金屬粉末冶煉的工藝流程解密！

　　金屬粉末技術(shù)是各種行業(yè)中當今應用最廣泛的生產(chǎn)方法。

　　利用粉末冶金術(shù)制造的合金類(lèi)型用途廣泛，例如用于電子工業(yè)的焊接和銅焊合金、用于航空器的鎳、鈷和含鐵高溫合金、儲氫合金和磁性合金以及用于濺射靶材生產(chǎn)的活性合金，例如鈦。

　　用于生產(chǎn)金屬粉末的工藝步驟為活性金屬和合金的熔煉、霧化和凝固。金屬粉末生產(chǎn)方法，例如氧化物還原和水霧化，受特種粉末質(zhì)量標準的約束，例如粒子幾何尺寸、粒子形態(tài)和化學(xué)純度。

　　惰性氣霧化結合了真空熔煉，因此是用于生產(chǎn)高等級粉末的領(lǐng)先制粉工藝，滿(mǎn)足特定的質(zhì)量標準，例如:·球形;·高清潔度;·快速凝固;·均勻微觀(guān)結構。

　　將不同的熔煉技術(shù)與惰性氣體霧化結合起來(lái)，可生產(chǎn)高溫合金、超清潔材料和活性金屬。

　　金屬粉末應用:·鎳基高溫合金，用于航空工業(yè)和電力工程;·焊料和釬焊材料;·耐磨損涂層;·用于部件的MIM粉末;·用于電子行業(yè)的濺射靶材生產(chǎn);·MCRALY抗氧化涂層。

　　真空感應熔煉和惰性氣體霧化

　　真空惰性氣體霧化系統(VIGA)的標準設計包括一個(gè)真空感應熔煉(VIM)爐，合金在爐中熔化、精煉和脫氣。精煉熔化金屬通過(guò)一個(gè)預熱中間包倒入噴氣管系統，在此處，熔體流被高壓惰性氣體流的動(dòng)力所分散。所制造的金屬粉末彌漫在霧化塔中進(jìn)行凝固，而霧化塔就直接位于霧化噴嘴的下面。粉末氣體混合物通過(guò)輸送管輸送至旋風(fēng)分離器中，在此處粗大粉末和精細粉末與霧化氣體進(jìn)行分離。金屬粉末將收集至直接位于旋風(fēng)分離器下面的密封容器中。

　　已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了霧化系統，利用此系統可將多種熔煉工藝與惰性氣體霧化結合起來(lái)。所建立的霧化系統為模塊化設計，范圍從實(shí)驗室等級(1-8升坩堝容量)、中間生產(chǎn)等級(10-50升坩堝容量)到大型霧化系統(300升坩堝容量)。

　　用于金屬粉末生產(chǎn)的不同熔煉裝置的基本布局

　　大型VIGA霧化裝置此頁(yè)圖片顯示了大型惰性氣霧化系統。該霧化系統的熔煉坩堝的最大生產(chǎn)容量為2噸。霧化塔通過(guò)一個(gè)雙坩堝門(mén)裝置與熔煉室相連。每個(gè)真空感應熔煉爐都配有一扇爐門(mén)。該設計可迅速更換坩堝。當一個(gè)坩堝在生產(chǎn)運行時(shí)，第二個(gè)坩堝則進(jìn)行清洗和換爐襯，處于備用位置。這就最大限度地減少了熔爐更換操作所造成的停工時(shí)間。另外，雙門(mén)設計增強了生產(chǎn)的靈活性，因為不同的熔爐尺寸可適用于同一設備。熔煉室裝配有一個(gè)批量加料器，兩個(gè)溫度測量裝置和一個(gè)備用的中間包系統。

　　每個(gè)澆注中間包都具有氣體噴嘴裝置，安裝于中間包推車(chē)上。中間包推車(chē)可移動(dòng)至旁側位置進(jìn)行裝卸，無(wú)需進(jìn)行系統排放，也不會(huì )破壞周?chē)h(huán)境。一旦發(fā)生出口堵塞，備用中間包裝置將具有很高的靈活性。在這種情況下，第二個(gè)處于備用位置的預熱中間包澆口系統將被移至霧化位置繼續進(jìn)行生產(chǎn)。

　　真空感應熔煉惰性氣霧化系統的“標準”設計包括一個(gè)陶瓷熔煉坩堝，用于中間包的陶瓷材料和熔化金屬出口裝置。由于熔化金屬與陶瓷襯里及管口材料進(jìn)行接觸，在熔化金屬中會(huì )夾雜陶瓷材料，從而對高強度PM部件的材料性能產(chǎn)生了負面影響?；钚越饘俜勰?，比如鈦合金，就不能使用此方法生產(chǎn)，因為活性熔化金屬和陶瓷襯里之間會(huì )產(chǎn)生反應。為了克服“陶瓷問(wèn)題”，需要使用熔化金屬不與陶瓷襯里材料接觸的熔煉技術(shù)。另外，在熔煉過(guò)程中對熔化金屬進(jìn)行精煉也需采用此技術(shù)。需要使用無(wú)陶瓷生產(chǎn)工藝的典型材料為難熔和活性材料，例如Ti、TiAl、FeGd、FeTb、Zr和Cr。

　　EIGA

　　在EIGA(電極感應熔煉氣體霧化)工藝中，為電極形式的預合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應熔化和霧化。通過(guò)將緩慢旋轉的金屬電極降低至一個(gè)環(huán)形感應線(xiàn)圈中進(jìn)行電極熔化。電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統，利用惰性氣進(jìn)行霧化。EIGA工藝原本用于鈦之類(lèi)的活性合金或難熔合金。也可用于許多其它材料。

　　PIGA對于無(wú)陶瓷金屬粉末的生產(chǎn)以及活性金屬/難熔金屬的霧化，可利用等離子流在水冷銅坩堝中進(jìn)行熔煉。PIGA表示等離子熔煉感應引導氣體霧化。以上所示的PIGA的底部與一個(gè)感應加熱排出噴嘴相連，噴嘴也是以銅為材料制造的。該無(wú)陶瓷排出噴嘴系統將熔化金屬液體流引入氣體霧化噴嘴，在此處利用惰性氣體進(jìn)行分散。

　　VIGA-CC活性金屬，例如鈦合金或金屬間鈦鋁化合物等也可在冷壁銅感應坩堝里進(jìn)行熔煉，坩堝配有一個(gè)底部澆注系統。冷坩堝的底部澆注開(kāi)口與CIG系統相連。CIG表示冷壁感應引導系統，為ALD的專(zhuān)利產(chǎn)品。VIGA-CC表示基于冷壁坩堝熔煉技術(shù)的真空感應熔煉氣體霧化。

　　ESR-CIG用于飛機工業(yè)的高性能超耐熱合金一般通過(guò)“三倍熔化工藝”制造。在三倍熔化工藝中，材料精煉通過(guò)活性熔渣在ESR熔煉步驟中進(jìn)行處理。ESR重熔技術(shù)與無(wú)陶瓷熔化金屬引導系統(CIG)的結合代表了一種工藝技術(shù)，生產(chǎn)高清潔度和高化學(xué)均勻性的粉末材料。在ESR-CIG(電渣重熔冷壁感應引導)工藝中，將要霧化的材料以電極的形式給進(jìn)。電極向下伸入冶金精煉熔渣中。因為電極頭是在與熔渣的接觸點(diǎn)進(jìn)行熔化，所以形成精煉熔滴，這些熔滴向下穿過(guò)活性熔渣層。

　　穿過(guò)活性熔渣的精煉熔滴在熔渣層下形成了一個(gè)液體熔池。熔池被一個(gè)銅制水冷坩堝裝入。精煉金屬液體通過(guò)冷壁感應引導系統，然后被來(lái)自自由降落式氣體噴嘴的高動(dòng)力惰性氣體流進(jìn)行分散。

　　VIGA系統示意圖ESR-CIG系統示意圖

　　噴射成形技術(shù)除了作為傳統的粉末處理途徑以外，噴射成形在過(guò)去十年中變得越來(lái)越重要。這種獨特的工藝可用于直接制造半成品。與粉末HIP(熱等溫鍛壓制)技術(shù)相比，可以省去大量與壓制有關(guān)的工藝步驟，最大限度地減少氧氣吸收量，并且大幅降低污染風(fēng)險。

　　噴射成形技術(shù)的原理是，將熔化的金屬霧化成小滴，并且迅速將其凝固到收集器上。只要移動(dòng)這個(gè)收集器，就可以逐步形成半成品。由于霧化過(guò)程中的冷卻速度快，因此可以獲得沒(méi)有宏觀(guān)偏析的精細微觀(guān)結構。噴射口的移動(dòng)和收集器的形狀設計取決于霧化器的設計，可生產(chǎn)段形、環(huán)形、管形和條形。

　　產(chǎn)出的半成品要經(jīng)過(guò)第二次處理步驟，例如:熱處理、軋制、鍛造、擠壓或HIP。這個(gè)工藝可廣泛用于生產(chǎn)具有廣泛有途的坯段，如鋁合金、銅合金、特殊鋼和高溫高強合金應用情況的段狀收集器。

　　惰性氣體回收在具有一定加料容器的霧化系統中，建議進(jìn)行惰性氣體回收，減少惰性氣體的總消耗量，從而使工藝系統更加經(jīng)濟節約。提供兩套不同的工藝技術(shù)用于回收惰性氣體。

　　雙霧化器的噴射成型工藝

　　基于壓縮機技術(shù)的惰性氣體回收再利用惰性氣體的一種方法是使用合適的壓縮機裝置將氣體“驅趕”至一個(gè)密閉氣體循環(huán)回路中。在經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器和過(guò)濾系統之后，利用2級壓縮機裝置對“無(wú)塵”氣體進(jìn)行再增壓。壓縮機必須氣密性好，防止循環(huán)的惰性氣體造成污染。在壓縮機后面，有一個(gè)氣體緩沖瓶，用于最大限度地減少霧化過(guò)程中產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。從而產(chǎn)生與霧化壓力和氣體流速有關(guān)的穩定的霧化工藝條件。霧化氣體所允許的不純度水平設定得非常低，可在氣體循環(huán)回路的若干位置監測氧氣、氫氣和氮氣的含量。

　　對于大型霧化系統，該種類(lèi)型的氣體回收可在高至50bar壓力條件下經(jīng)濟運行。

　　大型霧化系統(包括粉末輸送和分離)的氣體回路系統中的粉末冷卻回路

　　氬的液化回收為了獲得更高的供氣壓力，將不再按照以上所描述的回收概念，而是利用液體氮作為制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)從而對氬進(jìn)行液化的原理。在這種情況下，配有脈動(dòng)緩沖器的2級壓縮機將替換為并流氬液化器和一套高壓液氬泵。

　　高壓液氬泵通過(guò)蒸發(fā)器將液氬送入高壓氣體接收器。根據此技術(shù)，供氣壓力可達約為100-200bar。

　　以上所述的配有回收系統的大型霧化系統的實(shí)踐操作經(jīng)驗表明，兩套回收系統的回收氣量在90–95%的范圍內。