Progressi della ricerca sull'atomizzazione del gas per la preparazione di polveri metalliche utilizzate nella stampa 3D
La tecnologia di stampa 3D, nota anche come produzione additiva, è emersa negli anni ’30. Si tratta di una tecnica che costruisce parti strato per strato (ad esempio, utilizzando polveri metalliche) sulla base di un modello tridimensionale-generato dal computer. Rispetto alla tradizionale produzione sottrattiva, la stampa 3D offre vantaggi come elevata libertà di progettazione, elevato utilizzo di materiali e capacità di fabbricare strutture complesse, mostrando ampie prospettive di applicazione nel settore aerospaziale, dei dispositivi medici, della produzione di precisione e in altri campi. Lo sviluppo della stampa 3D in metallo fa molto affidamento sulle polveri metalliche ad alte-prestazioni, le cui caratteristiche determinano direttamente la qualità e le prestazioni delle parti stampate. Le polveri metalliche ideali per la stampa 3D devono possedere un'elevata sfericità, una piccola dimensione delle particelle, una distribuzione ridotta delle dimensioni delle particelle, un'elevata purezza e una buona fluidità.
L'atomizzazione del gas (GA), come metodo principale per la produzione di polveri metalliche, ha avuto origine negli anni '20. Utilizza un getto di gas ad alta-velocità per colpire un flusso di metallo fuso, rompendolo in minuscole goccioline che si solidificano in polveri sferiche dopo il raffreddamento . Le polveri prodotte con questo metodo presentano composizione uniforme, elevata sfericità e basso contenuto di impurità e attualmente rappresentano il 30%-50% della produzione totale di polveri metalliche per la stampa 3D. Tuttavia, l'atomizzazione del gas è un processo complesso che coinvolge l'accoppiamento del flusso bifase gas-liquido; sottili cambiamenti nei parametri di processo possono portare a differenze significative nelle caratteristiche della polvere, influenzando così le prestazioni delle parti stampate. Pertanto, una revisione sistematica dei progressi della ricerca nella tecnologia di atomizzazione del gas è di grande importanza per promuovere lo sviluppo del settore della stampa 3D.
Requisiti prestazionali delle polveri metalliche per la stampa 3D
Nel processo di stampa 3D, le polveri metalliche fungono da materia prima e le loro prestazioni influiscono direttamente sull'uniformità della distribuzione della polvere, sulla qualità della sinterizzazione e sulle proprietà meccaniche finali delle parti. Gli indicatori chiave di prestazione includono la purezza della polvere, la dimensione delle particelle, il contenuto di ossigeno e la riciclabilità.
2.1 Purezza della polvere
La presenza di elementi impuri può reagire con la polvere base, riducendo la stabilità termodinamica e le proprietà meccaniche del materiale. Ad esempio, la polvere di lega Ti-6Al-4V assorbe facilmente N, O, H e altri elementi quando riscaldata, con conseguente degrado delle prestazioni. Tuttavia, in alcuni casi, le impurità possono avere effetti positivi, come le impurità nella polvere ceramica Al2O3 che possono abbassare la temperatura di sinterizzazione e facilitare il processo. Pertanto, la purezza della polvere deve essere regolata in base all'applicazione specifica.
2.2 Dimensione delle particelle
La dimensione delle particelle influisce direttamente sullo spessore dello strato di distribuzione della polvere (tipicamente 50–100 μm) e sulla forza motrice della sinterizzazione. I processi di formatura laser utilizzano comunemente particelle di polvere di dimensioni pari a 30–50 μm, mentre la formazione con fascio di elettroni utilizza 50–90 μm. Le particelle troppo fini tendono a provocare fenomeni di diffusione non uniforme e di "balling", mentre le particelle eccessivamente grossolane aumentano l'angolo di divergenza e riducono l'efficienza di utilizzo. Idealmente, è necessaria una miscela di polveri fini e grossolane in un rapporto appropriato per bilanciare la fluidità e le prestazioni di sinterizzazione.
2.3 Contenuto di ossigeno
Il contenuto di ossigeno proviene principalmente dal gas di atomizzazione e dalle apparecchiature. Un'elevata contaminazione da ossigeno può formare dei confini particellari precedenti (PPB), deteriorando le prestazioni della lega. Gli studi hanno dimostrato che il contenuto di ossigeno delle polveri è correlato alla dimensione delle particelle; man mano che la dimensione delle particelle diminuisce, il contenuto di ossigeno aumenta. Il riscaldamento sotto vuoto o il trattamento di riduzione possono ridurre efficacemente il contenuto di ossigeno.
2.4 Riciclabilità delle polveri
Il costo delle polveri per la stampa 3D è elevato e il riciclaggio può far risparmiare significativamente le materie prime. Ad esempio, dopo 21 cicli di utilizzo, la polvere di Ti-6Al-4V ha mostrato un aumento del contenuto di ossigeno solo dallo 0,08% allo 0,19% e le particelle non fuse hanno potuto essere riutilizzate. Aumentando il numero di cicli di riciclaggio si può migliorare la densità del rubinetto e la scorrevolezza senza influenzare la microstruttura o le proprietà meccaniche.
Principi di base della produzione di polveri mediante atomizzazione del gas
L'atomizzazione del gas utilizza un getto di gas ad alta- velocità per spezzare un flusso di metallo fuso in goccioline, che poi si solidificano in polveri sferiche dopo il raffreddamento. Il processo consiste di tre fasi: fusione del metallo, urto di atomizzazione e raffreddamento/solidificazione. I gas inerti (ad esempio azoto, argon) sono comunemente usati come mezzo di atomizzazione per evitare l'ossidazione. Il processo di atomizzazione del gas può essere suddiviso in quattro zone:
Zona I (zona di turbolenza a pressione negativa):Il gas di atomizzazione crea una pressione negativa all'uscita dell'ugello, che attira il flusso di metallo fuso e lo disperde in strisce liquide.
Zona II (zona di formazione primaria delle goccioline):Le strisce liquide vengono inizialmente rotte in goccioline sotto l'azione della tensione superficiale e del flusso di gas.
Zona III (zona di atomizzazione effettiva):Il getto di gas ad alta-velocità rompe ulteriormente le goccioline in particelle più fini.
Zona IV (zona di raffreddamento e solidificazione):Le goccioline cadono liberamente e durante il raffreddamento si solidificano in polveri sferiche.