Pós de tântalo esféricos vs. irregulares para aplicações industriais

O tântalo é um metal raro e resistente à corrosão, amplamente utilizado em setores de ponta, como o eletrônico, aeroespacial, engenharia biomédica e manufatura aditiva. Embora suas características inerentes - como alto ponto de fusão (~3017°C), ductilidade e estabilidade química - sejam idênticas, a morfologia dos pós de tântalo tem implicações consideráveis na eficiência do processamento, no desempenho do produto e na seleção do material.

Vamos discutir as distinções técnicas e práticas entre pós de tântalo esféricos e irregulares e como eles diferem em seu desempenho em aplicações industriais importantes.

1. Morfologia e fabricação

A principal diferença entre os pós de tântalo esféricos e irregulares é o formato, que é um resultado direto dos processos de fabricação.

• Os pós esféricos de tântalo são produzidos por métodos avançados, como atomização de gás, esferoidização de plasma e processos de eletrodos rotativos de plasma (PREP). Esses métodos derretem o tântalo e o pulverizam em uma gota fina (que se solidifica como uma esfera) ou remodelam as partículas angulares por meio da tensão superficial em um campo de plasma.
• Os pós de tântalo com formas irregulares são normalmente gerados por meio de hidrogênio-decrepitação (HDH), redução de sódio ou magnésio de óxidos de tântalo ou moagem mecânica de tântalo esponjoso ou sucata. Esses métodos são menos dispendiosos, mas geram partículas ásperas e angulares com uma área de superfície irregular.

2. Fluidez e densidade da embalagem

A fluidez é de particular importância em operações como manufatura aditiva, prensagem a frio e moldagem por injeção de pó. Normalmente, ela é avaliada usando a taxa de fluxo Hall e o ângulo de repouso.

• Os pós esféricos têm melhor fluxo devido à sua superfície lisa e ao atrito mínimo entre as partículas. Um pó de tântalo esférico típico de grau AM (15-45 µm) apresentará uma taxa de fluxo Hall de 11-14 segundos por 50g e um ângulo de repouso de 25°-30°.
• Os pós irregulares, por outro lado, têm um fluxo ruim, com taxas de fluxo Hall normalmente >25 segundos por 50 g e ângulos de repouso >40°, e são menos adequados para processos em que é necessário um fluxo reproduzível.

Da mesma forma, a densidade de toque e a densidade aparente são maiores em pós esféricos, geralmente de até 5,8-6,5 g/cm³ (densidade de toque), em comparação com 4,0-5,2 g/cm³ para formas irregulares. Isso implica melhor utilização do material e eficiência de empacotamento em processos de sinterização e aditivos.

Leia mais: Pós esféricos atomizados por gás: Addressing the Technological and Practical Challenges (Abordando os desafios tecnológicos e práticos)

3. Área de superfície e níveis de impureza

A área de superfície específica, normalmente medida pela análise BET, influencia o comportamento de sinterização, a reatividade química e a captação de impurezas.

• Os pós irregulares têm uma área de superfície mais alta, normalmente de 0,5 a 1,2 m²/g, devido à sua morfologia áspera. Isso os torna mais reativos, o que é benéfico em aplicações como a produção de ânodos para capacitores, em que a área de superfície aumenta o desempenho.
• Os pós esféricos, com BET variando de 0,10 a 0,30 m²/g, são menos reativos à oxidação e à contaminação. Eles são ideais para aplicações em que são necessárias alta pureza e sinterização controlada.

Em termos de teor de oxigênio, uma impureza muito importante no tântalo, os pós esféricos têm teores mais baixos (~0,015-0,03 wt.%), mesmo quando produzidos em gás inerte. Os pós irregulares podem conter 0,05-0,15 wt.% de oxigênio ou mais, dependendo da produção e do manuseio.

4. Desempenho baseado em aplicativos

4.1 Manufatura aditiva

Os pós esféricos de tântalo são necessários para Laser Powder Bed Fusion (LPBF) e Electron Beam Melting (EBM) devido ao seu melhor fluxo para deposição uniforme de camadas, dinâmica da poça de fusão que pode ser prevista e alta densidade de empacotamento para peças densas.

• Estudos mostram que as peças de AM feitas com pós esféricos apresentam densidade relativa >99,5%, resistência à tração de 550 a 650 MPa e comportamento de fadiga aceitável.
• Os pós irregulares, por outro lado, são praticamente inutilizáveis na AM devido ao seu fluxo ruim e fusão não uniforme.

Leia mais: Pó esférico na manufatura aditiva

4.2 Fabricação de capacitores

Os capacitores de tântalo dependem de pós com área de superfície muito alta para produzir alta capacitância por unidade de massa (CV/g). Nesse caso, os pós finos e irregulares são os preferidos.

• Os pós irregulares com menos de 10 µm, que são porosos e tortuosos, atingem de 80.000 a 200.000 CV/g, dependendo da sinterização e da prensagem.
• Os pós esféricos não são muito usados devido à baixa área de superfície e, em geral, não são adequados para essa finalidade.

4.3 Implantes biomédicos

Os pós esféricos são preferidos em aplicações biomédicas, como implantes de tântalo poroso impressos em 3D, devido à interconectividade e ao tamanho controlado dos poros, à precisão dimensional e à sinterização uniforme, à boa biocompatibilidade e à osteointegração.

• Os implantes produzidos por LPBF ou jato de aglutinante de tântalo esférico produzem 60-80% de porosidade e diâmetros de poros na faixa de 300-500 µm, que imitam a arquitetura do osso esponjoso.
• Os pós irregulares podem ser usados para materiais porosos sinterizados tradicionais, mas não têm a precisão e a consistência da matéria-prima esférica.

4.4 Metalurgia do pó e revestimentos

Para metalurgia do pó (PM) em geral:

• Os pós irregulares oferecem sinterização rápida devido à maior energia de superfície.
• Os pós esféricos proporcionam encolhimento mais uniforme e maior resistência mecânica, o que é necessário para usos aeroespaciais ou de alta tensão.

Na pulverização térmica e por plasma, os pós esféricos são mais uma vez preferidos para um comportamento de alimentação satisfatório e espessura de revestimento consistente.

Tabela de resumo: Pós de tântalo esféricos vs. irregulares

Para obter mais produtos de tântalo, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusão

A escolha entre pós de tântalo esféricos e irregulares baseia-se em uma compensação entre desempenho técnico, custo e requisitos de uso final.

Os pós esféricos são usados de forma ideal em aplicações como manufatura aditiva, implantes biomédicos e peças aeroespaciais, em que a fluidez, a pureza e as propriedades mecânicas são de suma importância. Os pós irregulares, por outro lado, são mais bem utilizados na fabricação de capacitores, processamento químico e componentes de metalurgia do pó em geral, em que a alta área de superfície e a reatividade são mais importantes do que o fluxo ou a uniformidade.