CC BY
62
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 669-1, 537-523, 533-924
СФЕРОИДИЗАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО РАЗРЯДА
Ю.В. Цветков, академик РАН, А. В. Самохин, канд. техн. наук ([email protected]), А.А. Фадеев, Н.В. Алексеев, канд. техн. наук (ИМЕТРАН, г. Москва), В.И. Котляров, канд. техн. наук (АО «ГИРЕДМЕТ», г. Москва, [email protected])
Показан способ получения сферических порошков титана, сплава ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т в потоке аргоновой и аргоноводородной термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне. Степень сфероидиза-ции полученных порошков достигает 98,5 % при изменении коэффициента округлости частиц в диапазоне от 1 до 1,4. Полученные результаты показывают возможность использования метода электродуговой плазменной сфероидиза-ции металлических порошков для их применения в аддитивных технологиях.
Ключевые слова: металлические порошки; аддитивные технологии; титан; плазменная сфероидизация.
Spheroidizing of Metal Powders in Thermal DC Plasma. Yu.V. Tsvetkov, A.V. Samo-khin, A.A. Fadeev, N.V. Alexseev, V.I. Kotlyarov.
A technique for production of spherical Ti, Ti-6Al-4V alloy and AISI 316 (12X18H10T) stainless steel powders in a flow of the argon and argon-hydrogen thermal plasma generated in a DC plasma torch is shown. Degree of spheroidization of the powders produced reaches 98.5 %, while a change of particle rotundity coefficient is in a range of 1to 1.4. The results obtained show the possibility of the use of the DC plasma spheroidization of metal powders for their application in the field of additive manufacturing.
Key words: metallic powders; additive manufacturing; titanium; plasma spheroidi-zation.
Введение
Аддитивные технологии (АМ-технология -additive manufacturing) или технологии послойного синтеза на сегодняшний день -одно из наиболее динамично развивающихся направлений порошкового послойного синтеза. Объединительным фактором АМ является то, что построение деталей происходит путем добавления материала в отличие от традиционных технологий, в которых изготовление деталей происходит за счет его удаления.
Исходным материалом для промышленной 3D-печати служат сыпучие сферические материалы с характерным размером частиц до 100 мкм. Такие частицы более компактно укладываются в определенный объем и обладают необходимой текучестью в системах
подачи материала с минимальным сопротивлением. При этом они должны обладать высокой химической однородностью, пониженным содержанием газовых примесей.
Более 90 % всех порошков, применяемых в АМ-технологиях, производят методами диспергирования расплава(распыление или атомизация). К основным технологическим вариантам диспергирования расплавов относят газовую и центробежную атомизацию.
Технология газовой атомизации предполагает разрушение потока расплава, подаваемого из огнеупорного плавильного тигля в специальное устройство-распылитель, струей инертного газа, подаваемого под давлением. Способ применяется для получения порошков из никелевых жаропрочных сплавов, сплавов на основе кобальта, высоколегированных сталей, а также цветных метал-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
лов и сплавов на их основе различного применения [1].
Технология центробежной атомизации предполагает распыление быстровращаю-щейся расходуемой заготовки за счет расплавления ее торцевой поверхности с помощью плазменной струи, генерируемой плазмотроном независимого действия или электрической дугой [2].
Низкотемпературная плазма, генерируемая дуговыми разрядами, получила за последние годы широкое применение для осуществления целого ряда технологических операций. Плазменная струя оказалась весьма удобным инструментом для получения порошковых материалов из самых различных веществ путем восстановления, синтеза, разложения и термической обработки без изменения химического состава исходных продуктов. Изменение морфологии порошков в низкотемпературной плазме, генерируемой в дуговом или индукционном разряде, является эффективным средством для решения задачи получения порошков тугоплавких металлов со сферической формой частиц. Использование в качестве исходного материала порошков неправильной формы позволяет получать сферические порошки с размерами, пригодными к использованию в АМ-технологиях.
В настоящее время сфероидизация порошков осуществляется в установках, использующих термическую плазму высокочастотного (ВЧ) разряда [3-6], электродуговые плазмотроны применяются в процессе распыления титановой проволоки при получении сферических порошков [7]. Электротехническое оборудование, используемое для генерации термической плазмы в электродуговых плазмотронах, имеет меньшую стоимость по сравнению с оборудованием для получения ВЧ-плазмы, кроме того электродуговые плазмотроны обладают большей единичной мощностью и коэффициентом полезного действия [8, 9].
Целью работы являлось получение сферических порошков титана, сплава ВТ1-0, ВТ6, нержавеющей стали 12Х18Н10Т при обработке в потоке термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне.
Материалы и методики исследования
В качестве исходного сырья для электродуговой плазменной сфероидизации использовались следующие порошковые материалы: титан марки ВТ1-0 (<50 = 35 мкм), сплав ВТ6 ^50 = 35 мкм), нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (<^50 = 45 мкм). Результаты оптической микроскопии исходного порошкового сырья представлены на рис. 1.
Рис. 1. Результаты оптической микроскопии исходного порошкового сырья:
а - титан ВТ1-0; б - сплав ВТ6; в - нержавеющая сталь12Х18Н10Т
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Для получения сфероидизированных порошков использовали установку, разработанную в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Установка оборудована электродуговым плазмотроном постоянного тока, рабочей камерой (реактором), зоной фильтрации отходящего газ-дисперсного потока, системой подачи порошка, контрольной и пускорегулирующей аппаратурой (рис. 2). В качестве рабочего (плазмо-образующего газа) использовали, главным образом, аргон и водород. Транспорт-газ для исходного дисперсного сырья - аргон.
Сфероидизация металлических порошков в плазменной установке основана на нагреве и расплавлении исходных металлических частиц, вводимых в плазменный поток транспортирующим газом. При охлаждении высокотемпературного газодисперсного потока в объеме реактора с водоохлаждаемыми стенками происходит кристаллизация металлических частиц в виде сфер. Получаемый сфе-
« ф ф
са и fr
в В В D
6
8®
Эл ектропитание Плазмообразующий г; Транспортирующий га: Водяное охлаждение Сигналы управления
Д
11 I!
Рис. 2. Схема установки сфероидизации порошков в плазме:
1 - электродуговой плазмотрон; 2 - камера смешения исходного сырья с плазменной струей; 3 - реактор; 4 - фильтр; 5 - порошковый питатель; 6 - источник питания плазмотрона; 7- стенд КИП; 8 - система газообеспечения; 9 - система водообеспечения; 10 -кран выгрузки; 11 - сборник продукта
рическии порошок осаждается на внутренних стенках и в коническом днище реактора, частично выносится на рукавный фильтр и собирается в приемных бункерах целевого продукта.
Физико-химический анализ полученных порошков включал:
- измерение распределения частиц по размерам в исходных и полученных порошках на анализаторе размера частиц методом лазерной дифракции Mastersizer 2000 (ИМЕТ РАН);
- определение морфологии порошков и размеров частиц с использованием оптической микроскопии (оптический микроскоп Olympus CX31, работающий в режиме светлого поля с высокоскоростной фотокамерой Infinity 1-5) (ИМЕТ РАН) и электронной сканирующей микроскопии (электронный микроскоп Versa 3D (FEI Company) (ЦКП Микроанализ).
Полученные в микроскопах изображения частиц обрабатывались с применением программного обеспечения Image Scope Color M [10], которое позволяло определить диаметр Фере-частиц и их коэффициент округлости. Коэффициент округлости рассчитывался как отношение периметра объекта к периметру круга с той же площадью, для сферических частиц данный коэффициент равен 1. Счетная степень сфероидизации порошка при обработке в потоке плазмы определялась как отношение числа сферических частиц к общему количеству частиц на микрофотографии.
Экспериментальные исследования сфе-роидизации металлических порошков в потоке термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне, выполнены в следующих диапазонах значений параметров процесса:
Полезная мощность плазмотрона, кВт . . . 4-23 Расход плазмообразующего газа (аргон,
аргон- водородные смеси), нм3/ч........1-3
Полезная энтальпия плазменной струи,
МДж/кг..............................6-21
Расход порошка, кг/ч..................До 0,6
Расход транспортирующего газа (аргон), нм3/ч................................0,3-1
В экспериментах исследовали влияние следующих параметров и характеристик процесса на степень сфероидизации исходных порошков: полезная энтальпия плазмен-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ной струи, расход обрабатываемого порошка, схема и параметры ввода газодисперсного потока в струю плазмы.
Результаты исследований и их обсуждение
Сфероидизация порошков проводилась в потоке аргоновой, аргоноводородной электродуговой плазмы при объемном содержании водорода от 0 до 20 %. Экспериментально установлено, что добавка водорода позволяет увеличить энтальпию плазменной струи. График зависимости значений энтальпии плазменной струи от расхода водорода при постоянном расходе аргона представлен на рис. 3.
По результатам исследования определено, что увеличение энтальпии плазменной струи свыше 3,1 кВт/нм3 приводит к нежелательному эффекту - испарению исходных частиц с размером менее 10 мкм (до 20 % мас.).
Пары металла при охлаждении высокотемпературного газодисперсного потока будут конденсироваться на поверхности расплавленных частиц и в объеме, образуя наноразмерные металлические частицы. На рис. 4 представлены микрофотографии сфероидизи-рованного порошка титана при наличии в нем нанораз-мерных частиц.
Использование в качестве исходного сырья порошковых материалов с узким распределением частиц по размерам,наряду с оптимизацией параметров плазменной обработки, позволяет избежать процесса испарения исходных частиц.
В результате комплекса выполненных экспериментальных исследований установлено, что в потоке терми-
3,50
=я 3,00 -
но
3 § 12,50:
аз | 2,00^ *
§ я 1,50 -
л £ 1,00 -
нт го 0,50 -
► 2,10
.2,76
-^3,18
2,85
0 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 0,160 Расход водорода, нм3/ч
Рис. 3. Зависимость изменения энтальпии потока плазмы, генерируемой в плазмотроне, от расхода водорода
Рис. 4. Сферические частицы микронного диапазона с присутствием наночастиц:
оптическая микроскопия; б - электронная микроскопия
16
14
12
10
м, е 8
(Ч ю 6
О 4
3
2
10 100 Размер частиц, мкм в
1000
Рис. 5. Результаты сканирующей электронной микроскопии сфероидизированного порошка ВТ 1-0 (а) и послойного ионного травления сферической частицы титана (б), распределение частиц по размерам в продукте (в)
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ческой плазмы аргона с добавками водорода (до 20% об.), генерируемой в электродуговом плазмотроне, могут быть получены сферические порошки титана ВТ1-0, сплава ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Размер сферических частиц в зависимости от режимов плазменной обработки составляет от 10 до 60 мкм при счетной степени сфероидизации до 98,5%, при этом средний коэффициент округлости частиц составляет 1,01, изменяясь в диапазоне значений от 1 до 1,4. Вид полученных сфероидизированных порошков титана, нержавеющей стали и распределение частиц по размерам, полученные мето-
14
12
10
м, 8
е
(Ч ю 6
О 4
2
0
М
а
10
Размер частиц, мкм в
Рис. 6. Результаты оптической микроскопии сфероидизированного порошка ВТ6 (а) и послойного ионного травления сферической частицы сплава ВТб (б), распределение частиц по размерам в продукте (в)
Рис. 7. Результаты оптической микроскопии сфероидизированного порошка нержавеющей стали 12Х18Н10Т
дом лазерной дифракции, представлены на рис. 5-7.
При анализе внутренней структуры сферических частиц при послойном ионном травлении установлено, что частицы беспористые, обладают однородной внутренней структурой (см. рис. 5, б).
Картина течений в плазменном реакторе с ограниченным струйным течением, который использовался для проведения процессов сфероидизации, характеризуется присутствием нескольких зон рециркуляционных течений, захватывающих зоны реактора с температурами ниже 850 К. Частицы металлического титана могут многократно проходить через эти зоны и взаимодействовать с водородом, образуя раствор водорода в титане или поверхностный слой гидрида титана. Присутствие водорода не является необходимым условием осуществления процесса сфероидизации, а служит доступным вариантом увеличения полезной удельной энтальпии потока плазмы. Необходимые значения удельной энтальпии плазмы аргона могут быть достигнуты при использовании других конструкций электродугового плазмотрона.
Проведение исследования результатов плазменной сфероидизации порошков титана ВТ1-0, сплава ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т показало , что применяемые режимы процессов подходят для получения сферических порошков из этих материалов для аддитивных технологий.
Заключение
В результате комплекса выполненных экспериментальных исследований установлено, что в потоке терми-
100
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ческой аргоноводородной плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне, могут быть получены сферические порошки титана, сплава ВТ6 и нержавеющей стали
12Х18Н10Т. Счетная степень сфероидизации достигает 98,5%, d5o = 30 мкм, средний коэффициент округлости частиц составляет 1,01, изменяясь в диапазоне значений от 1 до 1,4.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Horn T. Overview of current additive manufacturing technologies and selected applications // Science Progress. 2012. V. 95. P. 255-82.
2. Довбыш В. Аддитивные технологии и изделия из металлов. Режим доступа: http://nami.ru/uploads/ docs/centr_technology_docs/55a62fc89524bAT_ metall.pdf, 2014.
3. Sangsun Yang, Ji-Na Gwak, Tae-Soo Lim, Yong-Jin Kim and Jung-Yeul Yun. Preparation of Spherical Titanium Powders from Polygonal Titanium Hydride Powders by Radio Frequency Plasma Treatment // Materials Transactions. 2013. V. 54. № 12. P. 2313-2316.
4. Innovation in Plasma Spheroidized (PS) Titanium Powders. AMETEK-Reading Alloys. Technical Data Sheet, 2012.
5. Lu X., Tong J.B., Liu C.C., Qu X.H. Fabrication of Micro-fine Spherical TiAl-Nb Alloy Powders Based on Reaction Synthesis and Plasma Spheroidization // International Titanium Powder Processing, Consolidation and Metallurgy Conference. Hamilton. New Zealand. 2013. P. 12.2.
6. Vert R., Pontone R., Dolbec R., Dionne L., Boulos M.I. Induction plasma technology applied to powder manufacturing: example of titanium-based materials // 22nd International Symposium on Plasma Chemistry. 2015. Antwerp. Belgium. P-II-7-32.
7. Raymor AP&C: Leading the way with plasma atomised Ti spherical powders for MIM // Powder Injection Moulding International. 2011. V. 5. № 4. P. 55-57.
8. Туманов Ю.Н. Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах. - М.: Физмат-лит, 2010. - 968 с.
9. Samokhin A.V., Polyakov S.N., Astashov A.G., Alexeev N.V., Tsvetkov Y.V. Simulation of the process of nanopowder synthesis in a jet-type plasma reactor II. Nanoparticles formation // Physics and Chemistry of Materials Treatment. 2014. № 3. P. 12-17.
10. Программное обеспечение ImageScope для визуализации, сохранения, обработки и анализа цифровых изображений. http://www.microscop.ru/ oborudovanie/drugoe/item/imagescoupe/?catego-ry_id = 295. Дата обращения: 08.02.16.
-Ф-
-Ф-
