CN106457180A - 通过雾化以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及通过雾化以伸长部件例如线、棒或填充管的形式的原材料制造粉末粒子的方法和设备。将所述原材料引入到等离子体炬中。所述原材料的前部从所述等离子体炬移动到所述等离子体炬的雾化喷嘴中。所述原材料的前端通过暴露于形成在所述雾化喷嘴中的一个或多个等离子体射流而表面熔融。所述一个或多个等离子体射流包括环状等离子体射流、多个会聚的等离子体射流、或环状等离子体射流和多个会聚的等离子体射流的组合。还描述了使用所述方法和设备获得的粉末粒子。

Description

通过雾化以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法和 设备
技术领域
本公开涉及材料加工领域。更具体地，本公开涉及通过雾化(atomization)以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法(工艺)和设备。还公开了使用所公开的方法和设备制造的粉末粒子。
背景技术
随着在快速原型制作和制造(通常称为增材制造(additive manufacturing)或3-D打印)方面日益增加的兴趣，已经开发了许多技术来制造可用于这样的技术的致密的球状粉末。增材制造和3-D打印的成功很大程度上取决于可用于零件制造的材料的可得性。这样的材料需要以具有明确限定的粒度分布的高纯的、细的(例如小于150μm的直径)、致密的、球状的和自由流动的粉末的形式提供。常规的熔融雾化技术例如气体、液体和旋转圆盘雾化不能制造这样的高品质粉末。
较近的技术避免通常造成材料污染的坩锅熔融的使用。这些近来的技术提供自由流动的球状粉末。
例如，一些等离子体雾化方法基于产生会聚到顶点(apex)的等离子体射流的多个等离子体炬的使用。通过将以线或棒的形式的待雾化的材料进料到所述顶点中，该材料被由等离子体射流提供的热能和动能所熔融和雾化。还已经提出，将待雾化的材料以连续的熔融物流的形式朝向其中若干个等离子体射流会聚的顶点进料。这些类型的等离子体雾化方法相当精细且要求费力地对准至少三个等离子体炬以具有向顶点会聚的至少三个等离子体射流。由于这样的等离子体炬的物理尺寸，顶点位置被约束在远离等离子体射流的离开点几厘米。这导致等离子体射流在它们到达顶点位置和撞击到材料上之前重大的热能和动能的损失。总而言之，这些方法涉及在对于所述炬的精确对准和功率调节以及材料进料速率的精确设定的要求方面的若干困难。
其它技术基于待雾化的材料的线或棒的直接感应加热和熔融的使用，同时避免熔融的材料和坩埚之间的接触。来自所述棒的熔体液滴落到气体雾化喷嘴系统中而且使用高流速的合适惰性气体进行雾化。这些技术的主要优势在于通过消除待雾化的材料与陶瓷坩埚的任何可能接触而避免其可能的污染。然而，这些技术限于纯金属或合金的雾化。而且，这些技术是复杂的且为了最佳性能要求细微地调节操作条件。此外，消耗大量惰性雾化气体。
因此，存在对于由宽范围的原材料高效且经济地制造粉末粒子的技术的需要。
发明内容
根据第一方面，本公开涉及通过雾化以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法，其包括将原材料引入到等离子体炬中、将原材料的前部从等离子体炬移动到等离子体炬的雾化喷嘴中、和通过暴露于在雾化喷嘴中形成的一个或多个等离子体射流而使原材料的前端表面熔融，所述一个或多个等离子体射流选自环状等离子体射流、多个会聚的等离子体射流、及其组合。
根据另一方面，本公开涉及通过雾化以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的设备，其包括等离子体炬，该等离子体炬包括：用于接收原材料的注入探管(探针，probe)；和雾化喷嘴，其配置成接收来自注入探管的原材料的前部、供应有等离子体、产生一个或多个等离子体射流、和通过暴露于一个或多个等离子体射流而使原材料的前端的表面熔融。所述一个或多个等离子体射流选自环状等离子体射流、多个会聚的等离子体射流、及其组合。
前述和其它特征在参考附图阅读以下仅举例性地给出的其说明性实施方式的非限缩性描述时将变得更加明晰。相同的数字在附图的各图中代表相同的特征。
附图说明
将参考附图仅举例性地描述公开的实施方式，在附图中：
图1是可用于雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料的等离子体炬的正视图；
图2a是具有根据一种实施方式的雾化喷嘴和通过等离子体直接预热伸长部件的配置的图1的等离子体炬的详细正视图；
图2b是具有图2a的雾化喷嘴和其中通过等离子体经由辐射管间接加热伸长部件的配置的图1的等离子体炬的详细正视图；
图3是用于雾化以伸长部件形式的原材料的设备的正视图，该设备包括图1的等离子体炬；
图4a是根据一种实施方式的具有支撑凸缘(法兰，flange)的雾化喷嘴的透视图；
图4b是图4a的雾化喷嘴和支撑凸缘的横截面图；
图4c、4d和4e是显示包括被用于产生等离子体射流的径向孔围绕的中心孔的图4a的雾化喷嘴的细节的另外的顶视图、底视图和透视图。
图5是显示根据另一实施方式的雾化喷嘴的图1的等离子体炬的详细正视图；
图6是显示图5的雾化喷嘴和还包括围绕雾化喷嘴的出口端的保护气体端口的图1的等离子体炬的变型的详细正视图；
图7是显示通过雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、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图；
图8是包括显示加热引入到60kW下的氩气/氢气感应等离子体中的3.2mm不锈钢线的模拟结果的图的示意图；
图9是通过雾化3.2mm直径的不锈钢线获得的粉末粒子的电子显微照片和对应的粒度分布的图；和
图10说明使用通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和设备制造的不同的不锈钢球状粉末级分的电子显微照片。
具体实施方式
总体来说，本公开解决由宽范围的原材料高效且经济地制造粉末粒子的问题的一个或多个。
更具体地，本公开描述可用于由宽范围的原材料制造粉末粒子的等离子体雾化方法和用于其的设备，所述原材料包括例如纯金属、合金、陶瓷和复合材料(composite)。所公开的技术可用于由如下制造宽范围的致密的球状金属、陶瓷或复合材料粉末：以伸长部件(例如作为非限制性实例的棒、线或填充管)的形式的相同性质的原材料。粉末可被定义为包括具有小于一(1)毫米的直径的粒子，细粉末可被定义为包括小于10微米的直径的粒子，而超细粉末可被定义为包括直径上小于一(1)微米的粒子。
在一种非限制性的实施方式中，等离子体炬(其可任选地为感应耦合等离子体炬)沿着其中心的纵轴供应有原材料。可控制原材料在等离子体炬的任选预热区中的移动速度和/或行进距离以容许该材料加热至尽可能接近其熔点的温度同时避免其在等离子体炬内的过早熔融。在一个实施方式中，任选预热的原材料的前端进入雾化喷嘴而从其下游侧露出(射出，emerge)且进入冷却室。由于其在雾化喷嘴中的通过，原材料的前端或端部(头端，tip)暴露于多个等离子体射流例如高速度等离子体射流(其包括而不限于，超声速的细的等离子体射流)。当撞击到原材料上时，等离子体射流使其表面熔融并且剥去熔融的材料，由雾化喷嘴得到夹带有等离子体气体的材料的细分的球状熔融液滴。在另一实施方式中，任选预热的原材料的前端在雾化喷嘴内暴露于环状等离子体射流，所述环状等离子体射流也导致原材料的表面熔融。所得的液滴被等离子体气体夹带到冷却室中。在两个实施方式中，所述液滴在冷却室内冷却下来且在飞行中冷冻，形成了例如小的、实心的(固体)和致密的球状粉末粒子。所述粉末粒子可在冷却室的底部收取，例如取决于它们的粒度分布在下游的旋风分离器中或在过滤器中收取。
在本公开的上下文中，使用所公开的方法和设备获得的粉末粒子可包括而不限于微米尺寸的粒子(其可被定义为直径在1-1000微米范围内的粒子)。
在整个本公开中使用以下术语：
粉末粒子：粒状物质的粒料(细粒，grain)，其包括但不限于微米尺寸的粒子和纳米粒子。
雾化：使材料减小成粒子。
原材料：将要通过方法转变的材料。
填充管：以管的形式提供的原材料，其由作为非限制性实例的金属、塑料或任何其它合适的材料制成，填充有这样的粉末：所述粉末由纯金属、合金、陶瓷材料、任何其它合适的材料构成或者由材料的混合物构成，使得熔融所述粉末可导致合金或复合材料的形成。
等离子体：处于热的、部分离子化状态的气体。
等离子体炬：能够将气体变为等离子体的装置。
感应耦合等离子体炬：使用电流作为能量来源产生能量的电磁感应形成等离子体的等离子体炬的类型。
注入探管：用于插入或供应原材料的可使用冷却流体冷却的伸长导管。
预热区：等离子体炬中的原材料在其中升高至低于其熔点的温度的区域。
雾化喷嘴：用于产生等离子体射流和容许原材料从等离子体炬输送至冷却室的元件。
在飞行中冷冻：液滴在悬浮于气体内的同时冷却变成固体粒子。
冷却室：其中发生在飞行中冷冻的容器。
现在参考附图，图1是可用于雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料的等离子体炬的正视图。显然，在所公开的用于原材料雾化的方法和设备中可潜在地使用其它类型的伸长部件。
图2a是具有根据一种实施方式的雾化喷嘴和通过等离子体直接预热伸长部件的配置的图1的等离子体炬的详细的正视图，而图2b是具有图2a的雾化喷嘴和其中伸长部件通过等离子体经由辐射管间接加热的配置的图1的等离子体炬的详细的正视图。图3是用于雾化以伸长部件形式的原材料的设备的正视图，该设备包括图1的等离子体炬。
同时参考图1、2和3，通过雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)的形式的原材料110制造粉末粒子的设备100包括产生等离子体126的等离子体炬120、和冷却室170。在不限制本公开的情况下，所示的等离子体炬120为感应耦合等离子体炬。还设想使用其它类型的等离子体炬。设备100可进一步包括粉末收集器190。
等离子体炬120包括安装在头部(head)185上与感应耦合等离子体炬120共轴的伸长导管形式的注射探管122。如图1中说明的，注入探管122延伸通过头部185且通过等离子体约束管179。原材料110可经由注入探管122插入到等离子体炬120中使得它与炬主体181共轴。原材料110可通过典型的线、棒或管进料机构(未显示)以连续的方式供应到注入探管122，所述进料机构例如类似于目前用在线电弧焊中的市场可获得的单元例如由Miller销售的用于MIG/Wire焊接的单元，且包括操作用于控制伸长部件去往注入探管122的进料速率的第一组轮子(wheel)。在所述进料机构之前或之后可为两组相继的矫直(straightening)轮子用以将伸长部件在两个垂直平面内矫直。当然，在一些情形中，为了将伸长部件在仅一个平面或多个平面内矫直，可需要仅一组或多组矫直轮子。该组矫直轮子当原材料以卷形物(roll)的形式供应时是有用的。在一种变型中，进料机构可适于使原材料110围绕其纵轴、特别地围绕等离子体炬120的纵轴旋转。
预热区124通过如下预热原材料110的前部112：与等离子体126直接接触(如图2a中所说明的)；或者通过由围绕原材料110的辐射管125辐射加热，所述辐射管125本身通过与等离子体126直接接触而被加热(如图2b中所说明的)。辐射管125可由例如耐火材料如石墨、钨或碳化铪制成。等离子体炬120还包括具有通道的雾化喷嘴160，来自预热区124的原材料110的前部112通过该通道行进以使原材料110的前端114暴露于多个等离子体射流180且使原材料雾化。所述通道可包括容许原材料110的前部112离开等离子体炬120并进入冷却室170的中心孔162、以及用于产生多个等离子体射流180的径向孔166。冷却室170在喷嘴160的下游安装于等离子体炬120的下端。在冷却室170中，原材料110的前端114暴露于多个等离子体射流180。
仍然参考图1、2和3，且尽管最后可使用其它类型的等离子体炬，但是等离子体炬120为感应耦合等离子体炬且包括以共轴布置的外部圆柱形的炬主体181、内部圆柱形的等离子体约束管179和至少一个感应线圈130。外部圆柱形的炬主体181可由可成型的(可模塑的，moldable)复合材料例如可成型的复合陶瓷材料制成。内部圆柱形的等离子体约束管179可由陶瓷材料制成，且如上所指明的，其与炬主体181共轴。至少一个感应线圈130与炬主体181共轴且包埋于炬主体181中以产生RF(射频)电磁场，该RF电磁场的能量点燃等离子体126和维持等离子体126约束在包括预热区124的等离子体约束管179中。等离子体由至少一种气体例如氩气、氦气、氢气、氧气、氮气、或其组合所产生，通过在炬主体181的上端处的感应耦合等离子体炬120的头部185在等离子体约束管179内部供应。经由电源线132向感应线圈130供应RF电流。水或另一冷却流体经由入口例如134进料，在冷却通道例如136中流动，特别地通过在炬主体181和等离子体约束管179之间的环状间隔，以冷却感应耦合等离子体炬。水或其它冷却流体经由出口例如138离开设备100。水或其它冷却流体还可(a)在注入探管122的护套140内流动并进入感应线圈130(其进而为管状的)。
原材料110的前端114暴露于多个等离子体射流180导致原材料的局部熔融，随后所形成的原材料熔融层瞬时剥离和分解成小的液滴182。液滴182落到被定尺寸为且配置成容许液滴182在飞行中冷冻的冷却室170中。液滴182当冷冻时变为粉末粒子184收集在收集器190中。
图3的设备100配置成让液滴182通过重力落向收集器190。然而，还设想其中液滴182通过气体或通过真空推进不竖直落下的其它配置。在图3的实施方式中且在这样的其它配置中，出口管192可将冷却室170的下部连接到真空泵送系统(未显示)以将气体从冷却室170吸出。
设备100包括其它组件例如外壳、凸缘、螺栓等，其在图1、2a、2b、3、4、5和6上说明。这些元件被认为是自明的且本文不进一步描述。在这些和其它图中所说明的各种组件的精确配置不限制本公开。
图4a为根据一种实施方式具有支撑凸缘171的雾化喷嘴160的透视图。图4b为图4a的雾化喷嘴160和支撑凸缘171的横截面图。图4c、4d和4e是显示包括由用于形成等离子体射流通道、例如微等离子体射流通道的径向孔166所围绕的中心孔162的图4a的雾化喷嘴160的细节的顶视图、底视图和透视图。在没有限制的情况下，雾化喷嘴160可由水冷却的金属或辐射冷却的耐火材料或两者的组合所形成。
喷嘴160由凸缘171所支撑。如图2a和2b中所示，凸缘171可以在等离子体炬120和冷却室170之间的密封布置紧固在等离子体炬120的下端和底托(mounting)环状部件173之间。仍然参考图2a和2b，喷嘴160包括环状内表面177，其可限定冷却通道136的同时提供喷嘴160冷却的部分。喷嘴160还以适当的密封布置限定用于接收等离子体约束管179的下端211的环状凹槽175。
图4a-4e的喷嘴160在内测包括限定与注入探管122共轴的中心孔162的中心塔168。中心孔162具有输入漏斗状放大物169。塔168的这种配置有利于原材料110的前部112的对准和插入。喷嘴160的中心孔162容许原材料110的前部112离开等离子体炬120去往冷却室170内部。
雾化喷嘴160还在中心塔168周围包括底壁，该底壁形成有彼此同等地、有角度地间隔开的多个径向孔166。径向孔166设计用于容许等离子体126的各自的部分朝着冷却室170流动且产生等离子体射流180。径向孔166的数量和它们相对于等离子体炬120的中心几何纵轴的冲角可作为等离子体射流180在等离子体炬120的纵轴周围的期望分布的函数进行选择。
中心孔162可被定尺寸为且配置成与原材料110的横截面紧密地匹配，使得中心孔162通过原材料110的前部112在其中的插入而变成基本上封闭的。通过使中心孔162封闭，等离子体126在等离子体炬120中的压力累积。这进而导致等离子体126的各自的部分经由径向孔166从等离子体约束管179中的区124排出。等离子体126的这些被排出的部分形成等离子体射流180。径向孔166被定尺寸为且配置成将等离子体射流180以高速度排出，该高速度可或许达到声速或超声速。
在其中原材料110的横截面小于中心孔162的开口的情形中，孔162不是完全阻塞的且在等离子体炬120内的压力累积可为较小的数量。无论如何，等离子体炬120的净作用(sheer action)和中心孔162被原材料110的部分阻塞仍然导致等离子体126处于显著的压力水平。等离子体射流180尽管在流量和压力方面潜在地降低但可仍然存在。一部分等离子体126在原材料110和中心孔162的开口之间留下的间隙中通过中心孔162排出。该部分等离子体126形成围绕原材料110的前端114的环状等离子体射流或流。在其穿过中心孔162时，前端114在这样的情形中可被环状等离子体射流部分雾化。前端114的另外部分可进一步被等离子体射流180雾化，该等离子体射流180尽管较弱但仍然可以显著快的速度从雾化喷嘴160的径向孔166排出。
径向孔166可各自取向使得等离子体射流180在冷却室170内朝着以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料110的前端114会聚以增强雾化过程。更具体地，图4c和4d分别显示雾化喷嘴160的顶视图和底视图。可观察到，径向孔166关于等离子体炬120的中心几何纵轴从雾化喷嘴162的顶部至底部向内成角度。通过这种方式，在其中所形成的等离子体射流180将在冷却室170内朝着与中心孔162轴向对准的会聚点会聚。在没有限制的情况下，径向孔166可为圆柱形的且具有0.5mm至最大3mm范围内的直径以产生声速或超声速的等离子体微射流，而且可相对于等离子体炬120的中心几何纵轴以20°-70°的角度取向。当然可设想径向孔166的其它形状和直径。
正如上文所表明的，雾化喷嘴160产生多个会聚的等离子体射流，而且可进一步产生环状等离子体射流。现在将描述只产生环状等离子体射流的雾化喷嘴的另一实施方式。
图5是显示了根据另一实施方式的雾化喷嘴的图1的等离子体炬的详细的正视图。在该实施方式中，将等离子体炬120改造成包括在紧固于炬主体181的下端的炬120的底部封闭工件上中心布置的雾化喷嘴660。雾化喷嘴660在其出口端具有中心孔662和朝着中心孔662渐尖的内面664。在非限制性实施方式中，雾化喷嘴660的中心孔662被定尺寸为且配置成与形成原材料110的伸长部件的横截面基本上匹配，因此原材料110的前端114移动到雾化喷嘴660中导致等离子体126在等离子体炬120中的压力累积。等离子体126在等离子体炬120中的压力导致等离子体中的一些通过雾化喷嘴660排出，在原材料110的前端114和雾化喷嘴660的内面664之间形成环状等离子体射流665。原材料110的前端114暴露于环状等离子体射流665导致原材料110的表面熔融和雾化。经雾化的原材料通过中心孔662离开等离子体炬120且以细的或超细的液滴182的形式进入冷却室170。液滴182落到冷却室170中，该冷却室170被定尺寸为且配置成容许液滴182在飞行中冷冻。液滴182当冷冻时变成粉末粒子184收集在收集器190中。形成环状等离子体射流665的等离子体的一些也进入冷却室170。
图6是图1的等离子体炬的变型的详细的正视图，其显示图5的雾化喷嘴且还包括围绕雾化喷嘴的出口端的保护气体端口。在该变型中，早先的图的等离子体炬120通过增加用于接收保护气体412的输入端口410而补充。保护气体412通过封套(cover)414限制在等离子体炬120下方，封套414与所述炬的底部封闭工件形成围绕雾化喷嘴660的中心孔662的环状腔。保护气体412从环状保护气体输出端口416排出以形成围绕从雾化喷嘴660排出的等离子体和液滴182的保护气体屏障(帘幕，curtain)418。轴向保护气体屏障418的存在防止液滴182到达和沉积在包括雾化喷嘴660在内的等离子体炬120的任何下游表面上。特别地，保护气体屏障418防止从雾化喷嘴660露出的等离子体流的快速膨胀，且因此防止液滴182撞击到冷却室的任何下游表面上。如图6上所示，雾化喷嘴660的中心孔662可在短的环状凸缘667中稍微延伸以使保护气体412在由等离子体气体和液滴182形成的流周围更好地偏转。保护气体可以是与等离子体气体的来源相同性质的，其包括例如惰性气体如氩气和氦气及它们与氢气、氧气和/或氮气的混合物。替代地，保护气体可由不同的气体组成。
设备100可集成雾化喷嘴160和雾化喷嘴660之一。尽管没有说明，但是还设想包括雾化喷嘴160和经由保护气体端口416提供保护气体412的组件的组合的设备100的另外变型。
图7是显示通过雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、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图。在图7上，序列500包括可以可变顺序执行的多个操作，所述操作的一些可同时执行，所述操作的一些是任选的。
通过雾化以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料制造粉末粒子的序列500在操作510处通过将原材料引入到等离子体炬中例如感应耦合等离子体炬中而开始。将原材料引入到等离子体炬中可使用如下经由注入探管以连续的方式进行：用于控制伸长部件的进料速率且如果需要用于矫直有时以卷形物形式提供的伸长部件的典型的线、棒或管进料机构。
在操作520处，在等离子体炬内，原材料的前部可通过与等离子体直接或间接接触而预热。当使用注入探管时，超出注入探管末端的等离子体炬的段，具体地在注入探管的末端之间，可形成用于预热原材料的前部的预热区。操作530包括使原材料的前部移动到等离子体炬的雾化喷嘴中，原材料的前端到达雾化喷嘴的中心孔。
通过雾化喷嘴产生一个或多个等离子体射流。所述一个或多个等离子体射流可包括围绕原材料的前端的环状等离子体射流、通过雾化喷嘴排出的多个会聚的等离子体射流、或者环状和会聚的等离子体射流的组合。还设想使用可操作性连接至冷却室的第二个等离子体炬产生另外的等离子体射流。操作540包括通过暴露于在雾化喷嘴中形成的一个或多个等离子体射流而使原材料的前端表面熔融。
在步骤550处，通过原材料的雾化形成的液滴在冷却室内在飞行中冷冻。然后，操作560包括收集由液滴在飞行中冷冻所得到的粉末粒子。
通过在将等离子体和等离子体射流维持在适当的温度水平的同时使原材料连续前进到等离子体炬中可使粉末粒子使用图7的序列500的制造为连续的。通常，无论通过原材料和等离子体之间的直接接触或由等离子体通过辐射管间接辐射加热，都控制原材料的前部在预热区中行进的持续时间，使得原材料的前部在移动到雾化喷嘴中之前达到预定温度。在预热操作520中获得的预定温度低于原材料的熔点。原材料的预热时间的持续时间的控制可通过控制原材料的进料速率和/或等离子体炬中的预热区的长度进行。
通过等离子体和等离子体射流的温度控制，粉末粒子使用序列500的制造可应用到宽范围的材料例如纯金属(如钛、铝、钒、钼、铜)、这些或其它金属的合金(包括例如钛合金、钢和不锈钢、具有液相的任何其它金属材料)、陶瓷(包括例如氧化物、氮化物或碳化物家族的那些、或其任何组合、或具有液相的任何其它陶瓷材料)、复合材料或其配混物。前述材料列表不拟限制通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和设备的应用。
第一实施例
根据第一实施例，通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法可包括下列操作。该第一实施例可利用图1-6中全部或部分说明的设备100，其包括用于加热、熔融和雾化原材料110的等离子体炬120。所述方法涉及将以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料110通过注入探管122轴向引入到其中产生等离子体126的放电腔的中心。原材料110可通过典型的线、棒或管进料机构(未显示)以连续的方式供应到注入探管122，所述进料机构例如类似于目前用在线电弧焊中的市场可获得的单元例如Miller销售的用于MIG/Wire焊接的单元，而且如在前述描述中所指出的，包括操作用于控制伸长部件的进料速率且如果需要用于矫直有时以卷状物形式提供的伸长部件的轮子。随着原材料110从注入探管122露出和横过等离子体126，它在预热区124中被加热，之后进入在等离子体炬120的下端处的下游雾化喷嘴160中。注入探管122的末端和雾化喷嘴160的进口点之间的距离限定预热区124的长度。在预热区124中通过等离子体加热原材料110的时间取决于预热区124的长度和伸长部件在等离子体炬120中行进的线速度。在预热区124中原材料110接收的能量的量继而不仅取决于原材料110在预热区126中的预热时间，而且取决于等离子体126的热-物理性质以及形成原材料110的伸长部件的直径。通过控制预热区124的长度、形成原材料110的伸长部件的线速度和等离子体温度，可控制原材料110的前端114在其进入雾化喷嘴160时的温度。为了最佳的结果，原材料110在其贯穿进雾化喷嘴160时的温度可尽可能地高，尽管优选地不是太接近于原材料110的熔点以避免原材料110在等离子体炬120的放电腔中过早熔融。
随着原材料110的经预热的前端114从雾化喷嘴160露出到冷却室170中，它暴露于多个等离子体射流，例如高速度、声速或超声速的微等离子体射流180，所述射流撞击到形成原材料110的伸长部件的前端114的表面上，使材料熔融，且在生成瞬间以细分的球状熔融液滴182的形式剥去熔融材料，所述液滴182被等离子体气体夹带。随着雾化液滴182进一步输送到下游进入冷却室170中，它们冷却下来并且在飞行中冷冻，形成原材料的致密的球状粉末粒子184。粉末粒子184在位于冷却室170底部的容器190中收取，或者取决于它们的粒度分布，可在下游的旋风分离器(未显示)或收集过滤器(也未显示)中收集。
第二实施例
同样，该第二实施例可利用包括用于对原材料110进行加热、熔融和雾化的等离子体炬120的设备100。根据可用于制造金属、金属合金和陶瓷的致密球状粒子的粉末的第二实施例，通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作：
a.提供包括由流体冷却的感应线圈围绕的流体冷却的等离子体约束管的感应耦合等离子体源、例如感应等离子体炬。通过来自感应线圈的能量电磁耦合到等离子体约束管中的放电腔中而在等离子体约束管内部产生等离子体。感应耦合等离子体源典型地(但不限制一般性)在100kHz-10MHz的频率范围内以范围在约10kPa至最大1.0MPa的低真空之间的压力操作。等离子体气体可范围从惰性气体例如氩气和氦气到它们与氢气、氧气和/或氮气的混合物。感应耦合等离子体源包括负责分布提供全部其组件的高效冷却的冷却流体(例如水)的头部。所述头部可进一步提供等离子体保护气体向放电腔中的均匀分布以使在管的中心处的放电稳定化。等离子体保护气体还保护等离子体约束管不受从等离子体放电所散发的高热通量的影响。在感应耦合等离子体源的下游端，出口凸缘安装的喷嘴容许等离子体朝着冷却室流动。感应耦合等离子体源还可装备有中心定位的水冷却的材料注入探管，其用于将待加工的材料引入到放电腔中。
b.使用合适的进料机构将待雾化的原材料以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)的形式以良好控制的进料速率通过注入探管引入。原材料可通过典型的线、棒或管进料机构(未显示)以连续的方式供应到注入探管，所述进料机构例如类似于目前用在线电弧焊的市场可获得的单元例如Miller销售的用于MIG/Wire焊接的单元，且包括操作用于控制伸长部件的进料速率且如果需要用于矫直有时以卷形物形式提供的伸长部件的轮子。
c.随着待加工的原材料从注入探管露出，其集中到雾化喷嘴中的中心孔。原材料的存在使雾化喷嘴的该中心孔至少部分封闭。
d.喷嘴中心孔的至少部分封闭导致放电腔中的等离子体的压力累积。该压力可在50kPa至最高500kPa或更大的范围内。该压力导致等离子体流通过雾化喷嘴中的多个径向孔，该径向孔均匀分布在围绕喷嘴的中心孔的圆形周界上面。这导致具有非常高速度(取决于配置和操作参数可达到声速或超声速值)的多个聚焦的等离子体微射流的形成。
e.形成原材料的伸长部件的前端的暴露部分离开雾化喷嘴的中心孔而贯穿(进入)冷却室，其经受由等离子体射流带来的剧烈加热。这完成了原材料在其表面处的熔融且使其以细的或超细的熔融液滴的形式雾化。通过该第二实施例，可获得具有在5μm至几百微米范围内的直径的液滴。
f.随着雾化的材料被露出的等离子体气体夹带到冷却室中，熔融的液滴冷却下来且在飞行中凝固，形成致密的球状粒子在系统的下游部分处收集。
第三实施例
根据可利用设备100的第三实施例，通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作。
将以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料110通过沿着等离子体炬120的中心线轴向取向的注入探管122引入。
随着原材料110从注入探管122露出，在等离子体炬120的下游端处，其前部112在预热区124中通过与等离子体126直接接触而加热或者使用辐射管125间接地加热。可调节在预热区124中的行进距离和原材料110的移动速度以容许足够的时间以将伸长部件的前部112加热至尽可能接近原材料的熔点而实际上没有达到该熔点的温度。
在此刻，原材料110的前端114或端部到达雾化喷嘴160且贯穿过其中心孔162，该中心孔162在该第三实施例中具有和伸长部件的直径基本上相同的直径。随着原材料110的前端114从雾化喷嘴160的下游侧在冷却室170中露出，其暴露于撞击到其上的多个等离子体射流180、例如高速度等离子体微射流180。由于原材料110的前端已经在预热区124中、即在放电腔中预热到接近其熔点，它在其表面处快速熔融且被等离子体射流180剥离，变成被由等离子体射流180得到的等离子体流夹带的细的或超细的液滴182。随着液滴182向下行进到冷却室170，它们冷却下来并以致密的球状粒子184的形式凝固，球状粒子184通过重力沉积到在冷却室170底部的容器190中或者通过等离子体气体输送到下游的粉末收集旋风分离器或细金属过滤器。
第四实施例
根据可利用设备100的第四实施例，通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作。
以伸长部件(例如作为非限制性实例的线、棒或填充管)形式的原材料110具有比中心孔162的直径小的直径。将原材料110通过沿着等离子体炬120的中心线轴向取向的注入探管122引入。
如在第三实施例中一样，原材料110从注入探管122露出，在等离子体炬120的下游端处，其前部112在预热区124中通过与等离子体126直接接触而加热或者使用辐射管125间接加热。可调节在预热区124中的行进距离和原材料110的移动速度以容许足够的时间以将伸长部件的前部112加热到尽可能接近原材料的熔点而实际上没有达到该熔点的温度。
在此刻，原材料110的前端114或端部到达雾化喷嘴160且贯穿过其中心孔162，该中心孔162在该第四实施例中具有比伸长部件的直径大的直径。随着原材料110的前端114行进通过雾化喷嘴160的中心孔162，其暴露于存在于由中心孔162的直径和伸长部件的直径之间的差所形成的间隙中的环状等离子体射流。由于原材料110的前端114已经在预热区124中(即在放电腔中)预热至接近其熔点，原材料110的前端114对该环状等离子体射流的暴露导致在其表面处快速熔融，被环状等离子体射流所剥离，变成被由环状等离子体射流得到的等离子体流夹带的细的或超细的液滴182。如果前端114未被环状等离子体射流完全雾化，则剩余的原材料从雾化喷嘴160的下游侧在冷却室170中露出。剩余的原材料暴露于撞击到其上的多个等离子体射流180。剩余的原材料在其表面处继续熔融，且被等离子体射流180所剥离，变成更多的被由环状等离子体射流和由等离子体射流180得到的等离子体流夹带的细的或超细的液滴182。随着液滴182向下行进到冷却室170，它们冷却下来并以致密的球状粒子184的形式凝固，球状粒子184通过重力沉积到在冷却室170底部的容器190中或者通过等离子体气体输送到下游的粉末收集旋风分离器或细金属过滤器。
典型的等离子体雾化设备100的总体视图显示在图3中。设备100的所显示的组件的基本尺寸和形状可取决于待雾化的材料和取决于期望的制造速率而宽范围地变化。等离子体炬120的功率水平对于工业生产规模的单元可不失一般性地在10或20kW至最高数百kW之间变化。
再次参考图4a-4e，显示了雾化喷嘴160的设计实例。喷嘴160包括凸缘171。雾化喷嘴160可由流体冷却的铜或不锈钢制成。替代地，雾化喷嘴160可由与水冷却的凸缘171组合的耐火材料例如石墨制成。
雾化喷嘴160具有中心孔162，该中心孔162任选地适于与形成原材料110的伸长部件的直径紧密地匹配。雾化喷嘴160具有这样的多个径向孔166：其在中心孔162周围等同分布，且根据一种实施方式，关于等离子体炬120的中心几何纵轴以45°的角度指向。使用十六(16)个具有1.6mm直径的径向孔166获得成功的操作，所述径向孔166等同分布在中心孔162周围。径向孔166的直径、数量和角度可取决于待雾化的材料的热物理性质和期望的粒度分布进行调节。
应指出经雾化的材料在雾化期间可通过预混合到原材料中的不同组分之间的反应改变其化学组成。非限制性的实例为通过混合形成填充形成原材料的管的粒子的不同金属制造合金。另一非限制性的实例为形成填充管中的粒子的化学组分之间的化学反应。还应指出，经雾化的材料可在雾化期间由于等离子体气体和/或保护气体和经雾化的材料之间的化学反应例如通过氧化、硝化、渗碳等改变其化学组成。
基于等离子体炬的放电腔中的流动和温度场的流体动态模拟(模型化)，可计算形成原材料的伸长部件当其横过炬中的预热区时的温度分布曲线(profile)。图8是包括显示加热引入到60kW下的氩气/氢气感应等离子体中的3.2mm不锈钢线的模拟结果的图的示意图。图8提供使用如图1-6上所示的感应耦合等离子体炬可获得的典型结果。图8在其左手侧显示对于以具有3MHz的振荡频率和60kW的板功率(plate power)的射频电源操作的氩气/氢气等离子体在放电腔中的二维温度场。在图8的底部，给出了对于40mm/s和60mm/s的棒平移速度，在3.2mm直径的不锈钢棒中的对应的温度场。如所预期的，所述棒的总体温度随着其穿过等离子体炬的放电腔中的预热区的平移速度的增加而下降。图8的中心是显示对于不同速度和预热区124的不同长度(在图8的左手侧上以‘z’标识)，在伸长部件的端部实现的最大温度的变化的图。可注意到，取决于预热区124的长度，将棒平移速度维持在相对窄的窗口内容许避免材料在放电腔中过早熔融或其以过低的温度到达雾化喷嘴，其将对经雾化的产物的品质具有负面影响。
图9是通过雾化3.2mm直径的不锈钢线获得的粉末粒子的电子显微照片和对应的粒度分布的图。这样的粒子可使用图1-6的等离子体炬获得。不锈钢粉末粒子使用感应等离子体雾化方法获得。粉末粒子具有约62μm的中值粒径d50，且粉末制造速率为约1.7kg/小时。所述粉末大部分由致密的球状粒子组成。取决于操作条件和过程优化，观察到一定数量的中间长条物(splat)和伴随粒子(satellite)。
图10说明了使用通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和设备制造的不同不锈钢球状粉末部分的电子显微照片。这样的粒子可使用图1、2a和2b的感应耦合等离子体炬获得。同样，所述粉末大部分由致密的球状粒子组成；取决于操作条件和过程优化，观察到仅很少的中间长条物和伴随粒子。
本领域普通技术人员将意识到对制造粉末粒子的方法和设备的描述和对如此制造的粉末粒子的描述只是说明性的，且不拟以任何方式进行限制。其它实施方式对于已经受益于本公开的本领域普通技术人员将是容易想到的。此外，所公开的方法、设备和粉末粒子可定制成为与由宽范围的原材料高效且经济地制造粉末粒子相关的现有需求和问题提供有价值的解决方案。
可联想到如本文所公开的通过雾化以伸长部件形式的原材料制造粉末粒子的方法、用于其的设备、和如此制造的粉末粒子的多种实施方式。这样的实施方式可包括用可扩展至工业生产水平的成本经济有效的方式制造宽范围的粉末(包括但不限于，高纯度金属、合金和陶瓷的细的和超细的粉末)的方法。所述方法可应用于纯金属、合金和陶瓷的粉末的制造，导致雾化材料的最小污染或者没有污染，导致特别是对于反应性金属和合金最小或没有氧获取，产生例如具有小于250μm粒径的细的或超细的粒度，所述粒子是致密的和球状的、具有最少或没有伴随粒子的污染。
为了清楚起见，没有显示和描述全部的制造粉末粒子的方法、设备和其用途的实施的常规特征。当然，将领会在用于制造粉末粒子的方法、设备和其用途的任何这样的实际实施的开发中，可需要做出很多针对实施的决定以实现开发者的特定目标，例如符合与应用、系统和商业相关的约束条件，而且这些特定目标将随实施和开发者而变化。此外，将领会开发的努力可能是复杂的和耗时的，但是对于已经受益于本公开的材料加工领域内的普通技术人员不过是常规的工程任务。
尽管本公开已经借助其非限缩性的说明性实施方式在上文进行了描述，但是可在所附权利要求的范围内按意愿修改这些实施方式，而没有偏离本公开的精神和本质。

Claims (50)

1.通过雾化以伸长部件的形式的原材料而制造粉末粒子的方法，其包括：
将所述原材料引入到等离子体炬中；
将所述原材料的前部移动到所述等离子体炬的雾化喷嘴中；和
通过暴露于所述雾化喷嘴中形成的一个或多个等离子体射流而使所述原材料的前端表面熔融，所述一个或多个等离子体射流选自环状等离子体射流、多个会聚的等离子体射流、和其组合。
2.权利要求1的方法，其中将所述原材料引入到等离子体炬中包括将所述原材料引入到感应耦合等离子体炬中。
3.权利要求1或2任一项的方法，其包括经由注入探管将所述原材料引入到所述等离子体炬中。
4.权利要求1或2任一项的方法，其包括在将所述原材料的前部移动到所述雾化喷嘴中之前使用在所述等离子体炬中产生的等离子体在所述等离子体炬的预热区中预热原材料的前部。
5.权利要求4的方法，其中所述原材料的前部通过与等离子体直接接触而预热。
6.权利要求4的方法，其中使用通过与等离子体直接接触而加热的辐射管间接地预热所述原材料的前部。
7.权利要求4-6任一项的方法，其包括：
经由注入探管将所述原材料引入到所述等离子体炬中；
其中所述等离子体炬的预热区延伸超出所述注入探管。
8.权利要求4-7任一项的方法，其包括选择所述预热区的长度以调节所述原材料的前部的预热时间。
9.权利要求4-8任一项的方法，其包括控制通过等离子体预热所述原材料的前部的持续时间，使得所述原材料的前部在移动到所述雾化喷嘴中之前达到预定温度。
10.权利要求9的方法，其中所述预定温度低于所述原材料的熔点。
11.权利要求9或10任一项的方法，其包括控制所述原材料被引入到所述等离子体炬中的进料速率以控制通过所述等离子体预热所述原材料的前部的持续时间。
12.权利要求4-11任一项的方法，其中控制所述等离子体的温度和所述一个或多个等离子体射流的温度以分别预热和雾化选自纯金属、合金、陶瓷、复合材料和其配混物的材料。
13.权利要求1-12任一项的方法，其包括将所述原材料的前端从所述等离子体炬经由所述雾化喷嘴移动到冷却室中。
14.权利要求13的方法，其包括将所述原材料的前端从所述等离子体炬经由所述雾化喷嘴的中心孔移动以及将多个会聚的等离子体射流从所述等离子体炬经由所述雾化喷嘴的径向孔排出。
15.权利要求14的方法，其进一步包括在所述雾化喷嘴的中心孔内形成环状等离子体射流。
16.权利要求13-15任一项的方法，其包括将所述一个或多个等离子体射流从所述等离子体炬排出到所述冷却室中。
17.权利要求16的方法，其中将来自所述等离子体炬的一个或多个等离子体射流以选自声速和超声速的高速度排出到所述冷却室中。
18.权利要求1-17任一项的方法，其包括在所述冷却室内将通过所述原材料的雾化而形成的液滴在飞行中冷冻。
19.权利要求18的方法，其包括收集由所述液滴的冷冻得到的粉末粒子。
20.权利要求1-19任一项的方法，其包括使所述原材料连续地前进到所述等离子体炬中。
21.权利要求1-20任一项的方法，其中所述伸长部件选自线、棒和填充管。
22.权利要求1-21任一项的方法，其包括在所述雾化喷嘴的下游注入保护，所述保护气体围绕从所述等离子体炬排出的经雾化的材料。
23.权利要求22的方法，其中所述保护气体和所述等离子体由相同的气体产生。
24.权利要求22的方法，其中所述保护气体和所述等离子体由不同的气体产生。
25.权利要求1-24任一项的方法，其中通过所述原材料的表面熔融而获得的经雾化的材料在雾化期间通过预混合到所述原材料中的不同组分之间的反应或者由于等离子体气体或保护气体和经雾化的材料之间的化学反应而改变其化学组成。
26.粉末粒子，其使用权利要求1-25任一项的方法制造。
27.通过雾化以伸长部件的形式的原材料制造粉末粒子的设备，其包括等离子体炬，所述等离子体炬包括：
用于接收所述原材料的注入探管；和
雾化喷嘴，其配置成：
接收来自所述注入探管的原材料的前部，
供应有等离子体，
产生一个或多个等离子体射流，和
通过暴露于所述一个或多个等离子体射流使所述原材料的前端的表面熔融；
其中所述一个或多个等离子体射流选自环状等离子体射流、多个会聚的等离子体射流、及其组合。
28.权利要求27的设备，其中所述等离子体炬为感应耦合等离子体炬。
29.权利要求27或28任一项的设备，其包括使用在所述等离子体炬中产生的等离子体预热所述原材料的前部的预热区，所述预热区位于所述注入探管和所述雾化喷嘴之间。
30.权利要求29的设备，其中所述原材料的前部通过在所述预热区中与等离子体直接接触而预热。
31.权利要求29的设备，其在所述预热区中包括辐射管，其中在所述预热区中通过经由与等离子体直接接触而加热的辐射管预热所述原材料的前部。
32.权利要求27-31任一项的设备，其包括在所述雾化喷嘴的下游安装到所述等离子体炬的冷却室。
33.权利要求32的设备，其中所述原材料的前端离开所述等离子体炬进入所述冷却室，在所述冷却室中所述原材料的前端暴露于多个会聚的等离子体射流。
34.权利要求32或33任一项的方法，其中所述冷却室被定尺寸为且配置成容许通过原材料在所述雾化喷嘴中的雾化而形成的液滴在飞行中冷冻。
35.权利要求34的设备，其包括由所述液滴的冷冻得到的粉末粒子的收集器。
36.权利要求27-35任一项的设备，其包括用于将所述原材料供应到所述注入探管的机构，所述机构适于控制所述伸长部件的进料速率。
37.权利要求36的设备，其中所述机构还适于将所述伸长部件在至少一个平面内矫直。
38.权利要求27-37任一项的设备，其包括一个或多个用于冷却所述等离子体炬的冷却通道。
39.权利要求27-38任一项的设备，其中所述等离子体由选自氩气、氦气、氢气、氧气、氮气和其组合的气体所产生。
40.权利要求27-39任一项的设备，其中所述雾化喷嘴包括用于接收所述原材料的前端的中心孔。
41.权利要求40的设备，其中所述雾化喷嘴进一步包括所述等离子体的各部分在其中流动而产生多个会聚的等离子体射流的多个径向孔。
42.权利要求41的设备，其中所述雾化喷嘴的中心孔被定尺寸为且配置成与所述原材料的横截面紧密地匹配，使得所述中心孔基本上通过所述原材料的前部的插入而封闭、在所述等离子体炬中累积所述等离子体的压力、和导致多个会聚的等离子体射流的产生。
43.权利要求40的设备，其中所述雾化喷嘴的中心孔被定尺寸为且配置成在所述中心孔和所述原材料之间留有间隙，使得在所述中心孔内和所述原材料的前端周围形成所述环状等离子体射流。
44.权利要求40的设备，其中：
所述雾化喷嘴包括朝着所述中心孔渐尖的内面；且
所述雾化喷嘴的中心孔被定尺寸为且配置成与所述原材料的横截面紧密地匹配，使得所述原材料朝着所述中心孔的移动在所述等离子体炬中累积等离子体的压力和导致所述环状等离子体射流的产生。
45.权利要求27-44任一项的设备，其包括：
用于接收保护气体的输入端口；和
位于所述雾化喷嘴的下游用于注入保护气体的环状输出端口，所述保护气体围绕从所述等离子体炬排出的经雾化的材料。
46.权利要求27-45任一项的设备，其中所述一个或多个等离子体射流为高速度等离子体射流。
47.权利要求46的设备，其中所述高速度选自声速和超声速。
48.权利要求27-46任一项的设备，其中所述伸长部件选自线、棒和填充管。
49.权利要求27-47任一项的设备，其中所述设备配置成如下改变通过所述原材料的表面熔融而获得的经雾化的材料的化学组成：通过预混合到所述原材料中的不同组分之间的反应、或者由于等离子体气体或保护气体和经雾化的材料之间的化学反应。
50.使用权利要求27-49任一项的设备制造的粉末粒子。
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