CN106670487B - 一种制备微细球形金属粉末的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备微细球形金属粉末的旋转电极及其方法，等离子枪由拉瓦尔型喷管及可轴向进给的等离子枪头构成，等离子枪头与拉瓦尔型喷管之间为等离子枪内气路；等离子枪头与枪头推杆相连，旋转电极棒与电极棒推杆相连；旋转电极棒与等离子枪头分别由电极棒推杆、枪头推杆控制调节轴向的相对位置；圆柱电极棒为原料，以等离子旋转电极法进行一次雾化，以电极棒熔池受到的可调节的等离子枪头喷射的超音速高温惰性气体进行二次雾化；离心雾化机制的离心力克服合金液体表面张力作为雾化收得粉粒度上限；大幅度提高雾化能量转化为雾化液滴表面能的效率，<50μm的微细粉收率相较于传统离心雾化有了较大提升。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金工业技术领域，具体涉及一种制备微细球形金属粉末的设备及方法。
背景技术
球形金属粉末由于具有较小的比表面积从而表面污染少，杂质低，品质高，且其具有极好的流动性，满足高品质的金属注塑成型以及各类增材制造快速成型技术的需求。主流的制备球形金属粉末技术可归类为气雾化类与旋转电极类。气雾化法的主要雾化机制依赖于气体流速，其收得粉粒度范围较宽，<50μm的细粉收率高，但空心粉、卫星粉等缺陷较多，严重影响了下游关键成型零件的性能；旋转电极法的雾化机制主要依赖于旋转电极转速引起的离心力克服液滴表面张力机理，其粒度分布较为集中，但受制于转速提升的限制，通常其细粉收率要较气雾化法低，但该法制粉的缺陷少，圆形度好，适合制备高品质球形粉。故而为旋转电极雾化工艺引入二次雾化机制，以增加细粉收率，有利于提高高品质球形金属粉的产能。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种制备微细球形金属粉末的设备及方法，采用本发明的制备方法获取微细球形金属粉末高产率，解决了一般等离子旋转电极法制备微细球形金属粉末收率较低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备微细球形金属粉末的设备，包括有等离子枪，其特征在于，等离子枪由拉瓦尔型喷管及在拉瓦尔型喷管内轴向进给的等离子枪头构成，等离子枪头与拉瓦尔型喷管之间为等离子枪内气路；等离子枪头与枪头推杆相连，旋转电极棒与电极棒推杆相连；旋转电极棒与等离子枪头分别由电极棒推杆、枪头推杆控制调节轴向的相对位置，电极棒推杆与枪头推杆的调节是互相独立的。
所述的等离子枪头在拉瓦尔型喷管内，每次使用前自动复位至靠近拉瓦尔型喷管中心的旋转电极棒的一端，所述的拉瓦尔型喷管的外套为纯铜材质。
利用所述一种制备微细球形金属粉末的设备制备微细球形金属粉末的方法，雾化机理不使用单一的离心雾化原理，还必须辅以拉瓦尔型喷管的可轴向进给等离子枪头的等离子枪所带来的超音速高温高压气体雾化机制，包括以下步骤：
步骤1，等离子枪头自动复位至靠近拉瓦尔型喷管中心的旋转电极棒的一端，以直径<80mm，长度<700mm圆柱旋转电极棒为原料，以Ar和He混合气作为保护气氛，旋转电极棒的转速为10000-25000rpm，调节电极棒推杆使旋转电极棒的靠近等离子枪端面至拉瓦尔型喷管的距离为20-60mm，等离子枪与旋转电极棒同轴安置，等离子枪前端在进气压力≤0.2MPa的条件下进行等离子旋转电极工艺制粉；
步骤2，在等离子弧稳定的情况下，增大等离子枪前端进气压力至0.3-1MPa，并提高等离子枪热功率至1.2-1.5倍，同时控制枪头推杆、调节等离子枪头在拉瓦尔型喷管的位置，获得较稳定的弧与超音速高温高压气流，使弧与超音速高温高压气流从等离子枪内气路6之中喷射至旋转电极棒的端面；
步骤3，雾化合金液滴在保护气氛中快速冷却，在保护气氛下收集得到成品粉。
本发明的有益效果是：
与传统等离子旋转电极雾化工艺与设备相比，本发明使用可在拉瓦尔型喷管内轴向进给枪头的等离子枪，能够在雾化工艺进行时改变拉瓦尔型喷管内的流体学特性，并提高进气压力，从而使得雾化机制从离心雾化机制发展为离心-高温高压气体混合雾化，大幅度提高了传统离心雾化的雾化效率，相比于传统旋转电极雾化，收得粉的平均粒径大幅度降低，提高了细粉收率。
本发明中，离心雾化机制的离心力克服合金液体表面张力作为雾化收得粉粒度上限；超音速高温高压气体提供足够热能以及动能，高热进一步降低合金液表面张力，而高压超音速气体则利于产生激波，因而大幅度提高整体雾化机制中，雾化能量转化为雾化液滴表面能的效率，即大幅度提高雾化效率。雾化后液滴在惰性气体气氛中快冷，形成偏析少，缺陷低的高品质细微球形粒子，<50μm的微细粉收率相较于传统离心雾化有了较大提升。
相对于其他混合雾化方式，本发明的方案直接改造等离子枪内气路，使得等离子枪惰性气体流除却担负稳弧作用以外，还可用于协助传热与雾化，提高了等离子枪热能的利用率，并最大限度简化了雾化室内结构的复杂性，提高了雾化室内装备的维护特性。
步骤1中所使用的工艺参数即为传统的等离子旋转电极法；步骤2中通过改变了枪头位置与等离子枪热功率，从而改变了拉瓦尔型喷管内的流体学特性，使得雾化室内由于超音速高温高压气体而产生的雾化机制效果大幅地提高，从而提高了雾化效率。
附图说明
图1是本发明方法所使用设备雾化室的结构示意图。
图中，1-旋转电极棒，2-拉瓦尔型喷管，3-等离子枪头，4-枪头推杆，5-电极棒推杆，6-等离子枪内气路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，一种制备微细球形金属粉末的设备，包括有等离子枪，等离子枪由拉瓦尔型喷管2以及仅可在拉瓦尔型喷管2内轴向进给的等离子枪头3构成，等离子枪头3与拉瓦尔型喷管2之间为等离子枪内气路6；等离子枪头3与枪头推杆4相连，旋转电极棒1与电极棒推杆5相连；旋转电极棒1与等离子枪头3分别由电极棒推杆5、枪头推杆4控制调节轴向的相对位置，电极棒推杆5与枪头推杆4的调节是互相独立的。
所述的拉瓦尔型喷管的外套为纯铜材质。
利用所述一种制备微细球形金属粉末的设备制备微细球形金属粉末的方法，雾化机理不使用单一的离心雾化原理，还必须辅以拉瓦尔型喷管的可轴向进给等离子枪头的等离子枪所带来的超音速高温高压气体雾化机制，包括以下步骤：
步骤1，等离子枪头自动复位至其靠近电极棒端面在拉瓦尔型喷管的中心，以直径<80mm，长度<700mm圆柱形旋转电极棒1为原料，Ar和He混合气作为保护气氛，旋转电极棒1的转速为10000-25000rpm，控制电极棒推杆5，调节电极棒推杆5使电极棒1的靠近等离子枪端面至拉瓦尔型喷管2 的距离为20-60mm，等离子枪与旋转电极棒同轴安置，等离子枪前端在进气压力<0.2MPa的条件下进行等离子旋转电极工艺制粉；
步骤2，在等离子弧稳定的情况下，增大等离子枪前端进气压力至0.3-1MPa，提高等离子枪热功率至1.2-1.5倍，同时控制枪头推杆4、调节等离子枪头3在拉瓦尔型喷管的位置，获得较稳定的弧与超音速高温高压气流，使弧与超音速高温高压气流从等离子枪内气路6之中喷射至旋转电极棒的端面；
步骤3，雾化合金液滴在保护气氛中快速冷却，在保护气氛下收集得到成品粉。
使用本发明方法及电极，制备得到的钛合金以及镍基高温合金球形金属粉末的圆形度好，ONH杂质元素总量<1000ppm，粒度分布主要集中在<100μm，其中<50μm的细粉收率得到极大提升。
实施例1
以镍基高温合金为原料制备直径70mm的旋转电极棒，长度600mm，将Ar:He=1:4混合气体作为保护气氛与雾化室气体，并增设气路循环，等离子枪电流为1000A，起弧后以15000rpm的转速带动旋转电极棒旋转，等离子枪拉瓦尔型喷管距离旋转电极棒端面40mm，雾化室前端进气压力在0.15MPa，收集成品粉中<75μm粉末收率在18wt.%；依照步骤2，通过增大电流将等离子枪功率增大至1.4倍，提高雾化室前进气压力至0.3MPa，同时控制枪头推杆调节等离子枪头在拉瓦尔型喷管的位置至高温高压气流稳定喷射，收集成品粉中<75μm粉末收率在 40wt.%，提升了2.2倍；两类粉的霍尔流速均在11.19-12.40s/50g。
实施例2
以TC4为原料制备直径75mm电极棒，长度500mm，使用Ar:He=1:4混合气体作为保护气氛充入雾化室，并增设气路循环，等离子枪电流为850A，起弧后以25000rpm带动旋转电极旋转制粉，等离子枪拉瓦尔型喷管距离棒料端面30mm，雾化室前端进气压力在0.18MPa，收集成品粉中<53μm粉末收率在4.5wt.%；依照步骤2，通过增大电流将等离子枪功率增大至1.5倍，提高雾化室前进气压力至0.3MPa，同时控制枪头推杆调节等离子枪头在拉瓦尔型喷管的位置至高温高压气流稳定喷射，收集成品粉中<53μm粉末收率在 9.7wt.%，提升2.16倍。
实施例3
以纯镍为原料制备直径79mm的旋转电极棒，长度690mm，将Ar:He=1:8混合气体作为保护气氛与雾化室气体，并增设气路循环，等离子枪电流为1050A，起弧后以13000rpm的转速带动旋转电极棒旋转，等离子枪拉瓦尔型喷管距离旋转电极棒端面35mm，雾化室前端进气压力在0.2MPa，收集成品粉中<75μm粉末收率在11wt.%；依照步骤2，通过增大电流将等离子枪功率增大至1.4倍，提高雾化室前进气压力至0.3MPa，同时控制枪头推杆调节等离子枪头在拉瓦尔型喷管的位置至高温高压气流稳定喷射，收集成品粉中<75μm粉末收率在19wt.%，提升了1.7倍。
Claims (3)
1.一种制备微细球形金属粉末的设备，包括有等离子枪，其特征在于，等离子枪由拉瓦尔型喷管（2）及在拉瓦尔型喷管(2)内轴向进给的等离子枪头（3）构成，等离子枪头（3）与拉瓦尔型喷管（2）之间为等离子枪内气路（6）；等离子枪头（3）与枪头推杆（4）相连，旋转电极棒(1)与电极棒推杆（5）相连；旋转电极棒（1）与等离子枪头（3）分别由电极棒推杆（5）、枪头推杆（4）控制调节轴向的相对位置，电极棒推杆（5）与枪头推杆（4）的调节是互相独立的。
2.根据权利要求1所述的一种制备微细球形金属粉末的设备，其特征在于，等离子枪头(3)在拉瓦尔型喷管(2)内，每次使用前自动复位至靠近拉瓦尔型喷管(2)中心的旋转电极棒的一端，所述的拉瓦尔型喷管（2）的外套为纯铜材质。
3.利用权利要求1所述的一种制备微细球形金属粉末的设备制备微细球形金属粉末的方法，其特征在于，雾化机理不使用单一的离心雾化原理，还必须辅以外套拉瓦尔型喷管(2)的可轴向进给枪头(3)的等离子枪所带来的超音速高温高压气体雾化机制，包括以下步骤：
步骤1，等离子枪头(3) 自动复位至靠近拉瓦尔型喷管(2)中心的旋转电极棒的一端，以直径<80mm，长度<700mm圆柱旋转电极棒为原料，以Ar和He混合气作为保护气氛，旋转电极棒的转速为10000-25000rpm，调节电极棒推杆（5）使旋转电极棒(1)的靠近等离子枪端面至拉瓦尔型喷管（2）的距离为20-60mm，等离子枪与旋转电极棒同轴安置，等离子枪前端在进气压力≤0.2MPa的条件下进行等离子旋转电极工艺制粉；
步骤2，在等离子弧稳定的情况下，增大等离子枪前端进气压力至0.3-1MPa，并提高等离子枪热功率至1.2-1.5倍，同时控制枪头推杆（4）、调节等离子枪头（3）在拉瓦尔型喷管（2）的位置，获得较稳定的弧与超音速高温高压气流，使弧与超音速高温高压气流从等离子枪内气路6之中喷射至旋转电极棒的端面；
步骤3，雾化合金液滴在保护气氛中快速冷却，在保护气氛下收集得到成品粉。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 710018 No. 45, Fengcheng Second Road, Xi'an Economic and Technological Development Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Ouzhong Materials Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: No.45, Fengcheng 2nd Road, economic and Technological Development Zone, Xi'an, Shaanxi 710018 Patentee before: XI'AN SINO-EURO MATERIALS TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Country or region before: China |
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