CN103769594A - 一种等离子雾化制备高纯度球形超细/纳米级粉末材料的工艺方法和装备 - Google Patents

一种等离子雾化制备高纯度球形超细/纳米级粉末材料的工艺方法和装备 Download PDF

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Abstract

一种等离子雾化制备高纯度球形超细/纳米粉末材料的工艺方法和装备，包括1.送料系统，2.对称等离子体炬，3.真空系统，4.金属丝材卷盘，5.金属丝材，6.等离子焦点，7.雾化塔，8.粉末收集装置以及后续与之相连的气体粉末分离系统、粉末收集系统、气体净化再循环利用系统；其特征在于利用固体原材料，如棒材、丝材，粉末颗粒原材料，或液体、气体原料通过专用的送料装置直接送入对称高温等离子体炬形成的等离子焦点区，温度可以高达10000K，原材料在高温下被瞬间液化或汽化或热反应分解/合成，并被等离子体高速冲击分散雾化成超细液滴或气雾状，在雾化塔中飞行沉积过程中，与连续通入雾化塔中的冷却氩气进行热交换冷却凝固成各种材质的高化学纯度球形超细或纳米级粉末材料。

Description

一种等离子雾化制备高纯度球形超细/纳米级粉末材料的工艺方法和装备
技术领域
本发明属于一种利用高温等离子体,原材料被高温等离子体熔化或汽化或者热反应分解合成,雾化制备高纯度球形超细/纳米粉末材料的方法和装备。 
  
背景技术
随着金属3D打印技术、表面熔覆修复再制造技术、材料表面喷涂改性技术、粉末冶金零部件制造技术的发展，对其原材料粉末产品化学纯度、形貌、密度、流动性、粒度及粒度分布提出了更高的要求。 
    现今粉末产品的生产方式和设备，如气雾化和水雾化或机械式破碎生产方式由于需要原材料坩埚熔炼或机械式破碎接触工作面等，出现大量的掺杂现象。粉末产品化学成分出现偏差，极大的影响了产品品质。而旋转电极雾化在粉末粒度控制方面也有局限，且设备复杂，生产成本高。 
类似的传统物理法制备的粉末材料不是化学纯度不够，或粉末外观形貌控制难，就是粒度达不到超细及纳米级，而且成本高昂，无法产业化商品化。 
等离子体是物质除固态、液态、气态之外存在的第四种方式。对气体持续加热使其电离，形成由离子、电子和中性粒子组成的高能量气体状态称为等离子体。等离子体具备的高温性（5000-10000K）、高热传导性、高纯度特性在现代工业中被广泛应用。 
发明内容
为了克服现今粉末制备方法所制备的粉末材料化学纯度不高，粒度达不到超细及纳米级，生产成本高昂，无法产业化商品化等缺失，本发明提供了一种利用高温氩、氮、氧等离子体雾化法制备高化学纯度球形超细/纳米粉末材料的方法。 
本发明能生产高质量超细/纳米级金属粉末、陶瓷粉末，可被雾化的原材料可以是固体，如棒材、丝材，粉末颗粒原材料，或者液体、气体等多种形态的各种材质，此方法生产的超细/纳米粉末具有纯度高，粒度分布集中，外观呈球形特征。本发明通过建立对称等离子体矩，对称等离子体矩可以是2个、3个等N个，形成高温等离子体焦点区，高温等离子体温度可以高达10000K，根据工艺要求，可选择不同种类的气体等离子体，如氩气、氮气、氧气、空气等离子体。将固体原材料，如棒材、丝材，粉末颗粒原材料，或液体、气体原料通过专用的送料装置直接送入等离子体焦点最高温区，原材料被迅速熔化或汽化或者热反应分解合成,雾化制备出超细/纳米级各种材质的金属或者陶瓷粉末材料，制备的粉末材料在雾化塔系统内冷却沉积，集中收集。雾化后的废气被过滤净化后再循环利用或环保达标排放。 
下面结合附图1和实施举例对本发明进一步说明。 
附图说明
   图1 是本发明装置的构造图。 
   图中：1.送料机，2.双对称等离子体炬，3.真空系统，4.金属丝材卷盘，5.金属丝料，6.等离子焦点，7.雾化塔，8.粉料收集装置。 
具体实施方式
结合具体的实施例来描述本发明。 
    具体实施例：利用盘卷丝材原材料生产高纯度超细金属Ti-6Al-4V（TC4）球形粉末工艺方法和装备。 
1. 建立等离子雾化设备体系，整个体系主要由60kw等离子电源、2个对称等离子体矩2、氩气气源、雾化塔7、真空系统3，滚轮式金属卷丝输送系统1、气体粉末分离系统、粉末收集系统、气体净化再循环利用系统等组成；对称等离子体矩形成高温等离子体集汇焦点区6，见图1。 
2. 为防止加热时钛合金材料氧化，先抽出雾化塔中空气，通入保护冷却氩气。 
   3. 选用商业化的直径为5mmTi-6Al-4V（TC4）卷丝，通过金属卷丝输送系统送入高温氩气等离子体焦点区，输送速度可控调整，钛合金丝材在2500K左右高温下在焦点区域被瞬间熔化，并被等离子体高速冲击分散雾化成超细液滴，液滴在雾化塔中飞行过程中与通入雾化塔的冷却氩气热交换冷却凝固成超细粉末颗粒，粉末平均粒度通常为1-100um。 
   4. 气体粉末进入旋风分离和布袋过滤系统进行气粉分离，超细钛合金粉末被集中收集。 
   5. 过滤后的氩气经过气体净化再循环利用系统被回收加压后重新成为工作气源。 
以上过程中控制氩气等离子体温度，可以让钛合金丝材在5000K以上超高温下被瞬间汽化，并被等离子体高速冲击分散雾化成金属云，与连续通入雾化塔中的冷却氩气进行热交换冷却凝固，生成纳米级的钛合金粉末，通常可以生产10-100nm级的纳米粉末。 
  
可用等离子体雾化制备的系列超细/纳米粉末材料举例：
Figure 2013106011787100002DEST_PATH_IMAGE001
   本发明涉及的技术和装备生产的产品包括以上举例但不限于以上举例的产品。
  

Claims (7)

1.一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，建立对称等离子体炬，对称等离子体矩可以是2个、3个等N个，形成高温等离子体焦点，高温等离子体温度可以高达10000K，根据工艺要求，可选择不同种类的气体等离子体，如氩气、氮气、氧气、空气等离子体，本发明能生产高质量超细/纳米级金属粉末、陶瓷粉末等各种材质的粉末材料，可被雾化的原材料可以是固体、液体、气体等多种形态的各种材质，此方法生产的超细/纳米粉末具有纯度高，粒度分布集中，外观呈球形特征，可以是固体，如棒材、丝材，粉末颗粒原材料，或者液体、气体等多种形态的各种材质的原材料，通过设计的专用原材料送料装置直接送入等离子体焦点最高温区，原材料被迅速熔化或汽化、或者热反应分解合成，雾化制备出超细/纳米级金属或者陶瓷粉末等各种材质的粉末材料。
2.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：建立等离子雾化设备体系，该体系由专用原材料送料系统、对称等离子体炬、真空系统、雾化塔和粉末收集装置及废气净化循环再利用系统等组成。
3.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：根据工艺要求，选择不同种类的气体等离子体，如氩气、氮气、氧气、空气等离子体，建立对称等离子体炬，形成高温等离子体焦点。
4.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：其生产的原材料可以是固体，如棒材、丝材、粉末颗粒原材料，或液体、气体原料通过专用的原材料输送装置直接送入等离子体焦点最高温区。
5.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：原材料在10000K以下等离子体高温下被瞬间熔化或汽化或热化学反应分解/合成，并被等离子体高速冲击分散雾化成超细液滴或气雾状，在雾化塔中飞行沉积过程中，与通入雾化塔中的冷却氩气进行热交换冷却凝固成超细/纳米粉末，超细粉末平均粒度通常为1-100um，纳米粉末平均粒度通常为10-100nm。
6.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：气体粉末进入旋风分离和布袋过滤系统进行气粉分离，超细粉末被集中收集，过滤后的氩气经过气体净化再循环利用系统被回收加压后重新成为工作气源。
7.如权利要求1所述的一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的工艺方法和装备，其特征为：可用等离子体雾化制备的系列粉末举例：
Figure 63488DEST_PATH_IMAGE001
   本发明涉及的技术和装备生产的产品包括以上举例但不限于以上举例的产品。
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