99,999%-ная чистота: «жёсткий прорыв» отечественных тугоплавких металлических порошков для 3D-печати 

Центр передовых материалов с помощью ключевой технологии PDR (рафинирование в плазменных каплях) бросает вызов рынку сферических порошков тугоплавких металлов, который долгое время контролировали зарубежные поставщики.

△ Принципиальная схема установки плазменного рафинирования в каплях PDR Для индустрии 3D-печати это заслуживает самого пристального внимания: порошки тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и других, а также керамические порошки, такие как оксид иттрия и фторид иттрия, являются ключевым сырьём для передовых аддитивных производств в аэрокосмической отрасли, ядерной энергетике и нанесении покрытий на полупроводниковое оборудование. Тот, кто сможет обеспечить на этом направлении масштабные поставки порошка с низкой себестоимостью и высокой однородностью, получит важный козырь в промышленном производстве следующего поколения.

«Микронные отдельные расплавленные бассейны» в плазменном пламени температурой 7000 °C

Ключевая технология Института передовых плазменных материалов — технология рафинирования плазменных капель PDR. В основе принципа лежит использование высокотемпературной плазмы (3000–10000 K) для формообразования, сфероидизации, очистки, разложения и синтеза порошков. В отличие от традиционного плавления в тигле, PDR работает по принципу «порошок из порошка»: каждая частица порошка представляет собой отдельную микронную ванну расплава (1–500 мкм), в которой рафинирование происходит непосредственно в плазменном пламени. Этот механизм непосредственно обеспечивает три ключевые возможности:

Сверхвысокая чистота: каждая частица рафинируется отдельно, что позволяет достигать чистоты полупроводникового уровня (свыше 99,999 мас.%), что имеет большое значение для таких высокотехнологичных применений, как материалы для распылительных мишеней.

Легирование in situ: благодаря диффузии по градиенту состава и выравниванию посредством электромагнитного перемешивания достигается атомарно однородное распределение нескольких легирующих компонентов в порошке микронного размера, что позволяет исключить традиционный этап плавки и литья крупных слитков.

Модификация поверхности: плазменное травление удаляет микровыступы на поверхности частиц и агломерацию мелкодисперсного порошка, одновременно устраняя поверхностные гидроксильные группы и адсорбированную влагу, что значительно повышает текучесть порошка и насыпную плотность — именно эти показатели наиболее важны для процесса нанесения порошкового слоя в 3D-печати.

«Южный полюс» отмечает, что раскрытые институтом технические детали показывают: такие ключевые показатели, как сферичность порошка, контроль доли полых частиц и наличие дефектов в виде частиц-спутников, уже достигли международного передового уровня.

Полное покрытие продуктовой матрицы: четыре направления, более десяти видов материалов. Институт уже наладил крупносерийное производство порошков высокочистых тугоплавких металлов, включая W, Mo, Ta, Nb и Re, причём их стоимость на 30–40% ниже, чем у аналогичной импортной продукции. Именно эта цифра действительно способна повлиять на рынок: прежде отечественные компании, занимающиеся 3D-печатью, зависели от импорта высококачественных порошков тугоплавких металлов; проблемами на протяжении долгого времени оставались не только высокая цена, но и сроки поставки, а также безопасность цепочек поставок.

（1）Сферические порошки тугоплавких металлов (сферический вольфрам, ниобий, Nb521, Ta10W)

Институт передовых материалов плазменных технологий уже наладил крупносерийное производство порошков высокочистых тугоплавких металлов, включая W, Mo, Ta, Nb и Re, решив проблемы традиционных технологий — низкий выход порошка и высокое содержание примесей; стоимость продукции на 30–40% ниже, чем у аналогичных импортных изделий. Благодаря мгновенному плавлению и реконструкции частиц в плазменном пламени с температурой около 7000 ℃ обеспечиваются высокая сферичность порошка, низкая доля полых частиц и отсутствие дефектов в виде частиц-спутников; технический уровень соответствует международному передовому уровню.

△ На изображении слева — сферический ниобиевый порошок SNb53 (15–53 мкм), справа — сверхтонкий сферический вольфрамовый порошок SW15 (5–15 мкм)

Институт исследования плазменных передовых материалов успешно разработал такие ключевые сплавные материалы для аэрокосмической и атомной энергетики, как Nb521 и Ta10W. Они способны длительное время стабильно работать в условиях сверхвысоких температур свыше 2200 °C, обеспечивая оптимальное сочетание высокой прочности и хорошей пластичности при экстремальных температурах и гарантируя безопасность и надёжность ключевых компонентов.

△ На изображении слева — сферический ниобиевый сплав Nb521 (15–53 мкм), справа — сферический сплав на основе тантала Ta10W (15–53 мкм)

（2）Порошок в форме рисовых зёрен (вольфрамовый порошок и молибденовый порошок в форме рисовых зёрен — для плазменного напыления, материалы для теплоотвода)

Вольфрамовый порошок для плазменного напыления, производимый Институтом передовых плазменных материалов, имеет форму рисовых зёрен, хорошую текучесть и высокую плотность. В процессе формования методом плазменного напыления подача порошка осуществляется более равномерно и стабильно, коэффициент нанесения и формирования покрытия высок, а твёрдость расплавленного покрытия превосходит показатели импортного вольфрамового порошка.

△ Вольфрамовый порошок для плазменного напыления. Вольфрамовый (молибденовый) порошок для вольфрамо-медных (молибдено-медных) сплавов, производимый Институтом передовых плазменных материалов, имеет форму рисовых зёрен, не образует агломератов и перемычек, обладает хорошей текучестью, высокой насыпной и виброуплотнённой плотностью, а также хорошей заполняемостью при прессовании. Пористость вольфрамового (молибденового) каркаса изделий из вольфрамо-медных (молибдено-медных) сплавов становится более равномерной, размеры — более точными, деформация деталей — меньшей, а теплопроводность — высокой.

△ На левом изображении — вольфрамовый порошок в форме рисовых зёрен для вольфрамо-медных сплавов; на правом — молибденовый порошок в форме рисовых зёрен для молибдено-медных сплавов.

（3）Керамический порошок с высокой текучестью (оксид иттрия, фторид иттрия)

Институт передовых плазменных материалов производит высокочистый плотный сферический порошок оксида иттрия Y₂O₃, высокотекучий порошок фторида иттрия YF₃ и порошок оксифторида иттрия YOF методом напыления для изготовления покрытий вакуумных камер передовых высокотехнологичных полупроводниковых производств.

△На левом изображении — высокочистый плотный сферический оксид иттрия, на правом — изображение поперечного сечения

（4）Модифицированный поверхностный литиевый металлический анод

Модифицированный поверхностный литиевый металлический анод универсального типа для твердотельных и жидкостных систем, разработанный Институтом передовых плазменных материалов, подавляет рост литиевых дендритов за счёт модификации поверхности, повышая ресурс циклирования и безопасность аккумулятора. Он обеспечивает стабильное циклирование в течение 2000 часов при заданной ёмкости, максимальную поверхностную плотность тока 5 мА/см² и ровную поверхность раздела, а также совместим с системами аккумуляторных ячеек высокой энергоёмкости. В продукте используется самостоятельно разработанный композитный защитный слой, который значительно снижает межфазное сопротивление и совместим с различными электролитами, а также с твердожидкостными и твердотельными аккумуляторными системами.