La métallurgie des poudres est un processus de fabrication de poudre métallique et d’utilisation de poudre métallique (ou mélange métallique et non métallique) comme matière première pour obtenir des pièces et des produits par moulage et frittage. En tant que principale matière première de l’industrie, la poudre métallique est largement utilisée dans les domaines des machines, de la métallurgie, de l’industrie chimique et des matériaux aérospatiaux. La poudre métallique est la matière première de base de l’industrie de la métallurgie des poudres. Sa production et sa qualité déterminent le développement de l’industrie de la métallurgie des poudres.
La poudre métallique est généralement un agrégat de particules métalliques de moins de 1 mm. Il n’existe pas de disposition uniforme pour la division de l’intervalle de granularité. La méthode de classification commune est la suivante: les particules d’une taille de particule de 1000 ~ 50 μ m sont des poudres conventionnelles; 50 ~ 10 μ m de poudre fine; 10 ~ 0,5 μ m est appelé poudre très fine< 0.5="" µ="" m="" is="" called="" ultrafine="" powder;="" 0.1="" ~="" 100nm="" is="" called="" nano="" powder.="" each="" powder="" particle="" may="" be="" one="" crystal="" or="" composed="" of="" many="" crystals,="" depending="" on="" the="" particle="" size="" and="" preparation="">
2. Méthode de préparation de la poudre métallique
À l’heure actuelle, il existe des dizaines de méthodes de production industrielle de poudre, mais selon l’analyse de fond du processus de production, elle est principalement divisée en deux catégories: méthode mécanique et méthode physico-chimique. Il peut être obtenu non seulement à partir du raffinage direct des métaux solides, liquides et gazeux, mais aussi de la réduction, de la pyrolyse et de la transformation électrolytique de composés métalliques dans différents états. Les carbures, nitrures, borures et siliciures de métaux réfractaires peuvent généralement être préparés directement par combinaison chimique ou combinaison chimique de réduction. En raison des différentes méthodes de préparation, la forme, la structure et la taille des particules d’une même poudre sont souvent très différentes.
Le choix de la méthode de production de poudre métallique dépend des matières premières, du type de poudre, des exigences de performance des matériaux en poudre et de l’efficacité de la production de poudre. Avec l’application de plus en plus étendue des produits de métallurgie des poudres, les exigences en matière de taille, de forme et de propriétés des particules de poudre sont de plus en plus élevées. Par conséquent, la technologie de préparation des poudres se développe et innove également pour répondre aux exigences de taille et de propriétés des particules.
2.1 Méthode physique mécanique
La méthode mécanique est une méthode de traitement qui décompose le métal en poudre de taille de particule requise à l’aide d’une force mécanique externe. La composition chimique du matériau est fondamentalement inchangée pendant le processus de préparation. À l’heure actuelle, les méthodes couramment utilisées sont le fraisage et le broyage à billes, qui présentent les avantages d’un processus simple et d’un rendement important. Il peut préparer des poudres ultra-fines de métaux et d’alliages à point de fusion élevé qui sont difficiles à obtenir par des méthodes conventionnelles.
2.1.1 Méthode de fraisage à billes
Mécanisme: la méthode de fraisage à billes est principalement divisée en méthode de roulement de billes et méthode de fraisage de billes par vibration. Cette méthode utilise le mécanisme selon lequel les particules métalliques sont brisées et raffinées en raison de la déformation à des vitesses de déformation différentes.
Application: cette méthode est principalement applicable à la préparation d’alliage sb, Cr, Mn, Fe Cr et autres poudres.
Avantages et inconvénients: il présente les avantages d’un fonctionnement continu et d’une efficacité de production élevée. Il convient au broyage à sec et au broyage humide. Il peut préparer la poudre d’une variété de métaux et d’alliages. L’inconvénient est que la sélectivité des matériaux n’est pas forte et qu’il est difficile de classer dans le processus de préparation de la poudre.
Fig. 1 Photos TEM d’échantillons de poudre d’antimoine obtenus par broyage à billes pendant 12h (a), 18h (b) et 24h (c) à 150r / min
2.1.2 Méthode de broyage
Mécanisme: la méthode de broyage consiste à pulvériser le gaz comprimé dans la zone de broyage après avoir traversé une buse spéciale, de manière à entraîner les matériaux dans la zone de broyage à entrer en collision les uns avec les autres et à frotter en poudre; Une fois que le flux d’air s’est étendu, il pénètre dans la zone de classification avec la montée des matériaux, et les matériaux atteignant la taille des particules sont triés par le classificateur de vortex. La poudre grossière restante retourne dans la zone de broyage pour le broyage jusqu’à ce que la taille de particule requise soit séparée.
Application: il est largement utilisé dans le broyage ultra-fin de matières premières chimiques non métalliques, de pigments, d’abrasifs, de médicaments pour la santé et d’autres industries.
Avantages et inconvénients: parce que la méthode de broyage adopte la production sèche, la déshydratation et le séchage des matériaux sont omis; Le produit a une grande pureté, une activité élevée, une bonne dispersion, une taille de particule fine et une distribution étroite, et la surface des particules est lisse. Cependant, la méthode de broyage présente également certains inconvénients, tels que le coût de fabrication élevé de l’équipement, le gaz inerte continu ou l’azote doit être utilisé comme source de gaz comprimé dans le processus de production de poudre métallique, la consommation importante de gaz, qui ne convient que pour le concassage et la pulvérisation de métaux et d’alliages fragiles.
2.1.3 Méthode d’atomisation
Mécanisme: la méthode d’atomisation utilise généralement un gaz à haute pression, un liquide à haute pression ou des pales rotatives à grande vitesse pour briser le métal ou l’alliage fondu à haute température et haute pression en fines gouttelettes, puis se condenser dans le collecteur pour obtenir de la poudre métallique ultra-fine. Il n’y a pas de changement chimique dans ce processus. L’atomisation est l’une des principales méthodes pour produire de la poudre de métal et d’alliage. Il existe de nombreuses méthodes d’atomisation, telles que l’atomisation à double flux, l’atomisation centrifuge, l’atomisation en plusieurs étapes, la technologie d’atomisation par ultrasons, la technologie d’atomisation par couplage serré, l’atomisation de gaz à haute pression, l’atomisation à flux laminaire, l’atomisation par couplage étanche par ultrasons et l’atomisation de gaz chaud.
Application: la méthode d’atomisation est généralement utilisée dans la production de poudres métalliques telles que Fe, Sn, Zn, Pb et Cu, ainsi que dans la production de poudres d’alliage telles que le bronze, le laiton, l’acier au carbone et l’acier allié. La méthode d’atomisation répond aux exigences particulières de la poudre métallique pour les consommables d’impression 3D. La figure 3 montre la microstructure de la poudre d’acier inoxydable d’un fabricant allemand.
Avantages et inconvénients: la poudre atomisée présente les avantages d’une grande sphéricité, d’une taille de particule de poudre contrôlable, d’une faible teneur en oxygène, d’un faible coût de production et d’une adaptabilité à la production de diverses poudres métalliques. Il est devenu la principale direction de développement de la technologie de préparation de poudre d’alliage spécial et haute performance. Cependant, la méthode d’atomisation présente les inconvénients d’une faible efficacité de production, d’un faible rendement en poudre ultra-fine et d’une consommation d’énergie relativement importante.
Fig. 2 microstructure de poudre d’acier inoxydable imprimée en 3D d’un fabricant allemand
2.2 Méthode physico-chimique
La méthode physico-chimique fait référence à la méthode de production de poudre ultrafine en modifiant la composition chimique ou l’état d’agglomération des matières premières dans le processus de préparation de la poudre. Selon différents principes chimiques, il peut être divisé en méthode de réduction, méthode d’électrolyse et méthode de remplacement chimique.
2.2.1 Méthode de réduction
Mécanisme: la méthode de réduction est une méthode de préparation de poudre de métal ou d’alliage en réduisant les oxydes métalliques ou les sels métalliques avec un agent réducteur dans certaines conditions. C’est l’une des méthodes de fabrication de poudre les plus largement utilisées dans la production. Les agents réducteurs courants comprennent les agents réducteurs de gaz (tels que l’hydrogène, l’ammoniac décomposé, le gaz naturel converti, etc.), les agents réducteurs de carbone solide (tels que le charbon de bois, le coke, l’anthracite, etc.) et les agents réducteurs de métaux (tels que le calcium, le magnésium, le sodium, etc.). La méthode de déshydrogénation par hydrogénation avec l’hydrogène comme milieu réactionnel est la méthode de préparation la plus représentative. Il utilise les caractéristiques de l’hydrogénation facile du métal brut pour hydrogéner le métal avec de l’hydrogène à une certaine température pour générer de l’hydrure métallique, puis brise l’hydrure métallique obtenu en poudre avec la taille de particule souhaitée par méthode mécanique, Ensuite, l’hydrogène dans la poudre d’hydrure métallique broyé est éliminé sous vide pour obtenir la poudre métallique.
Application: principalement utilisé dans la préparation de poudres métalliques (alliage) telles que Ti, Fe, W, Mo, Nb et W-Re. Par exemple, le titane (poudre) commence à réagir violemment avec l’hydrogène à une certaine température. Lorsque la teneur en hydrogène est supérieure à 2,3%, l’hydrure est lâche et facile à écraser en fines particules de poudre d’hydrure de titane. La poudre de titane peut être obtenue en la décomposant à une température d’environ 700 °C et en éliminant la majeure partie de l’hydrogène dissous dans la poudre de titane.
Avantages et inconvénients: les avantages sont un fonctionnement simple, un contrôle facile des paramètres du processus, une efficacité de production élevée et un faible coût, adapté à la production industrielle; L’inconvénient est qu’il n’est applicable qu’aux matériaux métalliques qui sont faciles à réagir avec l’hydrogène et deviennent fragiles et fragiles après absorption de l’hydrogène.
2.2.2 Méthode électrolytique
Mécanisme: l’électrolyse est une méthode permettant de déposer et de précipiter de la poudre métallique à la cathode par électrolyse de sel fondu ou de solution aqueuse de sel.
Application: la solution aqueuse électrolytique peut produire des poudres métalliques (alliage) telles que Cu, Ni, Fe, Ag, Sn et Fe Ni, et le sel fondu électrolytique peut produire des poudres métalliques telles que Zr, Ta, Ti et Nb.
Avantages et inconvénients: l’avantage est que la pureté de la poudre métallique préparée est élevée et que la pureté de la poudre élémentaire générale peut atteindre plus de 99,7%; En outre, la méthode d’électrolyse peut bien contrôler la taille des particules de la poudre et produire une poudre ultra-fine. Cependant, la consommation d’énergie de la pulvérisation électrolytique est importante et le coût de pulvérisation est élevé.
Fig. 4 Dispositif de préparation de poudre de fer par électrolyse ultrasonique
2.2.3 Méthode hydroxyle
Mécanisme: certains métaux (fer, nickel, etc.) et monoxyde de carbone sont synthétisés en composés carbonylés métalliques, qui sont réchauffés et décomposés en poudre métallique et en monoxyde de carbone.
ApplicuneDans l’industrie, il est principalement utilisé pour produire des poudres fines et ultra-fines de nickel et de fer, ainsi que des poudres d’alliage telles que Fe Ni, Fe Co et Ni Co
Avantages et inconvénients: la poudre préparée de cette manière est très fine et de haute pureté, mais le coût est élevé.
2.2.4 Méthode de remplacement chimique
Mécanisme: la méthode de remplacement chimique consiste à remplacer le métal moins actif de la solution de sel métallique par le métal hautement actif en fonction de l’activité du métal, puis à traiter et affiner le métal (poudre métallique) obtenu par d’autres méthodes.
Application: cette méthode est principalement appliquée à la préparation de poudres métalliques inactives telles que Cu, Ag et Au.
Le résumé des méthodes de préparation de la poudre métallique est présenté dans le tableau 1.
3. Résumé
Avec les progrès de la technologie, la poudre métallique a été développée et appliquée dans la métallurgie, l’industrie chimique, l’électronique, les matériaux magnétiques, les céramiques fines, les capteurs, etc., montrant une bonne perspective d’application, et la poudre métallique montre une tendance de développement vers une pureté élevée et ultra-fine (nano). Bien que les méthodes de préparation de la poudre métallique ultrafine soient diverses et que différentes méthodes puissent être sélectionnées en fonction de l’application et des exigences économiques et techniques, chaque méthode présente certaines limites et de nombreux problèmes doivent être résolus et améliorés. À l’heure actuelle, les méthodes les plus largement utilisées pour la préparation de la poudre métallique sont la méthode de réduction, la méthode d’électrolyse et la méthode d’atomisation; En outre, sur la base de l’amélioration du processus de production traditionnel, de nombreux nouveaux procédés et méthodes de production ont été obtenus, tels que la méthode de condensation par évaporation sous vide, la méthode d’atomisation par ultrasons, la méthode d’atomisation à disque rotatif, la méthode d’atomisation à double rouleau et à trois rouleaux, la méthode d’atomisation en plusieurs étapes, la méthode de l’électrode rotative au plasma, la méthode à l’arc, etc. Dans les méthodes de préparation de la poudre métallique, bien que de nombreuses méthodes aient été appliquées dans la pratique, il existe encore deux problèmes principaux, à savoir la petite échelle et le coût de production élevé. Afin de promouvoir le développement et l’application de matériaux en poudre métallique, il est nécessaire d’utiliser de manière exhaustive différentes méthodes, d’apprendre les uns des autres et de développer des méthodes de processus avec une production plus importante et un coût inférieur.