Atomización de gas es un proceso pulvimetalúrgico utilizado para producir polvos metálicos finos. Consiste en fundir una aleación metálica y desintegrar la masa fundida en finas gotitas mediante un chorro de gas a alta velocidad. Las gotitas se solidifican rápidamente en polvos con una morfología esférica y una distribución controlada del tamaño de las partículas. Los polvos atomizados con gas tienen propiedades únicas que los hacen adecuados para aplicaciones especializadas en diversas industrias.
¿Cómo funciona la atomización del gas?
El proceso de atomización con gas comienza fundiendo la aleación deseada en un crisol u horno de inducción. A continuación, el metal líquido se vierte en un chorro fino en la cámara de atomización. Unos chorros de gas a alta presión (normalmente nitrógeno o argón) situados alrededor del chorro de metal lo desintegran en finas gotitas. A medida que las gotas caen por la torre de atomización, se solidifican rápidamente en polvos esféricos debido a la elevada relación superficie/volumen. Los polvos se recogen en la parte inferior de la torre y se clasifican según el tamaño de las partículas mediante tamices.
El tamaño de los polvos producidos depende del caudal de gas y del caudal de metal. Las presiones de gas más altas y los caudales de metal más bajos producen polvos más finos. Otros parámetros del proceso, como el ángulo de inyección de gas y el diseño de la boquilla de atomización, también afectan a las características del polvo.
¿Cuáles son las ventajas de los polvos atomizados con gas?
En comparación con los polvos fabricados por otros métodos, como la atomización con agua, los polvos atomizados con gas presentan las siguientes ventajas:
- Morfología de partículas muy esféricas
- Distribución granulométrica ajustada
- Baja captación de oxígeno y nitrógeno durante la atomización
- Capacidad para atomizar aleaciones con altas temperaturas de fusión
- Flexibilidad para modificar los parámetros del proceso y personalizar las características del polvo
La forma esférica mejora el flujo del polvo y la densidad de empaquetamiento. La distribución controlada del tamaño de las partículas permite un control preciso de las propiedades finales de la pieza. La atmósfera de atomización inerte evita la contaminación de las aleaciones químicas reactivas. Estas ventajas permiten que los polvos atomizados con gas cumplan los requisitos de los procesos avanzados de AM metálica, como la fusión de lecho de polvo por láser y el chorro de aglutinante. La alta pureza también los hace adecuados para aplicaciones pulvimetalúrgicas como el moldeo por inyección de metales, donde la contaminación puede degradar las propiedades.
¿Qué metales y aleaciones se suelen atomizar con gas?
Algunos de los metales y aleaciones más comunes que se atomizan con gas son:
- Aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V
- Superaleaciones a base de níquel como Inconel 718, Inconel 625
- Aleaciones de cobalto-cromo
- Aceros para herramientas como el H13
- Aceros inoxidables como 316L, 17-4PH
- Aleaciones de aluminio
- Aleaciones de cobre
Las aleaciones de alta temperatura basadas en titanio, níquel y cobalto son especialmente adecuadas para la atomización con gas. La atmósfera de gas inerte evita la captación excesiva de oxígeno en estos polvos elementales reactivos. Los metales refractarios como el wolframio también se atomizan con gas, ya que sus elevados puntos de fusión dificultan la atomización con agua.
En general, la atomización con gas puede producir polvos esféricos finos a partir de cualquier aleación que se funda sin descomponerse. El proceso puede personalizarse para atomizar nuevas aleaciones diseñadas para aplicaciones avanzadas.
¿Cuáles son algunas de las aplicaciones de los polvos atomizados con gas?
Algunas de las principales áreas de aplicación de los polvos de aleación atomizados con gas son:
Fabricación aditiva de metales
- La fusión de lecho de polvo por láser utiliza polvos atomizados con gas debido a su morfología esférica y distribución de tamaño controlada. Estas características garantizan un buen flujo y empaquetamiento en el lecho de polvo.
- La inyección de aglutinante también utiliza polvos atomizados con gas para producir propiedades isotrópicas en las piezas impresas. La forma esférica y el control preciso del tamaño mejoran la densidad de empaquetado y la dispersión del polvo.
Pulvimetalurgia
- El moldeo por inyección de metales se basa en polvos de alimentación atomizados con gas con un tamaño de partícula controlado. Esto permite una alta carga de polvo y una contracción uniforme.
- El prensado y sinterizado de polvos utiliza polvos atomizados prealeados para fabricar componentes de automoción, herramientas de corte y otras piezas estructurales.
Rociado térmico
- Los polvos atomizados con gas alimentados con plasma, llama o sistemas de oxicorte de alta velocidad (HVOF) producen revestimientos superiores gracias a su morfología esférica.
Sanidad
- Las estructuras porosas fabricadas con polvos de titanio y cromo-cobalto atomizados con gas se utilizan para implantes ortopédicos.
- Los polvos finos de acero inoxidable se utilizan para fabricar instrumentos quirúrgicos mediante moldeo por inyección de metal.
La combinación de pureza, repetibilidad y características de las partículas hace que los polvos atomizados con gas sean ideales para estas aplicaciones críticas en todos los sectores.
¿Qué distribución granulométrica se utiliza para las distintas aplicaciones?
La distribución óptima del tamaño de las partículas depende de la aplicación prevista:
- Para la fusión de lechos de polvo por láser, el rango típico es de 15-45 micras. Los polvos muy finos de menos de 10 micras pueden causar problemas de manipulación. Se suele utilizar una gama de tamaños de 25-35 micras.
- La inyección de aglutinante utiliza polvos más finos en el rango de 5-25 micras para mejorar la sinterización. El grosor de la capa también determina el tamaño mínimo de las partículas.
- El moldeo por inyección de metales utiliza distribuciones bimodales con tamaños de polvo inferiores a 25 micras. Esto mejora la densidad de empaquetado y el flujo.
- La pulverización térmica requiere partículas más grandes, de más de 45 micras, para mejorar la transferencia de momento y la densidad del revestimiento. Se suelen utilizar tamaños de entre 45 y 100 micras.
- Para los implantes ortopédicos, los tamaños de polvo inferiores a 75 micras favorecen el crecimiento del tejido en la estructura porosa.
Los parámetros del proceso de atomización con gas pueden optimizarse para producir polvos con la distribución granulométrica deseada para la aplicación prevista.
¿Cuáles son los últimos avances en tecnología de atomización con gas?
Algunos de los últimos avances en tecnología de procesos de atomización con gas son:
- La atomización por acoplamiento estrecho utiliza un horno de electrodos consumibles integrado en la boquilla de atomización para un proceso más controlado. Esto mejora la limpieza de la masa fundida.
- Múltiples inyectores de gas dispuestos concéntricamente pueden producir distribuciones granulométricas únicas. La variación de la presión del gas entre inyectores aumenta la flexibilidad de la atomización.
- Los atomizadores de prefilmación utilizan una fina película líquida para generar gotas atomizadas más finas en comparación con las corrientes metálicas de caída libre. Esto amplía la capacidad para polvos de menos de 10 micras.
- Los sistemas de control por realimentación que utilizan sensores ópticos permiten ajustar dinámicamente las presiones de gas y el caudal de metal para mantener la distribución del tamaño del polvo. Esto mejora la consistencia.
- La atomización por inducción utiliza levitación electromagnética y bobinas de inducción para controlar con precisión el baño de fusión. Esto permite un proceso de atomización muy uniforme y sin contacto.
- La fabricación aditiva se está utilizando para fabricar geometrías complejas de boquillas atomizadoras que no son posibles con el mecanizado convencional. Esto proporciona un mayor control de la atomización.
Estas innovaciones en los procesos están ampliando los sistemas de aleación y las características de las partículas que pueden conseguirse mediante la atomización con gas.
¿Cuáles son algunos de los retos de la atomización con gas?
Algunos de los principales retos asociados a la atomización con gas son:
- Contaminación de aleaciones reactivas por captación de oxígeno/nitrógeno - El uso de gases inertes de mayor pureza y de cámaras de vacío minimiza esta situación.
- Formación de satélites durante la atomización debido a la formación de ligamentos entre las gotas - La geometría de la boquilla y la optimización del flujo de gas reducen los satélites.
- Producción de formas de partículas irregulares, no esféricas - El control cuidadoso de los parámetros del proceso garantiza una morfología esférica suave.
- Conseguir velocidades de enfriamiento uniformes entre partículas grandes y pequeñas - Los diseños modificados de las boquillas ayudan a igualar las velocidades de solidificación de las gotas.
- Manipulación de polvos calientes de alta reactividad y oxidación por debajo del punto de fusión - La manipulación de polvos en atmósfera inerte suprime la oxidación.
- Coste y complejidad asociados al uso de sistemas de gas a alta presión - Las recientes innovaciones están mejorando la productividad y reduciendo los costes.
La investigación continua se centra en comprender y controlar la física de la atomización de la masa fundida para mejorar aún más la calidad y consistencia del polvo atomizado con gas.
¿Cuáles son las alternativas a la atomización con gas?
Algunos procesos de producción de polvo alternativos a la atomización con gas incluyen:
- Atomización con agua - Barata pero causa oxidación y formas irregulares del polvo
- Atomización por plasma - Produce polvos muy esféricos pero de muy baja productividad
- Atomización de gas de fusión por inducción de electrodo - Bueno para aleaciones reactivas pero mayor captación de O2
- Proceso de electrodo giratorio - Prometedor para producir polvos metálicos esféricos, pero aún en desarrollo
- Esferoidización por plasma - Esferodiza polvos irregulares pero no produce polvo de aleación fresco.
- Molienda mecánica - Contamina el polvo por atrición y abrasión
Para la mayoría de las aplicaciones, la atomización con gas ofrece el mejor equilibrio entre coste, productividad y calidad del polvo. Pero siguen apareciendo nuevas técnicas de atomización como alternativas para aplicaciones especializadas.
¿Cuál es el futuro de los polvos atomizados con gas?
Los polvos atomizados con gas seguirán ganando protagonismo con el crecimiento de la fabricación aditiva de metales. El control preciso de las características del polvo que permite la atomización con gas es fundamental para las exigentes aplicaciones de AM aeroespacial y médica. Esto está impulsando importantes inversiones e innovaciones en la tecnología de atomización.
Además de la AM, el creciente uso de la pulvimetalurgia en la automoción y otras industrias también acelerará la adopción de la atomización con gas. El paso a las materias primas de polvo metálico permite geometrías de componentes complejas y composiciones de aleación que no son factibles con productos forjados.
La atomización con gas también permitirá obtener nuevos materiales, como polvos de aleaciones amorfas con propiedades únicas. El control de las velocidades de enfriamiento durante la atomización puede producir aleaciones personalizadas y fases metaestables.
En general, las mejoras en calidad y rentabilidad ampliarán la atomización con gas a sistemas de materiales y aplicaciones industriales más amplios en el futuro.
Preguntas más frecuentes
¿Cuál es el tamaño de partícula más pequeño que puede producirse mediante atomización con gas?
La atomización con gas puede producir polvos de hasta unas 5 micras de tamaño. Las boquillas especiales que utilizan un flujo de prefiltrado han generado partículas de tamaños inferiores a la micra. Pero la producción a escala inferior a 10 micras sigue siendo un reto.
¿Cómo consigue la atomización del gas esas partículas esféricas?
La elevada tensión superficial de las gotitas metálicas combinada con la rápida solidificación en la atmósfera de gas inerte preserva la forma esférica. Los ligamentos entre gotas que causan irregularidades se minimizan con parámetros de atomización óptimos.
¿Cuál es la ventaja de una distribución de tamaños estrecha?
Una distribución estrecha proporciona propiedades y rendimiento uniformes en la aplicación final. Por ejemplo, la fusión y el flujo uniformes durante el procesamiento de metales por AM. Se evitan los problemas de segregación y porosidad.
¿Cuál es la tasa máxima de producción de polvos atomizados con gas?
Los índices de producción de los atomizadores de gas comerciales suelen oscilar entre 5 y 20 kg de polvo por minuto. Con sistemas optimizados, se han registrado tasas de producción de hasta 100 kg/min para algunas aleaciones de bajo punto de fusión.
¿Cómo se atomizan los materiales reactivos como el gas de aluminio?
Deben utilizarse gases inertes de gran pureza (argón, nitrógeno) para evitar una captación excesiva de oxígeno y nitruro. También es fundamental la manipulación y recogida en atmósferas protectoras. También pueden utilizarse cámaras de vacío.
¿Existen formas de producir polvos atomizados con gas de forma más económica?
Innovaciones recientes como las boquillas de acoplamiento estrecho, los atomizadores avanzados de prefiltrado, la inyección múltiple de gas y los crisoles de electrodos están mejorando la eficiencia energética. La fabricación aditiva de boquillas también reduce los costes. Las mayores tasas de producción ayudan a mejorar las economías de escala.
¿Puede la atomización con gas alcanzar las propiedades de los productos forjados?
Con un procesamiento optimizado, los polvos atomizados con gas pueden alcanzar propiedades mecánicas cercanas a las aleaciones forjadas convencionales en determinados materiales. Pero las propiedades siguen estando limitadas por la porosidad residual de los productos pulvimetalúrgicos.
¿Qué industrias son las mayores consumidoras de polvo atomizado con gas en la actualidad?
En la actualidad, los sectores aeroespacial y médico son los mayores consumidores de polvos atomizados con gas para la fabricación aditiva y el moldeo por inyección de metales. El uso en aplicaciones de automoción también está aumentando rápidamente.
¿Permite la atomización con gas composiciones de aleaciones que no pueden procesarse de forma convencional?
Sí, la atomización con gas tiene velocidades de enfriamiento muy altas que pueden suprimir las reacciones de descomposición y permitir fases de aleación metaestables y amorfas. También permite producir como polvos composiciones de aleaciones con mala colabilidad o trabajabilidad.