Potentials of Ultrasonically Atomized Cored Wires for Powder Metallurgy and Additive Manufacturing
-
S. Jäger
,
F. Großwendt
Abstract
Powder production for additive manufacturing is currently mainly done by inert gas atomization. A new process is the production of low-oxygen and highly spherical metal powders by ultrasonic atomization from a wire or rod feedstock. As a crucible-free process and because of an electric arc as an energy source, even materials with a high liquidus temperature up to 1800 °C can be processed. A limitation of this technique can be found in the continuous processing of high-strength materials, like martensitic hardenable tool steels, from a stiff wired feedstock because of the limited feed ability. This paper investigates the possibility of processing high-strength steel powder using cored wire as the starting material for the ultrasonic atomization process to circumvent the feeding problem of high-strength materials. Thereby, two carbon martensitic hardenable hot work tool steels with a carbon content of 0.12 wt. % and 0.4 wt. % are considered as reference materials. After the atomization process with varying parameters, powders are characterized concerning their morphology, chemical composition, phases formed, and related powder properties. In addition to flowability, the bulk density are also determined. Based on these results, a conclusion will finally be given on the suitability of ultrasonically atomized powders for additive manufacturing and fast sintering techniques.
Kurzfassung
Die Herstellung von Pulvern für die additive Fertigung erfolgt derzeit hauptsächlich durch die Zerstäubung mit Inertgas. Ein neues Verfahren ist die Herstellung von sauerstoffarmen und hochsphärischen Metallpulvern durch Ultraschallverdüsung aus einem Draht- oder Stabmaterial. Da es sich um ein tiegelfreies Verfahren handelt und ein elektrischer Lichtbogen als Energiequelle dient, können auch Materialien mit einer hohen Liquidustemperatur von bis zu 1800 °C verarbeitet werden. Eine Einschränkung dieses Verfahrens liegt in der kontinuierlichen Verarbeitung von hochfesten Werkstoffen, wie martensitisch härtbaren Werkzeugstählen, aus einem steifen Drahtvormaterial aufgrund der begrenzten Förderbarkeit. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, hochfestes Stahlpulver unter Verwendung von Fülldraht als Ausgangsmaterial für den Ultraschallzerstäubungsprozess zu verarbeiten, um das Zuführungsproblem von hochfesten Werkstoffen zu umgehen. Dabei werden zwei kohlenstoffmartensitisch härtbare Warmarbeitsstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,12 Ma.-% und 0,4 Ma.-% als Referenzwerkstoffe betrachtet. Nach dem Verdüsungsprozess mit unterschiedlichen Parametern werden die Pulver hinsichtlich ihrer Morphologie, chemischen Zusammensetzung, der gebildeten Phasen und der damit verbundenen Pulvereigenschaften charakterisiert. Neben der Fließfähigkeit wird auch die Schüttdichte bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen wird abschließend eine Aussage über die Eignung von ultraschallverdüsten Pulvern für die Verarbeitung mittels der Additiven Fertigung und Sinterverfahren getroffen.
* Lecture held at the conference Additive Fertigung – Werkstoffe – Prozesse – Wärmebehandlung 2022, Konfererenz, 29./30. Juni 2022 in Bremen
Danksagung
Diese Arbeit ist im Rahmen des Projektes «GENESIS» (Energieeffiziente Kreislaufwirtschaft kritischer Rohstoffe (Förderkennzeichen: 03EI5009B)) entstanden. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und dem Projektträger Jülich im Bereich Energie und Klima. Der Dank der Autoren gilt auch den am GENESIS-Projekt beteiligten Projektpartnern.
Acknowledgment
This work has been created as a part of the project “GENESIS” (Energy-efficient circular economy of critical raw materials (Funding reference number: 03EI5009B)). This project is funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action. The authors would like to thank the Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action and the Project Management Jülich in the field of energy and climate. The authors also thank the project partners involved in the GENESIS project.
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