Phénomènes satellites dans les poudres métalliques : Une plongée en profondeur dans les défis de la fabrication additive
1 Introduction
En tant que technologie de fabrication émergente, lafabrication additive est largement utilisée dans l'aérospatiale, l'automobile, les appareils médicaux et d'autres domaines qui nécessitent un traitement de haute précision. Par rapport aux procédés de fabrication traditionnels tels que la pulvérisation thermique, la poudre métallique utilisée dans la fabrication additive doit répondre aux exigences suivantes : petite taille des particules, sphéricité élevée, bonne fluidité, faible teneur en oxygène et autres caractéristiques.
Par conséquent, la préparation et le développement de poudres métalliques spéciales à hautes performances adaptées à la fabrication additive sont l'une des clés du développement de la technologie de fabrication additive.
Fig. 1 Équipement de fabrication de poudres aérosolisées
2 Impact de la poudre satellite
2.1 Comprendre la poudre satellite
La poudre satellite est une poudre défectueuse formée lorsque de nombreuses petites particules de poudre adhèrent à la surface d'une plus grosse particule de poudre. Ces particules sont disposées autour des particules de poudre de base comme les satellites en orbite autour des planètes. Cette disposition fait que les particules les plus grosses forment une ou plusieurs structures en forme d'anneau autour de la poudre de base, comme l'orbite d'une planète autour d'une étoile. C'est la raison pour laquelle on parle de poudre satellite (voir la figure 2 ci-dessous).
Fig. 2 Morphologie microscopique de la poudre satellite
Le phénomène de la poudre satellite se produit généralement au cours de la métallurgie des poudres et du traitement métallurgique des poudres, qui implique une variété de poudres de métaux et d'alliages. En général, la poussière satellite peut se produire avec n'importe quelle poudre métallique utilisée dans la métallurgie des poudres, mais certains métaux ou alliages peuvent être plus sensibles au phénomène, en fonction de leurs propriétés et des conditions de préparation. Voici quelques types de métaux qui peuvent être plus sensibles aux poudres satellites.
1.Fer et alliages à base de fer : Poudre de micro fer, poudre de ferro tungstène, poudre de ferro niobium.
2.Cobalt et ses alliages : Poudre de micro cobalt, poudre de carbure de tungstène/cobalt/chrome, poudre d'alliage à base de cobalt (Co-Cr-Mo).
En outre, les poudres de nickel, de titane, d'aluminium et leurs alliages sont également davantage utilisés dans l'industrie métallurgique et peuvent être affectés par les poudres satellites.
2.2 Dangers pour la production de poudres métalliques
La présence de poudres satellites réduit la densité apparente, la sphéricité et la fluidité des poudres métalliques, ce qui est préjudiciable au processus de stratification des poudres. Elle a également un impact non négligeable sur les procédés de fabrication additive métallique (en particulier certains procédés basés sur des techniques de stratification par poudrage).
En outre, lors de la formation des poudres satellites, les plus grosses particules de poudre ont tendance à se regrouper en raison de l'adsorption et de la tension superficielle entre les particules. Cette adsorption et cette tension superficielle peuvent faire en sorte que la poudre satellite adhère étroitement aux particules de poudre de base, ce qui accroît la difficulté de la séparation. Cette poudre défectueuse est donc difficile à éliminer efficacement en utilisant un traitement ultérieur et sa formation doit être contrôlée à la source.
Fig. 3 Micro-poudre de fer
3 Causes de la poudre satellite
3.1 Causes de l'agglomération de la poudre
Le phénomène de poudre satellite généré pendant le traitement des poudres métalliques est étroitement lié à la nature inhérente des particules de poudre elles-mêmes. Les raisons de sa formation comprennent principalement l'attraction mutuelle entre les particules de poudre, l'inhomogénéité des particules et les différences de distribution et de densité.
1.Attraction mutuelle entre les particules de poudre : Dans le lit de poudre, il peut y avoir un certain degré d'attraction entre les particules de poudre métallique, ce qui entraîne leur agrégation pour former une poudre satellite.
2.Forme et taille inégales des particules de poudre : Si la forme et la taille de la poudre métallique ne sont pas uniformes, certaines des plus grosses particules peuvent attirer les plus petites autour d'elles et former des poudres satellites.
3.Différences dans la distribution et la densité de la poudre : La densité de la couche de poudre peut être inégale, ce qui entraîne une accumulation de poudre plus importante à certains endroits qu'à d'autres, d'où la formation de poudres satellites.
Ces trois causes se résument essentiellement à l'attraction mutuelle entre les particules de poudre, qui fait que les particules de poudre s'attirent et s'agrègent les unes aux autres pour former des poudres satellites.
3.2 Facteurs liés à l'équipement
L'apparition de la poudre satellite est étroitement liée à l'équipement et aux installations utilisés pour la production de poudres métalliques sphériques. L'image ci-contre représente un modèle de chambre d'atomisation, avec des conditions aux limites qui soulignent l'environnement et les paramètres cruciaux pour la production de poudres métalliques sphériques.
Fig. 4 Modèle de chambre d'atomisation et configuration des conditions limites
Il a été étudié que la structure fermée de la chambre d'atomisation génère des tourbillons à grande échelle près de ses parois latérales, connus sous le nom de recirculation des gaz (GR), qui entraînent certaines particules de petite taille entièrement solidifiées. La collision entre les particules de petite taille qui remontent dans la zone de recirculation et les gouttelettes de grande taille incomplètement solidifiées dans le flux de gaz atomisé en amont est l'une des principales causes de la formation de poudres satellites.
Par conséquent, prendre des mesures de rectification des gaz pour limiter la giration des poussières causée par le reflux devient un moyen efficace de contrôler la formation de poudre satellite à une macro-échelle. À l'heure actuelle, les mesures de rectification des gaz pour le contrôle des poudres satellites comprennent l'imposition d'un flux d'air auxiliaire [9,10] et l'amélioration de la structure de la chambre d'atomisation.
4 Stratégies d'atténuation de la formation de poudre satellite
--Optimisation de l'angle d'incidence du gaz pour la dispersion
Les défauts de la poudre satellite se forment principalement au stade de l'atomisation secondaire, où les gouttelettes de petite taille, en raison de leur grande surface spécifique et de leur vitesse de refroidissement élevée, se solidifient d'abord et entrent en collision avec des gouttelettes de grande taille qui ne se sont pas encore complètement solidifiées, et finissent par se fixer à la surface des particules de grande taille, formant ainsi la poudre satellite. Par conséquent, une idée de base consiste à disperser complètement les gouttelettes en modifiant l'angle d'incidence du gaz, ce qui peut réduire efficacement la production de poudre satellite.
--Réglage du temps de solidification et de la concentration des particules
Une autre idée consiste à modifier le temps de solidification de la poudre et la concentration des particules dans différents états en contrôlant le taux d'atomisation et la pression de la chambre d'atomisation tout en maintenant les autres conditions constantes, afin de réduire les collisions entre les particules et l'adhérence des poudres fines. Avec la réduction de la vitesse d'atomisation, le temps de solidification de la poudre est raccourci, ce qui peut réduire efficacement le phénomène d'adhésion de la poudre ; avec la réduction de la pression dans la chambre d'atomisation, la concentration de poudre fine dans la chambre d'atomisation diminue progressivement, de sorte que le risque de collision entre les poudres diminue également, ce qui améliore la sphéricité de la poudre.
--Inhibition du gaz de reflux pour empêcher la recirculation des poudres
L'observation du processus d'aérosolisation a révélé qu'une partie des petites particules de poudre remontait avec le gaz de reflux, revenait dans la zone d'atomisation et entrait en collision avec les gouttelettes de liquide qui ne s'étaient pas encore solidifiées pour former une poudre satellite. En inhibant le gaz de reflux, le phénomène de reflux de la poudre fine peut être évité afin de réduire la poudre satellite.
--Utilisation du flux d'air auxiliaire pour supprimer le reflux
En outre, la réduction de la production de poussière satellite peut être obtenue en ajoutant un flux d'air auxiliaire pour supprimer le reflux. Lorsqu'un flux d'air auxiliaire avec un rapport de brouillard auxiliaire de >0,8 est appliqué à 1/2R du centre de la chambre, le flux d'air auxiliaire peut efficacement inhiber le cyclone de poussière. En outre, la structure de la chambre d'atomisation à gradins peut supprimer efficacement le cyclage des poussières lorsque la taille des gradins est D=300 mm, ΔH=575-600 mm et que l'angle des gradins est modéré (voir le tableau ci-dessous) [14].
Tableau 1 Caractéristiques morphologiques des échantillons de poudre
|
Échantillon |
Sphéricité |
Indice de redondance |
|
TC4-1 |
0.9278±0.0311 |
0.489±0.062 |
|
TC4-2 |
0.9427±0.0165 |
0.270±0.027 |
5 Conclusion
La formation de poudres satellites dans le processus de fabrication additive (AM) est un problème critique qui affecte la qualité des poudres métalliques. La présence de poudre satellite réduit la densité de chargement de la poudre métallique, la sphéricité et la mobilité, mais ne favorise pas le processus de mise en place de la poudre.
Dans le processus d'aérosolisation, la collision entre les particules de petite taille qui s'accumulent dans la zone de reflux et les gouttelettes de grande taille incomplètement solidifiées dans le flux de gaz aérosolisé en amont est l'une des principales raisons de la formation de poudre satellite. Les facteurs liés à l'équipement, tels que la conception de la chambre d'atomisation et les conditions qui y règnent, jouent également un rôle important.
À cet égard, l'inhibition du gaz de retour, comme l'ajout d'un flux de gaz auxiliaire, est une solution efficace. Les stratégies visant à limiter la formation de poudres satellites comprennent également l'optimisation des angles d'incidence du gaz, l'ajustement des temps de solidification et des concentrations de particules, ainsi que l'utilisation d'un flux d'air auxiliaire. Ces mesures visent à améliorer la qualité de la poudre en réduisant les agglomérations indésirables et en renforçant l'efficacité et la fiabilité du processus de fabrication dans des secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile et les dispositifs médicaux.
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Référence :
[1] Fuzhong Chu, Kai Zhang, Haopeng Shen, Meijuan Liu, Wenjing Huang, Xi Zhang, Enquan Liang, Zongyan Zhou, Liming Lei, Juan Hou, Aijun Huang, Influence of satellite and agglomeration of powder on the processability of AlSi10Mg powder in Laser Powder Bed Fusion, Journal of Materials Research and Technology, Volume 11, 2021, Pages 2059-2073, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X
Lien connexe :
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542100140X
