KR20160131060A

KR20160131060A - 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시켜 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치

Info

Publication number: KR20160131060A
Application number: KR1020167027628A
Authority: KR
Inventors: 마허 아이 불로스; 저지 더블유 주레윅; 알렉산더 오거
Original assignee: 테크나 플라즈마 시스템 인코포레이티드
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-11-15
Also published as: US9718131B2; WO2015135075A1; CN112246184A; RU2693244C2; US20230098892A1; CA3089670C; US10688564B2; ES2822048T3; EP3116636B1; CA3047663C; US11565319B2; JP6629748B2; EP3730208B1; RU2016139600A3; US20210205885A1; CA2912282A1; PT3116636T; US9751129B2; CA3089670A1; DK3116636T3

Abstract

본 개시는 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치에 관한 것이다. 공급 재료는 플라즈마 토치에 도입된다. 공급 재료의 전방부는 플라즈마 토치로부터 플라즈마 토치의 미립화 노즐내로 이동하게 된다. 공급 재료의 전방 단부는 플라즈마 노즐에서 형성된 하나 이상의 플라즈마 제트들에 노출됨으로써 표면 용융된다. 하나 이상이 플라즈마 제트들은 환형 플라즈마 제트, 복수의 집중 플라즈마 제트들 또는 환형 플라즈마 제트와 복수의 집중 플라즈마 제트들의 조합을 포함한다. 공정 및 장치를 이용하여 획득되는 분말 입자들 또한 설명된다.

Description

세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시켜 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING POWDER PARTICLES BY ATOMIZATION OF A FEED MATERIAL IN THE FORM OF AN ELONGATED MEMBER}

본 개시는 재료들을 처리하는 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 개시는 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치에 관한 것이다. 개시된 공정 및 장치를 이용하여 제조된 분말 입자들 또한 개시된다.

신속한 시제품화 및 가공화에 대한 관심이 증가하면서, 적층 가공(additive manufacturing) 또는 3-D 프린팅으로 주로 알려진 많은 기술들이 그러한 기술들에 유용한 조밀 구상 분말들(dense spherical powders)를 제조하기 위해 개발되었다. 적층 공정 및 3-D 프린팅의 성공은 부품들의 제조에 이용될 수 있는 재료들의 가용성에 매우 크게 좌우된다. 그러한 재료들은 제대로 형성된(well-defined) 입자 크기 분포들을 가진, 고순도, 미세(예를 들면, 150㎛ 미만의 직경), 조밀, 구상 및 자유-유동성 분말들의 형상으로 제공될 필요가 있다. 가스, 액체 및 회전 디스크 미립화와 같은 종래의 용융 미립화 기술은 그러한 고품질 분말들을 제조할 수 없다.

가장 최근 기술들은 재료 오염을 빈번하게 초래하는 도가니 용융(crucible melting)의 이용을 회피한다. 이들 최근 기술들은 구상, 자유-유동성 분말을 제공한다.

예를 들면, 일부 플라즈마 미립화 공정들은 정점(apex)을 향해 집중하는 플라즈마 제트들(plasma jets)을 생성하는 다수의 플라즈마 토치들을 이용하는 것을 기초로 한다. 와이어 또는 로드 형태의 재료들을 미립화되도록 정점에 공급함으로써, 재료들은 플라즈마 제트들에 의해 제공된 열 및 운동 에너지에 의해 용융되고 미립화된다. 몇몇 플라즈마 제트들이 집중되는 정점을 향해 배향되는 연속적 용융 흐름의 형태의 미립화될 재료를 공급하는 것 또한 제안되었다. 이러한 유형들의 플라즈마 미립화 공정들은 매우 세심한 주의를 필요하며 정점을 향해 집중되는 적어도 3개의 플라즈마 제트들을 가지기 위해 적어도 3개의 플라즈마 토치들을 정렬하는데 많은 노력을 필요로 한다. 그러한 플라즈마 토치들의 물리적인 크기 때문에, 정점 위치는 플라즈마 제트들의 출구 지점로부터 몇 센티미터 떨어져 있어야 한다. 이는, 플라즈마 제트들이 정점 위치에 도달하여 재료들과 충돌하기 전에, 플라즈마 제트들의 수중한 열 및 운동 에너지의 손실을 초래한다. 전반적으로, 이들 공정은 정밀한 정렬, 토치들의 전력 조절 및 재료 공급율의 정밀한 설정에 대한 요구사항의 견지에서 여러 어려움들을 포함한다.

다른 기술들은, 용융된 재료와 도가니 사이의 접촉을 회피하면서 미립화되도록 재료의 와이어 또는 로드를 직접적으로 유도 가열하고 용융시키는 것을 기초로 한다. 로드로부터의 용융 액적들(melt droplets)은 가스 미립화 노즐 시스템으로 낙하하고 고유속의 적절한 불활성 가스를 이용하여 미립화된다. 이들 기술들의 주된 장점은 세라믹 도가니와 재료의 임의의 접촉 가능성을 제거함으로써 미립화될 재료의 오염 가능성을 회피하는데 있다. 그러나, 이들 기술은 순수한 금속들 또는 합금들의 미립화에 한정된다. 또한, 이들 기술은 복잡하며 최적 성능을 위한 작동 조건들의 정밀한 조절을 필요로 한다. 또한, 대량의 불활성 미립화 가스가 소비된다.

따라서, 광범위한 공급 재료들로부터 분말 입자들의 효율적이고 경제적인 제조를 위한 기술들에 대한 요구가 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 개시는 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정에 관한 것으로, 그 공정은 공급 재료를 플라즈마 토치에 도입하는 단계; 공급 재료의 전방부를 플라즈마 토치의 미립화 노즐 내로 이동시키는 단계; 및 미립화 노즐에 형성된 하나 이상의 플라즈마 제트들 쪽으로 노출시킴으로서 공급 재료의 전방 단부를 표면 용융시키는 단계를 포함하고, 하나 이상의 플라즈마 제트들은 환형 플라즈마 제트, 복수의 집중 플라즈마 제트들 및 이들의 조합으로부터 선택된다.

다른 측면에 따르면, 본 개시는 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 장치에 관한 것으로, 그 장치는 공급 재료를 수용하는 인젝션 프로브; 및 미립화 노즐;을 포함한 플라즈마 토치를 포함하고, 미립화 노즐은, 인젝션 프로브로부터 공급 재료의 전방부를 수용하도록, 플라즈마를 공급받도록, 하나 이상의 플라즈마 제트들을 생성하도록, 그리고 하나 이상의 플라즈마 제트들에 노출됨으로써 공급 재료의 전방 단부의 표면을 용융시키도록, 구성된다. 하나 이상의 플라즈마 제트들은 환형 플라즈마 제트, 복수의 집중 플라즈마 제트들 및 이들의 조합으로부터 선택된다.

앞서의 다른 특징들은 첨부된 도면들만을 참조하여 예시로서 제시된 이들의 예시적인 실시예의 아래의 비한정적인 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 동일한 부호들은 도면들의 여러 도면들에서 동일한 특징들을 나타낸다.

본 개시의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 예시를 통해 설명될 것이다.
도 1은 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시키는데 이용가능한 플라즈마 토치의 정면도이다.
도 2a는 본 실시예에 따른 미립화 노즐 및 플라즈마에 의해 세장형 부재를 직접적으로 예열하는 구성을 가진, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이다.
도 2b는 도 2a의 미립화 노즐 및 방열 튜브를 통해 플라즈마에 의해 세장형 부재를 간접적으로 가열시키기 위한 구성을 가진, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 토치를 포함한 장치로서 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시키기 위한 장치의 정면도이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 지지 플랜지를 가진 미립화 노즐의 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 지지 플랜지 및 미립화 노즐의 단면도이다.
도 4c, 도 4d 및 도 4e는 플라즈마 제트들을 생성하기 위해 반경방향 구멍들에 의해 둘러싸인 중심 구멍을 포함하는, 도 4a의 미립화 노즐을 상세하게 도시한 추가적인 평면도, 저면도 및 사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 미립화 노즐을 도시한 것으로, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이다.
도 6은 도 1의 플라즈마 토치의 변형예의 상세 정면도로서, 도 5의 미립화 노즐이 도시되며, 미립화 노즐의 출구 단부를 둘러싸는 시스 가스 포트가 더 포함된다.
도 7은 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화함으로써 분말 입자들을 제조하는 공정의 작동들을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 아르곤/수소 유도 플라즈마에 도입된 3.2mm 스테인레스 스틸 와이어를 60kW로 가열하는 모델링 결과들을 나타낸 그래프를 포함하는 개략적인 도면이다.
도 9는 3.2mm 직경의 스테인레스 스틸 와이어의 미립화에 의해 획득된 분말 입자들의 전자 마이크로그래프 및 대응하는 입자의 입도 분포의 그래프이다.
도 10은 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하기 위한 공정 및 장치를 이용하여 제조된 다른 스테인레스 스틸 구상 분말 분획들의 전자 마이크로그래프들을 도시한다.

전반적으로, 본 개시는 광범위한 공급 재료들로부터 분말 입자들을 효율적이고 경제적으로 제조하는데 있어서 하나 이상의 문제점을 해결한 것이다.

보다 상세하게, 본 개시는 예를 들면, 순수한 금속들, 합금들, 세라믹들, 합성물들을 포함한 광범위한 공급 재료들로부터 분말 입자들을 제조하는데 이용가능한 플라즈마 미립화 공정 및 장치를 설명한다. 개시된 기술은 조밀 구상 금속, 세라믹 또는 합성 분말들을 비한정적인 예시들로서 로드, 와이어 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 동일한 특성의 공급 재료로부터 제조하는데 이용될 수 있다. 분말은 1 밀리미터 미만의 직경을 가진 입자들을 포함하는 것으로 정의될 수 있으며, 미세 분발은 10 마이크로미터 미만의 직경의 입자들로 구성되는 것으로 정의될 수 있으며, 초미세 분말은 1 마이크로미터 미만의 직경의 입자들을 포함하는 것으로 정의될 수 있다.

비한정적인 실시예에 있어서, 선택적으로 유도 결합 플라즈마 토치일 수 있는 플라즈마 토치에는, 그의 중심 길이방향 축을 따라 공급 재료가 공급된다. 플라즈마 토치의 선택적인 예열 영역에서의 공급 재료의 이동 거리 및/또는 이동 속도는, 플라즈마 토치 내의 재료의 조기 용융을 회피하면서 재료의 용융점에 가능한 가까운 온도로 재료를 가열할 수 있도록 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 선택적으로 예열된 공급 재료의 전방 단부는 그의 하류측으로부터 나오고 냉각 챔버로 진입하도록, 미립화 노즐에 진입한다. 미립화 노즐에서의 그의 통로 때문에, 공급 재료의 전방 단부 또는 팁(tip)은 초음속 미세 플라즈마 제트들(이에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 복수의 플라즈마 제트들, 예를 들면 고속 플라즈마 제트에 노출된다. 공급 재료에 충돌하게 되면, 플라즈마 제트는 그의 표면을 용융시키고 용융된 재료를 벗겨내고, 그 결과 미립화 노즐로부터 플라즈마 가스와 함께 혼입된 재료의 구상 용융 액적들로 정밀하게 분할된다. 다른 실시예에 있어서, 선택적으로 예열된 공급 재료의 전방 단부는 미립화 노즐 내의 환형 플라즈마 제트에 노출되고, 환형 플라즈마 제트는 또한 공급 재료의 표면 용융을 초래한다. 생성되는 액적들은 플라즈마 가스에 의해 냉각 챔버 내에 혼입된다. 양 실시예들에 있어서, 액적들은 냉각 챔버 내에서 냉각되어 인플라이트 동결되고, 예를 들면, 소형, 고상 및 조밀 구상 분말 입자들을 형성한다. 분말 입자들은 그들의 입자 크기 분포에 따라 결정되어, 예들 들면 다운스트림 싸이클론(downstream cyclone) 또는 필터(filter)에서의 냉각 챔버의 바닥에서 회복될 수 있다.

본 개시에 있어서, 개시된 공정 및 장치를 이용하여 획득된 분말 입자들은, 한정 없이, 1 내지 100 마이크로미터 범위의 직경을 가진 입자들로서 정의될 수 있는 미크론(micron) 크기의 입자들을 포함할 수 있다.

본 개시의 전체에 걸쳐 다음의 용어가 사용된다.

분말 입자(powder particle): 미크론 크기의 입자들 및 나노 입자들을 포함하지만 그에 한정되지 않는 입자상 물질의 알갱이(grain)

미립화(atomization): 재료가 입자들로 축소변형되는 것

공급 재료(feed material): 공정에 의해 변형될 재료

충전된 튜브(filled tube): 비한정적인 예시들로서 금속, 플라스틱 또는 임의의 다른 적절한 재료로 이루어져 있으며 순수한 금속, 합금들, 세라믹 재료, 임의의 다른 적절한 재료 또는 재료들의 혼합물로 구성된 분말로 충전된 튜브의 형상으로 제공되는 공급 재료로서, 그 분말이 용융되면 합금 또는 복합물로 형성될 수 있는 공급 재료

플라즈마(plasma): 고온의 부분적으로 이온화된 상태의 가스

플라즈마 토치(plasma torch): 가스를 플라즈마로 변화시킬 수 있는 장치

유도 결합 플라즈마 토치(inductively coupled plasma torch): 에너지의 전자기 유도를 플라즈마로 생성하기 위해 에너지원으로 전류를 이용하는 유형의 플라즈마 토치

인젝션 프로브(injection probe): 공급 재료의 삽입 또는 공급을 위한 것으로서 냉각 유체를 이용하여 냉각될 수 있는 세장형 도관

예열 영역(preheating zone): 공급 재료를 그의 용융점 아래의 온도로 상승시키는 플라즈마 토치에서의 영역

미립화 노즐(atomization nozzle): 플라즈마 제트들을 생성하고 공급 재료를 플라즈마 토치로부터 냉각 챔버로 이송할 수 있는 부재

인플라이트 동결(in-flight freezing): 가스 내에 부유하는 동안 액상 액적들의 냉각에 의해 고상의 입자로 되는 것

냉각 챔버(cooling chamber): 인플라이트 동결이 발생하는 컨테이너

이제, 도면들을 참조하면, 도 1은 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화시키는데 이용가능한 플라즈마 토치의 정면도이다. 명백하게, 공급 재료의 미립화시키기 위한 본 개시의 공정 및 장치에서 다른 종류의 세장형 부재가 잠재적으로 이용될 수 있다.

도 2a는 본 실시예에 따른 미립화 노즐 및 플라즈마에 의해 세장형 부재를 직접적으로 예열하는 구성을 가진, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이고, 도 2b는 도 2a의 미립화 노즐 및 방열 튜브를 통해 플라즈마에 의해 세장형 부재를 간접적으로 가열시키기 위한 구성을 가진, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이다. 도 3은 도 1의 플라즈마 토치를 포함한 장치로서 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화시키기 위한 장치의 정면도이다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 비한정적인 예시로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 장치(100)는, 플라즈마(126)를 생성하는 플라즈마 토치(120) 및 냉각 챔버(170)를 포함한다. 본 개시를 한정하지 않고, 도시된 플라즈마 토치(120)는 유도 결합 플라즈마 토치이다. 다른 종류의 플라즈마 토치들을 이용하는 것도 고려할 수 있다. 장치(100)는 분말 수집기(190)를 더 포함할 수 있다.

플라즈마 토치(120)는 유도 결합 플라즈마 토치(120)와 동축을 이루는 헤드(185) 상에 설치된 세장형 도관의 형태로 된 인젝션 프로브(122)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝션 프로브(122)는 헤드(185) 및 플라즈마 감금 튜브(179)를 통하여 연장된다. 공급 재료(110)는 인젝션 프로브(122)를 통해 플라즈마 토치(120)에 삽입될 수 있고, 이에 따라 인젝션 프로브(122)는 토치 몸체(120)와 동축을 이룬다. 공급 재료(110)는 전형적인 와이어, 로드 또는 튜브 공급 기구(미도시)에 의해 연속적인 방식으로 인젝션 프로브(122)에 공급될 수 있으며, 이러한 공급 기구는 예를 들면 미그/와이어 아크 용접(MIG/Wire welding)을 위한 밀러(Miller)에 의해 상용화된 유닛들(units)과 같은 와이어 아크 용접에 현재 이용되는 상업적으로 이용가능한 유닛들과 유사한 것으로, 인젝션 프로브(122)에 대한 세장형 부재의 공급율을 제어하도록 작동되는 제1 세트의 휠들(wheels)을 포함한다. 공급 기구는, 2개의 수직 평면 내에서 세장형 부재를 직선화시키기 위하여 2개의 연속하는 세트들의 직선화 휠들을 뒤따르거나 그에 앞서 존재할 수 있다. 물론, 일부 상황에서, 단 하나의 평면 또는 복수의 평면들 내에서 세장형 부재를 직선화시키는데 단 하나의 세트 또는 복수 세트들의 직선화 휠들이 필요할 수 있다. 공급 재료가 롤들(rolls)의 형태로 공급되는 경우, 세트(들)의 직선화 휠들이 유용하다. 변형예로서, 공급 기구는 그의 길이방향 축을 중심으로, 특정적으로 플라즈마 토치(120)의 길이방향 축을 중심으로 공급 재료(100)을 회전시킬 수 있다.

플라즈마(126)와의 직접적인 접촉에 의하여 공급 재료(110)의 전방부(112)를 예열시키는 예열 영역(124)이 도 2a에 도시되고, 플라즈마(126)와의 직접적인 접촉에 의해 가열되며 공급 재료를 둘러싸는 방열 튜브(125)로부터의 방사 가열에 의하여 공급 재료(110)의 전방부(112)를 예열시키는 예열 영역(124)이 도 2b에 도시된다. 방열 튜브(125)는 예를 들면 그래파이트(graphite), 텅스텐(tungsten) 또는 탄화하프늄(hafnium carbide)과 같은 내화 재료로 이루어질 수 있다. 플라즈마 토치(120) 또한 채널을 가진 미립화 노즐(160)을 포함하고, 이를 통해 공급 재료(110)의 전방부(112)가 예열 영역(124)로부터 이동하여, 공급 재료(110)의 전방 단부(114)를 복수의 플라즈마 제트들(180)에 노출시키며 공급 재료를 미립화시킨다. 채널은, 공급 재료(110)의 전방부(112)가 플라즈마 토치(120)로부터 나와서 냉각 챔버(170)로 들어갈 수 있도록 하는 중심 구멍(162)을 포함할 수 있으며, 복수의 플라즈마 제트들(180)을 생성하는 반경방향 구멍들(166)을 가질 수 있다. 냉각 챔버(170)는 노즐(160) 하류의 플라즈마 토치(120)의 하단부에 설치된다. 냉각 챔버(170)에서, 공급 재료(110)의 전방 단부(114)는 복수의 플라즈마 제트들(180)에 노출된다.

계속하여 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 다른 종류의 플라즈마 토치들이 실제 이용될 수 있지만, 플라즈마 토치(120)는 유도 결합 플라즈마 토치로서, 동축으로 배열된 외부 원통형 토치 몸체(181), 내부 원통형 플라즈마 감금 튜브(179) 및 적어도 하나의 유도 코일(130)을 포함한다. 외부 원통형 토치 몸체(181)는 성형가능한 복합 재료, 예를 들면 성형가능한 복합 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 내부 원통형 플라즈마 감금 튜브(179)는 세라믹 재료로 이루어질 수 있으며, 앞서 설명된 바와 같이, 토치 몸체(181)와 동축을 이루고 있다. 적어도 하나의 유도 코일(130)은, RF(radio frequency) 전자기장을 생성하도록 토치 몸체(181)와 동축을 이루며 그에 매립되어 있고, 전자기장의 에너지는 예열 영역(124)을 포함한 플라즈마 감금 튜브(179)에 감금된 플라즈마(126)을 점화시키고 유지시킨다. 플라즈마는 아르곤, 헬륨, 수소, 산소, 질소 또는 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 가스로부터 생성되며, 그 가스는 토치 몸체(181)의 상단부에 있는 유도 결합 플라즈마 토치(120)의 헤드(185)를 통해 플라즈마 감금 튜브(179) 내로 공급된다. RF 전류는 전력 리드들(power leads)(132)을 통해 유도 코일(들)(130)에 공급된다. 물 또는 다른 냉각 유체는 유입구(134)를 통해 공급되며, 유도 결합 플라즈마 토치를 냉각시키 위해 냉각 채널들(134), 특히 토치 몸체(181)와 플라즈마 감금 튜브(179) 사이의 환형 공간을 통해 흐른다. 물 또는 다른 냉각 유체는 유출구(138)을 통해 장치(100)로부터 유출된다. 물 또는 다른 냉각 유체는 인젝션 프로브(122)의 쉴드(shield)(140) 내에서도 유동하며, 이후 튜브로 이루어진 유도 코일(들)(130)로 유입된다.

공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 복수의 플라즈마 제트들(180)에 노출되면, 공급 재료의 국소적인 용용이 초래되고, 이어 공급 재료의 형성된 용융 층의 즉각적인 벗겨짐과 분해가 뒤따르게 되면서 작은 액적들(182)로 된다. 액적들(182)은, 액적들(182)의 인플라이트 동결이 가능하도록 구성되며 크기가 정해진 냉각 챔버(170) 내로 낙하한다. 액적들(182)은 동결시 분말 입자들(184)로 변화되어 수집기(190)에 수집된다.

도 3의 장치(100)는, 액적들(182)이 중력에 의해 수집기(190)을 향해 낙하하도록 구성된다. 그러나, 액적들이 수직으로 낙하하지 않고, 가스 또는 진공에 의해 추진되는 다른 구성들이 고려될 수 있다. 도 3의 실시예 및 그러한 다른 구성들에 있어서, 냉각 챔버(170)로부터 가스를 회수하기 위해 진공 펌프 시스템(미도시)으로 향하는 출구 파이프(192)가 냉각 챔버(170)의 하부에 연결될 수 있다.

장치(100)는 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 케이싱들, 플랜지들, 볼트들 등과 같은 다른 부품들을 포함한다. 이들 부재들은 자명한 것으로 본 명세서에서는 이에 대해 추가적인 설명을 하지 않을 것이다. 이들 및 다른 도면들에 도시된 여러 부품들의 정확한 구성이 본 개시를 한정하는 것은 아니다.

도 4a는 본 실시예에 따른 지지 플랜지(171)를 가진 미립화 노즐(160)을 사시도이다. 도 4b는 도 4a의 지지 플랜지(171)와 미립화 노즐(160)의 단면도이다. 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 플라즈마 제트 채널들, 예를 들면 마이크로-플라즈마 제트 채널들을 형성하는 반경방향 구멍들(166)에 의해 둘러싸인 중심 구멍(162)을 포함하는, 도 4a의 미립화 노즐을 상세하게 도시한 평면도, 저면도 및 사시도이다. 비한정적으로, 미립화 노즐(160)은 수-냉각 금속(water-cooled metal) 또는 방열 냉각 내화 재료(radiation cooled refractory material) 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.

노즐(160)은 플랜지(171)에 의해 지지된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 플랜지(171)는, 플라즈마 토치(120)와 냉각 챔버(170) 간의 밀봉 배치에 있어서 설치 환형 부재(173) 및 플라즈마 토치(120)의 하단부 사이에 고정될 수 있다. 계속하여 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 노즐(160)은 냉각 채널들(136)의 일부를 형성하면서 동시에 노즐(160)의 냉각을 위해 제공될 수 있는 환형의 내부 표면(177)을 포함하다. 노즐(160)은 또한 적절한 밀봉 배치에 있어서 플라즈마 감금 튜브(179)의 하단부(211)를 수용하기 위해 환형 그루브(annular groove)(175)를 형성한다.

도 4a 내지 도 4e의 노즐(160)은, 내측면 상에서, 인젝션 프로브(122)와 동축을 이루는 중심 구멍(162)을 형성하는 중심 타워(central tower)(168)를 포함한다. 중심 구멍(162)는 입력 깔때기-형상의 확장부(funnel-shaped enlargement)(169)를 가진다. 타워(168)의 이러한 구성은 공급 재료(110)의 전방부(112)의 삽입과 정렬을 용이하게 한다. 노즐(160)의 중심 구멍(162)은, 공급 재료(110)의 전방부(112)가 플라즈마 토치(120)로부터 나가서 냉각 챔버(170)의 내측을 향하게 할 수 있다.

미립화 노즐(160)은 또한, 중심 타워(168) 주위에 서로로부터 각도적으로 동등하게 이격된 복수의 방경방향 구멍들(166)이 형성된 바닥 벽을 포함한다. 반경방향 구멍들(168)은 플라즈마(126)의 각 분획들(fractions)이 냉각 챔버(170)을 향해 유동할 수 있으며 플라즈마 제트들(180)을 발생시킬 수 있도록 설계된다. 반경방향 구멍들(166)의 개수 및 플라즈마 토치(120)의 중심 기하학적 길이방향 축에 대한 반경방향 구멍들(166)의 받음각(angle of attack)은, 플라즈마 토치(120)의 길이방향 축 주위에서 플라즈마 제트들(180)의 바람직한 분포의 상관관계로서 선택될 수 있다.

중심 구멍(162)은 공급 재료(110)의 단면과 밀접하게 일치하도록 구성되며 크기가 정해지고, 이에 따라 중심 구멍(162)은 공급 재료(110)의 전방부(112)의 삽입에 의해 실질적으로 폐쇄된다. 중심 구멍(162)이 폐쇄됨으로써, 플라즈마 토치(120)에서 플라즈마(126)의 압력이 증가하게 된다. 결과적으로, 이는 플라즈마(126)의 각 분획물들을 플라즈마 감금 튜브(179)에서의 영역(124)으로부터 반경방향 구멍들(166)을 통해 분출되도록 초래한다. 플라즈마(126)의 이들 분출된 분획물들은 플라즈마 제트들(180)을 형성한다. 반경방향 구멍들(166)은 가능하면 음속 또는 초음속에 이를 수 있는 고속으로 플라즈마 제트들(180)을 분출시키도록 구성되며 크기가 정해진다.

공급 재료(110)의 단면이 중심 구멍(162)이 개구보다 작은 경우에는, 구멍(162)은 전체적으로 봉쇄되지 않으며, 플라즈마 토치(120) 내의 압력 증가는 매우 적을 수 있다. 그럼에도, 공급 재료(110)에 의한 중심 구멍(162)의 부분적인 봉쇄 및 플라즈마 토치(120)의 순전한 작용에 의해 플라즈마(126)는 여전히 상당한 압력 레벨로 유지된다. 유동 및 압력의 견지에서 잠재적으로 감소되지만, 여전히 플라즈마 제트들(180)은 존재할 수 있다. 플라즈마(126)의 일부는, 중심 구멍(162)의 개구 및 공급 재료(110) 간에 남겨진 간극에서 중심 구멍(162)을 통해 분출된다. 플라즈마(126)의 일부는 공급 재료(110)의 전방 단부(114)를 둘러싸는 환형 플라즈마 제트 또는 흐름을 형성한다. 중심 개구(162)를 관통하면서, 전방 단부(114)는, 이러한 경우, 환형 플라즈마 제트에 의해 부분적으로 미립화될 수 있다. 전방 단부(114)는, 약하기는 하지만 미립화 노즐(160)의 반경방향 구멍들(166)로부터 상당한 속도로 여전히 분출될 수 있는 플라즈마 제트들(180)에 부분적으로 추가 미립화될 수 있다.

반경방향 구멍들(166) 각각은, 미립화 공정을 향상시키기 위해 플라즈마 제트들(180)이 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전되 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료(110)의 전방 단부(114)를 향해 집중되도록 배향될 수 있다. 보다 자세하게, 도 4c 및 도 4d는 각각 미립화 노즐(160)의 평면도와 저면도이다. 반경방향 구멍들(168)은 미립화 노즐(162)의 상부로부터 바닥까지의 플라즈마 토치(120)의 중심 기하학적 길이방향 축에 대하여 내측으로 기울어진 것이 관찰될 수 있다. 이러한 방식으로, 그에 형성된 플라즈마 제트들(180)은 냉각 챔버(170)내에서 중심 구멍(162)과 축방향 정렬된 집중 지점(convergence point)를 향하도록 집중될 것이다. 비한정적으로, 반경방향 구멍들(166)은, 음속 또는 초음속 플라즈마 마이크로-제트들을 생성하기 위해 0.5mm에서 3mm까지의 범위의 직경을 가지고 원통형으로 형성될 수 있으며 플라즈마 토치(120)의 중심 기하학적 길이방향 축에 대하여 20° 내지 70°의 각도로 배향될 수 있다. 반경방향 구멍들(166)의 다른 형상들 및 직경들이 물론 고려될 수 있다.

상술한 바와 같이, 미립화 노즐(160)은 복수의 집중 플라즈마 제트들을 발생시키고, 추가로 환형 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있다. 이제, 환형 플라즈마 제트만을 발생시키는 다른 실시예에 따른 미립화 노즐에 대해 설명한다.

도 5는 다른 실시예에 따른 미립화 노즐을 도시한 것으로, 도 1의 플라즈마 토치의 상세 정면도이다. 이러한 실시예에 있어서, 플라즈마 토치(120)는 토치 몸체(181)의 하단부에 고정된 토치(120)의 바닥 폐쇄 피스(bottom closure piece) 상의 중앙에 배치된 미립화 노즐(660)을 포함하도록 변형된다. 미립화 노즐(660)은 그의 출구 단부에 있는 중심 개구(662) 및 중심 개구(662)를 향해 테이퍼진 내부면(664)을 가진다. 비한정적인 실시예에 있어서, 미립화 노즐(660)의 중심 구멍(662)은 공급 재료(110)를 형성하는 세장형 부재의 단면과 실질적으로 일치하도록 구성되며 크기가 정해지고, 이에 따라 공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 미립화 노즐(660) 내로 이동하게 되면, 플라즈마 토치(120)에서의 플라즈마(126)의 압력 증가가 초래된다. 플라즈마 토치(120)에서의 플라즈마(126)의 압력에 의해 플라즈마의 일부가 미립화 노즐(660)을 통해 분출하게 되고, 미립화 노즐(660)의 내부면(664)과 공급 재료(110)의 전방 단부(114) 사이에 환형 플라즈마 제트(665)를 형성한다. 공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 환형 플라즈마 제트(665)에 노출되면, 공급 재료(110)의 표면 용융과 미립화가 초래된다. 미립화된 공급 재료는 중심 구멍(662)을 통해 플라즈마 토치(120)로부터 나가고 미세 또는 초미세 액적들(182)의 형태로 냉각 챔버(170)로 들어간다. 액적들(182)은, 액적들(182)의 인플라이트 동결이 가능하게 되도록 구성되며 크기가 정해진 냉각 챔버(170)내로 낙하한다. 액적들(182)은, 동결 시, 수집기(190)에 수집되는 분말 입자들(184)로 변한다. 환형 플라즈마 제트(665)를 형성하는 플라즈마의 일부 또한 냉각 챔버로 들어간다.

도 6은 도 1의 플라즈마 토치의 변형예의 상세 정면도로서, 도 5의 미립화 노즐이 도시되며, 미립화 노즐의 출구 단부를 둘러싸는 시스 가스 포트(sheath gas port)가 더 포함된다. 이러한 변형예에 있어서, 앞선 도면들에서의 플라즈마 토치(120)는, 시스 가스(sheath gas)(412)를 수용하는 유입 포트(410)를 부가함으로써 보충된다. 시스 가스(410)는, 미립화 노즐(660)의 중심 구멍을 둘러싸는 환형 캐비티(annular cavity)를 토치의 바닥 폐쇄 피스와 함께 형성하는 커버(414)에 의해 플라즈마 토치(120) 아래에 감금된다. 시스 가스(412)는, 미립화 노즐(660)로부터 분출되는 액적들(182)과 플라즈마를 둘러싸는 시스 가스 커튼(sheath gas curtain)(418)을 형성하기 위하여 환형 시스 가스 유출 포트(416)로부터 분출된다. 축방향의 시스 가스 커튼(418)의 존재에 의해, 액적들(182)이 미립화 노즐(660)을 포함한 플라즈마 토치(120)의 임의의 하류 표면 상에 도달하여 축적되는 것이 방지된다. 명확하게, 시스 가스 커튼(418)은 미립화 노즐(660)로부터 나오는 플라즈마 흐름의 신속한 확장을 방지하고, 이에 따라 액적들(182)이 냉각 챔버의 임의의 하류 표면 상에 충돌하는 것을 방지한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 미립화 노즐(660)의 중심 구멍(662)은, 플라즈마 가스와 액적들(182)에 의해 형성되는 흐름 주위에 시스 가스(412)를 보다 편향시시키 위하여 짧은 환형 플랜지(667)에서 약간 확장될 수 있다. 시스 가스는, 예를 들면 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 가스들 내지 수소, 산소 및/또는 질소와 그들의 혼합물을 포함하는 플라즈마 가스의 소스와 동류의 것일 수 있다. 시스 가스는 대안적으로 다른 가스로 구성될 수 있다.

장치(100)는 미립화 노즐들(160, 660) 중 어느 하나를 통합할 수 있다. 도시되지 않았지만, 시스 가스(416)를 통해 시스 가스(412)를 제공하는 부품들과 미립화 노즐(160)의 조합물을 포함하는 장치(100)의 추가적인 변형 또한 고려된다.

도 7은 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화함으로써 분말 입자들을 제조하는 공정의 작동을 나타낸 흐름도이다. 도 7에서 시퀀스(500)는 가변적인 순서로 수행될 수 있는 복수의 작동들을 포함하고, 작동들의 일부는 동시에 수행될 수 있으며, 작동들의 일부는 선택적일 수 있다.

비한정적인 예시들로서, 와이어, 로드, 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 시퀀스(500)는, 플라즈마 토치, 예를 들면 유도 결합 플라즈마 토치에 공급 재료를 도입하는 것에 의해 작동(510)에서 개시된다. 플라즈마 토치에 공급 재료를 공급하는 단계는, 전형적인 와이어, 로드 또는 튜브 공급 기구를 이용하여 세장형 부재의 공급율을 제어하기 위해, 그리고 필요한 경우, 때로 롤들의 형태로 제공되는 세장형 부재를 직선화시키 위해, 연속적인 방식으로 인젝션 프로브를 통해 이루어질 수 있다.

플라즈마 토치 내에서, 공급 재료의 전방부는 작동(520)에서 플라즈마와의 직접적인 또는 간접적인 접촉에 의해 예열될 수 있다. 인젝션 프로브가 이용될 때, 인젝션 프로브의 단부 너머, 특정적으로 인젝션 프로브의 단부 사이에 있는 플라즈마 토치의 섹션은 공급 재료의 전방부를 예열시키는 예열 영역을 형성할 수 있다. 작동(530)은 공급 재료의 전방부를 플라즈마 토치의 미립화 노즐내로 이동시키는 단계를 포함하고, 공급 재료의 전방부는 미립화 노즐의 중심 개구에 도달한다.

하나 이상의 플라즈마 제트들은 미립화 노즐에 의해 생성된다. 하나 이상의 플라즈마 제트들은, 공급 재료의 전방 단부를 둘러싸는 환형 플라즈마 제트, 미립화 노즐에 의해 분출되는 복수의 집중 플라즈마 제트들 또는 환형 및 집중 플라즈마 제트들의 조합을 포함할 수 있다. 냉각 챔버에 작동가능하게 연결된 2차 플라즈마 토치를 이용하여 추가적인 플라즈마 제트들을 발생시키는 것 또한 고려된다. 작동(540)은 미립화 노즐에 형성된 하나 이상의 플라즈마 제트들에 노출시킴으로써 공급 재료의 전방 단부를 표면 용융시키는 단계를 포함한다.

작동(550)에서, 공급 재료의 미립화에 의해 형성된 액적들은 냉각 챔버 내에서 인플라이트(in-flight) 동결된다. 이후, 작동(560)은 액적들의 인플라이트 동결로부터 생성되는 분말 입자들을 수집하는 단계를 포함한다.

도 7의 시퀀스(500)를 이용한 분말 입자들의 제조는, 적절한 온도 레벨의 플라즈마와 플라즈마 제트들을 유지하는 동안, 공급 재료를 플라즈마 토치내로 연속적으로 전진시킴으로써 연속적으로 이루어질 수 있다. 전반적으로, 공급 재료와 플라즈마 사이의 직접적인 접촉 또는 방열 튜브을 통해 플라즈마에 의해 간접적인 방사 가열에 의해 예열되는 영역에서 공급 재료의 전방부가 이동하는 지속시간은, 공급 재료의 전방부가 미립화 노즐 내로 이동하기 전에 사전결정된 온도에 도달하도록 제어된다. 예열 작동(520)에서 획득된 사전결정된 온도는 공급 재료의 용융점 미만이다. 공급 재료의 에열 시간의 지속시간의 제어는, 공급 재료의 공급율 및/또는 플라즈마 토치에서 예열 영역의 길이를 제어함으로써 이루어질 수 있다.

플라즈마와 플라즈마 제트들의 온도 제어를 통해 시퀀스(500)를 이용하여 분말 입자들을 제조하는 것에 있어서, 순금속들, 예를 들면, 티탄늄(titanium), 알루미늄(aluminum), 바나듐(vanadium), 몰리브덴(molybdenum), 이들의 합금들 또는 티탄늄 합금들, 스틸 및 스테인레스 스틸를 포함하는 다른 금속들, 액상을 가진 임의의 다른 금속성 재료들, 예를 들면 산화물, 질화물 또는 탄화물 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하는 세락믹들, 또는 액상을 가진 임의의 다른 세라믹 재료, 복합재들 또는 이들의 합성물들과 같은 광범위한 재료들이 적용될 수 있다. 앞서의 재료들의 리스트는 공급 재료를 세장형 부재의 형상으로 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치의 애플리케이션을 한정하려는 것이 아니다.

(제1 예시)

제1 예시에 따르면, 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정은, 아래의 작동들을 포함할 수 있다. 제1 예시는, 공급 재료(110)를 가열, 용융 및 미립화시키는 플라즈마 토치(120)를 포함한 도 1 내지 도 6에서 전체 또는 부분적으로 도시된 장치(100)를 이용할 수 있다. 공정은, 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료(110)를 인젝션 프로브(122)를 통해 플라즈마가 발생되는 방전 캐비티의 중심 내로 축방향을 따라 도입하는 단계를 포함한다. 공급 재료(110)는 전형적인 와이어, 로드 또는 튜브 공급 기구(미도시)에 의해 연속적인 방식으로 인젝션 프로브(122)에 공급될 수 있으며, 이러한 공급 기구는 예를 들면 미그/와이어 아크 용접(MIG/Wire welding)을 위한 밀러(Miller)에 의해 상용화된 유닛들과 같은 와이어 아크 용접(wire arc welding)에 현재 이용되는 상업적으로 이용가능한 유닛들과 유사한 것으로, 상술한 바와 같이, 세장형 부재의 공급율을 제어하도록 작동되며, 필요한 경우, 때때로 롤들의 형태로 제공되는 세장형 부재를 직선화시키기 위해 작동되는 휠들을 포함한다. 공급 재료(110)가 인젝션 프로브(122)로부터 나와 플라즈마(126)로 이동하면서, 플라즈마 토치(120)의 하단부에 있는 하류측의 미립화 노즐(160) 내로 진입하기 전에 예열 영역(124)에서 가열된다. 인젝션 프로브(122)의 단부와 미립화 노즐(160)의 진입 지점 사이의 거리는 예열 영역(124)의 길이로 정의된다. 예열 영역(124)에서 플라즈마에 의해 공급 재료(110)가 가열되는 시간은, 예열 영역(124)의 길이 및 세장형 부재가 플라즈마 토치(120)에서 이동하는 선형 속도에 의해 결정된다. 공급 재료(110)가 예열 영역(124)에서 수용하는 에너지의 량은, 예열 영역(124)에서 공급 재료(110)가 예열되는 시간, 플라즈마(126)의 열-물리적 특성들 및 공급 재료(110)를 형성하는 세장형 부재의 직경에 의해 결정된다. 예열 영역(124)의 길이의 제어, 공급 재료(110)를 형성하는 세장형 부재의 선형 속도 및 플라즈마 온도의 제어를 통해, 미립화 노즐(160)에 진입할 때의 공급 재료(110)의 전방 단부(114)의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 최적의 결과들을 위하여, 미립화 노즐(160)을 관통하는 공급 재료(110)의 온도를 가능한 한 높일 수 있으며, 그 온도는 플라즈마 토치(120)의 방전 캐비티에서의 공급 재료(110)의 조기 용융을 방지하기 위해 공급 재료의 용융점에 너무 가깝지 않은 것이 바람직하다.

공급 재료(110)의 예열된 전방 단부(114)가 미립화 노즐(160)로부터 나와 냉각 챔버(170)로 들어가면서, 공급 재료(110)는 복수의 플라즈마 제트들, 예를 들면 고속, 음속 또는 초음속의 마이크로-플라즈마 제트들(180)에 노출되고, 그 플라즈마 제트들은 공급 재료(110)를 형성하는 세장형 부재의 전방 단부(114)의표면 상에 충돌하며, 초기 상태에서, 플라즈마에 의해 혼입되는, 미세하게 분할된 구상의 용융 액적들(182)의 형태로 용융 재료를 벗겨낸다. 미립화된 액적들(182)이 냉각 챔버(170) 내로 추가 이송되면, 냉각되어 공급 재료의 조밀 구상 분말 입자들(184)을 형성하면서 인플라이트 동결된다. 분말 입자들(184)은 냉각 챔버(170)의 바닥에 위치된 컨테이너에서 회복되거나, 그들의 입자 크기 분포에 따라서 수집 필터(collection filter)(미도시) 또는 다운스트림 사이클론(downstream cyclone)(미도시)에 수집될 수 있다.

(제2 예시)

다시, 제2 예시는 공급 재료(110)를 가열, 용융 및 미립화하는 플라즈마 토치(120)를 포함한 장치(100)를 이용할 수 있다. 금속들, 금속 합금들 및 세라믹들의 조밀 구상 입자들의 분말들을 제조하는데 이용가능한 제2 예시에 따르면, 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정은 다음의 작동들을 포함한다.

a. 유체-냉각 유도 코일에 의해 둘러싸인 유체-냉각 플라즈마 감금 튜브를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source), 예를 들면 유도 플라즈마 토치가 구비된다. 유도 코일로부터 플라즈마 감금 튜브의 방전 캐비티로의 전자기 결합(electromagnetic coupling)을 통해 플라즈마 감금 튜브 내측에서 플라즈마가 발생된다. 전반적으로 한정 없이, 유도 결합 플라즈마 소스는, 전형적으로 100 kHz 내지 10 MHz의 주파수 범위 및 대략 10 kPa에서 1.0 MPa까지의 저진공 범위에 이르는 압력으로 작동된다. 플라즈마 가스들의 종류는 아르곤과 헬륨과 같은 불활성 가스들로부터 수소, 산소 및/또는 질소를 가진 그들의 혼합물에 이른다. 유도 결합 플라즈마 소스는 모든 부품의 효율적인 냉각을 제공하는 물과 같은 냉각 유체의 분배를 책임지는 헤드를 포함한다. 헤드는 튜브의 중심에서의 방전을 안정화시키기 위해 방전 캐비티 내의 플라즈마 시스 가스(plasma sheath gas)의 균일한 분배를 추가적으로 제공한다. 플라즈마 시스 가스는 또한 플라즈마 방전으로부터 나오는 고열유속들(high heat fluxes)로부터 플라즈마 감금 튜브를 보호한다. 유도 결합 플라즈마 소스의 하류측 단부에는, 출구 플랜지 설치 노즐(exit flange mounted nozzle)에 의해 플라즈마가 냉각 챔버를 향하여 유동하게 된다. 처리될 재료를 방전 캐비티 내로 도입하는 기능을 수행하는, 중심에 위치된 수-냉각 재료 인젝션 프로브가 유도 결합 플라즈마에 구비될 수도 있다.

b. 미립화될 공급 재료는 적절한 공급 기구를 이용하여 비한정적인 예시들로서 와이어, 로드, 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태로, 제대로 제어된 공급율로 중입 프로브를 통해 도입된다. 공급 재료는 전형적인 와이어, 로드 또는 튜브 공급 기구(미도시)에 의해 연속적인 방식으로 인젝션 프로브에 공급될 수 있으며, 이러한 공급 기구는 예를 들면 미그/와이어 아크 용접(MIG/Wire welding)을 위한 밀러(Miller)에 의해 상용화된 유닛들과 같은 와이어 아크 용접(wire arc welding)에 현재 이용되는 상업적으로 이용가능한 유닛들과 유사한 것으로, 세장형 부재의 공급율을 제어하도록 작동되며, 필요한 경우, 때때로 롤들의 형태로 제공되는 세장형 부재를 직선화시키기 위해 작동되는 휠들을 포함한다.

c. 처리될 공급 재료가 인젝션 프로브로부터 나오면, 공급 재료는 미립화 노즐의 중심 구멍을 향하게 된다. 공급 재료의 존재에 의해 미립화 노즐의 중심 구멍이 적어도 부분적으로 폐쇄된다.

d. 노즐 중심 구멍이 적어도 부분적으로 폐쇄되면, 플라즈마 캐비티에서의 플라즈마의 압력이 증가하게 되다. 압력은 50 kPa 내지 500 kPa 또는 그 이상까지의 범위에 있을 수 있다. 이러한 압력에 의해 플라즈마가 미립화 노즐의 복수의 반경방향 구멍들을 통해 유동하게 되고, 반경방향 구멍들은 노즐의 중심 구멍을 둘러싸는 원형 둘레에 걸쳐 균일하게 분포된다. 이에 의해, 구성과 작동 파라미터들에 의해 결정되는, 음속 또는 초음속 값들에 이르는 초고속을 가진 복수의 집중된 플라즈마 마이크로-제트들이 생성된다.

e. 공급 재료를 형성하는 세장형 부재의 전방 단부가 미립화 노즐의 중심 구멍으로부터 나와 냉각 챔버를 관통하여 노출되면, 플라즈마 제트들에 의해 고열을 받게 된다. 이에 의해, 그의 표면에서의 공급 재료의 용융이 완료되고, 이를 미세 또는 초미세 용융 액적들의 형태로 미립화한다. 이러한 제2 예시에 의해, 5㎛ 내지 수백 마이크로미터 범위의 직경을 가진 액적들이 획득될 수 있다.

f. 미립화된 재료가 상기 발생된 플라즈마 가스에 의해 냉각 챔버에 혼입되면서, 용융 액적들은 냉각되고 인플라이트 고형화되어 시스템의 하류 부분에서 수집되는 조밀 구상 입자들을 형성한다.

(제3 예시)

장치(100)를 이용할 수 있는 제3 예시에 따르면, 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정은, 다음의 작동들을 포함한다.

비한정적인 예시들로서, 와이어, 로드, 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형태의 공급 재료(110)는, 플라즈마 토치(120)의 중심선을 따라 축방향으로 배향된 인젝션 프로브(122)를 통해 도입된다.

플라즈마 토치(120)의 하류측 단부에서 공급 재료(110)가 인젝션 프로브로부터 나오게 되면, 공급 재료(110)의 전방부(112)는 예열 영역(124)에서 방열 튜브(125)를 이용하여 간접적으로 또는 플라즈마(126)과의 직접적인 접촉에 의해 가열될 수 있다. 예열 영역(124)에서의 이동 거리는 및 공급 재료의 이동 속도는, 실제로 용융점에 도달하기 않으면서 공급 재료의 용융점에 가능한 한 가까운 온도로 세장형 부재의 전방부(112)를 가열하는데 충분한 시간을 갖도록 조절될 수 있다.

그 온도에서, 공급 재료(110)의 전방 단부(114) 또는 팁(tip)은 미립화 노즐(160)에 도달하여 그의 중심 구멍(162)을 관통하고, 그 중심 구멍(162)은 제3 예시에 있어서 세장형 부재의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가진다. 공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 미립화 노즐(160)의 하류측으로부터 냉각 챔버(170)로 나오게 되면, 전방 단부(114)에 충돌하는 복수의 플라즈마 제트들(180), 예를 들면 고속 플라즈마 마이크로 제트들(180)에 노출된다. 공급 재료(110)의 전방 단부는 예열 영역(124), 즉 방전 캐비티에서 그의 용융점 근처까지 이미 가열되었기 때문에, 그의 표면에서 신속하게 용융되고 플라즈마 제트들(180)에 의해 벗겨져 미세 또는 초미세 액적들(182)로 변화되고 플라즈마 제트들(180)로부터 생성되는 플라즈마 흐름에 의해 혼입된다. 액적들(182)이 냉각 챔버(170)로 하향 이동하게 되면, 냉각되어 조밀 구상 입자들(184)의 형태로 고형화되고, 그 입자들은 중력에 의해 냉각 챔버(170)의 바닥에 있는 컨테이너(190)에 축적되거나 플라즈마 가스에 의해 다운스트림 분말 수집 싸이클론 또는 미세 금속성 필터로 이송된다.

(제4 예시)

장치(100)를 이용할 수 있는 제4 예시에 따르면, 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정은 다음의 작동들을 포함한다.

비한정적인 예시들로서, 와이어, 로드 또는 충전된 튜브와 같은 세장형 부재의 형탱희 공급 재료(100)는 중심 구멍(162)보다 작은 직경을 가진다. 공급 재료(110)는 플라즈마 토치(120)의 중심선을 따라 축방향으로 배향된 인젝션 프로브(122)를 통해 도입된다.

제3 예시에서와 같이, 공급 재료(110)는 플라즈마 토치(120)의 하류측 단부에서 인젝션 프로브(122)로부터 나오고, 그의 전방부(112)는 예열 영역(124)에서 방열 튜브(125)를 이용하여 간접적으로 또는 플라즈마(126)와의 직접적인 접촉에 의해 가열된다. 예열 영역(124)에서의 이동 거리는 및 공급 재료의 이동 속도는, 실제로 용융점에 도달하지 않으면서 공급 재료의 용융점에 가능한 한 가까운 온도로 세장형 부재의 전방부(112)를 가열하는데 충분한 시간을 갖도록 조절될 수 있다.

그 온도에서, 공급 재료(110)의 전방 단부(114) 또는 팁은 미립화 노즐(160)에 도달하여 그의 중심 구멍(162)을 관통하고, 그 중심 구멍(162)은 제4 예시에 있어서 세장형 부재의 직경보다 큰 직경을 가진다. 공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 미립화 노즐(160)의 중심 구멍(162)을 통해 이동하게 되면, 중심 구멍(162)의 직경과 세장형 부재의 직경 간의 차이에 의해 형성된 간극에 존재하는 환형 플라즈마 제트에 노출된다. 공급 재료(110)의 전방 단부는 예열 영역(124), 즉 방전 캐비티에서 그의 용융점 근처까지 이미 가열되었기 때문에, 공급 재료(110)의 전방 단부(114)가 이러한 환형 플라즈마 제트에 노출되면, 그의 표면에서 신속하게 용융되어 플라즈마 제트들(180)에 의해 벗겨져 미세 또는 초미세 액적들(182)로 변화되고 환형 플라즈마 제트로부터 생성되는 플라즈마 흐름에 의해 혼입된다. 전방 단부(114)가 환형 플라즈마 제트에 의해 완전하게 미립화되지 않는다면, 남아 있는 공급 재료는 미립화 노즐(160)의 하류측로부터 냉각 챔버(170)로 나오게 된다. 남아 있는 공급 재료는 그에 충돌하는 복수의 플라즈마 제트들(180)에 노출된다. 남아 있는 공급 재료는 그의 표면에서 계속적으로 용융되고 플라즈마 제트들(180)에 의해 벗겨져, 미세 또는 초미세 액적들(182)로 변화되고 환형 플라즈마 제트 및 플라즈마 제트들(180)로부터 생성되는 플라즈마 흐름에 의해 혼입된다. 액적들(182)이 냉각 챔버(170)로 하향 이동하게 되면, 냉각되어 조밀 구상 입자들(184)의 형태로 고형화되고, 그 입자들은 중력에 의해 냉각 챔버(170)의 바닥에 있는 컨테이너(190)에 축적되거나 플라즈마 가스에 의해 다운스트림 분말 수집 싸이클론 또는 미세 금속성 필터로 이송된다.

도 3에는 전형적인 플라즈마 미립화 장치(100)가 전체적으로 도시된다. 장치(100)의 도시된 부품들의 기본적인 치수들 및 형상들은 미립화될 재료 및 바람직한 생산율들에 의해 결정되어 크게 변화될 수 있다. 플라즈마 토치(120)의 전력 레벨은, 상업적 제품 규모 유닛에 대하여 일반적으로 10 또는 20 kW에서 수백 kW까지 변화될 수 있다.

다시 도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 미립화 노즐(160) 설계의 예시가 도시된다. 노즐(160)은 플랜지(171)를 포함한다. 미립화 노즐(160)은 유체-냉각 구리 또는 스테인레스 스틸로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 미립화 노즐(160)은 수-냉각 플랜지(171)와 조합되어 그래파이트와 같은 내화 재료로 이루어질 수 있다.

미립화 노즐(160)은 선택적으로 공급 재료(110)를 형성하는 세장형 부재의 직경과 밀접하게 일치하는 중심 개구(162)를 가진다. 미립화 노즐(160)은 중심 구멍(162) 주위에 동등하게 분포되며 본 실시예에 따르면, 플라즈마 토치(120)의 중심 기하학적 길이방향 축에 대하여 45°의 각도로 배향된 복수의 반경방향 구멍들(166)을 가진다. 1.6 mm의 직경을 가진 16개의 반경방향 구멍들(166)을 이용하여 성공적인 작동이 이루어졌으며, 반경방향 구멍들(166)은 중심 개구(162) 주위에 동등하게 분포된다. 반경방향 구멍들(166)의 직경, 개수 및 각도는 미립화될 재료들의 열 물리학적 특성들 및 바람직한 입자 크기 분포에 의해 결정되어 조절될 수 있다.

미립화된 재료는 공급 재료 내에 미리 혼합된 다른 성분들 간의 반응을 통해 미립화 동안에 그의 화학적 조성이 변화될 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 비한정적인 예시는, 공급 재료를 형성하는 튜브를 충전하는 입자들을 형성하는 다른 금속들을 혼합함으로서 합금을 제조한 것이다. 다른 비한정적인 예시는, 충전된 튜브에서의 입자들을 형성하는 화학적 성분들 간의 화학적 반응이다. 미립화된 재료는, 예를 들면, 산화, 질화, 탄화 작용 등에 의해 플라즈마 가스(들), 및/또는 시스 가스(들) 및 미립화된 재료 간의 화학적 반응의 결과로서 미립화 동안에 그의 화학적 조정이 변화될 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.

플라즈마 토치의 방전 영역에서의 유동 및 온도 필드의 유체 역학적 모델링을 기초로, 세장형 부재가 토치에서의 예열 영역을 이동할 때, 공급 재료를 형성하는 세장형 부재에 있어서의 온도 프로파일을 계산할 수 있다. 도 8은 아르곤/수소 유도 플라즈마에 도입된 3.2mm 스테인레스 스틸 와이어를 60kW로 가열하는 모델링 결과들을 나타낸 그래프를 포함하는 개략적인 도면이다. 도 8은 도 1 내지 도 6에 도시된 유도 결합 플라즈마 토치를 이용하여 획득될 수 있는 전형적인 결과들을 제공한다. 도 8에는, 60 kW의 플레이트 전력 및 3 MHz의 오실레이터 주파수를 가진 라디오 주파수 전력 공급기로 작동되는 아르곤/수소 플라즈마용 플라즈마 캐비티에서의 2차원 온도 필드가 좌측에 도시되어 있다. 도 8의 바닥에는, 40 및 60 mm/s의 로드 이동 속도들에 대하여, 3.2 mm 직경의 스테인레스 스틸 로드에서의 대응하는 온도 필드가 주어져 있다. 예상되는 바와 같이, 로드의 전체적인 온도는, 플라즈마 토치의 방전 캐비티에서의 예열 영역을 가로지르는 그의 이동 속도가 증가함에 따라 감소된다. 도 8의 중심에는, 도 8의 좌측에 'z'로서 식별되는 예열 영역(124)의 다른 길이 및 다른 속도들에 대하여 세장형 부재의 팁에서 얻어지는 최대 온도의 변화를 나타낸 그래프가 도시된다. 예열 영역(124)의 길이에 의존하여 상대적으로 좁은 구간 내에 로드 이동 속도를 유지함으로써, 미립화된 제품의 품질에 부정적인 영향을 미치는 너무 낮은 온도의 재료가 미립화 노즐에 도달하는 것 또는 방전 캐비티에서 재료가 때 이르게 용융되는 것을 방지할 수 있다는 것에 주목할 수 있다.

도 9에는 3.2 mm 직경의 스테인레스 스틸 와이어의 미립화에 의해 획득되는 분말 입자들의 전자 마이크로그래프 및 대응하는 입자의 입도 분포의 그래프가 도시된다. 도 1 내지 도 6의 플라즈마 토치를 이용하여 이러한 입자들이 획득될 수 있다. 유도 플라즈마 미립화 공정을 이용하여 스테인레스 스틸 분말 입자들이 획득되었다. 분말 입자들은 대략 62 ㎛의 평균 입자 직경 d₅₀을 가졌으며, 분말 제조율은 1.7 kg/hour이었다. 분말은 대부분 조밀 구성 입자들로 구성되었다. 스플랫들(splats)과 세텔라이트들(satellites)의 특정 개수는 작동 조건들 및 공정 최적화에 의해 결정되어 관찰되었다.

도 10에는 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치를 이용하여 제조되는 다른 스테인레스 스틸 구상 분말 분획들의 전자 마이크로그래프들이 도시된다. 도 1, 도 2a 및 도 2b의 유도 결합 플라즈마를 이용하면 이러한 입자들이 획득될 수 있다. 다시, 분말은 대부분 조밀 구상 입자들로 구성되며, 단지 소수의 스플랫들 및 세텔라이트들이 작동 조건들 및 공정 최적화에 의해 의존하여 관찰되었다.

통상의 기술자라면 분말 입자들을 제조하는 공정 및 장치 및 제조되는 분말 입자들의 설명이 단지 설명을 위한 것이며 어떠한 방식의 한정하려는 것이 아니라는 것을 이해할 것이다. 본 개시의 이익을 받은 통상의 기술자에게는 다른 실시예들 그 자체가 쉽게 제시될 것이다. 또한, 개시된 공정, 장치 및 분말 입자들은, 광범위한 공급 재료들로부터 분말 입자들을 효율적이고 경제적으로 제조하는 분말 입자들과 관련하여 존재하는 요구들 및 문제점들에 대한 소중한 해결책을 제시하도록 맞춤 제작될 수 있다.

본 명세서에 개시된, 세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화함으로써 분말 입자들을 제조하는 공정, 이를 위한 장치 및 그에 의해 제조되는 분말 입자들 다양한 실시예들이 구상될 수 있다. 이러한 실시예들은, 산업적 제조 레벨로 확장가능한 비용 효율적적이고 효과적인 방식으로, 비록 이에 한정되는 것은 아니지만 고순도 금속들, 합금들 및 세라믹들의 미세 및 초미세 분말들을 포함한 광범위한 분말들을 제조하는 공정을 포함할 수 있다. 공정은 순금속들, 합금들 및 세라믹들의 분말을 제조하는데 적용가능하며, 미립화된 재료의 오염이 없거나 최소화되며, 특히 반응하는 금속들과 합금들에 대한 산소 픽업이 없거나 최소화되며, 예를 들면 250 ㎛ 미만의 입자 직경을 가진 미세 또는 초미세 입자 크기를 제조하며, 세텔라이트들에 의한 오염이 없거나 최소화되면서, 입자들이 조밀하고 구상으로 된다.

명확성을 도모하기 위해, 분말 입자들을 제조하기 위해 공정, 장치 및 이의 이용을 실행하는 일상적인 특징들 모두가 도시되고 설명된 것은 아니다. 물론, 분말 입자들을 제조하기 위해 공정, 장치 및 이의 이용에 대한 임의의 실제적 실행에 대한 개발에 있어서, 응용-, 시스템- 및 사업-관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 특정 목표들을 달성하기 위해 많은 실행-특정 결정들이 이루어져야 할 필요가 있으며, 이들 특정 목표들은 하나의 실행에서 다른 실행으로, 그리고 하나의 개발자에서 다른 개발자로 다양할 것이라는 점이 인정될 것이다. 또한, 개발 노력은 복잡하며 시간-소비적이지만, 그럼에도 본 개시의 이익을 받은 재료 처리 분야에서의 통상의 기술자를 위한 공학기술의 일상적인 일일 수 있다는 것이 인정될 것이다.

비록, 본 개시에 대하여 이의 비한적인 예시적 실시예들에 의해 앞서 설명하였지만, 이들 실시예들은 본 개시의 사상과 본성을 벗어나지 않으면서 첨부된 청구범위의 범주 내에서 수정될 수 있다.

Claims

세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 공정에 있어서,
상기 공급 재료를 플라즈마 토치에 도입하는 단계;
상기 공급 재료의 전방부를 상기 플라즈마 토치의 미립화 노즐 내로 이동시키는 단계; 및
상기 미립화 노즐에 형성된 하나 이상의 플라즈마 제트들 쪽으로 노출시킴으로서 상기 공급 재료의 전방 단부를 표면 용융시키는 단계를 포함하고,
상기 하나 이상의 플라즈마 제트들은 환형 플라즈마 제트, 복수의 집중 플라즈마 제트들 및 이들의 조합으로부터 선택되는
분말입자 제조공정.
제 1 항에 있어서,
상기 공급 재료를 플라즈마 토치에 도입하는 단계는 상기 공급 재료를 유도 결합 플라즈마 토치에 도입하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 재료를 인젝션 프로브를 통해 상기 플라즈마 토치에 도입하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방부를 상기 미립화 노즐 내로 이동시키기 전에, 상기 플라즈마 토치에서 생성되는 플라즈마를 이용하여 상기 플라즈마 토치의 예열 영역에서 상기 공급 재료의 상기 전방부를 예열시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 4 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방부는 플라즈마와의 직접적인 접촉에 의해 예열되는
분말입자 제조공정.
제 4 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방부는 플라즈마와의 직접적인 접촉에 의해 가열되는 방열 튜브를 이용하여 간접적으로 예열되는
분말입자 제조공정.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료를 인젝션 프로브를 통해 상기 플라즈마 토치에 도입하는 단계를 포함하고,
상기 플라즈마의 상기 예열 영역은 상기 인젝션 프로브를 너머 연장되는
분말입자 제조공정.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방부의 예열 시간을 조절하기 위하여 상기 예열 영역의 길이를 선택하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미립화 노즐 내로 이동하기 전에 상기 공급 재료의 상기 전방부가 사전결정된 온도에 도달하도록 하기 위하여 상기 플라즈마에 의해 상기 공급 재료의 상기 전방부를 예열하는 지속시간을 제어하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 9 항에 있어서,
상기 사전결정된 온도는 상기 공급 재료의 용융점 미만인
분말입자 제조공정.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 플라즈마에 의해 상기 공급 재료의 상기 전방부를 예열하는 지속시간을 제어하기 위하여, 상기 플라즈마 토치에 도입되는 상기 공급 재료의 공급율을 제어하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마의 온도 및 상기 하나 이상의 플라즈마 제트들의 온도는 순금속, 합금, 복합물 및 이들의 복합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 예열하고 미립화시키도록 각각 제어되는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방 단부를 상기 미립화 노즐을 통해 상기 플라즈마 토치로부터 냉각 챔버로 이동시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 13 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방 단부를 상기 미립화 노즐의 중심 구멍을 통해 상기 플라즈마 토치로부터 이동시키는 단계 및 상기 미립화 노즐의 반경방향 구멍들을 통해 상기 플라즈마 토치로부터 분출시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 14 항에 있어서,
상기 미립화 노즐의 상기 중심 구멍 내에서 상기 환형 플라즈마 제트를 형성하는 단계를 더 포함하는
분말입자 제조공정.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치로부터 상기 냉각 챔버 내로 상기 하나 이상의 플라즈마 제트들을 분출시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 16 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치로부터의 상기 하나 이상의 플라즈마 제트들은 음속 및 초음속으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 고속으로 상기 냉각 챔버 내로 분출되는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 챔버 내에서 상기 공급 재료의 미립화에 의해 형성된 액적들을 인플라이트 동결시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 18 항에 있어서,
상기 액적들의 동결로부터 생성되는 분말 입자들을 수집하는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료를 상기 플라즈마 토치 내로 계속적으로 전진시키는 단계를 포함하는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세장형 부재는 와이어, 로드 및 충전된 튜브로 구성된 그룹으로부터 선택되는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미립화 노즐이 하류에서 시스(sheath)를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 시스 가스는 상기 플라즈마 토치로부터 분출되는 미립화된 재료를 둘러싸는
분말입자 제조공정.
제 22 항에 있어서,
상기 시스 가스 및 상기 플라즈마는 동일한 가스로부터 발생되는
분말입자 제조공정.
제 22 항에 있어서,
상기 시스 가스 및 상기 플라즈마는 다른 가스들로부터 발생되는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료의 표면 용융에 의해 획득되는 미립화된 재료는, 플라즈마 가스 또는 시스 가스 및 상기 미립화 재료 사이의 화학적 반응의 결과로서, 또는 상기 공급 재료 내에 미리 혼합된 다른 성분들 사이의 반응을 통해 미립화 동안 미립화 재료의 화학적 조성을 변화시키는
분말입자 제조공정.
제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 분말입자 제조공정을 이용하여 제조되는
분말 입자들.
세장형 부재 형태의 공급 재료를 미립화시킴으로써 분말 입자들을 제조하는 장치에 있어서,
상기 공급 재료를 수용하는 인젝션 프로브; 및 미립화 노즐;을 포함한 플라즈마 토치를 포함하고,
상기 미립화 노즐은, 상기 인젝션 프로브로부터 상기 공급 재료의 전방부를 수용하고, 플라즈마를 공급받고, 하나 이상의 플라즈마 제트들을 생성하고, 상기 하나 이상의 플라즈마 제트들에 노출됨으로써 상기 공급 재료의 전방 단부의 표면을 용융시키도록, 구성되고,
상기 하나 이상의 플라즈마 제트들은 환형 플라즈마 제트, 복수의 집중 플라즈마 제트들 및 이들의 조합으로부터 선택되는
분말입자 제조장치.
제 27 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는 유도 결합 플라즈마 토치인
분말입자 제조장치.
제 27 항 또는 제 28 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치에서 생성된 플라즈마를 이용하여 상기 공급 재료의 상기 전방부를 예열시키는 예열 영역을 포함하고,
상기 예열 영역은 상기 인젝션 프로브 및 상기 미립화 노들 사이에 위치되는
분말입자 제조장치.
제 29 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방부는 상기 예열 영역에서 상기 플라즈마와의 직접적인 접촉에 의해 예열되는
분말입자 제조장치.
제 29 항에 있어서,
상기 예열 영역에 있는 방열 튜브를 포함하고,
상기 공급 재료의 상기 전방부는 상기 예열 영역에서 상기 플라즈마와의 직접적인 접촉에 의해 가열되는 상기 방열 튜브를 통해 예열되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 및 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미립화 노즐의 하류에서 상기 플라즈마 토치에 설치되는 냉각 챔버를 포함하는
분말입자 제조장치.
제 32 항에 있어서,
상기 공급 재료의 상기 전방 단부는 상기 플라즈마 토치로부터 나와 상기 냉각 챔버 내로 들어가고, 상기 냉각 챔버 내에서 상기 공급 재료의 상기 전방 단부는 상기 복수의 집중 플라즈마 제트들에 노출되는
분말입자 제조장치.
제 32 항 또는 제 33 항에 있어서,
상기 냉각 챔버는, 상기 미립화 노즐에서 상기 공급 재료를 미립화시킴으로써 형성되는 액적들의 인플라이트 동결을 가능하도록 구성되며 크기가 정해진
분말입자 제조장치.
제 34 항에 있어서,
상기 액적들의 동결로부터 생성되는 분말 입자들의 수집기를 포함하는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 재료를 상기 인젝션 프로브에 공급하는 기구를 포함하고,
상기 기구는 상기 세장형 부재의 공급율을 제어하는
분말입자 제조장치.
제 36 항에 있어서,
상기 기구는 또한 상기 세장형 부재를 적어도 하나의 평면에서 직선화시키는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치를 냉각시키는 하나 이상의 냉각 채널들을 포함하는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마는 아르곤, 헬륨, 수소, 산소, 질소 및 이의 조합으로부터 선택되는 가스로부터 발생되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미립화 노즐은 상기 공급 재료의 상기 전방 단부를 수용하는 중심 구멍을 포함하는
분말입자 제조장치.
제 40 항에 있어서,
상기 미립화 노즐은 복수의 반경방향 구멍들을 포함하고, 상기 플라즈마의 분획물들이 상기 구멍들로 유동하여 상기 복수의 집중 플라즈마 제트들을 생성하는
분말입자 제조장치.
제 41 항에 있어서,
상기 미립화 노즐의 상기 중심 구멍은 상기 공급 재료의 단면과 밀접하게 일치하도록 구성되며 크기가 정해지고, 이에 따라 상기 중심 구멍은 상기 공급 재료의 상기 전방부의 삽입에 의해 실질적으로 폐쇄되며, 상기 플라즈마 토치에서 상기 플라즈마의 압력이 증가되며, 상기 복수의 집중 플라즈마 제트들의 생성이 초래되는
분말입자 제조장치.
제 40 항에 있어서,
상기 미립화 노즐의 상기 중심 구멍은 상기 중심 구멍과 상기 공급 재료 사이에 간극을 남기도록 구성되며 크기가 정해지고, 이에 따라 상기 환형 플라즈마 제트가 상기 중심 구멍 내에 그리고 상기 공급 재료의 상기 전방 단부 주위에 형성되는
분말입자 제조장치.
제 40 항에 있어서,
상기 미립화 노즐은 상기 중심 구멍을 향해 테이퍼진 내부면을 포함하고,
상기 미립화 노즐의 상기 중심 구멍은 상기 공급 재료의 단면과 밀접하게 일치하도록 구성되며 크기가 정해지고, 이에 따라 상기 공급 재료가 상기 중심 구멍을 향해 이동하게 되면서 상기 플라즈마 토치에서 상기 플라즈마의 압력이 증가하게 되고, 상기 환형 플라즈마 제트의 생성이 초래되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
시스 가스를 수용하는 유입 포트; 및
상기 플라즈마 토치로부터 분출된 미립화된 재료를 둘러싸는 상기 시스 가스를 주입하는 미립화 노즐의 하류에 위치되는 환형의 유출 포트;를 포함하는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 플라즈마 제트들은 고속 플라즈마 제트들인
분말입자 제조장치.
제 46 항에 있어서,
상기 고속은 음속과 초음속으로 구성된 그룹으로부터 선택되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세장형 부재는 와이어, 로드 및 충전된 튜브로 구성된 그룹으로부터 선택되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는, 플라즈마 가스 또는 시스 가스 및 미립화 재료 사이의 화학적 반응의 결과로서, 또는 상기 공급 재료 내에 미리 혼합된 다른 성분들 사이의 반응을 통해 상기 공급 재료를 표면 용융시킴으로써 획득되는 미립화된 재료의 화학적 조성을 변화시키도록 구성되는
분말입자 제조장치.
제 27 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 따른 분말입자 제조장치에 의해 제조되는
분말 입자들.