La atomización con gas es un proceso industrial utilizado para producir polvos metálicos finos con tamaños y distribuciones de partículas precisos. Consiste en fundir metal y desintegrar el flujo fundido en finas gotitas mediante chorros de gas a alta velocidad. Las gotitas se solidifican rápidamente en partículas de polvo con morfologías esféricas ideales.
Visión general de Proceso de atomización de gas
¿Qué es la atomización gaseosa?
La atomización con gas es una técnica de procesamiento de materiales en la que se utiliza un chorro de gas a presión para romper una corriente de metal fundido en finas gotitas. A medida que las gotas se desplazan por la cámara de atomización, se solidifican rápidamente en partículas esféricas de polvo con una distribución de tamaños controlada.
¿Cómo funciona la atomización con gas?
Los pasos clave en la atomización del gas son:
- La carga metálica se funde en un crisol u horno de inducción a temperaturas superiores al liquidus
- La corriente de metal líquido fluye a través de una artesa hacia un tubo de vertido
- Chorros de gas inerte a alta velocidad inciden sobre la corriente metálica, desintegrándola en gotas.
- Las gotas caen a través de una columna de enfriamiento, solidificándose en partículas de polvo
- El polvo se acumula en el fondo de la cámara
¿Cuáles son las ventajas de la atomización con gas?
En comparación con otros métodos de atomización, las principales ventajas son:
- Genera polvos altamente esféricos ideales para la fabricación aditiva
- Consigue tamaños de polvo más pequeños y distribuciones más estrechas
- Más limpio y eficiente desde el punto de vista energético
- Mejor control de las características del polvo
- Adaptable a aleaciones reactivas y metales de alta temperatura
¿Qué materiales pueden atomizarse con gas?
Se puede atomizar con gas una amplia gama de aleaciones, entre las que se incluyen:
- Aleaciones de titanio
- Superaleaciones de níquel
- Superaleaciones de cobalto
- Aceros para herramientas
- Aceros inoxidables
- Aleaciones de cobre
- Aleaciones de aluminio
- Aleaciones de magnesio
- Metales refractarios
Casi cualquier metal con características de fusión adecuadas puede atomizarse con gas para convertirlo en polvo.
¿Cómo funciona el Proceso de atomización de gas ¿Trabajar?
Componentes del sistema de atomización de gas
Un sistema de atomización de gas contiene los siguientes componentes principales:
- Unidad de fusión - Normalmente un crisol u horno calentado por inducción para fundir la carga metálica.
- Tundish - Un recipiente de vertido intermedio que introduce el metal líquido en el tubo de vertido
- Tubo de vertido - Un tubo especialmente diseñado para un flujo laminar suave de la corriente metálica
- Chorros de gas - Boquillas de alta velocidad que atomizan la masa fundida en finas gotas
- Tubo de caída/Columna de refrigeración - Cámara donde las gotas se solidifican y se convierten en polvo
- Sistema de recogida de polvo - Ciclones y filtros para recoger el polvo atomizado
- Sistema de escape - Para eliminar de forma segura los gases de atomización usados
Cómo funciona el proceso de atomización paso a paso
- La carga metálica se funde por inducción en un crisol por encima de la temperatura del líquido.
- El metal fundido fluye del crisol a un recipiente de artesa de colada
- La artesa controla y estabiliza el flujo en un tubo de vertido cerrado
- El gas inerte presurizado es forzado a través de chorros a velocidad sónica
- Los chorros de gas inciden sobre el chorro de líquido y lo cizallan en gotas.
- Las gotas caen por la columna de enfriamiento, solidificándose rápidamente en polvo
- Las partículas de polvo se separan de los gases mediante ciclones y filtros
- Escape de gases a alta velocidad a través de compuertas para una despresurización segura
En resumen, una corriente controlada de metal fundido se encuentra con chorros de gas de alta velocidad que lo desintegran en gotas de tamaño uniforme que se solidifican en partículas esféricas de polvo.
Atomización con gas frente a otros métodos de atomización
¿En qué se diferencia la atomización con gas de la atomización con agua?
- La atomización con gas utiliza chorros de gas en lugar de agua para romper la masa fundida.
- Consigue tamaños de partícula más pequeños y distribuciones más estrechas
- Más limpio y eficiente desde el punto de vista energético
- Mejor control de la forma del polvo, menos satélites
- Sin límites de evaporación del agua
¿En qué se diferencia la atomización con gas del proceso de electrodo rotatorio?
- Utiliza chorros de gas en lugar de fuerzas centrífugas para la atomización
- Puede alojar aleaciones de punto de fusión más alto
- Separa la fusión de la atomización permitiendo un mejor control
- Consigue mayores rendimientos de partículas de menor tamaño
- Cámara de atomización/unidad de menor coste
¿En qué se diferencia la atomización por gas de la atomización por plasma?
- No utiliza calentamiento por plasma o arco eléctrico
- Funciona a temperaturas más bajas, lo que afecta a la microestructura
- Capacidad para atomizar aleaciones y metales más comerciales
- Menores costes de capital y explotación
- Mayor facilidad de ampliación a volúmenes de producción masiva
En resumen, la atomización con gas puede producir polvos más finos que la atomización con agua, tratar aleaciones con puntos de fusión más altos que la rep y es más viable comercialmente que la atomización con plasma.
Metales y aleaciones atomizados mediante el proceso de atomización con gas
Aleaciones de titanio
- Ti-6Al-4V
- Ti 6242
- Ti 64
Aplicaciones en el sector aeroespacial, implantes médicos, automoción, etc.
Superaleaciones de níquel
- Inconel 718
- Inconel 625
- René 80
- Waspaloy
Aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohetes y generación de energía.
Superaleaciones de cobalto
- Stellite 21
- Haynes 25
- Haynes 188
Las aplicaciones incluyen biomedicina, aeroespacial, automoción y utillaje.
Aceros para herramientas y aceros inoxidables
- Acero para herramientas H13
- Acero inoxidable 420
- Acero inoxidable 17-4PH endurecido por precipitación
Aplicaciones en moldeo por inyección, herramientas de corte, piezas de precisión.
Aleaciones de cobre
- Aleaciones de latón
- Aleaciones de bronce
Aplicaciones en contactos eléctricos, rodamientos, arquitectura.
Aleaciones de aluminio
- Al 6061
- Al 7075
Componentes estructurales para los sectores aeroespacial, automovilístico y arquitectónico.
Aleaciones de magnesio
- AZ91D
- ZK60A
- WE43
Aplicaciones que aprovechan la ligereza.
Metales refractarios
- Tungsteno
- Tantalio
- Molibdeno
Elementos calefactores, blindaje contra las radiaciones, resistencia a la corrosión.
Prácticamente cualquier metal que pueda fundirse por inducción puede atomizarse con gas en partículas esféricas de polvo con características controladas.
Características del polvo metálico atomizado con gas
Forma de polvo
- Morfología de partículas muy esféricas
- Satélites escasos o mínimos
- Formas fluidas adecuadas para el procesamiento AM
Distribución del tamaño del polvo
- Masa mediana de partículas de 10 a 150 micras
- Distribuciones granulométricas estrechas
- Capacidad para clasificar/cribar en cortes de tamaño específico
- Cuantificable mediante métricas como d10, d50, d90
Pureza del polvo
- La captación de oxígeno puede minimizarse con un diseño optimizado
- Otras impurezas en función de la limpieza del material de base
Densidad del polvo
- Polvos casi totalmente densos >95%
- Permite un excelente empaquetado y esparcimiento durante la deposición AM
Características del flujo de polvo
- La morfología esférica proporciona una buena fluidez del polvo
- Apto para pruebas de flujo Hall y relación de Hausner
En resumen, los polvos atomizados con gas tienen forma esférica, distribuciones de tamaño estrechas, alta pureza y densidad, con características de flujo ideales para los procesos de fabricación aditiva.
Aplicaciones y ventajas de los polvos metálicos atomizados con gas
Fabricación aditiva
- Proporciona polvos esféricos precisos óptimos para AM
- Consigue un excelente empaquetado y esparcimiento durante la deposición
- Apto para chorro de ligante, DED, PBF y otros procesos AM
- Se utiliza en metales como aceros inoxidables, aleaciones de Ni, aleaciones de Ti, etc.
Moldeo por inyección de metales (MIM)
- Mezcla y moldeo de aglutinantes con polvos finos atomizados con gas
- Flexibilidad en el diseño y la formulación de las materias primas
- Se utiliza para la producción de piezas metálicas pequeñas y complejas con forma de red
Revestimientos por pulverización térmica
- Proporciona las morfologías esféricas deseadas
- Distribuciones de tamaño optimizadas para distintos procesos de pulverización
- Mejores propiedades de recubrimiento a partir de materias primas finas atomizadas con gas
Prensado isostático en caliente (HIP)
- Cápsulas HIP con forma casi de red producidas mediante fabricación aditiva
- Mejora de las propiedades mecánicas gracias a la uniformidad de las microestructuras de grano fino
En comparación con otros métodos de atomización, los polvos atomizados con gas ofrecen las mejores características para las técnicas especializadas de fabricación a base de polvo en diversos metales y aleaciones.
Parámetros de diseño del sistema de atomización de gas
| Parámetro | Alcance típico | Comentarios |
|---|---|---|
| Presión del gas | 15 - 50 Bar | Una mayor presión mejora la atomización |
| Caudal de gas | 0,5 - 5 kg/s | Coincidencia con el caudal de metal de la boquilla |
| Recalentamiento de fusión | 100 - 500°C | Afecta a la viscosidad/tensión superficial |
| Diseño de la boquilla | Acoplamiento cerrado/abierto | Afecta a la estabilidad de la corriente de vertido |
| Altura de caída | 2 - 10 m | La mayor altura mejora la refrigeración |
| Diámetro del ciclón colector | 1 - 3 m | Los ciclones más grandes son más eficaces |
Los parámetros clave del diseño de la atomización con gas que determinan las características finales del polvo están relacionados con las propiedades del chorro de gas que interactúa con la corriente de fusión, las dimensiones del tubo de caída y el tamaño del equipo de separación del polvo.
Proveedores de equipos industriales de atomización de gases
| Compañía | Ubicación | Metales atomizados | Rango de capacidad |
|---|---|---|---|
| AP&C | Canadá | Ti, Ni, Aleaciones | 10 - 10.000 kg/año |
| Tecnologías de vacío ALD | Alemania | Ti, Ni, Superaleaciones | 100 - 4.000 kg/año |
| PyroGenesis | Canadá | Ti, Al, Cu | 35 - 2.000 kg/lote |
| TLS Técnica | Alemania | Acero para herramientas, aleaciones de Ni | 50 - 500 kg/lote |
| Gasbarre Products Inc. | EE.UU. | Aleaciones y metales a medida | 10 - 1.000 libras/hora |
Existen varias empresas que diseñan e instalan sistemas de atomización de gas con distintos volúmenes de producción capaces de procesar diferentes metales y aleaciones.
Análisis de costes de los polvos metálicos atomizados con gas
| Aleación | Tamaño del polvo (micras) | Coste por Kg |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | -45 +11 | $60 |
| Inconel 718 | -22 +5 | $55 |
| Acero inoxidable 316L | -75 +25 | $25 |
| AlSi10Mg | 15-45 | $35 |
El coste de los polvos atomizados con gas depende en gran medida de la composición de la aleación, la distribución granulométrica del polvo, la cantidad del pedido y la dinámica de la demanda del mercado. Por ejemplo, el Ti-6Al-4V cuesta aproximadamente $60/Kg para polvo de -45 +11 micras comprado en pequeñas cantidades. Los costes pueden ser inferiores para la atomización con gas a medida con mayores volúmenes de pedido.
Ventajas e inconvenientes de la atomización con gas
Ventajas
- Genera polvos altamente esféricos y fluidos
- Alcanza tamaños de partícula inferiores a 50 micras
- Distribuciones granulométricas estrechas
- Proceso limpio y energéticamente eficiente
- Respetuoso con el medio ambiente
- Adaptable a diversas aleaciones
- Escala a grandes volúmenes de producción
Limitaciones
- Elevada inversión en bienes de equipo
- Requiere conocimientos operativos especializados
- Datos públicos limitados sobre análisis de costes
- Acceso restringido a compradores autorizados
- Los polvos pueden requerir tratamiento posterior
En resumen, la atomización con gas ofrece importantes ventajas metalúrgicas y de morfología de partículas, pero tiene barreras de acceso derivadas de los costes de capital y de los sistemas patentados.
Preguntas más frecuentes
P: ¿Cuál es el tamaño de partícula más pequeño que puede conseguirse mediante atomización con gas?
R: Utilizando boquillas optimizadas y velocidades de gas ultraelevadas, la atomización con gas puede alcanzar tamaños de polvo de hasta 5-10 micras. Sin embargo, el rango más típico es de 20-150 micras.
P: ¿La atomización con gas permite mezclar o alear metales?
R: Sí, las composiciones de aleación personalizadas pueden fundirse en crisoles y atomizarse en polvos compuestos con composiciones a medida.
P: ¿Qué afecta a la distribución granulométrica de los polvos atomizados con gas?
R: Los factores clave son la estabilidad de la corriente de fusión, los niveles de recalentamiento, la presión del gas y el diseño de las toberas de chorro que interactúan con la corriente.
P: ¿Cuál es el grado de repetibilidad y uniformidad del polvo atomizado con gas de un lote a otro?
R: Utilizando procedimientos estandarizados y equipos cualificados, la consistencia entre lotes para los mismos ajustes de parámetros es muy alta.
P: ¿Cuál es la capacidad de producción típica de un atomizador de gas industrial?
R: La capacidad de producción oscila entre los 10 kg/hora de las unidades más pequeñas a escala de laboratorio y los más de 1.000 kg/hora de los atomizadores de polvo metálico de mayor producción.
P: ¿Qué tipos de posprocesamiento se realizan en los polvos atomizados con gas?
R: El postprocesamiento habitual incluye la desgasificación de los gases disueltos, el tamizado/clasificación del polvo, la mezcla, el envasado y las pruebas no destructivas.