جدول المحتويات
إضافة رأس لبدء إنشاء جدول المحتويات
نعلم جميعًا أن هناك عددًا قليلاً من التقنيات النموذجية لإعداد الشكل الكروي مسحوق معدني، هم أتمتة الغاز (GA) ، عملية القطب الكهربائي للدوران بالبلازما (الإعدادية) ، الانحلال بالبلازما (PA) ، كروية البلازما (PS).
4 أفضل تقنيات تحضير مسحوق معدني كروي:
أتمتة الغاز (GA)
إنتاج مسحوق الهباء هو استخدام تدفق هواء عالي السرعة لتفكيك التيارات المعدنية السائلة إلى قطرات صغيرة ، ثم يتم تكثيفها بسرعة لإنتاج مسحوق على شكل.
أصبح الهباء الجوي أهم طريقة لإعداد مساحيق المعادن الكروية الدقيقة والسبائك ، ووفقًا للإحصاءات ، فقد وصل إنتاج مساحيق المعادن عن طريق الانحلال إلى 801 طنًا واحدًا من إجمالي إنتاج المساحيق في العالم. هناك العديد من الأنواع المختلفة لمساحيق المعادن التي يمكن إنتاجها صناعيًا عن طريق الانحلال ، بما في ذلك جميع أنظمة المعادن والسبائك الشائعة تقريبًا ، باستثناء المعادن المقاومة للصهر مثل التنجستن والموليبدينوم والمعادن شديدة التفاعل.
تنتج هذه الطريقة مساحيق معدنية بحجم جزيئات دقيقة (أقل من 150 ميكرومتر) ، كروية جيدة ، نقاء عالي ، محتوى أكسجين منخفض ، سرعة تشكيل سريعة وتلوث بيئي منخفض ، وهي الطريقة السائدة لإعداد مساحيق المعادن لمسحوق المعادن ، صب حقن المعادن وتصنيع المضافات المعدنية.
الانحلال البلازما (PA)
الانحلال بالبلازما (PA) هو عملية تغذية المواد الخام المعدنية (الأسلاك بشكل عام) بمعدل معين من خلال آلية تغذية خاصة. يتم تشتيت المواد الخام بسرعة إلى قطرات أو رذاذات فائقة الدقة بواسطة نفاثات بلازما مركزة تم إنشاؤها بواسطة مشاعل بلازما متعددة متماثلة في الجزء العلوي من الفرن ، وتبادل الحرارة مع الغازات الخاملة للتبريد أثناء عملية الترسيب ، مما ينتج عنه مسحوق شبه كروي .
باستخدام تقنية الانحلال بالبلازما ، يمكن الحصول على مساحيق سبائك التيتانيوم ذات حجم الجسيمات الصغير والنقاء العالي والتدفق الجيد. على عكس تقنيات صنع المسحوق التقليدية ، لا يستخدم الانحلال بالبلازما المياه المستخدمة بشكل شائع أو تيارات الوسائط الغازية لسحق تيار السائل ، بل يستخدم البلازما الساخنة ، والتي تتجنب مشكلة ضعف كروية القطرات المنصهرة بسبب التبريد السريع. بالإضافة إلى ذلك ، لا تتطلب هذه الطريقة استخدام بوتقة خزفية تقليدية وهي مناسبة لمسحوق جميع المواد المعدنية التي يمكن صهرها ، وخاصة المواد المعدنية شديدة التفاعل التي تحتوي على التيتانيوم والتي تسبب تلوث البوتقة.
عملية القطب الكهربائي الدوراني للبلازما (PREP)
تعد طريقة الانحلال الكهربائي للقطب الكهربائي الدوارة بالبلازما واحدة من أكثر الطرق المثالية لإعداد مواد مسحوق كروية عالية النقاء وكثافة. يمكن وصف الآلية ببساطة على النحو التالي: شعاع البلازما هو مصدر الحرارة ، والمعدن أو السبيكة هي قطب كهربائي ذاتي الاستهلاك ، ويتم صهر نهايات القطب في فيلم سائل بواسطة البلازما المحورية ، ويتم الحصول على المسحوق الكروي تحت عمل قوة الطرد المركزي عالية السرعة والتوتر السطحي.
خصائص صنع مسحوق الانحلال الدوراني بالبلازما: (1) توزيع حجم جسيمات المسحوق ضيق ، حجم الجسيمات أكثر قابلية للتحكم ، طريقة الانحلال بالغاز ذات كروية عالية يتركز حجم جزيئات مسحوق السبائك المحضرة بشكل أساسي في نطاق 0-150 ميكرومتر ؛ طريقة الانحلال الكهربائي للقطب الدوارة بالبلازما يتركز حجم جسيمات مسحوق السبائك المحضرة بشكل أساسي في 20-200 ميكرومتر. عملية الانصهار لا يوجد تدفق هواء خامل عالي السرعة لكسر تيار السائل ؛ زيادة الأكسجين في مسحوق الهباء الجوي في أكثر من 100 جزء في المليون ، يمكن التحكم في زيادة الأكسجين في مسحوق الانحلال الدوراني للبلازما في أقل من 50 جزء في المليون. مزايا تقنية تصنيع مسحوق الانحلال الدوراني للبلازما في التصنيع الإضافي 1) مسحوق صلب ، لن تكون عملية الطباعة موجودة في الكرة المجوفة الناتجة عن فجوات الهواء ، ومسام التساقط وهطول الأمطار ، والشقوق والعيوب الأخرى ؛ 2) يمكن ضمان حجم جزيئات المسحوق ، وتوزيع حجم الجسيمات الضيق ، وعملية الطباعة أقل / لا كروية ، وظاهرة التكتل ، وإنهاء السطح الأعلى ، واتساق وتوحيد الطباعة بشكل كامل.
تكوير البلازما (PS)
تستخدم تقنية كروي البلازما خصائص درجات الحرارة العالية للبلازما لتسخين وتذوب بسرعة جزيئات مسحوق غير منتظمة الشكل يتم تغذيتها في البلازما ، والتي تتجمد بسرعة تحت التأثير المشترك للتوتر السطحي وتدرجات درجات الحرارة العالية للغاية لتشكيل مساحيق كروية. تتميز البلازما بمزايا درجة الحرارة المرتفعة (~ 104 كلفن) ، وحجم شعلة البلازما الكبير ، وكثافة الطاقة العالية ، وعدم تلوث القطب ، ونقل الحرارة السريع والتبريد ، وما إلى ذلك. إنها طريقة جيدة لإنتاج مساحيق كروية عالية الجودة بمكونات موحدة وعالية كروية وقابلية جيدة للتدفق ، خاصة في تحضير المعادن المقاومة للحرارة النادرة والأكاسيد والنتريد والكربيدات والمساحيق الكروية الأخرى.
ما سبق هو مقدمة موجزة لمبادئ وخصائص عدة أنواع من معدات صنع مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد. باختصار ، تعد تقنية صنع البودرة المتناثرة ، خاصةً VIGA و EIGA ، حاليًا أكثر تقنيات صنع المسحوق استخدامًا ، لكنها لا تزال محدودة بنقاء وكروية المسحوق مقارنة بالعديد من التقنيات الأخرى.
عند مقارنة تقنيات PREP و PA و PS ، يكون لدى PA المزيد من مسحوق الأقمار الصناعية ، و PS مقيد بالمواد الخام ، و PREP لديه عائد غرامات منخفض نسبيًا مقارنة بالاثنين الآخرين.
Additional FAQs on Spherical Metallic Powder
1) Which method yields the highest sphericity and cleanliness for reactive alloys like Ti or Ni superalloys?
PREP generally delivers the highest sphericity and lowest inclusion/oxygen pickup because there is no crucible and minimal melt exposure; EIGA/PA are also strong for reactivity control.
2) How do I choose between Gas Atomization (GA) and Plasma Atomization (PA) for AM powders?
Choose GA for broad alloy coverage and cost efficiency, especially steels and Ni alloys; choose PA for finer PSD, higher sphericity, and lower oxygen in Ti/CoCr, where flowability and purity are critical.
3) When is Plasma Spheroidization (PS) preferable?
PS is ideal for converting irregular feedstocks (e.g., milled, hydride–dehydride Ti, refractory/ceramic powders) to high-sphericity particles, improving flowability without fully remelting large ingots.
4) What PSD ranges are typical for LPBF vs. L-DED from each method?
LPBF: D10–D90 ≈ 15–45 μm (PA, PREP, fine GA, PS-refined). L-DED: 45–150 μm (coarser GA/PREP cuts). Binder jetting often prefers 5–25 μm with tight tails.
5) How does satellite powder formation impact print quality and how can it be minimized?
Satellites reduce flowability and increase porosity risk. Mitigate via optimized atomization pressure/temperature, nozzle design, post-process classification/sieving, and PS reconditioning for GA/PA lots.
2025 Industry Trends in Spherical Metallic Powder
- Multi-laser AM drives tighter PSD control and lower oxygen specs for GA and PA powders.
- Blue/green laser compatibility pushes demand for high-reflectivity Cu/Al spherical metallic powder with enhanced sphericity and oxide control (e.g., EIGA + PS).
- Sustainability: Powder genealogy, higher recycle blend-back with inline O2/H2O monitoring, and EPDs requested by aerospace/medical OEMs.
- Hybrid routes: GA base powder reconditioned by PS to reduce satellites and narrow PSD; PREP used for premium lots where defect tolerance is minimal.
- Cost-down focus: Improved yield in PREP (adaptive electrode control) and PA (torch optimization) narrowing price gap with GA for Ti-6Al-4V.
| 2025 Metric (Spherical Metallic Powder) | Typical Range/Value | Relevance | المصدر |
|---|---|---|---|
| LPBF PSD target (D10–D90) | 15–45 μm | Flowability and layer quality | ISO/ASTM 52907 |
| Tap density of premium Ti-6Al-4V PA/PREP powders | 2.5–2.9 جم/سم³ | Packing, density | OEM datasheets |
| Oxygen spec (Ti AM-grade) | ≤0.13 wt% (ELI), ≤0.20 wt% (Grade 5) | Ductility, fatigue | ASTM F136/F3001 |
| Satellite content (post-PS reconditioning) | <3–5% by count | Flow/defect control | Supplier QC notes |
| Indicative lot yield in PREP (20–200 μm) | 55–70% after classification | Cost and availability | Vendor application notes |
| Market price band (Ti-6Al-4V powder) | ~$80–$200/kg (GA) vs. ~$120–$300/kg (PA/PREP) | Budgeting | Market trackers/suppliers |
Authoritative references and further reading:
- ISO/ASTM 52907 (Additive manufacturing feedstock): https://www.iso.org
- ASTM F2924, F3001 (Ti alloys for AM): https://www.astm.org
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov
- ASM Handbook: Powder Metallurgy and Additive Manufacturing: https://www.asminternational.org
Latest Research Cases
Case Study 1: PS Reconditioning of GA Inconel 718 to Reduce Satellites (2025)
Background: An aerospace supplier experienced recoater streaks and variable density from GA IN718 due to satellite-rich lots.
Solution: Applied plasma spheroidization to re-melt particle surfaces, followed by tight classification; implemented inline O2/H2O monitoring and argon recirculation.
Results: Satellite count reduced from ~12% to <3%; Hall flow improved by 18%; LPBF porosity fell from 0.45% to 0.12% without parameter change.
Case Study 2: PREP Titanium Alloy Powder for Thin‑Wall LPBF Lattice Structures (2024)
Background: A medical OEM required high ductility and fatigue life in Ti‑6Al‑4V ELI lattices.
Solution: Switched to PREP powder with narrow PSD (20–40 μm) and O ≤0.12 wt%; applied low‑energy contour scans and stress relief.
Results: 10–15% higher elongation, 25% improvement in HCF endurance at 10⁷ cycles; surface defect incidence reduced, enabling lower CT sampling.
Expert Opinions
- Prof. John Campbell, Casting and Atomization Specialist (Emeritus), University of Birmingham
Key viewpoint: “Control of melt cleanliness and turbulence during atomization is as decisive as gas velocity for minimizing satellites and inclusions.” - Dr. Martina Zimmermann, Head of Additive Materials, Fraunhofer IWM
Key viewpoint: “PS as a secondary step is proving cost‑effective to lift GA powder quality to PA/PREP performance for many aerospace parts.” - Dr. Brent Stucker, AM standards contributor and industry executive
Key viewpoint: “Powder passports tying PSD, O/N/H, and in‑process monitoring to acceptance are accelerating serial qualification of spherical metallic powder.”
Citations for expert profiles:
- University of Birmingham: https://www.birmingham.ac.uk
- Fraunhofer IWM: https://www.iwm.fraunhofer.de
- ASTM AM CoE: https://amcoe.org
Practical Tools and Resources
- Standards and QC
- ISO/ASTM 52907 (feedstock), ASTM B214/B822 (PSD), ASTM B212/B329 (apparent/tap density)
- NFPA 484 (combustible metals safety): https://www.nfpa.org
- Characterization labs and equipment
- LECO O/N/H analyzers: https://www.leco.com
- Laser diffraction and SEM services at accredited labs
- Process and design tools
- Ansys Additive, Simufact Additive for parameter optimization and distortion control
- nTopology for lattice design tailored to powder PSD
- Market/data
- Senvol Database (machines/materials): https://senvol.com/database
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov
Last updated: 2025-08-21
Changelog: Added 5 targeted FAQs, 2025 trends with metrics table and sources, two recent case studies on PS and PREP routes, expert viewpoints with citations, and practical tools/resources relevant to spherical metallic powder.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM feedstock standards update, major OEMs publish new PSD/oxygen specs, or significant price/yield shifts occur in GA/PA/PREP/PS routes.
