Plasma spheroidization of Al-Zn-Mg-Fe-Ni alloy powders for selective laser fusion

A. O. Kuryshev; Курышев А. О.; A. N. Petrova; Петрова А. Н.; I. G. Brodova; Бродова И. Г.; D. Y. Rasposienko; Распосиенко Д. Ю.; V. V. Astafiev; Астафьев В. В.; I. G. Shirinkina; Ширинкина И. Г.; S. I. Novikov; Новиков С. И.; S. A. Ilyinyh; Ильиных С. А.

doi:10.31857/S0367676524090071

Plasma spheroidization of Al-Zn-Mg-Fe-Ni alloy powders for selective laser fusion

作者: Kuryshev A.O.¹, Petrova A.N.¹, Brodova I.G.¹, Rasposienko D.Y.¹, Astafiev V.V.¹, Shirinkina I.G.¹, Novikov S.I.¹, Ilyinyh S.A.²
隶属关系:
1. M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
2. Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
期: 卷 88, 编号 9 (2024)
页面: 1379–1385
栏目: Condensed Matter Physics
URL: https://medbiosci.ru/0367-6765/article/view/283368
DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524090071
EDN: https://elibrary.ru/OEBENZ
ID: 283368

如何引用文章

全文:

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

The influence of the technological parameters of a complex method for obtaining a powder for 3D printing of a new aluminum alloy Nikalin in the process of dispersion in a ball mill with subsequent spheroidization of particles during plasma processing is investigated.

关键词

mechanical dispersion, plasma spheroidization, aluminum alloys, nicalin, additive technologies

全文:

Введение

По всему миру активно разрабатываются технологии аддитивного производства широкого спектра материалов. Особенный интерес для исследователей и промышленности представляет 3D-печать металлических материалов порошковым методом селективного лазерного плавления (СЛП). В России одним из основных производителей материалов на Al основе для 3D-печати является Центр аддитивных технологий на базе ИЛМиТ компании РУСАЛ. Институтом разработана линейка из восьми алюминиевых сплавов, среди которых наибольший интерес представляет сплав системы Al-Si-Ni для деталей, работающих при повышенных температурах (порядка 250 °C). Он может применяться как после отжига, так и после закалки и старения, обладает хорошей технологичностью в процессе СЛП и высоким уровнем механических характеристик (σ_В ~ 360 МПа, δ ~ 11%) [1, 2]. Также ведущими разработчиками в области порошков для аддитивных технологий является ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» [3] и ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» [4]. Исследования институтов направлены на развитие работ по сверхбыстрой кристаллизации Al сплавов, легированных Mn, Cr, Ti, Zr, которая реализуется в методе СЛП. К производимому порошку предъявляются такие требования как сферическая форма частиц и распределение размера частиц в пределах от 10 до 60 мкм. Эти характеристики являются ключевыми и от них зависят текучесть порошка, равномерность распределения и плотность слоя, необходимое количество подводимой энергии для плавления частиц порошка, шероховатость получаемой поверхности. Кроме того, порошки должны иметь высокую степень химической очистки металла от примесей и окислов и высокую однородность химического состава.

Авторами [5] разработана методика получения порошка с гранулометрическим составом от 10 до 60 мкм из сплава АК9ч, а также продемонстрирована возможность получать компактные деталей со структурами, нетипичными для традиционных технологий литья.

Методы изготовления порошков играют важную роль в развитии аддитивных технологий.

Компания ООО «Гранком», которая является дочерним предприятием ПАО «Русполимет», получает порошки для 3D принтеров методом атомной атомизации [6–8]. При распылении методом газовой атомизации получается фракция 10–60 мкм металлического порошка, характеристики которого полностью соответствуют требованиям, выдвигаемым ведущими производителями 3D-принтеров. Кроме газовой атомизации, для получения порошков для СЛП, широко применяется метод водяной атомизации, основанный на распылении струей воды при высоких скоростях нагретого до температур плавления металлического материала и последующего сверхбыстрого затвердевания мелких частицы порошка [9–11]. Кроме этого, активно развивается метод плазменной атомизации с вращающимся электродом, заключающийся в быстром охлаждении капель металла после плазменной обработки [12, 13]. В настоящее время наиболее распространенным материалом на основе алюминия для аддитивных технологий, например, для СЛП, являются порошки Al-Si сплавов (АК12 и АК9) и сплавы системы Al-Si-Cu-Mg (типа АК6) [14, 15].

Тем не менее появление алюминиевых сплавов нового поколения ставит вопрос о расширении линейки сплавов, получаемых проволочными и порошковыми технологиями [16, 17]. Так были разработаны сплавы типа никалин на основе системы Al-Zn-Mg, в которых железо является не вредной примесью, а легирующим компонентом, образующим вместе с никелем Fe-Ni эвтектику [18]. Сплав также практически не содержит меди, что положительно влияет на его стоимость, а наличие эвтектики улучшает его литейные свойства. Как и сплавы системы Al-Mg-Zn никалин является термически упрочняемым сплавом и может быть использован как в литом, так и в деформированном состоянии, что расширяет область его применения по сравнению с высокопрочными деформируемыми сплавами типа В95, А7075 [18, 19]. Все это делает никалин привлекательным для использования в аддитивных технологиях, но отсутствие порошка соответствующего состава не позволяют реализовать их на практике. В связи с этим, задача разработки технологии получения такого порошка является актуальной. Целью данной работы является апробация комплексного метода получения порошкового никалина диспергированием стружки сплава в шаровой мельнице с последующей сфероидизацией частиц при плазменной обработке.

Материалы и методы

В качестве исходного материала для порошка использовали стружку, полученную из прутка сплава никалин с химическим составом (мас. %) Al-2.95Mg-7.22Zn-0.57Ni-0.52Fe-0.1Si-0.21Zr. Порошок получали диспергированием в вибрационной шаровой мельнице. Стружку загружали в стальные ступки объемом 1л. Помол порошка проводили при помощи мелющих шаров в атмосфере аргона при давлении 0.1 МПа. Масса мелящих шаров составляла 1.95 кг. В вибрационной шаровой мельнице было получено 10 партий порошка. При помоле изменяли такие параметры как время помола, которое варьировали от 1 до 24 часов, а также отношение массы загружаемой стружки сплава к массе мелящих шаров – K. После обработки в шаровой мельнице полученный порошок в некоторых случаях просеивали через сита с размером ячейки 100 мкм для устранения грубых частиц.

Для осуществления сфероидизации порошка никалина использовали многофункциональную плазменную установку МАК-100 (разработка Института металлургии УрО РАН).

Анализ размеров и формы частиц порошков проводили с помощью оптического микроскопа MC-2-ZOOM. Расчет размера частиц осуществлялся в программе Fiji, которая переводит оптическое изображение в двухбитное черно-белое изображение и автоматически определяет размер частиц по их площади. Статистическую обработку полученных данных проводили с помощь программы Excel. Определяли средний линейный размер (максимальный размер частиц) и среднею толщину (средний минимальный размер), фактор формы (отношение среднего максимального размера к среднему минимальному размеру) и строили распределение частиц по размеру (гранулометрический состав). В качестве характеристик гранулометрического состава были приняты среднеквадратичное отклонение (СКО), показывающее ширину распределения частиц по размеру, и доля годного порошка, то есть, доля частиц размером не более 150 мкм. Количество измеренных частиц составляло более 5000. Погрешность определения линейных размеров частиц не превышает 5%.

Исследование морфологии и структуры частиц и структуры полученного порошка проводили на сканирующем электронном микроскопе Tescan Mira, а также методом энергодисперсионного анализа с помощью спектрометра Oxford Instruments Ultim Xmax.

Влияние параметров обработки сплава никалин в шаровой мельнице на на размер, форму и структуру частиц порошка

В вибрационной шаровой мельнице было получено 10 партий порошка. Исследовано влияние коэффициента K и времени помола на размерные характеристики и структуру частиц порошка. Параметры помола и отсева, средний размер частиц, фактор формы частиц и доля годного порошка представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры экспериментов по диспергированию сплава никалин в вибрационной шаровой мельнице и размерные характеристики частиц порошка

Номер партии	Время помола, ч	K	Просеивание	Средний размер, мкм	Фактор формы	Доля годного порошка, %
1	1	1/65	–	213	1.6	60
2	2	1/65	–	309	2.7	17
3	3	1/65	–	342	2.0	25
4	6	1/65	–	284	2.0	8
5	12	1/65	–	166	2.2	46
6	24	1/65	–	161	1.3	49
7	24	1/45	–	148	1.4	52
8	24	1/65	Отсев на сите 100 мкм	90	1.5	93
9	24+6	1/65, 1/195	Отсев на сите 100 мкм	78	1.0	91
10	24+6	1/65, 1/195	С финальным просеиванием <100 мкм	77	1.2	97

В результате проведенных экспериментов было установлено, что при увеличении времени помола с 1 до 24 ч наблюдается немонотонное диспергирование частиц, что наглядно показано на графике изменения среднего размера частиц от продолжительности помола (рис. 1а). После 1 ч размола средний размер частиц порошка составляет 213 мкм (рис. 1б), затем после 2–3 ч происходит укрупнение частиц за счет их агломерации до 309 мкм (рис. 1в), а далее после 12 ч агломераты разбиваются и измельчаются до среднего размера 166 мкм. При дальнейшем увеличении времени помола с 12 до 24 ч средний размер частиц порошка не меняется и составляет 161 мкм (рис. 1г).

Рис. 1. Зависимость среднего размера частиц от времени помола (а), их морфология (б–г) и гранулометрический состав (д, е): 1 (б), 2 (в), 24 (г, е), 12 ч (д).

Увеличение времени помола также существенно влияет на гранулометрический состав исследованных проб (рис. 1д и 1е). Так СКО_{1 час}= 252.3 мкм, СКО_{12 часов}= 81.2 мкм (рис. 1д). При 24 ч обработки СКО_{24 часа}= 119 мкм (рис. 1е). Доля годного порошка при К = 1/65 повышается с 17% при 2 ч обработки до 49% после 24 ч.

Кроме того, время помола изменяет морфологию и фактор формы частиц. При времени помола 12 ч и менее формируются плоские вытянутые частицы, и только при 24 ч помола фактор формы частиц приближается к 1 и составляет 1.3–1.4. Увеличение коэффициента К до 1/45, то есть увеличение массы закладываемой в ступку стружки не приводит к существенному изменению гранулометрического состава порошка и не улучшает форму частиц (табл. 1).

С целью получить фракцию порошка меньшего размера, после обработки в шаровой мельнице в течение 24 ч был произведен отсев порошка на сите с размером ячейки 100 мкм. После отсева средний размера частиц составил 90 мкм, а доля годного порошка возросла до 93%. Для оценки возможности дальнейшего измельчения порошка, используя промежуточное просеивание и увеличение времени помола, эту партию порошка дополнительно обработали в шаровой мельнице еще в течение 6 часов. При обработке изменили коэффициент с К=1/65 до К = 1/195. В результате такой комплексной обработки были получены плоские равноосные частицы порошка, фактор формы составил 1.0, при этом средний размер частиц уменьшился до 78 мкм. В качестве финальной операции, для избавления от крупных конгломератов частиц (рис. 2а) сплава использовали просеивание на сите с ячейкой 100 мкм. Данная процедура повлияла на долю годного порошка, которая составила 97% (рис. 2б).

Рис. 2. Порошок, полученный при двухступенчатом размоле 24+6 ч, и после просеивания: частицы порошка (а); гранулометрический состав (б).

На основании проведенных экспериментов, для последующей плазменной обработки с целью формообразования частиц порошка, был выбран следующий режим диспергирования стружки сплава в вибрационной шаровой мельнице: помол в течение 24 часов при K = 1/65. При данном режиме получена партия порошка со следующими размерными характеристиками средний размер частиц 148 мкм толщиной 118 мкм, фактор формы 1.3.

На рис. 3 показаны частицы порошка из опытной партии, предназначенной для плазменной обработки. Как видно, частицы имеют компактную осколочную форму с развитой поверхностью (рис. 3а). На фоне алюминиевой матрицы видны дисперсные частицы интерметаллидов (рис. 3б), которые по данным энергодисперсионного анализа содержат никель и железо (рис. 2в и 2г). Учитывая результаты исследования структуры никалина подробно описанные в работе [19], можно считать, что это дисперсные эвтектические алюминиды Al₉FeNi, измельченные в процессе интенсивной пластической деформации при помоле. Их размеры составляют менее 2 мкм, что в 30 раз меньше размеров алюминидов, формирующихся в литом сплаве никалин такого же состава [19].

Рис. 3. Структура частиц порошка после размола: СЭМ изображение (а, б); карты распределения химических элементов (в, г).

Таким образом, обработка сплава в шаровой мельнице не только диспергирует материал, но и модифицирует его структуру.

Влияние плазменной обработки

Проведено две серии экспериментов по формообразованию частиц осколочной формы после размола в шаровой мельнице.

В первой серии плазменная обработка проводилась в атмосфере аргона. Технические режимы обработки: давление 0.2 МПа, ток от 120 до 140 А при постоянном напряжении 40 В. Такая плазменная обработка не повлияла на формообразование частиц порошка (рис. 4а). Их средний размер и доля годного порошка практически не изменились и составили: средний размер 155 мкм, доля годного порошка 47%. Однако было отмечено, что более крупные частицы (размером более 440 мкм) частично оплавлялись (рис. 4б). Вероятно, мелкие частицы опытной партии порошка после размола в шаровой мельнице недостаточное время находятся под влиянием высокой температуры плазмы и разносятся в процессе обработки к стенкам камеры, не достигая температуры плавления.

Рис. 4. СЭМ изображения частиц после плазменной обработки в: аргоне (а, б); смеси воздуха и пропана (в, г).

Вторая партия порошка получена в эксперименте с плазмообразующей смесью воздуха и пропана и такими же техническими характеристиками. В процессе такой плазменной обработки формируются частицы неправильной формы с гладкой поверхностью (рис. 4в). Удалось достичь частичной сфероидизации частиц порошка (рис. 4г), доля сферических частиц составляет 12%. Плазменная обработка практически не изменила размерные характеристики частиц порошка (табл. 2) и их гранулометрический состав.

Таблица 2. Сравнение параметров порошка после размола в шаровой мельнице и формообразования при плазменной обработке в эксперименте с плазмообразующей смесью воздуха и пропана

Параметр	После шаровой мельницы	После плазменной обработки	После плазменной обработки и просеивания
Средний размер, мкм	148	157	100
Фактор формы	1.3	1.3	1.2
Доля годного порошка, %	49	43	85
Максималь-ный размер частиц, мкм	440	416	250

После плазменной обработки, для отделения крупной фракции порошок просеивали на сите с размером ячейки 100 мкм, в результате данной операции получили порошок со средним размером частиц 100 мкм, долей годного порошка 85% и долей сферических частиц 20%.

Заключение

Для получения порошковых композиций из высокопрочного алюминиевого сплава никалин, пригодного для синтеза деталей сложной формы методом селективного лазерного плавления, предложен и апробирован комплексный метод, сочетающий в себе диспергирование стружки сплава в шаровой мельнице и последующую плазменную обработку для предания частицам сферической формы.

Исследовано влияние времени помола и соотношения массы мелющих шаров к массе загружаемой стружки из сплава никалин на процесс измельчения материала в вибрационной шаровой мельнице. При помоле менее 12 ч формируются плоские частицы и только после 24 ч обработки компактные частицы осколочной формы имеют средний размер 150 мкм. Доля частиц порошка с размером менее 150 мкм повышается с 17% при 2 ч обработки до 49% после 24 ч.

Комбинация процессов размола и просеивания порошка привела к улучшению его размерных характеристик и увеличению доли годного порошка. Удалось получить порошок со следующими размерными характеристиками: средний размер частиц уменьшился до 77 мкм при факторе формы – 1.2, а доля частиц размером менее 150 мкм составила 97%.

Проведено сравнение состава газовой среды при одних и тех же характеристиках плазменной обработки и показано, что замена чистого аргона на смесь пропана с воздухом дала положительный результат. Был получен порошок, состоящий из частиц округлой и сферической формы среднего размера 100 мкм. Доля частиц сферической формы составила 20%.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания Минобрнауки России № 122021000033-2 «Разработка новых эффективных технологий получения и обработки материалов с высокими функциональными и конструкционными свойствами на основе изучения структурно-фазовых превращений в металлических сплавах», шифр «Структура».

Электронно-микроскопические исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН.