К металлическим материалам для аддитивных технологий предъявляются требования не только по химической чистоте и гранулометрическому составу, но и по форме частиц порошка. Они продиктованы технологическими особенностями нанесения порошка на платформу при построении детали: Таким требованиям лучше всего отвечает сферическая форма частиц, но обеспечить ее в удовлетворительном качестве совсем непросто.
Для сфероидизации частиц порошка применяется все те же принципы диспергирования расплава, но уже на значительно более инновационном и высокотехнологичном уровне. Для обозначения данных технологий наиболее часто употребляют термин «атомизация» частиц. В настоящее время существует несколько основных промышленных технологий. Такие технологии достаточно энергозатратны, согласно данным производителей атомизаторов разного типа (Hermiga, Viga, BluePower, EasyFashion), в среднем удельные энергозатраты на сфероидизацию металлического порошка составляют 4-10 кВт∙ч/кг, без учета затрат на доводку до товарного качества.
Но имеются исследования о возможности изменения формы частиц с помощью механического воздействия.
Поэтому для разработки технологии сфероидизирования металлических порошков в рамках исследований было уделено внимание решению следующих задач:
- определение параметров тепловыделения при измельчении - при работе с высокоинтенсивным измельчительным оборудованием не допускается перегрева чаш по внешней температуре корпуса выше 150 °С.
- определение влияния диаметра используемых шаров как на измельчение разных по крупности классов, так и на формирование сферической формы металлических частиц.
- проведение экспериментальных исследований по механическому воздействию на металлические порошки в различных типах измельчительных устройств с целью повышения их текучести.
- проведение анализа полученных материалов с помощью физико-химических методов.
- оценка эффективности применяемых способов механических методов по сравнению с плазменными методами сфероидизации.
В рамках отчетности третьего года получены следующие выводы и результаты:
1. Производство металлических порошков распылением – энергозатратный процесс, потребляющий 1,5 – 3 кВт.ч/кг энергии. Поэтому использование механического измельчения для производства металлических порошком из отходов металлопереработки, требующее 0,05-0,10 кВт.ч/кг энергии, является весьма перспективным способом снижения энергозатрат.
Однако, необходимость дополнительной сфероидизации порошков, полученных механическим измельчением, с использованием термического (плазменного) процесса, потребляющего 4 - 10 кВт.ч/кг энергии, снижается привлекательность механического измельчения. Поэтому была исследована возможность использования механической обработки металлических порошков в аппаратах с шаровой мелющей средой для исправления морфологии частиц, полученных механическим измельчением.
2. Исследование процессов воздействия шаровой среды на морфологию металлических порошков в макетах вибрационного измельчителя и в барабанной мельницы показало:
- использование шаров крупнее 5 мм приводит к дополнительному измельчению порошков;
- шары диаметром 1 и 3 мм не оказывают значимого разрушающего воздействия на крупные металлические частицы, которое носит преимущественно истирающий характер. Изменение формы частиц металла крупностью менее 100 мкм с пластинчатой на более объемную в этих опытах говорит о том, что для формирования сферической формы истирающее воздействие может являться значимым фактором;
- масса шаров диаметров 5 мм является достаточной для деформирования частиц крупностью не более 315 мкм с образованием частиц крупностью менее 71 мкм объемной, не пластинчатой формы;
- отсутствие при измельчении шарами диаметром 1-5 мм признаков деформирования частиц крупностью более 315 мкм и недостаточное образование промежуточных классов крупности 71-160 мкм требует проведения исследования с более крупным диаметром шаров загрузки;
- наибольшая эффективность воздействия достигается при комбинировании шаров диаметром 3 мм и 5 мм, что, по-видимому, обусловлено более плотной упаковкой шаров по сравнению с монодисперсной загрузкой;
- использование жидкой дисперсной среды (изопропанол) взамен газовой ухудшает результаты механической сфероидизации;
3. Изучение параметров тепловыделения при механическом измельчении металлической стружки, анализ его связи с потребляемой мощности, крупностью шаров, уровнем шаровой загрузки и другими параметрами открывают перспективы для создания методики по определению оптимального уровня загрузки и сортимента шаров для процесса механической дезинтеграции металлических порошков.
4. Анализ научно-технической литературы показал, что возможным способом механической сфероидизации металлических порошков может быть использование дисковых устройств.
Сверх программы данного проекта была разработана техническая документация на экспериментальное устройство для сфероидизации порошков на базе дискового истирателя, которую планируется использовать для продолжения работы в области сфероидизации.
Опубликованы 3 статьи в журналах, индексируемых в базах данных «Скопус» (Scopus).
https://mtspb.com/company/nauchnyy-proekt/
Metal materials for additive technologies are subject to requirements not only in terms of chemical purity and granulometric composition, but also in the form of powder particles. They are dictated by the technological features of applying powder to the platform during the construction of the part: Such requirements are best met by the spherical shape of the particles, but it is not at all easy to provide it in satisfactory quality.
For spheroidization of powder particles, the same principles of melt dispersion are applied, but at a much more innovative and high-tech level. To denote these technologies, the term "atomization" of particles is most often used. Currently, there are several major industrial technologies. Such technologies are quite energy-intensive, according to manufacturers of atomizers of various types (Hermiga, Viga, BluePower, EasyFashion), on average, the specific energy consumption for spheroidization of metal powder is 4-10 kWh / kg, excluding the cost of fine-tuning to marketable quality.
But there are studies on the possibility of changing the shape of particles by mechanical action.
Therefore, in order to develop the technology of spheroidization of metal powders, attention was paid to solving the following tasks in the framework of research:
- determination of heat release parameters during grinding - when working with high-intensity grinding equipment, it is not allowed to overheat the bowls at the external temperature of the housing above 150 ° C.
- determination of the influence of the diameter of the balls used both on the grinding of classes of different sizes and on the formation of a spherical shape of metal particles.
- conducting experimental studies on the mechanical effect on metal powders in various types of grinding devices in order to increase their fluidity.
- analysis of the obtained materials using physico-chemical methods.
- evaluation of the effectiveness of the applied methods of mechanical methods in comparison with plasma methods of spheroidization.
As part of the third year 's reporting, the following conclusions and results were obtained:
1. The production of metal powders by spraying is an energy–consuming process that consumes 1.5 - 3 kW.h/kg of energy. Therefore, the use of mechanical grinding for the production of metal powder from metal processing waste, requiring 0.05-0.10 kW.h /kg of energy is a very promising way to reduce energy costs.
However, there is a need for additional spheroidization of powders obtained by mechanical grinding using a thermal (plasma) process consuming 4 - 10 kW.h/kg of energy, the attractiveness of mechanical grinding is reduced. Therefore, the possibility of using mechanical processing of metal powders in devices with a ball grinding medium to correct the morphology of particles obtained by mechanical grinding was investigated.
2. The study of the processes of the impact of a spherical medium on the morphology of metal powders in the models of a vibrating shredder and in a drum mill showed:
- the use of balls larger than 5 mm leads to additional grinding of powders;
- balls with a diameter of 1 and 3 mm do not have a significant destructive effect on large metal particles, which is mainly of an abrasive nature. The change in the shape of metal particles with a size of less than 100 microns from a lamellar to a more voluminous one in these experiments suggests that the abrasion effect can be a significant factor for the formation of a spherical shape;
- the mass of balls with diameters of 5 mm is sufficient to deform particles with a size of no more than 315 microns with the formation of particles with a size of less than 71 microns of a volumetric, non-lamellar shape;
- the absence of signs of deformation of particles larger than 315 microns when grinding balls with a diameter of 1-5 mm and insufficient formation of intermediate classes of size 71-160 microns requires a study with a larger diameter of loading balls;
- the greatest impact efficiency is achieved when combining balls with a diameter of 3 mm and 5 mm, which, apparently, is due to a denser packing of balls compared to monodisperse loading;
- the use of a liquid dispersed medium (isopropanol) instead of gas worsens the results of mechanical spheroidization;
3. The study of the parameters of heat release during mechanical grinding of metal chips, the analysis of its relationship with power consumption, the size of the balls, the level of ball loading and other parameters open up prospects for creating a methodology for determining the optimal level of loading and sorting of balls for the process of mechanical disintegration of metal powders.
4. The analysis of scientific and technical literature has shown that a possible way of mechanical spheroidization of metal powders can be the use of disk devices.
In addition to the program of this project, technical documentation was developed for an experimental device for spheroidization of powders based on a disk eraser, which is planned to be used to continue work in the field of spheroidization.
3 articles have been published in journals indexed in Scopus databases.
https://mtspb.com/company/nauchnyy-proekt/
