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3D打印鈦合金增材制造篩分系統(tǒng)

航天材料增材制造篩分系統(tǒng)

超聲波無氧篩分技術(shù)是一個系統(tǒng)工程。超聲波篩分系統(tǒng)是超聲波系統(tǒng)與篩分機(jī)的有機(jī)結(jié)合，通過聲波傳導(dǎo)系統(tǒng)把聲波能量傳遞給篩網(wǎng)網(wǎng)絲，破壞網(wǎng)絲表面張力，避免超細(xì)粉的吸附，降低篩網(wǎng)網(wǎng)孔的堵塞幾率，促使細(xì)粉或超細(xì)粉過網(wǎng)，達(dá)到超細(xì)粉或易吸附粉末的篩分或分級目的。超聲波無氧篩分系統(tǒng)，包括超聲波篩分機(jī)、給料系統(tǒng)、接料系統(tǒng)處在真空狀態(tài)下，或者在整個系統(tǒng)中動態(tài)充填氮?dú)?、惰性氣體等，以保證粉末在不接觸空氣的狀態(tài)下完成篩分過程。目前，包括航天材料、3D打印材料、電子材料、噴涂材料等尖端技術(shù)在內(nèi)的諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用；其中，國內(nèi)第一條3D打印高純鈦粉的無氧篩分工程，已為打破發(fā)達(dá)國家對我國高純鈦禁運(yùn)的技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)提供了關(guān)鍵的篩分技術(shù)支持，并且取得良好的政治效益與經(jīng)濟(jì)效益。

材料的超細(xì)、低氧以及顆粒粒子段的嚴(yán)格控制成為粉末冶金行業(yè)發(fā)展的趨勢！超細(xì)微粉的市場應(yīng)用越來越廣泛，對應(yīng)的生產(chǎn)工藝要求越來越嚴(yán)格，粉末成品顆粒粒徑、粒子段分布要求也越來越清晰，粉末低含氧量也成為高端材料一個新的重要指標(biāo)，因此，粉末制備的工藝控制有了新的標(biāo)準(zhǔn)。除了制備工藝外，還需要對顆粒粒度進(jìn)行控制性篩選，避免殘存大顆?；蝾w粒不均勻現(xiàn)象。利用粉末成型制造部件時(shí)，粉末達(dá)到超細(xì)的程度往往使部件具有很優(yōu)良的特性。粉末越細(xì)，吸附性、團(tuán)聚性、比表面積越大、流動性質(zhì)越明顯，被氧化幾率越高，并且會顯示出易爆特性；這也造成在隔除大顆粒、分離小顆粒、控制粒子段、降低含氧量的難度增加，對篩分技術(shù)及篩分系統(tǒng)的要求越來越高；不同的金屬或合金粉末又有不同的物理特性，僅依靠簡單的篩分機(jī)是無法解決尖端材料篩分的工藝問題。

一. 超聲波無氧篩分的技術(shù)特點(diǎn)

超聲波無氧篩分的技術(shù)特點(diǎn)在于：篩分系統(tǒng)無氧、超聲波高精度分離粉末、自動控制。

1.1    真空狀態(tài)下的金屬粉末篩分

氧化性較低的金屬粉末或合金粉末隔離大顆?；蛉コ☆w粒時(shí)，在真空狀態(tài)下運(yùn)行的篩分系統(tǒng)可以滿足篩分的工藝需求；單獨(dú)的超聲波篩分系統(tǒng)放置在真空罐體中，利用抽真空系統(tǒng)讓罐體保持一定真空度，隔離空氣，防止粉末過度氧化而降低品質(zhì)。

1.2    惰性氣體保護(hù)

超細(xì)金屬粉末或特別的合金粉末，暴露在空氣中更易于氧化，尤其是高端金屬粉末，對含氧量有更高的要求，在分離粉末顆粒時(shí)，需要在給料、篩分過程隔離空氣；篩分過程中控制系統(tǒng)含氧量，防止金屬粉末接觸氧氣，保證粉末的純度，進(jìn)而提高品質(zhì)。

1.3    超聲波篩分系統(tǒng)

利用超聲波的特性，作用于合適的篩網(wǎng)，解決細(xì)粉或超細(xì)粉的因粉末吸附的堵塞網(wǎng)孔現(xiàn)象，更有益于高精度分離粉末；換能器固定于篩機(jī)機(jī)體外部，減少設(shè)備部件對金屬粉末的污染。

1.4    隔爆功能

粉末生產(chǎn)中的微粉顆粒更容易懸浮于氣體中，在局部環(huán)境達(dá)到一定濃度時(shí)極易發(fā)生爆燃；微粉或超細(xì)粉的篩分系統(tǒng)配置隔爆功能的電氣、電動機(jī)、超聲波篩分系統(tǒng)以及特殊的密封材料與結(jié)構(gòu)方式。

1.5    自動化控制

超聲波無氧篩分系統(tǒng)自動控制運(yùn)行：調(diào)節(jié)真空度、含氧量檢測、惰性氣體充填、物料密閉輸送、設(shè)備系統(tǒng)啟動的先后控制等，是整個系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，用以保證品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化控制。

二. 超聲波無氧篩分的技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)制造技術(shù)的高速發(fā)展，金屬粉末材料的制造標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，尤其是3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，粉末的細(xì)微化、顆粒段標(biāo)準(zhǔn)化已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。高端細(xì)微化的金屬粉末接觸空氣更易于被氧化，粉末低含氧量的標(biāo)準(zhǔn)要求更高，細(xì)微粉末顆粒的物理分離也更難以實(shí)現(xiàn)；高端材料的粉末分離中提出超聲波無氧篩分的概念，為適應(yīng)市場發(fā)展的需求，在粉末冶金行業(yè)引入超聲波無氧篩分工藝成為必然的趨勢。下面以具體的案例，說明超聲波無氧篩分技術(shù)在粉末冶金行業(yè)的應(yīng)用必然性。

2.1 超低氧高純鈦3D打印粉的惰性氣體超聲波無氧篩分

近年興起的3D打印將給工業(yè)制造帶來革命性的變化！3D打?。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)目前已經(jīng)成為全球最關(guān)注的新興技術(shù)之一，其專用材料尤其是高性能金屬構(gòu)件激光直接制造用特種粉體材料產(chǎn)業(yè)有很好的發(fā)展前景。美國國家航空航天局和洛克達(dá)因公司共同完成了3D打印火箭發(fā)動機(jī)噴射器的測試，工時(shí)和成本驟降。3D打印的核心是它對傳統(tǒng)制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說，3D打印最關(guān)鍵的不是機(jī)械制造，而是材料研發(fā)。在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面，需要低氧含量、細(xì)粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末，粉末粒度以-500目為主，氧含量宜低于0.1%，且粒徑均勻；目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進(jìn)口。

因此針對低氧含量、細(xì)粒徑粉末的使用要求，國內(nèi)受制粉技術(shù)所限，目前細(xì)粒徑粉末制備困難，粉末收得率低、氧及其他雜質(zhì)含量高等，在使用過程中易出現(xiàn)粉末熔化狀態(tài)不均勻，導(dǎo)致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)不均勻、窄粒度段粉末成品率低等問題。

目前，高端3D打印所需超低氧高純鈦粉，因其有明顯的航天、軍事用途，仍處于發(fā)達(dá)國家對中國禁運(yùn)狀態(tài)。高端3D打印所需超低氧高純鈦粉末的最佳粒度在0~45微米，氧含量低于1000ppm，純度達(dá)到99.999%及以上。國內(nèi)目前對高純鈦的材料制備在含氧量、窄粒度段控制方面是存在的主要問題之一；解決類該問題，除制粉工藝需要提升外，成品末端控制也非常關(guān)鍵。有效控制粉末粒子段、保證含氧量，超聲波無氧篩分成為關(guān)鍵工藝。

超低氧高純鈦粉無氧篩分系統(tǒng)是一個密閉運(yùn)行的篩分系統(tǒng)，包括：惰性氣體充填、物料輸送、超聲波篩分、受料容器等。其工藝特點(diǎn)在于：整個系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，并且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自動完成，不再需要人工干預(yù)；工藝流程是：系統(tǒng)啟動    排出系統(tǒng)內(nèi)空氣                                               惰性氣體充填系統(tǒng)啟動含氧量監(jiān)測給料系統(tǒng)啟動超聲波篩分系統(tǒng)自啟動受料容器收料完成無氧篩分過程。該無氧篩分系統(tǒng)能保證鈦粉不在末端工藝中增加含氧量，超聲波篩分系統(tǒng)完全隔除45微米以上大顆粒，保證合格的窄粒度段，從而提高粉末品質(zhì)。

國內(nèi)第一條超低氧高純鈦粉無氧篩分系統(tǒng)工程的成功運(yùn)行，將促進(jìn)該行業(yè)工藝的完善與發(fā)展。

2.2單體金屬粉末的氬氣超聲波無氧篩分

 單組份金屬粉末隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，對粉末的品質(zhì)要求也越來越高，往超細(xì)化發(fā)展的趨勢越來越明顯。粉末越來越細(xì)，粒子段越來越清晰、狹窄。細(xì)微化的金屬粉末有更大的比表面積，含氣量更大，更易于氧化、漂??；細(xì)小顆粒更易于團(tuán)聚、對篩網(wǎng)的吸附現(xiàn)象更加明顯，通過以篩網(wǎng)為介質(zhì)的物理分離難度更大。

單成分金屬粉末的氬氣超聲波無氧篩分系統(tǒng)，在PLANSEE的鎢、鐵、鎳、銅等粉末制備工藝中成功運(yùn)用；通過無氧篩分系統(tǒng)處理的粉末，用于部件制造時(shí)，大大提高了再制品的產(chǎn)品性能與品質(zhì)，改善了強(qiáng)度與耐用性。取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；

單成分金屬粉末的氬氣超聲波無氧篩分系統(tǒng)，是一個密閉可循環(huán)系統(tǒng)；首先將原包裝待處理粉末轉(zhuǎn)移到可密閉料罐中，料罐與送料系統(tǒng)對接，系統(tǒng)充填氬氣，粉末輸送至超聲波篩分系統(tǒng)，成品與篩余物分別進(jìn)入不同的密閉受料器，完成一個階段的粉末篩分。

系統(tǒng)中氬氣的充填，讓金屬粉末在輸送與篩分過程處于無氧狀態(tài)，既降低了粉末氧化幾率，又防止了系統(tǒng)中懸浮超細(xì)粉末的爆炸可能性。只有加載了超聲波篩分系統(tǒng)，解除篩網(wǎng)網(wǎng)絲的表面張力，破壞微粉顆粒對篩網(wǎng)的吸附，并對團(tuán)聚顆粒有分散作用，大小顆粒的分離精度得到提升，更有效地保證清晰的粒子段。該系統(tǒng)的超   聲波系統(tǒng)、電器等均應(yīng)符合ATEX隔爆要求。

根據(jù)冶金粉末行業(yè)的發(fā)展趨勢，惰性氣體保護(hù)下的超聲波無氧篩分將有越來越廣泛的應(yīng)用范圍。

2.3 合金粉末的真空超聲波篩分

合金粉末的真空超聲波篩分是一個完全封閉的系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)但占據(jù)空間較大；因?yàn)闆]有氣體流動，發(fā)熱器件散熱較難，對電動機(jī)、超聲波篩分系統(tǒng)等電器要求更高。

航材院的高溫合金粉末真空篩分系統(tǒng)，是把超聲波篩分系統(tǒng)完全置于一個真空環(huán)境，篩分過程在真空容器內(nèi)完成，容器外部設(shè)置抽真空設(shè)備，保證容器內(nèi)一定的真空度。超聲波換能器設(shè)置在篩機(jī)機(jī)體外部，避免對粉末的污染。超聲波電源部分設(shè)置在真空容器的外部，通過密封的導(dǎo)線接入篩分機(jī)。

對于可氧化性不十分敏感的金屬粉末或合金粉末，可以在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)粉末的篩分。這為小批量制造高端粉末提供了簡便的低氧篩分工藝。

三.超聲波無氧篩分技術(shù)的發(fā)展

超聲波無氧篩分是超細(xì)冶金粉末顆粒物理分離的技術(shù)核心，無氧篩分粉末的多樣性，是由性能不同材料的特性所決定的。無氧篩分的理念為超細(xì)粉的制備技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性鋪平了道路。

隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，超細(xì)金屬粉末的開發(fā)應(yīng)用有了更高的要求，對于金屬粉末的超細(xì)化、窄粒度段控制、低含氧量等性能的要求越來越高，尤其是3D打印帶來的巨大發(fā)展契機(jī)，冶金粉末的發(fā)展必須跟得上需求。目前，國內(nèi)外的粉末制備正朝著高純、超細(xì)、低氧方向發(fā)展，超聲波無氧篩分技術(shù)也將成為提高高端粉末制備的先進(jìn)手段。

四．結(jié)語

隨著超聲波無氧篩分技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，超聲波無氧篩分技術(shù)必將更加廣泛地應(yīng)用到高端粉末制備的各個領(lǐng)域中。作為粉末冶金超聲波無氧篩分技術(shù)應(yīng)用較為成功的領(lǐng)域，冶金領(lǐng)域應(yīng)更加重視粉末超細(xì)、高純、低氧技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。