Авторы: А.И. Андрейко, А.И. Демченко, А.А. Максимов 

ООО «Гранком»

Введение 

В последние годы стремительное развитие аддитивного производства привело к необходимости глубокого изучения технологии получения металлических порошков. Качественные порошки должны обладать характеристиками, обеспечивающими стабильную работу оборудования и уровень свой­ств синтезируемых изделий. Порошки должны иметь преимущественно сферическую форму, высокую текучесть и насыпную плотность, равномерное распределение частиц по размерам [1, 2]. К распространенным методам производства порошка относятся электродное индукционно-­плавильное газовое распыление (EIGA) [3], вакуумная индукционная плавка с газовым распылением расплава (VIGA) [4], плазменное распыление (PA) [5] и центробежное распыление вращающихся электродов (PREP) [6]. Среди них процесс VIGA обладает весомыми преимуществами: высокой производительностью и эффективностью производства, широким диапазоном адаптации сплава с возможностью вариации химического состава, низкой стоимостью, контролируемым размером порошка, а также высоким выходом годной фракции. 

Он широко используется в передовых областях, таких как аэрокосмическая промышленность, медицина, автомобилестроение, энергетическая промышленность [7].

Несмотря на очевидные преимущества метода, существуют и определенные недостатки, обусловленные физикой процесса газового распыления, при котором дробление струи жидкого расплава происходит в башне распыления, где единовременно циркулируют частицы в жидком состоянии со значительным перегревом над температурой ликвидус и кристаллизованные. В результате столкновения этих частиц друг с другом образуются дефекты (рис. 1), такие как сателлиты (мелкие частицы, соединенные с более крупными), агломераты (спекшиеся частицы, образовавшие гранулу иррегулярной формы) и так называемый «аморфный панцирь», представляющий собой корку толщиной несколько микрометров, наплавленную на сравнительно крупную гранулу [8,  9].

Рис. 1. Дефекты частиц металлических порошков

На количество дефектных частиц при газовом распылении оказывает влияние множество факторов: химический состав металла, перегрев над точкой ликвидус, давление и температура распыляющего газа, конструкция атомайзера и распыляющего устройства — форсунки.

Из всех известных факторов наибольшее влияние на качество получаемого порошка оказывает форсунка, так же она является наиболее сложным узлом в конструкции установки, поэтому для оптимизации ее работы выполнено компьютерное моделирование газодинамических процессов, проходящих в башне распыления. В качестве объекта исследования выбрана конструкция форсунки с соплом Лаваля, имеющая высокую энергоэффективность и позволяющую улучшить качество порошка, судя по многочисленным исследованиям [10, 11, 12].

Компьютерное 3D моделирование

В ходе работы было выполнено 3D-численное имитационное моделирование неизотермического квазистационарного течения аргона при его поступлении в верхний сегмент расчетной области (ВСРО) через кольцевое сопло Лаваля, разработанное специалистами ООО «Гранком» и имеющее характерный размер минимального сечения — 1,29 мм [13, 14, 15].

Геометрия исследуемого сопла представлена на рис. 2. Оно конструктивно выполнено в виде кольцевого газового канала с изменяющейся в пространстве геометрией его сечения.

Для расчетов применялся только верхний сегмент расчетной области (ВСРО) [13], представляющей собой модель внутреннего пространства камеры распыления установки VIGA.

Рис. 2. Геометрия форсунки с кольцевым соплом Лаваля

В первом приближении при моделировании аргон полагался совершенным газом с постоянной удельной теплоемкостью, равной ср = 552,24 Дж/(кг.К). Удельная теплопроводность аргона и его динамическая вязкость описывались формулой Сазерленда [13].

В качестве ГУ на входе формирователя струи распыления задавались температура газа, равная 20°C, и давление  45,0 бар. На выходе ВСРО газовая струя распространялась в окружающей среде с температурой 25°C и давлением 1,1 бар [13].

В результате имитационного моделирования были получены численные оценки параметров и характеристик неизотермического квазистационарного течения сверхзвуковой закрученной струи аргона в ВСРО с расчетным вариантом сопла Лаваля, учитывая ее теплообмен с охлаждаемыми стенками корпуса башни распыления (рис. 3).

Рис. 3. Скалярное поле расчетного распределения чисел Маха для течения аргона в ВСРО с соплом Лаваля

Рис. 4. Скалярное поле расчетного распределения чисел Маха для течения аргона в сопле

Для определения критического сечения исследуемого сопла, где число Маха М = 1, рассмотрим подробнее фрагмент скалярного поля расчетного распределения чисел Маха в сопле (рис. 4).

Из анализа рис. 4 следует, что разработанное сопло по определению можно считать соплом Лаваля, так как скорость газа в нем достигает своего критического значения М = 1 в сечении, расположенном в окрестности минимального сечения, отделяющего конфузорную часть сопла от диффузорной, при этом скорость течения газа в диффузорной части сопла становится сверхзвуковой.

При этом геометрические размеры сопла Лаваля обеспечивают параметры его функционирования близкими к оптимальным значениям в части достижения максимального динамического давления газа на выходе сопла при использовании изоэнтропического приближения.

Скорость обтекания распыляющей струей аргона поверхности конструктивного комплекса сопла Лаваля, имитирующего условные границы зоны распыления (рис. 5), существенно выше, чем при использовании простого сопла (656 м/с и 472 м/с соответственно), что создаёт лучшие условия для формирования мелкодисперсных целевых фракций металлических порошков.

Рис. 5. Векторное поле расчетного распределения скорости течения аргона в ВСРО в формате текстуры с соплом Лаваля

Экспериментальная часть

Для оценки эффективности работы форсунки с кольцевым соплом Лаваля согласно разработанным чертежам изготовлен новый распылительный узел. В качестве исследуемого материала выбран бронзовый сплав на основе меди марки БрАМц9‑2. Плавку вели в штатном режиме в соответствии с утвержденным технологическим процессом для возможности объективного сравнения свой­ств порошка, полученного распылением стандартной форсункой. Выплавку осуществляли в вакуумно-­индукционной печи, после расплавления основной завалки выполнили легирование до целевого химического состава. Для компенсации теплопотерь при выпуске металл перегрели над точкой ликвидус до 1430°С и приступили к распылению. Газ в форсунку подавался под давлением 45 бар и был подогрет до 25°С. Процесс проходил стабильно, без замерзания металла внутри стакана и образования наростов [16], что свидетельствует о корректно подобранной геометрии сопла.

Известно, что при неправильной работе форсунки может происходить замерзание металла внутри разливочного стаканчика, связанное с отсутствием разряжения (эффект Коанда) в точке выхода металла в зону действия форсунки.

Фракционирование порошка производилось на установке рассева. Порошок рассеяли для получения фракции 40–100 мкм.

Исследование порошка

Методы испытаний

Для оценки качества полученного порошка были проведены анализы текучести по ГОСТ 20899‑98, насыпной плотности по ГОСТ 19440‑94 и формы частиц ГОСТ 25849‑83. Все испытания проводились в центральной заводской лаборатории.

Результаты исследований

В таблице 1 и на рис. 6 приведены результаты исследования свой­ств порошков, полученных с применением различных конструкций форсунок.

Стандартная форсунка                                   Сопло Лаваля 

Рис. 6. Морфология частиц при увеличении 20х

Обсуждение результатов

Важным критерием, характеризующим качество порошка, является насыпная плотность, так как на ее значение оказывают влияние все дефекты частиц металлических порошков. Из полученных данных сравнительной таблицы 1 видно существенное увеличение значения насыпной плотности и содержания сферических частиц, при этом произошло снижение содержания частиц с сателлитами.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают эффективность применения форсунки с соплом Лаваля и коррелируются с результатами компьютерного моделирования.

Выводы

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. В рамках выполнения работы выполнено 3D-численное имитационное моделирование процессов, протекающих в форсунке и башне распыления. Данные, полученные в результате моделирования, коррелируются с экспериментальными.

2. Порошок, распыленный форсункой с соплом Лаваля, обладает высокой насыпной плотностью, форма частиц преимущественно сферическая, а количество сателлитов ниже по сравнению с порошком, распыленным стандартной форсункой.

Литература

1. K. Riener, N. Albrecht, S. Ziegelmeier, R. Ramakrishnan, L. Haferkamp, A. B. Spierings, G. J. Leichtfried. Influence of particle size distribution and morphology on the properties of the powder feedstock as well as of AlSi10Mg parts produced by laser powder bed fusion (LPBF), Additive Manufacturing 34 (2020).
2. J. Wegner, M. Frey, M. Piechotta, N. Neuber, B. Adam, S. Platt, L. Ruschel, N. Schnell, S. S. Riegler, H.-R. Jiang, G. Witt, R. Busch, S. Kleszczynski. Influence of powder characteristics on the structural and the mechanical properties of additively manufactured Zr-based bulk metallic glass, Materials & Design 209.
3. Sun X.Y., Yuan L., Wang L.L., Cheng L. Y. Study on the Formability of 3D Printed TC4 Alloy Powder by EIGA. In Proceedings of the 2nd International Conference on Frontiers of Materials Synthesis and Processing, Sanya, China, 9 October 2019; Volume 493.
4. Dunkley J. J. Atomization // Powder Metal Technologies and Applications. ASM International Publishers. 1998. V. 7. P. 35–52.
5. Smagorinski M.E., Tsantrizos P. G. Production of spherical titanium powder by plasma atomization // Proc. World Congress of PM & Particulate Matter. Metal Powder Ind. Fed. 2002. V. 3. P. 248–260.
6. Востриков А.В., Сухов Д. И. Производство гранул методом PREP для аддитивных технологий — текущий статус и перспективы развития.
7. Лыков П.А. Разработка гидропневмоагрегатов машин по производству микропорошков из жидких металлов: дис. канд. техн. наук. Челябинск, 2013.  147 с.
8. Stephen K. Kennedy, Amber M. Dalley & Gregory J. Kotyk. Additive Manufacturing: Assessing Metal Powder Quality Through Characterizing Feedstock and Contaminants.
9. Filippo Zanini, Nicola Buzzacchera, Simone Carmignato. CT-based method to measure metal powder characteristics and to study their influence on the quality of additively manufactured parts.
10. T. Okumura, T. Shibata, N. Okochi. Production of Gas Atomized Ti Alloy Powder by Levitation Melting Furnace with Electro Magnetic Nozzle, 2007.
11. Daniel Schwenck, Nils Ellendt, Jörg Fischer-­Bühner, Peter Hofmann and Volker Uhlenwinkel. A novel convergent–divergent annular nozzle design for close-­coupled atomization 2017.
12. Peng Wang, Jing Li, Xin Wang, Heng-­San Liu, Bin Fan, Ping Gan, Rui-­Feng Guo, Xue-­Yuan Ge, Miao-­Hui Wang Close-coupled nozzle atomization integral simulation and powder preparation using vacuum induction gas atomization technology.
13. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Цаплин Д.В.и др. Виртуальный испытательный стенд физических процессов образования и механизмов противодействия возникновению паразитных сателлитов и агломераций при газовой атомизации на промышленной установке VIGA‑300 (Реализованные вычислительные технологии и результаты применения). Шифр «ВИС VIGA‑300» // НТО НПЦ ПМ, 2025.  150 с.
14. Селезнев В.Е., Прялов С.Н. Численное моделирование течений в магистральных трубопроводах.  М.: Едиториал УРСС, 2014.  800 с.
15. Селезнев В.Е. Технологии виртуальных испытательных стендов: методология разработки и применения.  М.: МАКС Пресс, 2024.  608 с.
16. A.M. Mullis, N.J. Adkins, Z. Aslam, I. McCarthy, R.F. Cochrane. High frame rate analysis of the spray cone geometry during close-­coupled gas atomization 2014.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2025