淺談高容量VIGA設備的設計

來源：威拉里

粉末需求現(xiàn)狀
金屬3D打印是當前熱門的新興行業(yè)，憑借其技術上的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、定制化特點，已經(jīng)應用在航空航天、醫(yī)療、軍工等高端產(chǎn)業(yè)。金屬3D打印被認為是推動第三次工業(yè)革命的重要力量，我們國家在該技術上的發(fā)展已經(jīng)處于世界先進水平，并以驚人的速度高速發(fā)展。

隨著國內外大尺寸打印設備陸續(xù)問世，單批次粉末的需求量提升到以往的3~5倍，這對于制粉裝備的容量和穩(wěn)定性，以及粉末的管理提出了更高的要求。

△3D打印圖

△3D打印圖

制粉設備現(xiàn)狀
目前熱門的高溫合金、模具鋼、鋁合金、鈷鉻合金等粉末，絕大多數(shù)都是用VIGA工藝生產(chǎn)的，國內粉末供應商的單臺設備大都在250kg以內，按照單班2爐左右的效率生產(chǎn)，生產(chǎn)效率整體偏低。進口設備可以做到單爐1t甚至更高，但其動輒2000萬的價格和兩三年的交期，再加上國際貿易形勢嚴峻將導致采購難度增加，進口設備注定會被快速發(fā)展的國產(chǎn)設備逐步取代。

△設備圖

提高單爐容量面臨的困難
按照常規(guī)經(jīng)驗，提高單爐的容量可以有效的提高整體產(chǎn)量，但在實際生產(chǎn)中要達到這一目標往往非常困難，主要難點如下。

（1）生產(chǎn)效率
由于VIGA設備需要抽真空和惰性氣體置換的特點，目前并沒有穩(wěn)定可靠的方案進行連續(xù)生產(chǎn)，無論大小設備，主要使用半連續(xù)的間歇式生產(chǎn)。當設備容量增大時，熔煉所使用的線圈、坩堝和保護層等會相應增大，在前一爐結束后，需要的冷卻時間更長，且坩堝修補量和難度都會大幅增加，導致單位時間內的生產(chǎn)爐數(shù)減少，不僅不能大幅增加總體產(chǎn)量，甚至可能因此減少產(chǎn)量。

△批量生產(chǎn)的GH4169（InConel 718）鎳基高溫合金粉末

（2）高溫耐久性
除了熔煉坩堝和線圈，導流和霧化系統(tǒng)也是影響設備容量的重要因素之一。目前絕大多數(shù)VIGA設備都是使用“中間包+霧化器”的結構，即中間包坩堝底部開孔與導流管連接，導流管再插入霧化器中，與霧化器形成超音速噴口。金屬液在中間包坩堝中進行適當保溫，而后流經(jīng)導流管進入霧化器，在噴口處與霧化器噴出的高壓高速氣體相遇，被破碎并冷卻成球形粉末。
由于整個霧化過程要持續(xù)15~30min，期間有100~200kg的高溫金屬液流過，過程中對于整個導流系統(tǒng)和霧化系統(tǒng)的容錯率幾乎為零，一但出現(xiàn)堵口、漏液、返氣等情況，會立即造成停產(chǎn)甚至安全事故，這對于相應組件尤其是導流管的性能有非常苛刻的要求。目前的導流管材質多數(shù)是氮化硼基體添加強化材料，具有良好的抗熱震性，但不耐沖刷，當霧化時間過長或金屬液流速過快時，這種導流管的內流道很容易沖刷變形，甚至整體斷裂，無法應用于大容量設備。

△添加不同強化材料的復合氮化硼噴嘴

（3）輔助組件
提高容量不僅需要對熔煉、導流和霧化系統(tǒng)進行全面的升級優(yōu)化，對其他組件也提出了更高的要求。

例如，為了精準控制工藝，需要在霧化過程中對熔煉坩堝和中間包坩堝內的金屬液進行實時控溫，熱電偶可以精確測溫但無法長時間工作，而常用的雙譜線紅外測溫則會因為爐內長時間熔煉產(chǎn)生的煙霧產(chǎn)生很大的誤差。

△正在霧化時，經(jīng)過熔煉在線除煙系統(tǒng)處理后的熔煉室

霧化時間的加長還會導致爐體、管道和旋風分離器的溫度持續(xù)上升，需要增加更多路的冷卻水保證這些組件和設備的穩(wěn)定性；霧化前后段排出氣體的溫度、流量、風壓等相應參數(shù)都會變化，也需要布袋除塵器能夠實時調節(jié)對應參數(shù)。
總結

提高設備的單爐產(chǎn)量是提高VIGA工藝制粉產(chǎn)能的有效途徑，但并不是簡單的將熔煉坩堝增大就能夠達到目的，還需要對設備整體進行全面的升級來與之匹配。
我公司技術研發(fā)人員已經(jīng)成功攻克上文提到的難點，設計出單班產(chǎn)能3~4爐、單爐350kg的VIGA設備，并已建成投入使用，可以有效的緩解公司產(chǎn)能不足的問題。更大的500kg級設備也已經(jīng)進入驗證階段。

△公司最新型350kg級VIGA設備

但隨著金屬3D打印市場的蓬勃發(fā)展，單批次粉末的需求量和總需求量還會持續(xù)大幅上升，更大單爐容量的設備勢必會成為主流的制粉裝備。