Плазменная сфероидизация металлических и керамических порошков

В современном машиностроении широко применяются технологические процессы, использующие порошковые материалы, такие как аддитивное производство, порошковая металлургия и нанесение покрытий [1–5]. Их основу составляют металлические и керамические порошки – сыпучие материалы, состоящие из множества твердых частиц размерами до одного миллиметра. Керамические порошки производятся на основе оксидов, нитридов, силицидов и карбидов различных металлов (хрома, титана, алюминия и др.) и могут быть как однокомпонентными, так и сложными смесями. Их свойства, включая химическую стойкость к спиртам, щелочам и кислотам, определяются составом и размером частиц.

Для аддитивных технологий в производстве металлических деталей важным свойством порошка является текучесть [6; 7], т. е. скорость его прохождения через отверстие заданного диаметра. Этот параметр влияет на скорость и равномерность заполнения рабочей камеры, обеспечивает однородность плотности будущего изделия и определяет общую производительность процесса. Форма частиц является фактором, определяющим насыпную плотность и текучесть порошковых материалов. Частицы сферической формы обеспечивают более эффективную упаковку по сравнению с частицами неправильной формы, что подтверждается исследованиями в области аддитивных технологий [8–10].

Методом получения сферических порошков, обеспечивающим более 90 % от общего объема их производства, является диспергирование расплава [11]. Широкое применение этой группы методов обусловлено высокой производительностью, технологичностью, сравнительно низкими капитальными и энергетическими затратами, экологичностью, а также возможностью контроля свойств конечного продукта. К основным способам диспергирования расплава относятся газовая, водная, плазменная, центробежная, ультразвуковая и бесконтактная атомизация [12].

Наибольшую температуру нагрева при диспергировании обеспечивает плазменная сфероидизация. Данный метод дает возможность обрабатывать любые материалы, включая тугоплавкие и химически активные. В таком случае сфероидизация осуществляется путем распыления проволоки или порошка в потоке низкотемпературной плазмы, в среде инертных и восстанавливающих газов. Схема образования сферических частиц при плазменной сфероидизации представлена на рис. 1. В отличие от газовой сфероидизации, данная технология позволяет использовать в качестве исходного сырья не только проволоку, но и порошки, что делает её эффективным инструментом для постобработки порошковых материалов. Наиболее рациональной с технико-экономической точки зрения признана методика прямого распыления расплава в объем охлаждающей жидкости (например, в воду или масло) либо использование систем принудительного орошения.

Рис. 1. Схема процесса образования сферического порошка

Fig. 1. Diagram of the spherical powder formation process

На форму получаемых частиц наибольшее значение оказывают такие параметры, как природа распыляемого материала, время нахождения частиц в плазменной струе, расстояние от среза сопла до поверхности охлаждающей среды, состав и свойства охлаждающей среды. В настоящее время отсутствуют прямые сравнительные данные о влиянии способа подачи порошка в плазменную струю на морфологию частиц в контролируемых условиях охлаждения. Кроме того, для успешной реализации процесса плазменной сфероидизации необходимо использование специализированного реактора, обеспечивающего строго контролируемый режим охлаждения для получения порошка сферической формы.

Целью исследования является проведение сравнительного анализа двух методов подачи порошков в плазменную струю – под срез сопла (плазмотрон F-4) и вдоль оси (плазмотрон ПМ-1) и его распыления в реактор с водяным охлаждением, изучение дисперсного состава металлических и керамических порошков после обработки, выработка технологических рекомендаций по режимам плазменной сфероидизации.

Эксперимент (обработка порошков)

Для проведения сравнительного анализа двух схем ввода порошка использовались два плазмотрона: плазмотрон F-4 производства фирмы Sulzer Metco (в настоящее время – фирма Oerlikon Metco), в котором распыляемый порошок подается под срез сопла [13], и плазмотрон ПМ-1, разработанный авторами [14; 15], особенностью которого является то, что распыляемый порошок подается соосно плазменной струе. Плазменной сфероидизации подвергались металлические (NiCr, Cu) и керамические (Al 2 O 3 , ZrO 2 ) порошки. Технологический процесс сфероидизации организован следующим образом. Плазмотрон с помощью роботизированной системы KUKA подводился к вводному фланцу реактора с заранее смонтированным переходником. Длительность напыления для каждого материала составляла 60 с. Технологические режимы плазмотронов при проведении экспериментальных исследований приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технологические режимы плазменной сфероидизации

Плазмообразующее устройство		F-4	ПМ-1
Материал		NiCr _1 Cu _1 Al2O3“I ZrO 2	NiCr       Cu        Al2O3      ZrO 2
Скорость подачи порошка, л/мин		3	3
Сила тока, А		500	400
Напряжение, В		51	38
Мощность, Вт		26	15
Скорость подачи газа, л/мин	Аргон	30	30
	Водород	4	2
Изменение температуры жидкости в реакторе, °С		4–5	3–4

Для реализации процесса плазменной сфероидизации в ходе работы разработан и изготовлен охлаждающий реактор – специализированное устройство, обеспечивающее управляемое охлаждение расплавленных частиц. Наиболее эффективная методика предполагает прямое диспергирование расплава в объем охлаждающей жидкости (в воду или масло), что определяет конструктивные требования: возможность заполнения и слива жидкости, а также коррозионную стойкость внутренних поверхностей. Кроме того, для отвода тепловых потоков от плазменной струи и горячих газов (Т > 5000 К) необходимо оснастить реактор системой охлаждения корпуса.

На основе анализа технологического процесса сформулированы следующие требования к конструкции реактора:

• 1)    наличие системы охлаждения корпуса;

• 2)    увеличение внутреннего объема и площади поверхности для конденсации продуктов с целью обеспечения длительного непрерывного цикла работы;

• 3)    снижение эксплуатационной трудоемкости за счет реализации в неразборной конфигурации следующих операций: извлечение полученного порошка, заправка и слив охлаждающей жидкости, создание и поддержание нейтральной газовой среды, визуальный контроль за процессами внутри реактора;

• 4)    универсальность, обеспечивающая возможность попеременного подключения двух различных типов плазмотронов.

• В    соответствии с этими требованиями разработана принципиальная схема реактора (рис. 2), а также варианты его оснащения разными плазмотронами.

Корпусные элементы реактора, работающие в условиях высоких термических нагрузок и контакта с водой, изготовлены из коррозионностойкой высоколегированной стали Х18Н10Т. Переходные узлы для подключения плазмотронов, испытывающие локальный нагрев свыше 500 °C, выполнены из термостойкой керамики.

Для подтверждения эффективности системы охлаждения проведено численное моделирование в среде SolidWorks Flow Simulation. Модель была представлена в упрощенном виде, содержала только компоненты, подверженные высокотемпературному воздействию. Внутренний объем реактора на 30 литров заполнен модельной средой (водой), имитирующей условия прямого распыления в жидкость. Принято допущение, что массовый расход порошка на порядок ниже расхода плазмообразующего газа, поэтому его влияние на тепло- и массообмен не учитывалось. Начальные параметры и граничные условия для теплового расчета представлены в табл. 2.

Рис. 2. Реактор плазменной сфероидизации с вариантами подключения разных плазмотронов: 1 – плазмотрон F-4; 2 – плазмотрон ПМ-1; 3 – жаростойкий переходник; 4 – крышка реактора;

5 – вводной фланец; 6 – корпус реактора; 7 – сливой канал; 8 – стойка

Fig. 2. Plasma spheroidization reactor with connection options for different plasma torches:

1 – plasma torch F-4; 2 – plasma torch PM-1; 3 – heat-resistant adapter; 4 – reactor cap; 5 – inlet flange;

6 – reactor vessel; 7 – drain channel; 8 – rack

Таблица 2

Начальные параметры и граничные условия для теплового расчета

Граничные условия			Расчетная модель реактора
Обозначение	Параметр	Значение	c t          1 A 4 D
А	Объемный расход на входе Q, м3/с	6,7·104
	Давление Р, МПа	1
	Температура Т, °С	15000
В	Скорость в направлении х V, м/с	0,1
	Давление Р, МПа	0,03
	Температура Т, °С	15
С, D	Атмосферное давление P, МПа	0,101325
	Температура окр. среды Т, °С	20
Начальные параметры
Температура тел T, °С		15
Материалы:
Корпус Крышка	Х18Н10Т
Переходники	Керамика
Наполнитель	Вода, 30 л

Результаты теплового моделирования показали, что стационарный тепловой режим в системе устанавливается через 286 с после начала процесса. По итогам расчета получены поля распределения температур в конструкции реактора и временные зависимости изменения температур в характерных точках (рис. 3).

Рис. 3. Термические эпюры и графики зависимости температур от времени: а – жидкость в реакторе; б – керамический переходник;

в – внутренняя поверхность реактора; г – внешняя поверхность реактора

Fig. 3. Thermal plots and graphs of temperature versus time: а – the liquid in the reactor; б – the ceramic adapter; в – the inner surface of the reactor; г – the outer surface of the reactor

Экспериментальные исследования показали, что за 60 с работы, температура воды в реакторе повысилась на 4-6 °C, что коррелирует с результатами проведенного численного моделирования. После плазменной обработки, плазмотрон отводился в сторону от реактора, охлажденная вода с частицами порошка сливалась через нижний фланец и фильтровалась для извлечения диспергированного материала. Остатки порошка, осевшие на стенках и дне реактора, собирались механически. Полученный продукт сушился и классифицировался по гранулометрическому составу.

В результате проведенных экспериментальных исследований был синтезирован сферический порошок четырёх материалов – NiCr, Cu, Al 2 O 3 и ZrO 2 . Полученные порошки подверглись комплексному анализу, включающему исследование микроструктуры и гранулометрического распределения частиц. Металлографический анализ полученных образцов проводили на микроскопе Neophot 32 (Carl Zeiss, Германия).

Результаты и обсуждение

Внешняя морфология порошков после плазменной обработки представлена на рис. 4. Анализ микрофотографий показал, что металлические порошки (Cu и NiCr) образовали частицы сферической формы. В то же время для керамических материалов (Al2O3 и ZrO2), обладающих значительно более высокой температурой плавления, полная сфероидизация не была достигнута. Однако наблюдаемый эффект скругления острых кромок и граней исходных частиц свидетельствует о начале процесса плавления их поверхности.

При работе с легкоплавкими материалами, в частности с медью, и использовании плазмотрона ПМ-1 с осевой подачей порошка возникли технологические сложности. Медный порошок подвергался преждевременному расплавлению непосредственно в канале подачи плазмотрона, не достигая зоны высокотемпературной плазменной струи. Это приводило к его оплавлению и осаждению на внутренних поверхностях сопла с последующим образованием крупных капель. На начальном этапе процесса эти капли выносились в реактор, формируя сферы аномально большого диаметра (рис. 5, а ). При дальнейшей работе (свыше 30 с) материал закупоривает сопло и блокирует подачу порошка.

В отличие от ПМ-1, плазмотрон F-4 с боковой подачей под срез сопла обеспечивает стабильную работу с теми же материалами, поскольку в данном случае порошок вводится в периферийную зону плазмы, минуя зону перегрева в канале плазмотрона. В результате получен мелкодисперсный порошок с однородной сферической морфологией (рис. 5, б ), что указывает на более предпочтительный характер взаимодействия частиц с плазмой в данной конфигурации.

Рис. 4. Внешняя морфология металлических и керамических порошков до и после плазменной сфероидизации

Fig. 4. External morphology of metallic and ceramic powders before and after plasma spheroidization

Гранулометрический анализ проведен методом статистической обработки изображений, полученных с помощью оптической микроскопии. Для построения функций распределения частиц по размерам в CAD-среде измерена случайная выборка, включающая 300 сферических частиц каждого типа порошка. Графики гранулометрического распределения порошков, полученных с использованием различных плазмотронов, представлены на рис. 6 и 7.

а                                б

Рис. 5. Внешняя морфология сфероидизированного порошка Cu: а – плазмотрон ПМ-1; б – плазмотрон F-4

Fig. 5. The external morphology of spheroidized Cu powder: a – plasmatron PM-1; б – plasmatron F-4

^вЧастота попадания в интервал ■ Теор. вероят. попад. в интервал

Рис. 6. Гранулометрическое распределение частиц порошка при обработке плазмотроном ПМ-1

Fig. 6. Granulometric distribution of powder particles during treatment with a PM-1 plasma torch

Рис. 7. Гранулометрическое распределение частиц порошка при обработке плазмотроном F-4

Fig. 7. Granulometric distribution of powder particles during treatment with an F4 plasma torch

Анализ гранулометрического состава показал, что в большинстве случаев плазмотрон F-4 формирует более крупные частицы по сравнению с плазмотроном ПМ-1. Это подтверждается средними значениями для Cu (28 против 19 мкм), Al2O3 (40 против 33 мкм) и ZrO2 (41 против 32 мкм). Исключение составил сплав NiCr, для которого средние размеры, полученные на обеих установках, оказались практически идентичными (14 мкм). Полученное увеличение размера частиц при использовании плазмотрона F-4 может объясняться менее интенсивным или менее длительным тепловым воздействием, характерным для конфигурации с боковой подачей порошка под срез сопла, что приводит к меньшему нагреву и, как следствие, снижению степени диспергирования и сфероидизации.

Оценка однородности гранулометрического состава по величине стандартного отклонения показала, что плазмотрон F-4 формирует порошки с более широким разбросом размеров частиц для всех исследуемых материалов, кроме NiCr. Наиболее существенная разница наблюдается для керамических порошков: для Al₂O₃ стандартное отклонение составило 14,5 мкм против 8,8 мкм у ПМ-1, а для ZrO 2 – 19,0 мкм против 10,1 мкм соответственно. Даже для NiCr, где средние размеры совпали, разброс при использовании F-4 несколько выше (5,1 против 3,5 мкм). Данный факт указывает на то, что процесс в плазмотроне F-4 с боковой подачей является менее контролируемым и воспроизводимым в отношении достижения узкого фракционного состава, в то время как плазмотрон ПМ-1 с осевой подачей обеспечивает более стабильный и однородный результат.

Анализ асимметрии и эксцесса распределений показал, что большинство полученных порошков характеризуется положительной асимметрией, что типично для процессов распыления. Однако для порошка ZrO 2 , полученного на плазмотроне ПМ-1, выявлены аномально высокие значения асимметрии (3,0) и эксцесса (14,6). Это указывает на сильно островершинное распределение с выраженной концентрацией частиц в области моды (17 мкм) и протяжённым «хвостом» в сторону крупных фракций. Для остальных материалов формы распределения, полученные на обоих плазмотронах, оказались ближе к нормальной или умеренно островершинной. Таким образом, плазмотрон ПМ-1 в отдельных случаях (ZrO₂) формирует существенно отклоняющиеся от нормального распределения, тогда как плазмотрон F-4 обеспечивает более предсказуемые и близкие к нормальному закону формы кривых распределения.

Сравнение различных классов материалов показало, что керамические порошки (Al 2 O 3 , ZrO 2 ) характеризуются значительно более широким разбросом размеров частиц, что особенно выражено при использовании плазмотрона F-4. Данный факт коррелирует с результатами микроскопического анализа, подтверждающими неполную сфероидизацию и широкий спектр морфологии керамических частиц. В отличие от них, металлические порошки (Cu, NiCr) демонстрируют существенно более узкие гранулометрические распределения, что согласуется с их полной сфероидизацией и предсказуемым поведением в плазменном потоке.

На основе проведённого анализа можно сформулировать следующие выводы: плазмотрон ПМ-1 (с осевой подачей) обеспечивает более высокую однородность и воспроизводимость гранулометрического состава, позволяя получать мелкодисперсные порошки, но его применение для легкоплавких материалов технологически ограничено из-за риска закупоривания сопла. Плазмотрон F-4 (с боковой подачей под срез струи) является более универсальным и устойчивым при работе с легкоплавкими металлами, но в процессе сфероидизации формируются более крупные частицы с широким разбросом размеров, что особенно характерно для тугоплавких керамик. Таким образом, выбор типа плазмотрона должен определяться целевыми требованиями к характеристикам готового продукта: для получения однородных мелкодисперсных порошков предпочтителен плазмотрон ПМ-1, а для обеспечения максимальной степени сфероидизации и обработки материалов с низкой температурой плавления – плазмотрон F-4.

Заключение

Разработана и апробирована конструкция реактора с водяным охлаждением для плазменной сфероидизации, обеспечивающая контролируемые условия теплоотвода. В рамках сравнительного исследования двух принципиальных схем ввода порошка – осевой (плазмотрон ПМ-1) и боковой под срез плазменной струи (плазмотрон F-4) – для металлических (Cu, NiCr) и керамических (Al 2 O 3 , ZrO 2 ) порошков, установлены следующие основные закономерности.

Плазмотрон ПМ-1 обеспечивает формирование более однородных мелкодисперсных частиц за счет коаксиального взаимодействия порошка с плазменным потоком. Однако его применение для материалов с низкой температурой плавления (Cu) технологически ограничено вследствие закупоривания канала подачи. В свою очередь, плазмотрон F-4 позволяет обрабатывать любые материалы, но приводит к образованию более крупных частиц с широким гранулометрическим распределением, что особенно выражено для тугоплавких керамик.

Эффективность сфероидизации показывает прямую корреляцию с температурой плавления материала: для металлов достигнута практически полная сфероидизация, тогда как для оксидной керамики процесс преимущественно ограничился оплавлением поверхностного слоя и скруглением частиц. Экспериментальные данные по тепловому режиму реактора подтвердили результаты численного моделирования.

Таким образом, выбор технологической схемы должен осуществляться с учетом целевых свойств конечного продукта: для получения мелких фракций предпочтительна осевая подача (плазмотрон ПМ-1), для обработки легкоплавких материалов – боковая подача под срез струи (плазмотрон F-4). Полученные результаты позволяют обоснованно подходить к оптимизации режимов плазменной сфероидизации порошков для применений в аддитивных технологиях и порошковой металлургии.