Jak działa proces atomizacji gazu

Przegląd

Atomizacja gazowa to metoda produkcji proszków metali, która wykorzystuje strumienie gazu obojętnego o wysokiej prędkości do rozpadu strumienia stopionego metalu na drobne kuliste cząstki proszku. Metoda proces atomizacji gazu zapewnia doskonałą kontrolę nad rozkładem wielkości cząstek proszku, morfologią, czystością i mikrostrukturą.

Kluczowe atrybuty proszku atomizowanego gazem obejmują kulisty kształt cząstek, wysoką czystość, drobne rozmiary do 10 mikronów i jednolity skład. Atomizacja gazowa ułatwia stosowanie zaawansowanych technik produkcji opartych na proszkach, takich jak formowanie wtryskowe metali, produkcja addytywna oraz prasowanie i spiekanie w metalurgii proszków.

Niniejszy przewodnik zawiera kompleksowy przegląd procesu atomizacji gazowej i proszków. Obejmuje on metody atomizacji, tworzenie cząstek, parametry procesu, sprzęt, odpowiednie stopy, charakterystykę proszku, specyfikacje produktu, zastosowania i dostawców. Pomocne tabele porównawcze podsumowują szczegóły techniczne.

Jak Proces rozpylania gazu Prace

Atomizacja gazowa przekształca stopiony stop w proszek, wykorzystując następujące podstawowe etapy:

Etapy procesu atomizacji gazu

• Topienie - Stop jest topiony w piecu indukcyjnym i przegrzewany powyżej temperatury ciekłości.
• Nalewanie - Strumień stopionego metalu wlewany do komory atomizacji
• Atomizacja - Strumienie gazu obojętnego o dużej prędkości rozbijają metal na drobne kropelki
• Solidyfikacja - Kropelki metalu szybko zestalają się w cząsteczki proszku podczas opadania przez komorę.
• Kolekcja - Cząstki proszku zebrane w separatorze cyklonowym na dole wieży

Kluczowe zjawisko zachodzi, gdy energia kinetyczna strumieni gazu pokonuje napięcie powierzchniowe metalu, ścinając strumień cieczy w kropelki. Kropelki te zamarzają w cząstki proszku o kulistej morfologii.

Staranna kontrola procesu umożliwia dostosowanie wielkości cząstek proszku, czystości i mikrostruktury.

Metody rozpylania gazu

Istnieją dwie podstawowe metody atomizacji gazu stosowane w przemyśle:

Metody atomizacji gazu

Konstrukcje blisko sprzężone poddają gaz rozpylający recyklingowi, ale ryzykują pewne utlenianie stopu. Swobodny opad zapewnia czystszą atmosferę i mniejsze ryzyko reakcji dyszy.

Dodatkowe warianty obejmują wiele dysz gazowych, atomizację ultradźwiękową, atomizację odśrodkową i konstrukcje dysz współosiowych do specjalistycznych zastosowań.

Konstrukcje dysz do atomizacji gazu

Różne konstrukcje dysz tworzą strumienie gazu o dużej prędkości potrzebne do atomizacji:

Typy dysz do rozpylania gazu

Dysze De Laval wykorzystują przyspieszenie gazu do prędkości naddźwiękowych, ale mają złożoną geometrię. Dysze soniczne o uproszczonych kształtach oferują większą elastyczność.

Mniejsze krople i ściśle kontrolowany rozkład wielkości uzyskuje się dzięki zastosowaniu wielu mikro-dysz lub konfiguracji szczelinowych.

Tworzenie i krzepnięcie proszku

Ścinanie stopionego metalu w krople i późniejsze krzepnięcie następują według różnych mechanizmów:

Etapy formowania proszku

• Rozstanie - Niestabilność strumienia Rayleigha powoduje perturbacje i tworzenie się kropli
• Zniekształcenie - Kropelki wydłużają się w wiązadła z powodu sił oporu powietrza
• Zerwanie - Więzadła rozpadają się na kropelki o rozmiarze zbliżonym do ostatecznego
• Solidyfikacja - Szybkie chłodzenie poprzez kontakt z gazem i promieniowanie tworzy cząstki stałe
• Opóźnienie - Utrata prędkości w miarę przemieszczania się cząstek w dół przez komorę atomizacji

Połączone efekty napięcia powierzchniowego, turbulencji i oporu powietrza określają ostateczne rozmiary i morfologię cząstek. Maksymalne szybkości chłodzenia cząstek przekraczające 1 000 000 °C/s wygaszają fazy metastabilne.

Parametry procesu

Kluczowe parametry procesu atomizacji gazu obejmują:

Proces rozpylania gazu Parametry

Zrównoważenie tych parametrów pozwala kontrolować rozmiar cząstek proszku, kształt, szybkość produkcji i inne cechy.

Systemy stopów do rozpylania gazu

Atomizacja gazowa może przetwarzać prawie każdy stop do postaci proszku, w tym:

Stopy odpowiednie do rozpylania gazu

• Stopy tytanu
• Nadstopy niklu
• Nadstopy kobaltu
• Stale nierdzewne
• Stale narzędziowe
• Stale niskostopowe
• Stopy żelaza i niklu
• Metale szlachetne
• Intermetalika

Atomizacja gazowa wymaga temperatury topnienia poniżej punktu rozkładu gazu atomizującego. Typowe gazy to argon, azot i hel.

Stopy ogniotrwałe o bardzo wysokich temperaturach topnienia, takie jak wolfram, mogą być trudne do rozpylenia i często wymagają specjalistycznej obróbki.

Większość stopów wymaga przegrzania stopu znacznie powyżej temperatury ciekłości, aby utrzymać wystarczającą płynność do atomizacji w drobno rozproszone kropelki.

Charakterystyka proszku rozpylanego gazowo

Typowa charakterystyka proszku rozpylanego gazowo:

Charakterystyka proszku rozpylanego gazowo

Kulisty kształt i regulowany rozkład wielkości ułatwiają stosowanie w procesach wtórnej konsolidacji proszków. Ścisła kontrola nad tlenem i składem chemicznym umożliwia uzyskanie wysokowydajnych stopów.

Specyfikacje dla proszków rozpylanych gazowo

Międzynarodowe standardowe specyfikacje pomagają zdefiniować:

• Rozkład wielkości cząstek
• Zakresy gęstości pozornej
• Natężenia przepływu w hali
• Dopuszczalne poziomy tlenu i azotu
• Dopuszczalna mikrostruktura i porowatość
• Limity składu chemicznego
• Procedury pobierania próbek

Wspiera to kontrolę jakości i powtarzalne zachowanie proszku.

Specyfikacje dla proszków rozpylanych gazowo

Specyfikacje są dostosowane do krytycznych wymagań aplikacji w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym i innych branżach wymagających wysokiej jakości.

Zastosowania proszku rozpylanego gazowo

Proszki rozpylane gazowo umożliwiają produkcję wysokowydajnych komponentów za pośrednictwem:

• Formowanie wtryskowe metali (MIM)
• Produkcja addytywna (AM)
• Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)
• Kucie proszkowe
• Natrysk termiczny i natrysk na zimno
• Prasowanie i spiekanie w metalurgii proszków

Korzyści w porównaniu z materiałami kutymi:

• Złożone geometrie z drobnymi elementami
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Prawie pełna konsolidacja gęstości
• Nowe i niestandardowe stopy
• Zakres opcji materiałowych

Atomizacja gazowa doskonale sprawdza się w produkcji sferycznych, płynnych proszków optymalnych do zautomatyzowanego przetwarzania skomplikowanych komponentów o wysokich standardach jakości w różnych branżach.

Globalni dostawcy proszków rozpylanych gazowo

Wybitni światowi dostawcy proszków rozpylanych gazowo to m.in:

Producenci proszków rozpylanych gazowo

Mniejsi regionalni dostawcy również oferują proszki rozpylane gazowo, często obsługując niszowe stopy lub zastosowania.

Wielu dostawców zajmuje się również przesiewaniem, mieszaniem, powlekaniem i innymi operacjami obróbki końcowej proszków.

Zalety i ograniczenia atomizacji gazu

Atomizacja gazu - wady i zalety

Kulisty kształt i drobne rozmiary proszku rozpylanego gazowo zapewniają wyraźne korzyści, ale wiążą się z wyższymi kosztami operacyjnymi w porównaniu z prostszymi procesami rozdrabniania mechanicznego.

Wybór proszku rozpylanego gazowo

Kluczowe aspekty przy wyborze proszku rozpylanego gazowo:

• Pożądany skład chemiczny i skład stopu
• Docelowy rozkład wielkości cząstek
• Odpowiednie zakresy gęstości pozornej i kranowej
• Limity tlenu i azotu podyktowane zastosowaniem
• Charakterystyka przepływu dla zautomatyzowanej obsługi proszków
• Procedury próbkowania zapewniające reprezentatywność
• Wiedza techniczna dostawcy i obsługa klienta
• Całkowity koszt

Testowanie prototypów pomaga zakwalifikować nowe stopy i proszki rozpylane gazowo do danego zastosowania. Ścisła współpraca z producentem proszku umożliwia optymalizację.

FAQ

Jaki jest najmniejszy rozmiar cząstek, jaki może wytworzyć atomizacja gazu?

Specjalistyczne dysze mogą wytwarzać proszek o wielkości jednocyfrowej do 1-5 mikronów. Ultradrobny proszek ma jednak bardzo niską gęstość pozorną i wykazuje silne międzycząsteczkowe siły Van der Waalsa, co wymaga ostrożnego obchodzenia się z nim.

Co powoduje powstawanie satelitów proszku podczas atomizacji gazu?

Satelity tworzą się, gdy krople są zbyt duże lub zderzają się i częściowo łączą przed całkowitym zestaleniem. Wyższe przegrzanie, niższe szybkości zalewania i zwiększona odległość separacji pomagają zmniejszyć liczbę satelitów.

Dlaczego do atomizacji gazu wymagany jest gaz obojętny o wysokiej czystości?

Strumienie gazu o dużej prędkości mogą z czasem powodować erozję metalu z dyszy i zanieczyszczenie proszku. Gazy reaktywne, takie jak azot i tlen, również negatywnie wpływają na czystość proszku i wydajność stopu.

Jak wypada atomizacja gazu w porównaniu z atomizacją wody?

Atomizacja wodna wytwarza bardziej nieregularny proszek o większych rozmiarach, zazwyczaj 50-150 mikronów. Atomizacja gazowa pozwala na uzyskanie drobniejszych rozmiarów do 10 mikronów z kulistymi morfologiami preferowanymi do prasowania i spiekania.

Czym jest atomizacja odśrodkowa?

W atomizacji odśrodkowej stopiony metal jest wlewany do wirującego dysku, który wyrzuca drobne kropelki stopionego metalu, które zestalają się w proszek. Metoda ta oferuje wyższe tempo produkcji niż atomizacja gazowa, ale ogranicza kontrolę nad rozmiarem i kształtem proszku.

Czy można szybko przełączać stopy podczas atomizacji gazowej?

Tak, dzięki specjalistycznemu sprzętowi strumień stopu można szybko zmienić w celu wytworzenia proszków kompozytowych i stopowych. Należy jednak zminimalizować zanieczyszczenie krzyżowe między stopami poprzez przedmuchiwanie komory.

Wnioski

Proces atomizacji gazowej wytwarza sferyczne, płynne proszki metaliczne o ściśle kontrolowanym rozkładzie wielkości cząstek, czystości i właściwościach mikrostrukturalnych optymalnych dla zaawansowanych procesów konsolidacji proszków w krytycznych zastosowaniach. Staranne manipulowanie parametrami procesu i wyspecjalizowane konstrukcje dysz umożliwiają szeroką kontrolę nad końcowymi właściwościami proszku. Dzięki ciągłemu rozwojowi, atomizacja gazowa zapewnia inżynierom większe możliwości produkcji wysokowydajnych komponentów na nowe, kreatywne sposoby.

poznaj więcej procesów druku 3D