Характеризация металлического порошка и текучесть

В декабре 2020 года в Nature вышла работа исследователей из Остравского университета (Чехия) о методах характеризации металлического порошка и текучести.

Металлические детали получают и традиционными, и современными способами. В большинстве современных способов сырьём служит металлический порошок, который затем перерабатывают в изделие: прессованием, спеканием, газотермическим напылением или аддитивным производством, например селективным лазерным плавлением (SLM), лазерной подачей порошка (LPF), струйным нанесением связующего (binder jetting, BJ), электронно-лучевым сплавлением порошкового слоя (EPBF) и другими методами. Выбор процесса меняет свойства изделия, но для всех технологий важны входные свойства порошка: текучесть, химический состав, размер частиц, оптические и теплофизические свойства, поверхностное натяжение и другие. У каждого аддитивного процесса свои требования к параметрам порошка.

С распространением аддитивного производства характеризация металлического порошка нужна всё больше: свойства порошка должны точно соответствовать конкретной машине, а производство — быть стабильным. В работе подробно охарактеризованы десять металлических порошков (316L, Zn, Sn, Al, Cu, Mn, Fe, бронза, Ti и Mo): распределение частиц по размеру, морфология, статический и динамический угол естественного откоса и эффективный угол внутреннего трения (AIFE).

Скорость истечения оценивали по статическому углу естественного откоса (AOR) и дополняли изменением AOR, чтобы описать поведение пробы. Текучесть также определяли сдвиговыми испытаниями на установках RST, PFT и FT4. Статический AOR измеряли на запатентованном оборудовании по патенту PV2015-239. Проверка установки и метода измерения статического и динамического угла выгрузки Технического университета Остравы VSB показана ниже; установку называют Zenegero.

Оборудование для задания AOR

Статический AOR десяти металлических порошков

Ниже — сводка измерения динамического угла естественного откоса (DAOR). У большей части проб средний измеренный угол рос, когда частота вращения увеличивалась с 0,2 Гц до 0,6 Гц. На рисунках — все пробы: 316L, Sn, Ti, Fe, бронза, Al, Cu, Zn, Mn и Mo.

У порошка 316L разница средних углов при вращении от 0,2 до 0,6 Гц была наибольшей. С ростом частоты режим течения менялся от качения при 0,2 Гц к каскадному при 0,6 Гц. Среднее углов на трёх локальных скоростях имело большое стандартное отклонение: 49,4° ± 9°. У олова разброс среднего угла был наименьшим: 44,8° ± 1,5°. Поэтому оловянный порошок показал лучшую общую устойчивость динамического течения. По характеру течения при DAOR устойчивость подтверждалась постоянным режимом качения на всех частотах испытания. Сильнее всего с частотой менялось течение алюминиевого порошка: на низкой частоте — качение, затем постепенно режим катарактинга.

AIFE определяли на трёх распространённых установках: RST, PFT и FT4. На рисунках — AIFE десяти порошков и диапазоны RST, PFT и FT4. Для всех порошков, кроме алюминия, абсолютный диапазон был наименьшим на PFT; это может быть связано с методом расчётной программы. На FT4 изменение эффективного угла AIFE было наибольшим. Для алюминия большая ширина диапазона может быть связана с тем, что это лёгкий мягкий металл, который легко пластически деформируется. Для титана, у которого 90% частиц не крупнее 452 мкм, значительный разброс эффективного угла связан с размером и формой частиц. При измерении крупные частицы титана заклинивало между стеклянным цилиндром и измерительной крыльчаткой (сдвиговой головкой). Зазор равен 1 мм, но форма частиц титана увеличивала сопротивление крыльчатки направлению движения и тем самым напряжение сдвига.

AIFE десяти металлических порошков

Цель работы — оценить течение металлических порошков и возможную зависимость течения от механических и физических свойств смеси, частиц и других параметров. Использованы обычные методы, основанные на известной классификации сыпучих материалов; их по-прежнему применяют, в том числе в цифровизации и в контексте индустрии 4.0.

Источник: Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj