متالورژی پودر ، به عنوان یک فن آوری آماده سازی و تشکیل مواد پیشرفته که هم باستانی و هم پویا است ، از فناوری تهیه سرامیک باستانی و فناوری ذوب آهن سرچشمه گرفته است. تا سال 1909 ، ظهور تنگستن انعطاف پذیر توسط متالورژی پودر ، ظهور دوره متالورژی پودر مدرن را نشان داد. در طول 100 سال گذشته ، فناوری متالورژی پودر شکوفا شده است ، و مواد و محصولات مهم جدید و مختلفی همچنان به ظهور خود ادامه داده اند و به یکی از فناوری های مهم مهندسی تبدیل شده اند که برای اقتصاد و علم و فناوری ملی امروزی ضروری است. خصوصیات و مزایای متالورژی پودر
متالورژی پودر فناوری ای است که از پودر فلزی (یا ترکیبی از پودر فلزی و غیر فلزی) به عنوان مواد اولیه برای تولید مواد فلزی ، مواد کامپوزیت و انواع مختلف محصولات از طریق فرآیندهایی مانند قالب و پخت استفاده می کند.
در مقایسه با فرآیندهای ذوب و ریخته گری سنتی ، متالورژی پودر مزایای بسیاری دارد. از یک طرف ، می تواند به طور مؤثر از تفکیک مؤلفه احتمالی در طی فرآیند ذوب جلوگیری کند ، یکنواختی ترکیب مواد را تضمین کند و در نتیجه عملکرد پایدار و عالی تری بدست آورد. از طرف دیگر ، متالورژی پودر می تواند به شکل نزدیک شبکه برسد و روشهای پردازش بعدی و زباله های مادی را تا حد زیادی کاهش می دهد. طبق آمارهای مربوطه ، میزان استفاده از مواد از قطعات تولید شده توسط متالورژی پودر می تواند به بیش از 90 ٪ برسد ، در حالی که میزان استفاده از مواد روشهای پردازش مکانیکی سنتی معمولاً فقط 30 ٪ {3}} ٪ است ، که نه تنها هزینه های تولید را کاهش می دهد ، بلکه باعث افزایش راندمان تولید می شود ، که مطابق با مفهوم توسعه سبز و محافظت از محیط زیست در تولید مدرن است. علاوه بر این ، با تنظیم ترکیب پودر ، اندازه ذرات و فرآیند آماده سازی ، می توان خواص ماده را دقیقاً کنترل کرد تا نیازهای زمینه های مختلف را برای خصوصیات خاص مواد ، مانند استحکام بالا ، سختی بالا ، مقاومت در برابر دمای بالا ، مقاومت در برابر خوردگی و غیره برآورده سازد.
فرآیند اصلی فرآیند متالورژی پودر
(i) تهیه پودر
روش خرد کردن مکانیکی: از نیروی مکانیکی برای خرد کردن فلز یا آلیاژ به پودر استفاده می شود. تجهیزات ساده است ، هزینه کم است و خروجی بزرگ است ، اما شکل پودر نامنظم است ، توزیع اندازه ذرات گسترده است و ناخالصی ها به راحتی معرفی می شوند.
روش اتمیزاسیون: مایع فلزی مذاب در قطرات کوچک با گاز فشار قوی (نیتروژن ، آرگون) یا جریان آب پر سرعت اسپری می شود و به پودر خنک و جامد می شود. روش اتمی سازی گاز دارای کروی و سیالیت خوبی است که برای ساخت قطعات با کارایی بالا مناسب است. روش اتمی سازی آب دارای هزینه کم و راندمان بالایی است و شکل پودر نامنظم است. این ماده اغلب برای پودر معمولی فولاد و محصولاتی با نیاز کم مصرف استفاده می شود.
روش کاهش: از عوامل کاهش دهنده مانند هیدروژن و مونوکسید کربن برای کاهش اکسیدهای فلزی به پودرها با خلوص بالا ، فعالیت زیاد ، فعالیت پخت و پز بالا و تراکم دما کم استفاده کنید. با این حال ، تولید به درجه حرارت بالا و جو خاص نیاز دارد و سرمایه گذاری تجهیزات زیاد است و هزینه آن زیاد است.
روش الکترولیز: محلول های نمکی فلزی الکترولیز یا نمکهای مذاب برای رسوب یونهای فلزی در پودرهای موجود در کاتد. پودرها از نظر اندازه ذرات بسیار خالص ، ریز و یکنواخت هستند. آنها برای زمینه هایی که نیازهای زیادی برای خلوص و اندازه ذرات دارند ، مانند مواد الکترونیکی مناسب هستند ، اما از راندمان تولید کم ، مصرف انرژی بالا و هزینه بالایی برخوردار هستند.
(ب) قالب گیری
قالب گیری فشرده سازی: پودر فلزی پیش ساخته را درون قالب قرار داده و آن را به شکل فشار دهید. این مراحل شامل پر کردن پودر ، فشار دادن و فروکش کردن است. مناسب برای محصولاتی است که دارای اشکال ساده و الزامات دقیق و دقیق مانند چرخ دنده ها هستند. این مزایا تجهیزات ساده ، راندمان بالا ، کم هزینه و تولید در مقیاس بزرگ است. مضرات این است که طراحی و ساخت قالب برای محصولات پیچیده دشوار است و اطمینان از چگالی یکنواخت دشوار است.
فشار ایزوستاتیک: از مایع برای انتقال یکنواخت استفاده کنید و پودر را درون یک قالب الاستیک قرار دهید و آن را درون یک ظرف فشار بالا فشار دهید. فشار ایزوستاتیک سرد در دمای اتاق انجام می شود و برای محصولاتی که دارای اشکال پیچیده و الزامات چگالی بالا هستند مناسب است. فشار ایزوستاتیک داغ در همان زمان از درجه حرارت بالا و فشار بالا استفاده می کند و برای مواد هوافضا با کارایی بالا و غیره استفاده می شود. نقطه ضعف این است که تجهیزات گران است ، چرخه طولانی است و هزینه آن زیاد است.
قالب تزریق: پودر فلزی و اتصال دهنده را درون مواد تزریق مخلوط کرده و از یک دستگاه تزریق برای تزریق آن به داخل حفره قالب برای قالب گیری استفاده کنید. این مناسب برای تولید قطعات کوچک با دقت بالا ، مانند اجزای الکترونیکی است. این مزیت راندمان و دقت قالب بالا است و برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب است. نقطه ضعف این است که انتخاب و حذف اتصال دهنده ها دشوار است و رسیدگی نادرست بر عملکرد محصول تأثیر می گذارد.
(iii) پخت
پخت و پز معمولی: بدن قالب دار را در دمای و جو مناسب (هیدروژن ، نیتروژن ، خلاء و غیره) گرم کنید تا ذرات پودر را ترکیب کرده و چگالی و استحکام را افزایش دهید. جو هیدروژن ناخالصی ها را از بین می برد ، نیتروژن از اکسیداسیون جلوگیری می کند و خلاء برای مواد با نیازهای اکسیژن بالا مناسب است.
فشار داغ: فشار در هنگام پخت و پز اعمال می شود و در تجهیزات ویژه انجام می شود. قالب از موادی مانند گرافیت ساخته شده است. این می تواند دمای پخت را کاهش دهد ، زمان را کوتاه کند و محصولاتی را با چگالی و عملکرد بالاتر بدست آورد. این ماده اغلب در تهیه سرامیک های با کارایی بالا و سایر مواد استفاده می شود.
جرقه پلاسما (SPS): گرمایش سریع و پخت و پز با تولید پلاسما تخلیه و گرمای ژول از طریق جریان پالس. این می تواند ناخالصی های موجود در سطح ذرات را از بین ببرد ، سطح را فعال کند ، سریع گرم شود ({0}}} درجه /دقیقه) ، مدت زمان کوتاهی (چند دقیقه تا ده ها دقیقه) و مهار رشد دانه. از آن برای تهیه نانومواد و غیره استفاده می شود.
زمینه های کاربردی فناوری متالورژی پودر
(من) میدان هوافضا
هوافضا نیازهای جدی در مورد عملکرد مواد دارد و فناوری متالورژی پودر فقط نیازها را برآورده می کند. پودر متالورژی از آلیاژهای درجه حرارت بالا برای تولید اجزای کلیدی مانند دیسک های توربین موتور هواپیما و تیغه ها استفاده می شود. به عنوان مثال ، دیسک توربین موتور F119 Pratt & Whitney در ایالات متحده از آلیاژهای با درجه حرارت بالا مبتنی بر نیکل پودر برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان استفاده می کند. آلیاژهای تیتانیوم متالورژی پودر برای ساخت پرتوهای بال هواپیما ، قاب های بدنه و سایر قطعات ساختاری با چگالی کم ، مقاومت بالا و مقاومت در برابر خوردگی ، کاهش وزن هواپیما و بهبود راندمان سوخت و عملکرد پرواز استفاده می شود.
(ب) زمینه تولید خودرو
قطعات متالورژی پودر به طور گسترده در موتورهای خودرو ، انتقال و سیستم ترمز استفاده می شود. حلقه های صندلی دریچه ، لوله های راهنما و حلقه های پیستون در موتور از آلیاژهای مبتنی بر مس یا آهن ساخته شده است که می تواند در برابر درجه حرارت بالا و فشار بالا مقاومت کند و عملکرد و زندگی موتور را بهبود بخشد. چرخ دنده ها و مراکز همگام سازی انتقال از دقت و استحکام بالایی برخوردار هستند و باعث می شود چرخ دنده ها نرم تر شوند و راندمان انتقال را بهبود بخشند. لنت های ترمز و دیسک های ترمز سیستم ترمز با مواد اصطکاک ویژه ای اضافه می شوند که دارای اصطکاک خوبی و مقاومت در برابر سایش برای اطمینان از ایمنی ترمز هستند.
(iii) قسمت اطلاعات الکترونیکی
با توسعه تجهیزات الکترونیکی به سمت کوچک ، سبک و با کارایی بالا ، فناوری متالورژی پودر به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. از مواد متالورژی پودر مغناطیسی نرم برای تولید اجزای الکترونیکی مانند ترانسفورماتورها و سلف استفاده می شود. پودر متالورژی پودر مواد کامپوزیت مبتنی بر فلز مانند مس-تونگستن و مس-مولیبدن برای بسترهای اتلاف گرما و پوسته های بسته بندی دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا استفاده می شود. برای اطمینان از تعویض مدار ایمن ، از مواد تماس متالورژی پودر برای سوئیچ ها و رله های الکتریکی استفاده می شود.
هسته پودر مغناطیسی آهن سیلیکون-نیکل (KNF)
(IV) میدان تولید مکانیکی
از فناوری متالورژی پودر برای ساخت قطعات مکانیکی مانند چرخ دنده ها و یاتاقان ها استفاده می شود. چرخ دنده های متالورژی پودر دارای دقت بالایی ، انتقال صاف و میزان استفاده زیاد از مواد هستند. یاتاقان های متالورژی پودر از خودآزند و مقاوم در برابر سایش ، مناسب برای موارد کم سرعت ، بار سنگین و کم نوسان هستند. در شرایط خاص کار ، یاتاقان های حاوی روغن می توانند عملکرد خوبی را حفظ کرده و قابلیت اطمینان تجهیزات و عمر خدمات را بهبود بخشند.
(v) زمینه دستگاه پزشکی
از نظر ایمپلنت ها ، از آلیاژهای تیتانیوم متالورژی پودر برای تولید اتصالات مصنوعی و غیره استفاده می شود. ساختار متخلخل آنها می تواند رشد سلول های استخوانی را تقویت کرده و خطر شل شدن ایمپلنت را کاهش دهد. ابزارهای جراحی از فولاد پر سرعت و فولاد ضد زنگ پودر ساخته شده اند که از سختی ، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی برخوردار هستند و همچنین می توانند ابزارهای پیچیده ای را تولید کنند. در بین مواد دندانپزشکی ، پروتزها از قدرت ، چقرمگی و زیبایی شناسی برخوردار هستند. ایمپلنت های دندانپزشکی از تیتانیوم متالورژی پودر یا آلیاژهای تیتانیوم استفاده می کنند که می تواند میزان موفقیت کاشت را بهبود بخشد. براکت های ارتودنسی از آلیاژهای استیل ضدزنگ یا نیکل تیتانیوم از پودر استفاده می کنند که می توانند به طور دقیق نیرو را اعمال کنند.
(vi) میدان انرژی جدید
از نظر باتری های لیتیوم یون ، مواد الکترود مثبت مانند لیتیوم آهن فسفات و مواد سه قلو تهیه شده توسط فناوری متالورژی پودر می توانند چگالی انرژی باتری و شارژ و تخلیه راندمان را بهبود بخشند. در زمینه سلولهای سوخت ، صفحات دو قطبی فلزی و حامل های کاتالیزور با سطح خاص و خاص تولید شده توسط فرآیند متالورژی پودر ، عملکرد سلول های سوخت و کاهش هزینه ها را بهبود بخشیده است. در تولید برق باد ، گیربکس ها ، یاتاقان ها و سایر قطعات تولید شده توسط متالورژی پودر می توانند عملکرد پایدار را در محیط های سخت حفظ کرده و عمر خدمات تجهیزات را گسترش دهند.
پیشرفت در فناوری متالورژی پودر
(i) همجوشی تولید مواد افزودنی فلزی (چاپ سه بعدی) و متالورژی پودر
فناوری تولید مواد افزودنی فلزی در سالهای اخیر به سرعت توسعه یافته است. ترکیب آن با متالورژی پودر پیشرفت های جدیدی در ساخت قطعات پیچیده به همراه داشته است. از طریق فناوری چاپ سه بعدی ، پودرهای فلزی می توانند به طور مستقیم لایه ای به صورت لایه ای جمع شوند تا قطعاتی با ساختارهای داخلی پیچیده و طرح های شخصی تولید کنند. این فناوری نه تنها زباله های مواد و روش های پردازش را کاهش می دهد ، بلکه تولید قطعاتی را که تولید آنها با روش های پردازش سنتی مانند تیغه های پیچیده موتورهای هواپیما دشوار است ، تحقق می بخشد.
(ب) فناوری متالورژی نانوذرات
با توسعه فناوری نانو ، فناوری متالورژی نانوذرات پدیدار شده است. پودرهای فلزی در مقیاس نانو ویژگی های مساحت سطح خاص ، فعالیت زیاد و نیروی محرکه بزرگ را دارند و می توانند مواد نانوساختار شده را با خواص مکانیکی عالی ، خصوصیات الکتریکی و خصوصیات مغناطیسی تهیه کنند. در حال حاضر ، فناوری متالورژی پودر نانو پیشرفت چشمگیری در تهیه مواد مغناطیسی با کارایی بالا ، مواد ابررسانا و آلیاژهای با استحکام بالا داشته است.
دانشگاه فناوری Xi'an ، نمودار شماتیک فرآیند تهیه پودر کامپوزیت کروی Ti-Tibw
(iii) نوآوری مواد کامپوزیت متالورژی پودر
با افزودن مراحل مختلف تقویت کننده (مانند ذرات سرامیکی ، الیاف و غیره) به پودرهای فلزی ، مواد کامپوزیت متالورژی پودر با عملکرد عالی تهیه می شود. این مواد کامپوزیت مزایای فلزات و مراحل تقویت کننده را با هم ترکیب می کنند و از ویژگی های استحکام بالا ، سختی زیاد ، مقاومت در برابر سایش خوب ، مقاومت در برابر دمای بالا و غیره برخوردار هستند و به طور گسترده در هوافضا ، ساخت خودرو ، مهندسی مکانیک و سایر زمینه ها استفاده می شوند. به عنوان مثال ، ماده کامپوزیت مبتنی بر آلومینیوم که با اضافه کردن ذرات کاربید سیلیکون به پودر آلیاژ آلومینیوم تهیه شده است ، در عین حال ویژگی های چگالی کم آلیاژ آلومینیوم را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.
