Forskningsframsteg om gasatomisering för beredning av metallpulver som används i 3D-utskrift
3D-utskriftsteknik, även känd som additiv tillverkning, uppstod på 1930-talet. Det är en teknik som bygger delar lager för lager (t.ex. med metallpulver) baserat på en datorgenererad- tre-dimensionell modell. Jämfört med traditionell subtraktiv tillverkning erbjuder 3D-utskrift fördelar som hög designfrihet, högt materialutnyttjande och förmågan att tillverka komplexa strukturer, vilket visar breda tillämpningsmöjligheter inom flyg, medicinsk utrustning, precisionstillverkning och andra områden. Utvecklingen av 3D-utskrift av metall är starkt beroende av högpresterande metallpulver, vars egenskaper direkt avgör kvaliteten och prestandan hos utskrivna delar. Idealiska metallpulver för 3D-utskrift måste ha hög sfäricitet, liten partikelstorlek, snäv partikelstorleksfördelning, hög renhet och god flytbarhet.
Gas atomization (GA), som den primära metoden för att producera metallpulver, har sitt ursprung på 1920-talet. Den använder en höghastighetsgasstråle för att träffa en ström av smält metall och bryter den till små droppar som stelnar till sfäriska pulver vid kylning. Pulver som produceras med denna metod uppvisar enhetlig sammansättning, hög sfäricitet och låg föroreningshalt och står för närvarande för 30%–50% av den totala produktionen av metallpulver för 3D-utskrift. Gasförstoftning är dock en komplex process som involverar kopplingen av gas-vätska två-flöde; subtila förändringar i processparametrar kan leda till betydande skillnader i pulveregenskaper, vilket påverkar prestandan hos tryckta delar. Därför är en systematisk genomgång av forskningsframsteg inom gasatomiseringsteknik av stor betydelse för att främja utvecklingen av 3D-printbranschen.
Prestandakrav för metallpulver för 3D-utskrift
I 3D-utskriftsprocessen fungerar metallpulver som råmaterial, och deras prestanda påverkar direkt enhetligheten i pulverspridningen, sintringskvaliteten och delarnas slutliga mekaniska egenskaper. Nyckelprestandaindikatorer inkluderar pulverrenhet, partikelstorlek, syrehalt och återvinningsbarhet.
2.1 Pulverrenhet
Närvaron av föroreningselement kan reagera med baspulvret, vilket minskar materialets termodynamiska stabilitet och mekaniska egenskaper. Till exempel adsorberar Ti-6Al-4V-legeringspulver lätt N, O, H och andra element när de värms upp, vilket leder till prestandaförsämring. Men i vissa fall kan föroreningar ha positiva effekter, såsom föroreningar i Al2O3 keramiskt pulver som kan sänka sintringstemperaturen och underlätta processen. Därför måste pulvrets renhet justeras enligt den specifika applikationen.
2.2 Partikelstorlek
Partikelstorleken påverkar direkt lagertjockleken av pulverspridning (vanligtvis 50–100 μm) och sintringsdrivkraften. Laserformningsprocesser använder vanligtvis pulverpartikelstorlekar på 30–50 μm, medan elektronstråleformning använder 50–90 μm. Partiklar som är för fina tenderar att orsaka ojämn spridning och "kulning"-fenomen, medan alltför grova partiklar ökar divergensvinkeln och minskar utnyttjandeeffektiviteten. Helst behövs en blandning av fina och grova pulver i ett lämpligt förhållande för att balansera flytbarhet och sintringsprestanda.
2.3 Syrehalt
Syrehalten kommer huvudsakligen från finfördelningsgasen och utrustningen. Hög syreförorening kan bilda tidigare partikelgränser (PPB), vilket försämrar legeringsprestanda. Studier har visat att syrehalten i pulver är relaterad till partikelstorleken; när partikelstorleken minskar, ökar syrehalten. Vakuumuppvärmning eller reduktionsbehandling kan effektivt minska syrehalten.
2.4 Pulveråtervinningsbarhet
Kostnaden för 3D-utskriftspulver är hög, och återvinning kan avsevärt spara råmaterial. Till exempel, efter 21 cykler av användning, visade Ti-6Al-4V-pulver en ökning av syrehalten från endast 0,08% till 0,19%, och osmälta partiklar kunde återanvändas. Att öka antalet återvinningscykler kan förbättra krandensiteten och flytbarheten utan att påverka mikrostrukturen eller de mekaniska egenskaperna.
Grundläggande principer för pulverframställning genom gasatomisering
Gasatomisering använder en gasstråle med hög-hastighet för att bryta en ström av smält metall till droppar, som sedan stelnar till sfäriska pulver vid kylning. Processen består av tre steg: metallsmältning, finfördelning och kylning/stelning. Inerta gaser (t.ex. kväve, argon) används vanligtvis som finfördelningsmedium för att undvika oxidation. Gasatomiseringsprocessen kan delas in i fyra zoner:
Zon I (turbulenszon med negativt tryck):Finfördelningsgasen skapar ett undertryck vid munstyckets utgång, vilket drar den smälta metallströmmen och sprider den i vätskeremsor.
Zon II (primär droppbildningszon):Vätskeremsorna bryts initialt till droppar under inverkan av ytspänning och gasflöde.
Zon III (effektiv finfördelningszon):Den snabba-gasstrålen bryter ytterligare dropparna till finare partiklar.
Zon IV (kyl- och stelningszon):Dropparna faller fritt och stelnar till sfäriska pulver vid kylning.