Как формируются металлические порошки для промышленной 3D-печати

Металлический порошок является одним из самых важных компонентов в индустрии аддитивного производства аддитивное производство (AM), являясь основой для металлических деталей, созданных методом 3D-печати. На Всемирной конференции по индустрии технологий 3D-печати 2013 года эксперты определили 3D-печать металлический порошок как совокупность металлических частиц диаметром менее 1 мм, включая чистые металлы, сплавы, а также тугоплавкие соединения с металлическими свойствами.

В настоящее время доступные металлические порошки для 3D-печать включают сплавы кобальта и хрома, нержавеющую сталь, инструментальные стали, бронзовые сплавы, титановые сплавы и никелевые алюминиевые сплавы. Чтобы соответствовать строгим требованиям процессов аддитивного производства, металлические порошки должны обладать следующими характеристиками:

• Мелкая частица

• Узкое распределение по размеру частиц

• Высокая сферичность

• Отличная текучесть

• Высокая насыпная и объемная плотность

Методы производства порошка

В зависимости от предполагаемого применения и последующего формовочного процесса используются различные методы производства порошка. Они делятся на две широкие категории:

• Физико-химические методы

• Механические методы

В порошковой металлургии электролиз , уменьшение , и атомизация распространены, хотя не все они подходят для производства порошков сплавов. В аддитивном производстве основное внимание уделяется титановые сплавы , сверхсплавы , кобальт-хромовые , высокопрочные стали , и инструментальные стали . Для соблюдения стандартов эксплуатационных характеристик порошки должны обеспечивать:

• Низкое содержание кислорода и азота

• Высокая сферичность

• Узкий диапазон размеров частиц

• Высокая насыпная плотность

В настоящее время четыре самых распространенных метода производства сферических металлических порошков для аддитивного производства включают:

1. Плазменный процесс с вращающимся электродом (PREP)

2. Плазменное распыление (PA)

3. Газовое распыление (GA)

4. Плазменная сфероидизация (PS)

1. Плазменный процесс с вращающимся электродом (PREP)

Принцип:
Металлические стержни (электроды) вращаются на высокой скорости, а их конец плавится плазменной дугой. Расплавленный материал отбрасывается центробежной силой, образуя мелкие капли, которые затвердевают в почти сферические порошки в условиях инертного газа.

Основные характеристики:

• Производит чистый, высоко сферический порошок

• Отличная сыпучесть и качество поверхности

• Узкое распределение частиц по размеру

Ограничения:

• Низкий выход мелких порошков (<45 мкм)

• Высокие требования к оборудованию (частота вращения, удержание)

• Более высокая стоимость мелких порошков

Применение:
Наиболее подходящий метод для производства сферических порошков сплавов, таких как титановые и жаропрочные сплавы. Порошки с более крупными частицами часто используются в процессах лазерного синтеза (LENS) или направленанного нанесения энергии (DED).

2. Плазменная атомизация (PA)

Принцип:
Металлическая проволока подается в зону высокотемпературной плазмы, где она расплавляется или испаряется, а кинетической энергией плазмы разбивается на микроскопические капли. Эти капли охлаждаются и затвердевают в мелкий порошок при падении через камеру с инертным газом.

Основные характеристики:

• Высокий выход сверхмелкого порошка (<45 мкм)

• Минимальное количество полых частиц и попадания газа внутрь частиц

• Отлично подходит для сплавов с высокой температурой плавления

Ограничения:

• Требуется проволочный исходный материал, что ограничивает гибкость в выборе сплавов

• Более высокие затраты на производство из-за обработки проволоки

• Наличие некоторого спутникового порошка

Применение:
Идеально подходит для применений в аддитивном производстве, требующих высокочистые мелкозернистые порошки. Хорошо подходит для титановых сплавов, используемых в селективном лазерном плавлении (SLM) и плавлении электронным лучом (EBM).

3. Газовая атомизация (GA)

Типы:

• VIGA (вакуумная индукционная газовая атомизация)
  Использует тигель для плавки металла в вакууме. Поток расплава разбивается на капли с помощью струй инертного газа под высоким давлением.

• EIGA (электродная индукционная атомизация инертным газом)
  Плавит вращающийся металлический электрод с помощью индукционных катушек, исключая необходимость использования тигля и снижая риск загрязнения.

Основные характеристики:

• Высокая эффективность и экономичность

• Широкая совместимость сплавов (сталь, никель, кобальт, алюминий, медь)

• Контролируемый размер частиц

Ограничения:

• Сферичность ниже, чем у методов на основе плазмы

• Более высокое содержание спутниковых и полых частиц

• Захват воздуха делает его менее подходящим для электронно-лучевой плавки или горячего изостатического прессования (ГИП)

Применение:
Широко используется для производства порошков для процессов SLM и DED. Постоянные улучшения, такие как ультразвуковая и ламинарная газовая атомизация, повысили качество порошков для аддитивного производства.

4. Плазменная сфероидизация (PS)

Принцип:
Неправильные металлические порошки подаются в плазменную горелку с радиочастотой (RF). Частицы нагреваются до температуры, близкой к их температуре плавления или выше, а затем быстро охлаждаются, образуя сферические частицы под действием поверхностного натяжения.

Основные характеристики:

• Высокая сферичность и гладкие поверхности

• Хорошая сыпучесть

• Подходит для тугоплавких металлов (тантал, вольфрам, ниобий, молибден)

Ограничения:

• Длительные циклы нагрева

• Повышенное содержание кислорода из-за увеличенной площади поверхности

• Потеря летучих легирующих элементов во время плавки

Применение:
В первую очередь используется для переработки несферических порошков в сферические. Также ценна для восстановления использованных или переработанных порошков

Сравнение методов

Заключение

По всему миру технологии аддитивного производства быстро развиваются в области материалов, оборудования и применения. Хотя в настоящее время основное внимание часто уделяется самому процессу печати, разработка металлических порошков на стадии upstream — в частности, проектирование сплавов, производственное оборудование и технологии сфероидизации с низкой стоимостью — остается важной, но недостаточно развитой областью.

Для поддержки надежной и независимой экосистемы аддитивного производства необходимо уделять больше внимания инфраструктуре производства порошков, инновациям в процессах и исследованиям материалов. Создание возможностей в этих областях является ключевым для разработки высокопроизводительных, экономически эффективных и масштабируемых решений для 3D-печати металлов.