Principio della preparazione delle polveri metalliche mediante atomizzazione a gas e fattori che influenzano le prestazioni delle polveri

In quanto materia prima fondamentale per la produzione additiva, la qualità della polvere metallica determina in larga misura la qualità finale del prodotto. Con il rapido sviluppo della tecnologia di produzione additiva e la specificità dei suoi processi, i requisiti di qualità per le polveri metalliche diventano sempre più elevati, come elevata sfericità, buona scorrevolezza, basso contenuto di gas e impurità, ecc. Allo stesso tempo, con la continua espansione dei campi di applicazione della produzione additiva, sono necessari sempre più tipi di polveri metalliche. Esistono numerosi metodi per preparare le polveri metalliche, tra i quali l'atomizzazione a gas è diventata il metodo principale per la preparazione di polveri metalliche e di leghe ad alte prestazioni.

Rispetto agli altri metodi di produzione delle polveri, l'atomizzazione a gas presenta i seguenti vantaggi: ampio campo di applicazione, con la possibilità di produrre vari tipi di polveri metalliche e polveri prelegate che non possono essere prodotte con altri metodi; elevata velocità di raffreddamento (10^4 ~10^6 ℃/s) ed elevato sottoraffreddamento; la polvere preparata presenta un'elevata sfericità e una granulometria controllabile, ecc.

Principio della produzione di polveri mediante atomizzazione a gas Il principio di base dell'atomizzazione a gas consiste nell'utilizzare un flusso d'aria ad alta velocità per colpire il metallo fuso, convertendo l'energia cinetica del gas in energia superficiale del metallo fuso attraverso la collisione, in modo che il flusso di metallo fuso si frammenti in goccioline fini, che vengono quindi rapidamente raffreddate e solidificate nell'atmosfera del flusso d'aria, formando la polvere.

La materia prima della lega madre attraversa tre processi principali nella produzione di polveri mediante atomizzazione a gas: fusione, atomizzazione e solidificazione. Attualmente, il processo di atomizzazione più diffuso viene eseguito in un ambiente sotto vuoto o di gas inerte per ridurre il contenuto di ossigeno e impurità nella polvere e migliorarne la purezza. Gli studi hanno dimostrato che l'ossigeno presente nella polvere viene introdotto fondamentalmente durante il processo di fusione. Pertanto, sia nella preparazione della lega madre sia nel processo di atomizzazione, è necessario mantenere un ambiente sotto vuoto o di gas inerte. Dopo la fusione, la lega madre viene frammentata e dispersa in piccole goccioline da un flusso d'aria ad alta pressione e alta velocità (gas inerte). Le goccioline perdono rapidamente calore durante la caduta e si solidificano velocemente in polvere sferica sotto l'azione della tensione superficiale.

Fattori che influenzano la morfologia della polvere

La morfologia della polvere atomizzata può essere suddivisa in sfere regolari e forme irregolari e dipende dal rapporto tra il tempo di sferoidizzazione e il tempo di solidificazione delle goccioline formate dopo la frammentazione della massa metallica fusa. Quando il tempo di sferoidizzazione delle goccioline metalliche è inferiore al tempo di solidificazione, le goccioline possono sferoidizzarsi completamente prima della solidificazione e le particelle di polvere formate dopo la solidificazione hanno una forma più regolare e una superficie più liscia; se il tempo di sferoidizzazione delle goccioline atomizzate è superiore al tempo di solidificazione, le goccioline non possono sferoidizzarsi completamente prima della solidificazione e, dopo la solidificazione, si formano particelle di polvere irregolari. Il tempo di sferoidizzazione delle goccioline dipende principalmente dalla viscosità del metallo liquido, dalla tensione superficiale e dalle dimensioni delle goccioline; il tempo di solidificazione dipende principalmente dal calore specifico delle goccioline, dalla loro conducibilità termica e dal surriscaldamento del metallo.

1. Influenza del surriscaldamento della massa fusa. Alcuni studi hanno dimostrato che, all'aumentare del surriscaldamento, la polvere passa da una forma irregolare a manubrio o a bastoncino a una forma sferica. Quando Zhu Jianyong e collaboratori hanno atomizzato polvere per saldatura mediante gas, hanno riscontrato che il surriscaldamento del flusso di metallo liquido influiva in una certa misura sulla morfologia della polvere. L'aumento della temperatura di atomizzazione poteva aumentare il tasso di sferoidizzazione della polvere, e ne hanno indicato il motivo. L'aumento della temperatura di atomizzazione non solo può prolungare il tempo di solidificazione, ma anche ridurre la viscosità del flusso di metallo liquido, accorciando così il tempo di sferoidizzazione.

2. Influenza del mezzo di atomizzazione Xu Tianhao e collaboratori hanno utilizzato aria, argon, azoto ed elio come quattro diversi mezzi di atomizzazione per atomizzare polvere SnAgCu e hanno riscontrato che la sfericità della polvere prodotta migliorava in quest'ordine. La polvere prodotta utilizzando l'aria come mezzo di atomizzazione presentava la sfericità peggiore e una morfologia estremamente irregolare. Inoltre, la purezza del mezzo di atomizzazione influisce direttamente sul tasso di sferoidizzazione della polvere, perché la bassa purezza del mezzo di atomizzazione provoca la formazione di una pellicola di ossido sulla superficie della gocciolina fusa, aumentandone la viscosità. Anche Pu Youfu e collaboratori sono giunti a una conclusione simile confrontando la distribuzione granulometrica della polvere per saldatura atomizzata in atmosfere di aria, elio, azoto, argon, miscela azoto-elio e miscela azoto-argon. Nichiporenko ha atomizzato il piombo modificando il mezzo di atomizzazione e ha riscontrato che le polveri ottenute mediante atomizzazione con aria erano tutte non sferiche; quando invece il mezzo di atomizzazione è stato sostituito con argon, l'85% delle polveri era sferico.

3. Influenza della pressione di atomizzazione La pressione di atomizzazione influisce in una certa misura anche sulla morfologia della polvere. Quando la pressione di atomizzazione è elevata, la granulometria della polvere metallica è più fine e molte polveri fini aderiscono tra loro. Ciò è dovuto al fatto che, quando la pressione del gas di atomizzazione è elevata, l'energia del gas di atomizzazione e delle goccioline metalliche è maggiore e il gas fornisce più energia al flusso di metallo liquido, frammentandolo in goccioline fini e rendendo così la polvere più fine; allo stesso tempo, lo scambio termico tra il gas di atomizzazione e il flusso di metallo liquido è maggiore, con conseguente solidificazione più rapida della polvere metallica e formazione di adesioni e agglomerati tra le polveri fini.

Meccanismo di formazione della polvere cava e metodo di controllo

La polvere cava è un tipo comune di difetto nella polvere atomizzata. I pori sono generalmente presenti nelle polveri in due forme: una è costituita dai pori chiusi formati dal gas di atomizzazione incapsulato all'interno della polvere, le cui dimensioni rappresentano generalmente dal 10% al 90% della polvere e che sono più comuni nelle polveri con granulometria più grossolana (>70 μm); l'altra è costituita dai pori formati dalla solidificazione e dal ritiro tra i dendriti, le cui dimensioni sono generalmente inferiori al 5% delle dimensioni della polvere e che sono distribuiti all'interno e sulla superficie della polvere. In generale, all'aumentare della granulometria della polvere, aumentano di conseguenza il numero, le dimensioni e il contenuto di gas dei pori presenti nella polvere. La formazione della polvere cava è legata al meccanismo di frammentazione delle goccioline durante l'atomizzazione. Durante il processo di atomizzazione, a seconda della diversa energia dell'interazione tra il gas di atomizzazione e il metallo fuso, si verificano simultaneamente molti diversi meccanismi di frammentazione delle goccioline. Quando si verifica la frammentazione a sacco, uno dei meccanismi a più alta energia, le goccioline di grandi dimensioni formano scaglie simili a sacchi sotto l'azione del flusso d'aria e si diffondono in una direzione perpendicolare al flusso di gas. Quando la viscosità del liquido è bassa, il lato esterno della pellicola liquida si rompe formando goccioline fini; tuttavia, durante il processo di atomizzazione, le goccioline si raffreddano molto rapidamente e, quando la loro temperatura diminuisce rapidamente, la viscosità aumenta bruscamente. Quando la viscosità delle goccioline è sufficientemente elevata, la rottura della pellicola a sacco viene inibita e le aperture su entrambi i lati della pellicola liquida si uniscono formando una gocciolina cava avvolta nel gas di atomizzazione, come mostrato nella figura seguente. Pertanto, per inibire la formazione di polvere cava, è necessario ridurre l'energia del processo di frantumazione per evitare il verificarsi della frammentazione a sacco, ma ciò è difficile senza un controllo preciso del processo di atomizzazione.

Meccanismo e metodo di controllo della formazione della polvere satellite La polvere satellite si riferisce alla polvere di piccole dimensioni che aderisce alla superficie della polvere di grandi dimensioni formando una struttura di polvere a forma di satellite, come mostrato nella figura seguente. La polvere satellite riduce la sfericità, la scorrevolezza e la densità apparente della polvere ed è un altro difetto comune nella produzione di polveri mediante atomizzazione. Attualmente esistono due teorie diverse per spiegare la comparsa della polvere satellite. Una teoria classica attribuisce la comparsa della polvere satellite alla collisione e all'adesione tra polvere fine e polvere grossolana durante la discesa nella camera di atomizzazione. Gli studi hanno dimostrato che durante il processo di atomizzazione le goccioline fini si raffreddano e solidificano prima delle goccioline più grandi, accelerano nel flusso d'aria ad alta velocità e infine collidono e si saldano alle goccioline fuse più grandi, formando polvere satellite. Ozbilen ha riscontrato che, quando la distribuzione granulometrica della polvere atomizzata è ampia e la superficie delle particelle di grandi dimensioni è ruvida, aumenta la probabilità di comparsa della polvere satellite.

Anderson e collaboratori hanno osservato nell'esperimento di atomizzazione che lungo la parete della camera di atomizzazione era visibile un flusso verticale ascendente di polvere fine e che il flusso d'aria trasportava queste polveri fini nel campo di flusso sotto l'ugello. È stata quindi proposta un'altra teoria: si ritiene che la polvere fine solidificata venga aspirata dal flusso d'aria vorticoso nell'area di iniezione sotto l'ugello e collida con le goccioline non ancora completamente solidificate, formando infine polvere satellite. Di conseguenza, è stata sviluppata una camera di atomizzazione con diametro di 30 cm e gli esperimenti hanno dimostrato che la probabilità di comparsa della polvere satellite si riduceva. Tuttavia, questo metodo fa sì che le goccioline entrino prematuramente in collisione con la parete interna della camera di atomizzazione, riducendo il tasso di recupero della polvere.

Fattori che influenzano la granulometria della polvere

1. Influenza del surriscaldamento della massa fusa Lv Haibo ha studiato l'effetto della temperatura di surriscaldamento sulla granulometria della polvere e ha riscontrato che, all'aumentare del surriscaldamento, la granulometria della polvere diminuisce. Anche Ouyang Hongwu ha riscontrato che, all'aumentare del surriscaldamento, le particelle fini tendono ad aumentare e la granulometria media della polvere diminuisce. Quando la massa metallica fusa raggiunge una determinata temperatura, l'effetto della variazione della temperatura della massa metallica fusa sull'aumento della granulometria della polvere di lega non è evidente. Il motivo principale potrebbe essere che la massa metallica fusa entra inevitabilmente in contatto con l'aria durante l'atomizzazione. Con l'aumento della temperatura, aumenta anche la tendenza del metallo a ossidarsi. Gli ossidi generati si mescolano alla massa fusa, riducendo la scorrevolezza del metallo e aumentandone la viscosità. Quando il loro effetto compensa quello della riduzione della viscosità della massa metallica fusa dovuta all'aumento della temperatura, la granulometria della polvere atomizzata non aumenta significativamente con l'aumento della temperatura.

2. Influenza della pressione di atomizzazione Gli studi hanno dimostrato che, all'aumentare della pressione di atomizzazione, aumenta la resa della polvere fine. Tuttavia, quando la pressione di atomizzazione aumenta oltre un certo limite, la quantità di polvere fine non aumenta in modo significativo anche incrementando ulteriormente la pressione, a indicare che la pressione di atomizzazione ha un valore ottimale. Altri studi hanno riscontrato che, quando la pressione di atomizzazione supera il valore ottimale, la resa della polvere fine diminuisce all'aumentare della pressione di atomizzazione. Ciò è dovuto al fatto che una pressione di atomizzazione eccessiva aumenta la forza di aspirazione del gas del getto e la portata del flusso di metallo liquido. Mates e collaboratori hanno riscontrato che, all'aumentare della pressione di atomizzazione, diminuisce la deviazione standard della distribuzione granulometrica della polvere ottenuta, indicando che una pressione di atomizzazione più elevata produce una distribuzione granulometrica più ristretta.

3. Influenza del rapporto gas-liquido (GMR) Wolf ha riscontrato che la granulometria media in massa diminuisce continuamente all'aumentare del rapporto tra la portata massica di gas e liquido (GMR), ma quando il rapporto supera un determinato valore, la granulometria della polvere non si riduce ulteriormente aumentando la pressione del gas di atomizzazione o diminuendo la portata del flusso di metallo liquido. Questo valore rappresenta il limite di atomizzazione dell'apparecchiatura di atomizzazione utilizzata ed è anche il valore più economico per l'atomizzazione di polveri ultrafini.

4. Influenza delle caratteristiche del flusso del gas di atomizzazione La velocità relativa del flusso di metallo liquido e del getto di gas svolge un ruolo importante nell'intero processo di atomizzazione. Maggiore è la velocità relativa, minore è la granulometria media della polvere atomizzata. Ünal ha studiato l'effetto della variazione della lunghezza della zona supersonica del flusso d'aria di atomizzazione sulla granulometria della polvere. Si ritiene che quanto più lunga è la zona supersonica nel flusso d'aria di atomizzazione, tanto minore sia la granulometria della polvere ottenuta. Ciò è dovuto al fatto che la polvere fine si ottiene principalmente mediante frammentazione secondaria durante il processo di atomizzazione a gas del flusso di metallo liquido. Nell'area in cui avviene la frammentazione secondaria, maggiore è la velocità del flusso d'aria di atomizzazione, minori sono le dimensioni critiche delle goccioline metalliche, ossia minori sono le dimensioni delle goccioline madri di liquido dopo la frammentazione e, di conseguenza, minore è la granulometria media della polvere atomizzata ottenuta.