CN208322127U - 一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置 - Google Patents

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刘明
王豪
张远龙
赵福长
刘天寅
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Baoji Scientific And Technological Development Co Ltd Of New Fuquan Machinery
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Abstract

本实用新型公开一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,包括:制粉釜;等离子炬喷枪,其插入所述制粉釜中,所述等离子炬喷枪沿其轴向设置有喷气孔;送丝机,其设有送丝接头,并通过所述送丝接头将金属丝材送至所述等离子炬喷枪处;盛粉盆,其设置在所述制粉釜的底部,用于收集所述制粉釜中产生的球形金属粉末。本实用新型所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,能够制备粒径较小的金属球形粉末且产率较高。

Description

一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置
技术领域
本实用新型涉及粉末冶金技术领域,更具体的是,本实用新型涉及一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置。
背景技术
随着科技的发展,金属3D打印技术的应用越来越广泛,一些大尺寸钛合金异形结构件如飞机龙骨只能利用3D打印技术制造。高纯度小粒径(15~53μm)球形钛粉是3D打印的原材料,粉末性能对产品质量具有重要影响。另外钛粉末的性能是决定钛及钛合金粉末冶金制品质量的关键因素。采用热喷涂的方法制备钛涂层是解决海洋装备防腐的有效途径,但是目前没有热喷涂专用的价格低廉的球形钛粉末。
20世纪50年代美国实用新型了氢化脱氢法制取钛粉的方法,20世纪70年代,旋转电极离心雾化制备钛粉技术日趋成熟。目前制备球形钛及钛合金粉的主要方法有:气雾化法(GA法)、等离子旋转电极法(PREP法)及射频等离子体球化法(RFP法)。
(1)气雾化法分为惰性气体雾化法和超声雾化法。
①惰性气体雾化法制备球形钛粉是目前国内外最为主流的方法,所使用的原料为一定规格的钛及钛合金棒材。在坩埚内将原料棒熔化,通过坩埚底部的喷嘴将产生的熔液用高速气体喷射,使金属液呈喷雾状,冷凝形成球形钛粉。北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点实验室从英国PSI公司引进了冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化装置,主要用于惰性气体雾化钛粉的制备与研究。利用该方法制备的粉末的特点是粉末粒径分布范围较宽,细粉收得率较高,且粉末成分与母合金棒材的成分偏差较小,杂质元素能够得到很好的控制。但由于气雾法在制备钛粉的过程中,被冷却的液滴形成的不同尺寸颗粒的冷却速度不同,导致球形度较差,行星颗粒较多;另一方面由于气体破碎金属液流时不可避免的会产生空心粉末,这些空心粉末存留在后续粉末冶金工序中,会造成材料的内部缺陷。另外,利用该方法制成的钛粉经热等静压后得到的块体材料的塑性指标较低,达不到锻件的要求。
②超声雾化制粉是近年发展起来的另一种气雾化制粉方法,该技术主要有两种:一种可将高频电磁振荡转化为液体机械振动,使小液滴破碎成雾;另一种可使液体流经超声聚能器时在辐射表面形成薄液滴层,薄液滴层在超声振动的作用下激起表面张力波,当振动面的振幅达到一定的峰值时,小液滴从波峰上飞溅而出形成雾,利用超声雾化法制得的球形粉末的粒径与超声频率成反比,超声雾化系统的工作频率越高,所制得的球形粉末粒度越小。北京有色金属研究院的张曙光等、瑞士Active Ultrasonics公司和德国研究人员先后采用该技术制备了粉末表面光洁,粒径10~45μm,氧含量低,卫星颗粒少,球形度好的钛粉末,但这种技术仍然无法解决空心粉末的问题。
(2)等离子旋转电极法
将金属或合金制成自耗电极,电极端面受电弧加热而熔化为液体,通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴,最后冷凝成粉末的方法就是旋转电极法。这种制粉方法在1974年由美国核金属公司首先开发成功,可根据等离子弧电流的大小和电极转速调控粉末的粒径。我国北京钢铁研究院和航天材料工艺研究所于1998年率先引进了俄罗斯的等离子旋转电极设备,并开展了球形钛粉的制备研究工作。目前,国内已自主研发出了可用于制备球形钛粉的等离子旋转电极设备。其中,郑州机械研究所承制的DXD-50型等离子旋转雾化制粉设备已经通过生产考核,并投入生产运营,该等离子旋转电极法的优点是所制备的粉末无空心结构,可制备出球形度较好且没有行星颗粒的钛合金粉末。但缺点是钛粉的粒度多集中在106~246μm,小于106μm的球形钛粉的收得率较低。无法制备小于45μm的球形钛粉。
(3)射频等离子体球化法
射频等离子体球化法是利用射频电磁场的感应作用对各种气体进行感应加热,产生射频等离子,利用高温的等离子体熔化非球形粉末,熔融的粉末颗粒在表面张力作用下,在极高的温度梯度下,迅速冷凝形成球形度很高的小液滴,而获得球形粉末。加拿大TEKNA公司开发的射频等离子体粉体处理系统目前处于世界领先地位,该公司已经利用射频等离子技术实现了Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金属粉末的球化处理。北京科技大学在国家高技术研究发展计划的支持下,研制出了国内第一台水冷石英射频等离子体粉体处理系统,西南科技大学的古忠涛等在2009年利用射频等离子体球化法,通过控制非球形钛粉的进给量、制粉方式、冷却速度等,制备出了球形度较好的钛粉。该技术制备钛粉为可提高球形度,较好地改善粉末的流动性;可消除颗粒内部的孔缝,提高粉末松散度;可适当改变颗粒表面形貌,提高粉末的纯度。但缺点是粉末的球化率最高只有85%,且需要经过多次筛分,生产效率较低,成本较高,在制备球形钛粉的过程中,由于熔融碰撞、汽化再结晶等因素,会导致一定数量的大颗粒形成,因此被球化的非球形粉末颗粒不能过大。
综上所述气雾化法制备钛粉无法解决空心粉的问题;等离子旋转电极法制备的钛粉粒径过大,无法制备最适宜于3D打印和热喷涂的粒径小于53μm的钛粉末;射频等离子体球化法制备钛粉的效率较低,成本高,粉末价格较高。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计开发一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,能够制备粒径较小的金属球形粉末且产率较高。
本实用新型提供的技术方案为:
一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,包括:
制粉釜;以及
等离子炬喷枪,其插入所述制粉釜中,所述等离子炬喷枪沿其轴向设置有喷气孔;
送丝机,其设有送丝接头,并通过所述送丝接头将金属丝材送至所述等离子炬喷枪处;
盛粉盆,其设置在所述制粉釜的底部,用于收集所述制粉釜中产生的球形金属粉末。
优选的是,所述等离子炬喷枪前部径向设置有送丝孔,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝孔送入所述等离子炬喷枪内。
优选的是,所述等离子炬喷枪前端径向设置有送丝管,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝管送入所述等离子炬喷枪前端。
优选的是,还包括:
电源,其与所述等离子炬喷枪连接;
正极电缆,其一端与所述送丝接头连接,另一端与所述电源连接,用于向所述金属丝材通电。
优选的是,所述制粉釜为卧式制粉釜,其内部水平设置有半圆柱形盛粉盆,所述盛粉盆的长度与所述制粉釜的内部长度一致,高度为所述制粉釜高度的1/3
优选的是,所述制粉釜为立式制粉釜,其下方设置有圆柱形盛粉筒,所述制粉釜和盛粉筒之间设置有卸粉阀。
优选的是,还包括:
第一排气闸,其设置在所述制粉釜顶部;
一级过滤器,其设置在所述第一排气闸出口,所述一级过滤器的出口分为第一出口和第二出口,所述第一出口处依次连接有二级过滤器和三级过滤器,所述第二出口处连接有第二排气闸;
冷却装置,其设置在所述三级过滤器出口;
一级增压器和二级增压器,其依次设置在所述冷却装置的出口处;
高压气罐,其设置在所述二级增压器出口处,用于收集、循环再利用工作气体。
优选的是,还包括冷却水管,其以螺旋方式盘在所述制粉釜内壁上,且分为三段布置在所述制粉釜内壁的前、中、后部。
优选的是,所述制粉釜内壁和所述盛粉盆为不锈钢。
优选的是,所述一级过滤器为旋风式,二级过滤器和三级过滤器为布袋式。
本实用新型所述的有益效果为:
(1)本实用新型所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,能够制备粒径较小的金属球形粉末且产率较高,可达95%以上,并且粉末基本实心,卫星球很少。
(2)制粉过程实现了气体的循环利用,制粉成本低,连续工作时间长,稳定性好且不粘嘴。
附图说明
图1为本实用新型所述高能高速等离子制备球形金属粉末的装置的结构示意图。
图2为本实用新型所述内送丝的等离子炬喷枪的结构示意图。
图3为本实用新型所述外送丝的等离子炬喷枪的结构示意图。
图4为本实用新型所述带有正极电缆的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置的结构示意图。
图5为本实用新型所述立式制粉釜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示,本实用新型提供一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,包括:制粉釜;以及等离子炬喷枪,其插入所述制粉釜中,所述等离子炬喷枪沿其轴向设置有喷气孔;送丝机,其设有送丝接头,并通过所述送丝接头将金属丝材送至所述等离子炬喷枪处,本实施例中,所述送丝可以为内送丝和外送丝,所述内送丝时,所述所述等离子炬喷枪前部径向设置有送丝孔,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝孔送入所述等离子炬喷枪内如图2所示,所述外送丝时,所述等离子炬喷枪前端径向设置有送丝管,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝管送入所述等离子炬喷枪前端,如图3所示;盛粉盆,其设置在所述制粉釜的底部,用于收集所述制粉釜中产生的球形金属粉末。
作为本实用新型的另一实施例,如图4所示,还包括电源,其与所述等离子炬喷枪连接;正极电缆,其一端与所述送丝接头连接,另一端与所述电源连接,用于向所述金属丝材通电,本申请中所述所使用的正极电缆为大电流正极电缆。
本实施例中,所述制粉釜为卧式制粉釜,其内部水平设置有半圆柱形盛粉盆,所述盛粉盆的长度与所述制粉釜的内部长度一致,高度为所述制粉釜高度的1/3。当然也可以用立式制粉釜,如图5所示,其下方设置有圆柱形盛粉筒,所述制粉釜和盛粉筒之间设置有卸粉阀,盛粉筒上设有真空抽气口和反填气口,可以实现连续工作时卸粉,方法是,打开卸粉阀门,粉末流入盛粉筒后,关闭卸粉阀门,取下盛粉筒,倒出筒内粉末后安装回制粉釜底部,先对底部抽真空,而后反填氩气,达到与釜内相同的压力后,等待下次卸粉。
所述制粉釜顶部设置有排气闸阀板1,所述排气阀板1上方设置有一级过滤器,所述一级过滤器的出口分为第一出口和第二出口,所述第一出口依次连接有气体循环闸板、二级过滤器、三级过滤器和气体冷却装置,所述一级为旋风式,二级和三级为布袋式,使得从高压气罐输出的气体中粉末含量低于0.001%。所述气体冷却装置之后设置有多级增压器,可以将气压增至1.5MPa,所述多级增压器之后连接有高压气罐,可以收集排出的惰性气体循环再利用。所述第二出口连接有排气闸板阀2。当制粉釜处于工作时,排气闸板阀2处于关闭状态,当排气闸板阀1打开时需要经过多级过滤器对排出气体进行过滤,以免金属粉末被气流带出而造成浪费。
本实施例中,还包括冷却水管(其为铜管),其以螺旋方式盘在所述制粉釜内壁上,且分为三段布置在所述制粉釜内壁的前、中、后部,由制冷机流出的冷却水经分水器,同时流入这三段螺旋冷却水管,然后汇流入总的回水管。通过制冷制粉釜内温度保持在80~200℃范围内。
所述制粉釜内壁和所述盛粉盆为不锈钢,当制备钛粉末时,制粉釜内壁、制粉釜内冷却水管和盛粉盆表面喷涂有钛涂层。
本实用新型所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置还包括状态监控系统,其由制粉釜正压力表、制粉釜负压表、制粉釜温度传感器、冷却水压力传感器、冷却水流量传感器、冷却水温度传感器、等离子工作气体压力和流量传感器、等离子混合气压力传感器组成。可以实现对制粉过程等离子炬的电参数、气参数、等离子炬冷却水状态、制粉釜内的气压和温度、制粉釜冷却水状态、循环气体的压力和温度等实时监控,并提供反馈信号,出现报警时可按设定后的程序紧急停止工作。
各个装置的具体功能如下:
(1)等离子炬,其用于产生高速等离子焰流,等离子炬内部钨极接电源的负极,喷嘴接电源的正极,工作气体经控制总成送入等离子炬。
(2)送丝机,其将金属丝经送丝软管、送丝接头送至等离子炬的喷枪处。
(3)等离子炬制冷机,其用于向等离子炬提供循环冷却水,对等离子炬的枪体进行冷却;等离子炬制冷系统由等离子炬制冷机,水电转接头、连续水管和水电缆构成。
(4)制粉釜制冷机,其用于向制粉釜内的冷却水管提供循环冷却水;制粉釜冷却系统由制粉釜制冷机、冷却水管、连接水管构成。
(5)电源,其用于向等离子炬供电;自由弧电源,其用于向金属丝供电。
(6)真空泵,其用于制粉釜内抽真空;在真空泵与制粉釜之间有抽气闸板阀,用于开关抽气通道;在排气口有排气闸板阀和过滤器,闸板阀用于开关排气通道,滤过器用于过滤排出的气体,收集更小粒径(小于5μm)金属粉末。
(7)制粉釜,其为整个制粉过程提供密闭空间,抽真空时内部为负压,正常工作时内部由负压升高至正压;制粉釜上装有正压表、负压表、温度表构成监控系统,用于监控内部气压、温度。
(8)盛粉盆,其用于收集喷射产生的金属粉末。
(9)高压气体循环总成,在排气口依次接有排气闸板阀、气体循环闸板阀、多级过滤器、冷却装置、多级增压器、高压气罐,闸板阀1用于开关制粉釜内向外排出气体,闸板阀2用于开关向外部环境排出气体,气体循环闸板阀用于开关气体循环通道,第一级滤过器用于过滤排出的气体,收集粒径大于15μm的粉末,第二、三级过滤器用于提高气体的纯净度,冷却装置用于降低气体的温度,多级增压器用于提高气体的压力至1.5MPa以上,高压气罐用于存储高压气体,并向控制总成输送高压工作气体,实现工作气体的循环利用;
(10)控制总成,其用于控制整个制粉系统的水、电、气,并实时监控系统运行状态。
本实用新型所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,能够制备粒径较小的金属球形粉末且产率较高,可达95%以上,并且粉末基本实心,卫星球很少;制粉过程实现了气体的循环利用,制粉成本低,连续工作时间长,稳定性好且不粘嘴。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,包括:
制粉釜;以及
等离子炬喷枪,其插入所述制粉釜中,所述等离子炬喷枪沿其轴向设置有喷气孔;
送丝机,其设有送丝接头,并通过所述送丝接头将金属丝材送至所述等离子炬喷枪处;
盛粉盆,其设置在所述制粉釜的底部,用于收集所述制粉釜中产生的球形金属粉末。
2.如权利要求1所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述等离子炬喷枪前部径向设置有送丝孔,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝孔送入所述等离子炬喷枪内。
3.如权利要求1所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述等离子炬喷枪前端径向设置有送丝管,所述送丝机将金属丝材通过所述送丝管送入所述等离子炬喷枪前端。
4.如权利要求1、2或3所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,还包括:
电源,其与所述等离子炬喷枪连接;
正极电缆,其一端与所述送丝接头连接,另一端与所述电源连接,用于向所述金属丝材通电。
5.如权利要求4所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述制粉釜为卧式制粉釜,其内部水平设置有半圆柱形盛粉盆,所述盛粉盆的长度与所述制粉釜的内部长度一致,高度为所述制粉釜高度的1/3。
6.如权利要求4所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述制粉釜为立式制粉釜,其下方设置有圆柱形盛粉筒,所述制粉釜和盛粉筒之间设置有卸粉阀。
7.如权利要求1、2、3、5或6所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,还包括:
第一排气闸,其设置在所述制粉釜顶部;
一级过滤器,其设置在所述第一排气闸出口,所述一级过滤器的出口分为第一出口和第二出口,所述第一出口处依次连接有二级过滤器和三级过滤器,所述第二出口处连接有第二排气闸;
冷却装置,其设置在所述三级过滤器出口;
一级增压器和二级增压器,其依次设置在所述冷却装置的出口处;
高压气罐,其设置在所述二级增压器出口处,用于收集、循环再利用工作气体。
8.如权利要求7所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,还包括冷却水管,其以螺旋方式盘在所述制粉釜内壁上,且分为三段布置在所述制粉釜内壁的前、中、后部。
9.如权利要求7所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述制粉釜内壁和所述盛粉盆为不锈钢。
10.如权利要求7所述的高能高速等离子制备球形金属粉末的装置,其特征在于,所述一级过滤器为旋风式,二级过滤器和三级过滤器为布袋式。
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