淺談高容量VIGA設(shè)備的設(shè)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(shù)上的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化特點，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(shù)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(nèi)外大尺寸打印設(shè)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(shè)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(nèi)粉末供應(yīng)商的單臺設(shè)備大都在250kg以內(nèi)，按照單班2爐左右的效率生產(chǎn)，生產(chǎn)效率整體偏低。進口設(shè)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(mào)易形勢嚴峻將導(dǎo)致采購難度增加，進口設(shè)備注定會被快速發(fā)展的國產(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，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(shè)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(shè)備，主要使用半連續(xù)的間歇式生產(chǎn)。當設(shè)備容量增大時，熔煉所使用的線圈、坩堝和保護層等會相應(yīng)增大，在前一爐結(jié)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(dǎo)致單位時間內(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噴口。金屬液在中間包坩堝中進行適當保溫，而后流經(jīng)導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)組件尤其是導(dǎo)流管的性能有非�？量痰囊�求。目前的導(dǎo)流管材質(zhì)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(dǎo)流管的內(nèi)流道很容易沖刷變形，甚至整體斷裂，無法應(yīng)用于大容量設(shè)備。

△添加不同強化材料的復(fù)合氮化硼噴嘴

（3）輔助組件
提高容量不僅需要對熔煉、導(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(shè)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(yīng)參數(shù)都會變化，也需要布袋除塵器能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)對應(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，但并不是簡單的將熔煉坩堝增大就能夠達到目的，還需要對設(shè)備整體進行全面的升級來與之匹配。
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，設(shè)計出單班產(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)能不足的問題。更大的500kg級設(shè)備也已經(jīng)進入驗證階段。

△公司最新型350kg級VIGA設(shè)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(shè)備勢必會成為主流的制粉裝備。