Zerstäubungsverfahren in der Pulvermetallurgie auf Basis der Satellitenpulvertechnologie

Die Gaszerstäubung von Metallschmelzen ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern für die additive Fertigung. Die durch Gaszerstäubung gewonnenen Pulver enthalten jedoch gewöhnlich große Mengen an Satellitenpulver, was sich nachteilig auf den additiven Fertigungsprozess von Metallen auswirkt. In dieser Arbeit wird der Staubwirbel in der Rückströmzone durch das Einleiten eines zusätzlichen Luftstroms und durch Maßnahmen zur Gasgleichrichtung wie eine stufenförmige Struktur der Zerstäubungskammer unterdrückt, wodurch die Bildung von Satellitenpulver kontrolliert wird.

Die numerische Simulation wurde mit der Software für numerische Strömungsmechanik ANSYS Fluent durchgeführt, um die makroskopischen Eigenschaften des Strömungsfelds in der Zerstäubungskammer sowie die Gesetzmäßigkeit der Änderung der Partikelbewegungsbahn bei Einleitung eines zusätzlichen Luftstroms oder bei Verwendung einer stufenförmigen Struktur der Zerstäubungskammer zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Staubwirbel in der Rückströmzone wirksam unterdrückt werden kann, wenn am oberen Teil der Zerstäubungskammer in einem Abstand von R/2 vom Mittelpunkt der Zerstäubungskammer (R ist der Radius der Zerstäubungskammer) ein zusätzlicher Luftstrom mit einem Verhältnis des zusätzlichen Luftstroms zum Zerstäubungsluftstrom von mehr als 0,8 eingeleitet wird; eine Zerstäubungskammer mit einer Stufenbreite von 300 mm und einer Höhe von 575-600 mm kann den Staubwirbel in der Rückströmzone ebenfalls wirksam unterdrücken. Auf Grundlage der Ergebnisse der numerischen Simulation wurde durch Maßnahmen zur Gasgleichrichtung TC4-Titanlegierungspulver hergestellt und dessen Partikelgrößenverteilung, Sphärizität und Vegetationsindex untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Vegetationsindex im Vergleich zu dem ohne Maßnahmen zur Gasgleichrichtung hergestellten Pulver um etwa 45 % reduziert war.

Die additive Fertigung ist heute eine der vielversprechendsten Fertigungstechnologien. Sie stellt das traditionelle Verarbeitungskonzept auf den Kopf und eröffnet der zukünftigen Verarbeitungstechnologie einen breiten Entwicklungsraum. Metallpulver ist der am häufigsten verwendete Rohstoff für die additive Fertigung von Metallen. Im Vergleich zu herkömmlichen pulverbasierten Verarbeitungstechnologien stellt die additive Fertigung von Metallen jedoch besondere Anforderungen an die Partikelgrößenverteilung, Reinheit, Sphärizität und andere Kennwerte des Metallpulvers. Metallpulver, das für thermisches Spritzen, Pulvermetallurgie und andere Verfahren verwendet wird, kann nicht direkt für die additive Fertigung von Metallen eingesetzt werden. Daher muss die Technologie zur Herstellung von Metallpulvern verbessert werden, um die Anforderungen der additiven Fertigung von Metallen zu erfüllen. Die Gaszerstäubung von Metallschmelzen (GA) ist derzeit eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern für die additive Fertigung.

Sie bietet die Vorteile niedriger Kosten, eines breiten Anwendungsbereichs und einer hohen Ausbeute an Feinpulver. Das im traditionellen Verfahren zur Herstellung von gaszerstäubtem Pulver hergestellte Metallpulver enthält jedoch häufig große Mengen an Satellitenpulver, also fehlerhaftes Pulver, das entsteht, wenn mehrere kleine Pulverpartikel an der Oberfläche großer Pulverpartikel haften. Das Vorhandensein von Satellitenpulver verringert die Schüttdichte, Sphärizität und Fließfähigkeit des Metallpulvers, was dem Auftragen des Pulvers entgegenwirkt und den additiven Fertigungsprozess von Metallen erheblich beeinflusst, insbesondere einige Verfahren, die auf der Pulverauftragung basieren.

Darüber hinaus lässt sich dieses fehlerhafte Pulver durch nachgelagerte Behandlungsmethoden nur schwer wirksam entfernen, sodass seine Bildung bereits an der Quelle kontrolliert werden muss. Untersuchungen zufolge erzeugt die geschlossene Struktur der Zerstäubungskammer in der Nähe ihrer Seitenwände makroskopische Wirbel, die als Gasrückströmung (GR) bezeichnet werden und einige vollständig erstarrte Partikel kleiner Größe mitreißen. Die Kollision zwischen den in der Rückströmzone aufwärts wirbelnden kleinen Partikeln und den großen, im vorgeschalteten Zerstäubungsluftstrom noch nicht vollständig erstarrten Tropfen ist einer der Hauptgründe für die Bildung von Satellitenpulver. Daher hat sich die Anwendung von Maßnahmen zur Gasgleichrichtung zur Begrenzung der durch die Rückströmung verursachten Staubwirbel als wirksames Mittel zur makroskopischen Kontrolle der Satellitenpulverbildung erwiesen. Zu den derzeit eingesetzten Maßnahmen zur Gasgleichrichtung zur Kontrolle von Satellitenpulver gehören die Einleitung eines zusätzlichen Luftstroms und die Verbesserung der Struktur der Zerstäubungskammer. Der Einfluss der Gleichrichtungsparameter, wie der zusätzliche Luftdurchsatz und die Größe der Zerstäubungskammer, auf die Eigenschaften des Strömungsfelds in der Rückströmzone und die Wirbelbewegung des Staubs wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht.