Принцип приготовления металлического порошка методом газового распыления и факторы, влияющие на характеристики порошка

Как ключевое сырье для аддитивного производства, качество металлического порошка во многом определяет конечное качество продукта. С быстрым развитием технологии аддитивного производства и спецификой его процесса требования к качеству металлических порошков становятся все выше и выше, такие как высокая сферичность, хорошая текучесть, низкое содержание газа и примесей и т. д. В то же время, с постоянным расширением области применения аддитивного производства, требуется все больше и больше видов металлических порошков. Существует много методов приготовления металлических порошков, среди которых газовое распыление стало основным методом приготовления высокопроизводительных металлических и сплавных порошков.

По сравнению с другими методами получения порошков, газовое распыление имеет следующие преимущества: широкий спектр применения, позволяет производить различные металлические порошки и предварительно легированные порошки, которые невозможно получить другими методами; высокая скорость охлаждения (10^4 ~10^6 ℃/с) и высокое переохлаждение; полученный порошок имеет высокую сферичность и контролируемый размер частиц порошка и т. д.

Принцип получения порошка методом газового распыления Основной принцип газового распыления заключается в использовании высокоскоростного потока воздуха для воздействия на расплавленный металл, преобразования кинетической энергии газа в поверхностную энергию расплавленного металла посредством столкновения, в результате чего поток расплавленного металла разбивается на мелкие капли, а затем быстро охлаждается и затвердевает в атмосфере воздушного потока, образуя порошок.

В процессе изготовления порошка газовой атомизации сырье для лигатуры проходит три основных процесса: плавление, атомизация и затвердевание. В настоящее время основной процесс атомизации осуществляется в вакууме или среде инертного газа для снижения содержания кислорода и примесей в порошке и повышения чистоты порошка. Исследования показали, что кислород в порошке в основном вносится во время процесса плавки. Поэтому, будь то при приготовлении лигатуры или в процессе атомизации, необходимо поддерживать вакуум или среду инертного газа. После расплавления лигатуры она разбивается и рассеивается на мелкие капли с помощью потока воздуха под высоким давлением и высокой скоростью (инертный газ). Мелкие капли быстро теряют тепло во время процесса падения и быстро затвердевают в сферический порошок под действием поверхностного натяжения.

Факторы, влияющие на морфологию порошка

Морфологию аэрозольного порошка можно разделить на правильные сферы и неправильные формы, что связано с относительным размером времени сфероидизации и времени затвердевания капель, образующихся после разрушения металлического расплава. Когда время сфероидизации металлических капель короче времени затвердевания, капли могут быть полностью сфероидизированы до затвердевания, а частицы порошка, образующиеся после затвердевания, имеют более правильную форму и более гладкую поверхность; если время сфероидизации распыленных капель больше времени затвердевания, капли не могут быть полностью сфероидизированы до затвердевания, и после затвердевания образуются нерегулярные частицы порошка. Время сфероидизации капель в основном зависит от вязкости жидкого металла, поверхностного натяжения и размера капель; время затвердевания в основном зависит от удельной теплоемкости капель, теплопроводности капель и перегрева металла.

1. Влияние перегрева расплава. Некоторые исследования показали, что по мере увеличения перегрева порошок меняет форму от неправильной гантелевидной и стержневой к сферической. Когда Чжу Цзяньюн и др. использовали газ для распыления припойного порошка, они обнаружили, что перегрев потока металлической жидкости оказывает определенное влияние на морфологию порошка. Повышение температуры распыления может увеличить скорость комкования порошка и указали причину. Повышение температуры распыления может не только продлить время затвердевания, но и снизить вязкость потока металлической жидкости, тем самым сокращая время комкования.

2. Влияние среды распыления Сюй Тяньхао и др. использовали воздух, аргон, азот и гелий в качестве четырех различных сред распыления для распыления порошка SnAgCu и обнаружили, что сферичность полученного порошка поочередно улучшилась. Сферичность порошка, полученного с использованием воздуха в качестве среды распыления, была наихудшей, а морфология была крайне нерегулярной. Кроме того, чистота среды распыления напрямую влияет на скорость окатывания порошка, поскольку низкая чистота среды распыления приведет к образованию оксидной пленки на поверхности расплавленной капли, что увеличит вязкость расплавленной капли. Пу Юфу и др. также пришли к аналогичному выводу, сравнив распределение размеров частиц распыленного порошка припоя в атмосферах воздуха, гелия, азота, аргона, смеси азота с гелием и смеси азота с аргоном. Ничипоренко распылял свинец, изменяя среду распыления, и обнаружил, что порошки, полученные распылением с воздухом, были несферическими; в то время как при замене распыляющей среды на аргон 85% порошков имели сферическую форму.

3. Влияние давления распыления Давление распыления также оказывает определенное влияние на морфологию порошка. Когда давление распыления высокое, размер частиц металлического порошка мельче, и многие мелкие порошки прилипают друг к другу. Это происходит потому, что когда давление распыляющего газа высокое, энергия распыляющего газа и металлических капель больше, и газ обеспечивает больше энергии потоку металлической жидкости, чтобы разбить его на мелкие капли, делая порошок мельче; в то же время теплообмен между распыляющим газом и потоком металлической жидкости больше, что приводит к более быстрому затвердеванию металлического порошка, вызывая адгезию и агломерацию между мелкими порошками.

Механизм образования полого порошка и метод контроля

Полый порошок является распространенным типом дефекта в аэрозольном порошке. Отверстия обычно существуют в порошках в двух формах: одна - это закрытые поры, образованные распыленным газом, инкапсулированным внутри порошка, и его размер обычно составляет от 10% до 90% порошка, что обычно наиболее распространено в порошках с более крупными размерами частиц (>70 мкм); другая - это поры, образованные затвердеванием и усадкой между дендритами, размер которых обычно составляет менее 5% от размера порошка и распределены внутри и на поверхности порошка. Вообще говоря, с увеличением размера частиц порошка количество, размер и содержание газа в порах в порошке будут соответственно увеличиваться. Образование полого порошка связано с механизмом распада капель во время распыления. Во время процесса аэрозолизации, в зависимости от различной энергии взаимодействия между распыляющим газом и расплавленным металлом, существует много различных типов механизмов распада капель, которые происходят одновременно. Когда происходит разрыв мешка, один из механизмов с самой высокой энергией, крупные капли образуют мешкообразные хлопья под действием потока воздуха и диффундируют в направлении, перпендикулярном потоку газа. Когда вязкость жидкости низкая, внешняя сторона жидкой пленки разрывается, образуя мелкие капли; но в процессе аэрозолизации капли охлаждаются очень быстро, и по мере того, как температура капли быстро падает, вязкость резко увеличивается. Когда вязкость капли достаточно высока, разрыв мешкообразной пленки подавляется, и порты с обеих сторон жидкой пленки объединяются, образуя полую каплю, обернутую распыленным газом, как показано на рисунке ниже. Поэтому, чтобы подавить образование полого порошка, энергия процесса дробления должна быть уменьшена, чтобы избежать возникновения дробления мешкообразного типа, но это трудно сделать без точного контроля процесса распыления.

Механизм и метод управления образованием сателлитного порошка. Сателлитный порошок относится к мелкому порошку, прилипающему к поверхности крупноразмерного порошка, образуя порошковую структуру в форме сателлита, как показано на рисунке ниже. Сателлитный порошок снижает сферичность, текучесть и насыпную плотность порошка и является еще одним распространенным дефектом при изготовлении аэрозольного порошка. В настоящее время существуют две различные теории, объясняющие появление сателлитного порошка. Классическая теория приписывает появление сателлитного порошка столкновению и слипанию мелкого порошка и грубого порошка во время нисходящего полета распылительной камеры. Исследования показали, что в процессе распыления мелкие капли охлаждаются и затвердевают до того, как затвердевают более крупные капли, ускоряются в высокоскоростном потоке воздуха и в конечном итоге сталкиваются и свариваются с более крупными расплавленными каплями, образуя сателлитный порошок. Озбилен обнаружил, что когда распределение размеров частиц распыленного порошка широкое, а поверхность крупнозернистого порошка шероховатая, вероятность появления сателлитного порошка увеличивается.

Андерсон и др. наблюдали в эксперименте по распылению, что вертикальный восходящий поток мелкого порошка можно увидеть вдоль стенки распылительной камеры, и поток воздуха отправляет эти мелкие порошки в поле потока под соплом. Поэтому была предложена другая теория: считается, что затвердевший мелкий порошок всасывается в область впрыска под соплом завихряющимся потоком воздуха и сталкивается с каплями, которые еще не полностью затвердели, в конечном итоге образуя сателлитный порошок. В результате была разработана распылительная камера диаметром 30 см, и эксперименты доказали, что вероятность появления сателлитного порошка была снижена. Однако этот метод приведет к преждевременному столкновению капель с внутренней стенкой распылительной камеры, что снизит скорость извлечения порошка.

Факторы, влияющие на размер частиц порошка

1. Влияние перегрева расплава Lv Haibo изучал влияние температуры перегрева на размер частиц порошка и обнаружил, что с увеличением перегрева размер частиц порошка становится мельче. Ouyang Hongwu также обнаружил, что с увеличением перегрева мелкие частицы имеют тенденцию к увеличению, а средний размер частиц порошка уменьшается. Когда расплав металла достигает определенной температуры, эффект изменения температуры расплава металла для увеличения размера частиц порошка сплава не очевиден. Основная причина может заключаться в том, что расплав металла неизбежно контактирует с воздухом во время распыления. С повышением температуры тенденция окисления металла также усиливается. Образующиеся оксиды смешиваются в расплаве, что снижает текучесть металла и увеличивает вязкость. Когда его эффект компенсируется эффектом снижения вязкости расплава металла из-за повышения температуры, размер частиц распыленного порошка с повышенной температурой не будет значительно увеличиваться.

2. Влияние давления распыления Исследования показали, что с увеличением давления распыления увеличивается выход мелкого порошка. Однако, когда давление распыления увеличивается до определенной степени, увеличение количества мелкого порошка не очень велико, даже если давление распыления увеличивается, что указывает на то, что давление распыления имеет оптимальное значение. Другие обнаружили, что когда давление распыления превышает оптимальное значение, выход мелкого порошка уменьшается с увеличением давления распыления. Это происходит из-за того, что давление распыления слишком высокое, всасывающая сила струйного газа увеличивается, а скорость потока металлической жидкости увеличивается. Мэйтс и др. обнаружили, что с увеличением давления распыления стандартное отклонение распределения размеров частиц полученного порошка уменьшается, что указывает на то, что чем выше давление распыления, тем уже распределение размеров частиц.

3. Влияние соотношения газ-жидкость (GMR) Вольф обнаружил, что средний размер частиц непрерывно уменьшается с увеличением соотношения массового расхода газа-жидкости (GMR), но когда соотношение превышает фиксированное значение, размер частиц порошка не будет дополнительно уменьшаться при увеличении давления распылительного газа или уменьшении расхода потока металлической жидкости. Это значение является пределом распыления используемого распылительного оборудования, а также является наиболее экономичным значением для распыления сверхтонких порошков.

4. Влияние характеристик потока распыляющего газа Относительная скорость потока металлической жидкости и струи газа играет важную роль во всем процессе распыления. Чем больше относительная скорость, тем меньше средний размер частиц распыляемого порошка. Юнал изучал влияние изменения длины сверхзвуковой зоны распыляющего воздушного потока на размер частиц порошка. Считается, что чем длиннее сверхзвуковая зона в распыляющем воздушном потоке, тем меньше размер частиц получаемого порошка. Это связано с тем, что мелкий порошок в основном получается путем вторичного дробления в процессе газового распыления потока металлической жидкости. В области, где происходит вторичное дробление, чем больше скорость распыляющего воздушного потока, тем меньше критический размер капель металла, то есть тем меньше размер капель материнской жидкости после дробления, и, следовательно, тем меньше средний размер частиц получаемого распыляемого порошка.