粉末冶金
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對增材制造生產的粉末冶金零件進行元素分析

2021-07-13 16:30:52

工業產品開發的一個組成部分是原型和初始樣品的制造,無論產品是簡單的螺釘還是飛機的復雜部件。在生產環境中制造通常相當小的單件通常是一個昂貴的過程?;谶@種成本效益計算,粉末冶金的一個應用領域在過去幾年發展起來:增材制造。

增材制造 (AM) 是“根據 3D 模型數據連接材料以制造物體的過程?!? AM 使用不同的金屬粉末或金屬合金粉末一層又一層地創建物體。制造過程的規格取決于用戶的要求和可能性,以及要生產的物體的類型和尺寸。

近年來,業界建立了不同的方法,大多數AM方法都基于相同的程序。激光束局部熔化上部粉末層,從而固化并形成固體材料層。逐層重復此操作,直到創建對象。未使用粉末的質量在返回制造過程之前通過粒度分析(篩分)確定,在某些情況下還通過元素分析確定。

一、質量控制流程

增材制造正在成為一種日益成熟的生產技術。然而,由于它仍然是新的,所需的工藝步驟尚未統一定義。例如,沒有描述質量控制過程的行業標準。已確定的參數是用于增材制造的粉末的粒度分布。然而,粒度不應是用于質量控制的特征。

用于增材制造的金屬粉末包括不同類型的鋼和鈦。為了檢查這些原材料的質量和純度,需要實施合適的流程。例如,應密切監控各種“外來”元素的含量,以確保產品的質量。

粉末冶金

二、影響材料特性的元素

鋼:影響鋼性能的元素有很多,碳排在第壹位。根據這些合金元素(C、Si、Mn、P、S、Cr 等)的類型和濃度,將鋼分為不同的質量等級和應用領域。下面介紹重要的非金屬元素及其影響。 碳[C]:碳含量影響鋼的各種物理參數。這種鐵合金含有 0.0002% 到 2.06% 的碳。碳含量越高,熔點越低。此外,脆性和硬度隨著碳含量的增加而增加。

硫[S]:如果合金中含有硫,這會增加鋼的機械加工性,即材料適合通過鉆孔或銑削等方法進行處理。硫含量越高,延展性越低。

氮[N]:氮含量可分為期望含量和不期望含量。有一些應用允許高氮濃度。在這些情況下,必需考慮其化學形式。以元素形式存在的氮沿晶界分布,并以顯著的方式影響鋼的延展性。與其他元素結合的氮含量通常被認為不重要。

氧[O]:氧是所謂的鋼寄生蟲,因為它使鋼變脆并引起時效變脆。

氫[H]:鋼中的氫導致機械穩定性降低。人們普遍擔心氫脆,因為它可能會造成相當大的技術和經濟損失。這意味著質子會附著在金屬基體上,這可能會導致鋼出現裂紋。

氫[H]:對鈦的影響與對鋼的影響相同。氫可能會影響鈦合金中混合相的形成。

氮[N]:氮會增加鈦的脆性。

氧[O]:即使是較少量的氧也會對鈦的韌性或硬度產生相當大的影響。規格書顯示,即使氧含量的微小差異也可能決定鈦(1 級:0.18 % O)和低質量鈦(3 級:0.35 %)之間的差異。氧氣顯著改變鈦的機械和物理性能。氧濃度為 0.1% 的鈦比濃度為 0.3% 的鈦穩定約 3 倍。

硫[S]/碳[C]:這些元素對鈦的影響很小。

應在增材制造過程之前和之后進行所述元素濃度的測定,以確保原材料和產品都具有所需的質量。

三、分析方法

有多種測量元素濃度和雜質的方法,其中大多數需要對樣品進行破壞。這樣做是為了確保分析樣品的所有相關成分都被釋放。

燃燒分析具有許多優點。樣品可以以固體形式測量,這意味著無需預先處理即可直接測量。用于增材制造工藝的金屬粉末所需的平均粒徑介于 5 μm 和 150 μm 之間。這通過粒度分析確定,例如通過動態圖像分析。如果粉末具有正確的粒度分布,則可以通過燃燒分析來分析元素濃度。

H/C/N/O/S 的測量不能在一次分析中進行。氧、氮和氫在一個步驟中進行分析,碳和硫在另一個步驟中進行分析。這是由于應用了不同的方法:

氧/氮/氫分析

將樣品放入石墨坩堝中并因高溫而熔化。因此,釋放出氧氣、氮氣和氫氣。氧氣在熱坩堝表面轉化為 CO。惰性載氣從坩堝中除去氣體。

氧化銅催化劑將 CO 轉化為 CO2,可在紅外電池中檢測到。具有特定波長的紅外線用于激發二氧化碳分子。轉化為動能的能量損失用于確定樣品的準確氧濃度。氮和氫含量在熱導池中測量。


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