RU2699431C1

RU2699431C1 - Method of producing spherical metal powders and apparatus for its implementation

Info

Publication number: RU2699431C1
Application number: RU2018143544A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Кошлаков; Ражудин Насрединович Ризаханов; Николай Николаевич Ситников
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-09-05

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: group of inventions relates to production of spherical metal powders, which can be used for additive technologies. Method includes heating of side surface of rotating cylindrical billet in vacuum to melting temperature by means of electron beam, spraying of melt drops due to centrifugal forces and their cooling in flight. During billet heating, electron beam is moved along generatrix of cylindrical billet. Spraying of melt drops is performed from side surface of rotating cylindrical billet, at that, billet rotation frequency is controlled depending on 1/√R and electron beam power is simultaneously varied depending on √R, where R is billet radius at heating point. An apparatus for implementing the above method is also disclosed.

EFFECT: obtaining spherical particles of metal powder, including refractory metals and alloys, with low dispersion, suitable for use in additive technologies.

5 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Группа изобретений относится к способам и установкам для изготовления узкодисперсных сферических металлических порошков, используемых для аддитивных технологий.The group of inventions relates to methods and installations for the manufacture of finely divided spherical metal powders used for additive technologies.

Известен способ получения металлического порошка методом центробежного распыления расплава (RU 2475336 С1, опубл. 20.02.2013), образующегося при воздействии плазменной струи, создаваемой плазмотроном на торец цилиндрической заготовки, вращающейся вокруг своей оси. Расплав с торца заготовки за счет центробежных сил перетекает на соосно вращающийся диск и срывается с его кромки в виде отдельных капель.A known method of producing a metal powder by centrifugal melt spraying (RU 2475336 C1, publ. 02/20/2013), formed by the action of a plasma jet created by a plasma torch on the end face of a cylindrical workpiece rotating around its axis. The melt from the end face of the workpiece due to centrifugal forces flows onto a coaxially rotating disk and breaks off its edge in the form of separate drops.

Недостатками данного способа являются большие размеры получаемых частиц (100-140 мкм), сильный разброс по размерам, а также низкая энергетическая эффективность процесса, связанная с тем обстоятельством, что существенная часть мощности уносится разогретым в плазмотроне газом. Кроме того, подобный метод получения частиц требует использования крупных заготовок и встречает трудности при необходимости получения порошков тугоплавких металлов.The disadvantages of this method are the large size of the obtained particles (100-140 microns), a strong variation in size, as well as low energy efficiency of the process, due to the fact that a significant part of the power is carried away by the gas heated in the plasma torch. In addition, a similar method for producing particles requires the use of large blanks and encounters difficulties when it is necessary to obtain powders of refractory metals.

Известен способ изготовления металлических порошков (RU 2604743 С1, опубл. 10.12.2016), основанный на плавлении металла лазерным излучением путем прорезывания образца металлического материала и формирования из образовавшегося расплава капель посредством напора струи плазмы и/или струи сжатого нейтрального газа, направленного соосно с лазерным лучом.A known method of manufacturing metal powders (RU 2604743 C1, publ. 10.12.2016), based on the melting of metal by laser radiation by cutting through a sample of metal material and forming droplets from the formed melt by the pressure of a plasma jet and / or a jet of compressed neutral gas directed coaxially with the laser ray.

Основными недостатками этого способа являются: низкая энергетическая эффективность процесса, связанная как с малым КПД преобразования сетевой электрической мощности в лазерное излучение, так и с крайне слабым поглощением лазерного излучения металлами; относительно большое количество отходов металла; сложность обеспечения монодисперсности порошка.The main disadvantages of this method are: low energy efficiency of the process, associated with both low efficiency of converting network electric power into laser radiation and extremely weak absorption of laser radiation by metals; a relatively large amount of metal waste; the difficulty of ensuring the monodispersion of the powder.

Известна установка для получения металлического порошка, раскрытая в источнике CN 204449316, опубл. 08.07.2015. При работе известной установки электронный пучок воздействует в вакууме на торец вращающегося цилиндрического металлического прутка, при этом расплавленный металл разлетается в результате центробежного распыления. Данный способ распыления имеет недостатки, схожие с решением в изобретении RU 2475336 С1, описанном выше. А именно, получение частиц больших размеров и сильный разброс по размерам. Указанные недостатки характерны при разбрызгивании капель с вращающегося торца, так как не все капли срываются с края торца. Крупные капли могут оторваться и не доходя до краев, что ведет к получению частиц порошка с широкой дисперсностью.A known installation for producing metal powder, disclosed in the source CN 204449316, publ. 07/08/2015. During operation of the known installation, an electron beam acts in vacuum on the end face of a rotating cylindrical metal rod, while the molten metal scatters as a result of centrifugal spraying. This spraying method has disadvantages similar to the solution in the invention RU 2475336 C1 described above. Namely, obtaining particles of large sizes and a strong variation in size. These shortcomings are characteristic when spraying drops from a rotating end, since not all drops fall off the edge of the end. Large droplets can come off without reaching the edges, which leads to the production of powder particles with a wide dispersion.

Решение данной проблемы, а именно обеспечение срыва капель с фиксированного радиуса, представлено в изобретении по патенту США US 4218410, опубл. 19.08.1980 - наиболее близкий аналог (прототип) предлагаемой группы изобретений. В известном способе получения порошка торцу вращающегося металлического стержня с использованием электронной пушки придают специальный профиль, чтобы частицы срывались с определенного радиуса стержня. Согласно сведениям, приведенном в прототипе, частицы порошка образуются не за счет срыва капель расплава с боковой поверхности заготовки под действием центробежных сил, а за счет распыления расплава с поверхности вращающейся вспомогательной чаши и использования дополнительной электронной пушки. При этом установка для осуществления этого способа получается чересчур громоздкой, поскольку для получения порошка требуются две электронные пушки.The solution to this problem, namely the provision of stalling drops from a fixed radius, is presented in the invention according to US patent US 4218410, publ. 08/19/1980 - the closest analogue (prototype) of the proposed group of inventions. In the known method for producing powder, a special profile is attached to the end face of a rotating metal rod using an electron gun so that particles break off from a certain radius of the rod. According to the information given in the prototype, powder particles are formed not due to disruption of the melt drops from the side surface of the workpiece under the action of centrifugal forces, but due to the spraying of the melt from the surface of the rotating auxiliary cup and the use of an additional electron gun. In this case, the installation for implementing this method is too cumbersome, since two electron guns are required to obtain the powder.

Помимо чрезвычайной сложности, данный способ (а также конструкция установки) имеет еще один существенный недостаток, связанный с необходимостью одновременного соблюдения большого количества параметров, лежащих в достаточно узком диапазоне значений. Отклонение хотя бы одного параметра от номинала приведет к браку продукции не только в момент отклонения, но и в последующем, хотя отклонение может быть уже ликвидировано. Дело в том, что профиль торца может быть изменен так, что срыв расплава в одной точке не будет обеспечен.In addition to extreme complexity, this method (as well as the design of the installation) has another significant drawback associated with the need to simultaneously comply with a large number of parameters lying in a fairly narrow range of values. Deviation of at least one parameter from the nominal value will result in rejection of products not only at the moment of deviation, but also in the subsequent one, although the deviation can already be eliminated. The fact is that the end profile can be changed so that the melt stall at one point will not be ensured.

Задачей предлагаемой группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков и создание нового способа и установки для получения сферических частиц порошка с применением энергии электронного пучка.The objective of the proposed group of inventions is to eliminate the above disadvantages and create a new method and installation for producing spherical powder particles using the energy of an electron beam.

Технический результат настоящей группы изобретений заключается в обеспечении возможности получения сферических частиц металлического порошка (в том числе из тугоплавких металлов и сплавов) с малой дисперсностью, пригодного для использования в аддитивных технологиях.The technical result of this group of inventions is to provide the possibility of obtaining spherical particles of metal powder (including from refractory metals and alloys) with low dispersion, suitable for use in additive technologies.

Для достижения указанного результата предлагается способ изготовления сферических металлических порошков, включающий нагрев боковой поверхности вращающейся цилиндрической заготовки в вакууме до температуры плавления с помощью электронного пучка, разбрызгивание капель расплава за счет центробежных сил и их охлаждение в полете. Причем во время нагрева заготовки обеспечивают перемещение электронного пучка вдоль образующей цилиндрической заготовки. Разбрызгивание капель расплава осуществляют с боковой поверхности вращающейся цилиндрической заготовки. При этом регулируют частоту вращения ν заготовки согласно зависимости

и одновременно изменяют мощность W электронного пучка согласно зависимости

где R - радиус заготовки в месте нагрева.To achieve this result, a method for manufacturing spherical metal powders is proposed, comprising heating the side surface of a rotating cylindrical billet in vacuum to a melting temperature using an electron beam, spraying the drops of the melt due to centrifugal forces and cooling them in flight. Moreover, during heating of the workpiece, the electron beam is moved along the generatrix of the cylindrical workpiece. Spraying the drops of the melt is carried out from the side surface of the rotating cylindrical workpiece. In this case, the rotation speed ν of the workpiece is controlled according to the dependence

and simultaneously change the power W of the electron beam according to the dependence

where R is the radius of the workpiece at the place of heating.

Нагрев поверхности цилиндрической заготовки до температуры плавления может быть осуществлен за по меньшей мере один оборот заготовки.Heating the surface of the cylindrical workpiece to the melting temperature can be carried out in at least one revolution of the workpiece.

Может быть использован электронный пучок с энергией, выбранной из диапазона 40÷60 кэВ, и плотностью мощности пучка, выбранной из диапазона 10⁹÷10¹¹ Вт/м², а частота вращения заготовки составляет более 100 об/с.An electron beam with an energy selected from the range of 40 ÷ 60 keV and a density of the beam power selected from the range of 10 ⁹ ÷ 10 ¹¹ W / m ^{2 can be used} , and the workpiece rotation frequency is more than 100 r / s.

Предлагается также установка для изготовления сферических металлических порошков, содержащая электронную пушку, цилиндрическую заготовку, установленную на выполненном с возможностью вращения вале и размещенную в вакуумной камере, охлаждаемый порошкоприемник. Установка снабжена магнитной системой для перемещения электронного пучка вдоль образующей цилиндрической заготовки, а также средствами регулирования частоты вращения ν заготовки согласно зависимости

и средствами изменения мощности W электронного пучка согласно зависимости

где R - радиус заготовки в месте нагрева. При этом вал выполнен с возможностью вращения установленной на нем заготовки с частотой вращения более 100 об/с.It is also proposed installation for the manufacture of spherical metal powders containing an electron gun, a cylindrical billet mounted on a rotatable shaft and placed in a vacuum chamber, a cooled powder receiver. The installation is equipped with a magnetic system for moving the electron beam along the generatrix of the cylindrical workpiece, as well as means for controlling the rotation speed ν of the workpiece according to the dependence

and means for changing the power W of the electron beam according to the dependence

where R is the radius of the workpiece at the place of heating. The shaft is made with the possibility of rotation of the workpiece installed on it with a rotation frequency of more than 100 r / s.

В качестве источника концентрированного потока энергии предлагается использовать электронную пушку. При энергиях электронов до 40-60 кэВ механизм нагрева материала пучком аналогичен лазерному, т.е. имеет место исключительно поверхностный нагрев. Однако эффективность преобразования сетевой энергии в энергию луча у электронной пушки составляет выше 90%, а у лазера - 8-12%. Кроме того, лазерное излучение металлами поглощается слабо (5-8%), в то время как энергия электронного пучка преобразуется в тепло с эффективностью 70-85%. Многочисленными исследованиями показано, что для скоростного эффективного плавления материала пучок должен иметь плотность мощности 10⁹-10¹¹ Вт/м² и время воздействия 10^-4-10^-6 с в зависимости от теплофизических характеристик материала. При таких параметрах воздействия образец нагревается и плавится на небольшую глубину, соизмеримую с размерами капель, а весь образец остается практически холодным. Данное обстоятельство является свидетельством эффективности процесса и снижает остроту проблемы теплоотвода. Таким образом, электронные пучки с энергией 40-60 кэВ представляются оптимальными в процессах получения металлических порошков, в том числе из тугоплавких металлов и сплавов. При меньших энергиях могут сказаться эффекты расплывания пучка вследствие рассеяния электронов на частицах газа, выделяющегося при расплавлении материала, или пара материала, который, пусть в небольшом количестве, но все же образуется при плавлении. При больших энергиях начинают сказываться эффекты проникновения электронов в вещество, в результате чего нагрев носит уже не поверхностный, а объемный характер. В этом случае скорость проникновения температурного фронта в расплавленный материал оказывается выше, соответственно выше и энергетические расходы на нагрев материала. Кроме того, увеличение энергии электронов сопровождается увеличением размеров установки, стоимости, а также, возможно, требованиям обеспечения радиационной защиты.It is proposed to use an electron gun as a source of concentrated energy flow. At electron energies up to 40-60 keV, the mechanism of heating the material with a beam is similar to the laser, i.e. exclusively surface heating takes place. However, the efficiency of converting network energy into beam energy for an electron gun is above 90%, and for a laser - 8-12%. In addition, laser radiation by metals is weakly absorbed (5-8%), while the energy of the electron beam is converted into heat with an efficiency of 70-85%. Numerous studies have shown that for high-speed efficient melting of the material, the beam must have a power density of 10 ⁹ -10 ¹¹ W / m ² and exposure time of 10 ^-4 -10 ^-6 s, depending on the thermophysical characteristics of the material. With these exposure parameters, the sample heats up and melts to a shallow depth, commensurate with the size of the droplets, and the entire sample remains practically cold. This circumstance is evidence of the efficiency of the process and reduces the severity of the heat sink problem. Thus, electron beams with an energy of 40-60 keV appear to be optimal in the processes of obtaining metal powders, including those from refractory metals and alloys. At lower energies, the effects of beam spreading can be affected due to electron scattering on the particles of the gas released during the melting of the material, or the vapor of the material, which, albeit in a small amount, but still formed during melting. At high energies, the effects of the penetration of electrons into matter begin to affect, as a result of which the heating is no longer surface, but volumetric. In this case, the rate of penetration of the temperature front into the molten material is higher, respectively, higher and the energy costs of heating the material. In addition, an increase in electron energy is accompanied by an increase in installation size, cost, and, possibly, the requirements for radiation protection.

Заготовку нагревают и соответственно оплавляют по цилиндрической поверхности (а не по торцу). Такой нагрев гарантирует срыв капель с фиксированного радиуса вращающегося тела. В этом случае капли слетают с поверхности при достижении определенной толщины расплавленного материала. В этот момент центробежные силы уравновешивают силы поверхностного натяжения. Математически это устанавливает связь между частотой вращения ν и толщиной расплавленного слоя h. Последнюю величину можно полагать близкой к диаметру образующихся капель. Формула для частоты вращения имеет вид:The billet is heated and, accordingly, melted along a cylindrical surface (and not along the end). Such heating ensures the stall of drops from a fixed radius of the rotating body. In this case, the droplets fly off the surface when a certain thickness of the molten material is reached. At this point, centrifugal forces balance the surface tension forces. Mathematically, this establishes a relationship between the rotation frequency ν and the thickness of the molten layer h. The latter value can be assumed close to the diameter of the droplets formed. The formula for the speed is:

где σ - коэффициент поверхностного натяжения расплавленного металла, Н/м; ρ - его плотность, кг/м³; R - радиус цилиндрической заготовки, м; G -безразмерный коэффициент, зависящий от условий отрыва капель и особенностей установки (G является постоянной величиной и выбирается из диапазона 0,5…3).where σ is the coefficient of surface tension of the molten metal, N / m; ρ is its density, kg / m ³ ; R is the radius of the cylindrical workpiece, m; G is a dimensionless coefficient depending on the conditions of separation of droplets and the characteristics of the installation (G is a constant value and is selected from the range 0.5 ... 3).

Данный способ оплавления обеспечивает монодисперсность получаемых порошков, так как отрыв капель происходит при проплавлении металла на определенную глубину h. Так как из формулы следует, что

то для сохранения размеров слетаемых капель нужно выполнить условие

Это означает, что по мере снижения радиуса R заготовки необходимо увеличивать частоту вращения ν по закону

This method of melting provides monodispersion of the obtained powders, since drops are detached when the metal is melted to a certain depth h. Since it follows from the formula that

then, to maintain the size of the droplets that fall, it is necessary to fulfill the condition

This means that as the radius R of the workpiece decreases, it is necessary to increase the rotation frequency ν according to the law

За 1 оборот (т.е. за 1/ν сек) пучок диаметром d должен нагреть и расплавить материал образца массой m=2πR⋅d⋅hρ, где R - радиус образца, h - глубина плавления, ρ - плотность материала образца. Чтобы нагреть эту массу от комнатной температуры Т₀ до температуры плавления Т_пл нужна энергия mC (Т_пл-Т₀), где С - удельная теплоемкость материала, а чтобы расплавить - нужна еще энергия

где

- удельная теплота плавления. Таким образом, полная энергия, необходимая для нагревания и плавления этой массы, равнаIn 1 revolution (i.e., in 1 / ν sec), a beam of diameter d must heat and melt the material of the sample with mass m = 2πR⋅d⋅hρ, where R is the radius of the sample, h is the melting depth, ρ is the density of the sample material. To heat this mass from room temperature T ₀ to the melting temperature T _pl, energy mC is needed (T _pl -T ₀ ), where C is the specific heat of the material, and to melt it also needs energy

Where

- specific heat of fusion. Thus, the total energy required for heating and melting this mass is

Так как за 1 сек совершается v оборотов, то потребная мощность электронного пучка составляет:Since v revolutions occur in 1 second, the required power of the electron beam is:

Отсюда, в частности, следует, что при уменьшении радиуса заготовки вследствие оплавления материала и разлета капель необходимо соответствующее снижение мощности пучка по закону

From this, in particular, it follows that with a decrease in the radius of the workpiece due to the melting of the material and the expansion of the droplets, a corresponding decrease in the beam power is required by law

Возможен вариант процесса, когда требуемая мощность вводится не за один, а за n оборотов (n≥2). В этом случае нагрев на требуемую глубину осуществляется «порционно» и требуемая мощность пучка составляет W=W₀/n.A process variant is possible when the required power is introduced not in one but in n revolutions (n≥2). In this case, heating to the required depth is carried out “in batches” and the required beam power is W = W ₀ / n.

Группа изобретений поясняется чертежами.The group of inventions is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - схематично показана установка для осуществления способа согласно изобретению (вид сверху).FIG. 1 - schematically shows an installation for implementing the method according to the invention (top view).

Фиг. 2 - схематично показана установка для осуществления способа согласно изобретению (общий вид).FIG. 2 - schematically shows the installation for implementing the method according to the invention (General view).

Для реализации предлагаемого способа используется установка, показанная на Фиг. 1 и 2. Основными узлами установки являются электронная пушка 1, генерирующая электронный пучок 2, который расплавляет боковую поверхность цилиндрической металлической заготовки 3, насаженной на вал 4. Оплавленный материал за счет центробежных сил, вызванных вращением заготовки посредством вала 4, вращающегося с высокой скоростью, срывается с поверхности заготовки и образует поток капель металла 5. Остывая в процессе полета по баллистической траектории внутри вакуумной камеры, капли 5 кристаллизируются в сферические частицы, размеры которых определяются выбранными режимами работы. Регулирование частоты вращения ν заготовки согласно зависимости

и мощности W To implement the proposed method, the installation shown in FIG. 1 and 2. The main components of the installation are an electron gun 1, which generates an electron beam 2, which melts the side surface of a cylindrical metal billet 3, mounted on a shaft 4. The fused material due to centrifugal forces caused by the rotation of the billet through a shaft 4 rotating at high speed, breaks off the surface of the workpiece and forms a stream of metal droplets 5. Cooling during the flight along a ballistic trajectory inside the vacuum chamber, droplets 5 crystallize into spherical particles, the sizes of which are determined by the selected operating mode. Regulation of the rotation speed ν of the workpiece according to the dependence

and power W

электронного пучка согласно зависимости

где R - радиус заготовки в месте нагрева, осуществляется с использованием системы обратной связи. Измерение текущего радиуса R проводится лазерным дальномером, который является ключевым элементом системы обратной связи. Сигнал от дальномера передается на два исполнительных элемента -двигатель, вращающий шестеренку зубчатой передачи 14 (двигатель на фиг. 2 не указан), и на источник высоковольтного питания электронной пушки 1 (фиг. 1, источник на фиг. 1 не представлен). Сигнал дальномера соответствующим способом изменяет управляющие сигналы, подаваемые на двигатель и источник, что в свою очередь изменяет ν и W.electron beam according to

where R is the radius of the workpiece at the place of heating, is carried out using a feedback system. The measurement of the current radius R is carried out by a laser range finder, which is a key element of the feedback system. The signal from the range finder is transmitted to two actuators — an engine that rotates the gear of the gear 14 (the engine in FIG. 2 is not indicated), and to the high-voltage power supply of the electron gun 1 (FIG. 1, the source in FIG. 1 is not shown). The signal of the range finder in a suitable way changes the control signals supplied to the motor and source, which in turn changes ν and W.

Технологический процесс осуществляется в вакуумной камере 6 коробчатой формы, снабженной следующими фланцами:The technological process is carried out in a box-shaped vacuum chamber 6 equipped with the following flanges:

- фланец 7 для обеспечения вакуумной откачки;- flange 7 to ensure vacuum pumping;

- фланец 8 для монтажных работ;- flange 8 for installation work;

- фланец 9 для установки электронной пушки 1;- flange 9 for installing an electronic gun 1;

- фланец 10 для пристыковки порошкоприемника 11.- flange 10 for docking the powder receptacle 11.

Кроме того, для организации вращения заготовки 3 используется мультипликативная система зубчатых передач 14, 15, 16, 17, которая способна в 100-1000 раз увеличить исходную скорость вращения, вводимую через узел 12 вакуумной камеры 6 и уплотнитель 13. Ввиду большой скорости вращения вала 4 используются магнитные подшипники 18.In addition, to organize the rotation of the workpiece 3, a multiplicative system of gears 14, 15, 16, 17 is used, which can 100-1000 times increase the initial speed of rotation introduced through the node 12 of the vacuum chamber 6 and the seal 13. Due to the high speed of rotation of the shaft 4 18 magnetic bearings are used.

Для приема частиц порошка 5 используется порошкоприемник 11, состоящий из цилиндрической трубы 19 и узла сбора 20. Все стенки порошкоприемника выполнены водоохлождаемыми, подача и ввод охладителя осуществляется через штуцер 21. (Штуцеры на узле сбора 20 не указаны).To receive powder particles 5, a powder receptor 11 is used, consisting of a cylindrical pipe 19 and a collection unit 20. All walls of the powder receiver are water-cooled, the supply and input of the cooler is carried out through the nozzle 21. (No fittings on the collection unit 20 are indicated).

Работа установки происходит следующим образом.The installation is as follows.

Включают вакуумный насос для откачки полости вакуумной камеры (пристыкован к фланцу 7). Включают мультипликативную систему зубчатых передач 14-17. При достижении рабочего уровня давления и режимной скорости вращения заготовки 3 включают систему охлаждения порошкоприемника 11 (через штуцер 21).Turn on the vacuum pump to pump out the cavity of the vacuum chamber (docked to flange 7). The multiplicative gear system 14-17 is included. Upon reaching the operating pressure level and the operating speed of the workpiece 3 include a cooling system of the powder receiver 11 (through the fitting 21).

Включают электронную пушку 1. Электронный луч 2 перемещается, вдоль образующей цилиндрической заготовки 3, совершая периодические движения, при помощи магнитной системы (не указана на фигурах), при этом формируется поток расплавленных капель 5. Во время нагрева заготовки осуществляют регулирование частоты вращения ν заготовки согласно зависимости

где R - радиус заготовки в месте нагрева, и одновременно изменяют мощность электронного пучка согласно зависимости

Turn on the electron gun 1. The electron beam 2 moves along the generatrix of the cylindrical workpiece 3, making periodic movements, using a magnetic system (not shown in the figures), while a flow of molten droplets is formed 5. During heating of the workpiece, the workpiece rotational speed ν is controlled according to addictions

where R is the radius of the workpiece in the place of heating, and at the same time change the power of the electron beam according to the dependence

Длина цилиндрической трубы 9 подбирается из соображений обеспечения остывания и кристаллизации капель за время полета до узла сбора 20. Застывшие сферические частицы металлического порошка падают на дно узла сбора 20. Так как условия оплавления материала и срыва капель реализуются на очень малом участке (в окрестностях точки А, представляющей след электронного луча на поверхности заготовки 3, фиг. 2), то образующийся поток капель 5 имеет узкий сектор распространения. Данное обстоятельство позволяет организовать протяженную область разлета капельного потока, используя относительно небольшие объемы. Так, цилиндрическая труба 19 может иметь длину до 3 м при диаметре 30-40 см, что обеспечивает сброс тепловой энергии в процессе баллистического полета капель, превращающихся при остывании в частицы порошка. Это позволяет создать малогабаритные устройства для получения металлических порошков.The length of the cylindrical pipe 9 is selected for reasons of cooling and crystallization of the droplets during the flight to the collection unit 20. Frozen spherical particles of metal powder fall to the bottom of the collection unit 20. Since the conditions of melting of the material and stalling of the droplets are realized in a very small area (in the vicinity of point A representing the trace of the electron beam on the surface of the workpiece 3, Fig. 2), the resulting stream of droplets 5 has a narrow distribution sector. This circumstance allows you to organize an extended area of expansion of the droplet stream, using relatively small volumes. So, a cylindrical pipe 19 can have a length of up to 3 m with a diameter of 30-40 cm, which ensures the release of thermal energy during the ballistic flight of droplets that turn into powder particles when cooled. This allows you to create small-sized devices for producing metal powders.

Пример. Рассмотрим изготовление сферических частиц стали предлагаемым способом. Коэффициент поверхностного натяжения стали при температуре плавления Т_пл=1538°С равен σ=1,8 Н/м, а плотность ρ=7800 кг/м³, удельная теплоемкость стали (железа)

удельная теплота плавления

Example. Consider the manufacture of spherical particles of steel of the proposed method. The surface tension coefficient of steel at the melting temperature T _PL = 1538 ° C is σ = 1.8 N / m, and the density ρ = 7800 kg / m ³ , the specific heat of steel (iron)

specific heat of fusion

Цилиндрическую заготовку из стали диаметром 100 мм (R=0,05 м) вращают с частотой вращения ν=500 об/с посредством высокоскоростного вала, на котором она установлена (коэффициент G принимают равным 1). Т₀=18°С.A cylindrical billet of steel with a diameter of 100 mm (R = 0.05 m) is rotated at a speed of ν = 500 r / s by means of the high-speed shaft on which it is mounted (coefficient G is taken to be 1). T ₀ = 18 ° C.

Нагрев заготовки в вакууме ведут электронным пучком диаметром d=1 мм=0,001 м, мощностью пучка W₀=35 кВт, плотностью мощности равной 3,5⋅10¹⁰ Вт/м². За время 6⋅10^-6 с материал плавится на глубину 30 мкм и за счет центробежных сил срывается с боковой поверхности цилиндрической заготовки. Таким образом, на выходе получают сферические частицы стального порошка диаметром 30 мкм с производительностью - 130 кг/час.The preform is heated in vacuum by an electron beam with a diameter of d = 1 mm = 0.001 m, a beam power of W ₀ = 35 kW, and a power density of 3.5 × ^{10 10} W / m ² . During 6⋅10 ^-6 s, the material melts to a depth of 30 μm and, due to centrifugal forces, breaks off the side surface of the cylindrical workpiece. Thus, spherical particles of steel powder with a diameter of 30 μm with a productivity of 130 kg / h are obtained at the output.

Claims

1. A method of manufacturing spherical metal powders, comprising heating the side surface of a rotating cylindrical billet in vacuum to a melting point using an electron beam, spraying the melt drops by centrifugal forces and cooling them in flight, characterized in that the electron beam is moved during heating of the billet along the generatrix of the cylindrical billet, and melt droplets are sprayed from the lateral surface of the rotating cylindrical billet, while they determine the rotation frequency ν of the workpiece, depending on

and simultaneously change the power of the electron beam W depending on

where R is the radius of the workpiece at the place of heating.

2. The method according to p. 1, characterized in that the heating of the side surface of the cylindrical workpiece to the melting temperature is carried out for at least one revolution of the workpiece.

3. The method according to p. 1, characterized in that they use an electron beam with an energy selected from the range of 40 ÷ 60 keV and a power density of the beam selected from the range of 10 ⁹ ÷ 10 ¹¹ W / m ² and the workpiece rotation frequency is more than 100 rpm

4. Installation for the manufacture of spherical metal powders containing an electron gun, a cylindrical workpiece mounted on a rotatable shaft and placed in a vacuum chamber, a cooled powder receiver, characterized in that it is equipped with a magnetic system for moving the electron beam along the generatrix of the cylindrical workpiece, means for controlling the rotation frequency of the workpiece ν depending on

and means for changing the power of the electron beam W depending on

where R is the radius of the workpiece at the place of heating.

5. Installation according to claim 4, characterized in that the shaft is configured to rotate the workpiece mounted on it with a rotation frequency of more than 100 r / s.