Forskningsfremskridt vedrørende gasforstøvning til fremstilling af metalpulvere, der bruges til 3D-print
3D-printteknologi, også kendt som additiv fremstilling, opstod i 1930'erne. Det er en teknik, der bygger dele lag for lag (f.eks. ved hjælp af metalpulver) baseret på en computer-genereret tre-dimensionel model. Sammenlignet med traditionel subtraktiv fremstilling giver 3D-print fordele såsom høj designfrihed, høj materialeudnyttelse og evnen til at fremstille komplekse strukturer, hvilket viser brede anvendelsesmuligheder inden for rumfart, medicinsk udstyr, præcisionsfremstilling og andre områder. Udviklingen af metal 3D-print er stærkt afhængig af{11}}højtydende metalpulvere, hvis egenskaber direkte bestemmer kvaliteten og ydeevnen af printede dele. Ideelt metalpulver til 3D-print skal have høj sfæriskhed, lille partikelstørrelse, snæver partikelstørrelsesfordeling, høj renhed og god flydeevne.
Gasforstøvning (GA), som den primære metode til fremstilling af metalpulvere, opstod i 1920'erne. Den bruger en gasstråle med høj-hastighed til at støde ind i en strøm af smeltet metal og bryde den i små dråber, der størkner til sfæriske pulvere ved afkøling. Pulvere fremstillet ved denne metode udviser ensartet sammensætning, høj sfæriskhed og lavt indhold af urenheder og udgør i øjeblikket 30-50 % af den samlede produktion af metalpulver til 3D-print. Imidlertid er gasforstøvning en kompleks proces, der involverer kobling af gas-væske to--fasestrøm; subtile ændringer i procesparametre kan føre til betydelige forskelle i pulverkarakteristika og derved påvirke ydeevnen af trykte dele. Derfor er en systematisk gennemgang af forskningsfremskridt inden for gasforstøvningsteknologi af stor betydning for at fremme udviklingen af 3D-printindustrien.
Ydeevnekrav for metalpulver til 3D-print
I 3D-printprocessen tjener metalpulvere som råmateriale, og deres ydeevne påvirker direkte ensartetheden af pulverspredning, sintringskvalitet og delenes endelige mekaniske egenskaber. Nøgleydelsesindikatorer omfatter pulverets renhed, partikelstørrelse, oxygenindhold og genanvendelighed.
2.1 Pulverrenhed
Tilstedeværelsen af urenhedselementer kan reagere med basispulveret, hvilket reducerer materialets termodynamiske stabilitet og mekaniske egenskaber. For eksempel adsorberer Ti-6Al-4V legeringspulver let N, O, H og andre elementer, når de opvarmes, hvilket fører til ydeevneforringelse. Men i nogle tilfælde kan urenheder have positive effekter, såsom urenheder i Al2O3 keramisk pulver, der kan sænke sintringstemperaturen og lette processen. Derfor skal pulverets renhed justeres i henhold til den specifikke anvendelse.
2.2 Partikelstørrelse
Partikelstørrelsen påvirker direkte lagtykkelsen af pulverspredning (typisk 50-100 μm) og sintringsdrivkraften. Laserformningsprocesser bruger almindeligvis pulverpartikelstørrelser på 30-50 μm, mens elektronstråledannelse bruger 50-90 μm. Partikler, der er for fine, har tendens til at forårsage ujævn spredning og "balling"-fænomener, mens alt for grove partikler øger divergensvinklen og reducerer udnyttelseseffektiviteten. Ideelt set er en blanding af fine og grove pulvere i et passende forhold nødvendig for at balancere flydeevne og sintringsydelse.
2.3 Iltindhold
Iltindholdet stammer hovedsageligt fra forstøvningsgassen og udstyr. Høj iltkontamination kan danne tidligere partikelgrænser (PPB), hvilket forringer legerings ydeevne. Undersøgelser har vist, at iltindholdet i pulvere er relateret til partikelstørrelsen; når partikelstørrelsen falder, stiger iltindholdet. Vakuumopvarmning eller reduktionsbehandling kan effektivt reducere iltindholdet.
2.4 Genanvendelighed af pulver
Omkostningerne ved 3D-printpulver er høje, og genanvendelse kan spare råmaterialer betydeligt. For eksempel viste Ti-6Al-4V-pulver efter 21 brugscyklusser en stigning i oxygenindholdet fra kun 0,08% til 0,19%, og usmeltede partikler kunne genbruges. Forøgelse af antallet af genbrugscyklusser kan forbedre tapdensiteten og flydeevnen uden at påvirke mikrostrukturen eller de mekaniske egenskaber.
Grundlæggende principper for pulverproduktion ved gasforstøvning
Gasforstøvning bruger en høj-gasstråle til at bryde en strøm af smeltet metal til dråber, som derefter størkner til sfæriske pulvere ved afkøling. Processen består af tre trin: metalsmeltning, forstøvningspåvirkning og afkøling/størkning. Inerte gasser (f.eks. nitrogen, argon) bruges almindeligvis som forstøvningsmedium for at undgå oxidation. Gasforstøvningsprocessen kan opdeles i fire zoner:
Zone I (turbulenszone med negativt tryk):Forstøvningsgassen skaber et undertryk ved dyseudgangen, som trækker den smeltede metalstrøm og spreder den i væskestrimler.
Zone II (primær dråbedannelseszone):Væskestrimlerne brydes indledningsvis i dråber under påvirkning af overfladespænding og gasstrøm.
Zone III (effektiv forstøvningszone):Den høje-gasstråle nedbryder dråberne yderligere til finere partikler.
Zone IV (køle- og størkningszone):Dråberne falder frit og størkner til sfæriske pulvere ved afkøling.