Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка метода и технологии распыления жидкого металла с применением левитационной плавки при производстве металлических порошков для применения в 3D-принтерах

Сведения об участнике
ФИО
Салокеева Алёна Ростиславовна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Разработка метода и технологии распыления жидкого металла с применением левитационной плавки при производстве металлических порошков для применения в 3D-принтерах
Резюме
В данном проекте предлагается создать установку для производства металлического порошка, который будет использоваться для изготовления деталей методами аддитивных технологий. Ключевая проблема развития аддитивных технологий – производство металлического порошка с жестко заданными характеристиками. Достоинства аддитивных технологий: быстрота изготовления деталей, получение деталей сложной геометрии с различным дизайном, экономичное использование исходного материала. Данные технологии востребованы для производств в авиа- и судостроении, двигателестроении и аэрокосмической промышленности, медицины, производстве изделий радиоэлектронного и военного назначения.
Ключевые слова
аддитивные технологии, производство металлического порошка, левитационная плавка металла, индукционное плазменное распыление металла, плазматрон, атомайзер.
Цели и задачи
Цель работы: разработка установки для производства порошков из металлов и сплавов, применимых для аддитивных технологий.
Задачи научного исследования:
1. Изучить современные способы производства металлических порошков для аддитивных технологий. Оценить достоинства и недостатки этих способов.
2. Оценить достоинства и недостатки левитационной плавки при производстве металлических порошков для аддитивных технологий.
3. Разработать модель устройства для производства металлических порошков.
4. Разработать метод получения металлических порошков на модельном устройстве.
5. Провести анализ физико-механических свойства полученного порошка: гланулометрический состав порошка, геометрические характеристики формы частиц порошка, качество поверхности частиц, структура металлических частиц порошка.
Введение

Основные производители изделий методом 3D-печати используют импортное оборудование и расходные материалы, производителей из США и Европы. Ключевая проблема развития аддитивных технологий в РФ – производство металлического порошка с жестко заданными характеристиками [1,2]. Основными методами производства металлических порошков для аддитивных технологий:газовое распыление, центробежное распыление и плазменное распыление. Была поставлена задача оценить возможность разработки менее энергозатратного метода получения металлических порошков, а именно замена плазменного распыления на менее энергозатратный – метод индукционной левитационной плавки металла, с последующим дроблением расплава излучением сверхвысоких частот.

Методы и материалы

Форма частиц получаемого порошка зависит от состава газовой среды и перегрева расплава. Наиболее эффективно распыление при температуре газового потока, совпадающей или превышающей температуру расплава, т.к. вязкость и поверхностное натяжение распыляемого материала при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсутствия переохлаждения расплава [3]. В этом случае наиболее перспективным представляется путь распыления струей газа, нагретого до сверхвысоких температур – плазмой. Форма частиц порошка, прошедшего плазменную обработку имеют правильную сферическую форму и необходимое распределение частиц порошка. При таком распылении возможен широкий спектр регулирования энергетических параметров потока плазмы.

         Поэтому, для широкого регулирования параметров расплава предлагается создать установку для производства порошка с широким диапазоном регулирования температуры, магнитных полей и скорости подачи плазмообразующего газа – это система левитационной плавки металла, совмещенная с распылением на мелкие частицы расплава металла.

Данный метод плавки удобен при проведении эксперимента в лабораторных условиях, что позволит визуально контролировать агрегатное состояние металла и исключить его механический контакт с нагревателем, предотвратить тепловые потери и перегрев расплава выше нормы. Таким образом, возможно получить нужные характеристики режимов воздействия на каплю расплава для распыления металла с различной степенью дисперсности.

Описание и обсуждение результатов

В ходе научно-исследовательской работы были проведены опыты по распылению и сфероидизации порошков металлов на модельной, маломощной установке –  индукционном безэлектродном плазматроне, на которой можно было разово произвести минимальные объемы порошков, необходимых для научных исследований.

В данной работе было проверено влияние температуры плавления распыляемого материала на качество и форму получаемого порошка.

Было проведено распыление проволок диаметром 3 мм из следующих сплавов; железо техническое – температура плавления ~1536 0С, медь М1         ~1083 0С, сплав ПМФ7 ~ 850 0С, сплав ПСр62 ~ 715 0С, алюминий А7~ 658 0С, олово О2 ~ 230 0С.

Как показали исследования  – температура плавления распыляемого материала, при постоянном режиме распыления, оказывает  решающее влияние на форму и размеры получаемых частиц.

Таким образом, было установлено, что температура плавления распыляемого металла является основополагающим фактором при разработке технологического режима распыления порошков различных металлов – при понижении температуры плавления металла необходимо уменьшение силы тока и увеличение скорости и объема распыляющего газа.

Выводы

  1. Установлена возможность использования левитационной плавки для ограниченных объемов металла.
  2. Показана возможность применения методов индукционной левитационной плавки и индукционного плазматронного распыления, для тугоплавких металлов в газо-воздушной среде факела плазмотрона.
  3. Определено, что выход годной фракции частиц порошка материала на железной основе правильной сферической формы с размерами 20-60 мкм составил около 50%, причем эта величина напрямую зависит от температуры плавления распыляемого материала и снижается при понижении температуры его плавления.
  4. Подтверждена необходимость использования защитных сред (например распыления в камере с аргонной или другой инертной средой) при распылении легкоплавких алюминиевых порошков.
Используемые источники
1. Аддитивные технологии и изделия из металла [Электронный ресурс].– Режим доступа:http://nami.ru/uploads/docs/centr_technology_docs/55a62fc89524bAT_metall.pdf – Аддитивные технологии и изделия из металла. – (Дата обращения 23.02.2016).
2. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. Н. Аддитивные технологии в машиностроении. – СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. – 222 с.
3. Boulos M. Plasma power can make better powders / M.Boulos // Metall powder report.–2004. – Vol.59 – Issue 5.– P. 16–21.
Information about the project
Surname Name
Salokeyeva Alyona
Project title
Development of the method of spraying molten metal with the use of levitation melting in the production of metal powders for use in 3D printers
Summary of the project
This project proposes to create an installation for production of metal powder to be used for the fabrication of parts by the methods of additive technologies. The key problem of the development of additive technologies – producing metal powder with a rigidly specified characteristics. Advantages of additive manufacturing: rapid manufacturing of parts, obtaining parts of complex geometry with different design, economical use of the source material. These technologies are in demand in aircraft and shipbuilding, engine building and aerospace industry, medicine, manufacturing of electronic products and military use.
Keywords
additive technology, producing of metal powder, the levitation of melting metal, induction plasma sprayed metal, plasma torch, atomizer.