Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Применение плазменной обработки для сфероидизации металлических порошков
10 июля 2018             

Авторы: А.А. САПРЫКИН, канд. техн. наук; В.И. КУЗЬМИН, канд. техн. наук; Д.В. СЕРГАЧЕВ, аспирант; Д.В. ДУДИХИН, магистрант(ЮТИ ТПУ, г. Юрга, ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, ТПУ, г. Томск) Сапрыкин А.А. - 652055, г. Юрга, ул. Ленинградская д.26, Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета, e-mail: sapraa@tpu.ru
 

Введение

 
В настоящее время в России началось активное развитие аддитивных лазерных технологий. Многие исследовательские институты занимаются решением задач по построению изделий методами аддитивных лазерных технологий. Такой производственный процесс значительно сокращает количество расходного материала и время на изготовление деталей, снижая себестоимость сложнопрофильных изделий.
 
Российские инженеры уже конструируют установки, которые производят детали методами аддитивных лазерных технологий. Но для их полноценной работы требуются специализированные металлические порошки со сферической формой частиц определенного химического состава, основная часть которых приобретается за границей. Сферический порошок хорошо наносится в виде рабочего слоя, компактно укладывается в заданный объем и облегчает работу лазера по спеканию частиц между собой [1, 2]. Несмотря на то, что спектр выбора материалов весьма ограничен, стоимость импортных порошков значительно завышена.
 

Обзор методов получения сферических порошков

 
Основными методами производства специализированных металлических порошков являются различные способы атомизации расплава. Наиболее распространен метод газовой атомизации (Рис. 1а), где поток расплавленного металла разрушается струей инертного газа, образуя таким образом поток расплавленных частиц, которые, благодаря силам поверхностного натяжения, приобретают сферическую форму. Также применяют метод вакуумной атомизации (Рис. 1б), в котором для генерации потока частиц используется перепад давления между плавильной и вакуумной камерами. Еще одним способом производства сферических порошков является метод центробежной атомизации (Рис. 1в), при котором происходит оплавление поверхности электрода, который вращаясь, разбрызгивает расплавленный металл в виде капель сферической формы [3].
 
 
Применение плазменной обработки для сфероидизации металлических порошков
Рис. 1. Принципиальные схемы основных методов атомизации: а – газовая атомизация; б – вакуумная атомизация; в – центробежная атомизация [3]
 
 
Приведенные методы атомизации являются основными источниками получения металлических порошков для аддитивных лазерных технологий, но они имеют ряд существенных недостатков. Любой метод атомизации требует значительных затрат, что существенно добавляет цену производимым порошкам. Например, в России стоимость стандартного медного порошка марки ПМС-1 составляет около 1200 рублей за кг, при этом сферический порошок сходного по химическому составу и фракции стоит от 20000 рублей за кг.
 
В тоже время существенными недостатками производства сферических порошков известными методами атомизации являются отсутствие возможности получения порошков тугоплавких металлов и наличие дефектов в структуре частиц.
 
Альтернативным методом производства специализированных металлических порошков для аддитивных лазерных технологий является процесс плазменной обработки (сфероидизации) (Рис. 2) [4, 5].
 
Плазменная обработка позволит снизить производственные затраты в несколько раз, что является большим преимуществом. Также предложенный метод сфероидизации металлических частиц не имеет ограничений по виду материала, возможно производство не только легкоплавких, но и тугоплавких металлических порошков. Данная технология позволяет сглаживать любые геометрические недостатки металлических частиц.
 

Методика экспериментального исследования

 
Для проведения эксперимента использовался электродуговой плазмотрон постоянного тока с секционированной межэлектродной вставкой марки «ПНК – 50», разработанный в ИТПМ СО РАН. Номинальная мощность плазмотрона – 50 кВт, производительность обработки металлических порошков – до 30 кг/час, керамических – до 10 кг/час.
 
Среднемассовая температура потока воздушной, или азотной плазмы на срезе сопла плазмотрона – до 7000 К, аргоновой плазмы – до 11000 К, что позволяет обрабатывать не только легкоплавкие, но и тугоплавкие металлы и керамику.
 
Плазмотрон укомплектован узлом кольцевого ввода порошка с его газодинамической фокусировкой (Рис. 2). На конструкцию узла получен патент РФ [6]. Узел кольцевого ввода обеспечивает равномерный, распределённый ввод порошка в поток термической плазмы, что существенно повышает производительность и эффективность обработки порошков (по сравнению с точечным вводом производительность обработки выросла почти на порядок).
 
 
Применение плазменной обработки для сфероидизации металлических порошков
Рис. 2. Узел кольцевого ввода: а – принципиальная схема кольцевого ввода порошка; б – фотография треков частиц порошка истекающих из радиально-кольцевой щели узла ввода при холодной продувке [7]
 
 
Эксперимент был проведен на медном порошке марки ПМС-1. Порошок был предварительно просушен для достижения максимальной сыпучести и наименьшей степени прилипания к стенкам бункера дозатора и каналам узла кольцевого ввода. После проведения подготовительных работ просушенный порошок засыпался в бункер дозатора.
 
После чего производился запуск плазмотрона и порошок при помощи транспортирующего газа, через узел кольцевого ввода, вводился в поток термической плазмы. Поток фокусирующего газа обеспечивал максимальную концентрацию частиц порошка на оси потока плазмы.
 
В качестве плазмообразующего газа использовался воздух, в качестве защитного газа (завеса анода) – смесь воздуха и небольшого количества пропан-бутана. Пропан-бутан, распределяясь преимущественно в пограничном слое потока плазмы в канале анода плазмотрона, связывал кислород воздуха и обеспечивал, таким образом, минимальную эрозию материала анода. Добавка пропан-бутана в транспортирующий и фокусирующий газы (основной газ – воздух) обеспечивала минимальное окисление частиц обрабатываемого порошкового материала.
 
Таким образом формировался высокотемпературный гетерогенный поток, где и проходила обработка частиц исходного порошка. При этом на перемещающиеся частицы воздействовал ряд основных сил, таких как сила тяжести, сила поверхностного натяжения, сила динамического давления потока плазмы [8]. Сфероидизацию исходного порошка обеспечивает сила поверхностного натяжения частиц, находящихся в жидкой фазе.
 
Обработанный порошок собирался в емкость с водой, которая находилась на расстоянии ~ 1м от среза сопла плазмотрона, где он охлаждался, сохраняя при этом полученную форму.
 

Результаты и обсуждения

 
После проведения экспериментов порошок был просушен и исследован при помощи методов оптической микроскопии (рис. 3).
 
 
Применение плазменной обработки для сфероидизации металлических порошков
Рис. 3. Форма частиц медного порошка марки ПМС-1 до и после плазменной обработки: а – после обработки, б – до обработки (увеличение в 100 раз); в – после обработки, г – до обработки (увеличение в 400 раз)
 
 
Таким образом, экспериментально доказана высокая эффективность плазменной сфероидизации частиц порошковых материалов. Сферическая форма обеспечивает их необходимую сыпучесть, которая необходима для производства изделий аддитивными технологиями.
 

Выводы

 
Нагрев и плавление частиц в потоке плазмы обеспечивает им сферическую форму, которая является основным требованием к порошкам для трехмерной печати. Следовательно, данный способ получения сферических частиц имеет большие перспективы как метод производства специализированных металлических порошков для аддитивных технологий.
 

Список литературы

1. Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А. Аддитивные технологии и изделия из металла // Библиотечка литейщика. – 2014. – № 9. – С. 29–30.
2. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – С. 116–119.
3. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров. – М.: НАМИ, 2015. – С. 160–171.
4. Tsantrizos P.G., Allaire F., Entezarian M. Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization: patent US 5707419. – Appl. date 15.08.1997; publ. date 13.01.1998. 5. Boulos M. Plasma power can make better powders // Metal Powder Report. – 2004. – Vol. 59, iss.
5. – P. 16–21.
6. Патент 2474983 Российская Федерация. Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона / В.И. Кузьмин А.А. Михальченко, Е.В. Картаев. – № 2011128160/07; заявл. 07.07.2011; опубл. 10.02.2013.
7. Регулирование размера частиц порошков при плазменном распылении пруткового материала / Н.Н. Струков, Д.С. Белинин, П.С. Кучев, Ю.Д. Щицын // Вестник Пермского государственного технического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2011. – Т. 13, № 3. – С. 117–121.
8. Плазменное напыление порошковых покрытий при газодинамической фокусировке дисперсной фазы / В.И. Кузьмин, Е.В. Картаев, Д.В. Сергачев, Е.Е. Корниенко, Е.Ю. Лапушкина, А.О. Токарев // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2014. – № 1. – C. 482–488. 
 
Актуальные проблемы в машиностроении. Том 4. № 2. 2017 Инновационные технологии в машиностроении

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru