Применение плазменной обработки для производства специализированного металлического порошка

Применение плазменной обработки для производства Специализированного металлического порошка

Д.В. Дудихин, магистрант гр. 4БМ64 научный руководитель: Сапрыкин АА, к.т.н.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30

В данной статье рассмотрены основные методы производства специализированных металлических порошков для аддитивных технологий. Проведен краткий обзор принципов работы атомизаторов, с выделением основных недостатков. Был предложен альтернативный метод производства специализированного металлического порошка для аддитивных технологий -плазменная обработка. Описана методика проведения эксперимента плазменной обработки стандартных металлических порошков меди и ниобия. По результатам проведенного исследования были сделаны выводы о возможности применения плазменной обработки для оптимизации формы частиц порошка.

Ключевые слова: аддитивные лазерные технологии, атомизация, специализированный металлический порошок, сферическая форма частиц, плазменная обработка.

This article describes the basic methods of production of specialized metal powders for additive manufacturing. The brief overview of the principles atomizers, highlighting major shortcomings. an alternative method of production specialized metal powder have been proposed for additive manufacturing - plasma treatment. A technique for performing a plasma processing experiment for standard metallic copper and niobium powders is described. According to the results of the research conclusions were drawn about the possibility applying plasma processing to optimize the shape of the powder particles. Keywords: laser additive manufacturing, atomization, specialty metal powder, spherical particle shape, plasma treatment.

Введение

В настоящее время в России идет активно развитие аддитивных технологий. Огромное количество исследовательских институтов занимаются решением задач по построению изделий при помощи трехмерной печати. Такой производственный процесс не только сокращает количество расходного материала, но и время изготовления сложнопрофильных изделий, снижая себестоимость конечного продукта. Одним из более эффективных и популярных производственных методов подобного рода является технология селективного лазерного сплавления (рис. 1).

Процесс построения изделия проходит в герметичной камере, которую предварительно заполняют инертным газом. Затем на рабочую платформу наносят тонкий слой металлического порошка, который ровняют ножом, либо роликом, в зависимости от конструкции установки. После чего металлические частицы спекаются между собой лазером по траектории заданной компьютером. Далее рабочий стол опускается на заданную высоту, наносится следующий слой порошка и цикл повторяется до полного построения изделия.

Рис. 1. Принципиальная схема процесса построения изделия методом селективного лазерного сплавления [1]

Несмотря на то, что российские инженеры уже конструируют установки для трехмерной печати, для их полноценной работы требуются специализированные металлические порошки со сферической формой частиц и заданным химическим составом. Большая часть объема такого порошка производится за границей. Несмотря на то, что спектр выбора материалов весьма ограничен, стоимость импортных порошков значительно завышена [1, 2].

Теория

Основными методами производства специализированных металлических порошков являются различные способы атомизации расплава. Наиболее распространен метод газовой атомизации, где поток расплавленного металла разрушается струей инертного газа, образуя таким образом поток расплавленных частиц, которые, благодаря силам поверхностного натяжения, приобретают сферическую форму. Также применяют метод вакуумной атомизации, в котором для генерации потока частиц используется перепад давления между плавильной и вакуумной камерами. Еще одним способом производства сферических порошков является метод центробежной атомизации, при котором происходит оплавление поверхности электрода, который вращаясь, разбрызгивает расплавленный металл в виде капель сферической формы [3].

Приведенные методы атомизации являются основными источниками получения металлических порошков для аддитивных лазерных технологий, но они имеют ряд существенных недостатков. В число этих недостатков входит высокая стоимость процесса изготовления порошка, сложная перенастройка оборудования под новый материал, а также отсутствие возможности производства тугоплавких материалов.

Альтернативным методом производства специализированных металлических порошков для аддитивных технологий является процесс плазменной обработки (сфероидизации) [4, 5]. Плазменная обработка сглаживает любые геометрические недостатки металлических частиц, позволяет снизить производственные затраты, а также исключает все проблемы, перечисленные в методах атомизации. Помимо этого, сфероидизированный порошок имеет следующие преимущества:

1. Улучшение "текучести" порошка. Сфероидизация частиц обеспечивает однородную сыпучесть порошка. Это облегчает обработку порошка и позволяет точно контролировать скорость подачи в зону построения изделия методами трехмерной печати.

2. Устранение внутренних полостей и трещин частиц. Плавление отдельных частиц порошка устраняет внутреннюю пористость отдельных частиц, следовательно, увеличивая твердость частиц и общую объемную плотность порошка.

3. Изменение морфологии поверхности частиц. Макроскопическая поверхность частиц становится гладкой. Этот эффект снижает коэффициент трения между отдельными частицами и снижает загрязнение материала во время переноса в газовой среде.

4. Повышение чистоты порошка. Благодаря высокой температуре плазмы происходит реактивное парообразование примесей [5].

Для проведения эксперимента использовался электродуговой плазмотрон постоянного тока с секционированной межэлектродной вставкой марки «ПНК - 50», разработанный в ИТПМ СО РАН. Номинальная мощность плазмотрона - 50 кВт, производительность обработки металлических порошков - до 30 кг/час, керамических - до 10 кг/час. Среднемассовая температура потока воздушной, или азотной плазмы на срезе сопла плазмотрона - до 7000 К, аргоновой плазмы - до 11000 К, что позволяет обрабатывать не только легкоплавкие, но и тугоплавкие металлы и керамику.

Плазмотрон укомплектован узлом кольцевого ввода порошка с его газодинамической фокусировкой (рис. 2). На конструкцию узла получен патент РФ [6]. Узел кольцевого ввода обеспечивает равномерный, распределённый ввод порошка в поток термической плазмы, что существенно повышает производительность и эффективность обработки порошков (по сравнению с точечным вводом производительность обработки выросла почти на порядок).

Рис. 2. Узел кольцевого ввода: а - принципиальная схема кольцевого ввода порошка; б - фотография треков частиц порошка истекающих из радиально-кольцевой щели узла ввода при холодной продувке [7]

Эксперимент был проведен на стандартных металлических порошках меди и ниобия. Порошки были предварительно просушены для достижения максимальной сыпучести и наименьшей степени прилипания к стенкам бункера дозатора и каналам узла кольцевого ввода.

После проведения подготовительных работ просушенный порошок каждого из металлов засыпался в бункер дозатора. После чего производился запуск плазмотрона и порошок при помощи транспортирующего газа, через узел кольцевого ввода, вводился в поток термической плазмы. Поток фокусирующего газа обеспечивал максимальную концентрацию частиц порошка на оси потока плазмы.

В качестве плазмообразующего газа использовался воздух, в качестве защитного газа (завеса анода) - смесь воздуха и небольшого количества пропан-бутана. Пропан-бутан, распределяясь преимущественно в пограничном слое потока плазмы в канале анода плазмотрона, связывал кислород воздуха и обеспечивал, таким образом, минимальную эрозию материала анода. Добавка пропан-бутана в транспортирующий и фокусирующий газы (основной газ - воздух) обеспечивала минимальное окисление частиц обрабатываемого порошкового материала.

Таким образом, формировался высокотемпературный гетерогенный поток, где и проходила обработка частиц исходного порошка. При этом на перемещающиеся частицы воздействовал ряд основных сил, таких как сила тяжести, сила поверхностного натяжения, сила динамического давления потока плазмы [8]. Сфероидизацию исходного порошка обеспечивает сила поверхностного натяжения частиц, находящихся в жидкой фазе.

Обработанный порошок собирался в емкость с водой, которая находилась на расстоянии ~ 1м от среза сопла плазмотрона, где он охлаждался, сохраняя при этом полученную форму.

Результаты и обсуждения

После проведения экспериментов порошки меди и ниобия были просушены, а затем исследованы на наличие сферической формы частиц после обработки плазмой.

Рис. 3. Форма частиц медного порошка до и после плазменной обработки: а - после обработки, б - до обработки

Рис. 4. Форма частиц порошка ниобия до плазменной обработки

Рис. 5. Форма частиц порошка ниобия после плазменной обработки

Выводы

Нагрев и плавление частиц в потоке плазмы обеспечивает им сферическую форму, которая является основным требованием к порошкам для трехмерной печати. Но в случае обработки порошка ниобия остаются немногочисленные частицы, которые не успели сформироваться в сферу (рис. 5), возможно из-за слишком короткого промежутка времени нахождения в струе плазмы. Медь в свою очередь была сфероидизированна полностью. Последующие эксперименты позволят подобрать лучшие режимы обработки тугоплавких металлов и на выходе получить положительные результаты.

Проделанные эксперименты показали, что плазменная обработка позволяет сфероидизировать стандартные металлические порошки как легкоплавких, таки тугоплавких металлов. Таким образом можно сделать вывод о высокой перспективности развития данной технологии в сфере получения расходного материала для построения изделий аддитивными технологиями.

Список литературы

1. Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А. Аддитивные технологии и изделия из металла // Библиотечка литейщика. - 2014. - № 9. - С. 29-30.

2. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. - С. 116-119.

3. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении // пособие для инженеров. - М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015. - С. 160-171.

4. Tsantrizos P.G. et. al. Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization. Pat. US № 5707419: заявл. 15.08.1997; опубл. 13.01.1998.

5. Boulos M. Plasma power can make better powders. Metal Powder Report. Volume 59, Issue 5, May 2004, Pages 16-21.

6. Патент 2474983 Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона / В.И. Кузьмин А.А. Михальченко, Е.В. Картаев. - № 2011128160/07; заявл. 07.07.2011; опубл. 10.02.2013.

7. Струков Н.Н., Белинин Д.С., Кучев П.С., Щицын Ю.Д. Регулирование размера частиц порошков при плазменном распылении пруткового материала. Вестник ПГТУ / Машиностроение, материаловедение. 2011. Т. 13. № 3, РИНЦ. - С. 118.

8. Кузьмин В.И., Картаев Е.В., Сергачёв Д.В., Корниенко Е.Е., Лапушкина Е.Ю., Токарев А.О. Плазменное напыление порошковых покрытий при газодинамической фокусировке дисперсной фазы. Materials Science in Machine Building C. 485.