الظواهر الساتلية في المسحوق المعدني: الغوص العميق في تحديات التصنيع الإضافي
1 مقدمة
كتقنية تصنيع ناشئة، تُستخدم تكنولوجياالتصنيع المضافة على نطاق واسع في مجال الطيران والسيارات والأجهزة الطبية وغيرها من المجالات التي تتطلب معالجة عالية الدقة. بالمقارنة مع عمليات التصنيع التقليدية مثل الرش الحراري، يحتاج المسحوق المعدني المستخدم في التصنيع الإضافي إلى تلبية متطلبات حجم الجسيمات الصغير، والكروية العالية، والسيولة الجيدة، والمحتوى المنخفض من الأكسجين، وغيرها من الخصائص.
لذلك، يعد إعداد وتطوير مساحيق معدنية خاصة عالية الأداء مناسبة للتصنيع الإضافي أحد مفاتيح تطوير تكنولوجيا التصنيع الإضافي.
الشكل 1 معدات صنع المساحيق الهوائية
2 تأثير مسحوق الأقمار الصناعية
2.1 فهم مسحوق الأقمار الصناعية
مسحوق القمر الصناعي هو مسحوق معيب يتشكل عندما تلتصق العديد من جزيئات المسحوق الصغيرة بسطح جسيم أكبر من المسحوق. يتم ترتيب هذه الجسيمات حول جسيمات المسحوق الأساسي مثل الطريقة التي تدور بها الأقمار الصناعية حول الكواكب. ويؤدي هذا الترتيب إلى أن تشكل الجسيمات الأكبر حجمًا بنية واحدة أو أكثر تشبه الحلقة حول المسحوق الأساسي، على غرار مدار الكوكب حول النجم. ولهذا السبب، يشار إلى هذه الظاهرة بمسحوق الأقمار الصناعية (انظر الشكل 2 أدناه).
الشكل 2 المورفولوجيا المجهرية لمسحوق الأقمار الصناعية
تحدث ظاهرة مسحوق الأقمار الصناعية عادةً أثناء معالجة مسحوق المعادن ومسحوق المعادن، والتي تنطوي على مجموعة متنوعة من مساحيق المعادن والسبائك. بشكل عام، يمكن أن يحدث الغبار الساتلي مع أي مسحوق معدني مستخدم في تعدين المساحيق، ولكن قد تكون بعض المعادن أو السبائك أكثر عرضة لهذه الظاهرة، اعتمادًا على خصائصها وظروفها أثناء التحضير. فيما يلي بعض أنواع المعادن التي قد تكون أكثر عرضة للمساحيق الساتلية.
1-الحديد والسبائك القائمة على الحديد: مسحوق الحديد الدقيق، ومسحوق التنجستن الحديدي ، ومسحوق النيوبيوم الحديدي
2-الكوبالت وسبائكه: مسحوق الكوبالت الدقيق، مسحوق كربيد التنجستن/الكوبالت/الكروم، مسحوق السبائك القائمة على الكوبالت (Co-Cr-Mo)
إلى جانب ذلك ، يتم أيضًا استخدام مساحيق النيكل والتيتانيوم والألومنيوم وسبائكها بشكل أكبر في صناعة المعادن وقد تتأثر بالمساحيق الفضائية.
2.2 مخاطر إنتاج المساحيق المعدنية
يقلل وجود مساحيق الأقمار الصناعية من الكثافة الظاهرية والكروية وقابلية التدفق للمساحيق المعدنية، مما يضر بعملية وضع المسحوق. كما أن له تأثير غير ضئيل على عمليات تصنيع المواد المضافة للمعادن (خاصةً بعض العمليات القائمة على تقنيات وضع المساحيق).
بالإضافة إلى ذلك، عند تكوين مساحيق الأقمار الصناعية، تميل جزيئات المسحوق الأكبر حجمًا إلى التكتل معًا بسبب الامتزاز والتوتر السطحي بين الجسيمات. يمكن أن يتسبب هذا الامتزاز والتوتر السطحي في التصاق المسحوق الساتلي بشكل وثيق بجزيئات المسحوق الأساسي، مما يزيد من صعوبة الفصل. ومن ثم يصعب إزالة هذا المسحوق المعيب بفعالية باستخدام المعالجة اللاحقة ويجب التحكم في تكوينه عند المصدر.
الشكل 3 مسحوق الحديد الدقيق
3 أسباب المسحوق الساتلي
3.1 أسباب تكتل المسحوق
ترتبط ظاهرة المسحوق الساتلي المتولدة أثناء معالجة المسحوق المعدني ارتباطًا وثيقًا بالطبيعة المتأصلة في جزيئات المسحوق نفسها. وتشمل أسباب تكوينها بشكل رئيسي التجاذب المتبادل بين جزيئات المسحوق، وعدم تجانس الجسيمات، والاختلافات في التوزيع والكثافة.
1-التجاذب المتبادل بين جزيئات المسحوق: في قاع المسحوق، قد يكون هناك درجة معينة من التجاذب بين جزيئات المسحوق المعدني، مما يؤدي إلى تجمعها لتكوين مسحوق ساتلي.
2-عدم تساوي شكل وحجم جزيئات المسحوق: إذا كان شكل وحجم المسحوق المعدني غير متساوٍ، فقد تجذب بعض الجسيمات الأكبر حجمًا الجسيمات الأصغر حولها، مما يؤدي إلى تكوين مساحيق ساتلية.
3-الاختلافات في توزيع المسحوق وكثافته: قد تكون هناك كثافة غير متساوية في طبقة المسحوق، مما يؤدي إلى تراكم المسحوق في بعض الأماكن أكثر من غيرها، وبالتالي تكوين مساحيق ساتلية.
وتتلخص هذه الأسباب الثلاثة بشكل أساسي في التجاذب المتبادل بين جزيئات المسحوق، مما يؤدي إلى جذب جزيئات المسحوق وتراكمها مع بعضها البعض لتكوين مسحوق ساتلي.
3.2 العوامل المتعلقة بالمعدات
يرتبط حدوث المسحوق الساتلي ارتباطًا وثيقًا بالمعدات والمرافق المستخدمة في إنتاج المساحيق المعدنية الكروية. يظهر في الصورة الموضحة في الصورة المقدمة نموذج لغرفة الانحلال، مع استكمال إعدادات الظروف الحدودية التي تؤكد على البيئة والمعايير المحورية لإنتاج المسحوق المعدني الكروي.
الشكل 4 نموذج غرفة الانحلال وإعداد الشرط الحدودي
لقد تمت دراسة أن الهيكل المغلق لغرفة الانحلال يولد دوامات كبيرة الحجم بالقرب من جدرانها الجانبية، والمعروفة باسم إعادة تدوير الغاز (GR)، والتي تحبس بعض الجسيمات الصغيرة الحجم المتصلبة بالكامل. ويُعد التصادم بين الجسيمات صغيرة الحجم التي ترتفع مرة أخرى في منطقة إعادة الدوران والقطرات كبيرة الحجم المتصلبة بشكل غير كامل في تيار الغاز المرذذ في المنبع أحد الأسباب الرئيسية لتكوين المسحوق الساتلي.
ولذلك، يصبح اتخاذ تدابير تصحيح الغاز للحد من انحراف الغبار الناجم عن الارتداد وسيلة فعالة للتحكم في تكوين المسحوق الساتلي على نطاق واسع. في الوقت الحاضر، تشمل تدابير تصحيح الغاز للتحكم في الغبار الساتلي فرض تدفق هواء إضافي [9،10 ]، وتحسين هيكل غرفة الانحلال.
4 استراتيجيات للتخفيف من تكوين المسحوق الساتلي
--تحسين زاوية سقوط الغاز من أجل التشتت
تتشكل عيوب المسحوق الساتلي بشكل أساسي في مرحلة الانحلال الثانوي، حيث تتصلب القطرات صغيرة الحجم، بسبب مساحة سطحها الكبيرة ومعدل التبريد العالي، أولاً وتتصادم مع القطرات كبيرة الحجم التي لم تتصلب بالكامل بعد، وتلتصق في النهاية بسطح الجسيمات كبيرة الحجم، وتشكل مسحوقًا ساتليًا. ولذلك، فإن إحدى الأفكار الأساسية هي جعل القطرات مشتتة بالكامل عن طريق تغيير زاوية سقوط الغاز، والتي يمكن أن تقلل بشكل فعال من توليد مسحوق الأقمار الصناعية.
--تعديل توقيت التصلب وتركيز الجسيمات
هناك فكرة أخرى تتمثل في تغيير وقت تصلب المسحوق وتركيز الجسيمات في حالات مختلفة عن طريق التحكم في معدل الانحلال وضغط غرفة الانحلال مع الحفاظ على ثبات الظروف الأخرى، لتحقيق مشكلة تقليل التصادم بين الجسيمات والتصاق المساحيق الدقيقة. مع تقليل معدل الانحلال، يتم تقصير وقت تصلب المسحوق، مما يقلل بشكل فعال من ظاهرة التصاق المسحوق؛ ومع تقليل الضغط في غرفة الانحلال، ينخفض تركيز المسحوق الناعم في غرفة الانحلال تدريجيًا، وبالتالي تقل فرصة التصادم بين المساحيق أيضًا، مما يحسن من كروية المسحوق.
--تثبيط غاز الارتداد لمنع إعادة تدوير المسحوق
من خلال مراقبة عملية الانحلال الجوي، وجد أن جزءًا من جزيئات المسحوق الصغيرة تتدفق لأعلى مع غاز الارتداد، وتدخل مرة أخرى إلى منطقة الانحلال، وتصطدم مع قطرات السائل التي لم تتصلب بعد لتشكل مسحوقًا تابعًا. من خلال تثبيط غاز الارتداد، يمكن تجنب ظاهرة ارتداد المسحوق الناعم لتقليل المسحوق الساتلي.
--استخدام تدفق الهواء الإضافي لقمع التدفق العكسي
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الحد من توليد الغبار الساتلي عن طريق إضافة تدفق هواء إضافي لقمع التدفق العكسي. عندما يتم تطبيق تدفق هواء إضافي مع نسبة ضباب مساعدة >0.8 عند 1/2R من مركز الحجرة، يمكن لتدفق الهواء الإضافي أن يمنع بشكل فعال تدفق الغبار الارتجاعي. إلى جانب ذلك، يمكن لهيكل حجرة الانحلال المتدرج أن يثبط بفعالية دوران الغبار عندما يكون حجم الخطوة D=300 مم، ΔH=575-600 مم، وتكون زاوية الخطوة معتدلة (انظر الجدول أدناه) [14].
الجدول 1 الخصائص المورفولوجية لعينات المسحوق
|
العينة |
الكروية |
مؤشر التكرار |
|
TC4-1 |
0.9278±0.0311 |
0.489±0.062 |
|
TC4-2 |
0.9427±0.0165 |
0.270±0.027 |
5 الخلاصة
يعد تكوين مسحوق الأقمار الصناعية في عملية التصنيع الإضافي (AM) مشكلة حرجة تؤثر على جودة مساحيق المعادن. سيقلل وجود المسحوق الساتلي من كثافة التحميل السائب للمسحوق المعدني وكرويته وحركته، ولكنه لا يساعد على عملية وضع المسحوق.
في عملية التسييل الهوائي، يعد التصادم بين الجسيمات صغيرة الحجم التي تدور في منطقة الارتداد والقطرات كبيرة الحجم المتصلبة غير المكتملة التصلب في تيار الغاز المتطاير في المنبع أحد الأسباب الرئيسية لتكوين المسحوق الساتلي. كما تلعب العوامل المتعلقة بالمعدات، مثل تصميم غرفة الانحلال والظروف داخلها، دورًا مهمًا أيضًا.
وفي هذا الصدد، يعد تثبيط الغاز المرتجع، مثل إضافة تيار غاز مساعد حلًا فعالًا. تشمل استراتيجيات التخفيف من تكوين المسحوق الساتلي أيضًا تحسين زوايا سقوط الغاز، وتعديل أوقات التصلب وتركيزات الجسيمات، واستخدام تدفق الهواء المساعد. وتهدف هذه التدابير إلى تحسين جودة المسحوق عن طريق الحد من التكتل غير المرغوب فيه وتعزيز كفاءة عملية التصنيع وموثوقيتها في صناعات مثل صناعة الطيران والسيارات والأجهزة الطبية.
تقدم Stanford Advanced Materials (SAM) مجموعة من منتجات المساحيق الكروية للشراء. ينصب تركيزنا على البحث والتطوير والتصنيع والمبيعات للمساحيق الكروية عالية الجودة. توفر SAM أيضًا خدمات تخصيص مخصصة لتلبية احتياجات العملاء المحددة. أرسل لنا استفسارًا إذا كنت مهتمًا.
المرجع:
[1] Fuzhong Chu، Kai Zhang، Kai Zhang، Haopeng Shen، Meijuan Liu، Meijuan Liu، Wenjuan Huang، Xi Zhang، Enquan Liang، Zongyan Liang، Zongyan Zhou، Liming Lei، Juan Hou، Aijun Huang، تأثير القمر الصناعي وتكتل المسحوق على قابلية معالجة مسحوق AlSi10Mg في اندماج سرير مسحوق الليزر، مجلة أبحاث المواد والتكنولوجيا، المجلد 11، 2021، الصفحات 2059-2073، https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X
رابط ذو صلة:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X
