Top 4 der fortschrittlichen Fertigungstechniken für die Herstellung von sphärischem Pulver

Zu den Herstellungsverfahren für kugelförmige Pulver gehören im Allgemeinen die Wasserzerstäubung (WA), die Gaszerstäubung (GA), das Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP) und die Hochfrequenz-Plasma-Sphäroidisierung (RF).

1. Gaszerstäubung (GA)

Bei der Gaszerstäubung werden Hochgeschwindigkeitsgasströme verwendet, um geschmolzenes Metall in kleine Tröpfchen aufzubrechen, die dann zu Pulver erstarren. Diese Methode ist sehr beliebt, um feine Partikelgrößen, eine hohe Sphärizität und eine hohe Reinheit zu erzielen. Es ist die wichtigste Methode zur Herstellung von Metallpulvern für den 3D-Druck.

Die Gaszerstäubung kann auf der Grundlage der Heizelemente in drei Typen eingeteilt werden:

A. Vakuum-Induktionsschmelzen-Schutzgaszerstäubung (VIGA): Bei diesem Verfahren werden die Legierungsmaterialien in einem Tiegel geschmolzen. Das geschmolzene Metall fließt durch eine Verteilerdüse zur Zerstäubungsdüse, wo es durch Überschallgas in feine Tröpfchen zerlegt wird. Dieses Verfahren wird häufig zur Herstellung von Pulvern aus Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Aluminium- und Kupferlegierungen eingesetzt. Diese Methode kann angewendet werden für Hochentrope Fe-Co-Ni-Cr-Al-Legierung und 316L-Edelstahl.

B. Elektroden-Induktions-Schmelzgaszerstäubung (EIGA): Bei diesem Verfahren wird die Gaszerstäubung mit dem Induktionsschmelzen von Elektroden kombiniert. Ein vorlegierter Metallelektrodenstab wird in einer ringförmigen Induktionsspule geschmolzen, und die geschmolzenen Metalltröpfchen fallen in eine Gaszerstäubungsdüse, wo sie mit Hilfe von Inertgas zerstäubt werden. Dieses Verfahren eignet sich für reaktive Metalle und Legierungen sowie für hochschmelzende Materialien wie Titanlegierungen und Zirkonium. Diese Methode kann angewandt werden für NiTi Formgedächtnislegierung (Nitinol) und Ti-6Al-4V Titan-Legierung.

C. Plasma-Zerstäubung (PA): Mit Plasmabrennern wird ein Hochtemperatur-Plasma erzeugt, um Metalldraht schnell zu schmelzen. Das geschmolzene Metall wird in feine Tröpfchen dispergiert, die sich zu Pulver verfestigen. Diese Methode wird häufig für die Herstellung von Titan- und Titanlegierungspulvern verwendet, kann aber durch den Bedarf an Drahtvormaterial eingeschränkt werden, was die Produktionskosten erhöht.

2. Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP)

Das Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP) ist eine Technik zur Herstellung von Metallpulvern durch Zentrifugalzerstäubung, bei der ein mit hoher Geschwindigkeit rotierender Elektrodenstab durch einen Plasmabrenner geschmolzen wird. Diese Methode führt zu Pulvern mit Vorteilen wie minimalen nichtmetallischen Einschlüssen, Abwesenheit von Satellitenpartikeln und ausgezeichneter Fließfähigkeit.

Das Verfahren beginnt damit, dass ein Plasmabrenner das Ende des mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Elektrodenstabs zum Schmelzen bringt, wodurch sich mehrere Flüssigkeitsfilme bilden. Diese geschmolzenen Filme werden dann durch die Zentrifugalkraft, die durch die schnelle Rotation der Elektrode erzeugt wird, in Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen erstarren und kühlen in einer Inertgasumgebung ab, wobei sie aufgrund der Oberflächenspannung kugelförmige Pulver bilden.

Die Partikelgröße des Pulvers liegt in der Regel zwischen 50 und 350 μm, wobei die Größe mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit der Elektrode und zunehmendem Durchmesser abnimmt.

Anwendungen:

PREP ist besonders effektiv bei der Herstellung von Metallpulvern wie Ni-Basis-Legierungen, Ti-Legierungen, Edelstahllegierungen und verschiedenen Refraktärmetallen. Die erzeugten hochwertigen Pulver werden häufig in fortschrittlichen Fertigungsverfahren wie elektronenselektivem Schmelzen, Laserschmelzen, Plattieren, Beschichten und heißisostatischem Pressen (HIP) verwendet.

Die wichtigsten Merkmale der PREP-Pulver:

• Geringer Gehalt an Sauerstoff und Verunreinigungen (hohe Reinheit)
• Gleichmäßig kugelförmig und frei von Satellitenpartikeln
• Enger Partikelgrößenbereich
• Hervorragende Fließfähigkeit und hohe Schütt-/Packungsdichte
• Minimale innere Porosität

Die durch PREP hergestellten Pulver sind zwar im Allgemeinen kugelförmig, aber tendenziell gröber als die durch Gaszerstäubung erzeugten. Es werden jedoch verschiedene Verfahrensverbesserungen erforscht, um feinere Pulver herzustellen. Diese Technik ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Pulvern aus reaktiven und feuerfesten Materialien.

Diese Methode kann auf Inconel 625 Nickel-Basis-Legierung und Inconel 718 Nickel-Basis-Legierung.

3. Wasserzerstäubung (WA)

Die Hochdruck-Wasserzerstäubung (WA) ist ein bemerkenswerter Fortschritt bei der Herstellung feiner zerstäubter Pulver, insbesondere im 10-μm-Bereich. Die Nachfrage nach diesen feineren Pulvern nimmt stetig zu, was auf die zunehmende Einführung des Pulverspritzgusses als wichtiges Herstellungsverfahren zurückzuführen ist. Es wird erwartet, dass das Hochdruck-WA-Verfahren eine zentrale Rolle bei der Deckung der Nachfrage nach kostengünstigen Pulvern in dieser Partikelgrößenkategorie spielen wird. Die Morphologie der entstehenden Pulver kann jedoch gewisse Probleme aufwerfen.

Hochdruck-WA eignet sich hervorragend zur Herstellung feiner Pulver und bietet Flexibilität bei der Erzeugung eines breiten Spektrums von Partikelgrößen, Größenverteilungen und scheinbaren Dichten. Mit steigendem Wasserdruck während der Zerstäubung nimmt die Partikelgröße tendenziell ab, während die Größenverteilung im Allgemeinen breiter wird. Untersuchungen an wasserzerstäubten Pulvern aus Edelstahl 316-L haben gezeigt, dass höhere Wasserdrücke zwischen 10 und 150 MPa durchweg zu kleineren durchschnittlichen Partikelgrößen führen.

Diese Methode kann auf Hochtemperaturlegierungen auf Eisenbasis angewendet werden (18Ni300, Incoloy A-286) und Hochtemperaturlegierungen auf Kobaltbasis (CoCrW-Legierung, CoCrMoNi-Legierung, Haynes 188).

4. Hochfrequenz (RF) Plasma-Sphäroidisierung

Die RF-Plasmatechnologie ist eine hocheffiziente Sphäroidisierungsmethode, die sich durch ihre hohe Energiedichte, ihre intensive Heizfähigkeit und ihr großes Plasmabogenvolumen auszeichnet. Ein wesentlicher Vorteil des RF-Plasmas ist das Fehlen von Elektroden, wodurch eine Verunreinigung durch Elektrodenverdampfung vermieden wird. Der Prozess beginnt mit der Ionisierung eines Inertgases, z. B. Argon, mit Hilfe einer Hochfrequenzstromquelle zur Erzeugung eines stabilen Hochtemperaturplasmas. Unregelmäßig geformte Rohpulver werden über ein Trägergas, z. B. Stickstoff, mit Hilfe eines Pulverförderers in den Plasmabrenner eingeführt. Die Pulverpartikel absorbieren intensive Hitze und schmelzen schnell, während sie das Plasma durchlaufen. Unter dem Einfluss der Oberflächenspannung verschmelzen die geschmolzenen Partikel zu kugelförmigen Gebilden und werden schnell in einer inerten Atmosphäre abgekühlt. Die entstandenen Pulver werden dann in einer Auffangkammer gesammelt.

Vorteile und Herausforderungen der RF-Plasmatechnologie
Die durch RF-Plasma-Sphäroidisierung hergestellten Pulver weisen eine regelmäßige Kugelform, hohe Sphärizität, glatte Oberflächen und eine ausgezeichnete Fließfähigkeit auf. Diese Methode eignet sich besonders für die Herstellung von Pulvern aus Refraktärmetallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Tantal, Wolfram, Niob und Molybdän. Der lange Erhitzungszyklus kann jedoch zur Verdampfung flüchtiger Elemente führen. Außerdem kann die große Oberfläche von unregelmäßigen Pulvern zu einem höheren Sauerstoffgehalt im Endprodukt führen.

Diese Methode kann angewandt werden auf Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Tantal (Ta)und Niobium (Nb).

Vergleichende Analyse von Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Pulvern:

• WA-Methode: Die Wasserzerstäubung ist kostengünstig und umweltfreundlich, erzeugt aber Pulver mit geringerer Sphärizität und höherem Sauerstoffgehalt. Sie eignet sich am besten für die Massenproduktion von Pulvern aus nicht reaktiven Metallen.
• VIGA-Methode: VIGA ist effizient, bietet eine breite Palette von Legierungen und ermöglicht eine gute Kontrolle der Pulvergröße. Es ist ein beliebtes Verfahren für die additive Fertigung von Pulvern.
• EIGA-Methode: EIGA ist vorteilhaft für reaktive Metallpulver, da es ein sauberes Schmelzen ohne Kontamination durch Tiegel ermöglicht. Es ist ideal für Titanlegierungen beim selektiven Laserschmelzen (SLM).
• PA-Methode: Die Plasmazerstäubung kann Pulver aus hochschmelzenden Legierungen herstellen, erfordert jedoch Drahtvormaterial, was die Kosten erhöht. Es ist weniger geeignet für die Herstellung von Pulvern aus schwer verformbaren Legierungen.
• PREP-Methode: PREP liefert kugelförmige Pulver mit hohem Reinheitsgrad und geringem Sauerstoffgehalt. Allerdings werden dabei in der Regel gröbere Pulver erzeugt, was die Anwendung auf feinpulverbasierte Verfahren wie SLM einschränkt.
• RF Plasma Sphäroidisierung: Die RF-Plasmasphärolyse eignet sich gut zur Herstellung von dichten, kugelförmigen Pulvern aus unregelmäßigen Formen, kann jedoch zu einem höheren Sauerstoffgehalt und längeren Heizzyklen führen.

Jede Methode hat ihre spezifischen Vorteile und Grenzen, je nach den gewünschten Pulvereigenschaften und den Anwendungsanforderungen.

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