CN212019387U - 一种制备包覆粉末的装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制备包覆粉末的装置。该装置主要包括等离子体焰炬、雾化喷嘴、反应器、第一送粉器、第二送粉器。该包覆粉末的方法包括：步骤S1，热源等离子体的产生；步骤S2，将粉末颗粒A送进等离子体；步骤S3，将粉末颗粒B送进由粉末颗粒A产生的金属射流中；步骤S4，包覆粉末A+B。采用本申请制备的包覆粉末具有氧含量及杂质含量低、无外来污染、流动性好等特点，解决了粉末冶金领域细粉末颗粒送粉困难的问题，解决了涂层制备领域硬质相分布不均匀问题，提高成型件力学性能。

Description

一种制备包覆粉末的装置

技术领域

本申请涉及复合粉末材料的制备技术领域，尤其涉及一种制备包覆粉末的装置及包覆粉末的方法。

背景技术

在粉末冶金制品及高性能涂层的制备过程中，由原材料及硬质强化相组成的复合粉末的质量起到关键作用，原材料或者硬质相颗粒太细，会出现多种问题，如细粉末颗粒因其小尺寸效应导致其表面活性位增多、比表面积大及比表面能大等而易被氧化，对于氧敏感的金属材料来说，当金属粉末被氧化后会导致原材料氧含量的增加，不仅会影响粉末的压制成形性，还会最终严重影响最终制品的各种性能。硬质相颗粒直径越小，强化效果越好，但是细粒径的硬质相颗粒易发生团聚现象，不易从送粉器顺利送出，另外，较细粒径的硬质相颗粒因气流的吹散作用及密度差效应，在涂层中极易出现分布不均的现象。同时粉末在长期储存及使用过程中会掺杂外来污染物，外来污染物对于粉末冶金制品及涂层性能都有致命的危害，要严格控制外来污染物的含量。如果粉末材料不合格或是强化相颗粒不合适，就会在粉末冶金制品中出现不致密、较多的气孔及夹杂等缺陷，在涂层中亦会出现较多的气孔、硬质相分布不均匀等缺陷，严重影响制件的力学性能及其使用寿命。为了解决这些问题，包覆粉末(现有均采用低熔点合金包覆高熔点硬质相颗粒)的制备可以很好的解决上述问题。

现有的已公开的制备包覆粉末的方法如下：专利CN110238389A、CN109754979A公开了一种高能球磨法制备包覆粉末颗粒的方法；专利CN109865833A、CN108465806A公开了一种利用有机溶液制备包覆粉末的方法；专利CN110014144A公开了一种机械合金化工艺制备出高氮近球形包覆粉末的方法；专利CN108176850B公开了一种利用离心雾化技术制备锡包铜复合粉末的方法；专利CN108385102A公开了一种利用包覆粉末制备耐磨涂层的方法；专利CN108950538A公开了一种利用化学镀镍的方法制备镍包碳化钛复合粉末并且利用该复合粉末制备涂层的方法。

现有的技术虽然在一定程度上解决了粉末冶金及涂层制备领域的一些难题，如易氧化、送粉困难、涂层分布不均匀等问题，但是上述方法存在不足之处：

1.如采用化学包覆或者是有机物包覆制备包覆粉末，则易引入杂质元素，在后期粉末制备涂层过程中，严重削弱了涂层该有的性能。制备过程中也极易吸潮，粉末颗粒受潮，影响涂层性能。

2.如采用机械合金化或是球磨法制备所述的包覆粉末，破碎了硬质相颗粒原有的形貌，如球形变为不规则的形状，这不仅改变了硬质相良好的性能，还会大大降低包覆粉末制备涂层的性能。此外这种方法还必须考虑到两种不同材料界面问题。

3.此外，现有技术的制备包覆粉末的效率低，制备完成后要筛分合适的粒度的粉末作为包覆粉末；只能做低熔点包覆高熔点的包覆粉末，如锡包铜、镍包碳化钛等，不能制备高熔点材料包覆低熔点材料的包覆粉末。

针对先进粉末冶金技术及先进涂层技术的发展需求，急需一种高效率制备包覆粉末的方法。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种制备包覆粉末的装置以及包覆粉末的制备方法。

本申请的另一个目的在于提供一种可以制备低氧含量的包覆粉末的装置及方法。

本申请的另一个目的在于提供一种可以制备杂质含量低的包覆粉末的装置及方法。

本申请的另一个目的在于提供一种包覆效率高的包覆粉末的装置及方法。

本申请的另一个目的在于提供一种包覆直径小的硬质相颗粒的包覆粉末的装置及方法。

本申请的上述目的通过以下技术手段实现：

一方面，本申请提供了一种包覆粉末的装置，该装置包括：

等离子体焰炬：用于产生热源等离子体，使粉末颗粒A熔化和/或气化；

雾化喷嘴：喷嘴上端与等离子体焰炬连通，用于使熔化和/或气化后的粉末颗粒A形成金属射流；

第一送粉器：与等离子体焰炬连通，用于传送粉末颗粒A至等离子体焰炬；

反应器：与等离子体焰炬连通，位于雾化喷嘴下端，用于作为粉末颗粒A包覆粉末颗粒B的反应腔室；

第二送粉器：与反应器连通，用于传送粉末颗粒B至反应器中粉末颗粒A形成的金属射流。

在一个实施方式中，所述包覆粉末的装置还包括冷却系统。所述冷却系统用于带走热源等离子体传导的多余热量，避免损坏各个零部件，保证设备的长期运行。

在一个实施方式中，所述冷却系统选自内置循环水冷结构。

在一个实施方式中，所述雾化喷嘴设在等离子体焰炬下方，且位于等离子体焰炬与反应器之间。雾化喷嘴的作用是利用焰炬中较高压力的气流和等离子体流的作用，把粉末颗粒A在等离子体焰炬中产生的熔化态/气化态以雾化的形式喷射成云雾状(金属射流)，雾状材料更容易在其他颗粒表面形成均匀的包覆层。

在一个更具体的实施方式中，所述雾化喷嘴固定安装在等离子焰炬正下方，且夹在等离子焰炬与反应器的之间。

在一个实施方式中，所述雾化喷嘴由多个流道组成，每个流道内部结构均为拉瓦尔形状。拉瓦尔喷嘴可以实现气流的超音速流动，从而可以更好地使金属蒸汽形成云雾状小颗粒。

在一个实施方式中，所述反应器设有一送粉口，所述送粉口与第二送粉器流体连接。

在一个具体的实施方式中，所述送粉口位于反应器上端侧壁，该位置靠近雾化喷嘴形成的金属射流，便于包覆。

在一个实施方式中，所述第一送粉器和第二送粉器分别独立的选自振动送粉器或载气式送粉器。

在一个实施方式中，所述第一送粉器选自振动送粉器，所述第二送粉器选自载气式送粉器。作为优选的实施方式，第一送粉器为超声振动送粉器，内置螺旋结构可实现超细粉末的稳定传输。超声振动送粉器利用超声波纵向振动的原理，可以实现较细粉末颗粒稳定的传输，然后在载气的作用下将粉末颗粒A送进送粉管道。第二送粉器为载气式送粉器，传输一般粒径的粉末颗粒。载气式送粉器单独依靠气体的载流作用，可实现直径较大的粉末颗粒的稳定传输。

在一个实施方式中，所述等离子体焰炬选自感应耦合等离子体焰炬或直流等离子体喷枪。

在一个实施方式中，所述等离子体焰炬优选自感应耦合等离子体焰炬。感应耦合等离子焰炬依靠高频感应电源电离惰性气体，从而形成局部热力学平衡的热等离子体热源，该等离子体热源不涉及到正负电极，可大大降低粉末材料的污染。直流等离子喷枪依靠喷嘴的机械压缩、气流的热压缩效应以及等离子流的电磁收缩效应在喷嘴和电极之间产生高温、高能量密度的等离子弧。

在一个实施方式中，所述等离子体焰炬可选自现有技术中的感应耦合等离子体焰炬，如专利CN103503579A、WO2017000065A1、US20160323987A1中所公开的感应耦合等离子体焰炬。

在一个具体的实施方式中，所述感应耦合等离子体焰炬包括内衬的等离子约束管、内嵌于焰炬中的环状感应线圈。

在一个具体的实施方式中，等离子约束管由陶瓷材料制备而成，具有耐高温的特点，等离子约束管安装在等离子炬的内部，其作用是约束等离子流，同时起到隔热作用。等离子焰炬内部通有冷却系统中的循环冷却水，对等离子炬进行冷却。内嵌于等离子焰炬中的环状感应线圈的作用是产生高频震荡的电磁场，激发内部惰性气体电离，产生等离子体热源。

在一个实施方式中，所述直流等离子喷枪可选自现有技术中的直流等离子喷枪，如加拿大PyroGenesis公司、北京东方润鹏科技有限公司所生产的直流等离子喷枪。

在一个实施方式中，所述直流等离子喷枪选自非转移型等离子弧喷枪。

在一个实施方式中，所非转移型等离子弧喷枪在电极与喷嘴之间产生等离子体热源，依靠雾化喷嘴的机械压缩、气流的热压缩效应以及等离子流的电磁收缩效应在喷嘴和电极之间产生高温、高能量密度的等离子弧。虽然依靠钨阴极产生等离子体热源，但是污染极小。

根据本申请的第二方面，提供了一种制备包覆粉末的方法。该方法具体包括以下步骤：

步骤S1，热源等离子体的产生；

步骤S2，将粉末颗粒A送进热源等离子体，熔化和/或气化后形成金属射流；

步骤S3，将粉末颗粒B送进由颗粒A产生的金属射流中；

步骤S4，包覆粉末A+B制备。

在一些实施方式中，步骤S1中，所述热源等离子体选自感应耦合等离子体(ICP)或者直流等离子体(DCP)。

在一个实施方式中，热源等离子体产生的温度，高于或者等于粉末颗粒A熔化和/或气化温度。这样可以确保材料A能熔化或者直接气化产生金属射流。当粉末颗粒A以熔化形式与粉末颗粒B接触时，将在粉末颗粒B的表面形成薄膜状包覆层；当粉末颗粒A以气化形式与粉末颗粒B反应时，将在粉末颗粒B的表面形成均匀的纳米颗粒粘附于粉末颗粒B的表面。另外，等离子体热源产生高温还有助于使原材料内部的杂质产生气化效应，并最终随着气体循环系统排出，可以降低材料制备过程中的氧含量及杂质含量。

在一个实施方式中，所述热源等离子体产生的温度，高于或者等于粉末颗粒A气化热，粉末颗粒A以气化形式与粉末颗粒B反应，粉末利用率高，包覆率高。

在一个实施方式中，粉末颗粒A和粉末颗粒B分别独立地选自振动送粉器或载气式送粉器送粉。

在一些实施方式中，粉末颗粒A采用超声振动送粉器送粉，可实现超细粉末的稳定传输。粉末颗粒B采用载气式送粉器送粉。

在一些实施方式中，所述的粉末颗粒A和粉末颗粒B分别采用惰性气体输送。

在一些实施方式中，该惰性气体包含但不限于氩气、氮气和氦气一种或者多种的混合。其中粉末颗粒A和粉末颗粒B可采用相同的惰性气体或者不同的惰性气体。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A为低熔点合金粉末，粉末颗粒B为硬质相粉末颗粒。当粉末颗粒A为低熔点合金时，经过高温等离子体热源后，经过雾化喷嘴后形成金属射流，然后以较低温度的粉末颗粒B为核心凝结，形成以粉末颗粒A为壳，粉末颗粒B为核的包覆粉末，即低熔点包覆高熔点的包覆粉末。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A为硬质相粉末颗粒，粉末颗粒B为低熔点合金粉末。硬质相粉末颗粒A经过高温等离子体热源，气化后经过喷嘴形成硬质相金属射流，然后以温度较低的金属颗粒B为核心进行凝结，形成以硬质相A为壳，以金属粉末颗粒B为核的包覆粉末，即高熔点包覆低熔点的包覆粉末。

在一些实施方式中，所述低熔点合金粉末的熔点不高于1600℃。

在一些实施方式中，所述的低熔点合金粉末包括但不限于镍基、钴基和铁基合金粉末中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述镍基合金粉末包括但不限于Ni60、Ni55、IN718、IN625和ND500中的一种或几种。

在一些实施方式中，所述钴基合金粉末包括但不限于Co01、Co06、Co701、CoCrMo和CoNiCrMo中的一种或几种。

在一些实施方式中，所述铁基合金粉末包括但不限于1Cr13、2Cr13、3Cr13、304、316、410、420和440中的一种或几种。在一些实施方式中，所述硬质相粉末颗粒的熔点不低于2500℃。

在一些实施方式中，所述的硬质粉末颗粒包括但不限于碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化锆和碳化钒等高熔点碳化物中的一种或多种，也包括氮化钛、氮化硅和氮化锆等高熔点氮化物中的一种或多种。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为Ni60(镍基合金)，所述粉末颗粒B为碳化钨。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为316不锈钢(铁基合金)，所述粉末颗粒B为碳化钛。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为Co01(钴基合金)，所述粉末颗粒B为氮化钛。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为碳化钛，所述粉末颗粒B为440不锈钢(铁基合金)。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为3Cr13，所述粉末颗粒B为碳化钛。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为IN625，所述粉末颗粒B为碳化铌。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为CoCrMo，所述粉末颗粒B为碳化锆。

在一些实施中，所述粉末颗粒A为316，所述粉末颗粒B为氮化硅。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A和粉末颗粒B的形貌可以是球形的，也可以是非球形的。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A和粉末颗粒B的形貌是球形的。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A的粒径为5-75微米，所述粉末颗粒B的粒径为15-120微米。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒A的粒径为15-30微米，所述粉末颗粒B的粒径为15-90微米。

在一些实施方式中，所述粉末颗粒B的粒径为20-60微米。

在一些实施方式中，所述的粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向有一定的夹角。

在一些实施方式中，所述的粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向的夹角不大于90度。

在一些实施方式中，所述的粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向的夹角小于60度。

在一些实施方式中，所述方法采用上述的装置制备包覆粉末。

在一些实施方式中，采用上述的装置制备包覆粉末的方法为：

S1：启动等离子体焰炬产生热源等离子体；

S2：采用第一送粉器将粉末颗粒A送进等离子体焰炬产生热源等离子体中；粉末颗粒A在热源等离子体的作用下，熔化和/或气化，经雾化喷嘴形成金属射流；

S3：采用第二送粉器将粉末颗粒B送进S2产生的金属射流。

S4：在反应器中，粉末颗粒A包裹粉末颗粒B。

本申请的第三方面，提供了上述方法或者装置制备的包覆粉末。

本申请的第四方面，提供了所述包覆粉末在激光熔覆、激光立体成形、热喷涂、等离子喷涂或先进粉末冶金等领域中的应用。

(1)上述技术方案中的一个技术方案的有益效果为：本申请的制备装置及方法首次采用了等离子体热源作为热源用于包覆粉末，可制备杂质及氧含量极低的包覆粉末。由于等离子热源温度极高，粉末材料中含的多数杂质元素可以气化变为气态，甚至是离子态，气化后随着循环气体排出，即可获得杂质及氧元素含量极低的包覆粉末。

(2)上述技术方案中的另一个技术方案的有益效果为：本申请不仅可制备低熔点合金包覆高熔点硬质相的复合粉末材料，也可制备高熔点材料包覆低熔点合金材料的包覆粉末。

(3)上述技术方案中的另一个技术方案的有益效果为：本申请公开的装备可实现包覆粉末的快速生产，生产效率高，包覆粉末的质量百分比大。采用本申请制备的包覆粉末，解决了粉末冶金及涂层领域存在的细粉送粉困难、硬质相颗粒在涂层中分布不均匀的问题。

(4)上述技术方案中的另一个技术方案的有益效果为：本申请可以用对颗粒更细的粉进行包覆，且包覆相对于现有技术中粗粉的包覆氧含量没有上升(细分更容易被氧化、吸潮)。

附图说明

图1为本申请实施例1中所述包覆粉末装置示意图；

图2为本申请实施例2中所述包覆粉末装置示意图；

图3为包覆粉末制备的流程示意图；

图4为实施例3中进行包覆粉末制备的表面形貌图；

图5为实施例4中进行包覆粉末制备的表面形貌图；

图6为实施例5中进行包覆粉末制备的表面形貌图；

图7为实施例6中进行包覆粉末制备的表面形貌图；

附图编号：10-等离子焰炬；11-送粉探针；12-感应线圈；13-等离子约束管；14-等离子焰炬壁；15-等离子体热源；16-雾化喷嘴；21-粉末颗粒A；22-粉末颗粒B；23-金属射流；25-包覆粉末；30-反应器；31-收粉罐；32-进粉口；40-冷水箱；41-冷水箱出水口；42-冷水箱进水口；43-等离子焰炬进水口；44-等离子焰炬出水口；50-第二送粉器；51-第二气瓶；52-粉筒；60-第一气瓶；61-三通；62-第一送粉器；64-中心气体；70-第三气瓶；71-混合气体配比柜；72-混合气体；101-钨极；102中心气体通道；103-内置循环冷却水管；104-枪体；105-送粉通道。

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本申请的技术方案，具体实施例不代表对本申请保护范围的限制。其他人根据本申请理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本申请的保护范围。

在本申请说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这”包括复数形式。

在本申请中，除非另有说明，“等离子体”同“等离子”。

在本申请中，除非另有说明，“热源等离子体”同“等离子体热源”。

本申请中，当一个元件被认为是“连通”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，或者是通过流体连通，如气体等。

本说明书中，所述活性气体选自氢气。

下面将参照附图和实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。

实施例1一种制备包覆粉末的装置及其使用方法

如图1所述的包覆粉末装置，包括：

等离子体焰炬10：所述等离子体焰炬10用于产生等离子体热源15，使粉末颗粒A21熔化和/或气化。在该实施例中，所述等离子体焰炬10为感应耦合等离子体焰炬。进一步地，等离子体焰炬10含有送粉探针11，感应线圈12，等离子约束管13和等离子焰炬壁14。

雾化喷嘴16；雾化喷嘴16与等离子体焰炬10连通，用于使熔化和/或气化后的粉末颗粒A 21形成金属射流23。

第一送粉器62：第一送粉器62与等离子体焰炬10连通，用于传送粉末颗粒A 21至等离子体焰炬10。进一步地，第一送粉器62与送粉探针11流体连接。第一送粉器62还含有第一气瓶60，第一气瓶60用于储藏惰性气体，输送粉末颗粒A 21。

反应器30：与等离子体焰炬10连通，用于作为粉末颗粒A 21包覆粉末颗粒B 22的反应腔室。进一步地，在反应器30上端侧壁设有一进粉口32，所述进粉口32与第二送粉器50流体连接。进粉口32位置靠近雾化喷嘴16形成的金属射流23，便于包覆。反应器30下端还设有收粉罐31，用于收集包覆的粉末。

第二送粉器50：第二送粉器50与反应器30连通，用于传送粉末颗粒B 22至反应器30中粉末颗粒A形成的金属射流23。进一步地，第二送粉器含有粉筒52，用于放置粉末颗粒B22。所述第二送粉器50还含有第二气瓶51，所述第二气瓶51用于储藏惰性气体，输送粉末颗粒B 22。

所述装置还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷水箱40，冷水箱出水口41，冷水箱进水口42，等离子体焰炬进水口43，等离子体焰炬出水口44。所述冷水箱40中的水经水箱出水口41，流入等离子体焰炬进水口43，对等离子体焰炬10进行冷却后，再经等离子体焰炬出水口44流出，流入冷水箱进水口42进行循化。

所述等离子体焰炬10还流体连接有第三气瓶70，所述的第三气瓶70用于放置活性气体；所述等离子体焰炬10流体还连接有第四气瓶60，所述第四气瓶60用于放置惰性气体。

在本实施例中，所述第一气瓶60和第四气瓶60为同一气瓶(统称为第一气瓶60)。所述第一气瓶60的气体流通管道上设有三通61，将气体流通管道分为三路，其中第一路与第一送粉器62流体连接，输送粉末颗粒A；其中第二路(中心气体64)以垂直的方式送进等离子焰炬10中，送进位置为靠近送粉探针11的外侧。其中第三路在混合气体配比柜71处与第三气瓶70流出的活性气体按照一定比例均匀混合(混合气体72)，沿等离子约束管13的内侧送进等离子体焰炬10。

在本申请中，所述第一气瓶、第二气瓶和第四气瓶均用于储藏惰性气瓶，所以可同为一个气瓶，或者其中任意两个为同一气瓶，仅需在气体流通的管上设有类似三通阀等使气体分流为多个管道，例如上述的实施方式中，所述第一气瓶和第四气瓶为同一气瓶。

上述装置的详细操作步骤如下：

S1：热源等离子的产生

接通电源后，中心气体64从第一气瓶60出来后经三通61后，垂直送进等离子体焰炬10中，送进位置为靠近送粉探针11的外侧；启动内嵌于等离子焰炬侧壁14的环状感应线圈12，在通电情况下，产生高频震荡电磁场，激发内部惰性气体(中性气体)电离，形成稳定的等离子体热源；混合气体72为惰性气体与活性气体的混合，惰性气体从第一气瓶60出来后，经过三通61，在混合气体配比柜71处与从第三气瓶70流出的活性气体按照一定比例均匀混合，混合气体72沿等离子约束管13的内侧送进，且在中心气体64的外侧，混合气体72的作用是增强等离子的能量密度，最终得到稳定的等离子热源15。整个等离子焰炬10在水冷作用下进行工作，循环冷却水流从冷水箱40的冷水箱出水口41流出，经等离子焰炬进水口43进入等离子焰炬10内部的水冷管道，最终由等离子焰出水口44流出，经冷水箱进水口42流回冷水箱40，循环冷却水的作用是带走等离子热源热传导的多余的热量，避免损坏各个零部件，保证设备长期正常运行。

S2:将粉末颗粒A送进等离子体热源

待等离子热源15稳定后，启动第一送粉器62(该实施例中为振动送粉器)，惰性气体由第一气瓶60流出后经由三通61流进第一送粉器62，在惰性气体的作用下将粉末颗粒A21送进送粉探针11中心，粉末颗粒A 21经送粉探针11直接送进等离子热源15，粉末颗粒A21经等离子热源15加热熔化/气化后，形成高温金属熔液/蒸汽等，且在等离子流及等离子焰炬10内部高压气流的作用下，经由雾化喷嘴16喷出，在反应器30内部上端形成金属射流23。

S3：将粉末颗粒B送进由颗粒A产生的金属射流中

启动第二送粉器50(在本实施例中为载气式送粉器)，由第二气瓶51流出的惰性气体将置于粉筒52内部的粉末颗粒B 22送出，从反应器30侧边的进粉口32进入金属射流内部，粉末颗粒A 21形成的金属射流23以粉末颗粒B 22为凝结核心，凝结在粉末颗粒B外表面，最终形成材料A包覆材料B的包覆粉末。

S4：包覆粉末A+B制备完成，收集粉末

经反应器30反应的包覆粉末，在自身表面张力的作用下，落入反应器30下端的收粉罐31，最终获得包覆粉末25产品。气流经由其他过滤装置(未示出)后排出。

实施例2一种制备包覆粉末的装置及其使用方法

如图2所述的包覆粉末装置，包括：

等离子体焰炬10：所述等离子体焰炬10用于产生热源等离子体15，使粉末颗粒A熔化和/或气化。在该实施例中，所述等离子体焰炬10为直流等离子喷枪。直流等离子喷枪的包括：钨极101、中心气体通道102、枪体104、内置冷却水管103、和送粉通道105。钨极101安装在枪体中心部位，钨极101连接电源负极，枪体连接电源正极，在钨极尖端与枪体下端之间产生击穿电压，击穿惰性气体以产生等离子体热源。中心气体通道102在钨极周围环绕，且同轴线，惰性气体是通过电离，是产生和稳定等离子体的主要气体。在枪体后壁内部内置循环冷却水管103，用以冷却等离子枪体，带走等离子体多余的热量。送粉通道105端口位于枪体一平台肩部，环绕排布，可以设置一个或者多个，其轴线与钨极轴线有一定的夹角，在送粉通道105出口处与等离子热源汇聚，产生熔化和/或气化现象，经过雾化喷嘴16的作用形成金属射流23。

雾化喷嘴16；雾化喷嘴16与等离子体焰炬10连通，用于使熔化和/或气化后的粉末颗粒A形成金属射流。

第一送粉器62：第一送粉器62与等离子体焰炬10连通，用于传送粉末颗粒A至等离子体焰炬10。进一步地，第一送粉器62与送粉通道105流体连接。第一送粉器还含有第一气瓶60，第一气瓶60用于储藏惰性气体，输送粉末颗粒A。

反应器30：与等离子体焰炬连通，用于作为粉末颗粒A包覆粉末颗粒B的反应腔室。进一步地，在反应器30上端侧壁设有一进粉口32，所述进粉口32与第二送粉器50流体连接。进粉口32位置靠近雾化喷嘴形成的金属射流23，便于包覆。反应器30下端还设有收粉罐31，用于收集包覆的粉末。

第二送粉器50：第二送粉器50与反应器30连通，用于传送粉末颗粒B 22至反应器30中粉末颗粒A形成的金属射流23。进一步地，第二送粉器50含有粉筒52，用于放置粉末颗粒B。所述第二送粉器50还含有第二气瓶51，所述第二气瓶51用于储藏惰性气体，输送粉末颗粒B。

所述装置还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷水箱40，冷水箱40与枪体后壁内部内置循环冷却水管103流体连接，用以冷却等离子枪体104，带走等离子体多余的热量。

所述第一气瓶60的气体流通管道上设有三通61，将气体流通管道分为二路，其中第一路与第一送粉器62流体连接，输送粉末颗粒A；其中第二路以垂直的方式送进等离子焰炬10中的中心气体通道102。

直流等离子喷枪为核心的包覆粉末装置的详细操作步骤如下：

除了热源等离子体的产生原理不同，其他步骤与实施例1中的感应耦合式包覆装置操作步骤相同。

S1：热源等离子的产生

接通电源后，中心气体(惰性气体)从第一气瓶60出来经三通61后，垂直送进中心气体通道102中；中心气体在钨极尖端处由于钨极101与枪体104间高压电流击穿作用而产生稳定的等离子体热源。整个直流等离子喷枪100在水冷作用下进行工作，循环冷却水流从冷水箱40的冷水箱出水口41流出，经等离子焰炬进水口43进入枪体104内部的内置循环冷却水管103，最终由等离子焰炬出水口44流出，经冷水箱进水口42流回冷水箱40，循环冷却水的作用是带走等离子热源热传导的多余的热量，避免损坏各个零部件，保证设备长期正常运行。

S2:将粉末颗粒A送进等离子体热源

待等离子热源15稳定后，启动第一送粉器62(该实施例中为振动送粉器)，惰性气体由第一气瓶60流出后经由三通61流进62，在惰性气体的作用下将粉末颗粒A送进送粉通道105中心，粉末颗粒A经送粉通道105直接送进等离子热源，粉末颗粒A经等离子热源加热熔化/气化后，形成高温金属熔液/蒸汽等，且在等离子流及等离子喷枪100内部高压气流的作用下，经由雾化喷嘴16喷出，在反应器30内部上端形成金属射流23。

S3：将粉末颗粒B送进由颗粒A产生的金属射流中

启动第二送粉器50(在本实施例中为载气式送粉器)，由第二气瓶51流出的惰性气体将置于粉筒52内部的粉末颗粒B 22送出，从反应器30侧边的进粉口进入金属射流内部，粉末颗粒A形成的金属蒸汽以粉末颗粒B为凝结核心，凝结在粉末颗粒B外表面，最终形成材料A包覆材料B的包覆粉末。

S4：包覆粉末A+B制备完成，收集粉末

经反应器30反应的包覆粉末，在自身表面张力的作用下，落入反应器30下端的收粉罐31，最终获得包覆粉末25产品。气流经由其他过滤装置(未示出)后排出。

实施例3一种制备包覆粉末的方法

热源选择感应耦合等离子体热源作为热源加热粉末颗粒A，使之直接由固体颗粒气化至金属射流。选用镍基合金粉末Ni60作为粉末颗粒A，粒度为5-75μm；选用硬质相碳化钨作为粉末颗粒B，粒度为15-120μm，粉末形貌为球形，制备镍合金包碳化钨的包覆粉末。

其他参数如下：中心气体氩气流量：10L/min；感应线圈的功率：10KW；混合气体的比例：氩气/氢气＝30L/min：4L/min；粉末颗粒A的送粉速率：8g/min；粉末颗粒B的送粉速率：15g/min；粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向呈90度夹角。制备包覆粉末产品形貌如图4所示，等离子体热源能量足够高，使镍基合金材料气化，镍基合金材料在硬质相表面形成较多的亚微米颗粒，并粘附于硬质颗粒表面。

在本实施例中，产生等离子的气体(中心气体)选择为氩气，在其他实施例中，也可以选择其他较易电离的惰性气体产生等离子体热源，如氦气或者氮气。

在本实施例中，稳定等离子体热源的气体(混合气体)选择为氩气与氢气的混合，在其他实施例中，也可以选择其他具有高的比焓值和高的热导率的混合气体。如氦气与氮气的混合。

在本实施例中，镍基合金粉末(粉末颗粒A)的送进方向与硬质相碳化钨(粉末颗粒B)送进方向夹角为90度，在其他实施例中，该夹角也可以为小于90度的其他夹角。

在本实施例中，所选热源为感应耦合等离子热源，在其他实施例中，热源也可以选择为直流等离子喷枪。

实施例4一种包覆粉末的方法

实施例4采用与实施例3相同的技术方案进行包覆粉末的制备，其区别仅在于：粉末颗粒A选择粒度为15-30微米的316不锈钢(铁基合金)粉末，粉末颗粒B选择15-90微米的碳化钛球形粉末；制备不锈钢包覆碳化钛的包覆粉末。此实施例中等离子热源能量较低，不能够气化粉末颗粒A，只能够熔化粉末颗粒A，因此在实施例1中“气化材料粉末颗粒A”的技术在本实施例中为“熔化材料粉末颗粒A”。

其他参数如下：中心气体氩气流量：8L/min；感应线圈的功率：5KW；混合气体的比例：氩气/氢气＝30L/min：0L/min；粉末颗粒A的送粉速率：7g/min；粉末颗粒B的送粉速率：5g/min；粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向呈60度夹角。制备包覆粉末产品形貌如图5所示，316不锈钢材料在碳化钛颗粒表面形成均匀的包覆层，这是因为此时等离子体热源温度不足以气化不锈钢，而只能熔化该材料，因此此时包覆层以薄膜层的形式包覆硬质相颗粒。

实施例5一种包覆粉末的方法

实施例5采用与实施例3相同的技术方案进行包覆粉末的制备，其区别仅在于：粉末颗粒A选择粒度为15-25微米的C_O01钴基合金粉末，粉末颗粒B选择20-60微米的氮化钛球形粉末；制备钴基合金包覆氮化钛的包覆粉末。

其他参数如下：中心气体氩气流量：10L/min；感应线圈的功率：10KW；混合气体的比例：氩气/氢气＝30L/min：2L/min；粉末颗粒A的送粉速率：10g/min；粉末颗粒B的送粉速率：4g/min；粉末颗粒B的送进方向与粉末颗粒A的送进方向呈45度夹角。制备包覆粉末产品形貌如图6所示，感应等离子体热源温度足够高，可以气化钴基合金材料，钴基合金材料以纳米颗粒的形式均匀粘附在硬质颗粒氮化钛颗粒的表面。

实施例6一种包覆粉末的方法

实施例6采用与实施例3相同的技术方案进行包覆粉末的制备，其区别仅在于：粉末颗粒A选择粒度为15-25微米的碳化钛硬质相颗粒，粉末颗粒B选择20-45微米的440不锈钢球形粉末；制备碳化钛包覆不锈钢的包覆粉末。

其他参数如下：中心气体氩气流量：15L/min；感应线圈的功率：40KW；混合气体的比例：氩气/氢气＝40L/min：7L/min；粉末颗粒A的送粉速率：3g/min；粉末颗粒B的送粉速率：7g/min；粉末颗粒B的送进方向与颗粒A的送进方向呈45度夹角。制备粉末产品形貌如图7所示，等离子体热源能量足够高，足以使碳化钛颗粒气化，纳米颗粒的碳化钛均匀粘附在不锈钢大颗粒的表面。本申请的方法可以实现高熔点包覆低熔点材料。

实施例7氧含量测试

对实施例3-6以及现有技术制备的包覆粉末进行氧含量测试。

测试参照标准：金属粉末中氧含量的测定及国家标准GB4164_84。

现有技术中的制备包覆粉末的方法见专利CN 109865833.A。

测试结果如下表1所示:

表1

项目	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	现有技术
						氧含量(ppm)	400	300	300	600	＞1000

由表1可知，采用本专利所述的装置及方法制备的包覆粉末，采用了把其中一种材料完全熔化或者气化的方法，不仅能保证制备包覆粉末的纯净度，较低的氧含量。

此外，还能以较高效率制备包覆粉末；由于等离子体的高温，所述方法不仅能制备低熔点合金包覆高熔点硬质相的包覆粉末，还可以制备高熔点硬质相包覆低熔点合金的包覆粉末。

总之，本申请制备的包覆粉末具有氧含量及杂质含量低、无外来污染、粉末流动性好等特点，解决了粉末冶金领域细粉末颗粒送粉困难的问题，解决了涂层制备领域硬质相分布不均匀问题，有助于提高成型件力学性能。

Claims (10)

1.一种制备包覆粉末的装置，其包括：

等离子体焰炬：用于产生热源等离子体，使粉末颗粒A熔化和/或气化；

雾化喷嘴；喷嘴上端与等离子体焰炬连通，用于使熔化和/或气化后的粉末颗粒A形成金属射流；

第一送粉器：与等离子体焰炬连通，用于传送粉末颗粒A至等离子体焰炬；

反应器：与等离子体焰炬连通，位于雾化喷嘴下端，用于作为粉末颗粒A包覆粉末颗粒B的反应腔室；

第二送粉器：与反应器连通，用于传送粉末颗粒B至反应器中粉末颗粒A形成的金属射流中；

所述等离子体焰炬、雾化喷嘴、反应器的中心轴线均在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的装置，所述包覆粉末的装置还包括冷却系统，所述冷却系统用于带走热源等离子体传导的多余热量。

3.根据权利要求2所述的装置，所述冷却系统选自内置循环水冷结构。

4.根据权利要求1所述的装置，所述雾化喷嘴设在等离子体焰炬下方，且位于等离子体焰炬与反应器之间。

5.根据权利要求4所述的装置，所述雾化喷嘴由多个流道组成，每个流道内部结构均为拉瓦尔形状。

6.根据权利要求1所述的装置，所述反应器设有一送粉口，所述粉口与第二送粉器流体连接。

7.根据权利要求6所述的装置，所述送粉口位于反应器上端侧壁。

8.根据权利要求1所述的装置，所述第一送粉器和第二送粉器分别独立的选自振动送粉器或载气式送粉器。

9.根据权利要求8所述的装置，所述第一送粉器选自振动送粉器，所述第二送粉器选自载气式送粉器。

10.根据权利要求1所述的装置，所述等离子体焰炬选自感应耦合等离子焰炬或直流等离子喷枪。

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