Lớp luyện kim bột, như một công nghệ chuẩn bị và hình thành vật liệu tiên tiến vừa cổ xưa vừa năng động, có nguồn gốc từ công nghệ chuẩn bị gốm cổ và công nghệ luyện sắt. Cho đến năm 1909, sự ra đời của vonfram dẻo bằng luyện kim bột đánh dấu sự ra đời của kỷ nguyên luyện kim bột hiện đại. Trong hơn 100 năm qua, công nghệ luyện kim bột đã phát triển mạnh mẽ, và nhiều vật liệu và sản phẩm chính quan trọng khác nhau đã tiếp tục xuất hiện, trở thành một trong những công nghệ kỹ thuật quan trọng không thể thiếu đối với nền kinh tế và công nghệ quốc gia ngày nay. Đặc điểm và lợi thế của luyện kim bột
Metallurgy bột là một công nghệ sử dụng bột kim loại (hoặc hỗn hợp kim loại và bột phi kim loại) làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu kim loại, vật liệu composite và nhiều loại sản phẩm khác nhau thông qua các quy trình như đúc và thiêu kết.
So với các quá trình luyện tập và đúc truyền thống, luyện kim bột có nhiều lợi thế. Một mặt, nó có thể tránh sự phân biệt thành phần có thể có thể trong quá trình luyện kim, đảm bảo tính đồng nhất của thành phần vật liệu, và do đó có được hiệu suất ổn định và tuyệt vời hơn. Mặt khác, luyện kim bột có thể đạt được hình thành gần net, giảm đáng kể các quy trình xử lý tiếp theo và chất thải vật liệu. Theo thống kê có liên quan, tỷ lệ sử dụng vật liệu của các bộ phận được sản xuất bởi luyện kim bột có thể đạt hơn 90%, trong khi tỷ lệ sử dụng vật liệu của các phương pháp xử lý cơ học truyền thống thường chỉ là 30%-50%, không chỉ làm giảm chi phí sản xuất, mà còn cải thiện hiệu quả sản xuất. Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh thành phần bột, kích thước hạt và quy trình chuẩn bị, các tính chất vật liệu có thể được kiểm soát chính xác để đáp ứng nhu cầu của các trường khác nhau cho các tính chất vật liệu đặc biệt, như cường độ cao, độ cứng cao, kháng nhiệt độ cao, kháng ăn mòn, v.v.
Quá trình chính của quá trình luyện kim bột
(I) Chuẩn bị bột
Phương pháp nghiền cơ học: Lực cơ học được sử dụng để ngăn chặn việc chặn kim loại hoặc hợp kim thành bột. Thiết bị rất đơn giản, chi phí thấp và đầu ra lớn, nhưng hình dạng bột không đều, phân bố kích thước hạt rộng và các tạp chất dễ dàng được giới thiệu.
Phương pháp nguyên tử hóa: Chất lỏng kim loại nóng chảy được phun vào các giọt nhỏ với khí áp suất cao (nitơ, argon) hoặc dòng nước tốc độ cao, và làm mát và hóa rắn thành bột. Phương pháp nguyên tử hóa khí có độ cầu dục cao và tính lưu động tốt, phù hợp để tạo ra các bộ phận hiệu suất cao; Phương pháp nguyên tử hóa nước có chi phí thấp và hiệu quả cao, và hình dạng bột không đều. Nó thường được sử dụng cho bột thép thông thường và các sản phẩm có yêu cầu hiệu suất thấp.
Phương pháp giảm: Sử dụng các tác nhân khử như hydro và carbon monoxide để giảm các oxit kim loại vào bột với độ tinh khiết cao, hoạt động cao, hoạt động thiêu kết cao và mật độ nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, sản xuất đòi hỏi nhiệt độ cao và bầu không khí cụ thể, và đầu tư thiết bị là lớn và chi phí cao.
Phương pháp điện phân: dung dịch muối kim loại điện giải hoặc muối nóng chảy để kết tủa các ion kim loại thành bột ở cực âm. Các loại bột cực kỳ tinh khiết, tốt và đồng đều về kích thước hạt. Chúng phù hợp cho các trường có yêu cầu cao về độ tinh khiết và kích thước hạt, chẳng hạn như vật liệu điện tử, nhưng chúng có hiệu quả sản xuất thấp, tiêu thụ năng lượng cao và chi phí cao.
(Ii) đúc
Đúc nén: Đặt bột kim loại được xử lý trước vào khuôn và ấn nó thành hình. Các bước bao gồm chất làm đầy bột, nhấn và hủy bỏ. Nó phù hợp cho các sản phẩm có hình dạng đơn giản và yêu cầu chính xác cao, chẳng hạn như bánh răng. Ưu điểm là thiết bị đơn giản, hiệu quả cao, chi phí thấp và sản xuất quy mô lớn; Những nhược điểm là rất khó để thiết kế và sản xuất khuôn cho các sản phẩm phức tạp, và rất khó để đảm bảo mật độ đồng nhất.
Nhấn isostatic: Sử dụng chất lỏng để truyền áp suất đồng đều, và đặt bột vào khuôn đàn hồi và ấn nó vào một thùng chứa áp suất cao. Việc ép lạnh được thực hiện ở nhiệt độ phòng và phù hợp cho các sản phẩm có hình dạng phức tạp và yêu cầu mật độ cao; Nóng đẳng cấp sử dụng nhiệt độ cao và áp suất cao cùng một lúc và được sử dụng cho các vật liệu hàng không vũ trụ hiệu suất cao, v.v ... Ưu điểm là sản phẩm có mật độ đồng đều theo mọi hướng và phù hợp với các sản phẩm lớn và phức tạp; Nhược điểm là thiết bị đắt tiền, chu kỳ dài và chi phí cao.
Năng phun: Trộn bột kim loại và chất kết dính vào vật liệu phun, và sử dụng máy phun để tiêm nó vào khoang khuôn để đúc. Nó phù hợp để sản xuất các bộ phận nhỏ phức tạp có độ chính xác cao, chẳng hạn như các thành phần điện tử. Ưu điểm là hiệu quả đúc cao và độ chính xác, và nó phù hợp cho sản xuất quy mô lớn; Nhược điểm là việc lựa chọn và loại bỏ các chất kết dính là khó khăn và việc xử lý không đúng cách ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm.
(Iii) thiêu kết
Thiêu kết thông thường: Làm nóng cơ thể đúc ở nhiệt độ và khí quyển phù hợp (hydro, nitơ, chân không, v.v.) để kết hợp các hạt bột và tăng mật độ và cường độ. Khí quyển hydro loại bỏ tạp chất, nitơ ngăn ngừa quá trình oxy hóa và chân không phù hợp với các vật liệu có nhu cầu hàm lượng oxy cao.
Tâm thi thiêu kết nóng bỏng: Áp lực được áp dụng trong quá trình thiêu kết, và nó được thực hiện trong các thiết bị đặc biệt. Các khuôn được làm bằng các vật liệu như than chì. Nó có thể làm giảm nhiệt độ thiêu kết, rút ngắn thời gian và thu được các sản phẩm có mật độ và hiệu suất cao hơn. Nó thường được sử dụng trong việc chuẩn bị gốm sứ hiệu suất cao và các vật liệu khác.
Spark plasma thiêu kết (SPS): Làm nóng và thiêu kết nhanh bằng cách tạo ra huyết tương phóng điện và nhiệt Joule thông qua dòng xung. Nó có thể loại bỏ các tạp chất trên bề mặt của các hạt, kích hoạt bề mặt, nóng lên nhanh chóng (100-1000 độ /phút), mất một thời gian ngắn (vài phút đến hàng chục phút) và ức chế sự phát triển của hạt. Nó được sử dụng để chuẩn bị vật liệu nano, v.v.
Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ luyện kim bột
(I) Trường hàng không vũ trụ
Hàng không vũ trụ có các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất vật liệu và công nghệ luyện kim bột chỉ đáp ứng nhu cầu. Hợp kim nhiệt độ cao của bột được sử dụng để sản xuất các thành phần chính như đĩa và lưỡi tuabin động cơ máy bay. Ví dụ, đĩa tuabin của động cơ F119 của Pratt & Whitney ở Hoa Kỳ sử dụng các hợp kim nhiệt độ cao dựa trên niken bằng kim loại bột để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Hợp kim Titan kim loại bột được sử dụng để sản xuất dầm cánh máy bay, khung hình thân máy và các bộ phận cấu trúc khác với mật độ thấp, sức mạnh cao và khả năng chống ăn mòn, giảm trọng lượng máy bay và cải thiện hiệu quả nhiên liệu và hiệu suất bay.
(Ii) Lĩnh vực sản xuất ô tô
Các bộ phận luyện kim bột được sử dụng rộng rãi trong động cơ ô tô, truyền và hệ thống phanh. Các vòng ghế van, ống dẫn hướng và vòng piston trong động cơ được làm bằng hợp kim dựa trên đồng hoặc dựa trên sắt, có thể chịu được nhiệt độ cao và áp suất cao, và cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của động cơ; Các bánh răng và trung tâm đồng bộ hóa của việc truyền có độ chính xác cao và sức mạnh tốt, làm cho bánh răng thay đổi mượt mà hơn và cải thiện hiệu quả truyền dẫn; Các miếng phanh và đĩa phanh của hệ thống phanh được thêm vào với các vật liệu ma sát đặc biệt, có độ ma sát tốt và khả năng chịu hao mòn để đảm bảo an toàn phanh.
(Iii) Trường thông tin điện tử
Khi thiết bị điện tử phát triển theo hướng nhỏ, nhẹ và hiệu suất cao, công nghệ luyện kim bột được sử dụng rộng rãi hơn. Vật liệu luyện kim bột mềm được sử dụng để sản xuất các thành phần điện tử như máy biến áp và cuộn cảm; Các vật liệu composite bằng kim loại bằng kim loại bột như đồng hình thu nhỏ và đồng-molybdenum được sử dụng cho chất nền tản nhiệt và vỏ bao bì của các thiết bị điện tử công suất cao; Vật liệu tiếp xúc luyện kim bột được sử dụng cho các công tắc điện và rơle để đảm bảo chuyển mạch mạch an toàn.
Lõi bột từ tính Silicon-Nickel (KNF)
(Iv) Lĩnh vực sản xuất cơ khí
Công nghệ luyện kim bột được sử dụng để sản xuất các bộ phận cơ học như bánh răng và vòng bi. Bánh răng luyện kim bột có độ chính xác cao, truyền mịn và tốc độ sử dụng vật liệu cao; Vòng bi luyện kim bột là tự bôi trơn và chống mài mòn, phù hợp cho các dịp tốc độ thấp, nặng và ít nhiễu. Trong điều kiện làm việc đặc biệt, vòng bi chứa dầu có thể duy trì hiệu suất tốt và cải thiện độ tin cậy của thiết bị và tuổi thọ dịch vụ.
(V) Trường thiết bị y tế
Xét về cấy ghép, hợp kim titan luyện kim bột được sử dụng để sản xuất các khớp nhân tạo, v.v ... Cấu trúc xốp của chúng có thể thúc đẩy sự phát triển của tế bào xương và giảm nguy cơ nới lỏng cấy ghép. Các dụng cụ phẫu thuật được làm bằng thép luyện kim và thép không gỉ tốc độ cao, có độ cứng cao hơn, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn, và cũng có thể sản xuất các dụng cụ có hình phức tạp. Trong số các vật liệu nha khoa, răng giả có sức mạnh tốt, độ dẻo dai và thẩm mỹ. Cấy ghép nha khoa sử dụng hợp kim Titanium hoặc Titanium, có thể cải thiện tỷ lệ cấy ghép thành công. Dấu chân chỉnh nha sử dụng thép không gỉ luyện kim hoặc hợp kim niken, có thể áp dụng chính xác lực.
(Vi) Trường năng lượng mới
Xét về pin lithium-ion, các vật liệu điện cực dương như phốt phát sắt lithium và vật liệu ternary được điều chế bằng công nghệ luyện kim bột có thể cải thiện mật độ năng lượng pin và sạc và phóng điện. Trong lĩnh vực tế bào nhiên liệu, các tấm lưỡng cực kim loại và chất mang chất xúc tác với diện tích bề mặt đặc biệt cao được sản xuất bởi quy trình luyện kim bột đã cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu và giảm chi phí. Trong phát điện gió, hộp số, vòng bi và các bộ phận khác được sản xuất bởi luyện kim bột có thể duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường khắc nghiệt và mở rộng tuổi thọ của thiết bị.
Tiến bộ trong công nghệ luyện kim bột
(I) Sự hợp nhất của sản xuất phụ gia kim loại (in 3D) và luyện kim bột
Công nghệ sản xuất phụ gia kim loại đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Sự kết hợp của nó với luyện kim bột đã mang lại những đột phá mới trong việc sản xuất các bộ phận phức tạp. Thông qua công nghệ in 3D, bột kim loại có thể được xếp trực tiếp theo lớp từng lớp để tạo ra các bộ phận có cấu trúc bên trong phức tạp và thiết kế cá nhân hóa. Công nghệ này không chỉ làm giảm các quy trình xử lý và chất thải vật liệu, mà còn nhận ra việc sản xuất các bộ phận khó sản xuất bằng các phương pháp chế biến truyền thống, chẳng hạn như lưỡi dao máy bay phức tạp.
(Ii) Công nghệ luyện kim Nanopowder
Với sự phát triển của công nghệ nano, công nghệ luyện kim nano đã xuất hiện. Bột kim loại quy mô nano có các đặc tính của diện tích bề mặt riêng, hoạt động cao và động lực thiêu kết lớn, và có thể chuẩn bị các vật liệu cấu trúc nano với tính chất cơ học, tính chất điện và tính chất từ tuyệt vời. Hiện tại, công nghệ luyện kim bột nano đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc chuẩn bị các vật liệu từ tính hiệu suất cao, vật liệu siêu dẫn và hợp kim cường độ cao.
Đại học Công nghệ Xi'an, Sơ đồ về quá trình chuẩn bị bột tổng hợp Nano TI-Tibw Spherical
(Iii) Đổi mới vật liệu tổng hợp luyện kim bột
Bằng cách thêm các pha gia cố khác nhau (như các hạt gốm, sợi, v.v.) vào bột kim loại, vật liệu composite luyện kim bột với hiệu suất tuyệt vời được chuẩn bị. Những vật liệu tổng hợp này kết hợp các lợi thế của kim loại và các pha củng cố, và có các đặc điểm của cường độ cao, độ cứng cao, điện trở hao mòn tốt, khả năng chống nhiệt độ cao, v.v., và được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, kỹ thuật cơ khí và các lĩnh vực khác. Ví dụ, vật liệu composite dựa trên nhôm được điều chế bằng cách thêm các hạt cacbua silic vào bột hợp kim nhôm có sức mạnh và độ cứng được cải thiện đáng kể, trong khi vẫn duy trì các đặc tính mật độ thấp của hợp kim nhôm.
