Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University12810.18323/2073-5073-2021-1-7-15ArticlesСтатьиRegulation of powder particles shape and size at plasma sprayingРегулирование формы и размеров частиц порошков при плазменном распыленииhttps://orcid.org/0000-0003-4243-0984ErmakovSergey B.ЕрмаковСергей Борисович
Russian Federation

Director of the Research and Education Center “Severstal-Polytech”

директор научно-образовательного центра «Северсталь-Политех»

ermakov_sb@spbstu.ruPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg (Russia)Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург (Россия)31032021171531032021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/128

Additive technologies are among the most rapidly developing areas of modern production. To ensure the progressive movement of additive technologies development in the Russian Federation, it is necessary to provide maximum availability of additive raw materials – spherical metal powders for the domestic enterprises; however, the absence of domestic assemblies to produce such powders hampers the solution of this issue. Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University has developed and successfully carried out industrial tests of a plasma atomization system for solid metal feedstocks of various chemical compositions. The paper presents the results of the study of the influence of some technological parameters on the granulometric size, shape, and defect structure of 12H18N9 steel and VG98 alloy powders. The paper includes the results of the research of the influence of such spraying parameters as the current strength and the plasma-forming gas velocity supplied to the plasma generator and the volume of protective gas supplied to the spray torch through the fluidized bed system nozzles located in the midsection of the atomizer spraying chamber. The study showed that by increasing the current strength and the plasma-forming gas velocity, it is possible to reduce the average size of the powder particles; and by changing the volume of the protective gas supply, it is possible to control the particle shape. The analysis of the chemical composition of the obtained powders shows that during the spraying process, there is no loss of alloying elements and the powder composition is the same as the original feedstock compositions. The paper gives the developed modes for the alloy feedstocks spraying, shows the possibility to produce metal powders with the level of the spherical shape factor of 92–96 % and minimal – not exceeding 0.5 % of powder aggregate weight – number of particles with nonmetallic inclusions, external and internal defects.

Аддитивные технологии относятся к числу наиболее стремительно развивающихся направлений современного производства. Для обеспечения поступательного движения развития аддитивных технологий в РФ необходимо обеспечить максимальную доступность отечественных предприятий к аддитивному сырью – сферическим металлическим порошкам, однако отсутствие отечественных установок для производства таких порошков затрудняет решение этой задачи. В СПбПУ Петра Великого были разработаны и успешно прошли промышленные испытания системы плазменной атомизации твердых металлических фидстоков различных химических составов. В работе приводятся результаты исследования влияния ряда технологических параметров на гранулометрический размер, форму и дефектность порошков стали 12Х18Н9 и сплава ВЖ98. Приведены результаты исследований влияния таких параметров распыления, как сила тока и скорость плазмообразующего газа, подаваемых на плазмотрон и объем защитного газа, подаваемого в факел распыления через форсунки системы «кипящего слоя», расположенного в средней части камеры распыления атомайзера. Показано, что, повышая силу тока и скорость плазмообразующего газа, можно снизить средний размер частиц порошка, а изменяя объем подачи защитного газа – регулировать форму частиц. Анализ химического состава полученных порошков показал, что в процессе распыления угара легирующих элементов не происходит и состав порошка не отличается от составов исходных фидстоков. В работе приведены разработанные режимы распыления фидстоков сплавов, показана возможность получения металлических порошков с уровнем сферичности 92–96 % и минимальным – не превышающим 0,5 % от общей массы порошка – количеством частиц с неметаллическими включениями, наружными и внутренними дефектами.

additive technologiesplasma atomizationmetal and alloy powdersspraying modesgranulometric compositionspherical shape factor12H18N9 steelVG98 alloyаддитивные технологииплазменная атомизацияпорошки металлов и сплавоврежимы распылениягранулометрический составсферичностьсталь 12Х18Н9сплав ВЖ98Sirotkin O.S. State-of-the-art and prospects of development of additive technologies. Aviatsionnaya promyshlennost, 2015, no. 2, pp. 22–25.Сироткин О.С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий // Авиационная промышленность. 2015. № 2. С. 22–25.Petrov I.M. Principal trends in the Russian market of metal powders for additive technologies. Additivnye tekhnologii, 2019, no. 1, pp. 24–26.Петров И.М. Основные тенденции российского рынка металлических порошков для аддитивных технологий // Аддитивные технологии. 2019. № 1. С. 24–26.Uriondo A., Esperon-Miguez M., Perinpanayagam S. The present and future of additive manufacturing in the aerospace sector: A review of important aspects. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2015, vol. 229, no. 11, pp. 2132–2147.Uriondo A., Esperon-Miguez M., Perinpanayagam S. The present and future of additive manufacturing in the aerospace sector: A review of important aspects // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2015. Vol. 229. № 11. P. 2132–2147.Dektyarev A.V., Tovpinets A.O., Grishin P.R., Leytsin V.N., Morozov V.N. Comparative analysis of physical stress-strain properties of materials of additive production with common methods of casting as possibility to use 3d-printing in repair works on board ship in voyage under arctic conditions. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii, 2020, no. 2, pp. 41–48.Дектярев А.В., Товпинец А.О., Гришин П.Р., Лейцин В.Н., Морозов В.Н. Сравнительный анализ физико-механических характеристик материалов аддитивного производства с традиционными методами литья как возможность применения 3D-печати в ремонтных работах на борту судна в рейсе в условиях Арктической зоны // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 2. С. 41–48.Zlenko M.A., Nagaytsev M.V., Dovbysh V.M. Additivnye tekhnologii v mashinostroenii [Additive technologies in engineering]. Moscow, NAMI Publ., 2015. 220 p.Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. М.: НАМИ, 2015. 220 с.Dresvyannikov V.A., Strakhov E.P. Classification of additive technologies and analysis of directions of their economic use. Modeli, sistemy, seti v ekonomike, tekhnike, prirode i obshchestve, 2018, no. 2, pp. 16–28.Дресвянников В.А., Страхов Е.П. Классификация аддитивных техно-логий и анализ направлений их экономического использования // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2018. № 2. С. 16–28.Shimokhin A.V. Economic substantiation of the introduction of additive technology in the technological processes of production of the production of the company. Nauchnyy zhurnal NIU ITMO. Seriya Ekonomika i ekologicheskiy menedzhment, 2019, no. 4, pp. 13–19.Шимохин А.В. Экономическое обоснование внедрения аддитивной технологии в технологические процессы производства продукции предприятия // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия Экономика и экологический менеджмент. 2019. № 4. С. 13–19.Dröder К., Heyn J.K., Gerbers R., Wonnenberg B., Dietrich F. Partial Additive Manufacturing: Experiments and Prospects with regard to Large Series Production. Procedia CIRP, 2016, vol. 55, pp. 122–127.Dröder К., Heyn J.K., Gerbers R., Wonnenberg B., Dietrich F. Partial Additive Manufacturing: Experiments and Prospects with regard to Large Series Production // Procedia CIRP. 2016. Vol. 55. P. 122–127.Terenteva O.A., Maymistov D.N., Gusev K.A., Flisyuk E.V., Narkevich I.A. Additivnye tekhnologii v farmatsii [Additive technologies in pharmacy]. Moscow, KnoRus Publ., 2021. 172 p.Терентьева О.А., Маймистов Д.Н., Гусев К.А., Флисюк Е.В., Наркевич И.А. Аддитивные технологии в фармации. М.: КноРус, 2021. 172 с.Smurov I.Yu., Konov S.G., Kotoban D.V. On the implementation of additive technologies and manufacturing into the Russian industry. Novosti materialovedeniya. Nauka i tekhnika, 2015, no. 2, pp. 11–22.Смуров И.Ю., Конов С.Г., Котобан Д.В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2. С. 11–22.Kablov E.N. Innovative developments of FSUE “VIAM” SSC OF RF on realization of “Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030”. Aviatsionnye materialy i tekhnologii, 2015, no. 1, pp. 3–33.Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУЦП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3–33.Sames W.J., List F.A., Pannala S., Dehoff R.R., Babu S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing. International Materials Reviews, 2016, vol. 61, no. 5, pp. 315–360.Sames W.J., List F.A., Pannala S., Dehoff R.R., Babu S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing // International Materials Reviews. 2016. Vol. 61. № 5. P. 315–360.Grigorev A.V., Razumov N.G., Popovich A.A., Samokhin A.V. Plasma spheroidization of Nb-Si-based powder alloys obtained by mechanical alloying. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta, 2017, vol. 23, no. 1, pp. 247–254.Григорьев А.В., Разумов Н.Г., Попович А.А., Самохин А.В. Плазменная сфероидизация порошков на основе сплавов Nb-Si, полученных механическим легированием // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2017. Т. 23. № 1. С. 247–254.Timofeev A.N., Logacheva A.I. From metallurgy of granules to additive technologies. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tsvetnaya metallurgiya, 2018, no. 3, pp. 84–94.Тимофеев А.Н., Логачева А.И. От металлургии гранул к аддитивным технологиям // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2018. № 3. С. 84–94.Alymov M.I., Levinskiy Yu.V., Naboychenko S.S., Kasimtsev A.V., Panov V.S., Oglezneva S.A., Milyaev I.M., Timofeev I.A., Vershinina E.V., Aboganbiev A.Yu., Tuzov Yu.V., Fomina O.N., Komlev V.S. Metallicheskie poroshki i poroshkovye materialy [Metal powders and powder materials]. Moscow, Nauchnyy mir Publ., 2018. 610 p.Алымов М.И., Левинский Ю.В., Набойченко С.С., Касимцев А.В., Панов В.С., Оглезнева С.А., Миляев И.М., Тимофеев И.А., Вершинина Е.В., Абоганбиев А.Ю., Тузов Ю.В., Фомина О.Н., Комлев В.С. Металлические порошки и порошковые материалы. М.: Научный мир, 2018. 610 с.Golovkov V.G., Pashko S.A. Additive technologies in Russia. Upravlenie kachestvom, 2017, no. 9, pp. 43–48.Головков В.Г., Пашко С.А. Аддитивные технологии в России // Управление качеством. 2017. № 9. С. 43–48.Ermakov B.S., Ermakov S.B., Pavlenko A., Vologzhanina S.A. Regulation of powder particle sizes during plasma spraying. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 826, no. 1, article number 012007.Ermakov B.S., Ermakov S.B., Pavlenko A., Vologzhanina S.A. Regulation of powder particle sizes during plasma spraying // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 826. № 1. Article number 012007.Linke J., Akiba M., Duwe R., Lodato A., Penkalla H.-J., Rodig M., Schopflin K. Material degradation and particle formation under transient thermal loads. Journal of Nuclear Materials, 2001, vol. 290-293, pp. 1102–1106.Linke J., Akiba M., Duwe R., Lodato A., Penkalla H.-J., Rodig M., Schopflin K. Material degradation and particle formation under transient thermal loads // Journal of Nuclear Materials. 2001. Vol. 290-293. P. 1102–1106.Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., Barsuk V., Kurkin S., Mironova E., Piazza G., Würz H., Zhitlukhin A. Macroscopic erosion of divertor materials under plasma heat load typical for ITER hard disruption. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki, 2002, no. 5, pp. 27–29.Safronov V., Arkhipov N., Bakhtin V., Barsuk V., Kurkin S., Mironova E., Piazza G., Würz H., Zhitlukhin A. Macroscopic erosion of divertor materials under plasma heat load typical for ITER hard disruption // Вопросы атомной науки и техники. 2002. № 5. С. 27–29.Kharlamov M.Yu., Krivtsun I.V., Korzhik V.N., Petrov S.V. Heating and melting of an anode wire during arc plasma spraying. Avtomaticheskaya svarka, 2011, no. 5, pp. 5–11.Харламов М.Ю., Кривцун И.В., Коржик В.Н., Петров С.В. Нагрев и плавление проволоки-анода при плазменно-дуговом напылении // Автоматическая сварка. 2011. № 5. С. 5–11.Mordynskiy V.B., Gusev V.M., Tyuftyaev A.S., Buklakov A.G., Sargsyan M.A. Dispersion of drops under arc spraying. Fizika khimiya obrabotki materialov, 2016, no. 6, pp. 74–81.Мордынский В.Б., Гусев В.М., Тюфтяев А.С., Буклаков А.Г., Саргсян М.А. Диспергирование капли при электродуговой металлизации // Физика химия обработки материалов. 2016. № 6. С. 74–81.