Класификация на синтерован метален прах: Изграждане на усъвършенствани градиентни порести структури

Принципът зад сортирането на праха е, че частиците с различни размери се пакетират и синтероват по различен начин. Различните размери на прах заемат място в зелената пресова маса, когато се смесват преди синтероване. Когато тези частици се свържат по време на високо-температурно синтероване, те образуват свързани пори. Изборът на размери на частиците за слоевете е най-важната нова идея. Спеченият метален прах с частици от 40–80 микрометра има макропори, които позволяват движение на течността, но не и фино филтриране. Въпреки това фините прахове (5–20 микрометра) създават микропорести зони, които филтрират добре, но имат по-голямо съпротивление на потока. Чрез прогресивно превключване между режимите в даден компонент, инженерите създават градиентни структури, които увеличават максимално предимствата им. Времето и температурата по време на синтероването са от решаващо значение. Титаниеви прахове, използвани в частите на PEM електролизера, трябва да се съхраняват в контролирана среда без -кислород, за да се избегне замърсяване и загуба на електричество.

Традиционните прахообразни-филтри имат недостатъци. По-финият, хомогенен прах подобрява точността на филтъра, но се запушва лесно и спира потока. Равномерният груб прах поддържа потока, но му липсва разликата, необходима за важни употреби. Този компромис-е елиминиран от градиентни системи. Вижте водороден-произвеждащ три-слоен градиентен филтър. Нашият 50–70 микрометров основен слой от титанов прах поддържа структурата здрава и електричеството протича. Междинният слой се превръща в прах от 20–40 микрометра, който филтрира, като същевременно пропуска определени неща. Най-горният функционален слой използва 5–15 микрометра титанов прах с ниско-кислород и висока-чистота. Това е идеалният филтър, необходим за защита на мембранните електродни модули от частици. Този дизайн значително удължава експлоатационния живот. Прилагат се повече ограничения, тъй като замърсителите се придвижват по-дълбоко в структурата. Частиците се събират в целия филтър, а не само на една повърхност. Резултатът? По-дълъг o

Концепцията за градиент надхвърля размера на частиците, за да включи състава на материала. Филтърните елементи от синтерован порест метал за PEM са предимно от титан, защото не ръждясва и провежда добре. В други случаи сплавите на-основа на никел или специалните неръждаеми стомани работят по-добре. Някои производители правят хибридни градиенти, където размерът на частиците и съставът на материала се променят. В области, които не-ръждясват, поддържащият слой може да включва прах от неръждаема стомана, за да спестите пари и да го укрепите. Преходните слоеве от прахове от титан и неръждаема стомана биха забавили промените в свойствата и биха предотвратили стреса от разслояване. Повърхностите от чист титан осигуряват функционалност при враждебни електролитни условия. Тези промени в материала изискват внимателно разглеждане на коефициентите на топлинно разширение и характеристиките на синтероване. При нагряване несъответстващите материали могат да се разделят или да развият вътрешни напрежения, които отслабват структурата. Изследванията на NAVI Titanium решават тези проблеми с прецизен контрол на химическия състав на праха и доказани процеси на синтероване.

Характеристиките на праха и крайната производителност са предвидими, но сложни. Разделянето на вода и газ в електролизатор изисква различна степен на филтърен елемент от химическата обработка. Дизайнът дава приоритет на електрическата проводимост и ефективността на филтъра за PEM водна електролиза. Праховете се нуждаят от умерена порьозност (30–40% празна фракция) и свързани мрежи от пори, за да позволят на електроните да мигрират и на мехурчетата да избягат. Частици с диаметър между 10 и 50 микрометра създават пори с ширина от 5 до 30 микрометра по протежение на градиента. Промишленото филтриране при високо{11}}налягане и температура има различни изисквания. Тези употреби изискват по-силни механични свойства, така че изборът на прах се насочва към по-големи степени (30–80 микрометра) с по-висока плътност на синтероване. Структурите жертват известна прецизност на филтриране, за да понасят промени в налягането от над 1 MPa и да поддържат формата си при високи температури.

Консистенцията на производството на градиентни синтеровани филтърни елементи зависи от това колко еднаква е партидата прах. Промените в химичния състав, формата или разпределението на размера на частиците между производствените партиди имат пряк ефект върху това колко добре работят готовите части. Доставчиците на добър синтерован метален прах следват стриктни процедури за тестване на партиди, които записват параметри за разпределение на размера на частиците (стойности D10, D50 и D90), химически стандарти (елементен състав и интерстициално съдържание) и характеристики на потока (видима плътност и дебит на Хол). Тези фактори влияят на действието на праха по време на пресоване и синтероване, което от своя страна влияе на крайната порьозност, здравина и точност на размерите. NAVI Titanium поддържа подробни спецификации на праха за всички наши продукти, така че производителите да могат да получават постоянни резултати от партида на партида, когато правят много от тях. Тази надеждност е особено важна за проекти за зелен водород, които използват хиляди идентични филтърни елементи, които трябва да работят надеждно в продължение на много години.

Характеризирайки насинтерован метален прахе необходимо за класиране. Градиентният дизайн използва информация за разпределението на размера на частиците с помощта на лазерна дифракция или ситов анализ. Графиката на разпределението показва обхвата на популацията на размера, асиметрията и средната ширина на частиците. Тясното разпределение (ниска стойност на обхвата) прави порите на слоя по-последователни, което е от полза за точните оценки на филтрацията. По-широкото разстояние между частиците подобрява гнезденето, плътността на опаковката и динамичната здравина. Професионалните инженери избират пакети, които отговарят на изискванията за скорост на слоя. Съдържанието на кислород е от решаващо значение, особено за титанови прахове, използвани в електрохимични процеси. Индустриите използват титанов прах с 2000–3000 части на милион кислород, което е добре за филтри. PEM компонентите от висок{10}}клас се нуждаят от варианти с ниско{11}}кислород (под 1500 ppm), за да поддържат електрическата проводимост и да предотвратят пасивиращи слоеве, които спират трансфера на електрони.

Градиентните дизайни са отлични за разделяне на ефективността на филтъра и съпротивлението на потока, които обикновено са в конфликт. Добре-проектираните градиенти позволяват по-бързи скорости на потока при същите степени на филтриране като опциите с един-степен. Изчислителните изследвания на динамиката на флуидите показват, че градиентните структури разпределят спада на налягането на филтъра по дебелина. Намалява локализираните пикове на скоростта, които ускоряват износването и канализирането. Конструкцията е подсилена от груб носещ слой, който допринася за незначително съпротивление на потока. Финият функционален слой пресява прецизно върху по-тънко напречно-сечение от единичен компонент. Експериментите показват товасинтерован метален прахползи. В PEM електролизатор (80 градуса, дейонизирана вода с разтворени газове) три-слойните градиентни титаниеви филтри отстраняват частици, както и единични-клас филтри, но поддържат 40–60% по-високи обемни дебити. Това увеличение на скоростта увеличава капацитета на системата и намалява енергията на помпата.

Спечените филтри обикновено се повреждат механично, тъй като повърхността се износва, пукнатините се разпространяват или се променя налягането. Градиентните структури адресират слабостите чрез архитектура, вместо да увеличават обема на материала. Грапавият субстратен слой укрепва структурата срещу изместване под налягане. Тъй като местата за контакт на частиците са по-големи и по-многобройни, синтероването създава силни свързващи мрежи, които могат да разпръснат механичните напрежения. Този слой, подобно на арматурата в стоманобетон, се справя с натиск на опън и натиск, който финият повърхностен слой не може. Преходните слоеве помагат за разпределяне на напрежението. Бързите промени на свойствата между слоевете натоварват зоните,-податливи на пукнатини. Тези слаби равнини се отстраняват чрез постепенни промени в размера на частиците и механичните свойства. Това създава монолитни конструкции с разнообразен интериор. Този подход е полезен при температурни циклични настройки, където различните скорости на растеж могат да причинят разслояване.

Материалът и конструкцията оказват влияние върху химическата устойчивост. Градиентните шарки предпазват предмети в лесно чупливи зони по-дълго, отколкото материалознанието може. Помислете за експозицията на сярна киселина в промишленото химическо производство. Титанът по своята същност е устойчив на-ръжда, въпреки че повърхностните дефекти или разликите в състава могат да причинят локализирана ръжда. Градиентна структура от титанов прах с висока-чистост намалява тези начални точки във видимия горен слой. Локалното проникване няма да отслаби слоевете на структурата отдолу. В най-горните слоеве NAVI Titanium използва титанов прах с ниско-кислород, за да предотврати образуването на котлен камък, който се разпада при нагряване или механично напрежение. Тази грижа за чистотата на праха се отплаща, когато стабилността на повърхността влияе върху замърсяването на процеса. Филтърните елементи могат да издържат хиляди часове във враждебна химическа среда с правилния градиентен дизайн и тези материали.

Категоризирането на праховете еволюира отвъд механичното пресяване. Тъканите телени сита все още се използват за грубо разделяне и контрол на качеството, но въздушното класифициране и центробежното разделяне стават все по-популярни в съвременното производство, тъй като контролират по-добре разпределението на размера на частиците. Различните скорости на терминала класифицират въздуха. Крайните скорости са скорости на падане-на частици в течаща среда. Операторите могат да сортират праховете в по-малки групи по-точно от пресяването чрез внимателно манипулиране на въздушния поток в сложни устройства. Тази технология е идеална за производство на прах с размери под 20 микрометра за прецизни филтърни слоеве. Центробежните филтри сортират по-ефективно чрез въртене. Тези системи разделят средно{9}}групи (20–60 микрометра) по-добре от въздушните класификатори и могат да обработват повече материал. Изборът на техника за класифициране зависи от желания размер на частиците, производството и приемливите структури на разходите.

Градиентните дизайни се нуждаят от повече от скрити пудри, за да бъдат последователни. Смесването изисква голямо внимание. Ако смесите нещата погрешно, композицията може да се промени, причинявайки проблеми с производителността в готовите части. Инструментите за смесване на прах варират от обикновени барабанни смесители за не-критични задачи до сложни три-измерни миксери, които осигуряват хомогенност при смесване на материали с различна плътност и свойства на течливост. Времето за смесване на праха е от решаващо значение. Може да остави несъответствия в състава, ако не се комбинира достатъчно, докато твърде много смесване може да раздели частици с различни размери или да промени формата на праха. Производителите обикновено подготвят състава на всеки слой, преди да го депонират в много-системи с градиент на слоеве. Този подход осигурява най-голям контрол върху ширината на слоя и състава. Прогресивното пълнене на матрицата използва прахови състави, които варират при пресоването на продукта, за да осигурят непрекъснати градиенти вместо стъпала.

За да сте сигурни, че градиентните структури работят по план, те трябва да бъдат проверени с помощта на методи, които могат да погледнат отвътре, без да повредятсинтерован метален прахчасти. Рентгеновата компютърна томография се превърна в мощен, не-деструктивен начин да се види как са разпределени порите и къде се срещат слоевете в части, които са циментирани. Порозометрията с проникване на живак измерва както общия брой на порите, така и как са разпределени ширините на порите. Дава ни точна информация за размера на порите. Тази информация доказва, че направеният избор относно степента на праха е довел до желаната структура на порите след синтероване. Тестването с точка на балон е по-лесен начин за проверка на най-големите пори в материала, който може да се използва в реалния живот. Това е много важно в ситуации, при които частици, които проникват, биха повредили други части на системата. Картите на електрическата проводимост са особено полезни за електрохимични употреби като PEM електролизатори.

Все повече и повече компютърното моделиране се използва за подобряване на методите за сортиране на прах, преди да бъдат направени реални прототипи в модерния градиентен развой на филтри. Симулациите, използващи метода на дискретните елементи, могат да предскажат как прахът ще се опакова, когато се пресова, показвайки как различните комбинации от размери на частиците ще се подредят, когато прахът се пресова. Това може да се направи и със солидни конструкции, като се използва анализ на крайните елементи, който прогнозира как ще работят механично при работни натоварвания и намира възможни режими на повреда. Свързаните термични-механични симулации са особено полезни за части, които са изложени на температурни разлики, защото гарантират, че разликите в термичното разширение няма да повредят структурата. Изчислителното моделиране на динамиката на флуидите добавя към инструментите за проектиране, като предвижда как ще бъде разпределен потокът и колко добре ще работи филтърът. Тези модели използват данни за структурата на порите, които идват от свойствата на праха, което позволява на инженерите виртуално да сравняват различни дизайнерски опции.

Въпреки че компютрите са станали по-бързи, все още са необходими човешки тестове, за да се гарантира, че градиентните филтри работят в реалния живот. Стандартизираните протоколи проверяват важни показатели за ефективност, като връзката между спада на налягането и дебита, ефективността на филтрацията в диапазон от размери на частиците и механичната якост на материала при различни натоварвания. Дългосрочното-тестване при реалистични работни условия показва, че производителността остава същата във времето. За използване на PEM електролизер това означава излагане на гореща, дейонизирана вода с ограничени количества разтворени газове, високо налягане и поток от електрически ток. Запазването на пропускливостта, стабилността на съпротивлението на контакта и структурната цялост след хиляди цикли на температура и налягане са някои от мерките за ефективност, които се проследяват. Ускореното тестване на живота поставя частите в по-сурови условия, като по-високи температури, налягания или химически концентрации, за да съкрати времето, необходимо за тестването им след години употреба.

Преминаването от лабораторно-разработени градиентни филтри към фабрично-произведени има своите предизвикателства. Системите-за обработка на прах трябва да контролират грима дори в големи партиди. За да се произведат равномерни профили на плътност, пресовото оборудване трябва правилно да предава силата върху по-големите повърхности на инструмента. Горелките за синтероване трябва да поддържат температура в по-големи нагревателни зони. Мониторингът на процеса става по-важен при размера на производството. Автоматичните системи наблюдават използването на прах, налягането на пресата, изместванията и температурите на синтероване. Те ви казват, ако нещо не е наред, за да можете да подобрите продукта. Промени могат да бъдат направени, преди тенденциите да доведат до елементи, които не отговарят на изискванията, като се използва статистически контрол на процеса. NAVI Titanium инвестира в инфраструктура за производство на градиентна структура за мащабируемост. Тези подходи използват прототипни уроци. Ние можем да помогнем на клиентите да мигрират от създаване на малки партиди специализирани части към масово производство за големи инсталации за зелен водород с тази способност.