위성 분말 기술을 기반으로 한 분말 야금의 분무 공정

금속 용융물 가스 분무는 적층 제조용 금속 분말을 제조하는 중요한 방법입니다. 그러나 가스 분무로 얻은 분말에는 일반적으로 다량의 위성 분말이 혼합되어 있어 금속 적층 제조 공정에 악영향을 미칩니다. 본 논문에서는 보조 기류를 적용하고 계단형 분무 챔버 구조와 같은 가스 정류 조치를 도입하여 재순환 영역의 먼지 와류를 억제하고, 이를 통해 위성 분말의 생성을 제어했습니다.

분무 챔버 내 거시적 유동장 특성과 보조 기류를 적용하거나 계단형 분무 챔버 구조를 도입했을 때 입자 운동 궤적의 변화 법칙을 연구하기 위해 전산 유체 역학 소프트웨어 ANSYS Fluent를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행했습니다.

결과에 따르면, 분무 챔버 상단에서 분무 챔버 중심으로부터 R/2(R은 분무 챔버의 반경) 거리에 보조 미스트 비율(보조 기류와 분무 기류의 유량 비율)이 0.8보다 큰 보조 기류를 적용하면 재순환 영역의 먼지 와류를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 또한 계단 폭이 300 mm이고 높이가 575-600 mm인 분무 챔버 구조는 재순환 영역의 먼지 와류를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 수치 시뮬레이션 결과에 따라 가스 정류 조치를 통해 TC4 티타늄 합금 분말을 제조하고, 분말의 입도 분포, 구형도 및 식생 지수를 측정했습니다. 그 결과 식생 지수는 가스 정류 조치 없이 제조한 분말과 비교하여 약 45% 감소했습니다.

적층 제조 기술은 오늘날 가장 유망한 제조 기술 중 하나입니다. 이는 전통적인 가공 개념을 전환하고 미래 가공 기술을 위한 폭넓은 발전 공간을 제공합니다. 금속 분말은 금속 적층 제조에 가장 널리 사용되는 원료입니다. 그러나 기존의 분말 기반 가공 기술과 비교할 때 금속 적층 제조 기술은 금속 분말의 입도 분포, 순도, 구형도 및 기타 지표에 대해 특정한 요구 사항을 갖습니다. 용사, 분말 야금 및 기타 공정에 사용되는 금속 분말은 금속 적층 제조에 직접 사용할 수 없습니다. 따라서 금속 적층 제조의 요구 사항을 충족하려면 금속 분말 제조 기술을 개선해야 합니다. 금속 용융물 가스 분무(GA)는 현재 적층 제조용 금속 분말을 제조하는 데 사용되는 주요 공정 중 하나입니다.

이 공정은 저렴한 비용, 넓은 적용 범위 및 높은 미세 분말 수율이라는 장점이 있습니다. 그러나 기존 가스 분무 분말 제조 공정으로 제조한 금속 분말에는 흔히 다량의 위성 분말이 포함됩니다. 위성 분말이란 여러 개의 작은 분말 입자가 큰 분말 입자의 표면에 부착되어 형성된 결함 분말을 의미합니다. 위성 분말이 존재하면 금속 분말의 벌크 밀도, 구형도 및 유동성이 저하되어 분말 적층 공정에 불리하며, 금속 적층 제조 공정, 특히 분말 적층 기술에 기반한 일부 공정에 중요한 영향을 미칩니다.

또한 이러한 결함 분말은 후속 처리 방법으로 효과적으로 제거하기 어렵기 때문에 발생 원천에서부터 생성을 제어해야 합니다. 연구에 따르면 분무 챔버의 폐쇄형 구조는 측벽 근처에 거시적 와류, 즉 가스 재순환(GR)을 발생시키며, 이 와류가 완전히 응고된 일부 소형 입자를 함께 운반합니다. 재순환 영역에서 위쪽으로 선회하는 소형 입자와 상류 분무 기류 내에서 완전히 응고되지 않은 대형 액적 사이의 충돌은 위성 분말이 형성되는 주요 원인 중 하나입니다. 따라서 재순환으로 인해 발생하는 먼지 선회를 제한하기 위해 가스 정류 조치를 취하는 것은 거시적 규모에서 위성 분말 생성을 제어하는 효과적인 방법이 되었습니다. 현재 위성 분말 제어를 위한 가스 정류 조치에는 보조 기류 적용과 분무 챔버 구조 개선이 포함됩니다. 그러나 정류 매개변수(예: 보조 공기 유량, 분무 챔버 크기 등)가 재순환 영역의 유동장 특성과 먼지의 선회 운동에 미치는 영향은 체계적으로 연구되지 않았습니다.