Sinterizzazione di polveri di Gamma-alluminuro di titanio mediante processi rapidi assistiti da corrente

Il termine “gas atomization” include una serie di processi in cui un gas inerte è utilizzato per rompere un flusso di metallo fuso in particelle di polvere metallica. Dopo la produzione, le polveri prelegate di TiAl sono altamente reattive e a questo punto per ridurre al minimo la contaminazione devono essere protette dall'esposizione all'atmosfera durante le successive fasi di processatura.

Sono impiegati di solito vari processi di atomizzazione tramite l'utilizzo di gas fra i quali sono degni di nota: “plasma inert gas atomization” (PIGA) ed “electrode induction minimoelting gas atomization” (EIGA). Una variazione delle tecniche PIGA coinvolge induction skull melting ( sia in vuoto sia in atmosfera inerte) prima dell'atomizzazione del fuso.

Questa tecnica è impiegata dal Crucible Research in Pittsburg ed è riferita al processo di atomizzazione del titanio. Ciascuna delle tecniche di gas atomization sopra elencate si basano sul passaggio del metallo fuso attraverso un ugello (nozzle) in cui il metallo fuso è disintegrato da un flusso di gas inerte ad alta velocità, come ad esempio argon o elio.

La progettazione dell'ugello è un aspetto tecnologicamente molto importante per l'intero processo di atomizzazione. Fondamentalmente esistono due tipi differenti di configurazione denominate rispettivamente “free fall” (oppure open stream) e “closed loop” (oppure confined feed o close coupled).

Come suggerito dal nome, la configurazione “free fall” permette al flusso di cadere leggermente prima di entrare nel centro dell'ugello di atomizzazione, dove avviene la disintegrazione del flusso fuso. Invece nella configurazione “closed loop” il metallo fuso è trasferito nel gas di atomizzazione ad alta pressione tramite un sistema di alimentazione.

Generalmente l'ugello closed loop produce particelle più fini di quelle dell'ugello free fall, sebbene sia più difficile da gestire. Tranne alcune differenze nella progettazione dell'ugello, al di sotto del livello di quest'ultimo i processi PIGA, EIGA e TGA sono essenzialmente molto simili. Il fattore più importante che fa la differenza è la tecnica di fusione impiegata.

La grandezza delle particelle, la forma e la distribuzione della dimensione hanno una notevole importanza sulla quantità di polveri che possono essere ottenute in un singolo ciclo di lavorazione. Per esempio nella realizzazione di componenti biomedici la formatura mediante iniezione delle leghe di titanio convenzionali richiede l'utilizzo di fini polveri sferiche di dimensione inferiore ai 45 μm. Inoltre queste polveri devono esibire fluidità, proprietà dipendente da taglia e forma delle particelle e dalla distribuzione delle dimensioni.

Per questo è importante una comprensione globale di come l'intero processo di atomizzazione influisca sulla qualità delle polveri e sulle loro proprietà, in relazione agli effetti dovuti alla progettazione dell'ugello, della pressione del gas, delle tecniche di fusione, temperatura e diametro del flusso.
Durante l'atomizzazione la dimensione delle particelle diminuisce al diminuire della tensione superficiale del metallo liquido, così come accade quando si innalza la temperatura di fusione, e con l'aumentare della velocità del gas di atomizzazione.

Dopo che una goccia di metallo fuso cade dall'ugello in cui il gas inerte in pressione ha causato la disintegrazione del flusso di metallo fuso e la formazione della gocciolina stessa, entrano in gioco forze di tensione superficiale. Esse possono condurre alla sferoidizzazione di goccioline aventi inizialmente una forma irregolare, favorita dal fatto che le goccioline non sono ancora completamente solidificate o dal fatto che la loro viscosità non è troppo elevata.

A questo punto il calore del fuso, il mezzo di raffreddamento e la dimensione delle particelle sono fra i parametri più importanti che determineranno le caratteristiche della polvere. Se il tempo di sferoidizzazione delle goccioline τsph è maggiore di quello di solidificazione τsol allora le particelle di polvere tenderanno ad avere una forma irregolare. Altrimenti, se τsph < τsol le particelle tenderanno ad avere una forma sferica.