Metallic Powders for Additive Manufacturing

Мотивация

В последние годы аддитивное производство (AM) стало важным производственным подходом, способным революционно изменить изготовление как передовых, так и обычных материалов за счёт сокращения числа технологических стадий, необходимых для получения конечного изделия, особенно при сложной трёхмерной геометрии. Это согласуется с данными на рисунке 1, где обобщена статистика статей по аддитивному производству, опубликованных до 2019 года, а также число работ по аддитивному производству при поиске по отдельным материалам.

Из обзора литературы и значительного промышленного интереса к аддитивному производству ясно, что многие существующие технологии металлического аддитивного производства требуют порошка как исходного сырья и в основном опираются на распылённые металлические порошки. Качество исходного порошка — химический состав, размер частиц и морфология — критически важно для успешного получения функциональных аддитивных деталей. Также очевидно, что, хотя распыление существует несколько сотен лет, сложные взаимосвязи между характеристиками металлических порошков и требованиями аддитивного производства остаются в значительной мере неисследованными. Более того, большой массив литературы показывает, что одним из наиболее критических факторов, сдерживающих развитие аддитивного производства, может быть именно недостаток знаний о точной роли металлических порошков в определении и процесса, и конечных характеристик аддитивно изготовленных деталей.

Мотив этой книги — познакомить читателя с наукой и технологией распылённых металлических порошков и с тем, как они связаны с процессом аддитивного производства. Книга стремится заложить основу понимания науки, управляющей образованием и микроструктурой распылённых металлических капель. Затем эта информация соотносится с поведением металлических порошков при аддитивном производстве. Мы стремимся установить фундаментальные связи между химией, микроструктурой и морфологией распылённых металлических порошков и их поведением в аддитивном производстве.

Важной целью авторов было создать книгу, всесторонне охватывающую все темы, связанные с распылением металлических порошков и аддитивным производством. Понятия вводятся на фундаментальном уровне с особым вниманием к информации, связанной с практическими инженерными задачами. Поэтому книга полезна новичку, но также служит справочником для тех, кто занимается распылением металлических порошков и/или аддитивным производством. Мы надеемся, что книга также сыграет роль в образовании, и видим её, например, как справочник для магистерских или старших бакалаврских курсов.

Организация

Книга начинается с описания основ распыления порошков, чтобы познакомить читателя с механизмами эволюции микроструктуры в распылённых металлических порошках. Мы описываем разнообразие существующих процессов распыления металлических порошков. Затем устанавливаем связи между характеристиками распылённых порошков и эксплуатационными требованиями к аддитивно изготовленным деталям. Мы также обсуждаем альтернативное сырьё для металлического аддитивного производства помимо распылённого порошка — например, порошки, получаемые шаровым измельчением стружки, — и то, как такое альтернативное сырьё влияет на выбор окна параметров аддитивного производства и на микроструктуру и свойства готовых деталей. В завершение рассматривается возможное влияние распыления металлического порошка и аддитивного производства на окружающую среду и экономическую жизнеспособность — темы, реже освещаемые в современной литературе, — и даётся краткий взгляд на ближайшие потребности и долгосрочные направления развития металлических порошков для аддитивного производства.

В части I мы начинаем со знакомства с процессом распыления и описываем разные методы получения металлических капель. Затем излагаем теории образования капель, физику, управляющую их морфологией, и общую эволюцию их микроструктуры. Обсуждаются параметры, в некоторой степени управляющие распылением, с особым вниманием к тем, которые непосредственно влияют на распределение размеров частиц, и их связи с технологическими переменными. Рассматриваются модели механизмов распыления. Затем книга обращается к теплопереносу и затвердеванию капель с особым вниманием к критическим тепловым условиям и условиям затвердевания, управляющим эволюцией микроструктуры.

В части II представлены различные процессы аддитивного производства и связь характеристик металлического порошка с обработкой и в конечном счёте с качеством детали. Эта часть начинается с обзора технологий изготовления аддитивных деталей. Следующая глава рассматривает взаимодействия порошка, лазера и ванны расплава, затем влияние способов получения порошка и химического состава на аддитивное производство. Далее обсуждается влияние порошка соответственно на эволюцию микроструктуры, образование дефектов и остаточные напряжения, а затем — влияние порошка на физическое и химическое поведение аддитивно изготовленных деталей. Последние две главы описывают общественные вопросы, такие как экономическая жизнеспособность и устойчивость, после чего рассматривают будущие направления и проблемы.

Январь 2024 года Энрике Х. Лаверния Кака Ма Джули М. Шёнунг Джеймс Ф. Шакелфорд Баолун Чжэн