Gāzes izsmidzināšanas pētniecība 3D drukāšanā izmantoto metāla pulveru sagatavošanai
3D drukas tehnoloģija, kas pazīstama arī kā piedevu ražošana, parādījās pagājušā gadsimta 30. gados. Tas ir paņēmiens, kas veido detaļas slāni pa slānim (piemēram, izmantojot metāla pulverus), pamatojoties uz datora-ģenerētu trīs{6}}dimensiju modeli. Salīdzinot ar tradicionālo subtraktīvo ražošanu, 3D drukāšana piedāvā tādas priekšrocības kā liela dizaina brīvība, augsta materiālu izmantošana un spēja izgatavot sarežģītas struktūras, parādot plašas pielietojuma perspektīvas kosmosa, medicīnas ierīču, precīzas ražošanas un citās jomās. Metāla 3D drukāšanas izstrāde lielā mērā ir atkarīga no augstas veiktspējas metāla pulveriem, kuru īpašības tieši nosaka drukāto detaļu kvalitāti un veiktspēju. Ideāliem metāla pulveriem 3D drukāšanai ir jābūt ar augstu sfēriskumu, mazu daļiņu izmēru, šauru daļiņu izmēru sadalījumu, augstu tīrību un labu plūstamību.
Gāzes izsmidzināšana (GA) kā primārā metode metāla pulveru ražošanai radās 20. gadsimta 20. gados. Tas izmanto ātrdarbīgu-gāzes strūklu, lai ietriektos izkausēta metāla straumē, sadalot to sīkos pilienos, kas pēc atdzesēšanas sacietē sfēriskos pulveros. Ar šo metodi ražotajiem pulveriem ir vienmērīgs sastāvs, augsta sfēriskums un zems piemaisījumu saturs, un pašlaik tie veido 30–50% no kopējās 3D drukāšanai paredzēto metāla pulveru ražošanas apjoma. Tomēr gāzes izsmidzināšana ir sarežģīts process, kas ietver gāzes un šķidruma divu{8}}fāžu plūsmas savienošanu; smalkas procesa parametru izmaiņas var radīt ievērojamas atšķirības pulvera raksturlielumos, tādējādi ietekmējot drukāto detaļu veiktspēju. Tāpēc sistemātiska gāzu izsmidzināšanas tehnoloģijas izpētes progresa pārskatīšana ir ļoti svarīga, lai veicinātu 3D drukas nozares attīstību.
Metāla pulveru veiktspējas prasības 3D drukāšanai
3D drukāšanas procesā metāla pulveri kalpo kā izejmateriāls, un to darbība tieši ietekmē pulvera izkliedes vienmērīgumu, saķepināšanas kvalitāti un detaļu galīgās mehāniskās īpašības. Galvenie darbības rādītāji ietver pulvera tīrību, daļiņu izmēru, skābekļa saturu un pārstrādājamību.
2.1. Pulvera tīrība
Piemaisījumu elementu klātbūtne var reaģēt ar bāzes pulveri, samazinot materiāla termodinamisko stabilitāti un mehāniskās īpašības. Piemēram, Ti-6Al-4V sakausējuma pulveris karsējot viegli adsorbē N, O, H un citus elementus, izraisot veiktspējas pasliktināšanos. Tomēr dažos gadījumos piemaisījumiem var būt pozitīva ietekme, piemēram, Al2O3 keramikas pulvera piemaisījumiem, kas var pazemināt saķepināšanas temperatūru un atvieglot procesu. Tāpēc pulvera tīrība ir jāpielāgo atbilstoši konkrētajam pielietojumam.
2.2 Daļiņu izmērs
Daļiņu izmērs tieši ietekmē pulvera izkliedēšanas slāņa biezumu (parasti 50–100 μm) un saķepināšanas dzinējspēku. Lāzera formēšanas procesos parasti izmanto pulvera daļiņu izmērus 30–50 μm, savukārt elektronu staru veidošanā izmanto 50–90 μm. Pārāk smalkas daļiņas mēdz izraisīt nevienmērīgas izkliedes un "lodīšanās" parādības, savukārt pārāk rupjas daļiņas palielina novirzes leņķi un samazina izmantošanas efektivitāti. Ideālā gadījumā ir nepieciešams smalku un rupju pulveru maisījums atbilstošā proporcijā, lai līdzsvarotu plūstamību un saķepināšanas veiktspēju.
2.3 Skābekļa saturs
Skābekļa saturs galvenokārt rodas no izsmidzināšanas gāzes un aprīkojuma. Augsts skābekļa piesārņojums var veidot iepriekšējas daļiņu robežas (PPB), pasliktinot sakausējuma veiktspēju. Pētījumi liecina, ka skābekļa saturs pulveros ir saistīts ar daļiņu izmēru; samazinoties daļiņu izmēram, palielinās skābekļa saturs. Vakuuma karsēšana vai samazināšana var efektīvi samazināt skābekļa saturu.
2.4. Pulvera pārstrādājamība
3D drukas pulveru izmaksas ir augstas, un pārstrāde var ievērojami ietaupīt izejvielas. Piemēram, pēc 21 lietošanas cikla Ti-6Al-4V pulvera skābekļa saturs palielinājās tikai no 0,08% līdz 0,19%, un neizkusušās daļiņas varēja izmantot atkārtoti. Palielinot pārstrādes ciklu skaitu, var uzlabot krāna blīvumu un plūstamību, neietekmējot mikrostruktūru vai mehāniskās īpašības.
Pulvera ražošanas pamatprincipi ar gāzes izsmidzināšanu
Gāzes izsmidzināšanā tiek izmantota ātrgaitas{0}}gāzes strūkla, lai izkausēta metāla strūklu sadalītu pilienos, kas pēc atdzesēšanas sacietē sfēriskos pulveros. Process sastāv no trim posmiem: metāla kausēšana, izsmidzināšana un dzesēšana/sacietēšana. Inertās gāzes (piemēram, slāpeklis, argons) parasti izmanto kā izsmidzināšanas vidi, lai izvairītos no oksidēšanās. Gāzes izsmidzināšanas procesu var iedalīt četrās zonās:
I zona (negatīva spiediena turbulences zona):Izsmidzināšanas gāze rada negatīvu spiedienu pie sprauslas izejas, kas velk izkausētā metāla plūsmu un izkliedē to šķidrās sloksnēs.
II zona (primārā pilienu veidošanās zona):Šķidruma sloksnes sākotnēji tiek sadalītas pilienos virsmas spraiguma un gāzes plūsmas ietekmē.
III zona (efektīvā izsmidzināšanas zona):Ātrgaitas{0}}gāzes strūkla tālāk sadala pilienus smalkākās daļiņās.
IV zona (dzesēšanas un sacietēšanas zona):Pilieni brīvi nokrīt un atdzesējot sacietē sfēriskos pulveros.