RU2468891C1

RU2468891C1 - Method of making heat-resistant alloy pellets

Info

Publication number: RU2468891C1
Application number: RU2011146883/02A
Authority: RU
Inventors: Генрих Саркисович Гарибов; Виктор Яковлевич Кошелев; Дмитрий Игоревич Сухов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС")
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-12-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of metal pellets. Pellets are produced by plasma melting and centrifugal spraying in fusing the end 7 of revolving blank 1 by plasma jet 3 from plasmatron 4 in atmosphere of inert gas or mix of gases. Plasmatron is mounted with its axis offset relative to blank revolution axis to allow uniform and complete heating of blank end. Torus-like rim 2 of melt is formed on blank edge wherefrom melt drops are torn off by gravity to get crystallised to make equal-size pellets.

EFFECT: more accurate sizes, higher yield.

2 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковой металлургии и способам получения металлических порошков (гранул). Предлагаемый способ позволяет получать гранулы узкого фракционного состава, что снижает их потери при дальнейшей классификации по фракциям и, тем самым, повышает выход годного.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to powder metallurgy and methods for producing metal powders (granules). The proposed method allows to obtain granules with a narrow fractional composition, which reduces their losses during further classification by fractions and, thereby, increases the yield.

Известен метод получения высококачественного порошка (Патент США №3802816, B22F 9/14), включающий в себя подачу заготовки в камеру через отверстие, придачу ей вращения, создание дуги между катодом и самой заготовкой, выступающей в качестве анода, плавление металла торца заготовки под действием дуги, отделение частиц расплавленного металла под действием центробежных сил от кромки заготовки и их охлаждение в процессе полета в среде инертного газа.A known method of obtaining high-quality powder (US Patent No. 3802816, B22F 9/14), which includes feeding the preform into the chamber through an opening, adding rotation to it, creating an arc between the cathode and the preform acting as an anode, melting the metal of the end face of the preform under the action arcs, separation of particles of molten metal under the action of centrifugal forces from the edge of the workpiece and their cooling during flight in an inert gas environment.

Недостатком данного метода является то, что для создания дуги необходим подвод тока к заготовке, которая вращается с большой скоростью. В результате дуга между заготовкой и катодом является очень нестабильной, что приводит к неравномерному оплавлению заготовки и, в свою очередь, получению большого количества гранул, достаточно сильно отличающихся по размеру. При дальнейшей классификации более крупные гранулы попадают в отсев и снижают выход годного.The disadvantage of this method is that to create an arc, a current supply is necessary to the workpiece, which rotates at high speed. As a result, the arc between the workpiece and the cathode is very unstable, which leads to uneven melting of the workpiece and, in turn, to obtain a large number of granules, quite different in size. With further classification, larger granules fall into screening and reduce yield.

В качестве прототипа был выбран способ производства порошка центробежным распылением, описанный в патенте РФ №2361698, B22F 9/08 от 20.07.09. Он включает в себя вращение цилиндрической заготовки 1 (см. рис.1) вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки потоком плазмы 2, отрыв частиц от кромки торца заготовки и их кристаллизацию в среде инертного газа. Плазма для расплавления торца получается в результате ионизации струи газа дугой, возникающей между катодом и анодом, являющимися элементами конструкции плазмотрона 3.As a prototype, the method of powder production by centrifugal spraying was described, described in the patent of the Russian Federation No. 2361698, B22F 9/08 from 07.20.09. It includes rotation of a cylindrical preform 1 (see Fig. 1) around a horizontal axis, fusion of the end of the preform with a plasma stream 2, separation of particles from the edge of the end of the preform, and their crystallization in an inert gas. Plasma for melting the end face is obtained as a result of ionization of a gas stream by an arc arising between the cathode and anode, which are structural elements of the plasma torch 3.

Недостатком данного метода является получение гранул широкого фракционного состава, ведущий к потерям при классификации по фракциям. Капли расплава отрываются от кромки заготовки по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности вогнутой полости. Пленка жидкого металла, образующаяся при расплавлении торца заготовки, при достижении кромки заготовки разрушается и переходит в капли расплава. В результате такого разрушения образуются капли, существенно отличающиеся по размеру. Это приводит к тому, что образуется достаточное количество крупных гранул, которые при дальнейшем их отсеве снижают выход годного.The disadvantage of this method is the production of granules of wide fractional composition, leading to losses in the classification by fractions. Drops of the melt come off from the edge of the workpiece on a conical surface formed by a tangent to the curved surface of the concave cavity. The liquid metal film formed during the melting of the end face of the workpiece, when it reaches the edge of the workpiece, is destroyed and passes into drops of melt. As a result of such destruction, droplets are formed that differ significantly in size. This leads to the fact that a sufficient number of large granules are formed, which, upon further screening, reduce yield.

Предлагаемый способ включает в себя вращение заготовки, оплавление торца заготовки струей плазмы, получаемой ионизацией газа с помощью плазмотрона, образование «венца» из расплава на кромке заготовки, отрыв капель расплава от «венца» и их кристаллизацию в среде инертного газа или в смеси инертных газов.The proposed method includes the rotation of the workpiece, the melting of the end face of the workpiece with a plasma jet obtained by ionization of the gas using a plasma torch, the formation of a “crown” from the melt at the edge of the workpiece, the separation of drops of melt from the “crown” and their crystallization in an inert gas medium or in a mixture of inert gases .

Способ предлагает устранить недостаток прототипа следующим образом: устанавливается эксцентриситет (смещение) оси плазмотрона относительно оси заготовки. В результате на кромке заготовки реализуется механизм образования капли расплава при помощи «венца», заметно снижающий количество крупных гранул в общей массе.The method proposes to eliminate the disadvantage of the prototype as follows: sets the eccentricity (offset) of the axis of the plasma torch relative to the axis of the workpiece. As a result, on the edge of the workpiece, a melt drop formation mechanism is implemented using a “crown”, which significantly reduces the number of large granules in the total mass.

Принципиальная схема центробежного распыления по предлагаемому способу приведена на рис.2.A schematic diagram of centrifugal spraying according to the proposed method is shown in Fig. 2.

Предлагаемый способ технически состоит в следующем. Заготовке 1 диаметром d придается вращение в камере распыления, заполненной смесью инертных газов. При этом ось плазмотрона 4, в отличие от прототипа, смещена относительно оси вращения заготовки на расстояние h. Струя плазмы 3, получающаяся в результате ионизации газа дугой плазмотрона, оплавляет торец заготовки 7. На поверхности образуется вогнутая полость 5 с тонкой пленкой расплава. На ободе заготовки в процессе распыления появляется так называемый «венец» 2, представляющий собой тороид из жидкого металла, вращающийся вместе с заготовкой. От него под действием центробежной силы отрываются капли расплава 6, которые кристаллизуются в полете, принимая форму сферы.The proposed method technically consists in the following. A blank 1 of diameter d is rotated in a spray chamber filled with a mixture of inert gases. The axis of the plasma torch 4, in contrast to the prototype, is offset relative to the axis of rotation of the workpiece by a distance h. A plasma jet 3, resulting from gas ionization by an arc of a plasma torch, melts the end face of the workpiece 7. A concave cavity 5 with a thin melt film is formed on the surface. The so-called “crown” 2 appears on the rim of the workpiece during the spraying process, which is a toroid of liquid metal that rotates with the workpiece. Drops of the melt 6 are detached from it under the action of centrifugal force, which crystallize in flight, taking the shape of a sphere.

Главным отличием предлагаемого способа является наличие эксцентриситета (h) между осями заготовки и плазмотрона. Причем эксцентриситет устанавливается таким образом, чтобы обеспечить наиболее полный и равномерный прогрев торца заготовки. В результате такого смещения оси вращения на поверхности торца заготовки реализуется механизм каплеобразования с помощью «венца», проходящий в несколько стадий:The main difference of the proposed method is the presence of an eccentricity (h) between the axes of the workpiece and the plasma torch. Moreover, the eccentricity is set in such a way as to ensure the most complete and uniform heating of the end face of the workpiece. As a result of such a displacement of the axis of rotation on the surface of the end face of the workpiece, a droplet formation mechanism is realized using a “crown”, which takes place in several stages:

1. При оплавлении торца быстровращающейся заготовки на его поверхности появляется вогнутая полость, на которой образуется пленка расплава толщиной порядка 10-70 мкм, перемещающаяся по спиралеобразным кривым к периферии торца.1. When the end face of a rapidly rotating workpiece is melted, a concave cavity appears on its surface, on which a melt film with a thickness of the order of 10-70 μm is formed, moving along spiral curves to the periphery of the end face.

2. На стыке торцевой и цилиндрической поверхностей происходит накопление массы расплава, т.е. образование тороидального «венца», который удерживается на заготовке за счет сил поверхностного натяжения. Толщина «венца» в несколько раз превышает толщину пленки на торце заготовки.2. At the junction of the end and cylindrical surfaces, the mass of the melt accumulates, i.e. the formation of a toroidal "crown", which is held on the workpiece due to surface tension forces. The thickness of the "crown" is several times greater than the thickness of the film at the end of the workpiece.

3. Под влиянием возмущений, вызванных вращением заготовки, в отдельных участках «венца» появляются сферические головки. По мере перетекания расплава от центра заготовки к ее краям масса «венца» увеличивается, и под действием центробежных сил сферические головки отрываются от венца, образуя капли расплава. Эти капли сфероидизируются и кристаллизуются в среде смеси сверхчистых инертных газов, заполняющей камеру распыления.3. Under the influence of disturbances caused by the rotation of the workpiece, spherical heads appear in separate sections of the “crown”. As the melt flows from the center of the workpiece to its edges, the mass of the “crown” increases, and under the action of centrifugal forces, the spherical heads detach from the crown, forming drops of melt. These droplets are spheroidized and crystallized in a medium of a mixture of ultrapure inert gases filling the atomization chamber.

Преимущество предлагаемого метода объясняется следующим. Масса расплава равномерно перемещается по поверхности оплавляемого торца вследствие устойчивого режима центробежного вращения заготовки. Поэтому «венец» имеет примерно одинаковый объем жидкого металла по сечению. Большая часть сферических головок, образующихся на «венце», имеют примерно одинаковый объем металла. Соответственно, при их отрыве от «венца», капли также обладают примерно равным объемом, и, как следствие, примерно равной массой, что позволяет получать гранулы, достаточно близкие по размеру. Это обеспечивает более узкий фракционный состав гранул, производимых по предлагаемому методу.The advantage of the proposed method is explained by the following. The mass of the melt evenly moves along the surface of the molten end due to the stable centrifugal rotation of the workpiece. Therefore, the "crown" has approximately the same volume of liquid metal in cross section. Most of the spherical heads formed on the “crown” have approximately the same volume of metal. Accordingly, when they are separated from the "crown", the droplets also have approximately equal volume, and, as a result, approximately equal mass, which allows granules to be obtained that are quite close in size. This provides a narrower fractional composition of the granules produced by the proposed method.

ПРИМЕР. В качестве материала для распыления были взяты заготовки из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП. По предлагаемому способу были проведены три цикла плазменного распыления с различной частотой вращения заготовки для получения гранул заданных фракций. Эксцентриситет установили равным 20 мм. Далее проводили классификацию гранул методом виброситового анализа с целью определения фракционного состава гранул. Полученные результаты плазменных распылений сравнивали с результатами распыления по прототипу. Все данные по плазменному распылению и по фракциям гранул, а также полученные результаты по выходу годного представлены в таблице.EXAMPLE. As a material for spraying, we took blanks of heat-resistant nickel alloy EP741NP. According to the proposed method, three cycles of plasma spraying were carried out with different rotation speeds of the workpiece to obtain granules of desired fractions. The eccentricity was set equal to 20 mm. Next, the granules were classified by the method of vibrosieve analysis in order to determine the fractional composition of the granules. The obtained results of plasma spraying were compared with the results of spraying on the prototype. All data on plasma spraying and on fractions of granules, as well as the results obtained on the yield are presented in the table.

Из таблицы видно, что при плазменном распылении по всем трем режимам наблюдается существенное преимущество предлагаемого метода перед прототипом в плане выхода годного. Причем с уменьшением размера гранул это преимущество становится более значительным.The table shows that with plasma spraying in all three modes, there is a significant advantage of the proposed method over the prototype in terms of yield. Moreover, with a decrease in the size of the granules, this advantage becomes more significant.

Данные по плазменному распылению партий гранул сплава ЭП741НПData on plasma spraying of batches of pellets of alloy EP741NP № п/пNo. p / p Диаметр заготовки, ммDiameter of the workpiece, mm Угловая скорость, с^-1 Angular velocity, s ^-1 Фракция гранул, мкмThe fraction of granules, microns Выход годного, %Yield,% Гранулы, изготовленные по предлагаемому способуPellets made by the proposed method 1one 8080 13081308 140-50140-50 8989 22 16751675 <100<100 9292 33 24072407 <70<70 92,592.5 Гранулы, изготовленные по прототипуPrototype granules 1one 7575 942942 <200<200 7575

Claims

A method of producing granules of heat-resistant alloys, including rotation of the workpiece, melting the end of the workpiece with a plasma jet obtained by ionizing the gas with a plasma torch to obtain granules of heat-resistant alloys by crystallization of drops of melt in an inert gas medium or in a mixture of inert gases, characterized in that the plasmatron is set with its eccentricity axis relative to the axis of rotation of the workpiece to ensure uniform and complete heating of the end face of the workpiece and the formation of a toroidal "crown" on the edge of the workpiece, from which Under the action of centrifugal forces, droplets of the melt open and crystallize in the form of granules of approximately the same size.