Fenomeni satellitari nelle polveri metalliche: Un'immersione profonda nelle sfide della produzione additiva

1 Introduzione

Come tecnologia di produzione emergente, la tecnologia di produzioneadditiva è ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, automobilistico, dei dispositivi medici e in altri campi che richiedono una lavorazione di alta precisione. Rispetto ai processi di produzione tradizionali, come la spruzzatura termica, la polvere metallica utilizzata nella produzione additiva deve soddisfare i requisiti di piccole dimensioni delle particelle, elevata sfericità, buona fluidità, basso contenuto di ossigeno e altre caratteristiche.

Pertanto, la preparazione e lo sviluppo di speciali polveri metalliche ad alte prestazioni adatte alla fabbricazione additiva è una delle chiavi per lo sviluppo della tecnologia di fabbricazione additiva.

Fig. 1 Apparecchiatura per la produzione di polveri aerosolizzate

2 Impatto della polvere satellite

2.1 Informazioni sulla polvere satellite

La polvere satellite è una polvere difettosa che si forma quando molte piccole particelle di polvere aderiscono alla superficie di una particella di polvere più grande. Queste particelle sono disposte intorno alle particelle di polvere di base come i satelliti orbitano intorno ai pianeti. Tale disposizione fa sì che le particelle più grandi formino una o più strutture ad anello attorno alla polvere di base, simili all'orbita di un pianeta attorno a una stella. Per questo motivo, il fenomeno viene definito polvere di satelliti (vedi Figura 2).

Fig. 2 Morfologia microscopica della polvere satellite

Il fenomeno della polvere satellite si verifica di solito durante la metallurgia delle polveri e la lavorazione metallurgica delle polveri, che coinvolge una varietà di polveri di metalli e leghe. In generale, la polvere satellite può verificarsi con qualsiasi polvere metallica utilizzata nella metallurgia delle polveri, ma alcuni metalli o leghe possono essere più suscettibili al fenomeno, a seconda delle loro proprietà e delle condizioni di preparazione. Ecco alcuni tipi di metalli che possono essere più sensibili alle polveri satelliti.

1.Ferro e leghe a base di ferro: Polvere di ferro micro, polvere di tungsteno ferroso, polvere di niobio ferroso.

2.Cobalto e sue leghe: Micro polvere di cobalto, polvere di carburo di tungsteno/cobalto/cromo, polvere di lega a base di cobalto (Co-Cr-Mo).

Inoltre, anche le polveri di nichel, titanio, alluminio e le loro leghe sono maggiormente utilizzate nell'industria metallurgica e possono essere influenzate dalle polveri satellitari.

2.2 Pericoli per la produzione di polveri metalliche

La presenza di polveri satelliti riduce la densità di massa, la sfericità e la fluidità delle polveri metalliche, a scapito del processo di stratificazione delle polveri. Ha inoltre un impatto non trascurabile sui processi di fabbricazione additiva dei metalli (in particolare su alcuni processi basati su tecniche di stratificazione delle polveri).

Inoltre, con la formazione di polveri satellite, le particelle di polvere più grandi tendono a raggrupparsi a causa dell'adsorbimento e della tensione superficiale tra le particelle. L'adsorbimento e la tensione superficiale possono far sì che la polvere satellite aderisca strettamente alle particelle di polvere di base, aumentando la difficoltà di separazione. Questa polvere difettosa è quindi difficile da rimuovere efficacemente utilizzando un trattamento successivo e la sua formazione deve essere controllata alla fonte.

Fig. 3 Micro polvere di ferro

3 Cause della polvere satellite

3.1 Cause di agglomerazione della polvere

Il fenomeno della polvere satellite generato durante la lavorazione delle polveri metalliche è strettamente legato alla natura intrinseca delle particelle di polvere stesse. Le ragioni della sua formazione includono principalmente l'attrazione reciproca tra le particelle di polvere, la disomogeneità delle particelle e le differenze di distribuzione e densità.

1.Attrazionereciproca traparticelle di polvere: Nel letto di polvere, può esserci un certo grado di attrazione tra le particelle di polvere metallica, con conseguente aggregazione a formare polvere satellite.

2.Forma e dimensioni non uniformidelleparticelle di polvere: Se la forma e le dimensioni della polvere metallica non sono uniformi, alcune delle particelle più grandi possono attrarre le particelle più piccole intorno a loro, formando polveri satellite.

3.Differenze nella distribuzione e nella densità della polvere: La densità dello strato di polvere può essere disomogenea, con conseguente accumulo di polvere in alcuni punti rispetto ad altri, con conseguente formazione di polveri satellite.

Queste tre cause si riassumono essenzialmente nell'attrazione reciproca tra le particelle di polvere, che fa sì che le particelle di polvere si attraggano e si aggreghino l'una con l'altra formando la polvere satellite.

3.2 Fattori legati alle attrezzature

La formazione di polvere satellite è strettamente legata alle attrezzature e agli impianti utilizzati per la produzione di polveri metalliche sferiche. L'immagine che segue mostra il modello di una camera di atomizzazione, completo di impostazioni delle condizioni al contorno che sottolineano l'ambiente e i parametri cruciali per la produzione di polveri metalliche sferiche.

Fig. 4 Modello della camera di atomizzazione e configurazione delle condizioni al contorno

È stato studiato che la struttura chiusa della camera di atomizzazione genera vortici su macroscala vicino alle pareti laterali, noti come ricircolo di gas (GR), che trascinano alcune particelle di piccole dimensioni completamente solidificate. La collisione tra le particelle di piccole dimensioni che risalgono nella zona di ricircolo e le goccioline di grandi dimensioni non ancora solidificate nel flusso di gas atomizzato a monte è una delle cause principali della formazione di polvere satellitare.

Pertanto, l'adozione di misure di rettifica del gas per limitare il giro di polvere causato dal riflusso diventa un mezzo efficace per controllare la formazione di polvere satellite su macroscala. Attualmente, le misure di rettifica del gas per il controllo della polvere satellite includono l'imposizione di un flusso d'aria ausiliario ^[9,10] e il miglioramento della struttura della camera di atomizzazione.

4 Strategie per mitigare la formazione di polvere satellitare

I difetti della polvere satellite si formano principalmente nella fase di atomizzazione secondaria, dove le goccioline di piccole dimensioni, a causa della loro grande superficie specifica e dell'elevata velocità di raffreddamento, si solidificano e si scontrano con le goccioline di grandi dimensioni non ancora completamente solidificate e infine si attaccano alla superficie delle particelle di grandi dimensioni, formando la polvere satellite. Pertanto, un'idea di base è quella di rendere le goccioline completamente disperse modificando l'angolo di incidenza del gas, in modo da ridurre efficacemente la generazione di polvere satellite.

Un'altra idea è quella di modificare il tempo di solidificazione della polvere e la concentrazione delle particelle in vari stati controllando la velocità di atomizzazione e la pressione della camera di atomizzazione, mantenendo costanti le altre condizioni, per risolvere il problema della riduzione della collisione tra le particelle e dell'adesione delle polveri fini. Con la riduzione del tasso di atomizzazione, il tempo di solidificazione della polvere si accorcia, riducendo efficacemente il fenomeno dell'adesione della polvere; con la riduzione della pressione nella camera di atomizzazione, la concentrazione di polvere fine nella camera di atomizzazione diminuisce gradualmente, quindi diminuisce anche la possibilità di collisione tra le polveri, migliorando la sfericità della polvere.

Dall'osservazione del processo di aerosolizzazione, è emerso che una parte delle piccole particelle di polvere saliva verso l'alto con il gas di riflusso, rientrava nell'area di atomizzazione e si scontrava con le gocce di liquido non ancora solidificate per formare polvere satellite. Inibendo il gas di riflusso, è possibile evitare il fenomeno del riflusso della polvere fine per ridurre la polvere satellite.

Inoltre, la riduzione della generazione di polvere satellite può essere ottenuta aggiungendo un flusso d'aria ausiliario per sopprimere il riflusso. Quando un flusso d'aria ausiliario con un rapporto di nebulizzazione ausiliario >0,8 viene applicato a 1/2R dal centro della telecamera, il flusso d'aria ausiliario può inibire efficacemente il ciclone della polvere. Inoltre, la struttura della camera di atomizzazione a gradini può sopprimere efficacemente il ciclone della polvere quando la dimensione del gradino è D=300 mm, ΔH=575-600 mm e l'angolo del gradino è moderato (vedere la tabella seguente) ^[14].

Tabella 1 Caratteristiche morfologiche dei campioni di polvere

5 Conclusione

La formazione di polvere satellite nel processo di fabbricazione additiva (AM) è un problema critico che influisce sulla qualità delle polveri metalliche. La presenza di polvere satellite riduce la densità di caricamento della polvere metallica, la sfericità e la mobilità, ma non favorisce il processo di deposizione della polvere.

Nel processo di aerosolizzazione, la collisione tra le particelle di piccole dimensioni che si accumulano nella zona di riflusso e le goccioline di grandi dimensioni non ancora solidificate nel flusso di gas aerosolizzato a monte è una delle ragioni principali della formazione di polvere satellite. Anche i fattori legati alle apparecchiature, come il design della camera di atomizzazione e le condizioni al suo interno, svolgono un ruolo significativo.

A questo proposito, l'inibizione del gas di ritorno, come l'aggiunta di un flusso di gas ausiliario, è una soluzione efficace. Le strategie per ridurre la formazione di polvere satellite includono anche l'ottimizzazione degli angoli di incidenza del gas, la regolazione dei tempi di solidificazione e delle concentrazioni di particelle e l'impiego di un flusso d'aria ausiliario. Queste misure mirano a migliorare la qualità della polvere riducendo gli agglomerati indesiderati e migliorando l'efficienza e l'affidabilità del processo di produzione in settori come quello aerospaziale, automobilistico e dei dispositivi medici.

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Riferimenti:

[1] Fuzhong Chu, Kai Zhang, Haopeng Shen, Meijuan Liu, Wenjing Huang, Xi Zhang, Enquan Liang, Zongyan Zhou, Liming Lei, Juan Hou, Aijun Huang, Influenza del satellite e dell'agglomerazione della polvere sulla lavorabilità della polvere di AlSi10Mg nella fusione laser a letto di polvere, Journal of Materials Research and Technology, Volume 11, 2021, Pagine 2059-2073, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X

Link correlati:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X