Tecnologia di preparazione delle polveri di leghe ad alta temperatura a base di nichel

La lega ad alta temperatura, nota anche come lega resistente al calore o superlega, si riferisce a una lega a base di ferro, nichel e cobalto, in grado di resistere all'ossidazione, alla corrosione e allo scorrimento viscoso a temperature elevate superiori a 600°C e di funzionare a lungo sotto elevate sollecitazioni meccaniche. In particolare, le leghe ad alta temperatura a base di nichel possono presentare una migliore resistenza, resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione a temperature elevate comprese tra 650 e 1000°C. Pertanto, le leghe ad alta temperatura sono attualmente materiali industriali all'avanguardia, collocati al vertice della piramide. Non sono solo materiali chiave per i componenti della sezione calda dei motori aeronautici e per i vari componenti ad alta temperatura dei motori a razzo aerospaziali, ma sono anche ampiamente utilizzate nelle turbine a gas industriali, nel settore energetico, nell'industria chimica e in altri settori industriali.

1. Le leghe ad alta temperatura in polvere sono i materiali preferiti per i componenti chiave della sezione calda dei motori aeronautici avanzati. Sono utilizzate principalmente per produrre componenti portanti ad alta temperatura della sezione calda dei motori, come dischi di turbina, dischi del compressore, alberi a tamburo e diaframmi ad alta pressione dei dischi di turbina. Le leghe ad alta temperatura in polvere utilizzano polvere metallica come materia prima e vengono ottenute dopo successivi trattamenti termici. La lega presenta un'elevata resistenza alla trazione e una buona resistenza alla fatica. Le superleghe in polvere hanno attraversato tre generazioni di sviluppo e sono state ampiamente utilizzate in numerosi componenti chiave, come i dischi di turbina dei moderni motori aeronautici militari e civili. L'attuale ricerca e sviluppo internazionale delle superleghe in polvere è entrato nella quarta generazione. I lingotti di superlega in polvere non presentano segregazione macroscopica, hanno una microstruttura uniforme, grani fini, eccellenti proprietà meccaniche e proprietà di lavorazione a caldo, che possono garantire efficacemente l'affidabilità e la durata del motore; inoltre, possono essere prodotti quasi a forma netta, con un ciclo di produzione breve e bassi costi di produzione.

1.1 Processo di produzione delle superleghe in polvere L'idea generale del processo di produzione delle superleghe in polvere consiste nel preparare e lavorare la polvere sotto la protezione di un'atmosfera inerte, quindi utilizzare un processo di formatura a caldo per consolidare e densificare la polvere. Dopo anni di sviluppo, si sono sostanzialmente formate due linee di processo, ovvero il processo "produzione della polvere mediante atomizzazione con argon (AA) + estrusione a caldo (HEX) + forgiatura isotermica (ITF)", rappresentato dai Paesi occidentali come Europa e Stati Uniti, e il processo "produzione della polvere mediante elettrodo rotante (PREP) + pressatura isostatica a caldo (HIP) con formatura diretta", rappresentato dalla Russia.

La linea di processo sviluppata nel nostro Paese è "produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma (PREP) + formatura mediante pressatura isostatica a caldo (IP) + forgiatura con camicia/trattamento termico". Il processo è stato utilizzato con successo per produrre grandi dischi di turbina in polvere FGH4095. I diaframmi della turbina in lega ad alta temperatura in polvere e i dischi di turbina di piccole dimensioni preparati mediante il processo di formatura diretta HIP hanno superato le prove di funzionamento e hanno raggiunto la capacità di produzione in serie. Anche il lavoro di ricerca sul disco di turbina a doppia prestazione in lega ad alta temperatura in polvere di seconda generazione FGH4096 ha compiuto progressi decisivi. Il processo "PREP+HIP diretto+forgiatura isotermica" ha superato tecnologie chiave come la purezza della polvere e ha sviluppato un disco di turbina in lega FGH4096 per un motore con elevato rapporto spinta/peso. Attraverso l'uso di processi di forgiatura a grano fine e trattamento termico a gradiente, è stato ottenuto un semilavorato di disco a doppia microstruttura, con una dimensione dei grani del bordo pari a 5-6 e una dimensione dei grani del mozzo pari a 10-11. Per risolvere i problemi dell'eccessiva dimensione delle inclusioni e dei risultati non conformi nelle prove ultrasoniche dei dischi di turbina in lega ad alta temperatura in polvere, il nostro Paese ha condotto ricerche sul processo "estrusione + forgiatura isotermica", ottenendo importanti progressi. Recentemente, il nostro Paese ha estruso con successo billette in lega ad alta temperatura in polvere per dischi di turbina di motori aeronautici sull'estrusore per metalli ferrosi da 36.000 tonnellate del Northern Heavy Industry Group, segnando una svolta importante nella tecnologia nazionale delle leghe ad alta temperatura in polvere. Gli studi hanno dimostrato che il bordo interparticellare originale (PPB) viene eliminato durante il processo di estrusione e che le inclusioni vengono efficacemente frantumate lungo la direzione di estrusione. Nel successivo processo di forgiatura, le inclusioni vengono ulteriormente frantumate e disperse sul piano perpendicolare alla direzione di forgiatura. Il nostro Paese ha inoltre iniziato ricerche esplorative sul processo di deformazione per estrusione delle leghe ad alta temperatura in polvere, soprattutto sulla tecnologia di simulazione agli elementi finiti. Simulando il processo di estrusione con rivestimento, è possibile analizzare sistematicamente l'influenza di fattori quali i parametri strutturali della matrice sul processo di estrusione, determinando così la combinazione ottimale della struttura della matrice [9]. Il processo "billette estruse + forgiatura isotermica" è diventato una delle principali direzioni di sviluppo dei dischi di turbina in lega ad alta temperatura in polvere del nostro Paese.

1.2 Difetti delle superleghe in polvere e loro effetti
Le inclusioni, il PPB e i pori indotti termicamente (TIP) sono i tre principali difetti delle superleghe in polvere e influenzano gravemente le prestazioni dei componenti in superlega in polvere. Ricercatori nazionali e stranieri hanno condotto ricerche e analisi approfondite sulle origini dei difetti e sui loro effetti sulle proprietà delle leghe, proponendo misure e metodi corrispondenti per ridurre ed eliminare i difetti.

Le inclusioni influenzano significativamente diverse proprietà meccaniche delle superleghe in polvere, in particolare le proprietà di fatica a basso numero di cicli. Le inclusioni nelle superleghe in polvere comprendono ossidi, sostanze organiche, metalli estranei e altre particelle. Tra queste, le inclusioni di ossidi ceramici, scorie e altri ossidi provengono principalmente dai materiali refrattari del crogiolo, della siviera e dell'ugello del dispositivo di fusione della lega madre e di produzione della polvere, nonché dai prodotti di disossidazione del processo di fusione e dalle impurità solide presenti nell'argon; gomma, fibre e altre sostanze organiche provengono dalla contaminazione del sistema per vuoto del serbatoio di stoccaggio della polvere, delle valvole e delle apparecchiature di preparazione e lavorazione della polvere; i metalli estranei provengono dal lotto precedente di leghe atomizzate o dai materiali della camicia.

Il PPB è una rete di ossidi di carbonio precipitati ai bordi delle particelle a causa della reazione chimica tra gli elementi O e C adsorbiti sulla superficie delle particelle di polvere e gli elementi costitutivi della polvere durante il processo di pressatura isostatica a caldo [10]. Questa interfaccia debole ostacola la diffusione e la connessione tra le particelle metalliche, diventa la sorgente di frattura e il canale di propagazione delle cricche nella lega e riduce la plasticità e la durata a fatica della lega. La causa principale del PPB è il contenuto di O e C sulla superficie della polvere. La riduzione del contenuto di C, l'aggiunta di elementi fortemente formatori di carburi come Nb e Hf e il degasaggio sotto vuoto della polvere sono i principali metodi per eliminare il PPB. Esso può essere eliminato anche mediante trattamento termico, ottimizzazione del processo di pressatura isostatica a caldo e altri metodi.

Il TIP è un poro discontinuo formato dall'espansione del gas argon insolubile nella lega durante la pressatura isostatica a caldo. Causa la deformazione del pezzo e riduce significativamente la resistenza alla trazione, la durata, la resistenza allo scorrimento viscoso e altre proprietà della lega. L'argon residuo nella lega ad alta temperatura in polvere proviene principalmente dalla polvere cava formata dalle gocce incapsulate dal gas argon durante il processo di produzione della polvere mediante atomizzazione. Inoltre, anche l'argon adsorbito sulla superficie della polvere che non viene completamente rimosso o la tenuta non ermetica della confezione possono causare TIP.

In sintesi, i tre principali difetti delle leghe ad alta temperatura in polvere sono direttamente correlati alla qualità delle polveri di lega. La tecnologia di preparazione di polveri di lega ad alta temperatura di alta qualità, prive di inclusioni e polvere cava e con basso contenuto di gas, è la chiave per lo sviluppo e l'applicazione delle leghe ad alta temperatura in polvere.

1. Processi comuni di produzione delle polveri metalliche ad alta temperatura

Esistono numerosi metodi per produrre polveri metalliche, tra cui frantumazione allo stato solido, macinazione a palle, atomizzazione, elettrolisi e metodi chimici. Per la produzione additiva sono necessarie polveri sferiche e l'atomizzazione è considerata il metodo più ideale per produrre polveri metalliche per la produzione additiva. Inoltre, il metodo dell'elettrodo rotante viene gradualmente utilizzato nella preparazione dei materiali in polvere per la produzione additiva.

Il flusso di processo di base per la preparazione della polvere sferica in lega ad alta temperatura a base di nichel è il seguente: fusione e lavorazione della lega madre → produzione della polvere → setacciatura della polvere → (separazione elettrostatica e rimozione delle impurità) → controllo delle prestazioni della polvere; tra questi, la fusione della lega madre, la produzione della polvere mediante atomizzazione e la separazione elettrostatica con rimozione delle impurità sono le fasi chiave per ottenere polveri di alta qualità.
2.1 Tecnologia di fusione della lega madre
La tecnologia di fusione della lega madre ad alta temperatura svolge un ruolo decisivo nella preparazione di polveri sferiche di alta qualità. Le impurità e il contenuto di ossigeno, azoto e idrogeno nelle materie prime influenzano direttamente la qualità della polvere. La fusione delle leghe madri ad alta temperatura utilizza generalmente la tecnologia di fusione a induzione sotto vuoto, che presenta vantaggi significativi nel controllo preciso della composizione della lega e nella rimozione delle impurità gassose e degli elementi nocivi nella lega. Tuttavia, a causa dell'uso di crogioli ceramici, nella lega madre vengono inevitabilmente introdotti difetti dovuti a inclusioni ceramiche e scorie. Inoltre, durante il processo di solidificazione, la lega madre può produrre difetti quali cavità da ritiro, porosità e segregazione.

I difetti sopra descritti possono essere eliminati nel successivo processo di fusione a induzione e colata delle leghe ad alta temperatura per ottenere i semilavorati dei componenti, ma avranno un impatto maggiore sulla preparazione delle polveri di lega ad alta temperatura. Le inclusioni nella lega madre non possono essere rimosse durante il processo di produzione della polvere e difetti quali cavità da ritiro e porosità causano inoltre l'ossidazione della polvere cava e della superficie della polvere. Pertanto, è necessario adottare misure corrispondenti per eliminare inclusioni e difetti nella lega madre fusa per induzione sotto vuoto. Nell'industria della produzione di leghe ad alta temperatura di elevata purezza per fusione e forgiatura, viene generalmente utilizzato un processo a due o tre fasi, ovvero fusione a induzione sotto vuoto + rifusione elettroscoria/rifusione ad arco sotto vuoto. La fusione a induzione sotto vuoto prepara elettrodi consumabili con una composizione chimica adeguata. Il processo di rifusione elettroscoria rimuove le inclusioni di ossidi fragili ottenendo una purezza maggiore. Infine, la rifusione ad arco sotto vuoto viene utilizzata per ottenere semilavorati privi di segregazione macroscopica e con struttura uniforme. Il processo di rifusione elettroscoria è uno dei processi di raffinazione più efficaci per rimuovere le inclusioni non metalliche nelle leghe. Può rimuovere efficacemente le inclusioni estranee di grandi dimensioni e disperdere e affinare le inclusioni endogene. È il processo preferito per la raffinazione secondaria delle leghe madri ad alta temperatura in polvere.

La Russia ha iniziato a utilizzare ampiamente il processo di fusione a induzione sotto vuoto + rifusione elettroscoria per produrre lingotti di lega madre ad alta temperatura in polvere negli anni Novanta. Nel 2002, il Central Iron and Steel Research Institute ha progettato e costruito il primo forno elettroscoria veloce al mondo a sezione ultraridotta (50 mm), con protezione sotto vuoto/gas inerte, e nel 2004 ha preparato con successo lingotti elettroscoria in lega ad alta temperatura. Gli studi hanno dimostrato che la lega madre FGH95 preparata mediante il processo di rifusione elettroscoria con protezione di gas inerte presenta un contenuto di O inferiore, una combustione di Al e Ti ridotta e una diminuzione significativa delle dimensioni e del numero delle inclusioni non metalliche.

La tecnologia di filtrazione con ceramica espansa è anch'essa un metodo efficace per rimuovere le inclusioni non metalliche nelle leghe ad alta temperatura. Questa tecnologia utilizza principalmente un filtro a piastra in ceramica espansa a maglia continua tridimensionale, costituito da una densa struttura di rami ceramici, per filtrare il metallo fuso; può filtrare le particelle di inclusione, le inclusioni di fondente liquido e alcuni elementi metallici nocivi presenti nella lega fusa. La University of Science and Technology di Pechino, il Yingkou Magnesium Materials Research Institute, la Northeastern University, l'Institute of Metals della Chinese Academy of Sciences e altri istituti di ricerca hanno utilizzato filtri ceramici a base di allumina per filtrare e purificare leghe ad alta temperatura, riuscendo a rimuovere efficacemente le inclusioni nelle leghe ad alta temperatura.

Inoltre, il processo di colata di lingotti rotante sviluppato in Giappone, la tecnologia di produzione di lingotti in lega ad alta temperatura di alta qualità (processo di alta qualità BIAM) sviluppata dal Beijing Institute of Aeronautical Materials, la tecnologia di purificazione mediante formatura a contatto morbido elettromagnetico e la tecnologia di purificazione con sali fusi compositi sviluppate dalla Northwestern Polytechnical University hanno tutte prodotto buoni risultati nella rimozione delle inclusioni e nella purificazione delle leghe. Negli ultimi anni, nuove tecnologie di purificazione sviluppatesi rapidamente, come la tecnologia di purificazione elettromagnetica e la tecnologia di trattamento a ultrasuoni, stanno diventando nuovi punti focali della ricerca nel campo della purificazione delle leghe.

Alcune delle tecnologie di purificazione delle leghe sopra descritte sono state ampiamente utilizzate nella purificazione delle leghe ad alta temperatura, mentre altre devono essere ulteriormente migliorate e sviluppate. Lo sviluppo dei motori aerospaziali richiede che le leghe ad alta temperatura in polvere abbiano proprietà meccaniche e affidabilità superiori e impone inoltre requisiti più elevati sulla purezza delle leghe madri. Per la produzione di leghe madri ad alta temperatura in polvere, la ricerca e lo sviluppo di tecnologie di fusione e purificazione dei lingotti di lega madre ad alta efficienza, basso costo, elevata purezza e prive di inclusioni rappresentano un'importante direzione per lo sviluppo futuro.

2.2 Produzione della polvere

La preparazione della polvere è il primo processo nella produzione delle leghe ad alta temperatura in polvere ed è anche uno dei processi più critici. La preparazione di polveri di lega ad alta temperatura con dimensioni ridotte e uniformi, buona sfericità e basso contenuto di gas e inclusioni può ridurre o persino eliminare difetti quali PPB e inclusioni nella lega e migliorare significativamente la struttura e le prestazioni dei dischi in lega. Pertanto, la tecnologia avanzata di preparazione della polvere è una fase chiave per ottenere polveri di lega ad alta temperatura di alta qualità, eliminando così i difetti metallurgici all'interno della lega e garantendo la qualità dei dischi in lega ad alta temperatura.
I ricercatori nel campo delle leghe ad alta temperatura in polvere hanno condotto ricerche approfondite su numerosi processi di preparazione della polvere. Attualmente, i principali metodi per preparare polveri metalliche sferiche sono la fusione a induzione sotto vuoto con atomizzazione a gas (metodo VIGA), la tecnologia di produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma (metodo PREP), l'atomizzazione a gas mediante fusione a induzione dell'elettrodo (metodo EIGA) e l'atomizzazione al plasma (metodo PA).

2.2.1 Fusione a induzione sotto vuoto con atomizzazione a gas (metodo VIGA)
La fusione a induzione sotto vuoto con atomizzazione a gas consiste nell'utilizzare il principio del riscaldamento a induzione mediante bobina per fondere la carica in un ambiente sotto vuoto. Dopo aver raggiunto una determinata temperatura, la camera di fusione e la camera di atomizzazione vengono riempite con gas di atomizzazione, quindi l'acciaio fuso viene versato nella siviera intermedia. Il metallo liquido fluisce nella camera di atomizzazione attraverso l'ugello, quindi il gas inerte ad alta pressione viene utilizzato come mezzo di atomizzazione per disgregare il flusso continuo di metallo liquido, facendolo solidificare rapidamente in particelle fini, cioè polvere metallica.

Oltre alle polveri di leghe ad alta temperatura a base di nichel, altri materiali in polvere metallica comprendono: acciaio inossidabile 316L, 174PH; leghe a base di cobalto CoCrMo, CoCrW, CoCrMoW; titanio e leghe di titanio TC4, TC11TA15, TiAl4822, Ti2AlNb; leghe a base di nichel FGH95, FGH96, FGH97, GH4169, metalli rari, ecc. 2.2.2 Tecnologia di produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma (metodo PREP) La tecnologia di produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma viene utilizzata per preparare polveri metalliche come metalli altamente reattivi e leghe di nichel e titanio resistenti al calore. Questa tecnologia adotta il principio dell'atomizzazione centrifuga. In un ambiente di gas inerte, il generatore al plasma e l'elettrodo generano un arco. La temperatura dell'arco può fondere rapidamente la barra in rapida rotazione. Il metallo fuso viene atomizzato centrifugamente sotto l'azione della tensione superficiale. Le piccole gocce di liquido atomizzate centrifugamente si solidificano rapidamente in particelle nella camera di spruzzo e infine le particelle si depositano e cadono nel serbatoio di raccolta della polvere.

La polvere prodotta mediante la tecnologia di produzione della polvere con elettrodo rotante al plasma presenta i vantaggi di una buona sfericità, una distribuzione granulometrica concentrata, un'elevata finitura superficiale, un basso contenuto di gas e un'elevata purezza.

Attualmente, le apparecchiature russe per la produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma sono all'avanguardia nel mondo. La Figura 5 mostra l'apparecchiatura russa per la produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma Granule 2000. Il suo sistema di vuoto statico, il sistema di vuoto dinamico, il generatore al plasma, il sistema di rotazione della barra, la progettazione della cabina, la progettazione dell'alimentazione, il sistema del gas, ecc. sono superiori alla progettazione delle apparecchiature PREP nazionali. La velocità dell'apparecchiatura Granule 2000 per la produzione della polvere mediante elettrodo rotante al plasma può raggiungere 20000~25000 giri/min.

2.2.3 Metodo di atomizzazione al plasma (metodo PA)
Il metodo di atomizzazione al plasma (metodo PA) è un metodo per preparare polvere sferica atomizzando gocce metalliche con una torcia al plasma. Questo metodo è stato proposto per la prima volta da M.EntezaRian e altri, che ne hanno richiesto il brevetto nel 1998. Oggi la società canadese AP&C è leader mondiale nella tecnologia di atomizzazione al plasma. L'azienda possiede il complesso completo dei brevetti tecnici relativi a queste apparecchiature. L'atomizzazione al plasma è essenzialmente una tecnologia di produzione della polvere mediante atomizzazione a gas. Il principio è il seguente: sotto la protezione di gas inerte, una torcia al plasma viene utilizzata per riscaldare il filo di lega, fonderlo e vaporizzarlo in vapore metallico; il vapore metallico saturo viene quindi rapidamente agglomerato, nucleato e accresciuto mediante la tecnologia di raffreddamento per tempra a gas, ottenendo polvere di lega ultrafine[26]. La distribuzione granulometrica della polvere di lega preparata mediante atomizzazione al plasma è relativamente ristretta, compresa tra 10 e 150 μm; la polvere inferiore a 50 μm rappresenta circa il 40% e la resa della polvere fine è estremamente elevata; inoltre, la polvere preparata con il metodo PA presenta anche un'elevata sfericità e un basso contenuto di impurità. Il principale svantaggio del metodo PA è che la materia prima è un filo più sottile e il costo di produzione della materia prima in filo è superiore a quello della barra di lega madre, mentre l'efficienza di produzione della polvere è bassa.

Attualmente, le apparecchiature per l'atomizzazione al plasma della società canadese AP&C sono dotate di un sistema di monitoraggio completamente automatico e di un dispositivo di recupero del gas, per garantire la stabilità della qualità della polvere e ridurre i costi di produzione attraverso il recupero del gas. Questa tecnologia è stata applicata alla produzione su larga scala di polveri metalliche sferiche di alta qualità; i tipi di polvere comprendono titanio puro e leghe di titanio, leghe a base di nichel, ecc.

2.2.4 Atomizzazione a gas mediante induzione dell'elettrodo (EIGA) L'atomizzazione a gas mediante fusione a induzione dell'elettrodo (EIGA) è una tecnologia di produzione della polvere mediante atomizzazione a gas ultraclean che non utilizza crogioli ceramici. Presenta le caratteristiche di elevata efficienza produttiva nell'atomizzazione a gas, grande resa e dimensioni fini delle particelle di polvere. Il principio della produzione della polvere mediante atomizzazione EIGA è il seguente: sotto la protezione di gas inerte, la barra di lega madre viene installata sul dispositivo di alimentazione ed entra nella bobina conica sottostante a una determinata velocità di rotazione e di discesa [12]. L'estremità della barra viene gradualmente fusa dalla bobina conica a induzione ad altissima frequenza, formando un flusso di lega liquida dal diametro continuamente controllabile. Sotto l'azione della gravità, il flusso liquido fuso scorre o gocciola direttamente nella camera di atomizzazione sottostante. Sotto l'azione del gas inerte ad alta pressione, il flusso di lega liquida viene suddiviso in piccole gocce. Sotto l'azione della propria tensione superficiale nella camera di atomizzazione, le piccole gocce vengono rapidamente sferoidizzate e solidificate, formando polvere metallica. Nella tecnologia di produzione della polvere EIGA, l'intero processo di fusione della lega madre non utilizza materiali refrattari come crogioli e ugelli di guida, riducendo l'introduzione di impurità non metalliche; rispetto alla polvere prodotta con il metodo VIGA, la polvere EIGA ha particelle più fini, non contiene un gran numero di scaglie e la dimensione delle particelle Dv(50) può essere controllata intorno a 50~100 μm, con un'elevata efficienza produttiva.

Ottimizzando il processo di atomizzazione a gas mediante induzione dell'elettrodo, la società tedesca ALD ha progettato e sviluppato diverse apparecchiature a forno per la produzione della polvere mediante atomizzazione a gas mediante induzione dell'elettrodo, destinate alla ricerca e alla produzione di materiali in polvere di titanio e leghe di titanio. Questo tipo di apparecchiatura è stato diffuso in tutto il mondo. La dimensione mediana delle particelle Dv(50) della polvere Ti6Al4V preparata dalla società giapponese OSAKA Titanium mediante il metodo di atomizzazione a gas mediante induzione dell'elettrodo è di circa 40 μm; la polvere presenta un'elevata sfericità, poche particelle satellite e poche inclusioni non metalliche ed è stata applicata nel campo della produzione additiva.

2.3 Tecnologia di separazione elettrostatica La tecnologia di separazione elettrostatica è una tecnologia chiave per rimuovere le inclusioni non metalliche dalle polveri. Il principio consiste nel caricare le particelle di polvere mediante una scarica corona e quindi separare la polvere metallica dalle inclusioni non metalliche sfruttando la differenza delle loro proprietà elettriche.

Il dispositivo di separazione elettrostatica è costituito da due elettrodi: un sottile filo metallico come elettrodo negativo e un rullo metallico di grande diametro, collegato a terra e dotato di una determinata velocità di rotazione, come elettrodo positivo. Quando la differenza di potenziale tra i due elettrodi raggiunge un determinato valore, tra i due elettrodi si verifica una scarica corona. Dopo che la polvere metallica contenente inclusioni non metalliche cade nell'elettrico corona formato sulla superficie del rullo attraverso l'alimentatore, incontra gli elettroni e gli ioni negativi che volano verso l'elettrodo positivo, facendo sì che assuma la carica negativa del rullo. Grazie all'elevata conduttività della polvere metallica, la carica negativa acquisita viene rapidamente dissipata dopo il contatto con il rullo e la polvere cade dalla parte anteriore del rullo nell'area di raccolta della polvere finita sotto l'azione della gravità e della forza centrifuga; le inclusioni non metalliche, invece, a causa della loro bassa conduttività, non perdono facilmente la carica. Vengono adsorbite sul rullo sotto l'azione della forza di Coulomb e dell'adsorbimento elettrostatico e vengono rimosse dalla spazzola del rullo quando il rullo ruota verso la parte posteriore.

2.4 Setacciatura della polvere Oltre al processo di atomizzazione, un altro processo chiave che determina le caratteristiche della polvere è la post-lavorazione delle materie prime in polvere metallica. Questa comprende la passivazione ossidativa delle particelle di polvere, la classificazione (ovvero setacciatura o classificazione ad aria) e la miscelazione per ottenere un lotto finale di polvere uniforme. La setacciatura della polvere serve a ottenere polvere della granulometria richiesta e a rimuovere alcune impurità in base alla differenza tra le dimensioni della polvere richiesta e quelle delle impurità. La setacciatrice opera in condizioni di vuoto o sotto la protezione di gas inerte per impedire l'ossidazione della polvere durante il processo di setacciatura. I principali parametri del processo di setacciatura sono l'ampiezza e la frequenza di vibrazione del vaglio vibrante. In generale, la polvere grezza ottenuta con il metodo VIGA deve essere preselezionata con un vaglio da 100 mesh per impedire che i grandi oggetti irregolari generati durante il processo di atomizzazione danneggino e intasino il vaglio.

Inoltre, esistono diverse tecnologie per migliorare la scorrevolezza della polvere dopo la passivazione. Attualmente esistono numerosi metodi per quantificare le proprietà reologiche delle polveri (scorrevolezza e spandibilità), ma la correlazione tra esse non è stata ancora completamente determinata. Ad eccezione del più semplice metodo di scorrimento a imbuto (ASTM B213/ISO 4490/ASTM B964), nessun altro metodo è ampiamente utilizzato. Nella comunità AM manca una comprensione di quale sia un valore di scorrevolezza accettabile per una determinata lega metallica; pertanto, è necessaria una ricerca più quantitativa sul flusso delle polveri per la produzione additiva.

3 Riutilizzabilità della polvere


Le industrie, guidate dai settori aerospaziale e ortopedico, stanno adottando rapidamente le polveri metalliche per la produzione additiva. Poiché le polveri metalliche AM sono uno dei principali fattori di costo, soprattutto nelle applicazioni ad alte prestazioni, il riutilizzo della polvere suscita grande interesse. Poiché solo una piccola parte della polvere fonde e si integra nel componente, la polvere rimanente può essere utilizzata più volte finché non è più utilizzabile in una specifica applicazione.



La lega di nichel 718, che presenta eccellenti proprietà meccaniche e resistenza all'ossidazione/corrosione, fu introdotta per la prima volta negli anni Sessanta per superare gli svantaggi della scarsa saldabilità delle superleghe. Deng et al. hanno riutilizzato 100 kg di lega di nichel 718 (PSD 45-106 μm) sei volte per fabbricare componenti su una macchina a fusione a letto di polvere (E-PBF). La polvere è stata prodotta mediante il processo di fusione a induzione dell'elettrodo con atomizzazione in gas inerte (EIGA) e durante il processo di riutilizzo non è stata rigenerata con la polvere originale. Rispetto alla polvere originale, la composizione elementare della polvere riciclata non è cambiata significativamente; solo l'elemento ossigeno è aumentato dallo 0,014 wt% allo 0,022 wt%. Dopo il sesto ciclo di costruzione, la composizione chimica delle particelle di polvere raccolte da posizioni diverse non è cambiata e la composizione elementare soddisfaceva ancora i requisiti specifici della lega. I dati sulla scorrevolezza e sulla PSD non sono cambiati significativamente dopo il ciclo di riutilizzo. Tuttavia, i dati PSD dopo il sesto ciclo di costruzione hanno mostrato un lieve aumento del diametro medio delle particelle. Ciò dimostra che la polvere di lega di nichel 718 è stabile sotto il fascio elettronico e può essere riutilizzata molte volte senza cambiamenti significativi nelle dimensioni delle particelle e nella composizione chimica della polvere.

Secondo i principi della termodinamica, nella lega di nichel 718 la formazione di Al2O3 è più favorevole rispetto alla formazione di altri ossidi. Durante il processo E-PBF, l'ossidazione di Al, Ti, Fe o Cr sembra inevitabile, ma concentrazioni molto basse di ossigeno possono inibire la formazione di tali ossidi sulla superficie della polvere. Ciò è dovuto al fatto che la pressione parziale di equilibrio dell'ossigeno al punto di fusione di questi elementi deve essere inferiore a 10-7~10-9 mbar per evitare tali ossidazioni. D'altra parte, le elevate temperature di produzione nelle apparecchiature E-PBE determinano un'elevata velocità di diffusione dell'ossigeno. Pertanto, esiste una forza motrice per l'avvio della reazione. Dopo i processi L-PBF ed E-PBF, è stata osservata la formazione di Cr2O3 e Al2O3 sulla superficie della polvere. Sebbene Cr2O3 abbia un'affinità per l'ossigeno inferiore a quella di Al2O3, la sua formazione è favorita cineticamente, soprattutto considerando il suo elevato contenuto nella lega di nichel 718. Nei cicli di utilizzo ripetuto, si può prevedere che gli ossidi esistenti si decompongano gradualmente nell'ossido più stabile, cioè Al2O3, quando vengono esposti alle elevate temperature del processo AM.

4 Conclusione
il nostro Paese ha svolto numerose attività di ricerca scientifica e sviluppo tecnologico sulle leghe ad alta temperatura in polvere e su varie tecnologie chiave, in particolare sulle tecnologie chiave per la preparazione delle polveri di lega ad alta temperatura, conseguendo importanti risultati, garantendo la struttura e le prestazioni dei componenti chiave delle leghe ad alta temperatura in polvere nazionali e fornendo contributi straordinari alla produzione nazionale di motori aeronautici. Con l'obiettivo di eliminare i tre principali difetti delle leghe ad alta temperatura in polvere e migliorare le prestazioni complessive dei componenti formati in polvere, in futuro le polveri di lega ad alta temperatura dovranno svilupparsi nella direzione di polveri fini ad alta purezza.