Fenômenos de satélite em pó metálico: Um mergulho profundo nos desafios da manufatura aditiva

1 Introdução

Como uma tecnologia de fabricação emergente, a tecnologiade manufatura aditiva é amplamente utilizada nos setores aeroespacial, automotivo, de dispositivos médicos e em outros campos que exigem processamento de alta precisão. Em comparação com os processos de fabricação tradicionais, como a pulverização térmica, o pó metálico usado na fabricação de aditivos precisa atender aos requisitos de tamanho de partícula pequeno, alta esfericidade, boa fluidez, baixo teor de oxigênio e outras características.

Portanto, a preparação e o desenvolvimento de pós metálicos especiais de alto desempenho adequados para a manufatura aditiva é uma das chaves para o desenvolvimento da tecnologia de manufatura aditiva.

Fig. 1 Equipamento de fabricação de pó aerossolizado

2 Impacto do pó de satélite

2.1 Entendendo o pó satélite

O pó satélite é um pó defeituoso formado quando muitas partículas pequenas de pó aderem à superfície de uma partícula maior de pó. Essas partículas estão dispostas ao redor das partículas de pó de base, da mesma forma que os satélites orbitam os planetas. Essa disposição faz com que as partículas maiores formem uma ou mais estruturas em forma de anel ao redor do pó base, semelhante à órbita de um planeta ao redor de uma estrela. Por esse motivo, o fenômeno é chamado de pó satélite (veja a Figura 2. abaixo).

Fig. 2 Morfologia microscópica do pó satélite

O fenômeno do pó satélite geralmente ocorre durante a metalurgia do pó e o processamento metalúrgico do pó, que envolve uma variedade de pós metálicos e de ligas. Em geral, o pó satélite pode ocorrer com qualquer pó metálico usado na metalurgia do pó, mas alguns metais ou ligas podem ser mais suscetíveis ao fenômeno, dependendo de suas propriedades e das condições durante a preparação. Veja a seguir alguns tipos de metais que podem ser mais suscetíveis a pós satélites.

1.ferro e ligas à base de ferro: Pó de microferro, pó de ferro tungstênio, pó de ferro nióbio.

2.cobalto e suas ligas: Pó de microcobalto, pó de carboneto de tungstênio/cobalto/cromo, pó de liga à base de cobalto (Co-Cr-Mo)

Além disso, os pós de níquel, titânio, alumínio e suas ligas também são mais usados no setor metalúrgico e podem ser afetados por pós satélites.

2.2 Perigos para a produção de pós metálicos

A presença de pós satélites reduz a densidade aparente, a esfericidade e a fluidez dos pós metálicos, o que é prejudicial para o processo de colocação de pó. Ela também tem um impacto não negligenciável sobre os processos de fabricação de aditivos metálicos (especialmente alguns processos baseados em técnicas de colocação de pó).

Além disso, à medida que os pós satélites são formados, as partículas maiores de pó tendem a se agrupar devido à adsorção e à tensão superficial entre as partículas. Essa adsorção e a tensão superficial podem fazer com que o pó satélite adira estreitamente às partículas do pó básico, aumentando a dificuldade de separação. Esse pó defeituoso é, portanto, difícil de ser removido de forma eficaz, utilizando tratamento subsequente, e sua formação precisa ser controlada na fonte.

Fig. 3 Micro pó de ferro

3 Causas do pó satélite

3.1 Causas da aglomeração de pó

O fenômeno do pó satélite gerado durante o processamento de pó metálico está intimamente relacionado à natureza inerente das próprias partículas de pó. As razões para sua formação incluem principalmente a atração mútua entre as partículas de pó, a não homogeneidade das partículas e as diferenças na distribuição e na densidade.

1)Atração mútua entre as partículas de pó: No leito de pó, pode haver um certo grau de atração entre as partículas de pó metálico, resultando em sua agregação para formar o pó satélite.

2.forma e tamanho irregulares das partículas de pó: Se a forma e o tamanho do pó metálico não forem uniformes, algumas das partículas maiores poderão atrair as partículas menores ao seu redor, formando pós satélites.

3.diferenças na distribuição e na densidade do pó: Pode haver densidade desigual na camada de pó, resultando em mais acúmulo de pó em alguns lugares do que em outros, formando assim pós satélites.

Essas três causas são essencialmente resumidas como atração mútua entre as partículas de pó, o que faz com que as partículas de pó se atraiam e se agreguem umas às outras para formar o pó satélite.

3.2 Fatores relacionados ao equipamento

A ocorrência de pó satélite está intimamente ligada ao equipamento e às instalações usadas na produção de pós metálicos esféricos. A imagem a seguir ilustra um modelo de uma câmara de atomização, com configurações de condições de contorno que destacam o ambiente crucial e os parâmetros essenciais para a produção de pós metálicos esféricos.

Fig. 4 Modelo de câmara de atomização e configuração da condição de contorno

Foi estudado que a estrutura fechada da câmara de atomização gera vórtices em macroescala perto de suas paredes laterais, conhecidos como recirculação de gás (GR), que arrastam algumas partículas de pequeno porte totalmente solidificadas. A colisão entre as partículas de tamanho pequeno que voltam para a zona de recirculação e as gotículas de tamanho grande incompletamente solidificadas no fluxo de gás atomizado a montante é uma das principais causas da formação de pó satélite.

Portanto, a adoção de medidas de retificação de gás para limitar a rotação de poeira causada pelo refluxo torna-se um meio eficaz de controlar a formação de pó satélite em uma escala macro. Atualmente, as medidas de retificação de gás para o controle do pó satélite incluem a imposição de fluxo de ar auxiliar ^[9,10] e a melhoria da estrutura da câmara de atomização.

4 Estratégias para atenuar a formação de pó de satélite

Os defeitos do pó satélite são formados principalmente no estágio de atomização secundária, em que as gotículas de tamanho pequeno, devido à sua grande área de superfície específica e à alta taxa de resfriamento, primeiro se solidificam e colidem com gotículas de tamanho grande que ainda não se solidificaram totalmente e, por fim, se prendem à superfície de partículas de tamanho grande, formando o pó satélite. Portanto, uma ideia básica é tornar as gotículas totalmente dispersas alterando o ângulo de incidência do gás, o que pode reduzir efetivamente a geração de pó satélite.

Outra ideia é alterar o tempo de solidificação do pó e a concentração das partículas em vários estados por meio do controle da taxa de atomização e da pressão da câmara de atomização, mantendo as outras condições constantes, para alcançar o problema de reduzir a colisão entre as partículas e a adesão de pós finos. Com a redução da taxa de atomização, o tempo de solidificação do pó é encurtado, o que pode reduzir efetivamente o fenômeno da adesão do pó; com a redução da pressão na câmara de atomização, a concentração de pó fino na câmara de atomização diminui gradualmente, de modo que a chance de colisão entre os pós também diminui, o que melhora a esfericidade do pó.

Por meio da observação do processo de aerossolização, descobriu-se que uma parte das pequenas partículas de pó fluiria para cima com o gás de refluxo, entraria novamente na área de atomização e colidiria com as gotículas de líquido que ainda não haviam se solidificado para formar o pó satélite. Ao inibir o gás de refluxo, o fenômeno do refluxo do pó fino pode ser evitado para reduzir o pó satélite.

Além disso, a redução da geração de pó satélite pode ser obtida com a adição de um fluxo de ar auxiliar para suprimir o refluxo. Quando um fluxo de ar auxiliar com uma proporção de névoa auxiliar >0,8 é aplicado a 1/2R do centro da câmara, o fluxo de ar auxiliar pode inibir efetivamente o ciclone de poeira. Além disso, a estrutura da câmara de atomização escalonada pode efetivamente suprimir a ciclagem de poeira quando o tamanho do passo é D=300 mm, ΔH=575-600 mm e o ângulo do passo é moderado (veja a tabela abaixo) ^[14].

Tabela 1 Características morfológicas das amostras de pó

5 Conclusão

A formação de pó satélite no processo de manufatura aditiva (AM) é um problema crítico que afeta a qualidade dos pós metálicos. A presença de pó satélite reduzirá a densidade de carga solta do pó metálico, a esfericidade e a mobilidade, mas não favorece o processo de colocação do pó.

No processo de aerossolização, a colisão entre as partículas de pequeno porte que se acumulam na zona de refluxo e as gotículas de grande porte incompletamente solidificadas no fluxo de gás aerossolizado a montante é uma das principais razões para a formação do pó satélite. Fatores relacionados ao equipamento, como o projeto da câmara de atomização e as condições internas, também desempenham um papel importante.

Nesse sentido, a inibição do gás de retorno, como a adição de um fluxo de gás auxiliar, é uma solução eficaz. As estratégias para atenuar a formação de pó satélite também incluem a otimização dos ângulos de incidência do gás, o ajuste dos tempos de solidificação e das concentrações de partículas e o emprego de fluxo de ar auxiliar. Essas medidas visam melhorar a qualidade do pó, reduzindo a aglomeração indesejada e aumentando a eficiência e a confiabilidade do processo de fabricação em setores como o aeroespacial, o automotivo e o de dispositivos médicos.

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Referências:

[1] Fuzhong Chu, Kai Zhang, Haopeng Shen, Meijuan Liu, Wenjing Huang, Xi Zhang, Enquan Liang, Zongyan Zhou, Liming Lei, Juan Hou, Aijun Huang, Influência do satélite e da aglomeração de pó na processabilidade do pó de AlSi10Mg na fusão de leito de pó a laser, Journal of Materials Research and Technology, Volume 11, 2021, Páginas 2059-2073, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X

Link relacionado:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X