用于使用推力器辅助等离子体雾化以大规模成本有效地生产超细球形粉末的方法技术

金属粉末等离子体雾化工艺和设备包括至少一个等离子体炬、封闭腔室、位于封闭腔室的下游的喷管以及位于喷管的下游的扩散器。喷管将由所述至少一个等离子体炬产生的液体金属颗粒以及等离子体气体加速至超音速，以使得液体金属颗粒被剪切成更细的粉末。分散器为等离子体气体提供激波以升高等离子体的温度以避免在喷管的出口处形成钟乳石。该工艺提高了金属粉末的生产率和‑45μm金属粉末的产量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用推力器辅助等离子体雾化以大规模成本有效地生产超细球形粉末的方法对相关申请的交叉引用本申请要求于2017年7月21日申请、现未决的美国临时申请No.62/535,730的优先权，该申请通过参引并入本文中。
本主题涉及细金属粉末的生产和材料的等离子体处理。
技术介绍
45μm以下的细和超细球形金属粉末被用作不同制造工艺的原料，比如3D打印(增材制造)、金属注射成型(MIM)和冷喷涂沉积。时至今日，等离子体雾化似乎仍是该范围内提供最佳产量的优质粉末的技术。此外，通过等离子体雾化生产的粉末由于其极高的球形度、小粒径、高颗粒密度、出色的纯度和流动性而被认为是市场上最好的粉末之一。另一方面，由于下面提到的原因，通常认为等离子体雾化是一种操作起来昂贵的技术。最初，等离子体雾化工艺具有非常低的生产率(对于Ti-6Al-4V而言，在0.6kg/h至1.2kg/h之间)和较粗的粒度分布(D_50在80μm至120μm之间)。参见题为“通过等离子体雾化生产金属和陶瓷粉末的方法”并且授权给PegasusRefractoryMaterials&Hydro-Quebec的美国专利No.5,707,419【参考文献1】。然而，在过去的10年中，为优化生产率汇聚了许多努力，在一定程度上取得了成功(5kg/h至13kg/h之间)，并将重点转向使粒度分布转移到较细侧(从最大-106μm减少到-45μm)【参考文献1至4】。这两个参数确实直接影响了这种技术的商业盈利能力。这些增量的改进主要集中在以下方面：1)在雾化区之前使线材原料预热以用于提高生产率；以及2)增加气流和压力，以便使粒度分布转移到较细侧。麻烦的是，通常观察到增加雾化系统的生产率将与粒度分布向较粗侧的转移强烈相关。由于市场上需要较细的颗粒，因此这可能是不被期望的。即使在进行了这些改进之后，考虑到仅使用了部分引入到系统的功率，等离子体雾化族的工艺仍然非常低能效。例如，典型的等离子体雾化器可以使用3个每个功率设定为45kW的等离子体炬和8kW的预热源，以便以5kg/h的速度雾化Ti-6Al-4V线材。这表示用143kW的原始功率来处理5kg/h，这转化为28.6kW·h/kg的比热功率输入。这表示大于82倍的理论比热功率输入需求(0.347kW·h/kg)。就机械能传递而言，考虑到3个400m/s的等离子体射流，每个等离子体射流输送0.0192kg/s，这表示1.5kW的动能。假设线材相对于炬成30度角，则大约一半仅用于加速液滴。然后，将初始颗粒从400μm分解为例如低至25μm所需的动能理论上应该可以忽略不计(约0.1W)。然而，在实践中，将整个分布转移到45μm以下仍然很困难。尽管在机械功率方面的这种低效没有被直接测量，但是确实对该工艺的经由气体消耗方面的盈利能力和可销售产品的产量具有直接影响。氩气是通常用于使金属雾化的气体的示例，因为氩气是化学惰性的并且相对便宜。由于其低效率，因此典型的等离子体雾化工艺每生产单位质量的粉末消耗大量的氩气。气体/金属质量比通常在20至30之间，而理论上这些值可能会更接近1。因此，即使经过了这些年以及在等离子体雾化器的设计上的迭代，等离子体雾化仍然是一种昂贵且低效的工艺。因此，期望提供一种设备和/或工艺，以用于以高容量生产具有最少卫星颗粒并且具有高产量的-45μm的范围内的细粉末的超细球形粉末。
技术实现思路
因此，期望提供一种新颖的设备和/或工艺，以用于使用等离子体推力粉碎法大规模生产超细球形粉末。在本文中所描述的实施方式一方面提供了一种通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，该设备包括：-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将原料雾化成液体颗粒；以及-用于加速液体颗粒以及热气体和等离子体中的至少一者的混合物的装置，所述装置适于将液体颗粒剪切成更细的液体颗粒。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，该设备包括：-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将原料雾化成液体颗粒；以及-封闭腔室，该封闭腔室设置在喷管的上游，该封闭腔室是热的并且适于在进料到喷管之前熔化原料。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，该设备包括：-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将原料雾化成液体颗粒和/或液滴；以及-用热气体将液体颗粒加速至超音速的装置，所述装置适于将液体颗粒和/或液滴剪切成更细的液体颗粒和/或液滴。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了通过等离子体雾化由原料生产粉末的工艺，该工艺包括：-将原料雾化成液体颗粒；并且-加速液体颗粒以及热气体和等离子体中的至少一者的混合物，以便将液体颗粒剪切成更细的液体颗粒。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了一种通过等离子体雾化由原料生产粉末的工艺，该工艺包括：-将原料雾化成液体颗粒；并且-在喷管的上游提供封闭腔室，该封闭腔室是热的并且适于在进料到喷管之前熔化原料。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了通过等离子体雾化由原料生产粉末的工艺，该工艺包括：-将原料雾化成液体颗粒和/或液滴；并且-用热气体使液体颗粒加速至超音速，以便将液体颗粒和/或液滴剪切成更细的液体颗粒和/或液滴。此外，本文中所描述的实施方案在另一方面提供了用于3D打印、金属注射成型(MIM)和冷喷涂沉积应用中的至少一者的颗粒。附图说明为了更好地理解本文中所描述的实施方式并更清楚地示出它们如何能够发挥作用，现在仅以示例的方式参照示出了至少一个示例性实施方式的附图。图1是具有感应预热并使用旋转球法兰的传统炬角度调节机构的截面图；图2是根据示例性实施方式的推力器辅助等离子体雾化设备的截面图；图3是根据示例性实施方式的在正常操作期间推力器辅助等离子体雾化的示图。图4是根据示例性实施方式的等离子体雾化设备的推力器和扩散器的截面放大示意图；图5是根据示例性实施方式的在腔室和推力器内部的等离子体和颗粒的速度分布的曲线图；图6是根据示例性实施方式的沿着腔室和推力器的韦伯数分布的曲线图；图7是根据示例性实施方式的由本推力器辅助等离子体雾化工艺和设备产生的粉末的示例的照片；图8是根据示例性实施方式的由本推力器辅助等离子体雾化工艺和设备产生的粉末的示例的照片；以及图9是通过根据示例性实施方式的本推力器辅助等离子体雾化工艺和设备生产的粉末的粒度分布的曲线图。具体实施方式当前的主题显示出相对于参考文献1和2、即美国专利No.5,707,419和PCT公开文本No.WO2016/191854中所公开的现有等离子体雾化工艺的显着改进，两者均通过参引并入本文。在本主题中，在顶点区域处添加了“推力器”，这显著提高了生产率(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，所述设备包括：/n-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将所述原料雾化成液体颗粒；以及/n-用于加速热气体和等离子体中的至少一者的混合物以及所述液体颗粒的装置，所述装置适于将所述液体颗粒剪切成更细的液体颗粒。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170721 US 62/535,7301.一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，所述设备包括：
-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将所述原料雾化成液体颗粒；以及
-用于加速热气体和等离子体中的至少一者的混合物以及所述液体颗粒的装置，所述装置适于将所述液体颗粒剪切成更细的液体颗粒。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述加速装置包括喷管。


3.根据权利要求1和2中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括推力器，所述推力器适于加速所述等离子体至超音速并且适于将所述液体颗粒剪切开。


4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述推力器的下游端部处设置有扩散器，所述扩散器适于基本上防止钟乳石大致在所述喷管的出口处的形成，和/或适于在所述出口处重新升高等离子体温度。


5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述扩散器适于迫使射流产生激波，从而在所述出口处重新升高所述等离子体温度，以例如避免钟乳石形成。


6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述加速装置适于通过超音速气流加速所述液体颗粒至所述颗粒离开雾化区并且不产生卫星颗粒引发区域的程度。


7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其中，所述加速装置包括德拉瓦尔喷管。


8.根据权利要求7所述的设备，其中，可以通过改变气体-金属比和所述德拉瓦尔喷管的形状来调节粒度分布。


9.根据权利要求1至8中的任一项所述的设备，其中，所述加速装置的上游设置有封闭腔室，所述原料、比如线材适于在所述封闭腔室中熔化并首先雾化成粗液滴。


10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述封闭腔室的上游设置有汇聚盖。


11.根据权利要求9所述的设备，其中，设置有三个等离子体炬，并且其中，所述封闭腔室的上游设置有汇聚盖，所述汇聚盖适于将所述三个炬的等离子体一起引入所述封闭腔室中。


12.根据权利要求1至11中的任一项所述的设备，其中，氩用作等离子体气体。


13.根据权利要求1至12中的任一项所述的设备，其中，等离子体气体包括至少一种添加剂以调节所述等离子体的性能，比如将氦或氢添加入氩等离子体以用于改善所述等离子体的导热性。


14.根据权利要求1至13中的任一项所述的设备，其中，所述原料包括线材、粉末、棒料、锭料和熔融进给物中的至少一者。


15.根据权利要求1至14中的任一项所述的设备，其中，设置有五个等离子体炬中的三个等离子体炬。


16.一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，所述设备包括：
-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将所述原料雾化成液体颗粒；以及
-封闭腔室，所述封闭腔室设置在喷管的上游，所述封闭腔室是热的并且适于使所述原料在进给至所述喷管之前熔化。


17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述喷管包括超音速喷管。


18.根据权利要求16和17中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括推力器，所述推力器位于所述封闭腔室的下游并且适于加速所述等离子体至超音速并适于将所述液体颗粒剪切开。


19.根据权利要求18所述的设备，其中，在所述推力器的下游端部处设置有扩散器，所述扩散器适于基本上防止钟乳石大致在所述喷管的出口处的形成，和/或适于在所述出口处重新升高等离子体温度。


20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述扩散器适于迫使射流产生激波，从而在所述出口处重新升高所述等离子体温度，以例如避免钟乳石形成。


21.根据权利要求18至20中的任一项所述的设备，其中，所述推力器适于通过超音速气流加速所述液体颗粒至所述颗粒离开雾化区并且不产生卫星颗粒引发区域的程度。


22.根据权利要求16至21中的任一项所述的设备，其中，所述喷管包括德拉瓦尔喷管。


23.一种用于通过等离子体雾化由原料生产粉末的设备，所述设备包括：
-至少一个等离子体炬，所述至少一个等离子体炬用于将所述原料雾化成液体颗粒和/或液滴；以及
-用于通过热气体加速所述液体颗粒至超音速的装置，所述装置适于将所述液体颗粒和/或液滴剪切成更细的液体颗粒和/或液滴。


24.一种由根据权利要求1至23中的任一项所述的设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·亚历克斯·多瓦尔戴恩，弗朗索瓦·普罗克斯，
申请(专利权)人：加拿大派罗杰尼斯有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA