افشانش گازی

افشانش گازی یا اتمیزه کردن گازی  (Gas Atomization, GA) فرآیندی است که در آن فلز مایع توسط یک جت با سرعت بالا از هوا، نیتروژن، آرگون یا هلیوم برای تولید تجاری پودرهای مس، آلیاژهای مس، آلومینیوم و آن استفاده شده و یکی از اصلی‌ترین روش‌های تولید انواع پودر فلزات و آلیاژها شناخته می‌شود. آلیاژها، منیزیم، روی، تیتانیوم، آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای پایه نیکل، آلیاژهای پایه کبالت، سرب، قلع، لحیم کاری، فلزات گرانبها، فلزات نسوز، بریلیم و غیره افشاندگی گاز با افشاندگی آب تفاوت اساسی دارد. نسبت گاز به فلز عامل غالب در کنترل اندازه ذرات است در حالی که فشار محیط تحت تأثیر افشانش آب است. علت این تفاوت اساسی را می‌توان به راحتی توضیح داد که در مورد گازها، افزایش فشار بیش از ۰٫۱ مگاپاسکال، که در آن به سرعت صوتی می‌رسد، بسیار زیاد است. در مقابل برای افزایش کوچک در سرعت گاز، برای رسیدن به سرعت صوتی با جت آب، فشاری نزدیک به ۴۰ مگاپاسکال مورد نیاز است و سرعت به‌طور یکنواخت با جذر فشار افزایش می‌یابد. علاوه بر این، افشاندگی گاز که در حین افشاندگی آب صورت می‌گیرد، جریانی از قطرات در یک جریان گاز به درون جریان گاز بر روی یک زنجیره عمل می‌کند. چگالی محیط آب حدود هزار برابر بیشتر از گازهای معمولی است که بسیار زیاد است. تأثیر بیشتر افشانش هوا برای تولید پودر آلومینیوم، مس، برنج و روی استفاده می‌شود. گازهای بی اثر در هنگام افشانش فلزات واکنش‌پذیر مانند سوپرآلیاژها و تیتانیوم، محتوای آن باید کم باشد. سالانه در سراسر جهان تناژ پودرهای فلزی افشانده با گاز بی اثر بسیار کمتر از پودرهای افشانده با آب است. رابطه بین محموله‌های پودرهای آهنی و غیر آهنی حدود ۴ به ۱ است. اما از نظر ارزش بازار، آلومینیوم، نقره، و روی همگی به ارزش پودرهای آهن نزدیک هستند.

در حال حاضر افشانش گاز (GA) روش اصلی تولید تجاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم است. نرخ انجماد بالا ساختار ظرافت و همگن تر را ایجاد می‌کند. ترکیب پودر GA بی اثر، سطح ذرات پودر ناشی از اکسیداسیون قوی را محافظت می‌کند.

نازل افشانش 
در این تکنیک از جت یا جت‌های گاز یا هوا برای شکستن مذاب فلز و منجمد کردن آن به پودر استفاده می‌شود. دو نوع اساسی نازل افشانش وجود دارد:

۱) بسته یا نزدیک به هم و ۲) باز یا سقوط آزاد

در نازل باز یا سقوط آزاد، جریانی از فلز به فاصله قابل توجهی، اغلب ۵۰ تا ۱۵۰ میلی‌متر، از یک نازل سرامیکی قبل از اینکه توسط جت‌های گاز یا هوا تحت تأثیر قرار گیرد، سقوط می‌کند. در افشانش با جفت نزدیک، جت گاز یا هوا به مذاب برخورد می‌کند و از نازل خارج می‌شود. به‌طور کلی نازل‌های سقوط آزاد، کارایی کمتری برای ساخت پودر ریز دارند، بدین دلیل که جت‌های گاز معمولاً قبل از برخورد با مذاب ۵۰ تا ۱۵۰ میلی‌متر سفر کرده و در نتیجه سرعت آن کاهش یافته‌است و این در مقایسه با نوع جفت نزدیک، که در آن جت گاز ممکن است تنها ۱۰ تا ۳۰ میلی‌متر قبل از ضربه زدن به مذاب حرکت کند، می‌باشد. همچنین به‌طور کلی سیستم‌های نازل سقوط آزاد، که در آن نازل‌های گاز و فلز به خوبی از هم جدا شده‌اند، بیشتر قابل اعتماد است و راه اندازی آسان‌تر از یک نازل نزدیک دارد، جایی که گاز می‌تواند هم نازل مذاب را سرد کند و هم فشار منفی یا مثبت را در خروجی آن ایجاد کند. این مسئله بر نرخ جریان مذاب تأثیر می‌گذارد.

پارامترهای فرایند 
در فرآیندهای متداول افشانش گاز، فشارهای افشانش معمولاً در محدوده ۰٫۵ تا ۴ مگاپاسکال است و سرعت گاز در نازل‌ها از ۱ تا ۳ ماخ متغیر است. با این حال، در افشاننده‌های (اتمایزرهای) سقوط آزاد، سرعت گاز در ناحیه برخورد معمولاً به ۵۰ تا ۱۵۰ متر بر ثانیه (برای هوا یا نیتروژن) کاهش یافته‌است. به‌طور معمول، پودرهای افشانده با گاز معمولاً کروی با اندازه لگ نرمال هستند. توزیع اندازه متوسط ذرات معمولاً در محدوده ۱۰ تا ۳۰۰ میلی‌متر با انحراف استاندارد حدود ۲ است. محتوای اکسیژن حدود ۱۰۰ پی پی ام است. آلیاژهای پیش آلیاژی معمولاً با افشانش گاز بی اثر ساخته می‌شوند. تناژ سالانه پودر افشانده با گاز بسیار کمتر از پودرهای افشانده با آب است و احتمالاً بیش از ۵۰۰۰۰ تن در سال است. نرخ تغذیه فلز کمتر از افشانش آب است و دسته مذاب کوچکتر است. با این حال، تناژ پودرها، به ویژه روی و آلومینیوم و همچنین مس، قلع، سرب و آلیاژهای مس، احتمالاً بیش از ۴۰۰۰۰۰ تن در هر سال است. اتومایزرهای هوا به‌طور مداوم برای چندین ساعت یا در تمام ساعات شبانه روز کار می‌کنند. واحدهای چند نازلی اغلب برای تقویت استفاده می‌شوند. بازده آلومینیوم و روی در افشانش گاز بی اثر یا هوای معمولی، نرخ جریان فلز معمولی از طریق نازل‌های تک‌روزنه‌ای از حدود ۱ تا ۹۰ کیلوگرم در دقیقه توانایی گیاهان از واحدهای آزمایشگاهی بسیار کم تا کارخانه عظیمی مانند ANVAL Atomizer 1 متفاوت است، که بزرگترین افشاننده گاز نجیب است و برای تولید تناژهای بزرگ ابرآلیاژ و سایر آلیاژها طراحی شده‌است. ذوب در دو کوره القایی ۵٫۵ تنی صورت می‌گیرد. از تاندیش گرم شده با پلاسما استفاده می‌شود. با توجه به ارتفاع برج، پودر با اندازه ذرات تا ۱ میلی‌متر می‌تواند تولید شود. پودر بسیار ریز نیز می‌تواند برای کاربردهایی مانند MIM تولید شود.

پودرهای افشانده با گاز 
سطح پودرهای افشانده با گاز عموماً صاف است. سطوح ذرات اغلب سلولی یا دندریتی را نشان می‌دهند. مورفولوژی، تابع سرعت سرد شدن در طول انجماد قطرات. هنگامی که عناصر راکتیو پیش آلیاژ می‌شوند. عناصر پایه، برخی از اکسیداسیون سطح می‌تواند در طول افشاندگی گاز رخ دهد. شکل کروی و سطح صاف از ایجاد استحکام سبز در تراکم سرد جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، پیش آلیاژسازی قبل از افشانش، سختی و استحکام ذرات را افزایش می‌دهد که تراکم‌پذیری را کاهش می‌دهد. این محدودیت‌های ذاتی پودرهای افشانده با گاز، توسعه فرآیندهای تثبیت دمای بالا را برای دستیابی به آن تحریک کرده‌است. تراکم بالا؛ نمونه‌ها شامل اکستروژن گرم و پرس گرم است. تغییر شکل ذرات به سمت غیرکروی ممکن است با افزایش سرعت سرد شدن از طریق کاهش اندازه ذرات باشد. همچنین امکان اضافه کردن عناصری وجود دارد که مقادیر کشش سطحی (منیزیم، کلسیم، منگنز و غیره) تغییر می‌دهند. نرخ‌های خنک‌کننده نسبتاً بالای ذاتی اتمیزه‌سازی گاز، منجر به ریزساختارهای با مقیاس ریز می‌شود. در پودرها NiAl و Ni3Al، گاز صوتی افشانده با استفاده از نیتروژن یا ساختارهای دندریتی یا هم محور، بسته به اندازه ذرات و متعاقباً بر روی سرعت خنک‌سازی، افشانده شد. پودر آلیاژ Al82Ni10Y8 تولید شده در واحد افشاننده نازل با جفت نزدیک در فشار جت آرگون ۳٫۰۳ مگاپاسکال دارای ذرات کاملاً کروی و صاف است. در ذرات چند میکرومتر، ریزساختارهای دندریتی و سلولی شناسایی نشدند و تمایل به بی‌شکلی دارند. منافذ داخلی می‌تواند در پودر افشانده با گاز وجود داشته باشد و ممکن است از چندین جنبه مضر باشد. اثر بسته تخلخل منجر به کاهش چگالی ظاهری می‌شود، باعث ایجاد حباب گاز در رسوبات اسپری حرارتی می‌شود و باعث ایجاد تخلخل کنترل نشده می‌شود. تغییر ابعاد در حین پخت منافذ داخلی بیشترین نگرانی را در پودرهای اَبَرآلیاژ افشانده با آرگون دارند. آرگون موجود در منافذ در آلیاژ نامحلول است و این امر باعث ایجاد پدیده تخلخل ناشی از حرارت بدنبال چگالش توسط فشار ایزواستاتیک داغ با کاهش خواص مکانیکی می‌شود. تخلخل بسته داخلی، یک پدیده رایج در افشانش گاز است و میزان آن با افزایش گاز، افزایش می‌یابد. افزایش اندازه ذرات منبع اصلی تخلخل داخلی، گیر افتادن گاز است، به خصوص زمانی که گاز در ذرات پودر جامد نامحلول باشد.

افشانش گازی با ذوب القایی الکترود 

روش دیگر با نام افشانش گازی با ذوب القایی الکترود (به انگلیسی Electrode Induction melting Gas Atomization (EIGA))، برای اغلب آلیاژها قابل استفاده است اما بیشتر برای فلزات فعال مانند Ti به کار می‌رود. لقمه اولیه به صورت یک میله چرخان بوده که توسط یک کویل القایی ذوب می‌شود. یک باریکه ای از فلز مذاب جاری شده و به سمت محفظه جت گاز سیالن می‌یابد و فرایند افشانش روی آن انجام می‌شود. به این ترتیب، در زمان فرایند هیچ گونه تماسی بین ماده مذاب و بوته یا الکترود وجود ندارد. شکل پودر تولید شده مشابه با افشانش گازی بوده و در اندازه بین ۲ تا ۵۰۰ میکرون قرار می‌گیرد. فرایند نسبتاً ارزان، تمیز و مناسب برای تولیدات تک مرحله ای کوچک و تولید پودرهای ریز است.

منابع

جستارهای وابسته 
تخلخل

مورفولوژی

الکترود

آلیاژهای تیتانیم

ابرآلیاژ

آلیاژها
صفحه‌های ابهام‌زدایی
نازل‌ها