СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ ОТРАБОТАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
METHOD FOR REGENERATION IN THERMAL PLASMA OF WASTE METAL POWDERS OF ADDITIVE TECHNOLOGIES

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, получению сферических микропорошков металлов и сплавов. Сферические порошки металлов с размерами частиц порядка десятков микрон используются для изготовления изделий современными методами аддитивных технологий (AT, 3D печать). Предлагаемый способ может использоваться для регенерации отработанных в процессах 3D печати порошков различных металлов и сплавов.
При изготовлении металлических деталей из порошков методами AT, использующих излучение лазера - SLM (Selective Laser Melting) или пучок ускоренных электронов - ЕВМ (Electron Beam Melting), в формировании непосредственно изделия используется не более 50% загружаемого порошка, а оставшийся порошок возвращается в процесс. При многократном прохождении металлического порошка через процесс 3D печати происходит его деградация, обусловленная спеканием и сплавлением частиц порошка, образованием нано- и субмикронных частиц, изменением химического состава в результате окисления металла при контакте с газовой средой, в составе которой присутствуют кислород, водяной пар, диоксид углерода.
Для возврата отработанных металлических порошков в аддитивное производство, обеспечивающего заметное снижение себестоимости продукции, используются методы регенерации порошков. Известные у настоящему времени методы регенерации металлических порошков включают выделение в результате рассева фракций, размер частиц в которых превышает заданное значение, а также термовакуумную обработку порошков для удаления газов, сорбированных на поверхности металлических частиц. Эти методы реализуются в различных установках регенерации металлических порошков, которые выпускаются в виде самостоятельного блока или узла, встроенного в 3D принтер [3D-ReKlaimer) Additive Recovery System, https://www.kason.com/Circular-Vibratory-Screeners-Separators/Available-Designs/3D-ReKlaimer.php. Установки для восстановления (регенерации) металлических порошков https://arkon3d.ru/equipment_category/ustanovki-dlya-nbsp-vosstanovleniya-regeneratsii-metallicheskih-poroshkov/]. К недостаткам этих методов регенерации относится невозможность удаления примесей кислорода, химически связанного с металлом в виде оксидов, а также невозможность придания спеченным частицам сферической формы, обеспечивающей порошку необходимую текучесть.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ регенерации порошков, используемых при 3D печати [патент КНР, CN 111318717 A, Regeneration method for 3D printing recycled metal powder, 2020], Регенерация порошков включает четыре стадии:
1. Рассев отработанного порошка на ситах 100-325 меш и удаление крупной фракции.
2. Обработка полученного после рассева порошка в потоке термической плазмы аргона для сфероидизации и очистки.
3. Рассев обработанного в плазме порошка на ситах 100-325 меш (40-150 мкм) и удаление крупной фракции.
4. Термообработка порошка, полученного на стадии 3, в вакууме для снятия термических напряжений и улучшения текучести порошка.
Способ обеспечивает получение порошка с необходимым дисперсным составом в результате разделения регенерируемого порошка на ситах с последующим оплавлением частиц выделенной фракции в потоке термической плазмы и приданием частицам сферической формы. К недостаткам способа следует отнести возможность образования наночастиц вследствие частичного испарения обрабатываемых частиц и последующей конденсации паров при охлаждении высокотемпературного газодисперсного потока [R. Vert, R. Pontone, R. Dolbec, L. Dionne and M.I. Boulos. Induction plasma technology applied to powder manufacturing: example of titanium-based materials ISPC 22 22nd International Symposium on Plasma Chemistry July 5-10, 2015; Antwerp., Belgium, Р-II-7-32]. Присутствие наночастиц в сфероидизированном в плазме порошке является нежелательным, т.к., в частности, снижает текучесть порошка, а повышенная химическая активность металлических наночастиц приводит к их окислению при контакте с газовой средой, в которой присутствует кислород. Для удаления наночастиц из порошков, прошедших обработку в потоке термической плазмы, используется специальный метод классификации порошка в жидкой среде [Патент США 7572315, 2009. Process for the synthesis, separation and purification of powder materials]. Указанный метод обеспечивает удаление наночастиц из порошка, обработанного в плазме, но это является дополнительной процедурой, увеличивающей производственные расходы.
Техническим результатом изобретения является снижение содержания примесей наночастиц в регенерируемых порошках металлов и сплавов при обработке в плазме с обеспечением сферической формы частиц.
Технический результат достигается разделением регенерируемого порошка на более узкие фракции и обработкой каждой фракции при соответствующей среднемассовой энтальпии потока плазмы. Время, необходимое для расплавления металлической частицы в высокотемпературном газовом потоке, сильно зависит от размера частицы и поэтому за время, требуемое для расплавления самых крупных частиц, самые мелкие частицы смогут частично испариться. Из образовавшегося пара при охлаждении потока будут формироваться наночастицы. Поэтому для предотвращения образования наночастиц следует обрабатывать порошок, имеющий минимальный разброс размеров частиц, при энтальпии плазменного потока конкретно определенном для этого размера.
Число фракций, на которое производится разделение порошка, подвергаемого обработке, выбирается таким образом, чтобы размеры частиц, входящих во фракцию, различались не более чем в два раза. Значение среднемассовой энтальпии потока плазмы при обработке каждой фракции определяется экспериментально, исходя из обеспечения минимально необходимого значения степени сферойдизации частиц.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то обстоятельство, что в указанном выше прототипе из порошка, подвергаемого обработке в потоке термической плазмы, проводится отделение частиц, размер которых выходит за пределы целевого диапазона 40-150 мкм. При этом размер частиц в обрабатываемом порошке различаются почти в 4 раза. Предлагаемое изобретение предусматривает разделение такого порошка как минимум на две фракции, т.е. фракцию с размером частиц 30-80 мкм и 80-150 мкм, обработка которых в плазме проводится раздельно. Размеры частиц внутри каждой фракции различаются не более чем в 2-2,5 раза, что позволяет уменьшить эффект испарения материала частиц и, соответственно, снизить содержание наночастиц в обработанном порошке.
Преимущество предложенного способа определяется снижением содержания примесей наночастиц в порошке, прошедшем регенерацию в потоке термической плазмы. Для порошка, обработанного в соответствии с предложенным способом, не требуется дополнительная очистка от примесей наночастиц, что снижает производственные расходы.
Предлагаемый процесс реализуется следующим образом. Порошки, направляемые на регенерацию, вначале подвергаются разделению, в результате которого получают размерные фракции с отличием размеров частиц внутри каждой фракции не более чем 2-2,5 раза. Выделение целевой фракции может проводиться различными методами, наиболее распространенным из которых является рассев на ситах.
Далее выделенные фракции регенерируемого порошка направляются на обработку в потоке термической плазмы электрического разряда. Каждая фракция должна обрабатываться на определенном для этой фракции режиме. Генерация термической плазмы осуществляется в плазмотроне, где плазмообразующий газ нагревается при прохождении через электрический разряд - дуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный или комбинированный, включающий совокупность указанных разрядов. В качестве плазмообразующего газа используется инертный газ (аргон или гелий) или их смеси. Все газы, используемые при обработке порошка в плазме, должны иметь высокую степень чистоты по примесям кислородсодержащих компонентов (кислород, водяные пары, диоксид углерода) для исключения внесение примесей кислорода в обрабатываемый металлический порошок. В состав плазмообразующих газов может входить водород, его присутствие может обеспечить снижение содержания примесей кислорода при регенерации порошков на основе металлов группы железа в результате водородного восстановления оксидов до металлов.
В процессе обработки порошка среднемассовая энтальпия потока термической плазмы на выходе из плазмотрона и скорость ввода частиц каждой фракции обрабатываемого порошка должны определяться экспериментально исходя из задаваемых значений необходимой степени сфероидизации частиц порошка и допустимого значения содержания примесей наночастиц в обработанном порошке. Раздельно обработанные в плазме порошки затем смешиваются с использованием механического смесителя, обеспечивающего смешение в защитной газовой среде для предотвращения возможного окисления металла при контакте с воздухом. После смешения получают регенерированный металлический порошок с требуемыми дисперсным составом и сферической формой частиц, пригодный для использования в процессах 3D печати.
Реализация способа представлена следующим примером.
Пример 1.
Отработанный в процессе 3D печати порошок сплава Inconel 718 подвергается регенерации, в начале которой рассевом на ситах выделяется целевая фракция с размерами частиц в диапазоне 20-60 мкм. Степень сфероидизации частиц целевой фракции до обработки в плазме составляет 80% при общем содержании примесей кислорода 0.32 мас. % (Таблица 1).
Перед обработкой в плазме целевая фракция разделяется на ситах на две фракции с размерами частиц 20-40 мкм (Ф1) и 40-60 мкм (Ф2). В результате обработки порошков Ф1 и Ф2 в потоке плазмы аргона с добавкой 5 объемных % водорода при энтальпии плазмы 2.8 и 3.5 кВтч/куб.м, генерируемой в электродуговом плазмотроне, соответственно получены порошки, в которых степень сфероидизации составляет 98% при массовом содержании наночастиц 1.6 мас. % (Ф1) и 0.8 мас. % (Ф2) и примеси кислорода 0.08 мас. % (Ф1) и 0.15 мас. % (Ф2).
При обработке неразделенной целевой фракции в потоке плазмы с энтальпией 3.5 кВтч/куб. м степень сфероидизации частиц составила 95%, в обработанном порошке содержалось 3.5 мас. % наночастиц и 0.23 мас. % примесей кислорода.
Приведенные результаты свидетельствуют о эффективности предложенного изобретения, позволяющего снизить образование наночастиц при регенерации металлических порошков в потоке термической плазмы.