Stato della ricerca sulla tecnologia di densificazione della metallurgia delle polveri

La metallurgia delle polveri è una tecnologia che utilizza polvere metallica o una miscela di polvere metallica e polvere non metallica come materie prime e consolida la polvere attraverso vari processi per ottenere materiali metallici, acciai per utensili, materiali compositi e vari prodotti. I prodotti della metallurgia delle polveri sono stati ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, della fabbricazione di stampi, biomedico, della difesa nazionale e dell'industria militare.

La metallurgia delle polveri comprende processi importanti come la preparazione delle polveri, la pressatura, la sinterizzazione ad alta temperatura e il post-trattamento. Tra questi, la pressatura e la sinterizzazione ad alta temperatura sono i processi di densificazione della metallurgia delle polveri.

1.1 Pressatura
La pressatura delle polveri è il processo che consente di passare dal riempimento sciolto al riempimento compatto delle particelle. La trasmissione e la distribuzione della forza cambiano, determinando una distribuzione non uniforme della densità e della resistenza in ogni parte del compatto verde e generando così una serie di fenomeni complessi durante il processo di pressatura.
Nella produzione reale, il processo di pressatura appropriato viene solitamente selezionato in base alle caratteristiche geometriche del compatto verde per migliorarne la densità e l'uniformità. Negli ultimi anni, studiosi di vari Paesi hanno studiato diverse nuove tecnologie di pressatura, come la pressatura omnidirezionale rapida, la tecnologia di pressatura a caldo moderato, la pressatura ad alta velocità, ecc.

(1) Tecnologia di pressatura a caldo moderato
La tecnologia di pressatura a caldo moderato utilizza una speciale polvere mista per la pressatura a caldo moderato. Con una pressione di pressatura non superiore a 690 MPa e una temperatura di sinterizzazione di 1393 K, la densità può raggiungere 7,2~7,5 g/cm3 attraverso un'unica pressatura e sinterizzazione.
La pressatura a caldo moderato è un processo semplice per preparare componenti di metallurgia delle polveri ad alta densità e alta resistenza, con costi relativamente bassi. È sufficiente apportare solo piccole modifiche alle apparecchiature convenzionali per ottenere componenti metallurgici con una densità prossima a 7,5 g/cm3. Grazie all'elevata densità, alle alte prestazioni e ai bassi costi, il processo di pressatura a caldo moderato è considerato un'importante innovazione tecnologica nella preparazione di componenti di metallurgia delle polveri dagli anni '90.

(2) Tecnologia di pressatura delle polveri ad alta velocità
La tecnologia di pressatura delle polveri ad alta velocità è una tecnologia di pressatura che aziona un maglio pesante mediante sistemi idraulici o la gravità per colpire la polvere a una velocità di 2~30 m/s, favorendo così il completamento del processo di densificazione della polvere entro 20 ms.

La tecnologia di pressatura delle polveri ad alta velocità presenta caratteristiche quali elevata densità del compatto verde, distribuzione relativamente uniforme della densità del compatto verde, elevata efficienza di formatura, bassi costi di produzione, elevata precisione geometrica del compatto verde, lunga durata dello stampo e prestazioni complessive eccellenti del compatto verde.

1.2 Sinterizzazione ad alta temperatura
La sinterizzazione è il processo più importante nella produzione mediante metallurgia delle polveri ed è sempre stata al centro della ricerca. La sinterizzazione ad alta temperatura è un processo di trattamento termico che riscalda il compatto di polvere a una temperatura inferiore al punto di fusione del componente principale, facendolo legare in un materiale di maggiore resistenza. È un mezzo efficace per aumentare la densità del compatto verde in polvere. Di seguito vengono presentati due processi comunemente utilizzati per la sinterizzazione delle polveri metalliche.
(1) Processo di pressatura isostatica a caldo
Il processo di pressatura isostatica a caldo (HIP) è un mezzo importante per la densificazione di prodotti di metallurgia delle polveri ad alte prestazioni. Il flusso generale del processo HIP è il seguente: riempire il contenitore con polvere pressata, collocarlo nel forno della pressa isostatica a caldo e applicare contemporaneamente alta temperatura e alta pressione. Dopo la densificazione ottenuta dall'accoppiamento multiplo delle particelle di polvere, si ottiene un componente completamente denso.

Quando l'HIP viene utilizzata per la formatura o il post-trattamento di metalli e materiali compositi a matrice metallica, può rimuovere efficacemente i difetti all'interno dei getti, ridurre le cricche interne ai componenti e migliorare le prestazioni del prodotto. I principali materiali metallici coinvolti sono superleghe a base di nichel, superleghe a base di cobalto, leghe di titanio, leghe di alluminio, acciai, leghe di rame, ecc.

(2) Sinterizzazione al plasma a scintilla
La tecnologia di sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS) è una tecnologia di sinterizzazione che utilizza i punzoni superiore e inferiore di uno stampo di grafite e gli elettrodi alimentati per applicare simultaneamente una corrente continua pulsata e una pressione di pressatura al corpo di polvere, ottenendo il consolidamento e la formatura rapidi del corpo di polvere attraverso l'attivazione al plasma e la deformazione termoplastica. È chiamata anche sinterizzazione attivata al plasma e sinterizzazione assistita al plasma.

Diagramma del principio di funzionamento della sinterizzazione al plasma a scintilla

Come mostrato nella figura precedente, la densificazione SPS può essere considerata come la sovrapposizione della scarica tra le particelle di polvere, del calore Joule generato dal passaggio della corrente e della pressione esercitata sotto l'azione della corrente pulsata. Oltre ai due fattori di sinterizzazione, riscaldamento e pressurizzazione, la scarica superficiale tra le particelle di polvere può favorire l'alta temperatura locale e la fusione locale della superficie; lo sputtering al plasma ad alta temperatura e l'urto della scarica possono rimuovere efficacemente le impurità, come gli ossidi superficiali, e l'adsorbimento di gas sulla superficie delle particelle di polvere. Questi fattori possono favorire il processo di sinterizzazione.

La sinterizzazione al plasma a scintilla presenta un'elevata efficienza di riscaldamento e un rapido tasso di densificazione, consentendo di migliorare notevolmente l'efficienza di sinterizzazione della polvere.

Fattori che influenzano la densificazione delle polveri metalliche
Il processo di densificazione delle polveri sottoposte ad alta temperatura e alta pressione è molto complesso. Secondo gli esperimenti di ricerca basati sulla simulazione agli elementi finiti, i principali fattori che influenzano la densificazione delle polveri metalliche sono il metodo di pressatura, la resistenza all'attrito e il rapporto altezza/diametro del compatto verde pressato.

(1) Metodo di pressatura: I metodi di pressatura sono principalmente la pressatura unidirezionale e la pressatura bidirezionale. Per ridurre la caduta di pressione durante il processo di pressatura delle polveri metalliche e ottenere un compatto verde con densità più uniforme, la polvere può essere pressata mediante pressatura bidirezionale.

(2) Resistenza all'attrito: La resistenza all'attrito è un fattore chiave che influenza la densità del compatto verde e l'uniformità della sua distribuzione. Studiare l'influenza delle diverse condizioni di attrito sul processo di compressione e densificazione delle polveri è utile per migliorare il processo di pressatura dei prodotti di metallurgia delle polveri. Quando le condizioni di attrito migliorano, il gradiente di tensione del compatto verde diminuisce, la densità diventa più uniforme e anche la forza di pressatura si riduce.

(3) Rapporto altezza/diametro del compatto verde: Il rapporto altezza/diametro del compatto verde è un fattore geometrico che deve essere preso in considerazione nel processo di formatura per compressione dei prodotti di metallurgia delle polveri. A parità di processo di compressione e condizioni di attrito, i compatti verdi con un rapporto altezza/diametro ridotto possono ottenere una distribuzione della densità più uniforme.
Pertanto, nella produzione effettiva di prodotti di metallurgia delle polveri, è necessario evitare componenti eccessivamente allungati. È possibile adottare un processo di pressatura bidirezionale e migliorare le condizioni di lubrificazione per aumentare l'uniformità della densità del prodotto.

La tecnologia della metallurgia delle polveri è stata ampiamente utilizzata nella preparazione di metalli e leghe ad alte prestazioni con composizioni diverse. La densità e la sua distribuzione nei materiali di metallurgia delle polveri sono fattori chiave che influenzano le proprietà meccaniche e la precisione dimensionale dei prodotti di metallurgia delle polveri. Una densificazione non uniforme causerà una densificazione e una deformazione da ritiro non uniformi nelle varie parti del corpo di polvere, determinando una dispersione delle proprietà meccaniche nelle diverse parti del componente in polvere. Pertanto, lo sviluppo di prodotti di metallurgia delle polveri ad alta densità e ad alte prestazioni è diventato la direzione di sviluppo e il principale oggetto di ricerca della tecnologia della metallurgia delle polveri.