Prinzip der Metallpulverherstellung durch Gasverdüsung und Faktoren, die die Pulverleistung beeinflussen

Als wichtiger Rohstoff für die additive Fertigung bestimmt die Qualität des Metallpulvers weitgehend die Endqualität des Produkts. Mit der rasanten Entwicklung der additiven Fertigung und ihrer prozessspezifischen Anforderungen steigen auch die Qualitätsanforderungen an Metallpulver, beispielsweise hinsichtlich hoher Sphärizität, guter Fließfähigkeit sowie eines geringen Gas- und Verunreinigungsgehalts. Gleichzeitig werden mit der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsbereiche der additiven Fertigung immer mehr verschiedene Metallpulver benötigt. Für die Herstellung von Metallpulvern gibt es zahlreiche Verfahren, wobei die Gaszerstäubung zum wichtigsten Verfahren für die Herstellung leistungsfähiger Metall- und Legierungspulver geworden ist.

Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Pulverherstellung bietet die Gaszerstäubung folgende Vorteile: ein breites Anwendungsspektrum, da verschiedene Metallpulver und vorlegierte Pulver hergestellt werden können, die mit anderen Verfahren nicht produzierbar sind; eine hohe Abkühlgeschwindigkeit (10^4 ~10^6 ℃/s) und eine starke Unterkühlung; außerdem weist das hergestellte Pulver eine hohe Sphärizität und eine kontrollierbare Partikelgröße auf.

Das Prinzip der Pulverherstellung durch Gaszerstäubung Das Grundprinzip der Gaszerstäubung besteht darin, dass ein Hochgeschwindigkeitsgasstrom auf das geschmolzene Metall einwirkt und durch die Kollision die kinetische Energie des Gases in Oberflächenenergie der Metallschmelze umwandelt, sodass der Strom aus geschmolzenem Metall in feine Tröpfchen zerlegt und anschließend in der Gasatmosphäre schnell abgekühlt und verfestigt wird, wodurch Pulver entsteht.

Der Rohstoff für die Vorlegierung durchläuft bei der Pulverherstellung mittels Gaszerstäubung drei Hauptprozesse: Schmelzen, Zerstäuben und Erstarren. Derzeit wird der Zerstäubungsprozess überwiegend in einer Vakuum- oder Inertgasatmosphäre durchgeführt, um den Sauerstoff- und Verunreinigungsgehalt im Pulver zu reduzieren und dessen Reinheit zu verbessern. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Sauerstoff im Pulver im Wesentlichen während des Schmelzprozesses eingebracht wird. Daher muss sowohl bei der Herstellung der Vorlegierung als auch beim Zerstäubungsprozess eine Vakuum- oder Inertgasatmosphäre aufrechterhalten werden. Nach dem Schmelzen der Vorlegierung wird diese durch einen Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsgasstrom (Inertgas) in kleine Tröpfchen zerlegt und verteilt. Die kleinen Tröpfchen verlieren während des Fallens schnell Wärme und erstarren unter dem Einfluss der Oberflächenspannung rasch zu kugelförmigem Pulver.

Faktoren, die die Pulvermorphologie beeinflussen

Die Morphologie des zerstäubten Pulvers kann in regelmäßige Kugeln und unregelmäßige Formen unterteilt werden. Sie hängt vom Verhältnis der Sphäroidisierungszeit zur Erstarrungszeit der Tröpfchen ab, die nach dem Zerreißen der Metallschmelze entstehen. Wenn die Sphäroidisierungszeit der Metalltröpfchen kürzer als ihre Erstarrungszeit ist, können die Tröpfchen vor dem Erstarren vollständig sphäroidisiert werden; die nach dem Erstarren entstehenden Pulverpartikel sind dann regelmäßiger geformt und weisen eine glattere Oberfläche auf. Ist die Sphäroidisierungszeit der zerstäubten Tröpfchen länger als die Erstarrungszeit, können die Tröpfchen vor dem Erstarren nicht vollständig sphäroidisiert werden, sodass nach dem Erstarren unregelmäßige Pulverpartikel entstehen. Die Sphäroidisierungszeit der Tröpfchen hängt hauptsächlich von der Viskosität des flüssigen Metalls, der Oberflächenspannung und der Tröpfchengröße ab; die Erstarrungszeit wird hauptsächlich durch die spezifische Wärme und die Wärmeleitfähigkeit der Tröpfchen sowie die Überhitzung des Metalls bestimmt.

1. Einfluss der Überhitzung der Schmelze. Einige Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Pulver mit zunehmender Überhitzung von einer unregelmäßigen Hantel- und Stabform zu einer Kugelform verändert. Als Zhu Jianyong et al. Lötpulver durch Gaszerstäubung herstellten, stellten sie fest, dass die Überhitzung des Metallstroms einen gewissen Einfluss auf die Pulvermorphologie hatte. Eine Erhöhung der Zerstäubungstemperatur konnte den Kugelbildungsgrad des Pulvers steigern. Als Grund wurde angegeben, dass eine Erhöhung der Zerstäubungstemperatur nicht nur die Erstarrungszeit verlängert, sondern auch die Viskosität des Metallstroms verringert und dadurch die Sphäroidisierungszeit verkürzt.

2. Einfluss des Zerstäubungsmediums Xu Tianhao et al. verwendeten Luft, Argon, Stickstoff und Helium als vier verschiedene Zerstäubungsmedien zur Zerstäubung von SnAgCu-Pulver und stellten fest, dass sich die Sphärizität des erzeugten Pulvers in dieser Reihenfolge verbesserte. Das mit Luft als Zerstäubungsmedium erzeugte Pulver wies die schlechteste Sphärizität und eine äußerst unregelmäßige Morphologie auf. Außerdem beeinflusst die Reinheit des Zerstäubungsmediums den Kugelbildungsgrad des Pulvers direkt, da die geringe Reinheit des Mediums zur Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche der geschmolzenen Tröpfchen führt, wodurch deren Viskosität steigt. Pu Youfu et al. gelangten zu einem ähnlichen Schluss, indem sie die Partikelgrößenverteilung von zerstäubtem Lötpulver in Atmosphären aus Luft, Helium, Stickstoff, Argon, einem Stickstoff-Helium-Gemisch und einem Stickstoff-Argon-Gemisch verglichen. Nichiporenko zerstäubte Blei unter Verwendung verschiedener Zerstäubungsmedien und stellte fest, dass die durch Zerstäubung mit Luft gewonnenen Pulver vollständig nicht kugelförmig waren; wurde das Zerstäubungsmedium dagegen auf Argon umgestellt, waren 85 % der Pulver kugelförmig.

3. Einfluss des Zerstäubungsdrucks Der Zerstäubungsdruck beeinflusst die Pulvermorphologie ebenfalls. Bei hohem Zerstäubungsdruck ist die Partikelgröße des Metallpulvers feiner, und viele feine Pulver haften aneinander. Dies liegt daran, dass bei hohem Zerstäubungsgasdruck die Energie des Zerstäubungsgases und der Metalltröpfchen größer ist und das Gas dem Metallstrom mehr Energie zuführt, wodurch dieser in feine Tröpfchen zerlegt wird und das Pulver feiner wird. Gleichzeitig findet ein intensiverer Wärmeaustausch zwischen dem Zerstäubungsgas und dem Metallstrom statt, was zu einer schnelleren Erstarrung des Metallpulvers und dadurch zur Anhaftung und Agglomeration der feinen Pulver führt.

Bildungsmechanismus und Kontrollverfahren für Hohlpulver

Hohlpulver ist eine häufige Fehlerart bei zerstäubtem Pulver. Hohlräume treten in Pulvern im Allgemeinen in zwei Formen auf: Bei der ersten handelt es sich um geschlossene Poren, die entstehen, wenn Zerstäubungsgas im Pulver eingeschlossen wird. Ihre Größe beträgt im Allgemeinen 10 % bis 90 % der Pulvergröße; sie treten meist bei Pulvern mit gröberer Partikelgröße (>70 μm) auf. Bei der zweiten handelt es sich um Poren, die durch Erstarrung und Schrumpfung zwischen Dendriten entstehen. Ihre Größe beträgt im Allgemeinen weniger als 5 % der Pulvergröße, und sie sind im Inneren sowie auf der Oberfläche des Pulvers verteilt. Im Allgemeinen nehmen mit steigender Partikelgröße des Pulvers auch Anzahl, Größe und Gasgehalt der Poren im Pulver zu. Die Bildung von Hohlpulver hängt mit dem Zerreißmechanismus der Tröpfchen während der Zerstäubung zusammen. Während des Zerstäubungsprozesses treten abhängig von der unterschiedlichen Energie der Wechselwirkung zwischen Zerstäubungsgas und geschmolzenem Metall gleichzeitig viele verschiedene Zerreißmechanismen der Tröpfchen auf. Beim sogenannten Bag Breakup, einem der energiereichsten Mechanismen, bilden sich aus großen Tröpfchen unter der Wirkung des Gasstroms taschenförmige Filme, die sich senkrecht zur Gasströmung ausbreiten. Bei niedriger Flüssigkeitsviskosität zerreißt die Außenseite des Flüssigkeitsfilms und bildet feine Tröpfchen. Während des Zerstäubungsprozesses kühlen die Tröpfchen jedoch sehr schnell ab, und mit dem raschen Absinken ihrer Temperatur steigt ihre Viskosität stark an. Ist die Viskosität der Tröpfchen ausreichend hoch, wird das Zerreißen des taschenförmigen Films unterdrückt, und die Öffnungen auf beiden Seiten des Flüssigkeitsfilms verbinden sich zu einem hohlen Tröpfchen, das von Zerstäubungsgas umschlossen ist, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Um die Entstehung von Hohlpulver zu unterdrücken, muss daher die Energie des Zerreißprozesses reduziert werden, damit kein taschenförmiges Zerreißen auftritt. Dies ist jedoch ohne eine präzise Steuerung des Zerstäubungsprozesses schwierig.

Bildungsmechanismus und Kontrollverfahren für Satellitenpulver Satellitenpulver bezeichnet feinkörniges Pulver, das an der Oberfläche von grobkörnigem Pulver haftet und eine satellitenartige Pulverstruktur bildet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Satellitenpulver verringert die Sphärizität, Fließfähigkeit und Schüttdichte des Pulvers und ist ein weiterer häufiger Fehler bei der Pulverherstellung durch Zerstäubung. Derzeit gibt es zwei verschiedene Theorien zur Erklärung des Auftretens von Satellitenpulver. Eine klassische Theorie führt das Auftreten von Satellitenpulver auf die Kollision und Anhaftung von Fein- und Grobpulver während des Abwärtsflugs in der Zerstäubungskammer zurück. Untersuchungen haben gezeigt, dass feine Tröpfchen während des Zerstäubungsprozesses vor größeren Tröpfchen abkühlen und erstarren, im Hochgeschwindigkeitsgasstrom beschleunigt werden und schließlich mit größeren geschmolzenen Tröpfchen kollidieren und verschweißen, wodurch Satellitenpulver entsteht. Ozbilen stellte fest, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Satellitenpulver steigt, wenn die Partikelgrößenverteilung des zerstäubten Pulvers breit und die Oberfläche der großen Pulverpartikel rau ist.

Anderson et al. beobachteten im Zerstäubungsexperiment, dass entlang der Wand der Zerstäubungskammer ein vertikal nach oben gerichteter Strom feinen Pulvers zu sehen war und der Gasstrom diese feinen Pulverpartikel in das Strömungsfeld unterhalb der Düse beförderte. Daher wurde eine weitere Theorie vorgeschlagen: Es wird angenommen, dass das erstarrte Fein-pulver durch den Wirbelstrom in den Einspritzbereich unterhalb der Düse eingesaugt wird und mit den noch nicht vollständig erstarrten Tröpfchen kollidiert, wodurch schließlich Satellitenpulver entsteht. Daraufhin wurde eine Zerstäubungskammer mit einem Durchmesser von 30 cm entwickelt, und Experimente bestätigten, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Satellitenpulver reduziert wurde. Dieses Verfahren führt jedoch dazu, dass die Tröpfchen vorzeitig mit der Innenwand der Zerstäubungskammer kollidieren, wodurch die Pulverausbeute sinkt.

Faktoren, die die Partikelgröße des Pulvers beeinflussen

1. Einfluss der Überhitzung der Schmelze Lv Haibo untersuchte den Einfluss der Überhitzungstemperatur auf die Partikelgröße des Pulvers und stellte fest, dass die Partikelgröße mit zunehmender Überhitzung feiner wird. Auch Ouyang Hongwu stellte fest, dass mit zunehmender Überhitzung der Anteil feiner Partikel steigt und die durchschnittliche Partikelgröße des Pulvers abnimmt. Wenn die Metallschmelze eine bestimmte Temperatur erreicht, ist der Einfluss einer weiteren Änderung der Temperatur der Metallschmelze auf eine Erhöhung der Partikelgröße des Legierungspulvers nicht mehr deutlich. Der Hauptgrund könnte darin liegen, dass die Metallschmelze während der Zerstäubung zwangsläufig mit der Luft in Kontakt kommt. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Oxidationsneigung des Metalls zu. Die entstehenden Oxide werden in die Schmelze eingemischt, wodurch die Fließfähigkeit des Metalls sinkt und seine Viskosität steigt. Wenn dieser Effekt durch die Verringerung der Viskosität der Metallschmelze infolge des Temperaturanstiegs ausgeglichen wird, nimmt die Partikelgröße des zerstäubten Pulvers trotz steigender Temperatur nicht deutlich zu.

2. Einfluss des Zerstäubungsdrucks Untersuchungen haben gezeigt, dass mit steigendem Zerstäubungsdruck die Ausbeute an feinem Pulver zunimmt. Wenn der Zerstäubungsdruck jedoch einen bestimmten Wert überschreitet, ist der Anstieg der Feinpulvermenge trotz einer weiteren Erhöhung des Zerstäubungsdrucks nur noch gering, was darauf hindeutet, dass der Zerstäubungsdruck einen optimalen Wert besitzt. Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Feinpulverausbeute nach Überschreiten des optimalen Zerstäubungsdrucks mit zunehmendem Zerstäubungsdruck abnimmt. Dies liegt daran, dass bei zu hohem Zerstäubungsdruck die Saugkraft des Strahlgases zunimmt und die Fließgeschwindigkeit des Metallstroms steigt. Mates et al. stellten fest, dass mit zunehmendem Zerstäubungsdruck die Standardabweichung der Partikelgrößenverteilung des erhaltenen Pulvers abnimmt, was darauf hindeutet, dass die Partikelgrößenverteilung bei höherem Zerstäubungsdruck enger wird.

3. Einfluss des Gas-Flüssigkeits-Verhältnisses (GMR) Wolf stellte fest, dass die massenmittlere Partikelgröße mit zunehmendem Verhältnis der Massenströme von Gas und Flüssigkeit (GMR) kontinuierlich abnimmt. Überschreitet das Verhältnis jedoch einen bestimmten Wert, lässt sich die Partikelgröße des Pulvers durch eine Erhöhung des Zerstäubungsgasdrucks oder eine Verringerung des Durchflusses des Metallstroms nicht weiter reduzieren. Dieser Wert stellt die Zerstäubungsgrenze der verwendeten Zerstäubungsanlage und zugleich den wirtschaftlichsten Wert für die Zerstäubung ultrafeiner Pulver dar.

4. Einfluss der Strömungseigenschaften des Zerstäubungsgases Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Metallstrom und dem Gasstrahl spielt im gesamten Zerstäubungsprozess eine wichtige Rolle. Je größer die Relativgeschwindigkeit, desto kleiner ist die durchschnittliche Partikelgröße des zerstäubten Pulvers. Ünal untersuchte den Einfluss einer Änderung der Länge der Überschallzone des Zerstäubungsluftstroms auf die Partikelgröße des Pulvers. Es wird angenommen, dass die Partikelgröße des erhaltenen Pulvers umso kleiner ist, je länger die Überschallzone im Zerstäubungsluftstrom ist. Dies liegt daran, dass feines Pulver während der Gaszerstäubung des Metallstroms hauptsächlich durch sekundäres Zerreißen entsteht. In dem Bereich, in dem dieses sekundäre Zerreißen stattfindet, ist die kritische Größe der Metalltröpfchen umso kleiner, je höher die Geschwindigkeit des Zerstäubungsluftstroms ist. Das bedeutet, dass auch die Größe der Muttertröpfchen nach dem Zerreißen kleiner ist und folglich die durchschnittliche Partikelgröße des erhaltenen zerstäubten Pulvers abnimmt.