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      從霧化制粉到3D打印,熔融金屬難題解決方案之氮化硼噴嘴
      2022年06月30日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:84
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      粉末冶金(Powder metallurgy)具有材料利用率高、單位能耗低、環保等核心工藝優勢,是符合未來碳中和方向的技術。近幾年隨著粉末冶金技術的成熟和零部件小型化的趨勢,金屬注射成型(MIM)和3D打印AM)兩種新興工藝路線迅速崛起。同時,高品質粉體原材料的供應問題開始成為制約產業發展的主要因素。

      粉末冶金

      傳統壓制成型工藝適用于大體積,中低密度,形狀簡單的制品生產,對金屬和合金粉末的要求相對不高(粒徑100μm左右);但小而復雜的零件無疑更適合注射成型和3D打印(粒徑20μm甚至更小),并且已越來越多地應用到航空航天、醫療、電子、軍工等高端領域,因此制備純凈度高、球形度好,粒度小且分布窄,氧含量低的金屬粉體成了新的業內焦點,這些參數對金屬制品的質量有著至關重要的影響。

      1、霧化制粉與噴嘴

      最早用于MIM的鐵粉和鎳粉以羰基法生產,這種方法雖然成熟,但難以制備含兩種以上元素的合金粉體,品種有限且生產毒性大。因此,后來的水霧化法、氣霧化法、油霧化法、氣水聯動霧化法、等離子霧化法被紛紛開發并取代羰基法成為主流,以上這些工藝統稱為霧化制粉,而霧化制粉的關鍵部件——噴嘴,很大程度上決定了霧化率(細粉收得率),繼而也決定了生產效率和粉體質量。業內不斷探索對噴嘴的改進,比如通過設計改變氣體、熔體、液體流場等,提升氣液比,控制氧含量,但噴嘴面臨的是沖蝕、磨損、高溫、劇烈熱震的惡劣工況,其材質決定了工藝穩定性和部件壽命。

      氧化鋯陶瓷噴嘴

      最常見的氧化鋯陶瓷噴嘴

      在金屬氧化物材料中,氧化鋯的高溫穩定性、隔熱性能最好,同時氧化鋯陶瓷具有耐磨性好、硬度大的特點,制備工藝相對簡單,坯體成本較低,易于市場化應用,因此氧化鋯陶瓷噴嘴最早在金屬霧化制粉應用中普及。

      但是傳統氧化鋯噴嘴缺乏嚴格的公差和干凈的邊緣,這導致霧化不均勻穩定,收得粉末粒度分布較寬;此外氧化鋯與金屬熔體的摩擦力過高,這導致噴嘴容易發生堵塞。高純氮化硼陶瓷具備優異的耐高溫性能,而復合氮化硼陶瓷則稍許犧牲耐高溫性能,換來如耐腐蝕、耐磨性、抗熱震性等不同方向能力的提升。復合氮化硼噴嘴可最大限度地減少堵塞和金屬蠕變,從而降低噴嘴更換頻率。由于氮化硼的低摩擦系數,光滑的表面光潔度和更嚴格的公差提供了批次之間可預測的粒度分布。此外,極強的抗熱震性使氮化硼噴嘴無需大量預熱即可使用。

      23D打印與噴嘴

      3D打印相比注射成型的最大區別在于,3D打印不需要模具,更利于個性化、多樣化生產。由于沒有模具的約束和輔助作用,其生產工藝自然更依賴于打印設備和粉體原料的性能。噴嘴是決定成品質量的關鍵零部件,根據需求選取噴嘴才能得到滿意結果——最好理解的比如追求速度就要放棄精度選擇大噴嘴,追求精度就要放棄速度則選擇小噴嘴。

      黃銅噴嘴

      黃銅噴嘴

      黃銅噴嘴是塑料、樹脂、蠟等常規高分子材料的主力,應用廣泛,性價比高。黃銅的莫氏硬度為3,最高打印溫度不超過300℃,熱膨脹系數高達18m/m.K,這些材料特性決定了它易于加工,卻無法用于高溫耗材和高精度打印,比如用于金屬和合金材料。

      隨著金屬3D打印技術的發展,氮化硼為金屬霧化帶來的好處與這些新的3D打印技術越來越相關。比如,一些3D打印制造商目前正在尋找在高溫下應對熔融金屬的方法——高溫會給機械部件帶來巨大的熱應力,從而在打印機設計中帶來新的挑戰;除此之外還有不粘結、不浸潤熔融金屬液等要求……氮化硼陶瓷的高抗熱震性和低熱膨脹系數使其能夠承受高的熱梯度,其高導熱性有助于沉積后金屬的快速凝固。

      小結

      氮化硼噴嘴

      氮化硼噴嘴

      復合氮化硼不同的配方會使產品具備不同特性,包括高溫耐久性、抗沖擊性、導電性和抗電性等,為客戶定制產品需要大量生產實踐和經驗總結;此外必須具備精密加工能力才可以確保陶瓷噴嘴的一致性。這些也是當前產品研發所需要面對和解決的問題。


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