Els aliatges de tungstè són definitivament a la llista de "materials de malson" dels enginyers. La seva alta densitat i duresa presenten reptes de processament importants, fent que cada pas se senti com una batalla dura. Com es pot transformar aquest difícil material de matèria primera en un producte acabat d'alta eficiència?
No us preocupeu, aquesta inestimable "arma secreta" és aquí! Aquest article analitzarà el procés des de l'inici de la preparació de la matèria primera, comparant els avantatges i desavantatges de la metal·lúrgia de pols i la impressió 3D, detallant les tècniques bàsiques de tall, mòlta i tall de filferro, i introduint una tecnologia-avantguarda que us pot ajudar a aconseguir el doble de resultats amb la meitat de l'esforç-, proporcionant un disseny d'extrusió i un disseny sòlid (PE) fabricació.
PART.01
Introducció
Els aliatges de tungstè, com a material d'aliatge amb tungstè com a component principal (el contingut de tungstè acostuma a representar entre el 85% i el 99%) i elements afegits com níquel, ferro, coure, cobalt, molibdè i crom, juguen un paper indispensable en molts camps d'alta-tecnologia com la indústria nuclear, la indústria militar i l'atenció mèdica per la seva extremadament alta qualitat mèdica. g/cm3), alt punt de fusió i excel·lent resistència mecànica[1]. En l'àmbit mèdic, els aliatges de tungstè s'utilitzen per fabricar components clau d'equips de radioteràpia. A causa de les seves característiques d'alta densitat, poden bloquejar i donar forma precisa als raigs i són els principals materials per a la fabricació de col·limadors i escuts de radiació[2]. Aquestes excel·lents propietats també comporten moltes dificultats per al processament i la fabricació d'aliatges de tungstè. Aquest article pretén explorar de manera sistemàtica i profunda el procés de preparació en blanc i els mètodes de processament d'ús habitual de peces d'aliatge de tungstè, i proporcionar una referència valuosa per a la seva fabricació de precisió.
PART.02
Procés de preparació de peces d'aliatge de tungstè en blanc
2.1 Tecnologia de la pulvimetal·lúrgia
Els aliatges de tungstè són difícils de fabricar mitjançant processos convencionals de fosa i preparació d'aliatges a causa de la seva alta densitat, alt punt de fusió i alta duresa. La pulvimetal·lúrgia és un mètode tradicional i àmpliament utilitzat per a la preparació de blancs d'aliatge de tungstè. Els seus processos clau es mostren a la figura 1, inclosa la preparació de pols de tungstè, la barreja, la formació i la sinterització [3]. En el procés de preparació de pols de tungstè, per garantir la puresa de la pols de tungstè, sovint s'utilitzen processos com la reducció d'hidrogen i la reducció de tungstat d'amoníac. Al mateix temps, el contingut d'oxigen, la mida de les partícules i la forma de la pols de tungstè tenen un impacte significatiu en el rendiment final i la qualitat de l'aliatge i s'han de controlar estrictament. Un contingut massa elevat d'oxigen reduirà el rendiment de l'aliatge, mentre que la mida i la forma de les partícules afectaran l'efecte dels processos de barreja i formació posteriors. Per exemple, la pols de tungstè amb una mida de partícula uniforme ajuda a barrejar-se de manera més uniforme amb altres pols metàl·liques durant la barreja, assegurant la consistència de la composició de l'aliatge. Durant el procés de barreja, cal assegurar-se que la mida de diverses partícules de pols metàl·liques sigui uniforme i que la proporció sigui precisa. La agitació mecànica, el fresat de boles i altres mètodes s'utilitzen sovint per a una barreja precisa. Els mètodes de conformació inclouen premsat isostàtic en fred, premsat en matriu, conformació per extrusió de pols i conformació per injecció de pols, etc. Aquests mètodes poden produir peces amb formes complexes.
Figura 1 Processos clau de la metal·lúrgia de pols per a bruts d'aliatge de tungstè
El procés de sinterització és la clau per garantir que l'aliatge de tungstè assoleixi la densitat, resistència i altres propietats requerides. La sinterització en dos-etapes [4] s'utilitza àmpliament: l'etapa de pre-sinterització normalment controla la temperatura a 1000-1200 graus . Dins d'aquest rang de temperatures, els metalls de baix punt de fusió, com ara el coure i el ferro, arribaran a un estat líquid i se sotmetran a una difusió en fase sòlida amb les partícules de pols de tungstè que l'envolten, fixant la posició de les partícules de pols d'aliatge de tungstè i omplint-les de manera uniforme, aconseguint així la conformació en blanc. El següent és l'etapa de sinterització d'alta-temperatura, on es produeixen reaccions en fase-sòlida i-líquida entre les partícules de pols, formant finalment una estructura densa d'aliatge de tungstè. El control de la temperatura i el temps de sinterització té un paper decisiu en el rendiment del producte. Si el temps de sinterització és massa llarg, la mida del cristall de tungstè augmentarà, afectant la densitat i el rendiment global de l'aliatge; si la temperatura és massa alta, farà que els metalls de baix punt de fusió--com ara el coure i el ferro es volatilitzin, reduint la densitat i la resistència mecànica de l'aliatge. La temperatura de sinterització generalment es controla al voltant dels 1400 graus, i la pre-sinterització i la sinterització d'alta-temperatura se solen dur a terme en un entorn de buit o de gas inert per reduir l'oxidació i la volatilització dels aliatges de baix-punt de fusió-. Un procés comú és primer pre-foc el blanc de pols de tungstè format a 1200 graus durant 1 hora en una atmosfera d'hidrogen per donar-li una certa força i conductivitat i, a continuació, realitzar una sinterització d'auto-resistència utilitzant la calor generada per la pròpia resistència del blanc per afavorir encara més la sinterització.
2.2 Procés de fabricació additiva
Els mètodes tradicionals de metal·lúrgia de pols només poden produir peces en blanc amb formes relativament regulars. Per a peces d'aliatge de tungstè amb estructures complexes, especialment aquelles amb cavitats complexes, encara es requereix un processament complex després de la formació en blanc per complir finalment els requisits de la peça. Actualment, no hi ha mètodes efectius de processament i formació per a cavitats internes tancades complexes, cosa que limita el disseny de peces d'aliatge de tungstè. La tecnologia de fabricació additiva proporciona una nova solució per al disseny i la fabricació de peces d'aliatge de tungstè. Les tecnologies de fabricació additiva metàl·lica que s'utilitzen habitualment inclouen la fusió làser selectiva (SLM), l'estereoformació làser (LSF), la fabricació additiva d'arc elèctric (WAAM), la fusió làser selectiva en llit de pols (L-PBF) i la deposició d'energia direccional làser (L-DED) [5, 6]. A la taula 1 es mostra una comparació dels avantatges i desavantatges dels diferents processos de fabricació additiva per a la fabricació de peces d'aliatge de tungstè. SLM pot fabricar peces amb geometries complexes, però té problemes com ara una superfície rugosa, una gran tensió residual entre capes i una mida limitada de les peces, i és adequat per a la fabricació de peces petites; LSF pot obtenir una estructura fina, uniforme i densa, millorar les propietats mecàniques i la resistència a la corrosió dels materials, però quan els paràmetres del procés no coincideixen, es poden produir defectes com ara una mala fusió a la capa dipositada; WAAM és adequat per a la fabricació de peces estructurals aeroespacials integrades a gran-escala, amb una velocitat de conformació elevada i una alta densitat, però la qualitat superficial de les peces formades és deficient. A la figura 2 es mostra una peça típica d'aliatge de tungstè fabricada mitjançant tecnologia de fabricació additiva. En comparació amb el mètode tradicional de metal·lúrgia de pols, la fabricació additiva té avantatges evidents en la fabricació de peces complexes d'aliatge de tungstè. No només pot preparar peces amb estructures i cavitats complexes per complir els requisits especials de disseny, sinó que també pot realitzar la capa-mitjançant-la deposició de materials, millorar la utilització del material i reduir els costos[7]. Taula 1. Comparació d'avantatges i desavantatges de peces d'aliatge de tungstè fabricades per diferents processos de fabricació additiva
a) Quadrícula anti-dispersió
b) Parts poroses
Figura 2. Peces típiques d'aliatge de tungstè fabricades amb tecnologia de fabricació additiva
2.3 Comparació i selecció de processos
La pulvimetal·lúrgia i la fabricació additiva són actualment els dos mètodes principals per a la fabricació de peces en brut d'aliatge de tungstè, cadascun amb els seus propis avantatges i desavantatges en la preparació de peces en blanc. A la taula 2 es mostra una comparació dels processos de preparació de blancs d'aliatge de tungstè. La pulvimetal·lúrgia és relativament més madura, produeix materials amb millor densitat i ofereix avantatges en la producció en massa estable. La fabricació additiva és un procés nou desenvolupat en els darrers anys, amb diverses vies de procés derivat, i té avantatges en la fabricació de peces estructurals amb cavitats complexes.
Taula 2. Comparació dels processos de preparació de blancs d'aliatge de tungstè
Per aconseguir un rendiment integral més alt, les peces d'aliatge de tungstè en camps-vanguardistes com ara l'aeroespacial, la defensa, la indústria nuclear, els equips mèdics i l'electrònica tendeixen a tenir característiques estructurals més complexes, com ara parets primes, superfícies corbes i estructures poroses, que els mètodes tradicionals de metal·lúrgia de pols no poden gestionar. La producció de peces d'aliatge de tungstè pur d'alta-densitat i-sense defectes directament mitjançant la fabricació additiva encara s'enfronta a diversos reptes tècnics. La impressió per extrusió de pols (PEP), una tecnologia d'impressió 3D indirecta de metall que combina la impressió 3D i la metal·lúrgia de pols, utilitza pols d'aliatge de tungstè amb un aglutinant. La pols es conforma amb equips d'impressió 3D i després es post-processada mitjançant la desligament i la sinterització de la pols metal·lúrgia, per obtenir peces estructurals d'alta-densitat i-rendiment. Aquesta tecnologia proporciona una solució innovadora a les dificultats de mecanitzar aliatges de tungstè i produir estructures complexes. Les seves característiques de conformació a baixa-temperatura i de configuració d'alta-temperatura resolen eficaçment problemes com ara deformacions, esquerdes i buits que es poden trobar fàcilment en altres processos d'impressió 3D d'aliatges de tungstè.
PART.03
Mecanitzat de peces d'aliatge de tungstè
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) condueix a una taxa de desgast de l'eina significativament accelerada durant el mecanitzat, afectant la precisió del mecanitzat i la vida útil de l'eina. La vida útil de l'eina i l'eficiència del mecanitzat són factors clau a tenir en compte en el mecanitzat. Els aliatges de tungstè tenen una conductivitat tèrmica relativament baixa i la calor generada durant el tall és difícil de dissipar ràpidament. El tall funciona a alta temperatura, la qual cosa genera fàcilment estrès tèrmic, provocant una deformació de l'eina i un augment del desgast [8]. Els xips d'aliatge de tungstè són granulars, cosa que dificulta l'eliminació d'encenalls. Tendeixen a acumular-se a la zona de tall, formant vores d'encenall, afectant la qualitat superficial de les peces mecanitzades, i també poden danyar l'eina i la màquina-eina. A la taula 3 es mostra una comparació d'eines de tall i paràmetres de procés per a peces d'aliatge de tungstè. En la pràctica d'enginyeria, les eines PCBN són una de les millors opcions. Les peces típiques d'aliatge de tungstè processades per tall es mostren a la figura 3. Taula 3 Comparació d'eines de tall i paràmetres de procés per a peces d'aliatge de tungstè Figura 3 Peces d'aliatge de tungstè típiques processades per tall PART.04 Mòlta de peces d'aliatge de tungstè La mòlta, com a mètode de micro-tall, és adequat per a materials d'aliatge{15}d'alta duresa, com ara l'aliatge de tungstè. La mòlta de la mola es mostra a la figura 4. La mola es compon principalment de grans abrasius, porus i aglutinants en una proporció específica. Els seus grans abrasius tenen característiques d'angle obtuses, generalment en el rang de 90 graus a 120 graus. Durant el procés de mòlta dels aliatges de tungstè, el material de mòlta resultant és granular. A causa de la seva viscositat i duresa relativament baixes, les estelles són relativament fàcils d'eliminar i no obstrueixen fàcilment els porus de la mola [9]. Per tant, quan es triten aliatges de tungstè, es poden utilitzar moles amb porus més grans per millorar l'eficiència de la mòlta i la qualitat del processament. A la zona de mòlta, la calor de mòlta és fàcil d'acumular, cosa que pot provocar cremades de mòlta. Per fer front a aquest problema de manera eficaç, cal adoptar mesures de refrigeració forçada d'alta-pressió i alt-flux per eliminar a temps la calor generada durant el procés de mòlta i reduir la deformació tèrmica i l'estrès tèrmic a la zona de mòlta. Normalment, les emulsions-a base d'aigua es seleccionen com a fluids de tall per garantir que l'efecte de refrigeració assoleixi el millor estat. La selecció dels paràmetres del procés de mòlta per a peces d'aliatge de tungstè es mostra a la taula 4. Figura 4 Diagrama esquemàtic de la mola Taula 4 Selecció dels paràmetres del procés de mòlta per a peces d'aliatge de tungstè Les peces d'aliatge de coure de tungstè pur o de tungstè-níquel- tenen un magnetisme baix. Per a peces de paret fines-, és difícil arreglar-les de manera fiable amb els mandrils electromagnètics tradicionals. Es poden considerar accessoris d'adsorció al buit [10] per a la fixació. El dispositiu de posicionament d'adsorció al buit per a peces d'aliatge de tungstè es mostra a la figura 5. Figura 5. Diagrama esquemàtic del dispositiu de posicionament d'adsorció al buit per a peces d'aliatge de tungstè
PART.05
Mecanitzat per electroerosió per fil de peces d'aliatge de tungstè
Els aliatges de tungstè tenen punts de fusió elevats i una duresa elevada, i es poden mecanitzar amb eines d'alta -duresa, com ara eines recobertes, eines PVD i eines ceràmiques. Tanmateix, aquestes eines experimenten un desgast important, cosa que dificulta la mecanització de característiques com ara porus, escletxes estretes i forats de forma irregular amb aquestes eines tradicionals. El mecanitzat de descàrrega elèctrica de filferro (EDM) és un procés de mecanitzat especial. El seu principi bàsic és utilitzar un fil d'elèctrode metàl·lic fi en moviment continu (generalment filferro de coure o molibdè) per generar descàrregues d'espurna polsades entre la peça i la peça. Les temperatures generades solen ser tan altes com 8000-12000 graus, suficients per fondre o fins i tot vaporitzar el material superficial de l'aliatge de tungstè, aconseguint així el tall de la peça de treball. El moviment relatiu entre el cable de l'elèctrode i la peça de treball permet que tot el procés de tall formi la forma desitjada a la superfície de la peça. La figura 6 mostra el mecanitzat de forats de forma irregular en un blanc d'aliatge de tungstè mitjançant EDM de filferro. EDM per filferro s'utilitza per processar peces d'aliatge de tungstè. L'alta temperatura provoca un canvi en la fase cristal·lina de la superfície de l'aliatge de tungstè durant el tall, donant lloc a una capa modificada que degrada les propietats úniques de l'aliatge de tungstè. Durant el processament s'utilitza un mètode de "tall-un-reparació-tres" que redueix gradualment la profunditat de tall i els paràmetres de potència del pols per reparar la capa modificada.
Figura 6: Mecanitzat de forats irregulars en un blanc d'aliatge de tungstè mitjançant electroerosió per filferro
PART.06
Conclusió Aquest article estudia i resumeix la preparació del blanc, els mètodes de processament habituals i les dificultats de processament de les peces d'aliatge de tungstè de precisió. En la preparació en blanc, la pulvimetal·lúrgia és relativament més madura, produint materials amb millor densitat i oferint avantatges en la producció en massa estable. La fabricació additiva, un procés relativament nou desenvolupat en els darrers anys, ha generat diverses rutes de procés i té avantatges en la fabricació de peces estructurals amb cavitats complexes. En el tall, les eines PCBN tenen avantatges, aconseguint una vida útil elevada i reduint l'impacte del desgast de les eines en la precisió del mecanitzat. La tecnologia de rectificat és avantatjosa per mecanitzar superfícies regulars, aconseguint una qualitat superficial superior. Per a les funcions de forat i ranura, l'erosió de filferro ofereix una alta eficiència de processament. El procés de preparació en blanc esmentat, així com els mètodes de tall, mòlta i tall de filferro, poden millorar eficaçment la qualitat de fabricació i l'eficiència de producció de peces d'aliatge de tungstè de precisió, proporcionant suport tècnic per al desenvolupament d'indústries relacionades.
