Северо-Восточный университет США совместно с bluShift разрабатывает порошок для аддитивного производства из металлолома

Репортаж от Wedoany，Андрю Нейлс (Andrew Neils), материаловед из Северо-Восточного университета (Northeastern University) и участник Исследовательской группы холодного напыления (Cold Spray Research Group), в сотрудничестве с аэрокосмической компанией bluShift Aerospace (bluShift Aerospace) разработал новый метод переработки металлических отходов в сырьё для аддитивного производства. В ходе исследования с использованием технологии твёрдофазного измельчения, посредством шаровой мельницы, стружка из нержавеющей стали 316L была переработана в металлический порошок, который успешно применён для концептуального подтверждения холодного напыления, доказав техническую осуществимость переработки металлолома в сырьё для аддитивного производства.

Нейлс представил этот результат на выставке RAPID+TCT в этом году. Он пояснил, что цель проекта — обеспечить распределённое, недорогое производство порошка, избегая при этом термически индуцированных фазовых переходов и повышая энергоэффективность за счёт твёрдофазной обработки. По сравнению с традиционными методами «снизу вверх», основанными на химическом синтезе, этот подход «сверху вниз» с использованием шаровой мельницы является более быстрым, дешёвым и легко масштабируемым. Нейлс подчеркнул, что команда намеренно выбрала низкотехнологичное, проверенное решение с шаровой мельницей; планетарная шаровая мельница была принята из-за её низкой стоимости (стандартное лабораторное оборудование стоит около 5000 долларов США) и лёгкости масштабирования.

Измельчение металлолома в порошок, пригодный по форме для аддитивного производства, является серьёзной задачей. Исследовательская группа комбинировала крупные мелющие шары (для высокоэнергетического удара, обеспечивающего дробление и уменьшение размера частиц) и мелкие шары (для низкоэнергетического удара, обеспечивающего округление и сглаживание частиц). Нейлс отметил, что сила соударения в значительной степени зависит от диаметра шара: увеличение диаметра с 6 мм до 20 мм приводит к увеличению силы соударения примерно в 37 раз. Команда использовала аналитические модели для прогнозирования энергии удара при масштабировании до крупного оборудования, что критически важно для прогнозирования при переходе от планетарной шаровой мельницы к таким более крупным устройствам, как мешалка-шаровая мельница.

В конкретных экспериментах команда применила многостадийный процесс помола в шаровой мельнице: сначала крупные шары для начального дробления, средние шары для распространения трещин и мелкие шары для измельчения частиц. По сравнению с традиционным одностадийным помолом, этот двух- и трёхстадийный метод позволил получить более узкое распределение частиц по размерам, лучший контроль формы и более высокую округлость частиц. Исследователи использовали газораспылительный порошок в качестве контроля и обнаружили, что время помола является ключевым фактором, влияющим на качество порошка: более длительное время помола приводит к образованию более мелких и однородных частиц. Хотя выходной продукт по характеристикам уже приближается к коммерчески доступным порошкам, Нейлс признал, что процесс ещё не оптимизирован. Кроме того, загрязнение от мельницы с карбид-вольфрамовыми шарами привело к появлению дисперсных частиц карбида вольфрама в порошке нержавеющей стали, что, однако, может стать потенциальным методом создания металломатричных композитов.

В концептуальном подтверждении холодного напыления газораспылительный порошок дал наилучшее качество покрытия, но трёхстадийный порошок также позволил сформировать приемлемое покрытие с хорошей взаимной блокировкой частиц. Из-за присутствия карбида вольфрама твёрдость композитного покрытия возросла. В настоящее время исследование всё ещё находится на лабораторной стадии или стадии НИОКР; будущие исследования будут направлены на изучение применимости этого метода для большего количества материалов и в больших объёмах.