淺談高容量VIGA設(shè)備的設(shè)計(jì)

來(lái)源：威拉里

粉末需求現(xiàn)狀
金屬3D打印是當(dāng)前熱門(mén)的新興行業(yè),，憑借其技術(shù)上的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,、定制化特點(diǎn),，已經(jīng)應(yīng)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(rèn)為是推動(dòng)第三次工業(yè)革命的重要力量,，我們國(guó)家在該技術(shù)上的發(fā)展已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平,，并以驚人的速度高速發(fā)展。

隨著國(guó)內(nèi)外大尺寸打印設(shè)備陸續(xù)問(wèn)世，單批次粉末的需求量提升到以往的3~5倍,，這對(duì)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(shè)備現(xiàn)狀
目前熱門(mén)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(guó)內(nèi)粉末供應(yīng)商的單臺(tái)設(shè)備大都在250kg以?xún)?nèi)，按照單班2爐左右的效率生產(chǎn),，生產(chǎn)效率整體偏低,。進(jìn)口設(shè)備可以做到單爐1t甚至更高，但其動(dòng)輒2000萬(wàn)的價(jià)格和兩三年的交期,，再加上國(guó)際貿(mào)易形勢(shì)嚴(yán)峻將導(dǎo)致采購(gòu)難度增加,，進(jìn)口設(shè)備注定會(huì)被快速發(fā)展的國(guó)產(chǎn)設(shè)備逐步取代。

△設(shè)備圖

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

（1）生產(chǎn)效率
由于VIGA設(shè)備需要抽真空和惰性氣體置換的特點(diǎn),，目前并沒(méi)有穩(wěn)定可靠的方案進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，無(wú)論大小設(shè)備,，主要使用半連續(xù)的間歇式生產(chǎn),。當(dāng)設(shè)備容量增大時(shí)，熔煉所使用的線圈,、坩堝和保護(hù)層等會(huì)相應(yīng)增大,，在前一爐結(jié)束后，需要的冷卻時(shí)間更長(zhǎng),，且坩堝修補(bǔ)量和難度都會(huì)大幅增加,，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)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(dǎo)流和霧化系統(tǒng)也是影響設(shè)備容量的重要因素之一,。目前絕大多數(shù)VIGA設(shè)備都是使用“中間包+霧化器”的結(jié)構(gòu),，即中間包坩堝底部開(kāi)孔與導(dǎo)流管連接，導(dǎo)流管再插入霧化器中,，與霧化器形成超音速?lài)娍�,。金屬液在中間包坩堝中進(jìn)行適當(dāng)保溫,，而后流經(jīng)導(dǎo)流管進(jìn)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(gè)霧化過(guò)程要持續(xù)15~30min，期間有100~200kg的高溫金屬液流過(guò),，過(guò)程中對(duì)于整個(gè)導(dǎo)流系統(tǒng)和霧化系統(tǒng)的容錯(cuò)率幾乎為零,，一但出現(xiàn)堵口、漏液,、返氣等情況,，會(huì)立即造成停產(chǎn)甚至安全事故，這對(duì)于相應(yīng)組件尤其是導(dǎo)流管的性能有非�,？量痰囊���,。目前的導(dǎo)流管材質(zhì)多數(shù)是氮化硼基體添加強(qiáng)化材料，具有良好的抗熱震性,，但不耐沖刷,，當(dāng)霧化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或金屬液流速過(guò)快時(shí)，這種導(dǎo)流管的內(nèi)流道很容易沖刷變形,，甚至整體斷裂,，無(wú)法應(yīng)用于大容量設(shè)備。

△添加不同強(qiáng)化材料的復(fù)合氮化硼噴嘴

（3）輔助組件
提高容量不僅需要對(duì)熔煉,、導(dǎo)流和霧化系統(tǒng)進(jìn)行全面的升級(jí)優(yōu)化,，對(duì)其他組件也提出了更高的要求。

例如,，為了精準(zhǔn)控制工藝,，需要在霧化過(guò)程中對(duì)熔煉坩堝和中間包坩堝內(nèi)的金屬液進(jìn)行實(shí)時(shí)控溫，熱電偶可以精確測(cè)溫但無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作,，而常用的雙譜線紅外測(cè)溫則會(huì)因?yàn)闋t內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間熔煉產(chǎn)生的煙霧產(chǎn)生很大的誤差,。

△正在霧化時(shí)，經(jīng)過(guò)熔煉在線除煙系統(tǒng)處理后的熔煉室

霧化時(shí)間的加長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致?tīng)t體,、管道和旋風(fēng)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(shè)備的穩(wěn)定性；霧化前后段排出氣體的溫度,、流量,、風(fēng)壓等相應(yīng)參數(shù)都會(huì)變化，也需要布袋除塵器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)參數(shù),。
總結(jié)

提高設(shè)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(jiǎn)單的將熔煉坩堝增大就能夠達(dá)到目的，還需要對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行全面的升級(jí)來(lái)與之匹配,。
我公司技術(shù)研發(fā)人員已經(jīng)成功攻克上文提到的難點(diǎn),，設(shè)計(jì)出單班產(chǎn)能3~4爐,、單爐350kg的VIGA設(shè)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(wèn)題。更大的500kg級(jí)設(shè)備也已經(jīng)進(jìn)入驗(yàn)證階段,。

△公司最新型350kg級(jí)VIGA設(shè)備

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