烧结金属粉末多孔材料的应用及发展趋势*

吕 波,陈锦中,冯昊哲,刘长源,马 贵,马明明

(1.榆林学院 化学与化工学院,陕西 榆林 719000; 2.陕西榆能集团能源化工研究院有限公司,陕西 榆林 719000)

粉末冶金多孔材料是以金属或合金粉末为原料通过压制成型和高温烧结而成,内部含有大量连通或半连通孔隙,其均匀的孔隙结构、孔隙度大小、孔径分布取决于粉末粒度、成型及烧结工艺。由于粉末冶金多孔材料含有大量均匀的孔隙,因此有诸多优异性能,如比表面积大、透过性能优、强度高、可焊接且机械加工性能好等特点[1-2]。烧结金属粉末多孔材料有青铜、不锈钢、镍及镍合金、钛和金属间化合物等,其研究单位主要以西北有色金属研究院、北京钢铁总院、中南大学、广州有色金属研究院、昆明理工大学等为代表;生产单位国外以美国PALL、MOTT公司、德国GKN公司为代表,国内以西部宝德科技股份有限公司及安泰科技股份有限公司等单位为代表[3],在烧结金属粉末多孔材料的生产及应用方面均有较大的规模和较好的业绩。

烧结金属粉末多孔材料由于兼具金属及多孔材料特性,因此被广泛应用于过滤分离、粉体流化输送、汽车零部件、流体流量控制、分布器、吸声、电池电极及生物医用植入材料器械等领域[4]。烧结金属粉末冶金多孔材料因应用领域及使用工况差异有不同的形状,需根据工况及经济性综合选择合适的烧结金属粉末多孔材料,常见有管状、片状、板状及各类大型异形多孔元件,其综合性能较优。

作者结合烧结金属粉末多孔材料的特点、多孔元件生产工艺流程及其在不同领域的应用进行介绍,同时针对目前在研发及应用过程中的现状,提出烧结金属粉末多孔材料在材料精度、通量、工况适应性、生产加工、设备及系统集成化等方面的发展趋势。

1 烧结金属粉末多孔材料

1.1 烧结金属粉末多孔元件生产工艺流程

烧结金属粉末多孔材料生产工艺流程主要由粉末选择、粉末压制成型、高温烧结及后处理工序组成,其中成型和烧结是烧结金属粉末多孔元件的2个最重要的生产工序,主要包括粉末选择、压制成型、高温烧结和后处理4个工艺步骤[5-6]。

1.1.1 粉末选择

生产工艺中通过粉末分级将烧结金属粉末多孔材料孔径控制在设计范围内,便于制备生产出不同孔隙度、不同孔隙尺寸的多孔材料。因此,需根据烧结金属粉末多孔材料使用工况和应用要求选择合适的粉末类型及粒度区间,得到适宜的材料性能和孔隙要求。常规粉末有铜粉、不锈钢粉、镍粉、钛粉等,一般使用添加剂改善粉末成型性,其中不锈钢、钛及钛合金、镍、镍合金及金属间化合物的应用最为广泛。

1.1.2 压制成型

通过轧制、等静压制成型、挤压、模压等压制成型方法使金属/合金粉末在一定压力下成型,形成具有特定形状的坯体,需根据材料实际工况使用要求确定合适的压制成型工艺。

1.1.3 高温烧结

通过将压制成型的粉末坯体在保护气氛高温炉/真空炉中烧结,使金属/合金粉末颗粒间发生扩散、再结晶、化合等一系列物理化学过程,形成具有一定孔隙、强度的中间产品。

1.1.4 后处理

后处理主要包括机加工、焊接及热应力处理等过程,根据最终所需烧结金属粉末多孔元件尺寸进行机加工,与致密支撑件的焊接及焊后热处理等工艺,最终得到所需规格的烧结金属粉末多孔元件。

1.2 烧结金属粉末多孔材料的特点

金属多孔材料主要有烧结金属粉末多孔材料、烧结金属丝网多孔材料、烧结金属纤维毡多孔材料和泡沫金属材料等[7]。金属粉末多孔材料一般由金属/合金粉末经粒径筛选、压制成型、高温烧结、机加工和热处理等工序组成,兼具金属材料及多孔材料特性,是一类结构-功能一体化材料,具有力学性能优良、可焊接、耐高温、耐高压、抗腐蚀等优点[8]。

由粉末冶金制得的烧结金属粉末多孔材料孔径可控且孔隙均匀,既具有金属材料优良力学性能又具有多孔材料均匀孔隙结构及良好透过性能,因此开发烧结金属粉末多孔材料在实际工程中的应用至关重要[9]。以烧结金属粉末多孔过滤材料为例,其性能及孔隙要求需根据使用工况和性能要求决定,其中不锈钢、钛及钛基合金、镍及镍基合金、Fe-Al基等抗腐蚀烧结金属粉末多孔过滤元件在实际工况中应用最为广泛。

2 烧结金属粉末多孔材料在不同领域的应用

2.1 过滤技术中的应用

过滤技术作为一种高效分离技术得到了迅速发展,工业生产过程中过滤分离工况差异较大,传统高分子滤芯、布袋等过滤元件由于强度、耐温较差、不可反吹再生等缺点受到应用限制。随着生产工艺的不断创新及改进,一些生产工况的压力、温度较高且对过滤元件的强度、抗腐蚀性、精度等提出了更高要求,在反应之前需将含有的固体颗粒物进行高效去除。

烧结金属粉末过滤材料常用于气-固、液-固澄清体系的过滤分离过程以实现对工艺气体/液体的净化和固体颗粒(如催化剂、粉煤、金属粒子等)的拦截或回收。利用烧结金属粉末多孔材料特殊孔道结构对流体中微量固体颗粒的阻碍、拦截和捕集作用,可有效实现对澄清体系气体或液体中固体颗粒的过滤,进而达到对流体的净化或分离。金属粉末通过粉末冶金工艺制备成管、片、筒状等不同形式过滤元件应用于过滤分离以实现对工艺流体的净化[10-11],通过控制粉末粒度、成型、烧结等工艺得到适用于工况要求的孔隙结构。

烧结金属粉末过滤元件常见形式为不锈钢管状,在工业中主要通过过滤器内件形式应用。过滤元件通过管板固定,工作原理为工艺流体在压力作用下由外而内通过烧结金属粉末多孔过滤元件,固体颗粒被阻挡在过滤元件外表面。随着固体颗粒不断堆积、滤饼厚度逐渐增加。为保证烧结金属粉末过滤元件长寿命,当过滤元件内外压差时达到设计最大允许压差时,需启动反吹使过滤元件的性能得到再生恢复,其透过性能可恢复超过90%。

不锈钢、钛及钛合金等烧结金属粉末过滤元件由于其过滤精度可控、孔隙均匀、机械强度高、抗腐蚀性能好、有良好的再生性能和抗热震性能。同时过滤元件可通过流体逆向反吹使其透过性能得到再生,在煤化工、石油化工、精细化工等领域有广泛应用,如煤气化粗煤气过滤、工艺气过滤、废水过滤、飞灰过滤、多晶硅氯硅烷过滤,石化行业催化油浆过滤、S-Zorb装置吸附剂过滤,锌冶炼中硫酸锌溶液等[12-15]过滤分离工艺,可有效保证过滤装置的稳定、长周期运行。以液-固澄清过滤体系为例,烧结金属粉末多孔过滤元件在工业应用中一般采用2台过滤器并联(一开一闭)的工艺,其中一台过滤器正常运行,另一台过滤器进行液体离线反冲洗,该工艺过滤系统结构紧凑、简单易行。

2.2 粉煤加压流化输送中的应用

在煤化工、石油化工等工业生产中,广泛采用流化床技术,该技术需要结合使用位置和工况条件配置合适的气体分布器,以保证气体能均匀进入床层完成各种反应。以煤气化为例,气化工艺作为现代洁净煤转化技术的核心,可分为固定床、气流床和流化床气化技术。其中气流床气化技术发展迅速,主要有以德士古水煤浆为代表的湿法气化和以SHELL、航天(HT)、GSP为代表的粉煤干法加压气化技术。粉煤干法加压气化技术对煤种的适用性广、耗氧量低等在近些年得到广泛推广及应用,主要流程包括磨煤单元、粉煤加压输送单元、粉煤气化单元、合成气净化单元、渣及灰/灰水处理单元[16]。

粉煤加压流化输送单元需接受来自磨煤单元的粉煤并经粉煤储罐、粉煤放料罐、粉煤给料罐将粉煤输送至气化炉烧嘴,保证气化炉稳定的供煤量。粉煤干法加压气化中原料粉煤粒径小,细颗粒之间由于黏附、摩擦等作用极易在输送过程中产生架桥及堵塞现象,很容易造成工艺生产系统的停车,因此需保证粉体在加压流化输送过程中的畅通。通过自主设计异型成型模具和烧结胎具并引入近净成型方法和烧结技术,西北有色金属研究院、西部宝德科技股份有限公司、北京钢铁总院安泰科技股份有限公司等单位根据使用位置及用途的不同,开发出通气锥、吹扫器、笛管、流化盘等粉体流化输送用大型异形多孔元件。广泛采用的粉煤加压流化输送元件为不锈钢烧结粉末多孔元件,利用洁净低压、高压N2/CO2通过烧结金属粉末为核心内件的粉体流化输送装备使粉体松动实现流化和输送。洁净气体在进入粉体流化输送用通气锥及吹扫器附近壁面时形成均匀气膜[17],阻止了粉体和壁面的直接接触,不仅减小了粉体对设备的冲刷,同时也降低了粉体发生架桥及堵塞的机率。

通气锥、管道充气器、笛管由外壳及内件组成,内件由特定精度烧结金属粉末加工制备而成,其工况操作适应性广,可实现在低压、高压或有压力交变场合的稳定运行。充分利用烧结金属粉末多孔材料优良力学性能及均匀孔隙结构,将开发出的通气锥、管道充气器、笛管等粉体流化输送元件应用于粉煤储罐、粉煤放料罐、粉煤给料罐可实现对粉煤的加压、流化及输送,有效避免了粉体在实际工作过程中的架桥及堵塞现象,保障了工艺生产过程稳定、长周期运行[18-20],可广泛应用于粉煤、飞灰等各类粉体的流化及输送场合。

2.3 汽车零部件中的应用

粉末冶金法作为一种少切屑或无切屑的工艺,可大大减少机加工量、节约金属材料、提高生产效率[3]。由其制得的汽车零部件具有种类繁多、节能、节材、环保且适于大批量生产等优点,因而在制造业中获得高速增长,已广泛应用于汽车诸多关键部位,如汽车发动机用钢零件、汽车变速器系统用钢件、齿轮保持架等均由烧结金属粉末在高温下压制、烧结、机加工而成[21-22]。为了使粉末冶金汽车零部件的强度进一步提升,美国GM公司、英国GKN、法国Federal Mogul等公司将粉末冶金和锻造技术有机结合起来,建立生产线并大规模生产出了粉末锻造齿轮、汽车自动变速器用轴承内外圈[23],使零件的力学性能更优。

根据不同的应用场合和使用要求,不同粉末冶金材料被广泛应用于生产汽车零部件。粉末冶金高强度铝合金作为一种重要的汽车轻量化材料,由于其密度低、吸能性强、屈服强度和抗拉强度好,因此在粉末冶金铝基凸轮轴承盖等[23]领域也有广阔的应用。不锈钢粉末烧结金属元件具有耐腐蚀、无切削加工特点且通过颗粒粒径等控制可得到高精度铸件,在汽车挡风玻璃后视镜底座得到广泛应用[24]。王广达等[25]将混合好的金属和非金属粉末压制成型,在氨气氛中进行加压烧结制得粉末冶金摩擦材料闸瓦和闸片,广泛应用于高速列车制动。另外,充分利用粉末冶金不锈钢高温下优良力学性能、耐腐蚀性、抗疲劳性能,用于生产ABS传感器齿圈、排气管法兰等汽车零部件[26]。中国自主开发通过粉末烧结工艺制得的Ti-215Nb合金作为新型β钛合金,因其力学性能调节范围大的优点广泛应用于各种高性能内燃机的制造[27],粉末冶金法成本低、效率高、污染低,也已成为制备内燃机用钛合金的重要方法之一。

2.4 环保净化中的应用

随着环保要求指标的严格度增加,噪声、含尘排放气、废水被公认为工业三大污染源,尤其对外排烟气、废水处理等出口指标提出更高要求,烧结金属粉末多孔材料作为一种高精度多孔元件在气体除尘、废水净化等工艺过程中逐渐凸显出优势[28-29]。将含尘烟气等气体经烧结金属粉末多孔元件作用,出口粉尘可低于10 mg/Nm3。

中海油惠州石化有限公司煤制氢部将Fe3Al多孔金属烧结粉末滤芯用于E-Gas气化装置的焦过滤器中,结果表明装置过滤压差稳定在约14 kPa,过滤性能优、运行稳定、反吹性能好[30]。在高温、高压、腐蚀等环境下,Fe-Al金属间化合物由于具有耐高温、抗热震性好、耐硫腐蚀性能等优势,通过等静压成型制备的Fe3Al烧结金属滤管可广泛应用于石化和化工工业高温反应含尘气体、玻璃工业高温尾气、催化裂化高温烟气除尘、冶金工业高炉与转炉高温煤气、锅炉及焚烧炉高温废气等高温除尘净化[30-31]。李松等[32]考察了钛金属膜在冀东油田高尚堡联合站两级污水过滤处理工艺中的应用,结果表明经钛金属膜过滤分离后,处理后回注水的平均悬浮物质量浓度为1.39 mg/L,平均粒径中值为0.79 μm。钛金属膜适合用于油田回注污水的深度处理,可保证回注水中悬浮物质量浓度与粒径中值指标的稳定。在水处理领域,微孔烧结金属钛管、不锈钢滤管等在水净化方面效果显著。烧结金属多孔钛材料作为一种新型的过滤材料,耐腐蚀、力学性能好、过滤精度高,由微孔钛组成的二级过滤系统在水处理及净化方面也效果显著。在造纸行业,纸浆漂洗和污水处理等[33]领域也会用到316 L不锈钢、镍及镍合金和钛等烧结金属粉末多孔材料,以实现净化或回收的目的。

2.5 其他领域的应用

烧结金属粉末多孔材料耐高温性能好、刚度强、不易污染且回收再生性强,另外由于烧结金属粉末多孔材料含有大量均匀的孔隙结构,有良好吸收噪音功能。当声波通过孔径一定的细小多孔材料流动时,会与多孔材料内壁摩擦产生紊流等现象而消耗一定能量,因此,烧结金属多孔材料可利用这些特点制作各种环保消声材料,可广泛应用于发电机室、建筑、管道、车辆等的吸声降噪[34]。

烧结金属粉末多孔材料在其他领域也有广阔的应用,如比表面积大且有支撑强度可作为固体催化剂[35];因金属粉末优异的铁磁性能及能量吸收效果可作为吸波材料和消音材料[36];因轻质-高孔、良好的电磁波吸收性能用于电极材料与屏蔽材料,可作为生物材料,如粉末冶金多孔钛用于医疗行业矫形术、牙缺损修复[34-35]。另外烧结金属粉末多孔材料也可用于多孔模具[37]、铸造工艺装备、轴承材料、发动机缸盖上气门座圈或阀座圈[38]、轻武器工业生产[39]、航空航天发动机用耐热结构件[40]、航空领域热防护结构的发汗冷却[41]及新能源材料等领域。

3 烧结金属粉末多孔材料发展趋势

3.1 高精度、高强度、大通量

随着工业产品质量、环保要求等越来越严格,对过滤分离、粉体流化输送中多孔元件的精度提出更高要求。过滤精度不断提高以实现与固体小颗粒的高效分离,特别是高精度不对称粉末多孔材料的发展受到了广泛重视[42-43]。

过滤分离、粉煤加压输送领域高精度、高强度、大通量烧结金属粉末多孔元件的开发应用可降低工况最大允许压降,保障工艺产品出口质量、粉体与洁净气体的隔离及在工况使用过程中的安全稳定和长周期运行。

3.2 元件、装备及系统应用集成化

随着工程化方向不断发展,需对整个系统进行全面设计以提高系统工作效率,因此开发烧结金属粉末多孔元件配套装备、系统集成应用也是过滤分离等领域工业发展的新趋势[44-45]。以烧结金属粉末多孔材料在过滤技术中的应用为例,应根据过滤分离的不同工况及应用领域,选择合适的过滤分离材料、设计合理地过滤分离工艺路线和系统;同时系统的高自动化、连续化、低能耗、高效率、低成本和低污染也是现代过滤分离技术的新要求及过滤分离成套系统追求的目标。

3.3 工况适应性广

工业发展对低能耗产品的倾向使得烧结金属粉末多孔材料在过滤技术、粉体流化输送等领域的应用逐渐扩大,对过滤产品、过滤介质、流化输送等工况的适宜操作条件提出了更高的要求。不同领域的应用过程中工况复杂多变,加强烧结金属粉末多孔元件对恶劣工况的适应性有重要意义,要特别加强对烧结金属粉末多孔元件的质量控制及操作条件、应用可行性分析[46]。

3.4 产品多元化及长寿命

根据不同使用场合及应用目的开发不同系列烧结金属粉末多孔元件,不断优化性能参数及使用结构。高精度管状多孔元件及不同大型异形多孔元件是烧结金属粉末工业应用产品重点开发的方向,在该过程中需降低烧结金属粉末多孔元件消耗,同时提高烧结金属粉末多孔元件在实际使用过程中的寿命,以保证工况的稳定、连续和长周期运行。另外,应加强烧结金属粉末多孔元件的反吹性能评价、优化及多孔元件清洗再生的工业试验及开发,以促进金属粉末多孔元件在设计使用周期内的再利用和长寿命稳定运行。

3.5 生产高精度化、低成本化

烧结金属粉末零部件对加工尺寸、精度等有严格要求,粉末冶金工模具、数控压机等各类成型、加工设备可有效控制烧结金属粉末多孔零部件的尺寸、密度及裂纹等缺陷,有效实现了多孔元件的高精度化及近净成型。烧结金属粉末零部件制造工艺相对复杂,粉末冶金工艺在改进生产工艺、保证产品质量的前提下降低生产成本也是今后发展的方向之一。

4 结束语

烧结金属粉末多孔材料作为一种功能-结构一体化材料,其烧结多孔元件因具有均匀孔隙结构、优良力学性能及透过性能等优势在过滤分离、粉煤加压流化输送、除尘环保、汽车零部件等领域得到广泛推广及应用,对各相关产业的发展起到重要的推动作用,带来了巨大的经济效益和社会效益。

在常规烧结金属粉末多孔元件应用的基础上,应结合实际工业应用开发出不同系列高精度、大通量、高强度的改进烧结金属粉末多孔元件及大型异形元件,以保证良好的工况适用性及运行长寿命。应加快对烧结金属粉末多孔元件、装备及系统集成应用以提高工业生产的工作效率及稳定长周期运行,同时做好烧结金属粉末多孔元件的性能评价、工业反吹效果优化及清洗再生的工业试验开发,以保证金属粉末多孔元件在设计使用周期内的再利用和长寿命稳定运行。另外应不断探索烧结金属粉末多孔材料在含油介质的过滤技术、其他粉体流化输送、汽车零部件、吸声材料等领域的应用及开发。