Principio de preparación de polvo metálico mediante atomización de gas y factores que afectan el rendimiento del polvo

Como materia prima clave para la fabricación aditiva, la calidad del polvo metálico determina en gran medida la calidad final del producto. Con el rápido desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva y su especificidad de proceso, los requisitos de calidad para los polvos metálicos son cada vez más altos, como alta esfericidad, buena fluidez, bajo contenido de gases e impurezas, etc. Al mismo tiempo, con la expansión continua del campo de aplicación de la fabricación aditiva, se necesitan cada vez más tipos de polvos metálicos. Existen muchos métodos para preparar polvos metálicos, entre los cuales la atomización con gas se ha convertido en el método principal para preparar polvos metálicos y de aleación de alto rendimiento.

En comparación con otros métodos de fabricación de polvo, la atomización de gas tiene las siguientes ventajas: amplia gama de aplicaciones, puede producir una variedad de polvos metálicos y polvos prealeados que no se pueden producir con otros métodos; alta tasa de enfriamiento (10^4 ~10^6 ℃/s) y alto sobreenfriamiento; el polvo preparado tiene alta esfericidad y tamaño de partícula de polvo controlable, etc.

El principio de fabricación de polvo por atomización de gas El principio básico de la atomización de gas es utilizar un flujo de aire de alta velocidad para impactar el metal fundido, convertir la energía cinética del gas en energía superficial del metal fundido a través de la colisión, de modo que el flujo de metal fundido se rompa en gotas finas y luego se enfríe y solidifique rápidamente en la atmósfera del flujo de aire para formar polvo.

La materia prima de aleación maestra se somete a tres procesos principales en el proceso de fabricación de polvo de atomización de gas: fusión, atomización y solidificación. En la actualidad, el proceso de atomización principal se lleva a cabo en un entorno de vacío o gas inerte para reducir el contenido de oxígeno e impurezas en el polvo y mejorar la pureza del polvo. Los estudios han demostrado que el oxígeno en el polvo se incorpora básicamente durante el proceso de fundición. Por lo tanto, ya sea en la preparación de la aleación maestra o en el proceso de atomización, se debe mantener un entorno de vacío o gas inerte. Después de que la aleación maestra se funde, se rompe y se dispersa en pequeñas gotas mediante un flujo de aire de alta presión y alta velocidad (gas inerte). Las pequeñas gotas pierden calor rápidamente durante el proceso de caída y se solidifican rápidamente en polvo esférico bajo la acción de la tensión superficial.

Factores que afectan la morfología del polvo

La morfología del polvo aerosolizado se puede dividir en esferas regulares y formas irregulares, lo que está relacionado con el tamaño relativo del tiempo de esferoidización y el tiempo de solidificación de las gotitas formadas después de que se rompe la masa fundida del metal. Cuando el tiempo de esferoidización de las gotitas de metal es más corto que el tiempo de solidificación, las gotitas se pueden esferoidizar completamente antes de la solidificación, y las partículas de polvo formadas después de la solidificación tienen una forma más regular y una superficie más lisa; si el tiempo de esferoidización de las gotitas atomizadas es más largo que el tiempo de solidificación, las gotitas no se pueden esferoidizar completamente antes de la solidificación, y se forman partículas de polvo irregulares después de la solidificación. El tiempo de esferoidización de las gotitas depende principalmente de la viscosidad del metal líquido, la tensión superficial y el tamaño de las gotitas; el tiempo de solidificación depende principalmente del calor específico de las gotitas, la conductividad térmica de las gotitas y el sobrecalentamiento del metal.

1. La influencia del sobrecalentamiento del material fundido. Algunos estudios han demostrado que a medida que aumenta el sobrecalentamiento, el polvo cambia de una forma irregular de mancuerna y una forma de varilla a una forma esférica. Cuando Zhu Jianyong et al. utilizaron gas para atomizar el polvo de soldadura, descubrieron que el sobrecalentamiento del flujo de líquido metálico tenía cierta influencia en la morfología del polvo. El aumento de la temperatura de atomización podría aumentar la tasa de formación de bolas de polvo y señalaron la razón. El aumento de la temperatura de atomización no solo puede prolongar el tiempo de solidificación, sino que también reduce la viscosidad del flujo de líquido metálico, acortando así el tiempo de formación de bolas.

2. Influencia del medio de atomización Xu Tianhao et al. utilizaron aire, argón, nitrógeno y helio como cuatro medios de atomización diferentes para atomizar el polvo de SnAgCu, y descubrieron que la esfericidad del polvo producido mejoraba a su vez. La esfericidad del polvo producido con aire como medio de atomización era la peor, y la morfología era extremadamente irregular. Además, la pureza del medio de atomización afecta directamente la tasa de formación de bolas de polvo, porque la baja pureza del medio de atomización hará que se forme una película de óxido en la superficie de la gota fundida, lo que aumentará la viscosidad de la gota fundida. Pu Youfu et al. también llegaron a una conclusión similar al comparar la distribución del tamaño de partícula del polvo de soldadura atomizado en atmósferas de aire, helio, nitrógeno, argón, mezcla de nitrógeno-helio y mezcla de nitrógeno-argón. Nichiporenko atomizó plomo cambiando el medio de atomización y descubrió que los polvos obtenidos al atomizar con aire no eran esféricos; Mientras que cuando se cambió el medio atomizador a argón, el 85% de los polvos eran esféricos.

3. La influencia de la presión de atomización La presión de atomización también tiene cierta influencia en la morfología del polvo. Cuando la presión de atomización es alta, el tamaño de partícula del polvo metálico es más fino y muchos polvos finos se adhieren entre sí. Esto se debe a que cuando la presión del gas atomizador es alta, la energía del gas atomizador y las gotitas de metal es mayor, y el gas proporciona más energía al flujo de líquido metálico para romperlo en gotitas finas, haciendo que el polvo sea más fino; al mismo tiempo, el intercambio de calor entre el gas atomizador y el flujo de líquido metálico es mayor, lo que resulta en una solidificación más rápida del polvo metálico, provocando adhesión y aglomeración entre los polvos finos.

Mecanismo de formación de polvo hueco y método de control

El polvo hueco es un tipo común de defecto en el polvo aerosolizado. Los agujeros generalmente existen en los polvos en dos formas: uno son los poros cerrados formados por el gas atomizado que se encapsula dentro del polvo, y su tamaño es generalmente del 10% al 90% del polvo, que generalmente es más común en polvos con tamaños de partículas más gruesos (>70 μm); el otro son los poros formados por la solidificación y contracción entre las dendritas, cuyo tamaño es generalmente menor al 5% del tamaño del polvo, y se distribuyen dentro y sobre la superficie del polvo. En términos generales, con el aumento del tamaño de las partículas del polvo, el número, el tamaño y el contenido de gas de los poros en el polvo aumentarán en consecuencia. La formación de polvo hueco está relacionada con el mecanismo de ruptura de gotas durante la atomización. Durante el proceso de aerosolización, dependiendo de la diferente energía de la interacción entre el gas atomizador y el metal fundido, existen muchos tipos diferentes de mecanismos de ruptura de gotas que ocurren simultáneamente. Cuando se produce la rotura de la bolsa, uno de los mecanismos con mayor energía, las gotas grandes formarán copos similares a bolsas bajo la acción del flujo de aire y se difundirán en una dirección perpendicular al flujo de gas. Cuando la viscosidad del líquido es baja, el lado exterior de la película de líquido se rompe para formar gotas finas; pero durante el proceso de aerosolización, las gotas se enfrían muy rápidamente y, a medida que la temperatura de la gota desciende rápidamente, la viscosidad aumenta bruscamente. Cuando la viscosidad de la gota es lo suficientemente alta, se suprime la rotura de la película embolsada y los puertos en ambos lados de la película de líquido se combinan para formar una gota hueca envuelta en gas atomizado, como se muestra en la figura siguiente. Por lo tanto, para suprimir la generación de polvo hueco, se debe reducir la energía del proceso de trituración para evitar la ocurrencia de trituración tipo bolsa, pero esto es difícil de hacer sin un control preciso del proceso de atomización.

Mecanismo y método de control de la formación de polvo satélite El polvo satélite se refiere al polvo de tamaño pequeño que se adhiere a la superficie de un polvo de tamaño grande para formar una estructura de polvo con forma de satélite, como se muestra en la figura siguiente. El polvo satélite reduce la esfericidad, la fluidez y la densidad aparente del polvo, y es otro defecto común en la fabricación de polvo en aerosol. Actualmente existen dos teorías diferentes para explicar la aparición del polvo satélite. Una teoría clásica atribuye la aparición del polvo satélite a la colisión y adhesión del polvo fino y el polvo grueso durante el vuelo descendente de la cámara de atomización. Los estudios han demostrado que durante el proceso de atomización, las gotas finas se enfrían y solidifican antes de que las gotas más grandes se solidifiquen, se aceleran en un flujo de aire de alta velocidad y, finalmente, chocan y se sueldan a gotas fundidas más grandes, formando polvo satélite. Ozbilen descubrió que cuando la distribución del tamaño de partícula del polvo atomizado es amplia y la superficie del polvo de partículas grandes es rugosa, aumenta la probabilidad de que aparezca polvo satélite.

Anderson et al. observaron en el experimento de atomización que se puede ver un flujo de polvo fino vertical ascendente a lo largo de la pared de la cámara de atomización, y el flujo de aire envía estos polvos finos al campo de flujo debajo de la boquilla. Por lo tanto, se propuso otra teoría: se cree que el polvo fino solidificado es succionado hacia el área de inyección debajo de la boquilla por el flujo de aire en remolino y choca con las gotas que aún no se han solidificado por completo, formando finalmente un polvo satélite. Como resultado, se desarrolló una cámara de atomización de 30 cm de diámetro y los experimentos demostraron que se reducía la probabilidad de aparición de polvo satélite. Sin embargo, este método hará que las gotas choquen con la pared interna de la cámara de atomización prematuramente, lo que reduce la tasa de recuperación de polvo.

Factores que afectan el tamaño de las partículas de polvo

1. Influencia del sobrecalentamiento de la masa fundida Lv Haibo estudió el efecto de la temperatura de sobrecalentamiento en el tamaño de las partículas de polvo y descubrió que a medida que aumenta el sobrecalentamiento, el tamaño de las partículas de polvo se vuelve más fino. Ouyang Hongwu también descubrió que a medida que aumenta el sobrecalentamiento, las partículas finas tienden a aumentar y el tamaño medio de las partículas del polvo disminuye. Cuando la masa fundida de metal alcanza una determinada temperatura, el efecto de cambiar la temperatura de la masa fundida de metal para aumentar el tamaño de las partículas del polvo de aleación no es obvio. La razón principal puede ser que la masa fundida de metal está inevitablemente en contacto con el aire durante la atomización. A medida que aumenta la temperatura, también se refuerza la tendencia a la oxidación del metal. Los óxidos generados se mezclan en la masa fundida, lo que reduce la fluidez del metal y aumenta la viscosidad. Cuando su efecto se compensa con el efecto de reducir la viscosidad de la masa fundida de metal debido al aumento de la temperatura, el tamaño de las partículas del polvo atomizado con el aumento de la temperatura no aumentará significativamente.

2. Influencia de la presión de atomización Los estudios han encontrado que a medida que aumenta la presión de atomización, aumenta el rendimiento de polvo fino. Sin embargo, cuando la presión de atomización aumenta hasta cierto punto, el aumento en la cantidad de polvo fino no es muy grande incluso si se aumenta la presión de atomización, lo que indica que la presión de atomización tiene un valor óptimo. Otros han encontrado que cuando la presión de atomización excede el valor óptimo, el rendimiento de polvo fino disminuye con el aumento de la presión de atomización. Esto se debe a que la presión de atomización es demasiado alta, la fuerza de succión del gas de chorro aumenta y el caudal del flujo de líquido metálico aumenta. Mates et al. encontraron que con el aumento de la presión de atomización, la desviación estándar de la distribución del tamaño de partícula del polvo obtenido disminuye, lo que indica que cuanto mayor es la presión de atomización, más estrecha es la distribución del tamaño de partícula.

3. Influencia de la relación gas-líquido (GMR) Wolf descubrió que el tamaño de partícula promedio en masa disminuye continuamente con el aumento de la relación de caudal másico gas-líquido (GMR), pero cuando la relación excede un valor fijo, el tamaño de partícula de polvo no se reducirá más al aumentar la presión del gas de atomización o reducir el caudal del flujo de líquido metálico. Este valor es el límite de atomización del equipo de atomización utilizado y también es el valor más económico para atomizar polvos ultrafinos.

4. Influencia de las características del flujo de gas de atomización La velocidad relativa del flujo de líquido metálico y el chorro de gas juega un papel importante en todo el proceso de atomización. Cuanto mayor sea la velocidad relativa, menor será el tamaño medio de partícula del polvo atomizado. Ünal estudió el efecto de cambiar la longitud de la zona supersónica del flujo de aire de atomización sobre el tamaño de partícula del polvo. Se cree que cuanto más larga sea la zona supersónica en el flujo de aire de atomización, menor será el tamaño de partícula del polvo obtenido. Esto se debe a que el polvo fino se obtiene principalmente a través del triturado secundario durante el proceso de atomización de gas del flujo de líquido metálico. En el área donde ocurre el triturado secundario, cuanto mayor sea la velocidad del flujo de aire de atomización, menor será el tamaño crítico de las gotitas de metal, es decir, menor será el tamaño de las gotitas de líquido madre después del triturado y, por lo tanto, menor será el tamaño medio de partícula del polvo atomizado obtenido.