CN113664209A - 一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法 - Google Patents

一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法。通过调节三阴极等离子体炬的工艺参数对不同类型以及不同粒径分布的高熔点金属粉末进行球化处理。通过对球化过程进行在线智能诊断与控制保证球化过程能长时间稳定进行。其方法包含以下步骤：步骤一：确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数；步骤二：运行真空泵将球化腔室以及旋风分离器内的空气抽空；步骤三：开启并调试三阴极等离子体炬；步骤四：设定送粉器的送粉速度并开始送粉；步骤五：对球化过程进行在线智能诊断与控制；步骤六：收集粉末。

Description

一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法
技术领域
本发明涉及一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，可以对高熔点的粉末进行球化处理，以满足高球形度、高流动性及低含氧量的3D打印用粉末需求。
背景技术
高熔点球形粉末（钨、钽、钼、氧化铝、氧化硅、氧化锆粉末等）的3D打印产品在航空航天、医疗领域有广阔应用前景，其性能优劣决定于高熔点球形粉末的性能。
现有制粉技术（气雾化法、等离子体旋转电极法等离子体雾化法和射频等离子体球化法）制备高熔点球形粉末的难度大，存在球形度低、粒径范围大、含氧量高或者效率较低等问题，较难满足增材制造的要求。射频等离子体球化法在粉末球化领域的研究较为广泛，但射频等离子体炬的技术复杂和使用寿命短，严重制约着其工业化应用。相较而言，近年来发展起来的层流电弧等离子体炬具有射流稳定性好、使用寿命长、设计加工简单、设备成本低等有点，将有效解决高熔点球形粉末工业化制备的难题。
现有的层流弧等离子体球化法多使用径向送粉的方式，存在工艺过程不容易控制的问题，难以处理较宽粒径分布的粉末。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，可以对高熔点的粉末进行球化处理，以满足高球形度、高流动性、较窄的粒径分布以及低含氧量的3D打印用粉末需求。
本发明采用的技术方案是：构造一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，包括以下步骤：
步骤一：确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数；
步骤二：运行真空泵将球化腔室以及旋风分离器内的空气抽空；
步骤三：开启并调试三阴极等离子体炬；
步骤四：设定送粉器的送粉速度并开始送粉；
步骤五：对球化过程进行在线智能诊断与控制；
步骤六：收集粉末。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，所述步骤一确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数的具体方法为：Ⅰ)制定高熔点粉末球化所需温度以及速度，主要包含：根据特定的高熔点粉末的熔点、沸点以及热导率，确定等离子体射流所需的温度以及速度；Ⅱ)使用有限元分析软件，对给定等离子体炬的电流、工作气流量等工艺参数以及高熔点金属粉末的送粉速度，仿真等离子体炬的温度以及速度分布以及粉末在球化过程中的温度变化；Ⅲ)通过迭代改变工艺参数并进行仿真最终得到满足高熔点粉末球化温度以及速度的电弧等离子体球化处理工艺参数。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，所述步骤五对球化过程进行在线智能诊断与控制的具体方法为：Ⅰ)使用采集卡检测并收集球化过程中的电压信号，并使用CCD相机拍摄射流照片；Ⅱ)通过使用基于电压分析的信号处理算法判断三阴极等离子体炬射流稳定性与汇聚状态；Ⅲ)对等离子体炬工艺参数进行微调，使等离子体炬始终工作在射流稳定性高、等离子体射流汇聚程度高的状态。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，三阴极等离子体炬球化处理的工艺参数由有限元分析软件仿真分析确定。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，处理的原料为高熔点金属粉末。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，可以处理不同粒径的高熔点金属粉末，粉末处理前后粒径基本不变。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，采用电弧三阴极等离子体炬作为热源，送粉方式为轴向送粉。
本发明所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法中，通过在线智能诊断与控制确保球化过程长时间稳定性。
附图说明
图1为本发明的系统构造示意图。图中：（1）三阴极等离子体炬，（2）采集卡，（3）CCD相机，（4）电脑，（5）球化腔室，（6）旋风分离器，（7）粉末收集器，（8）真空泵，（9）等离子体炬电源，（10）送粉器，（11）粉末。
图2为三阴极等离子体炬外形图。
图3为三阴极等离子体炬内部示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更清楚的理解，以对氧化铝粉末（11）为原材料进行等离子体球化处理为例，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的目的是提供一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，包括以下步骤：步骤一：确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数，根据氧化铝粉末的熔点为2054摄氏度，沸点为2980摄氏度，热导率为10W/m·K。使用Fluent分析确定等离子体射流在图3所示射流混合腔室以及球化腔室的温度需要大于2054摄氏度，速度需要小于200 m/s。在有限元分析软件FLUENT中设置一组等离子体炬的气流量以及电流等工艺参数以及氧化铝粉末（11）的送粉速度，仿真得到等离子体炬的温度以及速度分布以及氧化铝粉末（11）在球化过程中随时间变化的温度曲线。通过迭代改变工艺参数得到满足高熔点粉末球化温度以及速度的电弧等离子体球化处理工艺参数电流120A，工作气流量为10L/min。
步骤二：运行真空泵（8）将球化腔室（5）和旋风分离器（6）的空气抽空。
步骤三：开启并调试三阴极等离子体炬（1）。接通等离子体炬电源（9），由于三阴极等离子体炬（1）的启动运行参数和热处理工作时运行参数不相同，所以在开启三阴极等离子体炬（1）后要进行短暂的调试直到其达到稳定运行状态。对氧化铝粉末（11）进行球化处理时选用的工艺参数是电流120A、工作气流量为10L/min。
步骤四：设定送粉器（10）的送粉速度为10 g/min并开始送粉。
步骤五：使用采集卡（2）检测并收集球化过程中的电压信号，并使用CCD相机（3）拍摄射流照片。通过使用基于电压分析的信号处理算法判断三阴极等离子体炬射流稳定性与汇聚状态。对三阴极等离子体炬（1）的工艺参数进行微调，使等离子体炬始终工作在射流稳定性高、等离子体射流汇聚程度高的状态。
步骤六：收集粉末收集器（7）中粉末。

Claims (6)

1.一种基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数；步骤二：运行真空泵将球化腔室以及旋风分离器内的空气抽空；步骤三：开启并调试三阴极等离子体炬；步骤四：设定送粉器的送粉速度并开始送粉；步骤五：对球化过程进行在线智能诊断与控制；步骤六：收集粉末；
所述步骤一确定等离子体炬进行高熔点粉末球化所需的工艺参数的具体方法为：Ⅰ)
确定高熔点粉末球化所需温度以及速度，主要包含：根据特定的高熔点粉末的熔点、沸点以及热导率，确定等离子体射流所需的温度以及速度；Ⅱ)使用有限元分析软件，对给定等离子体炬的电流、工作气流量等工艺参数以及高熔点金属粉末的送粉速度，仿真等离子体炬的温度以及速度分布以及粉末在球化过程中的温度变化；Ⅲ)通过迭代改变工艺参数并进行仿真最终得到满足高熔点粉末球化温度以及速度的电弧等离子体球化处理工艺参数；
所述步骤五对球化过程进行在线智能诊断与控制的具体方法为：Ⅰ)使用采集卡检测并收集球化过程中的电压信号，并使用CCD相机拍摄射流照片；Ⅱ)通过使用基于电压分析的信号处理算法判断三阴极等离子体炬射流稳定性与汇聚状态；Ⅲ)对等离子体炬工艺参数进行微调，使等离子体炬始终工作在射流稳定性高、等离子体射流汇聚程度高的状态。
2.根据权利要求1所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于：三阴极等离子体炬球化处理的工艺参数由有限元分析软件仿真分析确定。
3.根据权利要求1所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于：处理的原材料为高熔点粉末。
4.根据权利要求1所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于：可以处理不同粒径的高熔点金属粉末，粉末处理前后粒径基本不变。
5.根据权利要求1所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于：采用电弧三阴极等离子体炬作为热源，送粉方式为轴向送粉。
6.根据权利要求1所述的基于三阴极等离子体炬的高熔点粉末球化处理方法，其特征在于：通过在线智能诊断与控制确保球化过程长时间稳定性。
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