية

3. محتوى الهيدروجين

يحتاج التقاط الرطوبة أثناء مناولة وتخزين سطح مسحوق الألومنيوم شديد التفاعل إلى مراقبة لمنع مخاطر الحريق أو التفجير. أجواء التصنيع مع الحد الأدنى من الرطوبة مفيدة.

خصائص مساحيق الألومنيوم

تشمل السمات الرئيسية التي تؤخذ في الاعتبار في تأهيل مساحيق الألومنيوم ما يلي:

توزيع حجم جسيمات المسحوق

توفر أجهزة تحليل الجسيمات بالحيود بالليزر أو تحليلات المناخل قياسًا كامل النطاق للحبيبات من أجزاء حجمها من دون الميكرون إلى 500 ميكرون. معلمات الحجم النموذجية المبلغ عنها هي:

المعلمة	الوصف
D10، D50، D90، D10، D50، D90	قطر الجسيمات الذي يقل عن 10% و50% و90% من الجسيمات من حيث الحجم
المتوسط، الحجم النموذجي	مقياس النزعة المركزية
الامتداد = (D90-D10)/D50	عرض التوزيع &#8211؛ يشير الامتداد المنخفض إلى توزيع أضيق

تسمح مطابقة أحجام الجسيمات مع إمكانيات طريقة الإنتاج بتعظيم الكثافة والخصائص في المكونات النهائية.

مورفولوجيا الجسيمات

يكشف الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي عن تفاصيل دقيقة لشكل الجسيمات التي تحدد سلوك المسحوق. تعمل الجسيمات المستديرة الملساء على تحسين التدفق وكثافة التعبئة. توفر الأشكال غير المنتظمة تشابكًا ميكانيكيًا.

الكثافة الظاهرة وكثافة الحنفية

تشير هذه إلى سلوك توحيد المسحوق والتعامل معه باستخدام إجراءات اختبار موحدة. الكثافات الأعلى تسهل التكثيف أثناء الضغط.

المعلمة	النطاق النموذجي
الكثافة الظاهرة	0.2 &#8211؛ 0.6 جم/سم مكعب
كثافة الحنفية	0.7 &#8211؛ 1.3 جم/سم مكعب

خصائص التدفق

يرتبط الوقت اللازم لتدفق 50 جرامًا من المسحوق عبر قمع مقياس التدفق Hall بشكل جيد مع أداء الانتشار أثناء ملء الطبقة في الطبقات في الطباعة ثلاثية الأبعاد النفاثة الموثقة وملء تجاويف القوالب في ضغط مسحوق المعادن. تُظهر الجسيمات الكروية الملساء معدلات تدفق محسنة.

مساحة السطح

يتم استخدام مساحة سطح امتصاص الغازات المقاسة BET لحساب سماكة طبقات الأكسيد السطحية الموجودة التي تؤثر على سلوك البدء في تفاعلات الألمنيوم الحرارية أو أداء الاحتراق الناري.

تطبيقات مساحيق الألومنيوم

إن الخصائص الفريدة لمساحيق الألومنيوم التفاعلية تجعلها ذات أهمية بالغة لمختلف الصناعات:

تصنيع المضافات المعدنية

يتم استخدام مساحيق الألومنيوم الكروية كمادة وسيطة للصهر الانتقائي بالليزر والصهر بالحزمة الإلكترونية والتصنيع المضاف بالحزمة الإلكترونية والنفث الموثق بعد تصنيف توزيع حجم جسيمات المسحوق لتلبية متطلبات الماكينة.

طلاءات الرش الحراري

تخلق مساحيق الألومنيوم منخفضة الأكسيد المتخصصة التي يتم رشها بالبلازما أو الأسلاك طلاءات ألومنيوم واقية توفر انعكاسية عالية مع مقاومة للتآكل.

تعدين المساحيق

ينتج عن ضغط مساحيق الألومنيوم وتلبيدها مكونات عالية الدقة مثل قطع غيار السيارات مع تحكم ممتاز في الأبعاد وأداء لا يمكن تحقيقه بتقنيات أخرى.

المواد النشطة

توفر تفاعلات مساحيق الألومنيوم الدقيقة الثرميت مع أكاسيد المعادن أو الاحتراق الناري مخرجات طاردة للحرارة شديدة في التطبيقات العسكرية أو الفضائية أو المدنية التي تتراوح بين المتفجرات والوقود الدافع إلى الإضاءة أو توليد الغاز أو التسخين.

شرائط سبائك الألومنيوم المغنيسيوم

يتم بثق قوالب مسحوق الألومنيوم المضغوط على الساخن في شرائح من سبائك الألومنيوم المغنيسيوم والصفائح الملفوفة المثالية لتصنيع ألواح الدروع. تتيح عملية تعدين المسحوق تحسينات في البنية المجهرية والتوحيد غير ممكنة في السبائك المصبوبة التقليدية.

المواصفات والمعايير

يجب أن يتحكم منتجو مسحوق الألومنيوم بعناية في أجواء الإنتاج وتقنيات المعالجة وإجراءات المناولة لتلبية المعايير المعتمدة للأسواق الحرجة بما في ذلك:

مواصفات المسحوق المعدني AMS

• طلقات وحبيبات الصلب AMS 4200
• مساحيق الألومنيوم AMS 4205 للرش الحراري

معايير ASTM

• B215 للمساحيق المرذذة بالغاز
• B951 لبثق مسحوق الألومنيوم المضغوط والملبد
• B937 لقطع الغيار الفضائية المضافة المصنعة إضافيًا بالغاز B937

معايير الأيزو

• طلاءات الرش الحراري ISO 14361
• تصميم مصبوبات سبائك الألومنيوم المصبوبة من سبائك الألومنيوم ISO 22068

معايير CEN

• شهادة جودة المواد EN 10204 3.1 EN 10204 3.1

مواصفات مواد الفضاء الجوي SAE (AMS)

• طلقة/حبيبات AMS 4200 AMS 4200
• مسحوق الألومنيوم المرذاذ الغازي AMS 4205

إن الحفاظ على مراقبة الجودة الصارمة للوفاء بالحدود الكيميائية المفروضة على الشوائب مثل الحديد والسيليكون والزنك إلى جانب التحقق من خصائص المسحوق يلبي احتياجات التطبيق والسلامة في المجالات الحساسة.

تحليل سوق مسحوق الألومنيوم المسحوق

من المقدر أن يصل الطلب العالمي على مساحيق الألومنيوم إلى 1.6 مليون طن متري بحلول عام 2027 مدفوعًا بما يلي

1. النمو في تصنيع المضافات المعدنية

• فوائد خفة الوزن للمكونات الفضائية
• غرسات وأدوات الرعاية الصحية من سبائك الألومنيوم المتوافقة حيوياً

2. الزخم في مجال تخفيف وزن السيارات

• قطع الألومنيوم P/M التي تحل محل الحديد الزهر والصلب

3. الابتكار في تركيبات الألومنيوم التفاعلية النشطة

• الدفاع والفضاء والصناعات المدنية

كبار منتجي مسحوق الألومنيوم الدوليين هم:

المورد	المقر الرئيسي	قدرات الإنتاج
تويو ألومنيوم كيه كيه	اليابان	التفتيت بالغاز والهواء والتفريغ الهوائي
جامعة كاليفورنيا - روسال	روسيا	التذرية الهوائية
شركة ألكوا	الولايات المتحدة الأمريكية	التذرية الهوائية
لوكسفير ماغتيك	الولايات المتحدة الأمريكية	الانحلال بالغاز والهواء والطرد المركزي
هوغاناس إيه بي	السويد	التذرية الهوائية

تختلف الأسعار بناءً على:

• حجم الإنتاج
• مستويات النقاء
• فرز أو طحن إضافي

الصف	تقدير السعر
مساحيق الأل المرذاذ الهوائي	3 دولارات &#8211؛ 5 دولارات للكيلوغرام الواحد
مسحوق الألومنيوم الكروي الغازي المرذاذ بالغاز	$15 - $30 لكل كيلوغرام
درجات سبائك الألومنيوم المتخصصة	ما يصل إلى 50 دولاراً للكيلوغرام الواحد

الفوائد والتحديات

مزايا

• خفة الوزن مقارنةً بالفولاذ أو التيتانيوم
• اقتصادية مقارنةً بالمعادن الإنشائية الأخرى
• تركيبات تفاعلية توفر مخرجات طاردة للحرارة مكثفة
• قابلة لإعادة التدوير وإعادة الاستخدام

التحديات

• الأكسدة الطاردة للحرارة العالية التي تتطلب مناولة وتخزينًا خاملًا خاضعًا للرقابة
• التقصف الهيدروجيني يقلل من الخواص الميكانيكية
• درجات حرارة استخدام محدودة تصل إلى 200 درجة مئوية لمعظم التركيبات

مقارنة مساحيق الألومنيوم بالبدائل:

المعلمة	مسحوق الألومنيوم	الفولاذ المقاوم للصدأ	التيتانيوم
الكثافة	منخفضة	أعلى	أعلى
التكلفة	منخفضة	معتدل	عالية
التفاعل	عالية	منخفضة	معتدل
الاستقرار البيئي	عادلة	ممتاز	جيد جداً
الموافقات على ملامسة الأغذية	✅ نعم	✅ نعم	بعض الدرجات

أسئلة وأجوبة

س: ما هو توزيع حجم الجسيمات المستخدم عادةً مع مساحيق سبائك الألومنيوم للتصنيع المضاف؟

ج: في صمام الاندماج القاعي للمسحوق AM، يتراوح نطاق حجم جسيمات الألومنيوم بشكل عام بين 15 - 63 ميكرون. المساحيق الأدق يمكن أن تحسن الدقة ولكنها تجعل المناولة أكثر صعوبة. تعد مطابقة التوزيعات مع معلمات الماكينة أمرًا حيويًا.

س: ما الذي يؤثر على العمر التخزيني لمساحيق الألومنيوم للتركيبات النشطة؟

ج: يزداد التفاعل بمرور الوقت حيث تتسبب رطوبة التخزين في تكوين هيدروكسيدات وهيدرات الألومنيوم على أسطح الجسيمات، مما يؤدي إلى إطلاق الهيدروجين واحتمال تراكم ظروف قابلة للاشتعال. يعد التغليف الخامل المحكم الغلق والتخزين المنظم للرطوبة (30٪) أمرًا ضروريًا.

س: ما هي المعايير الشائعة المحددة لمساحيق الألومنيوم المستخدمة في طلاءات الرش الحراري؟

ج: تضمن الحدود الكيميائية الصارمة للمعادن الثقيلة التي تنظمها إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ووزارة الزراعة الأمريكية وجود طلاءات نهائية خالية من الشوائب القابلة للرشح. تشمل المعايير الرئيسية AMS 4205 وASTM B215 التي تتحكم في العناصر النزرة للحديد والسيليكون والنحاس. كما أن المواد الأولية لأسلاك الرش الحراري تتبع أيضًا المواصفة القياسية ISO 14361.

س: ما هي سبيكة الألومنيوم المفضلة لتصنيع الغرسات الطبية الحيوية المضافة؟

ج: تفي سبائك الألومنيوم AlSi10Mg بمتطلبات الكيمياء الصارمة وتوفر توافقًا حيويًا ممتازًا وقوة ومقاومة للتآكل بالإضافة إلى كثافة أقل من سبائك التيتانيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ. وتتيح المساحيق الكروية إمكانية الحصول على أشكال هندسية مطبوعة معقدة.

س: كيف يتم التعامل مع مخاطر الاشتعال الحراري عند تصنيع مكونات الألومنيوم P/M؟

ج: يتم تطبيق معالجات حرارية للتلدين بدرجة حرارة منخفضة قبل أي عمليات تصنيع آلي ثانية لتحويل جزيئات المغنيسيوم والألومنيوم المتبقية الموجودة من حالات تفاعلية متفجرة إلى مراحل بين معدنية أكثر استقرارًا لتمكين التصنيع الآلي التقليدي بأمان.

معرفة المزيد من عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد