Progrés de la investigació sobre l'atomització de gasos per a la preparació de pols metàl·liques utilitzats en la impressió 3D
La tecnologia d'impressió 3D, també coneguda com a fabricació additiva, va sorgir a la dècada de 1930. És una tècnica que construeix peces capa per capa (p. ex., utilitzant pols metàl·liques) basada en un model tridimensional-generat per ordinador . En comparació amb la fabricació subtractiva tradicional, la impressió 3D ofereix avantatges com ara una gran llibertat de disseny, una gran utilització de materials i la capacitat de fabricar estructures complexes, mostrant àmplies perspectives d'aplicació en aeroespacial, dispositius mèdics, fabricació de precisió i altres camps. El desenvolupament de la impressió 3D metàl·lica depèn en gran mesura de pols metàl·liques{11}}d'alt rendiment, les característiques de les quals determinen directament la qualitat i el rendiment de les peces impreses. Les pols metàl·liques ideals per a la impressió 3D han de tenir una alta esfericitat, una mida de partícula petita, una distribució estreta de la mida de partícula, una puresa elevada i una bona fluïdesa.
L'atomització de gas (GA), com a mètode principal per produir pols metàl·liques, es va originar a la dècada de 1920. Utilitza un raig de gas-d'alta velocitat per incidir en un corrent de metall fos, trencant-lo en petites gotes que es solidifiquen en pols esfèriques en refredar-se. Les pols produïdes per aquest mètode presenten una composició uniforme, una alta esfericitat i un baix contingut d'impureses, i actualment representen entre el 30% i el 50% de la producció total de pols metàl·liques per a la impressió 3D. No obstant això, l'atomització de gas és un procés complex que implica l'acoblament del flux bi-gas-líquid; Els canvis subtils en els paràmetres del procés poden provocar diferències significatives en les característiques de la pols, afectant així el rendiment de les peces impreses. Per tant, una revisió sistemàtica del progrés de la investigació en tecnologia d'atomització de gasos és de gran importància per promoure el desenvolupament de la indústria de la impressió 3D.
Requisits de rendiment de les pols metàl·liques per a la impressió 3D
En el procés d'impressió 3D, les pols metàl·liques serveixen com a matèria primera, i el seu rendiment afecta directament la uniformitat de la dispersió de la pols, la qualitat de la sinterització i les propietats mecàniques finals de les peces. Els indicadors clau de rendiment inclouen la puresa de la pols, la mida de les partícules, el contingut d'oxigen i la reciclabilitat.
2.1 Puresa de la pols
La presència d'elements d'impuresa pot reaccionar amb la pols base, reduint l'estabilitat termodinàmica i les propietats mecàniques del material. Per exemple, la pols d'aliatge Ti-6Al-4V adsorbeix fàcilment N, O, H i altres elements quan s'escalfa, provocant una degradació del rendiment. Tanmateix, en alguns casos, les impureses poden tenir efectes positius, com ara les impureses de la pols ceràmica Al2O3 que poden reduir la temperatura de sinterització i facilitar el procés. Per tant, la puresa de la pols s'ha d'ajustar segons l'aplicació específica.
2.2 Mida de partícula
La mida de les partícules afecta directament el gruix de la capa de dispersió de pols (normalment 50-100 μm) i la força motriu de sinterització. Els processos de formació per làser utilitzen habitualment mides de partícules en pols de 30-50 μm, mentre que la formació de feix d'electrons utilitza 50-90 μm. Les partícules massa fines tendeixen a provocar fenòmens de propagació desigual i de "bola", mentre que les partícules excessivament gruixudes augmenten l'angle de divergència i redueixen l'eficiència d'utilització. Idealment, es necessita una barreja de pols fines i gruixudes en una proporció adequada per equilibrar la fluïdesa i el rendiment de sinterització.
2.3 Contingut d'oxigen
El contingut d'oxigen prové principalment del gas d'atomització i dels equips. Una alta contaminació d'oxigen pot formar límits de partícules previs (PPB), deteriorant el rendiment de l'aliatge. Els estudis han demostrat que el contingut d'oxigen de les pols està relacionat amb la mida de les partícules; a mesura que disminueix la mida de les partícules, augmenta el contingut d'oxigen. L'escalfament al buit o el tractament de reducció poden reduir eficaçment el contingut d'oxigen.
2.4 Reciclabilitat de pols
El cost de les pols d'impressió 3D és elevat i el reciclatge pot estalviar de manera significativa les matèries primeres. Per exemple, després de 21 cicles d'ús, la pols de Ti-6Al-4V va mostrar un augment del contingut d'oxigen només del 0,08% al 0,19% i les partícules no foses es podrien reutilitzar. Augmentar el nombre de cicles de reciclatge pot millorar la densitat de l'aixeta i la fluïdesa sense afectar la microestructura o les propietats mecàniques.
Principis bàsics de la producció de pols per atomització de gas
L'atomització de gas utilitza un raig de gas{0}}d'alta velocitat per trencar un corrent de metall fos en gotes, que després es solidifiquen en pols esfèriques en refredar-se. El procés consta de tres etapes: fusió del metall, impacte d'atomització i refredament/solidificació. Els gasos inerts (per exemple, nitrogen, argó) s'utilitzen habitualment com a mitjà d'atomització per evitar l'oxidació. El procés d'atomització de gas es pot dividir en quatre zones:
Zona I (zona de turbulència de pressió negativa):El gas d'atomització crea una pressió negativa a la sortida del broquet, que atrau el corrent de metall fos i el dispersa en tires líquides.
Zona II (zona primària de formació de gotes):Les tires de líquid es trenquen inicialment en gotes sota les accions de la tensió superficial i el flux de gas.
Zona III (zona d'atomització efectiva):El raig de gas-alta velocitat trenca encara més les gotes en partícules més fines.
Zona IV (zona de refredament i solidificació):Les gotes cauen lliurement i es solidifiquen en pols esfèriques en refredar-se.