Прогрес досліджень газової атомізації для приготування металевих порошків, які використовуються в 3D-друкі
Технологія 3D-друку, також відома як адитивне виробництво, виникла в 1930-х роках. Це техніка, яка створює деталі шар за шаром (наприклад, за допомогою металевих порошків) на основі тривимірної-моделі,-згенерованої комп’ютером. Порівняно з традиційним субтрактивним виробництвом 3D-друк пропонує такі переваги, як висока свобода проектування, високий рівень використання матеріалів і здатність виготовляти складні конструкції, демонструючи широкі перспективи застосування в аерокосмічній галузі, медичних приладах, точному виробництві та інших сферах. Розробка металевого 3D-друку значною мірою покладається на високо{11}}порошки металів, характеристики яких безпосередньо визначають якість і продуктивність надрукованих деталей. Ідеальні металеві порошки для 3D-друку повинні мати високу сферичність, малий розмір частинок, вузький розподіл частинок за розміром, високу чистоту та хорошу текучість.
Розпилення газу (GA), як основний метод виробництва металевих порошків, виникло в 1920-х роках. Він використовує -високошвидкісний газовий струмінь, щоб стикатися з потоком розплавленого металу, розбиваючи його на крихітні краплі, які після охолодження твердіють у сферичні порошки. Порошки, отримані цим методом, демонструють однорідний склад, високу сферичність і низький вміст домішок, і наразі складають 30–50% від загального виробництва металевих порошків для 3D-друку. Однак розпилення газу є складним процесом, що включає сполучення двофазного потоку газ–рідина; незначні зміни в параметрах процесу можуть призвести до значних відмінностей у характеристиках порошку, тим самим впливаючи на продуктивність друкованих деталей. Тому систематичний огляд прогресу в дослідженнях технології газового розпилення має велике значення для сприяння розвитку індустрії 3D-друку.
Вимоги до продуктивності металевих порошків для 3D-друку
У процесі 3D-друку металеві порошки служать сировиною, і їх продуктивність безпосередньо впливає на рівномірність розподілу порошку, якість спікання та остаточні механічні властивості деталей. Основні показники ефективності включають чистоту порошку, розмір часток, вміст кисню та можливість повторного використання.
2.1 Чистота порошку
Наявність домішкових елементів може реагувати з основним порошком, знижуючи термодинамічну стабільність і механічні властивості матеріалу. Наприклад, порошок сплаву Ti-6Al-4V легко адсорбує N, O, H та інші елементи при нагріванні, що призводить до погіршення продуктивності. Однак у деяких випадках домішки можуть мати позитивний вплив, наприклад домішки в керамічному порошку Al2O3, які можуть знизити температуру спікання та полегшити процес. Тому чистоту порошку необхідно регулювати відповідно до конкретного застосування.
2.2 Розмір частинок
Розмір частинок безпосередньо впливає на товщину шару порошку (зазвичай 50–100 мкм) і рушійну силу спікання. Процеси лазерного формування зазвичай використовують розміри частинок порошку 30–50 мкм, тоді як формування електронним променем використовують 50–90 мкм. Занадто дрібні частинки, як правило, спричиняють нерівномірне розподілення та явища «утворення кульок», тоді як надмірно грубі частинки збільшують кут розбіжності та знижують ефективність використання. В ідеалі потрібна суміш дрібних і грубих порошків у відповідному співвідношенні, щоб збалансувати сипучість і ефективність спікання.
2.3 Вміст кисню
Вміст кисню в основному походить від газу розпилення та обладнання. Високе забруднення киснем може сформувати попередні межі частинок (PPB), погіршуючи характеристики сплаву. Дослідження показали, що вміст кисню в порошках залежить від розміру частинок; зі зменшенням розміру частинок вміст кисню збільшується. Вакуумне нагрівання або відновна обробка може ефективно зменшити вміст кисню.
2.4 Переробка порошку
Вартість порошків для 3D-друку висока, а переробка дозволяє істотно заощадити сировину. Наприклад, після 21 циклу використання порошок Ti-6Al-4V показав збільшення вмісту кисню лише з 0,08% до 0,19%, і нерозплавлені частинки можна було використовувати повторно. Збільшення кількості циклів переробки може покращити щільність і плинність без впливу на мікроструктуру або механічні властивості.
Основні принципи одержання порошку газовим розпиленням
Для розпилення газу використовується -високошвидкісний газовий струмінь, щоб розбити потік розплавленого металу на краплі, які потім твердіють у сферичні порошки під час охолодження. Процес складається з трьох етапів: плавлення металу, розпилення та охолодження/затвердіння. Інертні гази (наприклад, азот, аргон) зазвичай використовуються як середовище розпилення, щоб уникнути окислення. Процес розпилення газу можна розділити на чотири зони:
Зона I (зона турбулентності негативного тиску):Газ розпилення створює негативний тиск на виході з сопла, який втягує потік розплавленого металу та розсіює його на рідкі смуги.
II зона (первинна зона краплеутворення):Смужки рідини спочатку розбиваються на краплі під дією поверхневого натягу та потоку газу.
Зона III (зона ефективного розпилення):Високошвидкісний газовий струмінь далі розбиває краплі на дрібніші частинки.
Зона IV (зона охолодження і затвердіння):Краплі вільно падають і при охолодженні твердіють у сферичні порошки.