CN115740471A - 一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备与制粉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声辅助等离子‑电弧复合雾化制粉设备与制粉方法，设备包括电弧电源、等离子电源、两套互为正负极的送丝起弧装置、两个超声波发生器、一个等离子枪以及一个雾化室；利用电弧电源在两个送丝起弧装置送给的金属丝之间起弧，熔化金属丝并分解成液滴；至少在两套送丝装置的一个导电嘴上施加超声振动，将液滴震碎，初步细化液滴；利用等离子电源产生超音速等离子体射流，并在辅助雾化气体的作用下切换到喷射模式，作用在金属液滴上进一步细化液滴，并将液滴送入雾化室中球化并凝固，最终在雾化室底部获得细化的金属粉末。
Description
技术领域
本发明属于制粉技术领域，尤其涉及一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备与制粉方法。
背景技术
球形粉末是增材制造、粉末冶金、注射成型、表面喷涂等制备工艺的重要原料，其成分、粒度、球形度、空心粉率等是影响最终构件性能的关键因素。以粉末增材领域为例，其增材粉末的选用一般基于三种因素：能量热源、粉末补给方式、产品尺寸和精密度需求。目前增材制造领域常用的粉末粒度范围为 15~53 μm(细粉)、53~150 μm(粗粉)。
粉末制备方法主要包括水雾化、气雾化、电极感应熔融雾化以及等离子雾化等，其中等离子雾化方法制备的粉末具有球形度高、致密度高、孔隙率低、含氧量低、表面光洁等有点，因此该方法在高性能球形粉末领域具有重要地位。但等离子雾化法制粉，存在粉末粒度较粗，成本相对较高和细粉收得率较低等问题，亟待解决。
对比专利1：US5707419“Method of production of metal and ceramic powdersby plasma atomization”，该专利提出了一种等离子熔丝雾化工艺方法，该技术以规定尺寸的金属丝材为原材料，通过送丝系统按照特定速率送入雾化炉内，经出口处环形等离子体火炬加热装置，在聚焦等离子弧的作用下进行熔融雾化，最终得到金属粉末。整个流程在氩气氛围下进行，熔融雾化过程无外来杂质干扰，产品纯净度高，由于采用金属丝材为加工原材料，通过控制进给速度可获得特定粒径分布的粉末，提高了粉末的品质稳定性，低浓度的悬浮颗粒能够有效防止形成伴生颗粒，从而使粉末具备较好的流动性，十分有利于制备高纯度、高球形度、粒度为10~300μm的金属粉末。该方法仅靠等离子弧雾化金属丝，通过控制金属丝的进给速度来调节粉末粒径，效率较低，且对粉末粒径的控制效果有限。
对比专利2：US6372298B1“High deposition rate thermal spray using plasmatransferred wire arc”，该发明公开了一种利用等离子体枪高速雾化载流导线的方法，在阴极和熔化电极的自由端之间产生、建立高速等离子转移丝电弧，该等离子弧的能量足以将熔化电极的自由端熔化并雾化成细金属颗粒，颗粒以 5080-6350 mm/min的速度投射到粉末采集装置。用高速大流量气体保护等离子和电弧，使其会聚在金属丝自由端与等离子弧的交叉点之外，避免了保护气直接撞击金属丝自由端并促进粒子投射到目标表面上。这种方法的缺点是围绕等离子体和电弧的气流流速非常高（600~800 L/min），易获得大颗粒粉末（100~300μm区间的粉末占比80% ）。
对比专利3：WO2011054113A1“Methods and apparatuses for preparingspheroidal powders”，该专利提出了一种使用等离子喷涂制备球形粉末的方法和设备，该专利提出，线材或棒材在熔化和雾化之前被预热到熔点以下的温度，可以提高球形粉体的生产效率。 该设备包括用于预热原材料的感应器、用于熔化和雾化的设备（包括电弧和等离子弧的电源），以及用于减少喷涂粉末与过程中产生的污染物接触的专用装置。所述方法的缺点是通过非转移电弧对雾化材料进行两阶段加热，与转移电弧相比，其效率较低。
对比专利4：WO2019232612A1“Method and apparatus for producing highpurity spherical metallic powders at high production rates from one or twowires.”，该专利提出一种使用一根或两根金属丝高效生产高纯度球形金属粉末的方法，所述方法的设备包括带有超音速喷嘴的热等离子体枪、用于连续供给一根或两根喷涂线的送丝系统、用于将雾化颗粒固化成球形粉末的特殊反应器。并联使用两个或多个电源来控制两根金属丝之间或一根金属丝与一个焊枪之间的电弧，至少一个电源具有电压/电流控制系统。金属丝被送入等离子枪的中心处，在超音速喷嘴内产生电弧并熔化金属丝，等离子体枪将熔融的金属丝雾化成颗粒。经过等离子体枪后，熔化的颗粒进入冷却室，雾化的金属液滴通过一个扩散器，该扩散器用于防止粉末再循环，从而防止它们聚集，最终金属液滴凝固成球形粉末。线材可用直径为 6.35 ~ 63.5 毫米的棒材代替。所述方法的缺点是细粉末的成粉率依然难以保证。
针对上述技术问题，需要进行改进。
发明内容
本发明提出了一种使用超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉的设备，并公开了利用该设备制备粉末的方法，本发明公开的设备和方法可以根据需求在0~300μm范围内调控粉末粒度，提高细粉成粉率，且制粉效率高。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，包括电弧电源、等离子弧电源、第一超声波发生器、第二超声波发生器、第一送丝装置、第二送丝装置、等离子枪和雾化室；所述等离子枪包括等离子阴极、等离子枪水冷喷嘴、等离子气进气口和辅助雾化气体进气口；等离子阴极置于等离子枪的中央，其周围由等离子枪水冷喷嘴围成的等离子气进气口，在等离子枪水冷喷嘴的外围设置辅助雾化气体进气口；第一送丝装置和第二送丝装置置于等离子枪两侧，第一送丝装置用于将第一金属丝材输送至第一导电嘴中，第二送丝装置用于将第二金属丝材输送至第二导电嘴中，输送的第一金属丝材和第二金属丝材在等离子枪水冷喷嘴前方交汇，第一导电嘴、第二导电嘴以及等离子枪的前端均置于雾化室中；电弧电源的正负极分别连接第一导电嘴和第二导电嘴；等离子弧电源的正极接等离子枪水冷喷嘴，负极接等离子阴极。
作为本发明的一种优选方案，所述第一金属丝材和第二金属丝材是直径为0.6~3.0mm的实芯金属丝。
作为本发明的一种优选方案，所述第一金属丝材和第二金属丝材是直径为1.6~5.0mm的药芯金属丝。
作为本发明的一种优选方案，所述药芯金属丝的药芯中添加纳米结构的金属氧化物、碳化物和硅化物。
一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，具体步骤如下：
步骤1：通过第一送丝装置和第二送丝装置将所需粉末材料的第一金属丝材和第二金属丝材穿过第一导电嘴和第二导电嘴，并在后续燃弧过程中持续送丝；
步骤2：从等离子气进气口送入等离子形成气体，从辅助雾化气体进气口送入辅助雾化气体；
步骤3：利用电弧电源在第一金属丝材和第二金属丝材之间起弧，利用第一超声波发生器在第一导电嘴上施加超声波振动，利用第二超声波发生器在第二导电嘴上施加超声波振动，将第一金属丝材和第二金属丝材末端的熔融金属分解成 ；
步骤4：与步骤3同时，利用等离子弧电源在等离子枪水冷喷嘴和等离子阴极之间起弧，并通过等离子形成气体压缩电弧，产生超音速等离子体射流；
步骤5：金属小液滴在超音速等离子体射流和辅助雾化气体的作用下进一步细化并被加速；
步骤6：细化的金属小液滴通过雾化室，球化并凝固，产生的粉末沉积在腔室底部。
作为本发明的一种优选方案，所述第一送丝装置和第二送丝装置的送丝速度为2~200m/min。
作为本发明的一种优选方案，所述电弧电源在第一金属丝材和第二金属丝材之间施加矩形脉冲调制电流，电流范围0~600A，频率为30~300Hz，电压20~80V。
作为本发明的一种优选方案，矩形脉冲调制电流是两极脉冲调制，最小电流强度0~60A，峰值与最小值之比为10:1。
作为本发明的一种优选方案，所述第一超声波发生器和第二超声波发生器，提供20~40kHz，功率为300~500W的超声波振动。
作为本发明的一种优选方案，从等离子气进气口送入的等离子形成气体为氩气、或氦气、或氩气与氦气的混合气，等离子形成气体的流速为100~300L/min。
作为本发明的一种优选方案，等离子弧电源在等离子枪水冷喷嘴和等离子阴极之间施加的电流为60~600A，电压为100~250V，并且施加20~40kHz的脉冲调制。
作为本发明的一种优选方案，从辅助雾化气体进气口送入的辅助雾化气体为氧气或氩-氧混合气，辅助雾化气体流速是等离子形成气体流速的5%~20%。
作为本发明的一种优选方案，制粉前需要将雾化室抽真空。
作为本发明的一种优选方案，制粉前需要将雾化室填充惰性保护气体。
作为本发明的一种优选方案，在第一导电嘴和第二导电嘴的其中一个上施加超声波振动。
本发明的有益效果是：
1、利用电弧电源在两个金属丝之间起弧，使金属丝末端熔化并分解成液滴，利用超音速等离子体射流可以将液滴破碎并加速，电弧-等离子弧复合的模式加速了金属丝熔化及雾化的进程；
2、通过在送丝装置上施加超声振动，可以进一步震碎金属丝前端熔融的金属液滴，从而达到粉末细化的目的，且通过调节超声振动频率及功率，从某种程度可以调控粉末粒度；
3、利用电弧电源，施加两极矩形脉冲调制金属丝间的电流，可以调控金属丝前端熔融金属的分解；
4、利用一套电弧电源连接两个送丝装置，在两个金属丝之间起弧，既节约了能源，又提升了效率，且能够使设备变得简单紧凑；
5、利用等离子枪外围设置的辅助雾化气体进气口送入氧气、氧-氩混合气等，可以促进两个金属丝前端的熔化，提升熔化效率，进而提升制粉效率；此外，辅助雾化气体可以辅助等离子体射流切换到喷射模式，进而达到减小雾化颗粒尺寸的效果。
综上所述，本发明提出的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备与制粉方法，设备简单、成本低，制粉方法通过多种手段调控并细化粉末粒度，实现了0~300μm范围内的粉末粒径可调。
附图说明
图1是本发明超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的原理示意图；
图2是本发明制粉方法获得的粉末外观示意图；
图中附图标记：电弧电源1、等离子弧电源2、第一超声波发生器3、第二超声波发生器4、第一送丝装置5、第二送丝装置6、等离子枪7、第一金属丝材8、第二金属丝材9、第一导电嘴10、第二导电嘴11、等离子阴极12、等离子枪水冷喷嘴13、等离子气进气口14、辅助雾化气体进气口15、超音速等离子体射流16、粉末17、雾化室18。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，包括电弧电源1、等离子弧电源2、第一超声波发生器3、第二超声波发生器4、第一送丝装置5、第二送丝装置6、等离子枪7以及雾化室18；等离子枪7包含等离子阴极12、等离子枪水冷喷嘴13、等离子气进气口14和辅助雾化气体进气口15，等离子阴极12置于等离子枪7的中央，其周围由等离子枪水冷喷嘴13围成的等离子气进气口14，在等离子枪水冷喷嘴13的外围利用额外的防护喷嘴设置辅助雾化气体进气口15；第一送丝装置5和第二送丝装置6置于等离子枪7两侧，第一送丝装置5通过第一导电嘴10送给第一金属丝材8；第二送丝装置6通过第二导电嘴11送给第二金属丝材9，送出的第一金属丝材8和第二金属丝材9在等离子枪水冷喷嘴13前方交汇，第一导电嘴10、第二导电嘴11以及等离子枪7的前端均置于雾化室18中；电弧电源1的正负极分别连接第一导电嘴10和第二导电嘴11；等离子弧电源2的正极接等离子枪水冷喷嘴13，负极接等离子阴极12。
一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，具体步骤如下：
步骤1：通过第一送丝装置5和第二送丝装置6将所需粉末材料的第一金属丝材8和第二金属丝材9穿过第一导电嘴10和第二导电嘴11，并在后续燃弧过程中持续送丝；
步骤2：从等离子气进气口14送入等离子形成气体，从辅助雾化气体进气口15送入辅助雾化气体；
步骤3：利用电弧电源1在第一金属丝材8和第二金属丝材9之间起弧，利用第一超声波发生器3在第一导电嘴10上施加超声波振动，利用第二超声波发生器4在第二导电嘴10上施加超声波振动，将第一金属丝材8和第二金属丝材9末端的熔融金属分解成小液滴；
步骤4：与步骤3同时，利用等离子弧电源2在等离子枪水冷喷嘴13和等离子阴极12之间起弧，并通过等离子形成气体压缩电弧，产生超音速等离子体射流16；
步骤5：金属小液滴在超音速等离子体射流16和辅助雾化气体的作用下进一步细化并被加速；
步骤6：细化的金属小液滴通过雾化室18，球化并凝固，产生的粉末17沉积在腔室18底部。
可选的，在一些实施例中，第一金属丝材8和第二金属丝材9是直径为0.6~3.0mm的实芯金属丝。
可选的，在一些实施例中，第一金属丝材8和第二金属丝材9是直径为1.6~5.0mm的添加了纳米结构的金属氧化物、碳化物和硅化物的药芯金属丝。
可选的，在一些实施例中，第一送丝装置5和第二送丝装置6的送丝速度为2~200m/min。
可选的，在一些实施例中，所述的电弧电源1在第一金属丝材8和第二金属丝材9之间施加矩形脉冲调制电流，电流范围0~600A，频率为30~300Hz，电压20~80V，矩形脉冲调制电流是两极脉冲调制，最小电流强度0~60A，峰值与最小值之比为10:1。
可选的，在一些实施例中，第一超声波发生器3和第二超声波发生器4，能够提供20~40kHz，功率为300~500W的超声波振动。
可选的，在一些实施例中，从等离子气进气口14送入的等离子形成气体为氩气、或氦气、或氩气与氦气的混合气，等离子形成气体的流速为100~300L/min。
可选的，在一些实施例中，等离子弧电源2在等离子枪水冷喷嘴13和等离子阴极12之间施加的电流为60~600A，电压为100~250V，并且施加20~40kHz的脉冲调制。
可选的，在一些实施例中，从辅助雾化气体进气口15送入的辅助雾化气体为氧气或氩-氧混合气，辅助雾化气体流速是等离子形成气体流速的5%~20%。
可选的，在一些实施例中，制粉前需要将雾化室18抽真空。
可选的，在一些实施例中，制粉前需要将雾化室18填充惰性保护气体。
可选的，在一些实施例中，可在第一导电嘴（10）和第二导电嘴（11）的其中一个上施加超声波振动。
下面列举一个具体的试验例对本发明的制粉过程及粉末所得率进行说明。
实施例1：
使用直径为Ø1.6 mm的工业纯钛TA-1作为实芯金属丝；以氩气作为等离子形成气体，流速为120L/min，以氧气作为辅助雾化气体（氧气）流速为12L/min；电弧电源电流矩形脉冲调制电流，电流范围20~200A，电压40V，使用频率为200Hz的矩形脉冲调制；等离子电源电流为400A，电压为200V；超声波发生器振动频率为25kHz，功率为350W。
使用以上参数，利用本发明提出的设备和方法获得的工业纯钛TA-1粉末，0~100μm粒径粉末的得粉率为82%。
实施例2：
使用直径为Ø3.0 mm的药芯金属丝，药芯金属丝的主要成分为0.18% C + 1.5% Cr+ 1.5% Mn + 0.8% Si + 0.6% Mo，制粉工艺参数与试验例1相同。
使用以上参数，利用本发明提出的设备和方法获得的0~100μm粒径粉末的得粉率为79%。
本发明提出的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备与制粉方法，设备简单、成本低，制粉方法通过多种手段调控并细化粉末粒度，实现了0~300μm范围内的粉末粒径可调，尤其是在0~100μm的粒径范围得粉率很高，因此该方法十分适用于增材领域制粉。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：电弧电源1、等离子弧电源2、第一超声波发生器3、第二超声波发生器4、第一送丝装置5、第二送丝装置6、等离子枪7、第一金属丝材8、第二金属丝材9、第一导电嘴10、第二导电嘴11、等离子阴极12、等离子枪水冷喷嘴13、等离子气进气口14、辅助雾化气体进气口15、超音速等离子体射流16、粉末17、雾化室18等术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (15)
1.一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，其特征在于，包括电弧电源（1）、等离子弧电源（2）、第一超声波发生器（3）、第二超声波发生器（4）、第一送丝装置（5）、第二送丝装置（6）、等离子枪（7）和雾化室（18）；所述等离子枪（7）包括等离子阴极（12）、等离子枪水冷喷嘴（13）、等离子气进气口（14）和辅助雾化气体进气口（15）；等离子阴极（12）置于等离子枪（7）的中央，其周围由等离子枪水冷喷嘴（13）围成的等离子气进气口（14），在等离子枪水冷喷嘴（13）的外围设置辅助雾化气体进气口（15）；第一送丝装置（5）和第二送丝装置（6）置于等离子枪（7）两侧，第一送丝装置（5）用于将第一金属丝材（8）输送至第一导电嘴（10）中，第二送丝装置（6）用于将第二金属丝材（9）输送至第二导电嘴（11）中，输送的第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）在等离子枪水冷喷嘴（13）前方交汇，第一导电嘴（10）、第二导电嘴（11）以及等离子枪（7）的前端均置于雾化室（18）中；电弧电源（1）的正负极分别连接第一导电嘴（10）和第二导电嘴（11）；等离子弧电源（2）的正极接等离子枪水冷喷嘴（13），负极接等离子阴极（12）。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，其特征在于：所述第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）是直径为0.6~3.0mm的实芯金属丝。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，其特征在于：所述第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）是直径为1.6~5.0mm的药芯金属丝。
4.根据权利要求3所述的一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，其特征在于：所述药芯金属丝的药芯中添加纳米结构的金属氧化物、碳化物和硅化物。
5.一种如权利要求1—4任一项所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：通过第一送丝装置（5）和第二送丝装置（6）将所需粉末材料的第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）穿过第一导电嘴（10）和第二导电嘴（11），并在后续燃弧过程中持续送丝；
步骤2：从等离子气进气口（14）送入等离子形成气体，从辅助雾化气体进气口（15）送入辅助雾化气体；
步骤3：利用电弧电源（1）在第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）之间起弧，利用第一超声波发生器（3）在第一导电嘴（10）上施加超声波振动，利用第二超声波发生器（4）在第二导电嘴（11）上施加超声波振动，将第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）末端的熔融金属分解成 ；
步骤4：与步骤3同时，利用等离子弧电源（2）在等离子枪水冷喷嘴（13）和等离子阴极（12）之间起弧，并通过等离子形成气体压缩电弧，产生超音速等离子体射流（16）；
步骤5：金属小液滴在超音速等离子体射流（16）和辅助雾化气体的作用下进一步细化并被加速；
步骤6：细化的金属小液滴通过雾化室（18），球化并凝固，产生的粉末（17）沉积在腔室（18）底部。
6.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：所述第一送丝装置（5）和第二送丝装置（6）的送丝速度为2~200m/min。
7.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：所述电弧电源（1）在第一金属丝材（8）和第二金属丝材（9）之间施加矩形脉冲调制电流，电流范围0~600A，频率为30~300Hz，电压20~80V。
8.根据权利要求7所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：矩形脉冲调制电流是两极脉冲调制，最小电流强度0~60A，峰值与最小值之比为10:1。
9.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：所述第一超声波发生器（3）和第二超声波发生器（4），提供20~40kHz，功率为300~500W的超声波振动。
10.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：从等离子气进气口（14）送入的等离子形成气体为氩气、或氦气、或氩气与氦气的混合气，等离子形成气体的流速为100~300L/min。
11.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：等离子弧电源（2）在等离子枪水冷喷嘴（13）和等离子阴极（12）之间施加的电流为60~600A，电压为100~250V，并且施加20~40kHz的脉冲调制。
12.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：从辅助雾化气体进气口（15）送入的辅助雾化气体为氧气或氩-氧混合气，辅助雾化气体流速是等离子形成气体流速的5%~20%。
13.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：制粉前需要将雾化室（18）抽真空。
14.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：制粉前需要将雾化室（18）填充惰性保护气体。
15.根据权利要求5所述的超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备的制粉方法，其特征在于：在第一导电嘴（10）和第二导电嘴（11）的其中一个上施加超声波振动。
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