Hva en 10 000-graders plasma kan brukes til
I laboratoriet vårt i Grimstad brenner en flamme sterkere enn de fleste: en plasma-flamme som kan holde 10 000 grader! Hvordan denne flammen kan brenne så sterkt, og hva dette brukes til skal vi se nærmere på i denne artikkelen.
Spørsmål som vi håper artikkelen vil kunne svare på er:
- Hva plasma er
- Hvordan plasma oppstår og hvordan vi holder den under kontroll
- Hvordan plasmaen kan brukes mot metall- og kerampulver
- Bruksområder for plasma-behandlet pulver
- Future Materials Katapultsenter og pulverkompetanse
- Generelle tekniske spesifikasjoner for plasma-maskinen
Hva er egentlig plasma?
Vi har alle blitt lært opp til at materie kan finnes i tre tilstader: fast stoff, væske og gass. Har du fast stoff og varmer det opp tilstrekkelig vil det, som oftest, gå over i væskeform. Fortsetter du oppvarmingen vil væsken gå over i gassform. Men vi er ikke ferdige der! Fortsetter du oppvarmingen, med flere tusen grader, oppnår vi en ny tilstand: Plasma.
Plasma skiller seg fra de andre materie-tilstandene i høy grad. Der de tre andre tilstandene består av atomer og molekyler med forskjellige typer bindinger (metalliske, kovalente, ioniske, …), så består plasma av ioner og elektroner.
I et vanlig atom vil elektronene, som er negativt ladet, holde seg rundt den positivt ladde atomkjernen, og sørge for et nøytralt ladet atom. Ved så høye energinivåer som vi får ved flere tusen grader vil elektronet kunne slå seg løs fra atomkjernen, og «fly fritt». Atomkjernen, som nå er i overkant positivt ladet er da blitt et positivt ion. Med en «sky» av positive ioner og negative ioner får vi en nyttig egenskap: Plasma er elektrisk ledende!
Hvordan oppstår plasma, og hvordan holder vi kontroll på den?
Som nevnt i innledningen kreves det mye energi for å løsrive elektronene og danne plasma, men noe krever mer energi enn annet. Vi tar et lite hopp over diskusjonen rundt elektronskall og eksitasjon, og kommer rett til konklusjonen: Argon er noe av det letteste å ionisere, og heldigvis også billig, trygt og lett å få tak i.
For å danne plasmaen vår fører vi Argon-gassen inn i midten av en induksjonsspole, og fører 15 kW gjennom spolen. Dette vil danne et kontinuerlig skiftende magnetisk felt i midten av spolen, klar til å påvirke det som lar seg påvirke av slike felt.
Men enn så lenge er det bare stabil gass i systemet, som ikke lar seg påvirker av slike felt. Dette fikser vi ved å lage en gnist i systemet, på akkurat riktig plass. Her vil små mengder plasma dannes, og vipps er prosessen i gang, plasmaen varmes opp og danner ny plasma.
Nå har vi altså en plasma-flamme som holdes i gang av stadig ny tilførsel av Argon-gass og et 15 kW magnetisk felt. Hva nå?
Hva gjør plasmaen med pulver?
Vi bruker en 10 000 graders plasma til det den er best til: smelting!
Når plasmaen har startet og holdes stabilt kan vi begynne å sende inn metall- eller kerampulver gjennom flammen. Gjennom den korte kontakttiden mellom pulver og plasma, målt i millisekunder, vil pulveret smeltes til væske-tilstand. I denne væske-tilstanden har naturen en tendens til å danne perfekte sfærer, for å minimere overflateenergien.
Det vil si at vi kan lage perfekte runde pulverpartikler med plasmaen vår, uten porer!
Hvorfor skulle vi ønske det?
Bruksområder
Runde og solide partikler er ønskelig i flere prosesser der flyt og pakningstetthet er ønskelig;
- Additive manufacturing / Industriell 3D-printing
- Sprøytestøping
- Hot / cold isostatic pressing
- Overflatebehandling, f.eks. cladding
I slike prosesser ønsker vi at pulveret skal flyte enkelt og kontrollert, og at det skal ligge så tett inntil hverandre som mulig for å sørge for minst mulig luftrom imellom. Ser man på materialer hvor man tidligere har vært låst til knusing for å lage pulver, eller der pulveret har vært gjenbrukt, vil man kunne se at de skarpe formene eller satelittene pulveret har økt avstanden mellom partiklene, og man kan se for seg hvordan dette ødelegger flytbarhet og tetthet.
Plasma-prosessen som beskrevet her vil altså kunne ta metalliske og keramiske pulver, laget ved knusing, atomisering eller andre metoder, og øke kvaliteten gjennom å gjøre partiklene runde og fjerne porer. Dette vil igjen øke kvaliteten der pulveret skal brukes videre.
Future Materials Katapultsenter
Plasma-maskinen er eid av Future Materials Katapultsenter, og driftes at MIL. Sammen med sine partnere har Future Materials Katapultsenter høy kompetanse og utstyrspark innenfor pulverteknologi – både fremstilling og karakterisering.
Ta kontakt med MIL eller Future Materials for å lære mer!
Tekniske spesifikasjoner:
Navn: Tekna Tek-15
Metode: Induction Coupled Plasma Spheroidization
Effekt: 15 kW
Prosessérbare materialer: Metalliske og keramiske
Bruksområde: Forskning og utvikling
