用于以高产能生产高品质球形粉末的等离子设备制造技术

公开了使用等离子焰炬和感应加热的组合，以高产能由大直径丝材或棒材生产高纯度粉末的设备和方法。所述方法通过包括更有效的感应预加热系统而提供了优异的生产力。设备还包括这样的机制，其允许调节等离子焰炬的位置以及它们相对于丝材的冲角，其对从等离子羽流至丝材的机械和热学能量传递具有直接影响，允许对粒径分布以及生产能力的精细控制。此外，改变感应频率允许优化丝材内部的温度分布，其可以与所得的平均粒径直接相关联。

Plasma equipment for producing high quality spherical powder with high productivity

A device and method for producing high-purity powder from large diameter wire or bar with high productivity by combination of plasma torch and induction heating are disclosed. The method provides excellent productivity by including a more effective induction heating system. The device also includes such a mechanism that allows the adjustment of the position of the plasma torch and their angle of impact relative to the wire, which has a direct impact on the mechanical and thermal energy transfer from the plasma plume to the wire, and allows for fine control of the particle size distribution and production capacity. In addition, changing the induction frequency allows optimizing the temperature distribution inside the wire, which can be directly related to the average particle size.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于以高产能生产高品质球形粉末的等离子设备相关申请的交叉引用本申请要求于2015年6月5日提交的目前未决的第62/171,618号美国临时申请的优先权，其通过援引并入本文。
本公开内容的主题涉及高纯度类球形粉末的生产，所述粉末主要用于增材制造(3D打印)和热等静压(HIP)。
技术介绍
对精细的高品质球形金属粉末存在不断增长的需求。例如，此类粉末的一个主要应用是3D打印工业，其已经要求高品质球形无附属物(satellite-free)的Ti-6Al-4V(钛合金)的窄尺寸等级(sizecuts)，通常为45至45微米，或45-106um。106-250um分级尺寸等级用于热等静压(HIP)。这种应用已经在品质方面遇到障碍，因为其消耗目前市场可得的最高品质的粉末。许多标准用于估计粉末的品质：其球形度、其粒径分布、不存在附属物(粘附于主要颗粒的显著小的颗粒)。一个当前的问题是此类品质的粉末的生产能力是非常有限的。另一个问题是典型的雾化系统产生广范围的粒径，而工业则要求非常窄且特定的等级(cuts)。在近些年来已经开发出许多方法以通过雾化产生粉末。例如，在第5,707,419号美国专利中，公开了这样的方法，其中等离子焰炬用于熔化和雾化钛丝材。在该公开内容中，例如，使用限于3.2mm(1/8”)的丝材直径，钛的进给速率被限于0.75kg/h，并且等离子焰炬以相对于进给轴呈30°角度的位置固定。这种30°角度已经被确定为在某些情形下的最佳角度。此处，焰炬以这种特定角度锁定以确保与丝材对准。尽管这种方法具有在运行之间可重复性的优势，以及使瞄准丝材周围的机会最小化，但是申请人的经验证实这种配置不是最佳的。在第WO2011/054113号PCT专利公开案中，提议了使用预加热用电极改善等离子雾化的生产力的方法。使用预加热用电极是非常复杂的工艺。在这种布置中，典型地有三个电极以及三(3)个等离子焰炬以确保均匀加热。通过使每一电极向丝材产生电弧来加热丝材。因此，3个电流行进通过丝材并且经由电阻加热对其加热。这意味着需要操作6个电源，注意到存在越多的电源，越难以管理通向丝材的热量，此外，这还显著地增加了资金和操作成本。对这种布置还存在许多机械不便利性。例如，为了发生等离子雾化，随丝材而定的焰炬对准是非常关键的。所有电极和焰炬以及丝材必须在相同的精准点(exactpoint)处汇聚。顶端汇聚点周围的空间是非常有限的，因此通过机械约束而非工艺本身来指定装配设计。因此，将期望获得简化的装置以允许增加等离子雾化的生产力。因此还在获得允许控制粒径分布的系统方面获得增益。
技术实现思路
因此非常期望提供用于生产有品质的粉末的新颖的设备。还非常期望提供用于生产有品质的粉末的新颖的方法。本文描述的实施方案在一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：-用于预加热所述丝材的装置；-用于将所述丝材加热至雾化的至少一个等离子焰炬；和-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：-用于雾化所述丝材的等离子焰炬，所述等离子焰炬适于在反应器上转动(swivel)和旋转(rotate)；和-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：-用于雾化所述丝材的等离子焰炬，所述等离子焰炬与所述丝材的角度适于调节以调节粉末粒径分布；和-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的方法，包括：-预加热所述丝材；-将所述丝材加热至雾化；以及-将雾化的颗粒冷却至固态。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的方法，包括：-提供等离子焰炬，所述等离子焰炬适于在反应器上转动和旋转；-调节所述等离子焰炬在所述反应器上的位置；-使用所述等离子焰炬以雾化所述丝材；以及-将雾化的颗粒冷却至固态。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的方法，包括：-提供等离子焰炬以雾化所述丝材，-调节所述等离子焰炬相对于所述丝材的角度以调节粉末粒径分布；-使用所述等离子焰炬以雾化所述丝材；以及-将雾化的颗粒冷却至固态。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了由任何上述方法生产的粉末。此外，本文描述的实施方案在另一方面提供了由任何上述设备生产的粉末。附图说明为了更好地理解本文描述的实施方案和更清楚地显示它们如何生效，现在参考(仅以实例形式)附图，其示出至少一个示例性实施方案，并且其中：图1是根据示例性实施方案的等离子设备的总示意图；图2是根据示例性实施方案的感应线圈和丝材导向器的放大的详细横截面视图；图3是根据示例性实施方案的使用滚珠法兰的焰炬角度调节机制的放大的详细横截面视图；图4是感应频率对丝材中的温度分布的影响的示意图；以及图5a和5b示出常规焰炬与根据示例性实施方案的焰炬之间的焰炬角度和尖端与丝材的接近性的比较，其中在图5a中，常规焰炬提供了30°的固定角度，其导致更长的距离；而在图5b中，本专利技术的焰炬表现出更积极的角度，其转化成更接近的喷嘴，由此使等离子与丝材之间的热量和动量传递最大化。具体实施方式为了生产高品质粉末，控制粒径和使等离子雾化反应器中的生产速率最大化，由此呈现装置P和可以用于调节焰炬角度及预加热丝材的方法。现在已经证实，改变角度以及喷嘴的尖端与丝材的接近性可以对产能以及粒径粉末具有显著的影响。如图1所示，在金属丝材池1上提供的丝材2从金属丝材池1展开，然后进给通过丝材进给和矫直机3。直的丝材2被进给通过透通法兰4。然后，丝材2进入丝材导向器5，其由感应线圈6围绕，然后由三个等离子焰炬7在其顶端8处雾化(顶端是丝材2与三个焰炬7的交汇点)。将由此产生的粉末传送通过穿孔板9并且随其下落到反应器10而冷却。经预加热，丝材2则达到顶端8，其是丝材2和三个等离子焰炬7交汇以进行雾化的区域。熔化的雾化颗粒随着它们向下落入反应器10的室中而冷冻回固态。然后将粉末11气动地传送到旋风器12。旋风器12将粉末与其气相分离。粉末在罐14的底部被收集，同时经由出口15将洁净的气体发送至更精细的过滤系统(未示出)。罐14可以通过气密隔离阀13与旋风器12隔离。现在关注感应线圈6，当前的设备P使用感应线圈来预加热丝材2，其使用单电源并且作为热源，不妨碍顶端区域。在这种配置中，丝材预加热来自单个均匀且紧凑的源。丝材温度可以通过调节感应功率来控制，其是感应线圈6中的电流的函数。感应预加热装置在图2中例示。透通法兰4由不导电材料制成以确保整个反应器与线圈绝缘。透通法兰4具有装备有压缩配件21的两个气密孔，所述压缩配件21用于使感应线圈6的引线22传送到反应器10中。丝材导向器5可以被设计为与感应相反应或对感应是通透的。例如，丝材导向器5可以由氧化铝或氮化硅(对感应是通透的)制成。其还可以由碳化硅或石墨(与感应相反应)制成。在后一情形中，通过感应而加热的热丝材导向器会将热量辐射回丝材2中。例如，当所用的丝材为1/4”直径的Ti-6Al-4V等级23ELI时，已经发现这种丝材的最佳感应频率为170至290kHz。最佳频本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：‑用于预加热所述丝材的装置；‑用于将所述丝材加热至雾化的至少一个等离子焰炬；和‑用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.05 US 62/171,6181.用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：-用于预加热所述丝材的装置；-用于将所述丝材加热至雾化的至少一个等离子焰炬；和-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。2.如权利要求1所述的设备，其中所述用于预加热所述丝材的装置包括感应线圈。3.如权利要求2所述的设备，其中提供了用于与感应相耦合以将热传递至所述丝材的丝材导向器，例如主要通过感应、辐射和对流。4.如权利要求2所述的设备，其中提供了对感应呈通透的丝材导向器，由此来自所述感应线圈的热量被直接传递至所述丝材。5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中提供了用于调节所述焰炬相对于所述丝材的角度和距离中的至少一个的系统。6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其中提供了适于容纳更大的棒材和丝材直径的进给装置。7.如权利要求6所述的设备，其中所述进给装置适于进给和矫直更大的棒材和线材直径。8.如权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述丝材直径为1/8”至6”，包括端值。9.如权利要求3所述的设备，其中如果所述丝材是导电的，则在所述丝材被丝材导向器加热的同时，所述丝材还被直接耦合加热。10.用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：-用于雾化所述丝材的等离子焰炬，所述等离子焰炬适于在反应器上转动和旋转；和-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。11.用于通过等离子雾化由丝材...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·亚力克斯·多瓦尔·迪昂，威廉姆·科瑞克卫茨，皮埃尔·卡宾，
申请(专利权)人：派洛珍尼西斯加拿大公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA