Investigation of the effect of frequency on 316L powder production using ultrasonic atomization

Abstract

The aim of this study is to experimentally investigate the production and characterization processes of 316L powder using ultrasonic atomization method. The manufacturability parameters were determined as the suggested parameters on the ultrasonic atomization device. The experimental studies were conducted at two different frequencies, namely 20 kHz and 35 kHz. Scanning electron microscope was used to determine the shape of the produced 316L powders, while phases and percentages within the powder were identified through XRF and SEM-EDX analyses. The research demonstrates that the ultrasonic atomization method is an effective technique for producing highly spherical metal powders. The findings reveal that increasing the frequency leads to a significant reduction in the average particle size of the powders. Specifically, the average particle size of metal powders produced at a frequency of 20 kHz was determined to be 75.22 μm, while increasing the frequency to 35 kHz reduced this value to 55.3 μm. The results indicate that higher frequencies offer advantages for the production of finer powders and serve as a critical parameter for optimizing the efficiency of the atomization process.

Keywords

• Ultrasonic atomization
• 316L powder
• Frequency
• Powder characterization

Ultrasonik atomizasyon yöntemi ile 316L tozu üretiminde frekansın etkisinin araştırılması

Öz

Bu çalışmanın amacı, 316L toz üretim ve karakterizasyon süreçlerini ultrasonik atomizasyon yöntemiyle deneysel olarak araştırmaktır. Üretilebilirlik parametreleri, ultrasonik atomizasyon cihazı üzerinde önerilen parametreler olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar, 20 kHz ve 35 kHz olmak üzere iki farklı frekansta gerçekleştirilmiştir. Üretilen 316L tozlarının şeklini belirlemek için taramalı elektron mikroskobu kullanılmış, X-ışını Floresans Spektroskopisi ve Enerji Dağılımı X-ışını Spektroskopisi analizleriyle toz içindeki fazlar ve yüzdeleri belirlenmiştir. Araştırma, ultrasonik atomizasyon yönteminin yüksek küresellikte metal tozlarının üretiminde etkili bir teknik olduğunu göstermektedir. Bulgular, frekans artışının tozların ortalama partikül boyutunda belirgin bir küçülmeye neden olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle, 20 kHz frekansta üretilen metal tozlarının ortalama partikül boyutu 75.22 μm olarak belirlenirken, frekansın 35 kHz’e çıkarılmasıyla bu değer 55.3 μm’ye düşmüştür. Sonuçlar, daha yüksek frekansların ince toz üretiminde avantaj sağladığını ve atomizasyon sürecinin verimliliğini optimize etmek için kritik bir parametre olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Ultrasonik atomizasyon
• 316L tozu
• Frekans
• Toz karakterizasyonu

Kaynakça

1. [1] Basci UG, Yamanoglu R. “Eklemeli metal imalat teknolojileri için metal tozu üretim yöntemleri”. Uluslararası Marmara Fen ve Sosyal Bilimler Kongresi, Kocaeli, Türkiye, 26-28 Nisan 2019.
2. [2] Çetin T, Akkaş M, Boz M. “Gaz atomizasyonu yöntemi ile üretilen AM60 magnezyum alaşım tozunun toz karakterizasyonu üzerine gaz basıncının etkisinin araştırılması”. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(2), 967-978, 2019.
3. [3] Akkaş M, Akra KMEM, Çetin T, BOZ M. “Gaz Atomizasyon Yöntemi ile AZ31 Mg Tozu Üretiminde Gaz Basıncının Etkisinin Araştırılması”. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 9(2), 215-221, 2019.
4. [4] Mathias LET, Andreoli AF, Gargarella P. “Gas atomization of A2 tool steel: efect of process parameters on powders’ physical properties”. Journal of Alloys and Compounds, 960, 1-9, 2023.
5. [5] Akkaş M, Akra KMEM, Çetin T, Boz M. “Investigation of Gas Pressure Effect on Powder Characterization of AZ31 Alloy Produced By Gas Atomization Method”. Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences, 37(2), 373-380, 2019.
6. [6] Akyıldız Y, Sarı S, Kaya OF, Yamanoğlu R. “Ultrasonik Atomizasyon: Toz Üretiminde Alternatif Bir Yol”. Manufacturing Technologies and Applications, 4(2), 81-91, 2023.
7. [7] Monti C, Turani M, Papis K, Bambach M. “A new Al-Cu alloy for LPBF developed via ultrasonic atomization”. Materials and Design, 229, 1-11, 2023.
8. [8] Halápı D, Varga L. “Ultrasonic Powder Atomization for Additive Manufacturing”. International Journal of Engineering and Management Sciences, 8(2), 69-75, 2023.

9. [9] Grzelak K, Bielecki M, Kluczyński J, Szachogłuchowicz I, Śnieżek L, Torzewski J, Łuszczek J, Słoboda Ł, Wachowski M, Komorek Z, Małek M, Zygmuntowicz J. “A Comparative Study on Laser Powder Bed Fusion of Differently Atomized 316L Stainless Steel”. Materials, 15(14), 1-19, 2022.
10. [10] Bielecki M, Kluczyński J, Słoboda Ł. “Manufacturing of metallic powders for AM market by ultrasonic atomization method”. Proceedings of the Metal Additive Manufacturing Conference, Vienna, Austria, 3- 5 November 2021.
11. [11] Bałasz B, Bielecki M, Gulbiński W, Słoboda Ł. “Comparison of ultrasonic and other atomization methods in metal powder production”. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 116(1), 11-24, 2023.
12. [12] Kustron P, Korzeniowski M, Sajbura A, Piwowarczyk T, Kaczynski P, Sokolowski P. “Development of High-Power Ultrasonic System Dedicated to Metal Powder Atomization”. Applied Sciences, 13(15), 1-17, 2023.
13. [13] Yürük, A. “TIG Kaynak Parametrelerinin AISI 316L Paslanmaz çeliğinin mikro yapı ve mekanik özelliklerine etkisi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 29(1), 76-85, 2023.
14. [14] Toprak İB. “Yeni bir teknoloji: metal tozu atomizeri, ATO”. 1. Bilsel International Korykos Scientific Researches and Innovation Congress, Mersin, Türkiye, 27-28 Ocak 2024.