Progresso da pesquisa sobre atomização de gás para preparação de pós metálicos usados em impressão 3D
A tecnologia de impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, surgiu na década de 1930. É uma técnica que constrói peças camada por camada (por exemplo, usando pós metálicos) com base em um modelo tridimensional -gerado por computador. Em comparação com a fabricação subtrativa tradicional, a impressão 3D oferece vantagens como alta liberdade de design, alta utilização de materiais e capacidade de fabricar estruturas complexas, mostrando amplas perspectivas de aplicação na indústria aeroespacial, dispositivos médicos, fabricação de precisão e outros campos. O desenvolvimento da impressão 3D de metal depende muito de pós metálicos de alto-desempenho, cujas características determinam diretamente a qualidade e o desempenho das peças impressas. Os pós metálicos ideais para impressão 3D devem possuir alta esfericidade, tamanho de partícula pequeno, distribuição estreita de tamanho de partícula, alta pureza e boa fluidez.
A atomização a gás (GA), como principal método de produção de pós metálicos, teve origem na década de 1920. Ele usa um jato de gás de alta-velocidade para colidir com um fluxo de metal fundido, quebrando-o em minúsculas gotículas que se solidificam em pós esféricos após o resfriamento. Os pós produzidos por este método apresentam composição uniforme, alta esfericidade e baixo teor de impurezas, e atualmente respondem por 30% a 50% da produção total de pós metálicos para impressão 3D. No entanto, a atomização de gás é um processo complexo que envolve o acoplamento de fluxo bifásico gás-líquido; mudanças sutis nos parâmetros do processo podem levar a diferenças significativas nas características do pó, afetando assim o desempenho das peças impressas. Portanto, uma revisão sistemática do progresso da pesquisa em tecnologia de atomização de gás é de grande importância para promover o desenvolvimento da indústria de impressão 3D.
Requisitos de desempenho de pós metálicos para impressão 3D
No processo de impressão 3D, os pós metálicos servem como matéria-prima e seu desempenho afeta diretamente a uniformidade do espalhamento do pó, a qualidade da sinterização e as propriedades mecânicas finais das peças. Os principais indicadores de desempenho incluem pureza do pó, tamanho das partículas, teor de oxigênio e reciclabilidade.
2.1 Pureza do pó
A presença de elementos de impureza pode reagir com o pó base, reduzindo a estabilidade termodinâmica e as propriedades mecânicas do material. Por exemplo, o pó da liga Ti-6Al-4V adsorve prontamente N, O, H e outros elementos quando aquecido, levando à degradação do desempenho. Porém, em alguns casos, as impurezas podem ter efeitos positivos, como as impurezas no pó cerâmico Al2O3 que podem diminuir a temperatura de sinterização e facilitar o processo. Portanto, a pureza do pó deve ser ajustada de acordo com a aplicação específica.
2.2 Tamanho de partícula
O tamanho das partículas afeta diretamente a espessura da camada de espalhamento do pó (normalmente 50–100 μm) e a força motriz da sinterização. Os processos de formação a laser geralmente usam tamanhos de partículas de pó de 30 a 50 μm, enquanto a formação por feixe de elétrons usa 50 a 90 μm. Partículas muito finas tendem a causar espalhamento desigual e fenômenos de "bola", enquanto partículas excessivamente grossas aumentam o ângulo de divergência e reduzem a eficiência de utilização. Idealmente, é necessária uma mistura de pós finos e grossos em uma proporção apropriada para equilibrar a fluidez e o desempenho de sinterização.
2.3 Conteúdo de oxigênio
O conteúdo de oxigênio se origina principalmente do gás e do equipamento de atomização. A alta contaminação por oxigênio pode formar limites anteriores de partículas (PPB), deteriorando o desempenho da liga. Estudos demonstraram que o teor de oxigênio dos pós está relacionado ao tamanho das partículas; à medida que o tamanho das partículas diminui, o conteúdo de oxigênio aumenta. O aquecimento a vácuo ou o tratamento de redução podem efetivamente reduzir o teor de oxigênio.
2.4 Reciclagem de pó
O custo dos pós para impressão 3D é alto e a reciclagem pode economizar significativamente matéria-prima. Por exemplo, após 21 ciclos de uso, o pó de Ti-6Al-4V apresentou um aumento no teor de oxigênio de apenas 0,08% para 0,19%, e as partículas não fundidas puderam ser reutilizadas. Aumentar o número de ciclos de reciclagem pode melhorar a densidade e a fluidez do vazamento sem afetar a microestrutura ou as propriedades mecânicas.
Princípios básicos da produção de pó por atomização a gás
A atomização de gás usa um jato de gás de alta{0}velocidade para quebrar um fluxo de metal fundido em gotículas, que depois se solidificam em pós esféricos após o resfriamento. O processo consiste em três etapas: fusão do metal, impacto de atomização e resfriamento/solidificação. Gases inertes (por exemplo, nitrogênio, argônio) são comumente usados como meio de atomização para evitar oxidação. O processo de atomização de gás pode ser dividido em quatro zonas:
Zona I (zona de turbulência com pressão negativa):O gás de atomização cria uma pressão negativa na saída do bocal, que atrai o fluxo de metal fundido e o dispersa em tiras líquidas.
Zona II (zona primária de formação de gotículas):As tiras de líquido são inicialmente quebradas em gotículas sob a ação da tensão superficial e do fluxo de gás.
Zona III (zona de atomização efetiva):O jato de gás de alta{0}velocidade quebra ainda mais as gotículas em partículas mais finas.
Zona IV (zona de resfriamento e solidificação):As gotículas caem livremente e solidificam em pós esféricos após o resfriamento.