Polveri di tantalio sferiche o irregolari per applicazioni industriali

Il tantalio è un metallo raro e resistente alla corrosione, ampiamente utilizzato in settori di alto livello come l'elettronica, l'aerospaziale, l'ingegneria biomedica e la produzione additiva. Sebbene le sue caratteristiche intrinseche, come l'elevato punto di fusione (~3017°C), la duttilità e la stabilità chimica, siano identiche, la morfologia delle polveri di tantalio ha notevoli implicazioni sull'efficienza della lavorazione, sulle prestazioni del prodotto e sulla scelta del materiale.

Discutiamo le distinzioni tecniche e pratiche tra le polveri di tantalio sferiche e quelle irregolari e come si differenziano per le loro prestazioni in importanti applicazioni industriali.

1. Morfologia e produzione

La principale distinzione tra polveri di tantalio sferiche e irregolari è la loro forma, che è il risultato diretto dei loro processi di produzione.

• Lepolveri di tantalio sferiche sono prodotte con metodi avanzati come l'atomizzazione a gas, la sferoidizzazione al plasma e i processi a elettrodi rotanti al plasma (PREP). Questi metodi fondono il tantalio e lo spruzzano in una goccia fine (che si solidifica come una sfera) o rimodellano le particelle angolari attraverso la tensione superficiale in un campo di plasma.
• Le polveri di tantalio con forme irregolari sono tipicamente generate attraverso la decrepitazione con idrogeno (HDH), la riduzione con sodio o magnesio degli ossidi di tantalio o la macinazione meccanica di spugne di tantalio o rottami. Questi metodi sono meno costosi, ma danno origine a particelle ruvide e angolari con un'area superficiale ruvida.

2. Fluidità e densità di impaccamento

La fluidità è particolarmente importante in operazioni come la produzione additiva, la pressatura a freddo e lo stampaggio a iniezione di polveri. In genere viene valutata in base alla portata di Hall e all'angolo di riposo.

• Le polveri sferiche hanno una migliore fluidità grazie alla loro superficie liscia e al minimo attrito tra le particelle. Una tipica polvere di tantalio sferica di grado AM (15-45 µm) presenta una portata Hall di 11-14 secondi per 50 g e un angolo di riposo di 25°-30°.
• Le polveri irregolari, invece, hanno una scarsa fluidità, con velocità di flusso Hall tipicamente >25 secondi per 50g e angoli di riposo >40°, e sono meno adatte ai processi in cui è richiesto un flusso riproducibile.

Analogamente, la tap density e la bulk density sono più elevate nelle polveri sferiche, in genere fino a 5,8-6,5 g/cm³ (tap density), rispetto ai 4,0-5,2 g/cm³ delle forme irregolari. Ciò implica un migliore utilizzo del materiale e una maggiore efficienza di impacchettamento nei processi di sinterizzazione e additivazione.

Ulteriori informazioni: Polveri sferiche atomizzate con gas: Affrontare le sfide tecnologiche e pratiche

3. Area superficiale e livelli di impurità

L'area superficiale specifica, tipicamente misurata mediante analisi BET, influenza il comportamento di sinterizzazione, la reattività chimica e la raccolta delle impurità.

• Le polveri irregolari hanno un'area superficiale più elevata - tipicamente da 0,5 a 1,2 m²/g - a causa della loro morfologia ruvida. Ciò le rende più reattive, il che è vantaggioso in applicazioni come la produzione di anodi per condensatori, dove l'area superficiale aumenta le prestazioni.
• Le polveri sferiche, con BET compreso tra 0,10 e 0,30 m²/g, sono meno reattive all'ossidazione e alla contaminazione. Sono ideali per le applicazioni che richiedono un'elevata purezza e una sinterizzazione controllata.

Per quanto riguarda il contenuto di ossigeno, un'impurezza molto importante nel tantalio, le polveri sferiche hanno contenuti più bassi (~0,015-0,03 wt.%) anche se prodotte in gas inerte. Le polveri irregolari possono contenere 0,05-0,15 wt.% di ossigeno o più, a seconda della produzione e della manipolazione.

4. Prestazioni basate sulle applicazioni

4.1 Produzione additiva

Le polveri di tantalio sferiche sono necessarie per la fusione laser a letto di polvere (LPBF) e per la fusione a fascio di elettroni (EBM) grazie alla loro migliore fluidità per la deposizione di strati uniformi, alla dinamica del bagno di fusione che può essere prevista e all'elevata densità di impaccamento per parti dense.

• Gli studi dimostrano che le parti AM realizzate con polveri sferiche presentano una densità relativa >99,5%, una resistenza alla trazione di 550-650 MPa e un comportamento a fatica accettabile.
• Le polveri irregolari, invece, sono praticamente inutilizzabili nell'AM a causa della loro scarsa fluidità e della fusione non uniforme.

Ulteriori letture: Polvere sferica nella fabbricazione additiva

4.2 Produzione di condensatori

I condensatori al tantalio si basano su polveri con un'area superficiale molto elevata per produrre un'alta capacità per unità di massa (CV/g). In questo caso, si preferiscono polveri fini e irregolari.

• Le polveri irregolari inferiori a 10 µm, che sono porose e tortuose, raggiungono 80.000-200.000 CV/g, a seconda della sinterizzazione e della pressatura.
• Le polveri sferiche non sono molto utilizzate a causa della bassa area superficiale e non sono generalmente adatte a questo scopo.

4.3 Impianti biomedici

Le polveri sferiche sono favorite nelle applicazioni biomediche, come gli impianti di tantalio poroso stampati in 3D, grazie all'interconnettività e alla dimensione controllata dei pori, alla precisione dimensionale e alla sinterizzazione uniforme, alla buona biocompatibilità e all'osteointegrazione.

• Gli impianti prodotti mediante LPBF o getto di legante di tantalio sferico producono una porosità del 60-80% e diametri dei pori nell'intervallo 300-500 µm, che imitano l'architettura dell'osso cancelloso.
• Le polveri irregolari possono essere utilizzate per i materiali porosi sinterizzati tradizionali, ma non hanno la precisione e la consistenza dei materiali sferici.

4.4 Metallurgia delle polveri e rivestimenti

Per la metallurgia delle polveri in generale (PM):

• Le polveri irregolari offrono una sinterizzazione rapida grazie alla maggiore energia superficiale.
• Le polveri sferiche offrono una contrazione più uniforme e una maggiore resistenza meccanica, necessaria per gli impieghi aerospaziali o ad alte sollecitazioni.

Nella spruzzatura termica e al plasma, le polveri sferiche sono ancora una volta preferite per un comportamento di avanzamento soddisfacente e uno spessore costante del rivestimento.

Tabella riassuntiva: Polveri di tantalio sferiche e irregolari

Per ulteriori prodotti a base di tantalio, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusione

La scelta tra polveri di tantalio sferiche e irregolari si basa su un compromesso tra prestazioni tecniche, costi e requisiti di utilizzo finale.

Le polveri sferiche sono utilizzate in modo ottimale in applicazioni come la produzione additiva, gli impianti biomedici e le parti aerospaziali, dove la fluidità, la purezza e le proprietà meccaniche sono di primaria importanza. Le polveri irregolari, invece, trovano un impiego migliore nella produzione di condensatori, nella lavorazione chimica e nei componenti di metallurgia delle polveri in generale, dove l'elevata area superficiale e la reattività sono più importanti della fluidità o dell'uniformità.