الانحلال الغازي هو عملية صناعية تستخدم لإنتاج مساحيق معدنية دقيقة ذات أحجام وتوزيعات دقيقة للجسيمات. وتتضمن صهر المعدن وتفكيك تيار الذوبان إلى قطرات دقيقة باستخدام نفاثات غاز عالية السرعة. تتصلب القطرات بسرعة إلى جزيئات مسحوق في أشكال كروية مثالية.
لمحة عامة عن عملية الانحلال الغازي
ما هو الانحلال الغازي؟
الانحلال الغازي هو تقنية لمعالجة المواد يتم فيها استخدام نفاثة غاز مضغوط لتفتيت تيار معدني منصهر إلى قطرات دقيقة. أثناء انتقال القطرات عبر حجرة الانحلال تتصلب بسرعة إلى جزيئات مسحوق كروية بتوزيع حجم متحكم فيه.
كيف يعمل الانحلال الغازي؟
الخطوات الرئيسية في ترذيذ الغاز هي:
- يتم صهر الشحنة المعدنية في بوتقة أو فرن تحريض إلى درجات حرارة أعلى من السائل
- يتدفق تيار المعدن السائل من خلال أنبوب صب في أنبوب صب
- تصطدم نفاثات الغاز الخامل عالي السرعة بالتيار المعدني، مما يؤدي إلى تفككه إلى قطرات
- تسقط القطرات من خلال عمود تبريد، وتتصلب لتصبح جزيئات مسحوق
- يتم تجميع المسحوق في قاع الحجرة
ما هي مزايا الانحلال الغازي؟
بالمقارنة مع طرق الانحلال الأخرى، فإن الفوائد الرئيسية هي:
- يولد مساحيق كروية للغاية مثالية للتصنيع الإضافي
- تحقيق أحجام أصغر من المسحوق وتوزيعات أضيق
- أنظف بيئياً وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة
- تحكم أفضل في خصائص المسحوق
- قابلة للتكيف مع السبائك التفاعلية والمعادن عالية الحرارة
ما هي المواد التي يمكن أن تتذرر بالغاز؟
يمكن ترذيذ مجموعة واسعة من السبائك بالغاز، بما في ذلك:
- سبائك التيتانيوم
- سبائك النيكل الفائقة
- سبائك الكوبالت الفائقة الكوبالت
- فولاذ الأدوات
- الفولاذ المقاوم للصدأ
- سبائك النحاس
- سبائك الألومنيوم
- سبائك المغنيسيوم
- المعادن الحرارية
يمكن ترذيذ أي معدن تقريبًا بخصائص انصهار مناسبة إلى مسحوق غازي.
كيف يمكن لـ عملية الانحلال الغازي العمل؟
مكونات نظام الانحلال الغازي
يحتوي نظام الانحلال الغازي على المكونات الرئيسية التالية:
- وحدة الذوبان –؛ عادةً ما يتم تسخين بوتقة أو فرن حثي لصهر الشحنة المعدنية
- تنديش –؛ وعاء صب وسيط يغذي المعدن السائل في أنبوب الصب
- للأنابيب –؛ أنبوب مصمم خصيصًا لتدفق صفحي سلس للتيار المعدني
- طائرات الغاز النفاثة –؛ فوهات عالية السرعة تعمل على تفتيت الذوبان إلى قطرات دقيقة
- أنبوب الإسقاط/عمود التبريد –؛ غرفة تتصلب فيها القطرات إلى مسحوق
- نظام تجميع المسحوق –؛ الأعاصير الحلزونية والمرشحات لجمع المسحوق المرذاذ
- نظام العادم –؛ لإزالة غازات الانحلال المستخدمة بأمان
كيفية عمل عملية الانحلال خطوة بخطوة
- يتم صهر الشحنة المعدنية بشكل حثي فوق درجة حرارة السائل في بوتقة
- يتدفق المعدن المنصهر من البوتقة إلى وعاء التنديش
- يتحكم التنديش في التدفق ويثبت التدفق في أنبوب الصب المغلق
- يتم دفع الغاز الخامل المضغوط عبر نفاثات بسرعة صوتية
- تصطدم نفاثات الغاز بالتيار السائل، مما يؤدي إلى قصه إلى قطرات
- تتساقط القطرات عبر عمود التبريد، وتتصلب بسرعة إلى مساحيق
- يتم فصل جسيمات المسحوق عن الغازات باستخدام الأعاصير والمرشحات
- عوادم غاز عالية السرعة من خلال مخمدات لإزالة الضغط بأمان
إذًا، باختصار، يلتقي تيار معدني منصهر خاضع للتحكم مع نفاثات غاز عالية السرعة تقوم بتفكيكه إلى قطرات ذات حجم موحد تتصلب إلى جزيئات مسحوق كروية.
الانحلال الغازي مقابل طرق الانحلال الأخرى
كيف يختلف الانحلال الغازي عن الانحلال المائي؟
- يستخدم الانحلال الغازي نفاثات الغاز بدلاً من الماء لتفتيت الذوبان
- يحقق أحجام جسيمات أصغر وتوزيعات أضيق
- أنظف بيئياً وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة
- تحكم أفضل في شكل المسحوق، وأقمار صناعية أقل
- غير مقيدة بحدود تبخر المياه
كيف تختلف عملية الانحلال الغازي عن عملية القطب الدوار؟
- يستخدم نفاثات الغاز بدلاً من قوى الطرد المركزي للتذرية
- يمكن أن تستوعب سبائك ذات درجة انصهار أعلى
- يفصل الذوبان عن الانحلال مما يسمح بتحكم أفضل
- يحقق إنتاجية أعلى من أحجام الجسيمات الأصغر حجماً
- حجرة/وحدة ترذيذ منخفضة التكلفة
كيف يختلف الانحلال الغازي عن الانحلال بالبلازما؟
- لا يستخدم التسخين بالبلازما أو القوس الكهربائي
- يعمل في درجات حرارة منخفضة مما يؤثر على البنية المجهرية
- القدرة على تذويب المزيد من السبائك والمعادن التجارية
- انخفاض تكاليف رأس المال والتشغيل
- سهولة زيادة حجم الإنتاج إلى أحجام الإنتاج الضخم
لذا، باختصار، يمكن أن ينتج الانحلال الغازي مساحيق أدق من الانحلال المائي، ويتعامل مع السبائك ذات درجة انصهار أعلى من المندوب، وهو أكثر جدوى تجاريًا من الانحلال بالبلازما.
المعادن والسبائك المُذَرَّة بعملية التذرية الغازية
سبائك التيتانيوم
- Ti-6Al-4V
- تي 6242
- تي 64
تطبيقات في الفضاء، والغرسات الطبية، والسيارات، إلخ.
سبائك النيكل الفائقة
- انكونيل 718
- انكونيل 625
- رينيه 80
- واسبالوي
تطبيقات في التوربينات الغازية ومحركات الصواريخ وتوليد الطاقة.
سبائك الكوبالت الفائقة الكوبالت
- ستلايت 21
- هاينز 25
- هاينز 188
تشمل التطبيقات الطب الحيوي والفضاء والسيارات والأدوات.
مصباح الأدوات &؛ الفولاذ المقاوم للصدأ
- فولاذ الأدوات H13
- 420 من الفولاذ المقاوم للصدأ
- الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بالترسيب 17-4PH
تطبيقات في قولبة الحقن وأدوات القطع والقطع الدقيقة.
سبائك النحاس
- سبائك النحاس الأصفر
- سبائك البرونز
تطبيقات في التلامسات الكهربائية، والمحامل، والهندسة المعمارية.
سبائك الألومنيوم
- آل 6061
- آل 7075
المكونات الهيكلية للفضاء والسيارات والهندسة المعمارية.
سبائك المغنيسيوم
- AZ91D
- ZK60A
- WE43
تطبيقات تستفيد من الوزن الخفيف.
المعادن الحرارية
- التنغستن
- التنتالوم
- الموليبدينوم
عناصر التسخين، والوقاية من الإشعاع، ومقاومة التآكل.
يمكن إذابة أي معدن قابل للصهر بالحث تقريبًا بالغاز إلى جزيئات مسحوق كروي بخصائص يمكن التحكم فيها.
خصائص المسحوق المعدني الذري الغازي
شكل المسحوق
- مورفولوجيا الجسيمات الكروية للغاية
- الأقمار الصناعية نادرة أو ضئيلة
- أشكال قابلة للتدفق ومناسبة للمعالجة بصغر حجمه
توزيع حجم المسحوق
- كتلة متوسط أحجام الجسيمات التي تتراوح بين 10 –؛ 150 ميكرون
- توزيعات حجم الجسيمات الضيقة
- القدرة على التصنيف/الغربلة إلى قطع محددة الحجم
- قابلة للقياس الكمي بمقاييس مثل D10، D50، D90
نقاء المسحوق
- يمكن تقليل التقاط الأكسجين إلى الحد الأدنى مع التصميم الأمثل
- شوائب أخرى بناءً على نظافة المادة الأساسية
كثافة المسحوق
- مساحيق شبه كثيفة بالكامل >؛ 95%
- يسمح بتعبئة وانتشار ممتازين أثناء ترسيب AM
خصائص تدفق المسحوق
- الشكل الكروي يوفر تدفقًا جيدًا للمسحوق
- قابلة لاختبار تدفق هول واختبار نسبة هاوزنر
باختصار، المساحيق المرذاذة بالغاز لها شكل كروي وتوزيعات ضيقة الحجم ونقاء وكثافة عالية، مع خصائص تدفق مثالية لعمليات التصنيع المضافة.
تطبيقات وفوائد مساحيق المعادن المتذررة بالغاز
التصنيع الإضافي
- توفر مساحيق كروية دقيقة مثالية لصنع الصمامات المعدنية
- يحقق تعبئة وانتشارًا ممتازين أثناء الترسيب
- مناسبة لنفث المواد الرابطة وDED وBBBF وغيرها من عمليات التكامل الصلب
- تُستخدم في معادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك النيكل، وسبائك القصدير وغيرها.
قولبة حقن المعادن (MIM)
- خلط المواد الرابطة والقولبة القابلة للقولبة بمساحيق مرذرة غازية دقيقة
- يمنح مرونة في تصميم المواد الأولية وصياغتها
- تُستخدم لإنتاج القطع المعدنية الصغيرة المعقدة ذات الشكل الشبكي
طلاءات الرش الحراري
- يوفر الأشكال الكروية المرغوبة
- توزيعات الحجم الأمثل لعمليات الرش المختلفة
- خصائص طلاء محسّنة من المواد الأولية المرذّبة بالغاز الناعم
الكبس الساخن المتساوي الضغط (HIP)
- كبسولات HIP شبه الشبكية الشكل المنتجة عن طريق التصنيع الإضافي
- خواص ميكانيكية محسنة من البنى المجهرية الدقيقة الحبيبية المنتظمة
بالمقارنة مع طرق الانحلال الأخرى، توفر المساحيق المرذرة بالغاز أفضل الخصائص لتقنيات التصنيع المتخصصة القائمة على المسحوق في مختلف المعادن والسبائك.
معلمات تصميم نظام الانحلال الغازي
| المعلمة | النطاق النموذجي | التعليقات |
|---|---|---|
| ضغط الغاز | 15 –؛ 50 بار | يحسن الضغط العالي من الانحلال |
| معدل تدفق الغاز | 0.5 –؛ 5 كجم/ثانية | تطابق مع معدل التدفق المعدني من الفوهة |
| ذوبان السخونة الفائقة | 100 – 500°C | يؤثر على اللزوجة/التوتر السطحي |
| تصميم الفوهة | اقتران مغلق/مفتوح | يؤثر على استقرار تيار الصب |
| الارتفاع المنسدل | 2 – 10 m | ارتفاع أطول يحسن التبريد |
| قطر الإعصار المجمّع الحلزوني | 1 – 3 m | تتميز الأعاصير الحلزونية الأكبر حجماً بكفاءة أعلى |
تتعلق معلمات تصميم الانحلال الغازي الرئيسية التي تحدد خصائص المسحوق النهائي بخصائص نفاثة الغاز المتفاعلة مع تيار الذوبان وأبعاد أنبوب الإسقاط وأحجام معدات فصل المسحوق.
موردو معدات الانحلال الغازي الصناعي
| شركة | الموقع | معادن مذرة | نطاق السعة |
|---|---|---|---|
| AP&C | كندا | التيتانيوم والنيكل والسبائك | 10 –؛ 10,000 كجم/سنة |
| تقنيات التفريغ ALD | ألمانيا | التيتانيوم والنيكل والسبائك الفائقة | 100 –؛ 4,000 كجم/سنة |
| بايرو جينيسيسيس | كندا | تي، آل، نحاس | 35 –؛ 2,000 كجم/دفعة |
| تي إل إس إس تكنيك | ألمانيا | فولاذ الأدوات، سبائك النيكل | 50 –؛ 500 كجم/دفعة |
| شركة منتجات غازباري | الولايات المتحدة الأمريكية | السبائك المخصصة والمعادن | 10 –؛ 1,000 رطل/ساعة |
هناك عدد من الشركات التي تقوم بتصميم وتركيب أنظمة الانحلال الغازي بأحجام إنتاج مختلفة قادرة على معالجة المعادن والسبائك المختلفة.
تحليل تكلفة مساحيق المعادن المتذررة بالغاز
| سبيكة | حجم المسحوق (ميكرون) | التكلفة لكل كجم |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | -45 +11 | $60 |
| انكونيل 718 | -22 +5 | $55 |
| فولاذ مقاوم للصدأ 316L | -75 +25 | $25 |
| AlSi10 ملغ | 15-45 | $35 |
تعتمد تكلفة المساحيق المرذرة بالغاز بشكل كبير على تركيبة السبيكة، وتوزيع حجم جسيمات المسحوق، وكمية الطلب، وديناميكيات الطلب في السوق. على سبيل المثال، يكلف Ti-6Al-4V حوالي 60 دولارًا/كيلوغرامًا لمسحوق -45 +11 ميكرون الذي يتم شراؤه بكميات صغيرة. يمكن أن تكون التكاليف أقل بالنسبة إلى الانحلال الغازي المخصص مع أحجام الطلبات الأكبر.
إيجابيات وسلبيات الانحلال الغازي
مزايا
- توليد مساحيق كروية للغاية وقابلة للتدفق
- تحقيق أحجام جسيمات دون 50 ميكرون
- توزيعات حجم الجسيمات الضيقة
- عملية نظيفة وموفرة للطاقة
- صديقة للبيئة
- قابلة للتكيف مع مختلف السبائك
- موازين لأحجام الإنتاج الكبيرة
محددات
- ارتفاع الاستثمار في المعدات الرأسمالية
- تتطلب خبرة تشغيلية متخصصة
- بيانات عامة محدودة عن تحليل التكاليف
- الوصول مقصور على المشترين المعتمدين
- قد تكون المعالجة اللاحقة مطلوبة على المساحيق
وخلاصة القول، يوفر الانحلال الغازي مزايا معدنية ومورفولوجية كبيرة للجسيمات ولكن هناك عوائق تحول دون الوصول إليها من حيث التكاليف الرأسمالية والأنظمة الخاصة.
التعليمات
س: ما أصغر حجم للجسيمات يمكن تحقيقه عن طريق الانحلال الغازي؟
ج: باستخدام الفوهات المحسّنة وسرعات الغاز العالية جدًا، يمكن أن يحقق الانحلال الغازي أحجام مسحوق تصل إلى 5-10 ميكرون. ولكن النطاق الأكثر شيوعًا هو 20-150 ميكرون.
س: هل تسمح عملية الانحلال الغازي بخلط المعادن أو خلطها معًا؟
ج: نعم، يمكن صهر تركيبات السبائك المخصصة في بوتقات وتذريرها في مساحيق مركبة ذات تركيبات مخصصة.
س: ما الذي يؤثر على توزيع حجم الجسيمات في المساحيق المرذرة بالغاز؟
ج: تتمثل العوامل الرئيسية في استقرار تيار الذوبان ومستويات الحرارة الفائقة وضغط الغاز وتصميم الفوهات النفاثة التي تتفاعل مع التيار.
س: ما مدى قابلية تكرار واتساق المسحوق المرذاذ بالغاز من دفعة إلى أخرى؟
ج: باستخدام إجراءات موحدة ومعدات مؤهلة، يكون الاتساق بين الدفعات لنفس إعدادات المعلمات عاليًا جدًا.
س: ما هي الطاقة الإنتاجية النموذجية لمرذاذ الغاز الصناعي؟
ج: تتراوح السعة الإنتاجية من 10 كجم/ساعة للوحدات الأصغر حجمًا في المختبر إلى أكثر من 1000 كجم/ساعة لأكبر مرذاذات المساحيق المعدنية الإنتاجية.
س: ما هي أنواع المعالجة اللاحقة التي يتم إجراؤها على المساحيق المرذرة بالغاز؟
ج: تشتمل المعالجة اللاحقة الشائعة على إزالة الغازات المذابة وغربلة/تصنيف المسحوق والمزج والتعبئة والاختبار غير المتلف.