燒結金屬粉末多孔材料的應用及發展趨勢*

呂 波,陳錦中,馮昊哲,劉長源,馬 貴,馬明明

(1.榆林學院 化學與化工學院,陜西 榆林 719000; 2.陜西榆能集團能源化工研究院有限公司,陜西 榆林 719000)

粉末冶金多孔材料是以金屬或合金粉末為原料通過壓制成型和高溫燒結而成,內部含有大量連通或半連通孔隙,其均勻的孔隙結構、孔隙度大小、孔徑分布取決于粉末粒度、成型及燒結工藝。由于粉末冶金多孔材料含有大量均勻的孔隙,因此有諸多優異性能,如比表面積大、透過性能優、強度高、可焊接且機械加工性能好等特點[1-2]。燒結金屬粉末多孔材料有青銅、不銹鋼、鎳及鎳合金、鈦和金屬間化合物等,其研究單位主要以西北有色金屬研究院、北京鋼鐵總院、中南大學、廣州有色金屬研究院、昆明理工大學等為代表;生產單位國外以美國PALL、MOTT公司、德國GKN公司為代表,國內以西部寶德科技股份有限公司及安泰科技股份有限公司等單位為代表[3],在燒結金屬粉末多孔材料的生產及應用方面均有較大的規模和較好的業績。

燒結金屬粉末多孔材料由于兼具金屬及多孔材料特性,因此被廣泛應用于過濾分離、粉體流化輸送、汽車零部件、流體流量控制、分布器、吸聲、電池電極及生物醫用植入材料器械等領域[4]。燒結金屬粉末冶金多孔材料因應用領域及使用工況差異有不同的形狀,需根據工況及經濟性綜合選擇合適的燒結金屬粉末多孔材料,常見有管狀、片狀、板狀及各類大型異形多孔元件,其綜合性能較優。

作者結合燒結金屬粉末多孔材料的特點、多孔元件生產工藝流程及其在不同領域的應用進行介紹,同時針對目前在研發及應用過程中的現狀,提出燒結金屬粉末多孔材料在材料精度、通量、工況適應性、生產加工、設備及系統集成化等方面的發展趨勢。

1 燒結金屬粉末多孔材料

1.1 燒結金屬粉末多孔元件生產工藝流程

燒結金屬粉末多孔材料生產工藝流程主要由粉末選擇、粉末壓制成型、高溫燒結及后處理工序組成,其中成型和燒結是燒結金屬粉末多孔元件的2個最重要的生產工序,主要包括粉末選擇、壓制成型、高溫燒結和后處理4個工藝步驟[5-6]。

1.1.1 粉末選擇

生產工藝中通過粉末分級將燒結金屬粉末多孔材料孔徑控制在設計范圍內,便于制備生產出不同孔隙度、不同孔隙尺寸的多孔材料。因此,需根據燒結金屬粉末多孔材料使用工況和應用要求選擇合適的粉末類型及粒度區間,得到適宜的材料性能和孔隙要求。常規粉末有銅粉、不銹鋼粉、鎳粉、鈦粉等,一般使用添加劑改善粉末成型性,其中不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳、鎳合金及金屬間化合物的應用最為廣泛。

1.1.2 壓制成型

通過軋制、等靜壓制成型、擠壓、模壓等壓制成型方法使金屬/合金粉末在一定壓力下成型,形成具有特定形狀的坯體,需根據材料實際工況使用要求確定合適的壓制成型工藝。

1.1.3 高溫燒結

通過將壓制成型的粉末坯體在保護氣氛高溫爐/真空爐中燒結,使金屬/合金粉末顆粒間發生擴散、再結晶、化合等一系列物理化學過程,形成具有一定孔隙、強度的中間產品。

1.1.4 后處理

后處理主要包括機加工、焊接及熱應力處理等過程,根據最終所需燒結金屬粉末多孔元件尺寸進行機加工,與致密支撐件的焊接及焊后熱處理等工藝,最終得到所需規格的燒結金屬粉末多孔元件。

1.2 燒結金屬粉末多孔材料的特點

金屬多孔材料主要有燒結金屬粉末多孔材料、燒結金屬絲網多孔材料、燒結金屬纖維氈多孔材料和泡沫金屬材料等[7]。金屬粉末多孔材料一般由金屬/合金粉末經粒徑篩選、壓制成型、高溫燒結、機加工和熱處理等工序組成,兼具金屬材料及多孔材料特性,是一類結構-功能一體化材料,具有力學性能優良、可焊接、耐高溫、耐高壓、抗腐蝕等優點[8]。

由粉末冶金制得的燒結金屬粉末多孔材料孔徑可控且孔隙均勻,既具有金屬材料優良力學性能又具有多孔材料均勻孔隙結構及良好透過性能,因此開發燒結金屬粉末多孔材料在實際工程中的應用至關重要[9]。以燒結金屬粉末多孔過濾材料為例,其性能及孔隙要求需根據使用工況和性能要求決定,其中不銹鋼、鈦及鈦基合金、鎳及鎳基合金、Fe-Al基等抗腐蝕燒結金屬粉末多孔過濾元件在實際工況中應用最為廣泛。

2 燒結金屬粉末多孔材料在不同領域的應用

2.1 過濾技術中的應用

過濾技術作為一種高效分離技術得到了迅速發展,工業生產過程中過濾分離工況差異較大,傳統高分子濾芯、布袋等過濾元件由于強度、耐溫較差、不可反吹再生等缺點受到應用限制。隨著生產工藝的不斷創新及改進,一些生產工況的壓力、溫度較高且對過濾元件的強度、抗腐蝕性、精度等提出了更高要求,在反應之前需將含有的固體顆粒物進行高效去除。

燒結金屬粉末過濾材料常用于氣-固、液-固澄清體系的過濾分離過程以實現對工藝氣體/液體的凈化和固體顆粒(如催化劑、粉煤、金屬粒子等)的攔截或回收。利用燒結金屬粉末多孔材料特殊孔道結構對流體中微量固體顆粒的阻礙、攔截和捕集作用,可有效實現對澄清體系氣體或液體中固體顆粒的過濾,進而達到對流體的凈化或分離。金屬粉末通過粉末冶金工藝制備成管、片、筒狀等不同形式過濾元件應用于過濾分離以實現對工藝流體的凈化[10-11],通過控制粉末粒度、成型、燒結等工藝得到適用于工況要求的孔隙結構。

燒結金屬粉末過濾元件常見形式為不銹鋼管狀,在工業中主要通過過濾器內件形式應用。過濾元件通過管板固定,工作原理為工藝流體在壓力作用下由外而內通過燒結金屬粉末多孔過濾元件,固體顆粒被阻擋在過濾元件外表面。隨著固體顆粒不斷堆積、濾餅厚度逐漸增加。為保證燒結金屬粉末過濾元件長壽命,當過濾元件內外壓差時達到設計最大允許壓差時,需啟動反吹使過濾元件的性能得到再生恢復,其透過性能可恢復超過90%。

不銹鋼、鈦及鈦合金等燒結金屬粉末過濾元件由于其過濾精度可控、孔隙均勻、機械強度高、抗腐蝕性能好、有良好的再生性能和抗熱震性能。同時過濾元件可通過流體逆向反吹使其透過性能得到再生,在煤化工、石油化工、精細化工等領域有廣泛應用,如煤氣化粗煤氣過濾、工藝氣過濾、廢水過濾、飛灰過濾、多晶硅氯硅烷過濾,石化行業催化油漿過濾、S-Zorb裝置吸附劑過濾,鋅冶煉中硫酸鋅溶液等[12-15]過濾分離工藝,可有效保證過濾裝置的穩定、長周期運行。以液-固澄清過濾體系為例,燒結金屬粉末多孔過濾元件在工業應用中一般采用2臺過濾器并聯(一開一閉)的工藝,其中一臺過濾器正常運行,另一臺過濾器進行液體離線反沖洗,該工藝過濾系統結構緊湊、簡單易行。

2.2 粉煤加壓流化輸送中的應用

在煤化工、石油化工等工業生產中,廣泛采用流化床技術,該技術需要結合使用位置和工況條件配置合適的氣體分布器,以保證氣體能均勻進入床層完成各種反應。以煤氣化為例,氣化工藝作為現代潔凈煤轉化技術的核心,可分為固定床、氣流床和流化床氣化技術。其中氣流床氣化技術發展迅速,主要有以德士古水煤漿為代表的濕法氣化和以SHELL、航天(HT)、GSP為代表的粉煤干法加壓氣化技術。粉煤干法加壓氣化技術對煤種的適用性廣、耗氧量低等在近些年得到廣泛推廣及應用,主要流程包括磨煤單元、粉煤加壓輸送單元、粉煤氣化單元、合成氣凈化單元、渣及灰/灰水處理單元[16]。

粉煤加壓流化輸送單元需接受來自磨煤單元的粉煤并經粉煤儲罐、粉煤放料罐、粉煤給料罐將粉煤輸送至氣化爐燒嘴,保證氣化爐穩定的供煤量。粉煤干法加壓氣化中原料粉煤粒徑小,細顆粒之間由于黏附、摩擦等作用極易在輸送過程中產生架橋及堵塞現象,很容易造成工藝生產系統的停車,因此需保證粉體在加壓流化輸送過程中的暢通。通過自主設計異型成型模具和燒結胎具并引入近凈成型方法和燒結技術,西北有色金屬研究院、西部寶德科技股份有限公司、北京鋼鐵總院安泰科技股份有限公司等單位根據使用位置及用途的不同,開發出通氣錐、吹掃器、笛管、流化盤等粉體流化輸送用大型異形多孔元件。廣泛采用的粉煤加壓流化輸送元件為不銹鋼燒結粉末多孔元件,利用潔凈低壓、高壓N2/CO2通過燒結金屬粉末為核心內件的粉體流化輸送裝備使粉體松動實現流化和輸送。潔凈氣體在進入粉體流化輸送用通氣錐及吹掃器附近壁面時形成均勻氣膜[17],阻止了粉體和壁面的直接接觸,不僅減小了粉體對設備的沖刷,同時也降低了粉體發生架橋及堵塞的機率。

通氣錐、管道充氣器、笛管由外殼及內件組成,內件由特定精度燒結金屬粉末加工制備而成,其工況操作適應性廣,可實現在低壓、高壓或有壓力交變場合的穩定運行。充分利用燒結金屬粉末多孔材料優良力學性能及均勻孔隙結構,將開發出的通氣錐、管道充氣器、笛管等粉體流化輸送元件應用于粉煤儲罐、粉煤放料罐、粉煤給料罐可實現對粉煤的加壓、流化及輸送,有效避免了粉體在實際工作過程中的架橋及堵塞現象,保障了工藝生產過程穩定、長周期運行[18-20],可廣泛應用于粉煤、飛灰等各類粉體的流化及輸送場合。

2.3 汽車零部件中的應用

粉末冶金法作為一種少切屑或無切屑的工藝,可大大減少機加工量、節約金屬材料、提高生產效率[3]。由其制得的汽車零部件具有種類繁多、節能、節材、環保且適于大批量生產等優點,因而在制造業中獲得高速增長,已廣泛應用于汽車諸多關鍵部位,如汽車發動機用鋼零件、汽車變速器系統用鋼件、齒輪保持架等均由燒結金屬粉末在高溫下壓制、燒結、機加工而成[21-22]。為了使粉末冶金汽車零部件的強度進一步提升,美國GM公司、英國GKN、法國Federal Mogul等公司將粉末冶金和鍛造技術有機結合起來,建立生產線并大規模生產出了粉末鍛造齒輪、汽車自動變速器用軸承內外圈[23],使零件的力學性能更優。

根據不同的應用場合和使用要求,不同粉末冶金材料被廣泛應用于生產汽車零部件。粉末冶金高強度鋁合金作為一種重要的汽車輕量化材料,由于其密度低、吸能性強、屈服強度和抗拉強度好,因此在粉末冶金鋁基凸輪軸承蓋等[23]領域也有廣闊的應用。不銹鋼粉末燒結金屬元件具有耐腐蝕、無切削加工特點且通過顆粒粒徑等控制可得到高精度鑄件,在汽車擋風玻璃后視鏡底座得到廣泛應用[24]。王廣達等[25]將混合好的金屬和非金屬粉末壓制成型,在氨氣氛中進行加壓燒結制得粉末冶金摩擦材料閘瓦和閘片,廣泛應用于高速列車制動。另外,充分利用粉末冶金不銹鋼高溫下優良力學性能、耐腐蝕性、抗疲勞性能,用于生產ABS傳感器齒圈、排氣管法蘭等汽車零部件[26]。中國自主開發通過粉末燒結工藝制得的Ti-215Nb合金作為新型β鈦合金,因其力學性能調節范圍大的優點廣泛應用于各種高性能內燃機的制造[27],粉末冶金法成本低、效率高、污染低,也已成為制備內燃機用鈦合金的重要方法之一。

2.4 環保凈化中的應用

隨著環保要求指標的嚴格度增加,噪聲、含塵排放氣、廢水被公認為工業三大污染源,尤其對外排煙氣、廢水處理等出口指標提出更高要求,燒結金屬粉末多孔材料作為一種高精度多孔元件在氣體除塵、廢水凈化等工藝過程中逐漸凸顯出優勢[28-29]。將含塵煙氣等氣體經燒結金屬粉末多孔元件作用,出口粉塵可低于10 mg/Nm3。

中海油惠州石化有限公司煤制氫部將Fe3Al多孔金屬燒結粉末濾芯用于E-Gas氣化裝置的焦過濾器中,結果表明裝置過濾壓差穩定在約14 kPa,過濾性能優、運行穩定、反吹性能好[30]。在高溫、高壓、腐蝕等環境下,Fe-Al金屬間化合物由于具有耐高溫、抗熱震性好、耐硫腐蝕性能等優勢,通過等靜壓成型制備的Fe3Al燒結金屬濾管可廣泛應用于石化和化工工業高溫反應含塵氣體、玻璃工業高溫尾氣、催化裂化高溫煙氣除塵、冶金工業高爐與轉爐高溫煤氣、鍋爐及焚燒爐高溫廢氣等高溫除塵凈化[30-31]。李松等[32]考察了鈦金屬膜在冀東油田高尚堡聯合站兩級污水過濾處理工藝中的應用,結果表明經鈦金屬膜過濾分離后,處理后回注水的平均懸浮物質量濃度為1.39 mg/L,平均粒徑中值為0.79 μm。鈦金屬膜適合用于油田回注污水的深度處理,可保證回注水中懸浮物質量濃度與粒徑中值指標的穩定。在水處理領域,微孔燒結金屬鈦管、不銹鋼濾管等在水凈化方面效果顯著。燒結金屬多孔鈦材料作為一種新型的過濾材料,耐腐蝕、力學性能好、過濾精度高,由微孔鈦組成的二級過濾系統在水處理及凈化方面也效果顯著。在造紙行業,紙漿漂洗和污水處理等[33]領域也會用到316 L不銹鋼、鎳及鎳合金和鈦等燒結金屬粉末多孔材料,以實現凈化或回收的目的。

2.5 其他領域的應用

燒結金屬粉末多孔材料耐高溫性能好、剛度強、不易污染且回收再生性強,另外由于燒結金屬粉末多孔材料含有大量均勻的孔隙結構,有良好吸收噪音功能。當聲波通過孔徑一定的細小多孔材料流動時,會與多孔材料內壁摩擦產生紊流等現象而消耗一定能量,因此,燒結金屬多孔材料可利用這些特點制作各種環保消聲材料,可廣泛應用于發電機室、建筑、管道、車輛等的吸聲降噪[34]。

燒結金屬粉末多孔材料在其他領域也有廣闊的應用,如比表面積大且有支撐強度可作為固體催化劑[35];因金屬粉末優異的鐵磁性能及能量吸收效果可作為吸波材料和消音材料[36];因輕質-高孔、良好的電磁波吸收性能用于電極材料與屏蔽材料,可作為生物材料,如粉末冶金多孔鈦用于醫療行業矯形術、牙缺損修復[34-35]。另外燒結金屬粉末多孔材料也可用于多孔模具[37]、鑄造工藝裝備、軸承材料、發動機缸蓋上氣門座圈或閥座圈[38]、輕武器工業生產[39]、航空航天發動機用耐熱結構件[40]、航空領域熱防護結構的發汗冷卻[41]及新能源材料等領域。

3 燒結金屬粉末多孔材料發展趨勢

3.1 高精度、高強度、大通量

隨著工業產品質量、環保要求等越來越嚴格,對過濾分離、粉體流化輸送中多孔元件的精度提出更高要求。過濾精度不斷提高以實現與固體小顆粒的高效分離,特別是高精度不對稱粉末多孔材料的發展受到了廣泛重視[42-43]。

過濾分離、粉煤加壓輸送領域高精度、高強度、大通量燒結金屬粉末多孔元件的開發應用可降低工況最大允許壓降,保障工藝產品出口質量、粉體與潔凈氣體的隔離及在工況使用過程中的安全穩定和長周期運行。

3.2 元件、裝備及系統應用集成化

隨著工程化方向不斷發展,需對整個系統進行全面設計以提高系統工作效率,因此開發燒結金屬粉末多孔元件配套裝備、系統集成應用也是過濾分離等領域工業發展的新趨勢[44-45]。以燒結金屬粉末多孔材料在過濾技術中的應用為例,應根據過濾分離的不同工況及應用領域,選擇合適的過濾分離材料、設計合理地過濾分離工藝路線和系統;同時系統的高自動化、連續化、低能耗、高效率、低成本和低污染也是現代過濾分離技術的新要求及過濾分離成套系統追求的目標。

3.3 工況適應性廣

工業發展對低能耗產品的傾向使得燒結金屬粉末多孔材料在過濾技術、粉體流化輸送等領域的應用逐漸擴大,對過濾產品、過濾介質、流化輸送等工況的適宜操作條件提出了更高的要求。不同領域的應用過程中工況復雜多變,加強燒結金屬粉末多孔元件對惡劣工況的適應性有重要意義,要特別加強對燒結金屬粉末多孔元件的質量控制及操作條件、應用可行性分析[46]。

3.4 產品多元化及長壽命

根據不同使用場合及應用目的開發不同系列燒結金屬粉末多孔元件,不斷優化性能參數及使用結構。高精度管狀多孔元件及不同大型異形多孔元件是燒結金屬粉末工業應用產品重點開發的方向,在該過程中需降低燒結金屬粉末多孔元件消耗,同時提高燒結金屬粉末多孔元件在實際使用過程中的壽命,以保證工況的穩定、連續和長周期運行。另外,應加強燒結金屬粉末多孔元件的反吹性能評價、優化及多孔元件清洗再生的工業試驗及開發,以促進金屬粉末多孔元件在設計使用周期內的再利用和長壽命穩定運行。

3.5 生產高精度化、低成本化

燒結金屬粉末零部件對加工尺寸、精度等有嚴格要求,粉末冶金工模具、數控壓機等各類成型、加工設備可有效控制燒結金屬粉末多孔零部件的尺寸、密度及裂紋等缺陷,有效實現了多孔元件的高精度化及近凈成型。燒結金屬粉末零部件制造工藝相對復雜,粉末冶金工藝在改進生產工藝、保證產品質量的前提下降低生產成本也是今后發展的方向之一。

4 結束語

燒結金屬粉末多孔材料作為一種功能-結構一體化材料,其燒結多孔元件因具有均勻孔隙結構、優良力學性能及透過性能等優勢在過濾分離、粉煤加壓流化輸送、除塵環保、汽車零部件等領域得到廣泛推廣及應用,對各相關產業的發展起到重要的推動作用,帶來了巨大的經濟效益和社會效益。

在常規燒結金屬粉末多孔元件應用的基礎上,應結合實際工業應用開發出不同系列高精度、大通量、高強度的改進燒結金屬粉末多孔元件及大型異形元件,以保證良好的工況適用性及運行長壽命。應加快對燒結金屬粉末多孔元件、裝備及系統集成應用以提高工業生產的工作效率及穩定長周期運行,同時做好燒結金屬粉末多孔元件的性能評價、工業反吹效果優化及清洗再生的工業試驗開發,以保證金屬粉末多孔元件在設計使用周期內的再利用和長壽命穩定運行。另外應不斷探索燒結金屬粉末多孔材料在含油介質的過濾技術、其他粉體流化輸送、汽車零部件、吸聲材料等領域的應用及開發。