Технологии получения и обработки порошковых материалов в термической плазме электродугового разряда

Цели. Обобщить результаты исследований плазменных процессов, обеспечивающих получение порошковых материалов заданного состава; осуществить плазменные процессы: плазмохимический синтез нанопорошков, грануляцию нанопорошков, плазменную сфероидизацию микрогранул и микропорошков для выполнения задач в области нанотехнологий и аддитивных технологий.

Методы. Генерация термической плазмы осуществлялась разработанными в ИМЕТ РАН электродуговыми плазмотронами постоянного тока мощностью до 45 кВт с самоустанавливающейся длиной дуги и плазмотронами с межэлектродной вставкой. В процессах плазмохимического синтеза нанопорошков и плазменной сфероидизации металлических порошков была использована конструкция плазменного реактора с ограниченным струйным течением с использованием термической плазмы восстановительных, окислительных и инертных сред.

Результаты. Использование электродугового плазмотрона позволило в процессах плазмохимического синтеза нанопорошков и плазменной сфероидизации порошков достигнуть производительности 0.5 и 10 кг/ч соответственно для различных металлов, сплавов, соединений и их композиций. Для реализованных процессов получения нанопорошков, формирование частиц в которых происходит по различным макромеханизмам, установлено, что средний размер получаемых частиц управляется и зависит от параметров синтеза — начальной концентрации прекурсора, энтальпии и скорости истечения струи плазмы, скорости охлаждения и конденсации паров. Показаны результаты исследования процессов получения сфероидизированных порошков в потоках термической плазмы, включая металлы (Ti, Ta, Fe, Ni, Mo, W), сплавы (на основе Fe, Ti, Ni, Co, Nb, W, Mg, в том числе нержавеющие, жаропрочные, тугоплавкие, твердые), соединения (бориды, оксиды) и композиции (W–Ni–Fe, ZrB₂–SiC, Ni–TiCN и др.). Показана возможность получения беспористых сферических порошков различной дисперсности: для частиц с размерами 10–100 мкм и для микрогранул, состоящих из частиц с размерами менее 1 мкм. Описаны основные параметры процесса, влияющие на качество сфероидизации, среди которых дисперсность прекурсоров, энтальпия плазменной струи, состав используемых газов, характеристики плазменного потока и его смешения с исходным сырьем.

Выводы. Продемонстрированные результаты исследований показывают диапазон возможностей плазменных процессов и аппаратов для получения нанопорошков различных металлов, неорганических соединений и композиций с необходимыми характеристиками. Подтверждено обеспечение возможности сфероидизации порошков металлов и сплавов, соединений и композиций, полученных различными методами, в плазменном реакторе с ограниченным струйным течением в широком диапазоне температур плавления, размеров и морфологии частиц. Представленный подход с использованием последовательных стадий плазмохимического синтеза нанопорошков, гранулирования полученных нанопорошков и последующей плазменной сфероидизации микрогранул позволяет получать композитные микропорошки на основе вольфрама с плотными сферическими частицами и субмикронной структурой.

1. Koch C.C. Nanostructured Materials: Processing, Properties and Applications. William Andrew; 2006, 784 p.

2. Wang Z.L., Liu Y., Zhang Z. Handbook of Nanophase and Nanostructured materials. Springer; 2002, 406 p.

3. Shaw D., Liu B. Handbook of Micro and Nanoparticle Science and Technology. Springer; 2012, 2400 p.

4. Hosokawa M., Nogi K., Naito M., Yokoyama T. Nanoparticle Technology Handbook. Elsevier; 2007, 644 p.

5. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М.: Наука; 1980, 360 с.

6. Туманов Ю.Н. Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах. М.: Физматлит; 2010, 968 с.

7. Seo J.-H., Hong B.-G. Thermal plasma synthesis of nanosized powders. Nuclear Eng. Technol. 2012;44(1):9–20. https://doi.org/10.5516/NET.77.2012.002

8. Tanaka Y. Synthesis of nanosize particles in thermal plasmas. In: Handbook of Thermal Science and Engineering. Springer; 2018. P. 2791–2828. https://doi.org/10.1007/978-3-319-26695-4_31

9. Kim K.S., Kim T.H. Nanofabrication by thermal plasma jets: From nanoparticles to low-dimensional nanomaterials. J. Appl. Phys. 2019;125(7):070901. https://doi.org/10.1063/1.5060977

10. Phillips J., Luhrs C.C., Richard M. Review: Engineering particles using the aerosol-through-plasma method, IEEE Trans. Plasma Sci. 2009;37(6):726–739. https://doi.org/10.1109/TPS.2009.2016969

11. Shigeta M., Murphy A.B. Thermal plasmas for nanofabrication. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44(17):174025. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/17/174025

12. Szabó D.V., Schlabach S. Microwave Plasma Synthesis of Materials—From physics and chemistry to nanoparticles: a materials scientist’s viewpoint. Inorganics. 2014;2(3): 468–507. https://doi.org/10.3390/inorganics2030468

13. Vollath D. Plasma Synthesis of Nanoparticles. KONA Powder and Particle J. 2007;25:39–55. https://doi.org/10.14356/kona.2007007

14. Dongdong Gu. Laser Additive Manufacturing of High-Performance Materials. Springer; 2015, 311 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46089-4

15. Shishkovsky I.V. (Ed.). New Trends in 3D Printing. InTechOpen; 2016, 268 p. https://doi.org/10.5772/61398

16. Lewis G. Aspects of the powder in metal additive manufacturing: A review. World J. Eng. Technol. 2022;10(02):363–409. https://doi.org/10.4236/wjet.2022.102022

17. Wohlers T.T., Campbell R.I., Diegel O., Kowen J., Mostow N. Wohlers Report 2021: 3D Printing and Additive Manufacturing Global State of the Industry. Wohlers Associates Inc.; 2021, 374 p.

18. Kendrick A. 3D Printing: The Next Industrial Revolution? A Look into the Impacts on the Aerospace Industry. Nerac Inc.; 2013, 276 p. Available: https://www.nerac.com/wp-content/ uploads/2014/07/3D-Printing-Dec.pdf. Accessed July 15, 2024.

19. Vock S., Klöden B., Kirchner A., et al. Powders for powder bed fusion: a review. Prog. Addit. Manuf. 2019;4(4):383–397. https://doi.org/10.1007/s40964-019-00078-6

20. Dejene N.D., Lemu H.G. Current status and challenges of powder bed fusion-based metal additive manufacturing: literature review. Metals. 2023;13(2):424. https://doi.org/10.3390/met13020424

21. Ladani L., Sadeghilaridjani M. Review of powder bed fusion additive manufacturing for metals. Metals. 2021;11(9):1391. https://doi.org/10.3390/met11091391

22. Алексеев Н.В., Самохин А.В., Цветков Ю.В. Плазменная установка для получения нанодисперсных порошков: пат. 2311225 РФ. Заявка № 2006110838/15; заявл. 05.04.2006; опубл. 27.11.2007.

23. Самохин А.В., Фадеев А.А., Кирпичев Д.Е., Алексеев Н.В., Берестенко В.И., Асташов А.Г., Завертяев И.Д. Плазменная установка для сфероидизации металлических порошков в потоке термической плазмы: пат. 2756327 РФ. Заявка № 2020134059; заявл. 16.10.2020; опубл. 29.09.2021.

24. Samokhin A., Alekseev N., Sinayskiy M., Astashov A., Kirpichev D., Fadeev A., Tsvetkov Y., Kolesnikov A. Nanopowders Production and Micron-Sized Powders Spheroidization in DC Plasma Reactors. In: Cavalheiro A.A. (Ed.). Powder Technology. London: IntechOpen; 2018. Ch. 1. https://doi.org/10.5772/intechopen.76262

25. Синайский М.А., Самохин А.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Расширенные характеристики дисперсного состава для нанопорошков плпзмохимического синтеза. Российские нанотехнологии. 2016;11(11-12): 110–115.

26. Granqvist C.G., Buhrman R.A. Ultrafine metal particles. J. Appl. Phys. 1976;47(5):2200–2219. https://doi.org/10.1063/1.322870

27. Котляров В.И., Бешкарев В.Т., Карцев В.Е., Иванов В.В., Гасанов А.А., Южакова Е.А., Самохин А.В., Фадеев А.А., Алексеев Н.В., Синайский М.А., Третьяков Е.В. Получение сферических порошков для аддитивных технологий на основе металлов IV группы. Физика и химия обработки материалов. 2016;2:63–70.

28. Самохин А.В., Фадеев А.А., Алексеев Н.В., Синайский М.А., Суфияров В.Ш., Борисов Е.В., Корзников О.В., Федина Т.В., Водовозова Г.С., Барышков С.В. Сфероидизация порошков на основе железа в потоке плазмы электродугового плазмотрона и их применение в селективном лазерном наплавлении. Физика и химия обработки материалов. 2019;4:12–20.

29. Самохин А., Цветков Ю., Алексеев Н., Фадеев А., Синайский М., Левашов Е., Капланский Ю. Плазменная сфероидизация микропорошков жаропрочного сплава на основе моноалюминида никеля. Доклады Академии наук. 2018;483(4):403–408. https://doi.org/10.31857/S086956520003276-6

30. Самохин А.В., Алексеев Н.В., Фадеев А.А., Завертяев И.Д., Кирпичев Д.Е., Синайский М.А. Способ регенерации в термической плазме отработанных металлических порошков аддитивных технологий: пат. 2779558 РФ. Заявка № 2021135511; заявл. 03.12.2021; опубл. 09.09.2022. Бюл. № 25.

31. Дорофеев А.А., Самохин А.В., Фадеев А.А., Алексеев Н.В., Синайский М.А., Литвинова И.С., Завертяев И.Д. Исследование процесса гранулирования нанопорошка системы W–Ni–Fe методом распылительной сушки. Физика и химия обработки материалов. 2022;6:54–69. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2022-6-54-69