用于由熔融原料生产高纯度球形金属粉末的方法和设备技术

一种用于由熔融原料生产金属粉末的设备，该设备包括：加热源，该加热源用于使固体原料熔化成熔融给料；以及坩埚，该坩埚用于容纳熔融给料。还设置有流体给料管以将熔融给料以熔融流的方式给送。等离子体源递送等离子体流，其中，等离子体流适于被加速至超音速速度并且适于随后冲击熔融流以用于生产金属粉末。给料管从坩埚延伸至超音速等离子体羽流使熔融流雾化的位置。等离子体源包括至少两个等离子体炬，所述至少两个等离子体炬设置有朝向熔融流指向的至少一个超音速喷嘴。多个等离子体炬围绕超音速等离子体羽流使熔融流雾化的位置对称布置，比如以环形构型布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由熔融原料生产高纯度球形金属粉末的方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求于2018年3月17日提交的现在未决的美国临时申请No.62/644,459的优先权，该美国临时申请通过参引并入本文中。
本主题涉及先进材料，并且更特别地，涉及用于多种应用、比如航空航天和医疗行业的增材制造的金属粉末的生产。
技术介绍
水雾化使用水作为雾化介质，以使金属的熔融流雾化成非常细小的颗粒。由于水是不可压缩的流体，因此高压射流提供了以大生产率生产细小粉末所需的密度和速度两者。然而，由于来自水的污染物以及如此产生的粉末的高度不规则的和有棱角的形状，水雾化在应用方面具有若干限制。关于气体雾化，其可以通过用高压惰性气体射流冲击熔融流来生产高纯度的金属粉末。然而，该方法通常导致较细小尺寸的粉末的非常低的产率，或者具有相对低的生产率。为了实现这两个方面之间的良好折衷，需要非常高的压力来产生冷的超音速射流。用冷气体雾化具有使熔融颗粒过快冻结的缺点，这导致气体滞留在颗粒内，由此这种粉末不太适合3D打印应用，因为气体直接影响打印零件的密度。此外，由于快速的淬冷率，颗粒的形状通常是类似球形的而不是球形的。附属物通常也是这种技术的问题，因为所使用的大量气体会引起强烈的湍流粉末，该湍流粉末迫使较细小颗粒在冷却室中再循环。关于等离子体雾化，其通常使用线材而不是熔融流作为原料，并且使用等离子体源(亦称等离子体炬)作为雾化剂来破碎颗粒。使用线材提供了确保窄的等离子体射流正确指向线材所需的稳定性，因为线材必须在单个步骤中被熔化和被雾化。目前，该技术生产市场上最细小、最具球形和最致密的粉末。换句话说，在0微米至106微米范围内生产的粉末的产率非常高，球形度几乎完美，并且气体滞留减至最小。然而，该技术具有两个主要缺点。首先，对作为原料的线材的依赖是显著的限制，因为某些材料太脆而不能制成线材形式。使用线材还意味着增加原料材料的成本，因为锭必须再次被熔化以被挤制从而用于生产所讨论的线材。第二个主要缺点是与水雾化和气体雾化相比生产率低得多。来自等离子体雾化公司的报告的生产率达到13kg/h。本领域的专家将认识到，最优颗粒尺寸分布的更现实的范围将低得多。例如，美国专利No.5,707,419——其标题为“MethodofProductionofMetalandCeramicPowdersbyPlasmaAtomization(通过等离子体雾化生产金属和陶瓷粉末的方法)”并且于1998年1月13日授权在Tsantrizos等人名下——报告了针对钛的给送速率为14.7g/min或0.882kg/h，而美国专利申请公开No.2017/0326649-A1——其标题为“ProcessandApparatusforProducingPowderParticlesbyAtomizationofaFeedMaterialintheFormofanElongatedMember(用于通过使呈长形构件形式的给送材料雾化来生产粉末颗粒的过程和设备)”并且其于2017年11月16日公布，其中，Boulos等人为专利技术人——公开了针对不锈钢的报告的给送速率为1.7kg/h。因此，将期望提供一种用于由除线材以外的源并且以高生产率生产金属粉末的设备和方法。
技术实现思路
因此，将期望提供一种用于由熔融原料生产金属粉末的新颖的设备和方法。本文中所描述的实施方式在一方面提供了一种用于由熔融原料生产金属粉末的设备，该设备包括：加热源，该加热源用于使固体原料熔化成熔融给料；坩埚，该坩埚用于容纳熔融给料；递送系统，该递送系统用以将熔融给料以熔融流的方式给送；以及等离子体源，该等离子体源适于递送等离子体流；等离子体流适于被加速至超音速速度，并且然后适于冲击熔融流以用于生产金属粉末。此外，本文中所描述的实施方式在另一方面提供了一种用于由熔融原料生产金属粉末的过程，该过程包括：提供熔融给料；将熔融给料以熔融流的方式递送；提供等离子体流；使等离子体流加速至超音速速度；以及使熔融流与超音速等离子体羽流冲击以用于生产金属粉末。附图说明为了更好地理解本文中所描述的实施方式以及更清楚地示出所述实施方式如何被付诸实施，现在将仅通过示例的方式参照示出至少一个示例性实施方式的附图，并且在附图中：图1是根据示例性实施方式的用于由熔融原料生产金属粉末的设备的示意性竖向截面图；图2A是根据示例性实施方式的用于由熔融原料生产金属粉末的另一设备的示意性竖向截面图；图2B是图2A的设备的示意性仰视平面图；图3A是根据另一个示例性实施方式的用于由固体或流体原料生产金属粉末的设备的示意性正视图；以及图3B是图3A的设备的示意性竖向截面图。具体实施方式本文中所公开的本方法提供了用于由除线材之外的源——比如流体或固体原料——生产金属粉末的方法和设备。已知的是，应当使用线材以具有可行的基于等离子体的雾化过程。在本主题中，超音速等离子体射流用于使熔融流雾化，并且以下是与之相关的各种实施方式。使用线材的等离子体雾化过程确保金属与等离子体射流适当接触，以使热和动量传递最大化，使得线材可以在单个步骤中被熔化和被雾化。然而，似乎不存在使金属连续熔化所需的能量应当必须由等离子体源来提供的物理原因。在气体雾化和水雾化中，熔化和雾化是两个不同的步骤。这种构型允许更高的生产率，因此熔化速率不受超音速射流与原料之间的热传递和停留时间的限制。本主题提供了一种使用等离子体射流、如在气体雾化和水雾化中那样地使流体给料雾化的方式。更特别地，等离子体源——比如一个或更多个等离子体炬——设置成递送等离子体流，该等离子体流可以在以高动量冲击熔融流之前被加速至超音速速度。在实践中，该构思的应用相比于可以推荐的先前陈述更加复杂，因为超音速等离子体射流几乎不能被容纳，因为超音速等离子体射流对材料的存在造成非常严酷的环境。例如，钛合金(Ti-6Al-4V)的熔点为约1660℃。为了给流体颗粒提供合适的时间段以达到球形形状，递送有熔点在将要被雾化的材料的熔点以上的气体射流。对于Ti-6Al-4V，约1900℃的射流温度为优选的。基于超音速速度将热和压力转换成马赫速度(Machvelocities)，可以预期的是，温度在超音速喷嘴的喉部之前(上游)与超音速喷嘴的喉部之后(下游)之间显著下降。因此，为了在顶点(等离子体射流与将要被雾化的熔融流之间的会聚点)处获得1900℃的马赫射流，在超音速喷嘴的入口处可能需要2500℃以上的温度。考虑到在喷嘴之前的高压和高温室的热损失，可以容易地说等离子体源应当具有3000℃以上的羽流温度。商用高焓炬可以通过商业上可获得的备用部件以可靠的方式提供这种温度。在密闭的区域中处理超音速等离子体射流总是很棘手。由于这些射流的特性，因此由于非常高的温度、热冲击和机械腐蚀而对材料的保持造成非常严酷的环境。因此，应当选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于由熔融原料生产金属粉末的设备，所述设备包括：/n加热源，所述加热源用于使固体原料熔化成熔融给料；/n坩埚，所述坩埚用于容纳所述熔融给料；/n递送系统，所述递送系统用以将所述熔融给料以熔融流的方式给送；以及/n等离子体源，所述等离子体源适于递送等离子体流；/n所述等离子体流适于被加速至超音速速度并且然后适于冲击所述熔融流以用于生产金属粉末。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180317 US 62/644,4591.一种用于由熔融原料生产金属粉末的设备，所述设备包括：
加热源，所述加热源用于使固体原料熔化成熔融给料；
坩埚，所述坩埚用于容纳所述熔融给料；
递送系统，所述递送系统用以将所述熔融给料以熔融流的方式给送；以及
等离子体源，所述等离子体源适于递送等离子体流；
所述等离子体流适于被加速至超音速速度并且然后适于冲击所述熔融流以用于生产金属粉末。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述等离子体流经由至少一个等离子体源被递送。


3.根据权利要求1和2中的任一项所述的设备，其中，所述递送系统包括从所述坩埚延伸的流体给料管，以将所述熔融给料向下游递送至超音速等离子体羽流适于使所述熔融流雾化的位置。


4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体源包括连接至集气室的至少两个等离子体炬。


5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述集气室是环形的。


6.根据权利要求4至5中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体炬的出口切向连接成迫使在所述集气室内产生涡流。


7.根据权利要求4至6中的任一项所述的设备，其中，所述集气室的出口包括朝向所述熔融流指向的单个环状超音速喷嘴。


8.根据权利要求4至6中的任一项所述的设备，其中，所述集气室的出口包括朝向所述熔融流指向的多个超音速孔。


9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述超音速孔包括喷嘴。


10.根据权利要求8至9中的任一项所述的设备，其中，所述超音速孔集中指向所述熔融流。


11.根据权利要求4至10中的任一项所述的设备，其中，所述坩埚中的所述熔融给料适于通过感应装置被加热，所述感应装置通常围绕所述坩埚布置。


12.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体源包括至少两个等离子体炬，所述至少两个等离子体炬各自设置有筒形超音速喷嘴。


13.根据权利要求12所述的设备，其中，设置有至少四个等离子体炬，所述至少四个等离子体炬围绕超音速等离子体羽流使所述熔融流雾化的位置对称布置。


14.根据权利要求13所述的设备，其中，设置有至少六个等离子体炬，所述至少六个等离子体炬围绕所述超音速等离子体羽流使所述熔融流雾化的位置对称布置。


15.根据权利要求12至14中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体炬以环形构型布置，其中，每个所述等离子体炬直接指向离开所述递送系统的所述熔融流。


16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述炬相对于所述熔融流以环状方式布置。


17.根据权利要求12至16中的任一项所述的设备，其中，所述坩埚中的所述熔融给料适于通过感应装置被加热，所述感应装置通常围绕所述坩埚布置。


18.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述金属粉末适于由熔融原料和固体原料中的一者生产。


19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述等离子体源包括环状等离子体炬，并且其中，所述固体原料或流体原料适于经由坩埚/给料导引件被给送穿过所述环状等离子体炬。


20.根据权利要求18至19中的任一项所述的设备，其中，设置有推动器以用于将所述固体原料给送至所述环状等离子体炬。


21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述推动器适于在所述环状等离子体炬的上游将所述固体原料给送穿过所述坩埚/给料导引件。


22.根据权利要求19至21中的任一项所述的设备，其中，所述环状等离子体炬包括一组电极，所述一组电极串联放置并且适于将惰性气体加热至等离子体状态并使所述惰性气体加速以冲击所述固体原料，从而使所述固体原料雾化。


23.根据权利要求18至22中的任一项所述的设备，其中，所述固体原料基本为棒的形式。


24.根据权利要求22至23中的任一项所述的设备，其中，所述一组电极以圆形的方式布置。


25.根据权利要求18至24中的任一项所述的设备，其中，所述原料适于通过感应装置或电阻被预加热。


26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述感应装置围绕所述坩埚/给料导引件布置。


27.根据权利要求4至11中的任一项所述的设备，其中，所述熔融原料以居中的方式被给送穿过等离子体炬环，所述等离子体炬环连接至通向单个环状超音速喷嘴的气体通道。


28.根据权利要求12至17中的任一项所述的设备，其中，所述熔融原料以居中的方式被给送穿过等离子体炬环，所述等离子体炬环连接至通向所述等离子体炬的聚焦于顶点的各个相应的喷嘴的气体通道。


29.根据权利要求4至17中的任一项所述的设备，其中，所述熔融给料能够通过来自所述等离子体羽流的传导加热或通过使金属熔化的任何其他方式来获得。


30.根据权利要求4至17中的任一项所述的设备，其中，所述熔融给料能够通过重力、气体压力和活塞中的至少一者被引导穿过所述递送系统、比如给料管。


31.根据权利要求1至30中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体流的超音速射流以将所述熔融流向下游推动的角度指向。


32.根据权利要求1至31中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体源包括电弧等离子体炬。


33.根据权利要求1至31中的任一项所述的设备，其中，所述等离子体源包括电感耦合等离子体源、微波等离子体源和电容等离子体源中的至少一者。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：贝纳德·阿拉德，皮埃尔·卡拉宾，克里斯托弗·亚历克斯·多瓦尔戴恩，弗朗索瓦·普罗克斯，米拉德·马尔丹，
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