3D打印钛合金增材制造筛分系统

航天材料增材制造筛分系统

超声波无氧筛分技术是一个系统工程。超声波筛分系统是超声波系统与筛分机的有机结合，通过声波传导系统把声波能量传递给筛网网丝，破坏网丝表面张力，避免超细粉的吸附，降低筛网网孔的堵塞几率，促使细粉或超细粉过网，达到超细粉或易吸附粉末的筛分或分级目的。超声波无氧筛分系统，包括超声波筛分机、给料系统、接料系统处在真空状态下，或者在整个系统中动态充填氮气、惰性气体等，以保证粉末在不接触空气的状态下完成筛分过程。目前，包括航天材料、3D打印材料、电子材料、喷涂材料等尖端技术在内的诸多领域得到应用；其中，国内第一条3D打印高纯钛粉的无氧筛分工程，已为打破发达国家对我国高纯钛禁运的技术研发与生产提供了关键的筛分技术支持，并且取得良好的政治效益与经济效益。

材料的超细、低氧以及颗粒粒子段的严格控制成为粉末冶金行业发展的趋势！超细微粉的市场应用越来越广泛，对应的生产工艺要求越来越严格，粉末成品颗粒粒径、粒子段分布要求也越来越清晰，粉末低含氧量也成为高端材料一个新的重要指标，因此，粉末制备的工艺控制有了新的标准。除了制备工艺外，还需要对颗粒粒度进行控制性筛选，避免残存大颗粒或颗粒不均匀现象。利用粉末成型制造部件时，粉末达到超细的程度往往使部件具有很优良的特性。粉末越细，吸附性、团聚性、比表面积越大、流动性质越明显，被氧化几率越高，并且会显示出易爆特性；这也造成在隔除大颗粒、分离小颗粒、控制粒子段、降低含氧量的难度增加，对筛分技术及筛分系统的要求越来越高；不同的金属或合金粉末又有不同的物理特性，仅依靠简单的筛分机是无法解决尖端材料筛分的工艺问题。

一. 超声波无氧筛分的技术特点

超声波无氧筛分的技术特点在于：筛分系统无氧、超声波高精度分离粉末、自动控制。

1.1    真空状态下的金属粉末筛分

氧化性较低的金属粉末或合金粉末隔离大颗粒或去除小颗粒时，在真空状态下运行的筛分系统可以满足筛分的工艺需求；单独的超声波筛分系统放置在真空罐体中，利用抽真空系统让罐体保持一定真空度，隔离空气，防止粉末过度氧化而降低品质。

1.2    惰性气体保护

超细金属粉末或特别的合金粉末，暴露在空气中更易于氧化，尤其是高端金属粉末，对含氧量有更高的要求，在分离粉末颗粒时，需要在给料、筛分过程隔离空气；筛分过程中控制系统含氧量，防止金属粉末接触氧气，保证粉末的纯度，进而提高品质。

1.3    超声波筛分系统

利用超声波的特性，作用于合适的筛网，解决细粉或超细粉的因粉末吸附的堵塞网孔现象，更有益于高精度分离粉末；换能器固定于筛机机体外部，减少设备部件对金属粉末的污染。

1.4    隔爆功能

粉末生产中的微粉颗粒更容易悬浮于气体中，在局部环境达到一定浓度时极易发生爆燃；微粉或超细粉的筛分系统配置隔爆功能的电气、电动机、超声波筛分系统以及特殊的密封材料与结构方式。

1.5    自动化控制

超声波无氧筛分系统自动控制运行：调节真空度、含氧量检测、惰性气体充填、物料密闭输送、设备系统启动的先后控制等，是整个系统控制的关键，用以保证品质、实现整条生产线的自动化控制。

二. 超声波无氧筛分的技术在粉末冶金领域的应用

随着工业制造技术的高速发展，金属粉末材料的制造标准也越来越高，尤其是3D打印技术的出现，粉末的细微化、颗粒段标准化已成为行业的发展趋势。高端细微化的金属粉末接触空气更易于被氧化，粉末低含氧量的标准要求更高，细微粉末颗粒的物理分离也更难以实现；高端材料的粉末分离中提出超声波无氧筛分的概念，为适应市场发展的需求，在粉末冶金行业引入超声波无氧筛分工艺成为必然的趋势。下面以具体的案例，说明超声波无氧筛分技术在粉末冶金行业的应用必然性。

2.1 超低氧高纯钛3D打印粉的惰性气体超声波无氧筛分

近年兴起的3D打印将给工业制造带来革命性的变化！3D打印（增材制造）技术目前已经成为全球最关注的新兴技术之一，其专用材料尤其是高性能金属构件激光直接制造用特种粉体材料产业有很好的发展前景。美国国家航空航天局和洛克达因公司共同完成了3D打印火箭发动机喷射器的测试，工时和成本骤降。3D打印的核心是它对传统制造模式的颠覆，因此，从某种意义上说，3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发。在高性能金属构件直接制造方面，需要低氧含量、细粒径、高球形度的钛及钛合金粉末或镍基、钴基高温合金粉末，粉末粒度以-500目为主，氧含量宜低于0.1%，且粒径均匀；目前高端的合金粉末和制造设备还主要依靠进口。

因此针对低氧含量、细粒径粉末的使用要求，国内受制粉技术所限，目前细粒径粉末制备困难，粉末收得率低、氧及其他杂质含量高等，在使用过程中易出现粉末熔化状态不均匀，导致制品中氧化物夹杂含量高、致密性差、强度低、结构不均匀、窄粒度段粉末成品率低等问题。

目前，高端3D打印所需超低氧高纯钛粉，因其有明显的航天、军事用途，仍处于发达国家对中国禁运状态。高端3D打印所需超低氧高纯钛粉末的最佳粒度在0~45微米，氧含量低于1000ppm，纯度达到99.999%及以上。国内目前对高纯钛的材料制备在含氧量、窄粒度段控制方面是存在的主要问题之一；解决类该问题，除制粉工艺需要提升外，成品末端控制也非常关键。有效控制粉末粒子段、保证含氧量，超声波无氧筛分成为关键工艺。

超低氧高纯钛粉无氧筛分系统是一个密闭运行的筛分系统，包括：惰性气体充填、物料输送、超声波筛分、受料容器等。其工艺特点在于：整个系统处于封闭状态，并且系统运行时自动完成，不再需要人工干预；工艺流程是：系统启动    排出系统内空气                                               惰性气体充填系统启动含氧量监测给料系统启动超声波筛分系统自启动受料容器收料完成无氧筛分过程。该无氧筛分系统能保证钛粉不在末端工艺中增加含氧量，超声波筛分系统完全隔除45微米以上大颗粒，保证合格的窄粒度段，从而提高粉末品质。

国内第一条超低氧高纯钛粉无氧筛分系统工程的成功运行，将促进该行业工艺的完善与发展。

2.2单体金属粉末的氩气超声波无氧筛分

 单组份金属粉末随着工业制造技术的发展，对粉末的品质要求也越来越高，往超细化发展的趋势越来越明显。粉末越来越细，粒子段越来越清晰、狭窄。细微化的金属粉末有更大的比表面积，含气量更大，更易于氧化、漂浮；细小颗粒更易于团聚、对筛网的吸附现象更加明显，通过以筛网为介质的物理分离难度更大。

单成分金属粉末的氩气超声波无氧筛分系统，在PLANSEE的钨、铁、镍、铜等粉末制备工艺中成功运用；通过无氧筛分系统处理的粉末，用于部件制造时，大大提高了再制品的产品性能与品质，改善了强度与耐用性。取得了良好的经济效益；

单成分金属粉末的氩气超声波无氧筛分系统，是一个密闭可循环系统；首先将原包装待处理粉末转移到可密闭料罐中，料罐与送料系统对接，系统充填氩气，粉末输送至超声波筛分系统，成品与筛余物分别进入不同的密闭受料器，完成一个阶段的粉末筛分。

系统中氩气的充填，让金属粉末在输送与筛分过程处于无氧状态，既降低了粉末氧化几率，又防止了系统中悬浮超细粉末的爆炸可能性。只有加载了超声波筛分系统，解除筛网网丝的表面张力，破坏微粉颗粒对筛网的吸附，并对团聚颗粒有分散作用，大小颗粒的分离精度得到提升，更有效地保证清晰的粒子段。该系统的超   声波系统、电器等均应符合ATEX隔爆要求。

根据冶金粉末行业的发展趋势，惰性气体保护下的超声波无氧筛分将有越来越广泛的应用范围。

2.3 合金粉末的真空超声波筛分

合金粉末的真空超声波筛分是一个完全封闭的系统，便于实现但占据空间较大；因为没有气体流动，发热器件散热较难，对电动机、超声波筛分系统等电器要求更高。

航材院的高温合金粉末真空筛分系统，是把超声波筛分系统完全置于一个真空环境，筛分过程在真空容器内完成，容器外部设置抽真空设备，保证容器内一定的真空度。超声波换能器设置在筛机机体外部，避免对粉末的污染。超声波电源部分设置在真空容器的外部，通过密封的导线接入筛分机。

对于可氧化性不十分敏感的金属粉末或合金粉末，可以在真空环境下实现粉末的筛分。这为小批量制造高端粉末提供了简便的低氧筛分工艺。

三.超声波无氧筛分技术的发展

超声波无氧筛分是超细冶金粉末颗粒物理分离的技术核心，无氧筛分粉末的多样性，是由性能不同材料的特性所决定的。无氧筛分的理念为超细粉的制备技术先进性与经济性铺平了道路。

随着工业制造技术的发展，超细金属粉末的开发应用有了更高的要求，对于金属粉末的超细化、窄粒度段控制、低含氧量等性能的要求越来越高，尤其是3D打印带来的巨大发展契机，冶金粉末的发展必须跟得上需求。目前，国内外的粉末制备正朝着高纯、超细、低氧方向发展，超声波无氧筛分技术也将成为提高高端粉末制备的先进手段。

四．结语

随着超声波无氧筛分技术的不断完善与发展，超声波无氧筛分技术必将更加广泛地应用到高端粉末制备的各个领域中。作为粉末冶金超声波无氧筛分技术应用较为成功的领域，冶金领域应更加重视粉末超细、高纯、低氧技术的开发与应用。