Кобальт-хромовые сплавы в 3D печати

Кобальт-хром — это металлический сплав, который приобрел важное значение в различных промышленных применениях, особенно в области аддитивного производства. Благодаря уникальному сочетанию прочности и долговечности кобальт-хром идеально подходит для создания деталей, требующих высокой точности и прочности в сложных условиях, например, медицинских и стоматологических компонентов.

Этот сплав выделяется не только своими механическими свойствами, но и способностью к 3D печати, что открывает новые возможности в проектировании и производстве персонализированных деталей. В этой статье мы рассмотрим свойства сплава, его преимущества в 3D печати, а также основные области применения и различных производителей этого материала на рынке.

Характеристики материала

Этот металлический сплав (CoCr) состоит в основном, как следует из его названия, из химических элементов хрома и кобальта. Он также содержит небольшое количество других химических элементов, таких как молибден, вольфрам и никель. Это немагнитный сплав, полученный с помощью современных металлургических процессов, включающих сплавление кобальта и хрома с другими элементами, улучшающими его механические свойства и прочность.

Одним из наиболее распространенных методов их получения является электропечная плавка, при которой эти металлы плавятся при высоких температурах в индукционных или дуговых печах. В некоторых случаях после получения жидкого сплава его можно подвергнуть процессу ковки, который включает нагрев и формование материала путем приложения давления.

Однако, для 3D печати требуется металлический порошок, поэтому сплав кобальта и хрома можно получить и методом распыления. В ходе этого процесса сплав преобразуется в мелкие частицы с помощью методов атомизации или распыления, что позволяет впоследствии использовать его в технологиях аддитивного производства на основе печати порошком. Эти технологии позволяют создавать сложные детали из металлического порошка, обеспечивая тем самым большую гибкость при проектировании и производстве высокоточных компонентов.

Свойства материала

Среди наиболее замечательных характеристик кобальт-хрома можно выделить:

Коррозионная стойкость, особенно в агрессивных средах, например, с высокой концентрацией хлоридов. Эта особенность особенно важна в медицинских целях, где контакт с биологическими жидкостями является постоянным.

Высокая твердость и механическая прочность делают этот сплав идеальным выбором для деталей, подвергающихся значительным механическим нагрузкам. Кроме того, его способность сохранять структурную целостность даже при высоких температурах является существенным преимуществом.

Биосовместимость: Благодаря своей коррозионной стойкости и химической стабильности сплав кобальта и хрома обладает высокой биосовместимостью. Поэтому он обычно не вызывает побочных реакций в организме человека, что делает его пригодным для использования в медицинской сфере.

Высокая теплопроводность, что позволяет эффективно рассеивать тепло в определенных областях применения.

Высокая термостойкость, т.е. высокая устойчивость к деформации при высоких температурах. Поэтому он идеально подходит для компонентов, работающих в условиях экстремально высоких температур.

3D печать кобальт-хромовыми сплавами

Сплав кобальта и хрома может использоваться в аддитивном производстве в виде порошка для создания деталей со сложной геометрией. Этот материал в основном совместим с такими процессами, как лазерная плавка в слое порошка (L-PBF), электронно-лучевая плавка (EBM) или селективная лазерная плавка (SLM).

Температура плавления

Температура плавления кобальт-хромового сплава составляет примерно 1200–1400 °C в зависимости от точного состава сплава. Это довольно высокая температура плавления по сравнению с другими металлами, обычно используемыми в 3D печати, такими как алюминий или нержавеющая сталь. Процесс 3D печати кобальт-хромом должен осуществляться при высоких температурах, что требует точного контроля среды и высококачественного оборудования.

Настройки печати

Использование кобальт-хромового сплава в 3D печати имеет ряд специфических технических особенностей, обусловленных его физическими и химическими свойствами. Поскольку это сплав с высокой температурой плавления, энергию лазера необходимо регулировать, чтобы избежать испарения или плохого плавления материала.

Кроме того, поскольку сплав содержит хром — высокореактивный металл, необходимо соблюдать особую осторожность и контролировать условия печати. Во избежание нежелательных реакций с кислородом рекомендуется использовать инертную атмосферу аргона или азота.

Другим важным аспектом является текучесть порошка. Кобальт-хром менее текучий, чем другие металлы, что может затруднить равномерное распределение порошка в процессе производства. Для решения этой проблемы необходимы точно настроенные параметры печати, обеспечивающие равномерное плавление и хорошее качество поверхности изготавливаемых деталей.

Постобработка

После 3D печати необходимо выполнить несколько этапов постобработки. Во-первых, детали необходимо медленно охладить, чтобы избежать внутренних напряжений или деформации. Затем детали очищаются, что включает удаление порошка и снятие поддержек (если применимо). В некоторых случаях, особенно в медицинских целях, может потребоваться применение термической обработки, например отжига. Такая обработка улучшает кристаллическую структуру и механическую прочность сплава, а следовательно, и деталей. Наконец, для получения гладкой, высококачественной поверхности широко применяются такие методы, как полировка (электролитическая или механическая).

Основные рыночные применения и производители

Благодаря своей коррозионной стойкости, твердости и биосовместимости 3D печать кобальт-хромом применяется во многих отраслях промышленности. В основном он используется в производстве медицинских компонентов, таких как ортопедические имплантаты, зубные протезы и хирургические устройства. В этих областях применения детали должны обладать высокой механической прочностью и быть идеально совместимыми с телом человека. Он также используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности для производства деталей, подверженных экстремальным температурам и износу, таких как турбины и компоненты двигателей.

Некоторые компании предлагают не только решения для аддитивного производства, но и материалы, совместимые с их оборудованием, например, Colibrium Additive (часть GE Aerospace) — ведущая компания по производству металла для 3D печати. В частности, компания разрабатывает собственные сплавы CoCr, совместимые с ее машинами L-PBF и EBM. Компании EOS, Eplus3D, Renishaw и 3D Systems, среди прочих, также предлагают кобальт-хромовые порошки, разработанные и испытанные для использования в металлообрабатывающих системах этих компаний.

Стоит также отметить, что ряд поставщиков материалов предлагают этот металл для сектора аддитивного производства. К ним относятся Carpenter Additive с линейкой PowderRange® (CCM®-MC и CCM®) и Sandvik со стандартной линейкой металлических порошков Osprey®, включающей кобальт-хромовый порошок для аддитивного производства.

Российский рынок представляют такие производители, как  ПОЛЕМА и НПО РУСРЕДМЕТ.

Итог

Кобальт-хромовые сплавы - это надежные материалы для суровых условий применения. Их пригодность для 3D печати позволяет создавать детали сложных форм, избегая проблем, связанных с ограничениями традиционного производства.

При наличии 3D принтера для работы с кобальтом-хромом и правильно организованного рабочего процесса, печать этим материалом не составляет труда.

Наши предыдущие статьи: