BR112020024844A2

BR112020024844A2 - método e aparelho para produzir pós metálicos esféricos de alta pureza a altas taxas de produção a partir de um ou dois fios

Info

Publication number: BR112020024844A2
Application number: BR112020024844-4A
Authority: BR
Inventors: François Proulx; Christopher Alex Dorval Dion; Pierre Carabin
Original assignee: Pyrogenesis Canada Inc.
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2021-03-02
Also published as: US20210229170A1; CN112512734A; US11839918B2; JP2021527164A; EA202092993A1; KR20210016588A; WO2019232612A1; TW202012074A; EP3801959A1; EP3801959A4; WO2019232612A8; CA3102832A1; AU2019280271A1

Abstract

Um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de fio de alimentação inclui uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado no aparelho. Enquanto um arco é diretamente transferido ao(s) fio(s) para derreter o fio, a tocha de plasma produz um jato de plasma que atomiza o fio fundido em partículas, e uma câmara de resfriamento a jusante solidifica as partículas em pós. Um arco elétrico é gerado entre dois fios alimentados continuamente em frente ao jato de plasma supersônico, onde a corrente é fornecida por duas ou mais fontes de alimentação conectadas em paralelo, onde pelo menos uma fonte de alimentação é configurada para controle por voltagem e pelo menos uma fonte de alimentação é configurada para controle por corrente. Esta configuração elétrica permite a produção de pós finos e esféricos mesmo sob taxas de produção muito altas, o que permite uma proporção gás-metal muito menor. Nesse aparelho, um fio serve como ânodo e o outro como um cátodo. Em outro aparelho, o fio serve como um cátodo com a tocha de plasma. Em ainda outro aparelho, um arco é transferido entre um eletrodo da tocha e do fio, que é alimentado para fora da tocha, mas dentro do invólucro do aparelho.

Description

MÉTODO E APARELHO PARA PRODUZIR PÓS METÁLICOS ESFÉRICOS DE ALTA PUREZA A ALTAS TAXAS DE PRODUÇÃO A PARTIR DE UM OU DOIS FIOS REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este Pedido reivindica prioridade no Pedido Provisório dos EUA nº 62/681.623, agora pendente, protocolado em 6 de junho de 2018, que é incorporado na presente invenção por referência.

CAMPO

[002] A presente matéria diz respeito a materiais avançados e, mais particularmente, à produção de pós metálicos para diversas aplicações, como a fabricação de aditivos para as indústrias aeroespacial e médica.

ANTECEDENTES

[003] A atomização de plasma normalmente usa um fio como matéria- prima, e uma fonte de plasma (também conhecida como tocha de plasma) como agente atomizador para simultaneamente fundir e quebrar as partículas. O uso de um fio fornece a estabilidade necessária para que os jatos de plasma estreitos estejam mirando corretamente no fio, uma vez que os jatos de plasma têm que fundir o fio e atomizá-lo em uma única etapa. Como se sabe, essa tecnologia produz atualmente os melhores, mais esféricos e mais densos pós do mercado. Em outras palavras, o rendimento dos pós produzidos na faixa de 0-106 mícron é muito alto, a esfericidade é quase perfeita, e o aprisionamento de gás é minimizado.

[004] No entanto, essa tecnologia tem como principal desvantagem uma taxa de produção relativamente baixa em comparação com a atomização de água e gás devido ao fato de que a atomização de plasma é um processo muito ineficiente em termos energéticos. As taxas de produção reportadas para atomização de plasma estão entre 0,6 e 13 kg/h para Ti-6AI-4V. No entanto, é realista supor que a operação ao redor do limite superior levará a uma distribuição mais grosseira do tamanho das partículas. Por exemplo, a Patente dos EUA Nº 5.707.419, que é intitulada “Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization” e emitida nos nomes de Tsantrizos et al. em 13 de janeiro de 1998, relata uma taxa de alimentação de 14,7 g/min ou 0,882 kg/h para titânio, enquanto a Publicação de Pedidos de Patentes dos EUA nº 2017/0326649-A1, que é intitulada “Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member” e que foi publicada em 16 de novembro de 2017 com Boulos et al. como inventores, relatou uma taxa de alimentação de 1,7 kg/h para aço inoxidável.

[005] Todas as três tecnologias atuais de atomização de plasma usam ou uma única tocha alimentada centralmente [vide referência 4], ou três tochas apontando para um fio no centro [vide referências 1, 2 e 3]. No caso da tecnologia de três tochas, o calor transferido das plumas de plasma para o fio é muito baixo, e na ordem de magnitude de 0,4%. A baixa eficiência de transferência de calor implica a necessidade de uma grande quantidade de gás de plasma para manter uma certa taxa de alimentação metálica, e isso impõe um limite menor para a relação gás-metal, uma métrica de eficiência de processo em atomização padrão. Além disso, o uso de três tochas significa que muitos eletrodos corroem ao longo do tempo, o que pode ser uma fonte de contaminação e aumento dos custos operacionais. No caso da tocha alimentada centralmente, é usada uma tocha de plasma acoplada indutivamente, para a qual as fontes de alimentação são difíceis de obter no mercado.

[006] A pulverização por arco de arame é uma tecnologia madura e confiável que é usada no campo de pulverização térmica para aplicar revestimento em superfícies. Consiste essencialmente em passar uma corrente alta através de um ou dois fios e ter um arco elétrico entre os dois fios, ou entre o único fio e um eletrodo. Os sistemas de soldagem a arco de qualidade podem funcionar com um ciclo de trabalho de quase 100 % a um rendimento muito alto (“20 a 50 kg/h). Além disso, essa tecnologia é altamente eficiente em termos de energia, já que o arco entra em contato diretamente com o fio. No entanto, a finalidade desta tecnologia é produzir revestimentos e não produzir pós. Uma vez que esta tecnologia usa um gás frio para atomizar o pulverizador, ela produz formas muito irregulares e angulares, o que não é desejável para a maioria das aplicações.

[007] Seria desejável, portanto, fornecer um aparelho e um método para produzir pós metálicos a partir de um ou dois fios a uma taxa de produção significativa enquanto mantém a qualidade fornecida pela atomização de plasma, a saber, pós finos, esféricos e totalmente densos.

SUMÁRIO

[008] Seria desejável, portanto, fornecer um novo aparelho e método para produzir pós metálicos a taxas significativas a partir de um ou dois fios.

[009] As modalidades descritas na presente invenção fornecem em um aspecto um processo de atomização de plasma compreendendo: uma tocha de plasma térmica; um ou dois fios a serem atomizados alimentados continuamente; um arco elétrico transferido para o fio ou fios a serem atomizados; e um processo de arrefecimento adaptado para solidificar as partículas em pós esféricos.

[0010] Além disso, a modalidade descrita na presente invenção fornece em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

[0011] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um processo de atomização de plasma compreendendo: fornecer uma tocha de plasma térmica; alimentar continuamente um ou dois fios a serem atomizados; um arco elétrico sendo adaptado para ser transferido para o fio ou fios para produzir partículas; e fornecer arrefecimento para solidificar as partículas em pós esféricos.

[0012] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

[0013] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado no aparelho, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, e uma câmara de arrefecimento adaptada para solidificar as partículas em pós, e em que o fio é adaptado para servir como um cátodo na tocha de plasma.

[0014] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e pelo menos um par de fios adaptados para serem alimentados no aparelho, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar os fios fundidos em partículas, em que um dos fios é adaptado para servir como um ânodo, enquanto o outro fio é adaptado para servir como um cátodo.

[0015] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

[0016] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que o aparelho é adaptado para ser arrefecido por um gás que assim aquece o gás; com o gás então aquecido sendo adaptado para ser usado como gás de plasma.

[0017] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um processo de atomização de plasma compreendendo: fornecer uma tocha de plasma térmica; alimentar continuamente um ou dois fios a serem atomizados, produzindo assim gotículas metálicas atomizadas a partir do mesmo; e passar as gotículas através de um difusor antissatélite que é adaptado para evitar a recirculação de pós finos e, portanto, a formação de satélites.

[0018] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um processo de atomização de plasma compreendendo: fornecer uma tocha de plasma térmica; fornecer um ou dois fios a serem atomizados; e fornecer pelo menos duas fontes de alimentação paralelas para controlar um arco entre os dois fios ou entre o único fio e um eletrodo da tocha de plasma, produzindo assim partículas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Para uma melhor compreensão das modalidades descritas na presente invenção e para mostrar mais claramente como elas podem ser implementadas, será feita referência, apenas para fins de exemplo, às figuras que acompanham, as quais mostram pelo menos uma modalidade exemplar, nas quais: A Fig. 1 e 2 são vistas transversais verticais de um aparelho para produção de pós metálicos a partir de um par de fios, usando atomização de plasma de soldagem a arco duplo, de acordo com uma modalidade exemplar; A Fig. 3 é uma vista de elevação esquemática de um sistema para produzir pós metálicos, que usa o aparelho mostrado nas Figs. 1 e 2, de acordo com uma modalidade exemplar, incluindo aquelas das Figs. 1 e 2; A Fig. 4 é um esquema conceitual de uma configuração elétrica utilizada de acordo com uma modalidade exemplar, incluindo aquelas das Figs. 1 e 2; A Fig. 5 mostra um exemplo de linhas de tendência elétrica de modalidades em operação da divulgação presente; Fig. 6 é uma imagem SEM de 100 vezes a ampliação de 45-106 um de pó de Ti64 grau 23 produzido pelos meios da modalidade das Figs. 1 e 2; Fig. 7 é uma imagem SEM de 100 vezes a ampliação de 20-120 de pó de zircônio produzido pelos meios da modalidade das Figs. 1 € 2; Fig. 8 mostra um gráfico de distribuição de tamanho de pó de difração a laser típico para um pó bruto produzido por meio de pelo menos uma modalidade divulgada na presente invenção; Fig. 9 é uma vista vertical transversal esquemática de um aparelho para produzir pós metálicos a partir de um único fio, usando uma tocha de plasma que pode transferir um arco com o referido único fio, de acordo com uma modalidade exemplar; e Fig. 10 é uma vista vertical transversal esquemática de um aparelho para produzir pós metálicos a partir de um único fio, usando uma tocha de plasma alimentada centralmente, de acordo com uma modalidade exemplar.

DESCRIÇÃO DE VÁRIAS MODALIDADES

[0020] A presente abordagem divulgada na presente invenção fornece métodos e aparelhos para a produção de pós metálicos ao combinar as características das tecnologias de atomização de plasma descritas acima e pulverização por arco de arame, inclusive usando alguns dos conceitos da tecnologia de pulverização por arco de arame e adaptando-os para torná-los adequados para a produção de pós esféricos de alta pureza. Mais especificamente, o jato de gás é substituído por uma fonte de plasma e o fio fundido é atomizado em uma câmara de arrefecimento, como visto em processos de atomização.

[0021] Uma das principais considerações é a qualidade do pó. A soldagem a arco não foi desenvolvido para produção de pó de alta qualidade e, portanto, deve ser adaptado e ajustado para a qualidade do pó. A divulgação presente inclui uma estratégia de controle que aprimora a estabilidade do processo de fusão, que será descrito em mais detalhes mais abaixo.

[0022] Uma fonte de plasma (tal como uma ou múltiplas tochas de plasma ou um arco elétrico), entrega um fluxo de plasma que pode ser acelerado para velocidade supersônica antes ou depois de atingir o fluxo fundido com alto momento.

[0023] Nas modalidades atuais, a fonte de jato de plasma supersônico é produzida através de uma tocha de plasma de arco porque está amplamente disponível. No entanto, muitas outras maneiras poderiam ser usadas para alcançar o mesmo jato de plasma supersônico. Por exemplo, qualquer fonte de plasma térmico, tais como fontes de plasma acopladas indutivamente e por micro-ondas, também poderiam ser usadas.

Exemplo 1: Atomização do Plasma de Soldagem a arco Duplo (Modalidade Principal)

[0024] Os detalhes da modalidade principal serão agora descritos.

[0025] Os benefícios do uso dessa modalidade sobre a tecnologia conhecida (Ref. 2) são apresentados na Tabela 1. A tabela mostra uma clara vantagem a favor do uso da presente matéria em oposição à tecnologia de Ref.

2.

Tabela 1:

[0026] As condições de funcionamento recomendadas da modalidade principal são divulgadas na Tabela 2 para dois materiais, ou seja, Ti64 grau 23 e Zircônio.

Tabela 2:

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[0027] O desempenho de dois produtos gerados através da modalidade principal é divulgado na Tabela 3, sendo os dois produtos TA-O15-EK-01 e zZH- 006-FQ-01, que correspondem a 20-63 um de Ti64 e 20-120 um de Zr, respectivamente.

Tabela 3:

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[0028] Fig. 1 detalha os componentes específicos que compõem o aparelho A. Estes incluem uma tocha de plasma de alta taxa de vazão 501 e um bocal supersônico 505 anôdico integrado que emite um jato atomizador em um par de fios 502 sendo alimentados em direção a um ápice 508, em que um arco elétrico é transferido de um fio para o outro fio. Esta corrente elétrica fornece a energia necessária para a fusão contínua da matéria-prima condutiva alimentada continuamente. A corrente é passada para os fios 502 por meio das pontas de contato 509 que são feitas de uma liga de alta condutividade, por exemplo, zircônio de cobre, que tem uma boa resistência ao desgaste em altas temperaturas.

[0029] Uma ponta de cerâmica 510 fornece o isolamento elétrico de um contator arrefecido a água 514 do corpo do reator através de um bocal de bainha de gás 513 e do bocal supersônico 505 da tocha. O calor intenso emitido pela tocha de plasma 501 e o arco transferido exige que os contatores sejam arrefecidos a água enquanto a ponta de contato por si só é um consumível substituível. Como tal, a água entra em 503 pelo coletor do contator 515 na traseira e é direcionada em direção à ponta onde é novamente devolvida para cima e para fora através da saída 504. A energia elétrica é fornecida ao sistema de arco transferido através dos coletores através de um ilhó de montagem 511.

[0030] Fig. 2 mostra uma vista de corte perpendicular do aparelho A, onde a tocha de plasma de alta vazão emite um jato atomizador através do bocal supersônico 605 no ápice do fio 608. Aqui um gás de bainha é injetado no reator em 602 para preencher a cavidade ao redor do bocal da tocha e dos contatores arrefecidos a água 607. Este gás de bainha é expelido através da bainha do bocal de gás 606 no reator ao redor do arco elétrico entre os fios. Este gás de bainha serve para múltiplas finalidades, tais como evitar o refluxo de pós e gases quentes, bem como auxiliar na manutenção do arco dentro da pluma supersônica. As vazões de gás de mistura e gotículas metálicas atomizadas fundidas são então projetadas em altas velocidades na câmara de assentamento do reator através de um difusor antissatélite 610. Uma zona de recirculação ao redor do jato de alta velocidade onde pós finos podem se acumular em suspensão é a principal causa de satélites em pós atomizados por plasma à medida que novas gotículas são projetadas através de uma nuvem de pós finos que são assim soldados à superfície. O difusor 610 remove a grande maioria dessa ocorrência, reduzindo consideravelmente a formação de satélites. Um receptor de tocha 611 é arrefecido a água bem como a camisa do reator, a água entra a partir de uma entrada 603 na parte inferior e uma saída 604 no topo.

[0031] Fig. 3 ilustra esquematicamente um sistema S adaptado para produzir pós metálicos, e incorporando qualquer um dos aparelhos A, A' e A", respectivamente, das Figs. 1-2, 9 e 10. Mais particularmente, o sistema S inclui os aparelhos de atomização baseados em plasma de fio duplo ou de único fio A, A' ou A”. O sistema S é mostrado especificamente em sua configuração de soldagem a arco duplo A com uma tocha de plasma 301 de alta taxa de vazão localizada centralmente e os dois (2) alimentadores de fio servo-acionados 302. Uma zona de atomização 303 compreende o arco transferido entre um ou dois fios, o gás da bainha e a vazão da tocha de plasma e é direcionado para o reator por meio de um difusor antissatélite 304. O reator é composto por uma câmara de assentamento 305 onde ocorrem esferoidização e solidificação, e uma camisa arrefecida a água 306 para manter uma taxa de arrefecimento constante na câmara 305 para os pós. Os pós são então arrastados através de um transportador pneumático 307 para um separador ciclônico 308 onde os volumes em pó são acumulados em um recipiente de coleta 309. Uma válvula 310 é usada para isolar o recipiente 309 para coleta durante a operação contínua. O argônio é então ventilado a partir do sistema através de uma unidade de filtração 311 para pós muito finos para assentamento no separador ciclônico 308.

[0032] Nas modalidades atuais, os fios 502 (Fig. 1), 110 (Fig. 10) e 405 (Fig. 9) podem ser feitos de diversos materiais condutores, como titânio, zircônio, cobre, estanho, alumínio, tungstênio, aço carbono, aço inoxidável, etc., e suas ligas.

[0033] Para garantir a estabilidade do sistema de soldagem a arco para a atomização, o sistema precisa controlar 2 dos 3 parâmetros, ou seja, tensão, corrente e velocidade de alimentação. Esses três parâmetros precisam atingir um estado estável em equilíbrio para serem considerados em operação contínua. Em estado estável, a distância entre o fio, o comprimento do arco ea energia tornam-se constantes. Para chegar a este estado estável, várias configurações podem ser empregadas, tais como:

[0034] Velocidade fixa do fio, uma fonte de alimentação no modo controlado por tensão, uma fonte de alimentação no modo controlado por corrente (modalidade principal);

[0035] Velocidade fixa do fio, uma ou múltiplas fontes de alimentação controladas por tensão. Esta configuração é funcional, mas a corrente é altamente instável, o que tem um impacto negativo na distribuição de tamanho das partículas e na consistência do produto. Além disso, é altamente exigente em ambas as fontes de alimentação;

[0036] Fontes de alimentação controladas por corrente, velocidade variável do fio. Esta configuração ainda não foi testada, mas funcionaria em teoria.

[0037] A velocidade fixa do fio, a fonte de alimentação híbrida controlada pela corrente/tensão foi considerada a mais adequada para o pedido presente. Fig. 4 mostra conceitualmente como a modalidade principal foi operada para obter os resultados mostrados na presente divulgação.

[0038] Usando um Servo motor, é possível ter velocidades de alimentação muito precisas e constantes.

[0039] Usando duas fontes de alimentação em paralelo, uma no modo controlado por tensão e outra no modo controlado por corrente, é a chave para alcançar uma configuração estável. Uma vez que as duas fontes de alimentação estão em paralelo, a controlada por tensão forçará a mesma tensão para ambas as fontes de alimentação a serem fixadas. Isso elimina outra variável. Para adicionar outra camada de estabilidade, a outra fonte de alimentação é ajustada para o modo de controle de corrente, com uma configuração de corrente relativamente alta (em torno de 2/3 da corrente total necessária), o que auxilia na criação de uma linha de base de corrente.

[0040] A única variável no processo é uma porção da corrente total, que precisa flutuar para permitir que os outros parâmetros permaneçam constantes (grau de liberdade). Portanto, a fonte de alimentação controlada por tensão fornece uma corrente adicional que é variável para complementar o que falta à corrente já fornecida por meio da fonte de alimentação controlada por corrente para fundir a quantidade adequada de metal, de modo que o sistema permaneça em estado estável.

[0041] Por exemplo, assumindo que 20 kW são necessários para fundir um certo metal a uma certa velocidade de alimentação, e assumindo que esta velocidade de alimentação permanece constante, se a tensão foi fixada a 30 V por meio da fonte de alimentação controlada por tensão, um total de 667 À deve ser fornecido por meio das fontes de alimentação. Se a fonte de alimentação controlada por corrente é definida em 400 A, a controlada por tensão flutuaria em torno de 267 A com pequenas oscilações. Essa flutuação restante é necessária para manter o sistema em estado estável ao compensar todas as outras fontes de variabilidade do processo, tais como variação do diâmetro de fio, flutuação da taxa de vazão de argônio, variabilidade do comprimento de arco, padrão de reignição de arco, vibração mecânica do fio, micro flutuações de velocidade de alimentação do fio, etc.

[0042] Fig. 5 mostra as linhas de tendência elétrica registradas para a modalidade principal durante a operação usando a estratégia de controle elétrico sugerida na presente invenção. Em suma, isso mostra que todas as variáveis são altamente estáveis, exceto a corrente da fonte de alimentação controlada por tensão, pelas razões explicadas acima.

[0043] Tal operação estável, como mostrada na Fig. 5, permite produzir pós altamente esféricos, como mostrado nas Figs. 6 e 7, para Ti64 e Zircônio, respectivamente.

[0044] Fig. 8 mostra uma curva de distribuição de tamanho partícula típica para pós produzidos usando a modalidade principal com a estratégia de controle elétrico explicada na presente invenção.

[0045] Embora o controle de corrente apresentado na presente invenção seja mencionado e testado especificamente para a modalidade principal, a mesma estratégia de controle se aplicaria também a outras modalidades apresentadas.

Exemplo 2: Atomização de plasma de arco de único fio

[0046] No segundo exemplo mostrado na Fig. 9, também é divulgado um aparelho A' para a produção de pós metálicos a partir de uma matéria-prima de fio condutor, em que um fio 405 é alimentado centralmente ao longo da seta 409 em frente a uma tocha de plasma 401 transferida equipada com um bocal supersônico 411, onde um arco 403 é formado entre o fio 405, e um eletrodo

402. Ao inserir o fio condutor 405 através de um fio guia 407 na frente da tocha de plasma 401, o próprio fio 405 pode ser fundido de forma muito eficiente através de um arco transferido. A energia restante é então usada para aquecer um gás inerte (por exemplo, argônio), alimentado via um canal de gás 404 pré- aquecido, para o estado de plasma, no qual o gás é então acelerado através do bocal supersônico 411. Esta aceleração do gás transportador atomiza ainda mais as gotículas metálicas ao pulverizá-las. As partículas então se solidificam em pequenas partículas esféricas em uma câmara de arrefecimento (como exemplificado na Fig. 3), por exemplo, preenchido com um gás inerte (por exemplo, argônio). A referência 408 denota uma pluma de plasma.

Exemplo 3: Atomização de plasma de arco de único fio alimentado centralmente

[0047] No terceiro exemplo mostrado na Fig. 10, também é divulgado um aparelho A" para a produção de pós metálicos a partir de uma matéria-prima de fio condutor, em que um fio 110 é alimentado centralmente ao longo da seta 111 em uma tocha de plasma 112, onde um arco 128 é formado entre o fio 110, que atua como um cátodo, e um eletrodo (vide ânodo 114). Ao inserir o fio condutor 110 através de um fio guia 116 da tocha de plasma 112, o próprio fio 110 pode ser fundido de maneira muito eficiente através de um arco transferido. Este método é apontado como tendo uma capacidade de escala no sentido de que o fio pode ser trocado de maneira mais viável por uma haste ou tarugo de até 63,5 milímetros (2,5 polegadas) de diâmetro. O fio guia 116 pode ter a função de um cátodo de ignição. A energia restante é então usada para aquecer um gás inerte (por exemplo, argônio), alimentado através de um canal de gás pré-aquecido 118, para o estado de plasma, no qual o gás é então acelerado através de um bocal supersônico 120. Esta aceleração do gás portador atomiza ainda mais as gotículas metálicas, triturando-as. As partículas então se solidificam em pequenas partículas esféricas em uma câmara de arrefecimento (como exemplificado na Fig. 3), por exemplo, preenchido com um gás inerte (por exemplo, argônio). A referência 122 denota uma pluma de plasma.

[0048] As modalidades descritas na presente invenção fornecem em um aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria- prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um ou dois fios adaptados para serem alimentados no aparelho, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, e uma câmara de arrefecimento adaptada para solidificar as partículas em pós, e em que o fio é adaptado para servir como um cátodo na tocha de plasma.

[0049] Além disso, a modalidade descrita na presente invenção fornece em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um par de fios adaptados para serem alimentados no aparelho, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar os fios fundidos em partículas, em que um dos fios é adaptado para servir como um ânodo, enquanto o outro fio é adaptado para servir como um cátodo.

[0050] Além disso, uma modalidade inclui uma estratégia de controle elétrico que permite a operação suave e estável da referida modalidade.

[0051] Além disso, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado no aparelho, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo da tocha.

[0052] Finalmente, as modalidades descritas na presente invenção fornecem em outro aspecto um aparelho para a produção de pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, compreendendo uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado centralmente dentro da tocha de plasma, sendo a tocha de plasma adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo dentro da tocha.

[0053] Embora a descrição acima forneça exemplos das modalidades, será apreciado que algumas características e/ou funções das modalidades descritas são suscetíveis a modificações sem se afastar do espírito e princípios de operação das modalidades descritas. Assim, o que foi descrito acima tem sido destinado a ser ilustrativo das modalidades e não limitantes, e será entendido por pessoas técnicas no assunto que outras variantes e modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo das modalidades definidas nas reivindicações aqui anexas.

REFERÊNCIAS

[1] Peter G. Tsantrizos, François Allaire and Majid Entezarian, “Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization”, Patente dos EUA Nº 5,707,419, 13 de Janeiro, 1998.

[2] Christopher Alex Dorval Dion, William Kreklewetz e Pierre Carabin, “Plasma Apparatus for the Production of High-Quality Spherical Powders at High Capacity”, Nº Publicação PCT WO 2016/191854 A1, 8 de Dezembro, 2016.

[3] Michel Drouet, “Methods and Apparatuses for Preparing Spheroidal Powders”, Nº Publicação PCT WO 2011/054113 A1, 12 de Maio, 2011.

[4] Maher |. Boulos, Jerzy W. Jurewicz e Alexandre Auger, “Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member”, Publicação do Pedido de Patente dos EUA Nº 2017/0326649 A1, 16 de Novembro, 2017.

[5] Pierre Fauchais, Joachim Heberlein, e Maher Boulos, “Thermal Spray Fundamentals — From Powder to Part”, pp 577-605, Springer, Nova lorque,

2014.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de atomização de plasma caracterizado pelo fato de que compreende: + uma tocha de plasma térmica; e um ou dois fios a serem atomizados alimentados continuamente; + um arco elétrico transferido para o fio ou fios a serem atomizados; e + um processo de arrefecimento adaptado para solidificar as partículas em pós esféricos.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tocha de plasma é equipada com um bocal supersônico.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um arco elétrico é transferido para os fios em um ápice dentro do fluxo supersônico da tocha de plasma.

4, Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que gotículas metálicas atomizadas atravessam um difusor antissatélite adaptado para evitar a recirculação de pós finos e, assim, a formação de satélites.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que duas ou mais fontes de alimentação são utilizadas em paralelo para controlar o arco entre os dois fios ou entre o único fio e um eletrodo da tocha.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por tensão.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por corrente.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7,

caracterizado pelo fato de que as fontes de alimentação paralelas são usadas concomitantemente em uma combinação de modos de controle de tensão e de controle de corrente.

9. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o fio é alimentado centralmente na tocha de plasma.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que é fornecido um bocal supersônico, e em que o arco elétrico é gerado dentro do bocal supersônico.

12. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que a matéria-prima do fio é substituída por uma haste ou um tarugo com diâmetro entre 6,35 e 63,5 milímetros (0,25 e 2,5 polegadas).

13. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que uma câmara de arrefecimento é fornecida a jusante da tocha de plasma para solidificar as partículas em pós esféricos.

14. Processo de atomização de plasma caracterizado pelo fato de que compreende: e fornecer uma tocha de plasma térmica; e alimentar continuamente um ou dois fios a serem atomizados; + um arco elétrico sendo adaptado para ser transferido para o fio ou fios para produzir partículas; e e fornecer arrefecimento para solidificar as partículas em pós esféricos.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a tocha de plasma é fornecida com um bocal supersônico.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que um arco elétrico é adaptado para ser transferido para os fios em um ápice dentro do fluxo supersônico da tocha de plasma.

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que gotículas metálicas atomizadas atravessam um difusor antissatélite adaptado para evitar a recirculação de pós finos e, portanto, a formação de satélites.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas fontes de alimentação são usadas paralelamente para controlar o arco entre os dois fios ou entre o único fio e um eletrodo da tocha de plasma.

19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por tensão.

20. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 19, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por corrente.

21. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 20, caracterizado pelo fato de que as fontes de alimentação paralelas são usadas concomitantemente em uma combinação de modos de controle por tensão e de controle por corrente.

22. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o fio é alimentado centralmente na tocha de plasma.

24. Aparelho, de acordo com a reivindicação 22 ou 23, caracterizado pelo fato de que é fornecido um bocal supersônico, e em que o arco elétrico é gerado dentro do bocal supersônico.

25. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 a 24, caracterizado pelo fato de que a matéria-prima do fio assume a forma de uma haste ou um tarugo com diâmetro entre 6,35 e 63,5 milímetros (0,25 e 2,5 polegadas).

26. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 a 25, caracterizado pelo fato de que uma câmara de arrefecimento é fornecida a jusante da tocha de plasma para solidificar as partículas em pós esféricos.

27. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado no aparelho, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, e uma câmara de arrefecimento adaptada para solidificar as partículas em pós, e em que o fio é adaptado para servir como um cátodo na tocha de plasma.

28. Aparelho, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que um fluxo de plasma entregue por meio da tocha de plasma é adaptado para ser acelerado à velocidade supersônica em um jato supersônico.

29. Aparelho, de acordo com a reivindicação 27 ou 28, caracterizado pelo fato de que um bocal supersônico é fornecido, e em que o fio é adaptado para ser alimentado no bocal supersônico, antes ou depois de uma garganta do bocal supersônico.

30. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e pelo menos um par de fios adaptados para serem alimentados no aparelho, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar os fios fundidos em partículas, em que um dos fios é adaptado para servir como um ânodo, enquanto o outro fio é adaptado para servir como um cátodo.

31. Aparelho, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que uma câmara de arrefecimento é fornecida a jusante da tocha de plasma para solidificar as partículas em pós.

32. Aparelho, de acordo com a reivindicação 30 ou 31, caracterizado pelo fato de que um fluxo de plasma entregue por meio da tocha de plasma é adaptado para ser acelerado a velocidade supersônica em um jato supersônico.

33. Aparelho, de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que um bocal supersônico é fornecido, e em que os fios são adaptados para serem alimentados no bocal supersônico, antes ou depois de um gargalo do bocal supersônico.

34. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 30 a 33, caracterizado pelo fato de que uma fonte de alimentação é fornecida e é adaptada para forçar a corrente para atravessar os fios, com um arco elétrico sendo gerado entre os dois fios.

35. Aparelho, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de que uma fonte de alimentação é fornecida e é adaptada para forçar a corrente para atravessar os fios, com um arco elétrico sendo gerado entre os dois fios e dentro do bocal supersônico.

36. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que um arco é adaptado para ser formado entre o fio, que atua como um cátodo, e um eletrodo.

37. Aparelho, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o fio é alimentado centralmente na tocha de plasma.

38. Aparelho, de acordo com a reivindicação 36 ou 37, caracterizado pelo fato de que um guia de fio é fornecido para o fio, por meio do qual, ao inserir o fio através da guia de fio, o fio pode ser fundido eficientemente através do arco transferido.

39. Aparelho, de acordo com a reivindicação 38, caracterizado pelo fato de que o fio guia é adaptado para dobrar como um cátodo de ignição.

40. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 36 a 39, caracterizado pelo fato de que um bocal supersônico é fornecido, e em que o arco elétrico é gerado dentro do bocal supersônico.

41. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 36 a 40, caracterizado pelo fato de que uma câmara de arrefecimento é fornecida a jusante da tocha de plasma para solidificar as partículas em pós.

42. Aparelho para produzir pós metálicos a partir de matéria-prima de fios, caracterizado pelo fato de que compreende uma tocha de plasma e pelo menos um fio adaptado para ser alimentado na tocha de plasma, a tocha de plasma sendo adaptada para atomizar o fio fundido em partículas, em que o aparelho é adaptado para ser arrefecido por um gás, aquecendo assim o gás, com o gás então aquecido sendo adaptado para ser usado como o gás de plasma.

43. Aparelho, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de que o gás inclui um gás inerte, tal como o argônio.

44. Aparelho, de acordo com a reivindicação 42 ou 43, caracterizado pelo fato de que um canal de gás é fornecido para alimentar o gás à tocha de plasma.

45. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 42 a 44, caracterizado pelo fato de que um bocal supersônico é fornecido, o gás sendo adaptado para ser acelerado através do bocal supersônico e para pulverizar as partículas.

46. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 42 a 45, caracterizado pelo fato de que uma câmara de arrefecimento é fornecida a jusante da tocha de plasma para solidificar as partículas em pós.

47. Aparelho, de acordo a reivindicação 42 ou 43, caracterizado pelo fato de que um canal de gás é fornecido, em que o gás é adaptado para ser aquecido antes de entrar em contato com um arco elétrico fornecido em uma extremidade anterior do fio.

48. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27, 31, 41 ou 46, caracterizado pelo fato de que a câmara de arrefecimento contém um gás inerte, tal como o argônio.

49. Processo de atomização de plasma caracterizado pelo fato de que compreende: e fornecer uma tocha de plasma térmica; e alimentar continuamente um ou dois fios a serem atomizados, produzindo assim gotículas metálicas atomizadas a dos mesmos; e e passar as gotículas através de um difusor antissatélite que é adaptado para evitar a recirculação de pós finos e, portanto, a formação de satélites.

50. Processo de atomização de plasma caracterizado pelo fato de que compreende: e fornecer uma tocha de plasma térmica;

e fornecer um ou dois fios a serem atomizados; e e fornecer pelo menos duas fontes de energia paralelas para controlar um arco entre os dois fios ou entre o único fio e um eletrodo da tocha de plasma, produzindo assim partículas.

51. Processo, de acordo com a reivindicação 50, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas fontes de alimentação são usadas paralelamente para controlar o arco entre os dois fios ou entre o único fio e um eletrodo da tocha de plasma.

52. Processo, de acordo com a reivindicação 50 ou 51, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por tensão.

53. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 50 a 52, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de alimentação para a soldagem a arco é controlada por corrente.

54. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 50 a 53, caracterizado pelo fato de que as fontes de alimentação paralelas são usadas concomitantemente em uma combinação de controle de tensão e modos de controle de corrente.

55. Invenção de produto, processo, sistema, kit, meio ou uso, caracterizada pelo fato de que compreende um ou mais elementos descritos no presente pedido de patente.