ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОРОШКОВИХ СПЛАВІВ ASTM F75, РОЗПИЛЕНИХ  АРГОНОМ І АЗОТОМ: ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Анотація

Порошки сплаву ASTM F75 (кобальт–хром–молібден) широко використовуються в біомедичних імплантатах, аерокосмічній галузі та компонентах турбін і часто виробляються за допомогою адитивного виробництва. Однак вплив параметрів процесу на розподіл частинок за розміром, мікроструктуру та поведінку при охолодженні, а також вплив газового нагрівання залишаються недослідженими. У цій роботі за допомогою експериментального та чисельного аналізу досліджено відмінності у виробництві порошків ASTM F75 методом газового розпилення аргоном та азотом. Порівнювали розподіл частинок порошку, мікрографію поверхні та мікроструктуру порошків, розпилених аргоном та азотом при температурі 300 К і тиску 3,5 МПа. Для порошку ASTM F75 в діапазоні 0–53 мкм значення Dv(10), Dv(50) та Dv(90) становлять 7,94, 18,2 та 39,4 мкм для азоту, тоді як для аргону ці значення становлять 11,3, 23 та 41,8 мкм відповідно. Отже, при розпиленні азотом було досягнуто меншого розміру частинок. Порівняння структури поверхні частинок показало утворення дендритів при використанні обох газів. Це дало підстави для висновку, що швидкість охолодження при 300 К і 3,5 МПа була недостатньою. На електронно-мікроскопічних зображеннях порошків, отриманих з використанням азоту, виявлено утворення сетелітів (коли більші частинки, які охолоджуються повільніше, не повністю затвердівають, що дозволяє меншим частинкам приєднуватися до них і утворювати сателіти). Оскільки експериментальне вивчення параметрів атомізації газу є дорогим, вплив нагрівання газу на динаміку газового потоку було досліджено чисельно. Експериментально підтверджені чисельні аналізи було проведено в ANSYS Fluent з використанням стандартної моделі турбулентності k–ε. Чисельні розрахунки проведено при тиску газу на вході 3,5 МПа, що забезпечувало відповідність експериментальним умовам. При підвищенні температури газу до 300, 400, 500 і 600 К максимальні швидкості для аргону становлять 399,45, 458,58, 509,59 і 555,32 м/с, тоді як для азоту ¾ 516,21, 592,31, 658,88 та 719,27 м/с відповідно. З підвищенням температури обох газів зафіксовано зменшення масового потоку. При нагріванні газу збільшувалась швидкість та зменшувався масовий потік. Тому було зроблено висновок, що вищу кінетичну енергію можна досягти при меншому споживанні газу. Це призводить до виникнення більших аеродинамічних сил, які діють на розплавлений метал, що посилює його фрагментацію та сприяє утворенню більш дрібних частинок порошку. В результаті, порівняно з аргоном, в порошках, розпилених азотом, відбулося зниження Dv(10) приблизно на 29,73%, Dv(50) на 20,87% і Dv(90) на 5,74%. Крім того, за результатами чисельних розрахунків, нагрівання газу призвело до середнього зниження споживання газу приблизно на 10,96% для аргону і 11,79% для азоту на кожні 100 К підвищення температури, що підкреслює його потенціал для підвищення ефективності процесу. Ці висновки дають вичерпні рекомендації щодо виробництва порошків ASTM F75 методом газової атомізації аргоном та азотом.