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3D打印鈦合金增材制造篩分系統

航天材料增材制造篩分系統

超聲波無氧篩分技術是一個系統工程。超聲波篩分系統是超聲波系統與篩分機的有機結合，通過聲波傳導系統把聲波能量傳遞給篩網網絲，破壞網絲表面張力，避免超細粉的吸附，降低篩網網孔的堵塞幾率，促使細粉或超細粉過網，達到超細粉或易吸附粉末的篩分或分級目的。超聲波無氧篩分系統，包括超聲波篩分機、給料系統、接料系統處在真空狀態下，或者在整個系統中動態充填氮氣、惰性氣體等，以保證粉末在不接觸空氣的狀態下完成篩分過程。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在內的諸多領域得到應用；其中，國內第一條3D打印高純鈦粉的無氧篩分工程，已為打破發達國家對我國高純鈦禁運的技術研發與生產提供了關鍵的篩分技術支持，并且取得良好的政治效益與經濟效益。

材料的超細、低氧以及顆粒粒子段的嚴格控制成為粉末冶金行業發展的趨勢！超細微粉的市場應用越來越廣泛，對應的生產工藝要求越來越嚴格，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，因此，粉末制備的工藝控制有了新的標準。除了制備工藝外，還需要對顆粒粒度進行控制性篩選，避免殘存大顆?；蝾w粒不均勻現象。利用粉末成型制造部件時，粉末達到超細的程度往往使部件具有很優良的特性。粉末越細，吸附性、團聚性、比表面積越大、流動性質越明顯，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，對篩分技術及篩分系統的要求越來越高；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特點

超聲波無氧篩分的技術特點在于：篩分系統無氧、超聲波高精度分離粉末、自動控制。

1.1    真空狀態下的金屬粉末篩分

氧化性較低的金屬粉末或合金粉末隔離大顆?；蛉コ☆w粒時，在真空狀態下運行的篩分系統可以滿足篩分的工藝需求；單獨的超聲波篩分系統放置在真空罐體中，利用抽真空系統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。

1.2    惰性氣體保護

超細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，需要在給料、篩分過程隔離空氣；篩分過程中控制系統含氧量，防止金屬粉末接觸氧氣，保證粉末的純度，進而提高品質。

1.3    超聲波篩分系統

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

1.4    隔爆功能

粉末生產中的微粉顆粒更容易懸浮于氣體中，在局部環境達到一定濃度時極易發生爆燃；微粉或超細粉的篩分系統配置隔爆功能的電氣、電動機、超聲波篩分系統以及特殊的密封材料與結構方式。

1.5    自動化控制

超聲波無氧篩分系統自動控制運行：調節真空度、含氧量檢測、惰性氣體充填、物料密閉輸送、設備系統啟動的先后控制等，是整個系統控制的關鍵，用以保證品質、實現整條生產線的自動化控制。

二. 超聲波無氧篩分的技術在粉末冶金領域的應用

隨著工業制造技術的高速發展，金屬粉末材料的制造標準也越來越高，尤其是3D打印技術的出現，粉末的細微化、顆粒段標準化已成為行業的發展趨勢。高端細微化的金屬粉末接觸空氣更易于被氧化，粉末低含氧量的標準要求更高，細微粉末顆粒的物理分離也更難以實現；高端材料的粉末分離中提出超聲波無氧篩分的概念，為適應市場發展的需求，在粉末冶金行業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在粉末冶金行業的應用必然性。

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打印將給工業制造帶來革命性的變化！3D打印（增材制造）技術目前已經成為全球最關注的新興技術之一，其專用材料尤其是高性能金屬構件激光直接制造用特種粉體材料產業有很好的發展前景。美國國家航空航天局和洛克達因公司共同完成了3D打印火箭發動機噴射器的測試，工時和成本驟降。3D打印的核心是它對傳統制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說，3D打印最關鍵的不是機械制造，而是材料研發。在高性能金屬構件直接制造方面，需要低氧含量、細粒徑、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備還主要依靠進口。

因此針對低氧含量、細粒徑粉末的使用要求，國內受制粉技術所限，目前細粒徑粉末制備困難，粉末收得率低、氧及其他雜質含量高等，在使用過程中易出現粉末熔化狀態不均勻，導致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強度低、結構不均勻、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，仍處于發達國家對中國禁運狀態。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，純度達到99.999%及以上。國內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鍵工藝。

超低氧高純鈦粉無氧篩分系統是一個密閉運行的篩分系統，包括：惰性氣體充填、物料輸送、超聲波篩分、受料容器等。其工藝特點在于：整個系統處于封閉狀態，并且系統運行時自動完成，不再需要人工干預；工藝流程是：系統啟動    排出系統內空氣                                               惰性氣體充填系統啟動含氧量監測給料系統啟動超聲波篩分系統自啟動受料容器收料完成無氧篩分過程。該無氧篩分系統能保證鈦粉不在末端工藝中增加含氧量，超聲波篩分系統完全隔除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。

國內第一條超低氧高純鈦粉無氧篩分系統工程的成功運行，將促進該行業工藝的完善與發展。

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制造技術的發展，對粉末的品質要求也越來越高，往超細化發展的趨勢越來越明顯。粉末越來越細，粒子段越來越清晰、狹窄。細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??；細小顆粒更易于團聚、對篩網的吸附現象更加明顯，通過以篩網為介質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，在PLANSEE的鎢、鐵、鎳、銅等粉末制備工藝中成功運用；通過無氧篩分系統處理的粉末，用于部件制造時，大大提高了再制品的產品性能與品質，改善了強度與耐用性。取得了良好的經濟效益；

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

系統中氬氣的充填，讓金屬粉末在輸送與篩分過程處于無氧狀態，既降低了粉末氧化幾率，又防止了系統中懸浮超細粉末的爆炸可能性。只有加載了超聲波篩分系統，解除篩網網絲的表面張力，破壞微粉顆粒對篩網的吸附，并對團聚顆粒有分散作用，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。該系統的超   聲波系統、電器等均應符合ATEX隔爆要求。

根據冶金粉末行業的發展趨勢，惰性氣體保護下的超聲波無氧篩分將有越來越廣泛的應用范圍。

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，便于實現但占據空間較大；因為沒有氣體流動，發熱器件散熱較難，對電動機、超聲波篩分系統等電器要求更高。

航材院的高溫合金粉末真空篩分系統，是把超聲波篩分系統完全置于一個真空環境，篩分過程在真空容器內完成，容器外部設置抽真空設備，保證容器內一定的真空度。超聲波換能器設置在篩機機體外部，避免對粉末的污染。超聲波電源部分設置在真空容器的外部，通過密封的導線接入篩分機。

對于可氧化性不十分敏感的金屬粉末或合金粉末，可以在真空環境下實現粉末的篩分。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的發展

超聲波無氧篩分是超細冶金粉末顆粒物理分離的技術核心，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粉的制備技術先進性與經濟性鋪平了道路。

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

四．結語

隨著超聲波無氧篩分技術的不斷完善與發展，超聲波無氧篩分技術必將更加廣泛地應用到高端粉末制備的各個領域中。作為粉末冶金超聲波無氧篩分技術應用較為成功的領域，冶金領域應更加重視粉末超細、高純、低氧技術的開發與應用。