通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法和設備技術

本公開涉及通過霧化以伸長部件例如線、棒或填充管的形式的原材料制造粉末粒子的方法和設備。將所述原材料引入到等離子體炬中。所述原材料的前部從所述等離子體炬移動到所述等離子體炬的霧化噴嘴中。所述原材料的前端通過暴露于形成在所述霧化噴嘴中的一個或多個等離子體射流而表面熔融。所述一個或多個等離子體射流包括環狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、或環狀等離子體射流和多個會聚的等離子體射流的組合。還描述了使用所述方法和設備獲得的粉末粒子。設備獲得的粉末粒子。設備獲得的粉末粒子。

【技術實現步驟摘要】
通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法和設備
[0001]本申請是申請日為2015年3月9日、申請號為“201580024449.4”、名稱為“通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法和設備”的專利技術專利申請的分案申請。


[0002]本公開涉及材料加工領域。更具體地，本公開涉及通過霧化(atomization)以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法(工藝)和設備。還公開了使用所公開的方法和設備制造的粉末粒子。

技術介紹

[0003]隨著在快速原型制作和制造(通常稱為增材制造(additive manufacturing)或3-D打印)方面日益增加的興趣，已經開發了許多技術來制造可用于這樣的技術的致密的球狀粉末。增材制造和3-D打印的成功很大程度上取決于可用于零件制造的材料的可得性。這樣的材料需要以具有明確限定的粒度分布的高純的、細的(例如小于150μm的直徑)、致密的、球狀的和自由流動的粉末的形式提供。常規的熔融霧化技術例如氣體、液體和旋轉圓盤霧化不能制造這樣的高品質粉末。
[0004]較近的技術避免通常造成材料污染的坩鍋熔融的使用。這些近來的技術提供自由流動的球狀粉末。
[0005]例如，一些等離子體霧化方法基于產生會聚到頂點(apex)的等離子體射流的多個等離子體炬的使用。通過將以線或棒的形式的待霧化的材料進料到所述頂點中，該材料被由等離子體射流提供的熱能和動能所熔融和霧化。還已經提出，將待霧化的材料以連續的熔融物流的形式朝向其中若干個等離子體射流會聚的頂點進料。這些類型的等離子體霧化方法相當精細且要求費力地對準至少三個等離子體炬以具有向頂點會聚的至少三個等離子體射流。由于這樣的等離子體炬的物理尺寸，頂點位置被約束在遠離等離子體射流的離開點幾厘米。這導致等離子體射流在它們到達頂點位置和撞擊到材料上之前重大的熱能和動能的損失。總而言之，這些方法涉及在對于所述炬的精確對準和功率調節以及材料進料速率的精確設定的要求方面的若干困難。
[0006]其它技術基于待霧化的材料的線或棒的直接感應加熱和熔融的使用，同時避免熔融的材料和坩堝之間的接觸。來自所述棒的熔體液滴落到氣體霧化噴嘴系統中而且使用高流速的合適惰性氣體進行霧化。這些技術的主要優勢在于通過消除待霧化的材料與陶瓷坩堝的任何可能接觸而避免其可能的污染。然而，這些技術限于純金屬或合金的霧化。而且，這些技術是復雜的且為了最佳性能要求細微地調節操作條件。此外，消耗大量惰性霧化氣體。
[0007]因此，存在對于由寬范圍的原材料高效且經濟地制造粉末粒子的技術的需要。

技術實現思路

[0008]根據第一方面，本公開涉及通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法，其包括將原材料引入到等離子體炬中、將原材料的前部從等離子體炬移動到等離子體炬的霧化噴嘴中、和通過暴露于在霧化噴嘴中形成的一個或多個等離子體射流而使原材料的前端表面熔融，所述一個或多個等離子體射流選自環狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、及其組合。
[0009]根據另一方面，本公開涉及通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的設備，其包括等離子體炬，該等離子體炬包括：用于接收原材料的注入探管(探針，probe)；和霧化噴嘴，其配置成接收來自注入探管的原材料的前部、供應有等離子體、產生一個或多個等離子體射流、和通過暴露于一個或多個等離子體射流而使原材料的前端的表面熔融。所述一個或多個等離子體射流選自環狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、及其組合。
[0010]前述和其它特征在參考附圖閱讀以下僅舉例性地給出的其說明性實施方式的非限縮性描述時將變得更加明晰。相同的數字在附圖的各圖中代表相同的特征。
附圖說明
[0011]將參考附圖僅舉例性地描述公開的實施方式，在附圖中：
[0012]圖1是可用于霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料的等離子體炬的正視圖；
[0013]圖2a是具有根據一種實施方式的霧化噴嘴和通過等離子體直接預熱伸長部件的配置的圖1的等離子體炬的詳細正視圖；
[0014]圖2b是具有圖2a的霧化噴嘴和其中通過等離子體經由輻射管間接加熱伸長部件的配置的圖1的等離子體炬的詳細正視圖；
[0015]圖3是用于霧化以伸長部件形式的原材料的設備的正視圖，該設備包括圖1的等離子體炬；
[0016]圖4a是根據一種實施方式的具有支撐凸緣(法蘭，flange)的霧化噴嘴的透視圖；
[0017]圖4b是圖4a的霧化噴嘴和支撐凸緣的橫截面圖；
[0018]圖4c、4d和4e是顯示包括被用于產生等離子體射流的徑向孔圍繞的中心孔的圖4a的霧化噴嘴的細節的另外的頂視圖、底視圖和透視圖。
[0019]圖5是顯示根據另一實施方式的霧化噴嘴的圖1的等離子體炬的詳細正視圖；
[0020]圖6是顯示圖5的霧化噴嘴和還包括圍繞霧化噴嘴的出口端的保護氣體端口的圖1的等離子體炬的變型的詳細正視圖；
[0021]圖7是顯示通過霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料制造粉末粒子的方法的操作的流程圖；
[0022]圖8是包括顯示加熱引入到60kW下的氬氣/氫氣感應等離子體中的3.2mm不銹鋼線的模擬結果的圖的示意圖；
[0023]圖9是通過霧化3.2mm直徑的不銹鋼線獲得的粉末粒子的電子顯微照片和對應的粒度分布的圖；和
[0024]圖10說明使用通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和設備制
造的不同的不銹鋼球狀粉末級分的電子顯微照片。
具體實施方式
[0025]總體來說，本公開解決由寬范圍的原材料高效且經濟地制造粉末粒子的問題的一個或多個。
[0026]更具體地，本公開描述可用于由寬范圍的原材料制造粉末粒子的等離子體霧化方法和用于其的設備，所述原材料包括例如純金屬、合金、陶瓷和復合材料(composite)。所公開的技術可用于由如下制造寬范圍的致密的球狀金屬、陶瓷或復合材料粉末：以伸長部件(例如作為非限制性實例的棒、線或填充管)的形式的相同性質的原材料。粉末可被定義為包括具有小于一(1)毫米的直徑的粒子，細粉末可被定義為包括小于10微米的直徑的粒子，而超細粉末可被定義為包括直徑上小于一(1)微米的粒子。
[0027]在一種非限制性的實施方式中，等離子體炬(其可任選地為感應耦合等離子體炬)沿著其中心的縱軸供應有原材料。可控制原材料在等離子體炬的任選預熱區中的移動速度和/或行進距離以容許該材料加熱至盡可能接近其熔點的溫度同時避免其在等離子體炬內的過早熔融。在一個實施方式中，任選預熱的原材料的前端進入霧化噴嘴而從其下游側露出(射出，emerge)且進入冷卻室。由于其在霧化噴嘴中的通過，原材料的前端或端部(頭端，tip)暴露于多個等離子體射流例如高速度等離子體射流(其包括而不限于，超聲速的細的等離子體射流)。當撞擊到原材料上時，等離子體射流使其表面熔融并且剝去熔融的材本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.通過霧化以伸長部件的形式的原材料而制造粉末粒子的方法，其包括：將所述原材料引入到等離子體炬中；將所述原材料的前部移動到所述等離子體炬的霧化噴嘴中；和通過暴露于所述霧化噴嘴中形成的一個或多個等離子體射流而使所述原材料的前端表面熔融，所述一個或多個等離子體射流選自環狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、和其組合。2.權利要求1的方法，其中將所述原材料引入到等離子體炬中包括將所述原材料引入到感應耦合等離子體炬中。3.權利要求1或2任一項的方法，其包括經由注入探管將所述原材料引入到所述等離子體炬中。4.權利要求1或2任一項的方法，其包括在將所述原材料的前部移動到所述霧化噴嘴中之前使用在所述等離子體炬中產生的等離子體在所述等離子體炬的預熱區中預熱原材料的前部。5.權利要求4的方法，其中所述原材料的前部通過與等離子體直接接觸而預熱。6.權利要求4的方法，其中使用通過與等離子體直接接觸而加熱的輻射管間接地預熱所述原材料的前部。7.權利要求4-6任一項的方法，其包括：經由注入探管將所述原材料引入到所述等離子體炬中；其中所述等離子體炬的預熱區延伸超出所述注入探管。8.權利要求4-7任一項的方法，其包括選擇所述預熱區的長度以調節所述原材料的前部的預熱時間。9.權利要求4-8任一項的方法，其包括控制通過等離子體預熱所述原材料的前部的持續時間，使得所述原材料的前部在移動到所述霧化噴嘴中之前達到預定溫度。10.權利要求9的方法，其中所述預定溫度低于所述原材料的熔點。11.權利要求9或10任一項的方法，其包括控制所述原材料被引入到所述等離子體炬中的進料速率以控制通過所述等離子體預熱所述原材料的前部的持續時間。12.權利要求4-11任一項的方法，其中控制所述等離子體的溫度和所述一個或多個等離子體射流的溫度以分別預熱和霧化選自純金屬、合金、陶瓷、復合材料和其配混物的材料。13.權利要求1-12任一項的方法，其包括將所述原材料的前端從所述等離子體炬經由所述霧化噴嘴移動到冷卻室中。14.權利要求13的方法，其包括將所述原材料的前端從所述等離子體炬經由所述霧化噴嘴的中心孔移動以及將多個會聚的等離子體射流從所述等離子體炬經由所述霧化噴嘴的徑向孔排出。15.權利要求14的方法，其進一步包括在所述霧化噴嘴的中心孔內形成環狀等離子體射流。16.權利要求13-15任一項的方法，其包括將所述一個或多個等離子體射流從所述等離子體炬排出到所述冷卻室中。17.權利要求16的方法，其中將來自所述等離子體炬的一個或多個等離子體射流以選
自聲速和超聲速的高速度排出到所述冷卻室中。18.權利要求1-17任一項的方法，其包括在所述冷卻室內將通過所述原材料的霧化而形成的液滴在飛行中冷凍。19.權利要求18的方法，其包括收集由所述液滴的冷凍得到的粉末粒子。20.權利要求1-19任一項的方法，其包括使所述原材料連續地前進到所述等離子體炬中。21.權利要求1-20任一項的方法，其中所述伸長部件選自線、棒和填充管。22.權利要求1-21任一項的方法，其包括在所述霧化噴嘴的下游注入保護，所述保護氣體圍繞從所述等離子體炬排出的經霧化的材料。23.權利要求22的方法，其中所述保護氣體和所述等離子體由相同的氣體產生。24.權利要求22的方法，其中所述保護氣體和所述等離子體由不同的氣體產生。25.權利要求1-24任一項的方法，其中通過所述原材料的表面熔融而獲得的經霧化的材料在霧化期間通過預混合到所述原材料中的不同組分之間的反應或者由于等離子體氣體或保護氣體和經霧化的材料之間的化學反應而改變其化學組成。26.粉末粒子，其使用權利要求1-25任一項的方法制造。27.通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的設備，其包括等離子體炬，所述等離子體炬包括：用于接收...

【專利技術屬性】
技術研發人員：MI布洛斯，JW朱雷維奇，A奧格，
申請(專利權)人：泰克納等離子系統公司，
類型：發明
國別省市：