Jak proporcje mieszania spiekanego proszku metalicznego tworzą pory gradientowe

Kształt porów po spiekaniu w dużej mierze zależy od rozkładu wielkości cząstek. Proszki tytanu o rozmiarach od 10 mikrometrów do 150 mikrometrów są mieszane razem. Mniejsze cząstki wypełniają przestrzenie pomiędzy większymi. Podczas spiekania w wysokiej-temperaturze cząstki te sklejają się ze sobą w miejscach, w których się dotykają, tworząc kanały porów, które są ze sobą połączone. Średnia szerokość otworu i procent porowatości są bezpośrednio powiązane z ilością grubego i drobnego proszku.

Według badań mieszanka gruboziarnistego i drobnego spiekanego proszku metalicznego w proporcjach 70:30 tworzy otwarte struktury, które nadają się do warstw dyfuzyjnych gazu. Z drugiej strony mieszanka 40:60 daje grubsze matryce, które są lepsze do filtracji cieczy. Matematyczny związek między wielkością proszku a wielkością tworzących się porów opiera się na-rzeczywistych modelach, których skuteczność została udowodniona w badaniach mikroskopowych i przepuszczalności.

Temperatura spiekania uruchamia procesy dyfuzyjne, które utrzymują razem cząsteczki proszku. Atomy tytanu przemieszczają się poza granice cząstek w temperaturach do 1100–1300 stopni, tworząc szyjki utrzymujące kształt metalu. Szybkość wzrostu szyi zależy od wielkości cząstek. Drobniejsze proszki spiekają się szybciej, ponieważ mają większą powierzchnię na jednostkę objętości.

Różne zachowanie spiekania pomiędzy warstwami grubego i drobnego proszku w naturalny sposób poprawia właściwości gradientowe. Obszary drobnego pudru stają się bardziej gęste, co powoduje mniejsze pory, natomiast obszary gruboziarnistego proszku zachowują swoje otwarte struktury. Podczas spiekania profile temperatury stają się bardzo ważnymi czynnikami kontrolnymi w celu osiągnięcia docelowych parametrów gradientu.

Bardziej zaawansowane elementy filtrujące mają trzy lub więcej oddzielnych warstw proszku. Warstwa podłoża wykorzystuje gruboziarnistą warstwę o grubości 100–150 mikrometrówspiekany proszek metalowyza wsparcie i przepływ. Aby zapobiec przemieszczaniu się małych cząstek, pośrednie warstwy przejściowe mieszają średnie proszki (50–80 mikrometrów). Drobne proszki (10–30 mikrometrów) służą do precyzyjnej filtracji na powierzchniowej warstwie funkcjonalnej.

Przy obliczaniu proporcji proszku dla każdej warstwy bierze się pod uwagę docelową wielkość porów, wymaganą grubość i warunki obciążenia mechanicznego. Modelowanie obliczeniowe pomaga inżynierom odgadnąć, w jaki sposób rozkłady proszku zamienią się w trójwymiarowe-sieci porów, co ogranicza liczbę prób zakończonych niepowodzeniem.

Blendery bębnowe i miksery stożkowe dosłownie mieszają partie proszku, dzięki czemu mieszanki są równe. W zależności od wielkości wsadu i właściwości proszku, czas mieszania wynosi zazwyczaj od 20 do 60 minut. Niedostateczne-mieszanie powoduje różnice w składzie, które objawiają się różną wielkością porów w gotowych filtrach. Zbyt duże mieszanie może prowadzić do utraty cząstek, co może zmienić pożądany rozkład wielkości.

Przed rozpoczęciem formowania metody pobierania próbek zapewniają, że mieszanie przebiegło dobrze. Statystyczna kontrola procesu sprawdza, czy mieszanka ma regularny przebieg w poszczególnych seriach produkcyjnych i czy struktura porów mieści się w granicach określonych w specyfikacjach. Ta rygorystyczna procedura ma bezpośredni wpływ na jakość elementów filtrujących i zadowolenie klientów.

W przypadku grubych warstw proszku zwykle stosuje się cząstki w zakresie 80–150 nanometrów. Te większe kawałki tworzą duże pory, które przepuszczają dużo wody i utrzymują mocną strukturę. Wytrzymałość mechaniczna grubych obszarów utrzymuje znajdujące się na nich drobne warstwy proszku podczas serwisowania i przenoszenia.

Przy wyborze materiałów na frakcje grube brane są pod uwagę zarówno potrzeby chemiczne, jak i mechaniczne. Proszki wykonane z niklu mogą wytrzymać wysokie temperatury do 500 stopni, podczas gdy proszki wykonane ze stali nierdzewnej są tańsze i lepsze dla potrzeb filtrów lekkich. Gruboziarniste proszki tytanu są często stosowane w zastosowaniach związanych z energią wodorową, ponieważ nie rdzewieją w środowiskach elektrolitycznych.

Obszar pomiędzy grubą i drobną warstwą proszku ma duży wpływ na skuteczność przyczepności mechanicznej i filtracji. Zbyt gwałtowne przejścia mogą spowodować rozwarstwienie, a zbyt stopniowe przejścia mogą spowodować utratę części zalet architektury gradientowej. Najlepszy projekt interfejsu ma cienką warstwę pośrodku, która miesza dwie części proszku.

Podczas spiekania dyfuzja przez granice warstw tworzy połączenia metalurgiczne, które zapobiegają rozpadowi materiałów pod wpływem zmiany ciśnienia. Rodzaj atmosfery stosowanej do spiekania wpływa na wytrzymałość wiązań. Interfejsy są gładsze w środowiskach próżniowych lub wodorowych niż w środowiskach powietrznych. Przed użyciem filtrów są one sprawdzane po spiekaniu za pomocą metod takich jak badania ultradźwiękowe, aby upewnić się, że powierzchnia styku jest nadal solidna.

Skaningowa mikroskopia elektronowa pokazuje rzeczywiste struktury dziur w materiałach spiekanych. Obrazowanie-przekrojowe pokazuje zmiany w gradientach i pozwala upewnić się, że kształty porów są prawidłowe, zgodnie z projektem. Ilościowa analiza obrazu pozwala określić procent porowatości, rozkład wielkości porów i łączność porów-a wszystko to wpływa na sposób filtrowania materiału.

Porozymetria z wlotem rtęci dostarcza dodatkowych informacji na temat rozmieszczenia porów w rozmiarach od nanometrów do milimetrów. Badanie przepuszczalności przy kontrolowanych różnicach ciśnień dowodzi, że sieci porów mogą wspierać pożądane natężenia przepływu. Ta wielo-techniczna charakterystyka gwarantuje, że odpowiednio dostosowane mieszanki proszków będą działać zgodnie z oczekiwaniami.