Satellitenphänomene in Metallpulvern: Ein tiefer Einblick in die Herausforderungen der additiven Fertigung

1 Einleitung

Dieadditive Fertigungstechnologieist eine aufstrebende Fertigungstechnologie, die in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, bei medizinischen Geräten und in anderen Bereichen, die eine hochpräzise Verarbeitung erfordern, weit verbreitet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren wie dem thermischen Spritzen muss das bei der additiven Fertigung verwendete Metallpulver die Anforderungen an eine kleine Partikelgröße, eine hohe Sphärizität, eine gute Fließfähigkeit, einen geringen Sauerstoffgehalt und andere Eigenschaften erfüllen.

Daher ist die Herstellung und Entwicklung spezieller Hochleistungsmetallpulver, die für die additive Fertigung geeignet sind, einer der Schlüssel zur Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie.

Abb. 1 Ausrüstung zur Herstellung von Aerosolpulver

2 Auswirkungen des Satellitenpulvers

2.1 Zum Verständnis von Satellitenpulver

Satellitenpulver ist ein defektes Pulver, das entsteht, wenn viele kleine Pulverpartikel an der Oberfläche eines größeren Pulverpartikels haften. Diese Partikel sind um die Basis-Pulverpartikel herum angeordnet, so wie Satelliten die Planeten umkreisen. Diese Anordnung führt dazu, dass die größeren Teilchen eine oder mehrere ringförmige Strukturen um das Grundpulver bilden, ähnlich wie die Umlaufbahn eines Planeten um einen Stern. Aus diesem Grund wird das Phänomen auch als Satellitenpulver bezeichnet (siehe Abbildung 2).

Abb. 2 Mikroskopische Morphologie von Satellitenpulver

Das Satellitenpulverphänomen tritt in der Regel bei der Pulvermetallurgie und der pulvermetallurgischen Verarbeitung auf, bei der eine Vielzahl von Metall- und Legierungspulvern verwendet wird. Im Allgemeinen kann Satellitenstaub bei allen Metallpulvern auftreten, die in der Pulvermetallurgie verwendet werden, aber einige Metalle oder Legierungen können je nach ihren Eigenschaften und den Bedingungen während der Aufbereitung anfälliger für das Phänomen sein. Nachfolgend sind einige Metallarten aufgeführt, die anfälliger für Satellitenpulver sind.

1.Eisen und Eisenbasislegierungen: Mikro-Eisenpulver, Ferro-Wolfram-Pulver, Ferro-Niob-Pulver

2.Kobalt und seine Legierungen: Mikro-Kobalt-Pulver, Wolframkarbid/Kobalt/Chrom-Pulver, Kobalt-Basislegierungspulver (Co-Cr-Mo)

Außerdem werden Nickel-, Titan- und Aluminiumpulver sowie deren Legierungen in der metallurgischen Industrie häufiger verwendet und können von Satellitenpulvern betroffen sein.

2.2 Gefahren für die Metallpulverproduktion

Das Vorhandensein von Satellitenpulvern verringert die Schüttdichte, die Sphärizität und die Fließfähigkeit von Metallpulvern, was sich nachteilig auf den Pulveraufbauprozess auswirkt. Es hat auch einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die additiven Metallherstellungsprozesse (insbesondere auf einige Prozesse, die auf Pulverauflegetechniken basieren).

Darüber hinaus neigen größere Pulverpartikel bei der Bildung von Satellitenpulvern dazu, sich aufgrund von Adsorption und Oberflächenspannung zwischen den Partikeln zusammenzuballen. Diese Adsorption und Oberflächenspannung kann dazu führen, dass das Satellitenpulver eng an den Basispulverteilchen haftet, was die Trennung erschwert. Dieses fehlerhafte Pulver lässt sich daher nur schwer durch eine Nachbehandlung entfernen, und seine Bildung muss an der Quelle kontrolliert werden.

Abb. 3 Mikro-Eisen-Pulver

3 Ursachen für Satellitenpulver

3.1 Ursachen der Pulveragglomeration

Das Phänomen des Satellitenpulvers, das bei der Verarbeitung von Metallpulver entsteht, hängt eng mit der Beschaffenheit der Pulverteilchen selbst zusammen. Zu den Gründen für die Bildung von Satellitenpulver gehören vor allem die gegenseitige Anziehung der Pulverteilchen, die Inhomogenität der Teilchen sowie Unterschiede in der Verteilung und Dichte.

1.Gegenseitige Anziehung von Pulverpartikeln: Im Pulverbett kann ein gewisses Maß an Anziehung zwischen den Metallpulverteilchen bestehen, was dazu führt, dass sie zu Satellitenpulver aggregieren.

2. UngleicheForm und Größe der Pulverteilchen: Wenn Form und Größe des Metallpulvers nicht einheitlich sind, können einige der größeren Partikel die kleineren Partikel in ihrer Umgebung anziehen und Satellitenpulver bilden.

3.Unterschiede in der Verteilung und Dichte des Pulvers: Die Dichte der Pulverschicht kann ungleichmäßig sein, was dazu führt, dass sich an einigen Stellen mehr Pulver ansammelt als an anderen, wodurch sich Satellitenpulver bildet.

Diese drei Ursachen lassen sich im Wesentlichen als gegenseitige Anziehung zwischen Pulverpartikeln zusammenfassen, die dazu führt, dass sich die Pulverpartikel gegenseitig anziehen und zu Satellitenpulver aggregieren.

3.2 Faktoren im Zusammenhang mit der Ausrüstung

Das Auftreten von Satellitenpulver steht in engem Zusammenhang mit den bei der Herstellung von kugelförmigen Metallpulvern verwendeten Geräten und Anlagen. Die Abbildung zeigt das Modell einer Zerstäubungskammer mit Randbedingungen, die die entscheidenden Umgebungsbedingungen und Parameter für die Herstellung von kugelförmigem Metallpulver verdeutlichen.

Abb. 4 Modell der Zerstäubungskammer und Randbedingungen

Es wurde untersucht, dass die geschlossene Struktur der Zerstäubungskammer in der Nähe ihrer Seitenwände makroskopische Wirbel erzeugt, die als Gasrezirkulation (GR) bekannt sind und einige vollständig erstarrte kleine Teilchen mitreißen. Die Kollision zwischen den kleinen Partikeln, die in der Rezirkulationszone aufsteigen, und den unvollständig erstarrten großen Tröpfchen im stromaufwärts gelegenen Zerstäubungsgasstrom ist eine der Hauptursachen für die Bildung von Satellitenpulver.

Daher sind Maßnahmen zur Gasrektifikation zur Begrenzung der durch den Rückfluss verursachten Staubumwälzung ein wirksames Mittel zur Kontrolle der Bildung von Satellitenpulver im Makromaßstab. Gegenwärtig umfassen die Gasrektifizierungsmaßnahmen zur Kontrolle von Satellitenstaub die Auferlegung eines zusätzlichen Luftstroms ^[9,10] und die Verbesserung der Struktur der Zerstäubungskammer.

4 Strategien zur Minderung der Satellitenstaubbildung

Satellitenpulverdefekte entstehen vor allem in der sekundären Zerstäubungsphase, in der kleine Tröpfchen aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche und der hohen Abkühlungsrate zunächst erstarren und mit großen Tröpfchen kollidieren, die noch nicht vollständig erstarrt sind, und sich schließlich an der Oberfläche der großen Partikel festsetzen und Satellitenpulver bilden. Eine Grundidee besteht daher darin, die Tröpfchen durch Änderung des Gaseinfallswinkels vollständig zu dispergieren, wodurch die Bildung von Satellitenpulver wirksam reduziert werden kann.

Eine weitere Idee besteht darin, die Erstarrungszeit des Pulvers und die Konzentration der Partikel in verschiedenen Zuständen zu ändern, indem die Zerstäubungsrate und der Druck der Zerstäubungskammer gesteuert werden, während die anderen Bedingungen konstant gehalten werden, um das Problem der Verringerung der Kollision zwischen den Partikeln und der Adhäsion von feinen Pulvern zu lösen. Mit der Verringerung der Zerstäubungsrate wird die Erstarrungszeit des Pulvers verkürzt, wodurch das Phänomen der Pulveradhäsion wirksam verringert werden kann; mit der Verringerung des Drucks in der Zerstäubungskammer nimmt die Konzentration des feinen Pulvers in der Zerstäubungskammer allmählich ab, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Pulvern ebenfalls abnimmt, was die Sphärizität des Pulvers verbessert.

Bei der Beobachtung des Aerosolisierungsprozesses wurde festgestellt, dass ein Teil der kleinen Pulverpartikel mit dem Rückflussgas nach oben strömt, wieder in den Zerstäubungsbereich eintritt und mit den noch nicht verfestigten Flüssigkeitströpfchen kollidiert, um Satellitenpulver zu bilden. Durch Hemmung des Rückflussgases kann das Phänomen des Rückflusses von feinem Pulver vermieden werden, um das Satellitenpulver zu reduzieren.

Zusätzlich kann die Bildung von Satellitenstaub durch den Einsatz eines Hilfsluftstroms zur Unterdrückung der Rückströmung reduziert werden. Wenn ein Hilfsluftstrom mit einem Hilfsnebelverhältnis von >0,8 in einem Abstand von 1/2R von der Mitte der Kammer eingesetzt wird, kann der Hilfsluftstrom den Zyklon des Staubs wirksam unterbinden. Außerdem kann die gestufte Struktur der Zerstäubungskammer die Staubzyklonbildung wirksam unterdrücken, wenn die Stufengröße D=300 mm, ΔH=575-600 mm und der Stufenwinkel moderat ist (siehe Tabelle unten) ^[14].

Tabelle 1 Morphologische Merkmale der Pulverproben

5 Schlussfolgerung

Die Bildung von Satellitenpulver bei der additiven Fertigung (AM) ist ein kritischer Punkt, der die Qualität von Metallpulvern beeinträchtigt. Das Vorhandensein von Satellitenpulver verringert die lockere Ladedichte des Metallpulvers, die Sphärizität und die Beweglichkeit, ist aber nicht förderlich für den Prozess der Pulververlegung.

Bei der Aerosolisierung ist die Kollision zwischen den kleinen Partikeln, die in der Rückflusszone aufgewirbelt werden, und den unvollständig erstarrten großen Tröpfchen im vorgelagerten aerosolisierten Gasstrom einer der Hauptgründe für die Bildung von Satellitenpulver. Ausrüstungsbezogene Faktoren, wie die Konstruktion der Zerstäubungskammer und die darin herrschenden Bedingungen, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Eine wirksame Lösung ist die Drosselung des Rückgases, z. B. durch Hinzufügen eines Hilfsgasstroms. Zu den Strategien zur Verringerung der Satellitenpulverbildung gehören auch die Optimierung des Gaseinfallswinkels, die Anpassung der Erstarrungszeiten und der Partikelkonzentrationen sowie der Einsatz eines Hilfsluftstroms. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, die Pulverqualität zu verbessern, indem unerwünschte Agglomerationen reduziert und die Effizienz und Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik erhöht werden.

Stanford Advanced Materials (SAM) bietet eine Reihe von sphärischen Pulverprodukten zum Kauf an. Unser Schwerpunkt liegt auf der Forschung und Entwicklung, der Herstellung und dem Vertrieb von hochwertigen sphärischen Pulvern. SAM bietet auch personalisierte Anpassungsdienste an, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen. Schicken Sie uns eine Anfrage, wenn Sie interessiert sind.

Referenz:

[1] Fuzhong Chu, Kai Zhang, Haopeng Shen, Meijuan Liu, Wenjing Huang, Xi Zhang, Enquan Liang, Zongyan Zhou, Liming Lei, Juan Hou, Aijun Huang, Influence of satellite and agglomeration of powder on the processability of AlSi10Mg powder in Laser Powder Bed Fusion, Journal of Materials Research and Technology, Band 11, 2021, Seiten 2059-2073, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X

Zugehöriger Link:

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