Як утворюються металеві порошки для промислової 3D-друку

Металевий порошок є одним із найважливіших компонентів у індустрії додаткове виробництво (AM), створюючи основу для металевих деталей, друкованих на 3D-принтері. На Всесвітній конференції з технологій 3D-друку в 2013 році експерти визначили 3D друк металевий порошок як сукупність металевих частинок діаметром менше 1 мм, включаючи чисті метали, металеві сплави та важкоплавкі сполуки з металевими властивостями.

Наразі доступні металеві порошки для 3D друк включають сплави кобальту з хромом, нержавіючу сталь, інструментальні сталі, бронзові сплави, титанові сплави та нікелево-алюмінієві сплави. Щоб відповідати суворим вимогам процесів адитивного виробництва, металеві порошки мають мати:

• Малий розмір частинок

• Вузький розподіл за розмірами

• Високу сферичність

• Вімінущу здатність до змішування

• Високу насипну та об'ємну щільність

Методи виробництва порошків

Залежно від передбачуваного застосування та процесу формування напівфабрикатів використовують різні технології виробництва порошків. Вони поділяються на дві основні категорії:

• Фізико-хімічні методи

• Механічні методи

У порошковій металургії, електроліз , зменшення , а також аерозолізація є поширеними, хоча не всі з них підходять для виробництва порошків сплавів. У додавальному виробництві основна увага приділяється титанові сплави , суперсплави , кобальт-хромовим , високопрочні сталі , а також інструментальним сталям . Щоб відповідати стандартам продуктивності, порошки повинні забезпечувати:

• Низький вміст кисню та азоту

• Високу сферичність

• Вузький діапазон розмірів частинок

• Високу насипну густину

Наразі чотири найбільш поширених методи виробництва сферичних металевих порошків для АМ це:

1. Плазмовий обертовий електродний процес (PREP)

2. Плазмова атомізація (PA)

3. Газова атомізація (GA)

4. Плазмова сфероїдизація (PS)

1. Плазмовий процес обертального електроду (PREP)

ПРИНЦИП:
Металеві стрижні (електроди) обертаються з високою швидкістю, тоді як кінчик розплавляється плазмовою дугою. Розплавлений матеріал відкидається відцентровою силою, утворюючи дрібні краплі, які затвердівають у майже сферичний порошок в інертній газовій атмосфері.

Основні характеристики:

• Виробляє чистий, високосферичний порошок

• Відмінна здатність до пересипання та якість поверхні

• Вузький розподіл частинок за розміром

Обмеження:

• Нижчий вихід дрібних порошків (<45 мкм)

• Високі вимоги до обладнання (швидкість обертання, герметизація)

• Вища вартість дрібних порошків

Застосування:
Найкраще підходить для виробництва сферичних порошків сплавів, таких як титан і жароміцні сплави. Більші розміри частинок часто використовуються в процесах лазерного синтезування об'ємних деталей (LENS) або нанесення матеріалу з направленою енергією (DED).

2. Плазмова атомізація (PA)

ПРИНЦИП:
Металевий дріт подається в зону високотемпературної плазми, де він розплавляється або випаровується, а потім перетворюється на мікрокраплі кінетичною енергією плазми. Ці краплі охолоджуються та затвердівають у дрібні порошки під час проходження через камеру з інертним газом.

Основні характеристики:

• Високий вихід наддрібного порошку (<45 мкм)

• Мінімальна кількість порожнистих частинок або захопленого газу

• Відмінно підходить для сплавів із високою температурою плавлення

Обмеження:

• Потрібен дріт як вихідна сировина, що обмежує гнучкість у виготовленні сплавів

• Вищі витрати на виробництво через обробку дроту

• Присутність деяких супутникових порошків

Застосування:
Ідеально підходить для додавальних виробничих застосувань, що потребують високоякісних порошків з дрібним зерном. Ефективно використовується для титанових сплавів у процесах селективного лазерного спікання (SLM) та електронно-променевого спікання (EBM).

3. Газова атомізація (GA)

Типи:

• ВІГА (вакуумна індукційна газова атомізація)
  Використовує тигель для плавлення металу у вакуумі. Струмінь розплаву перетворюється на краплі за допомогою струменів інертного газу підвищеного тиску.

• ЕІГА (індукційне плавлення електрода з атомізацією інертним газом)
  Плавить обертовий металевий електрод за допомогою індукційних котушок, виключаючи необхідність використання тигля і зменшуючи ризик забруднення.

Основні характеристики:

• Висока ефективність та економічна ефективність

• Сумісність з різноманітними сплавами (сталь, нікель, кобальт, алюміній, мідь)

• Контрольований розмір частинок

Обмеження:

• Менша сферичність порівняно з плазмовими методами

• Більший вміст супутникових і порожнистих порошків

• Захоплення повітря робить його менш придатним для електронно-променевого плавлення або гарячого ізостатичного пресування (ГІП)

Застосування:
Широко використовується для виробництва порошків для процесів SLM і DED. Постійні удосконалення, такі як ультразвукова та ламінарна газова атомізація, покращили якість порошків для адитивного виробництва.

4. Плазмова сфероїдизація (PS)

ПРИНЦИП:
Неправильні металеві порошки подаються в плазмовий пальник радіочастотного (RF) діапазону. Під час нагрівання частинки досягають температури, близької або вище їхньої точки плавлення, а потім швидко охолоджуються, утворюючи сферичні частинки під дією поверхневого натягу.

Основні характеристики:

• Висока сферичність та гладкі поверхні

• Добре стікання

• Придатний для важкоплавких металів (тантал, вольфрам, ніобій, молібден)

Обмеження:

• Тривалі цикли нагрівання

• Підвищений вміст кисню через збільшену поверхневу площу

• Втрата летких елементів сплаву під час плавлення

Застосування:
Переважно використовується для переробки несферичних порошків у сферичні. Також цінний для відновлення використаних або перероблених порошків.

Порівняння методів

Висновок

Глобально технології адитивного виробництва швидко розвиваються в галузях матеріалів, обладнання та застосувань. Хоча зараз увага часто зосереджена на самому процесі друку, розробка металевих порошків на передумовах — зокрема проектування сплавів, обладнання для виробництва та технологій зниження вартості сфароїдування — залишається важливою, але недостатньо розвиненою галуззю.

Щоб підтримати стабільну та незалежну екосистему адитивного виробництва, слід приділити більше уваги інфраструктурі виробництва порошків, інноваційним процесам та дослідженням матеріалів. Розвиток компетенцій у цих галузях є ключовим для створення ефективних, економічних та масштабованих рішень у 3D-друці металами.