TW201642974A - 大量生產高品質球狀粉末的電漿裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露藉由電漿焊炬和感應加熱的結合使用，利用大直徑焊線或桿大量生產高純度粉末的裝置和方法。該方法藉由結合更有效的感應預熱系統提供了更加卓越的生產率，在該裝置中也包括一機構，使其得以調節該等電漿焊炬的位置以及該等電漿焊炬相對於該焊線的攻角，其對於從電漿捲流到該焊線的機械能和熱能的傳遞具有直接的作用，使其得以對產能以及顆粒尺寸分布精巧地控制。再者，改變感應頻率得以對該焊線內的溫度分布最佳化，其可直接與所得之平均顆粒尺寸相關聯。

Description

大量生產高品質球狀粉末的電漿裝置
本發明的標的涉及高純度球狀粉末的生產，該等高純度球狀粉末主要應用於積層製造(3D列印)及熱均壓加工(HIP)。
現今，對於精細、高品質的球狀金屬粉末的需求不斷增長。例如，此種粉末的一個主要用途在於3D列印產業，其須要具有尺寸切割範圍極小的高品質球狀無隨體(satellite-free)之Ti-6 Al-4V(鈦合金)，通常在45-45微米之間，或者45-106μm。106-250μm的切割尺寸係用於熱均壓加工(HIP)。
由於使用了當前市場上可得的最高品質的粉末，上述用途在品質方面將標準提高了。許多的指標被用於評估粉末的品質：粉末的球狀，粉末的顆粒尺寸分布，不存在隨體(附著於主要顆粒上的顯然較小的顆粒)。目前的一個問題是這種品質的粉末的產能有限，另一個問題則是典型的原子化系統產生的顆粒尺寸範圍過廣，但是工業生產要求範圍非常窄且特定的切割。
近幾年來，已經開發出眾多藉由原子化來生產粉末的方法。
例如，美國專利第5,707,419號揭露了一種方法，其中，電漿焊炬被用於熔化及原子化一鈦焊線。在這個專利中，例如使用線直徑限制在3.2mm(1/8”)，鈦的進料速率被限制在0.75kg/h，且該電漿焊炬相對於進料軸固定在30°角的位置上，此30°角的判定為在某些情況下其為最佳的角度。在這裡，該電漿焊炬被固定在此特定角度以確保對準焊線。儘管這個方法在運轉之間的重複性上佔優勢，而且降低了瞄準到焊線旁邊的機會，但申請人的經驗顯示這個配置並不是最佳的。
在PCT專利公開第WO 2011/054113號中，提出了一種方法，使用電極來預熱以提升電漿原子化的生產率。使用電極來預熱是非常複雜的製程。在這個設置中，通常具有多個電極[3]以及三個電漿焊炬[3]，以確保均勻地加熱。焊線藉由每個電極發射至焊線的電弧加熱。從而，三道電流穿過焊線，且利用電阻加熱來對焊線加熱。這個方法須要操作六個電源，要注意的是，電源越多。便更難控制載入至焊線的熱量。除此之外，這也顯著增加了資金成本和操作成本。
在這個設置中也存在若干機械上的不便。舉例而言，電漿原子化要發生時，焊炬相對於焊線的對準是非常關鍵的。所有的電極和焊炬以及焊線必須匯聚在同一個精準的點上。尖端匯聚點周圍的空間非常有限，所以，組裝的設計係受限於機械限制條件，而不是受限於製程本身。
因此，希望開發出一種簡化的裝置，使其得以提升電漿原子化的生產率，同樣對得以控制顆粒尺寸分布的系統能有所獲益。
因此高度期待提供一種生產高品質粉末的新穎裝置。
也同樣高度期待提供一種生產高品質粉末的新穎方法。
本發明所描述的實施例一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的裝置，該裝置包括：一用以預熱該焊線的裝置；至少一電漿焊炬，用以加熱該焊線至原子化；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
又，本發明所描述的實施例在另一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的裝置，該裝置包括：電漿焊炬，用以原子化該焊線，該等電漿焊炬被配置以在一反應器上轉動且旋轉；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
再者，本發明所描述的實施例在另一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的裝置，該裝置包括：電漿焊炬，用以原子化該焊線，該等電漿焊炬相對於該焊線的角度被 配置為可以調節，以調節粉末顆粒尺寸分布；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
再者，本發明所描述的實施例在另一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的方法，該方法包括：預熱該焊線；加熱該焊線至原子化；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
再者，本發明所描述的實施例在另一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的方法，該方法包括：提供電漿焊炬，該等電漿焊炬被配置以在一反應器上轉動且旋轉；調節該等電漿焊炬在該反應器上的位置；使用該等電漿焊炬，以原子化該焊線；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
再者，本發明所描述的實施例在另一方面提供了一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的方法，該方法包括：提供電漿焊炬，以原子化該焊線，調節該等電漿焊炬相對於該焊線的角度，以調節粉末顆粒尺寸分布；使用該等電漿焊炬，以原子化該焊線；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
此外，本發明所描述的實施例在另一方面提供利用上述任一方法所生產的粉末。
此外，本發明所描述的實施例在另一方面提供利用上述任一裝置所生產的粉末。
1‧‧‧焊線捲軸
2‧‧‧焊線
3‧‧‧焊線供線和矯直器
4‧‧‧貫穿法蘭
5‧‧‧線材導件
6‧‧‧感應線圈
7‧‧‧電漿焊炬
8‧‧‧尖端
9‧‧‧孔板
10‧‧‧反應器
11‧‧‧粉末
12‧‧‧離塵器
13‧‧‧氣密隔離閥
14‧‧‧濾塵器
15‧‧‧出口
21‧‧‧壓縮接頭
22‧‧‧引線
30‧‧‧球法蘭
31‧‧‧底部法蘭
32‧‧‧頂部法蘭
P‧‧‧裝置
為了更好的理解本發明所描述的實施例，且更加清楚地顯示這些實施例是如何有效地實施，將參考所附圖式僅以舉例的方式顯示出至少一個實施例，在圖式中：第1圖為依據本發明一示範實施例之電漿裝置的一般示意圖；第2圖為依據本發明一示範實施例之感應線圈和線材導件的細節放大 剖面圖；第3圖為依據本發明一示範實施例之使用球法蘭的焊炬角度調節機構的細節放大剖面圖；第4圖為感應頻率對焊線中溫度分布的影響的示意圖；第5a圖和第5b圖顯示對於傳統的焊炬和依據本發明一示範實施例的焊炬之間，焊炬角度以及頂端與焊線的接近程度的比較，其中，在第5a圖中，傳統的焊炬呈固定的30°角，其造成了較長的距離；而在第5b圖中，本發明的焊炬顯示出更具有侵略性的角度，其轉換成更加貼近的噴嘴，從而在電漿和焊線之間極大化熱量和動量轉化。
為了生產高品質粉末，在電漿原子化反應器中控制顆粒尺寸且極大化生產率，本發明提出一裝置P和一方法，藉以可調節焊炬角度並且使焊線得以預熱。現在已經證實改變角度以及噴嘴的頂端鄰近焊線的程度對生產量以及顆粒尺寸分布具有顯著的效果。
如第1圖所示，在一焊線捲軸1上提供一焊線2，該焊線2自該焊線捲軸1展開，然後穿過一焊線進料和矯直器3，矯直後的焊線2通過一貫穿法蘭4，然後，在其尖端8處(該尖端為焊線2和三個電漿焊炬7的交匯點)被三個電漿焊炬7原子化之前，該焊線2進入由一感應線圈6纏繞的一線材導件5。如此所產生的粉末穿過一孔板9，且在一反應器10中下降時冷卻。
一旦預熱之後，焊線2接著到達尖端8，該處為焊線2和三個電漿焊炬7交匯進行原子化的區域。熔化狀態原子化後的顆粒在降落進入反應器10的一腔室內時冷卻回到固態，粉末11進而氣動地傳送至一離塵器12，該離塵器12將粉末從其氣相分離出來。粉末被收集於一濾塵器14的底部，而乾淨的氣體經出口15排出至一更精細的過濾系統(圖中未顯示)。該濾塵器14可藉由一氣密隔離閥13與離塵器12隔離。
現在將注意力轉回到感應線圈6，本發明的裝置P使用一感應線圈來預熱焊線2，其使用單一電源，而且熱源不會妨害到尖端區域。在這個配置中，焊線預熱係透過單一均勻且小型的熱源。焊線的溫度可藉由 調節感應功率來控制，感應功率為感應線圈6中電流的函數。
在第2圖中顯示了感應預熱裝置。貫穿法蘭4由非導電材料製成，以確保整體反應器與該線圈絕緣。貫穿法蘭4具有二個氣密孔，裝配有壓縮接頭21，用以將感應線圈6的引線22穿入反應器10中。
線材導件5可以設計成為與感應起反應或者可為感應所通透。例如，線材導件5可由鋁或氮化矽製成，這些材料可為感應所通透。線材導件5也可以由碳化矽或石墨製成，這些材料會與感應起反應。在後者的情況中，被感應所加熱之熱的線材導件會將熱量輻射回到焊線2。
舉例而言，當所用的焊線為直徑1/4”的Ti-6Al-4V Grade 23 ELI的時候，這種焊線的最佳感應頻率已被發現係介於170至290kHz之間。這個最佳頻率隨著形狀和尺寸大小以及材料而變化，也隨著線材導件所用材料的特性變化。
第3圖描繪了可調焊炬角度機構，該機構包括旋轉球法蘭30。所述三個電漿焊炬7用於原子化焊線2，這三個電漿焊炬7附接至使用了旋轉球法蘭的反應器頭部的主體。每一個球法蘭30都包括兩個彼此安裝的法蘭，也就是一底部法蘭31和一頂部法蘭32，這二個法蘭可彼此相互轉動。連接於反應器頭部的底部法蘭31是固定的，而頂部法蘭32可在每個軸上至多旋轉4°角。假設反應器頭部設計成具有30°的標稱角度，這意味著焊炬7可涵蓋26°至34°之間的任何角度。
當改變相對於焊線2的焊炬角度時，也將移動尖端8(焊線2和三個電漿焊炬7的交匯點)的位置，因為焊炬7具有固定的長度，改變角度將對效率造成影響。為了避免這種問題發生，可以使用與墊片耦合之較長的焊炬。申請人發現噴嘴的頂端離焊線越近，生產量越高且平均顆粒尺寸越小。藉由使用較長的焊炬和多種尺寸的墊片，可以獲得任何角度且保持尖端8的位置位在同一地方。
樞轉該等電漿焊炬7似乎對電漿原子化過程起很重要的作用。如前所述，傳統的系統中，最佳的角度被固定在30°。儘管可能有人會懷疑此陳述，能夠旋轉焊炬並非一顯而易見的替代選項。因此，在前述系統的情況下，繼續維持固定角度是合乎情理的。本發明中的設置建議藉由在設計中增加旋轉球法蘭30，以賦予該系統靈活性。
改變焊線2和電漿噴流之間的攻角可以在數種方式上影響原子化。電漿原子化相對於傳統的氣體原子化之間的主要區別在於熱量係由噴流提供。因此，有二個主要的方面須加以考慮；亦即，從電漿焊炬7到焊線2的熱傳遞，以及原子化本身。
對電漿原子化很重要的一點是焊炬7和焊線2之間熱傳遞的品質。實際上，一適當的校準是須要的，攻角也對熱傳遞有影響。在兩種不同的方式中；角度越陡(或越小)，交換熱量的表面積(A)將增加。另一方面，較淺(或較高)的角度將促使較高的交換係數(h)。又，將噴嘴靠得越近，將增加視為焊線的電漿捲流的溫度及其速度，這將分別導致較高的溫度差(△T)和較高的交換係數(h)。
Q=hA△T
其中，Q為所傳遞的熱量
h為熱傳遞係數
A為用於交換的表面積；以及△T為焊線和焊炬之間的溫度差。
上面的方程式為一典型的熱傳方程式，目標是極大化Q的值。角度將對h和A兩者都造成影響，從熱傳的觀點來看，最佳的角度是在一特定的焊線進料速率、尺寸和材料下，極大化Q的角度。
原子化發生時，一些微液滴必須在焊線2的表面上形成(加熱相)，然後利用氣流將微液滴從焊線2上分離，並將其懸浮成氣相(原子化相)。眾所周知的是，打斷焊線和微液滴之間的聯結須要高速。下面的方程式，取自鋁的水原子化文獻[5]，使平均顆粒尺寸與熔體流和氬噴流之間的角度產生關連：D=C/V sinα
其中：V為電漿噴流速度
C為重組不同參數和條件的全域常數；以及α為熔體流和電漿噴流之間的角度。
儘管應用略有不同，但概念相似；這裡的電漿噴流取代了水噴流，且這裡的噴流被用於加熱而不是冷卻。實際上，方程式顯示較高的氣體速度能夠分離較精細的顆粒，這使得須要更大的力以將較精細的液滴 從熔融焊線上分離開來言之成理。依據這個方程式，基於此公式的角度具有相似的效果，這解釋了考慮到機械能量傳遞類比於熱量傳遞，且角度在機械能量傳遞係數上與之前提及的熱量傳遞係數(h)上具有同樣的效果。
變得更清楚的是，為了最佳化電漿原子化過程，為了配置不同的條件，角度必須是可變的。前述二個方程式已顯示出參數之間如何相互作用，且能夠改變角度構成了本發明裝置P的一個顯著特徵。
該裝置P因此包括特別是(1)焊線的一感應預熱以增進生產量；以及(2)安裝在反應器頭部的焊炬，所用的旋轉球法蘭30藉由焊炬的校準賦予角度的靈活性，從而控制顆粒尺寸分布(粉末品質)。
要注意的是，傳統的系統可獲得大約0.75kg/h的生產率，平均顆粒尺寸約為80μm。實際上，最佳方案是顯著增加生產量而同時降低平均顆粒尺寸分布。然而，一般而言認為利用已知之技術，提高生產量的同時，也將不幸地導致較粗糙的顆粒尺寸分布。
相對於前述的方法，本發明的方法利用提高過程中機械能和熱能的傳遞，使其得以同時達到二個參數的最佳化。
電漿原子化使用具有核心溫度大約為10000K的超音波電漿噴流，用於在單一步驟過程中熔化和原子化來自焊線源的金屬。雖然非常強而有力，但是這個過程的能源效率卻是低落的；只有僅僅一小部分來自電漿的熱量被傳遞至焊線來加熱和熔化該焊線(傳統系統中大概為0.4%)，而且只有微不足道的數量來自噴嘴的動能被用來將液滴擊碎成更精細的液滴(傳統系統中小於0.001%)。
一般而言，增加傳遞的熱量會帶來較高的生產量，而且增加傳遞的機械能(從捲流的動能到泡沫的破裂)會得到更精細的顆粒。例如，將平均顆粒尺寸分布從80μm轉換至45μm，須要增加大約78%的動能(動量)。這些可以藉由增加放入的原始能量、改善傳遞的品質、或者兩者的結合來達成。然而，增加原始能量會同時增加技術的操作成本，所以它通常不是改善能量傳遞所採用的實例。
下面顯示出二種技術的對比。
表1-傳統方法與本發明的方法的對比
值得特別注意的是，表1中的資料為可以達成之結果的示例，實際的改進並不局限於這些數值。舉例而言，利用一些調整，生產量可提高到大約10kg/h，且具有甚至更小的平均顆粒尺寸。
下面所有建議的改進須協同使用，以同時提高生產量和顆粒尺寸分布，但也可單獨地使用：
增加焊線直徑尺寸
在傳統的方法中，焊線尺寸限制在1/8”。在本發明的方法中提出焊線越大，生產量越高。理由有二：a)焊線在電漿中的停留時間增加，以及b)交換的表面積也增大。二者皆導致電漿捲流和焊線之間的熱交換提升。
感應焊線預熱
在傳統的系統中，焊線在進料到電漿原子化區域之前並未加以預熱，或者使用複雜的電阻加熱裝置來預熱。隨著更多有效的加熱技術可以用來執行繁重的工作，焊線預熱改善了系統的整體熱均衡。感應加熱相較於其他加熱技術具有許多優點，主要是因為其以良好的效率(大約10-40%)遠端加熱物體。焊線預熱可將焊線提升上至熔化溫度(或者甚至局部高於此溫度)，高到可以使用液體進料來操作。過度加熱部分液化的焊線在顆粒尺寸分布上起到積極的效果，因為它可以顯著地降低熔化金屬的粘性和表面張力。因此，來自電漿中的大部分熱量可以用於熔化和原子化或者僅僅原子化，而不是主要在潛熱中浪費掉。焊線預熱在生產量和顆粒尺寸分布上可以具有顯著的效果。
特別要注意的是，感應預熱可用於金屬以及非金屬材料，但係使用不同的方法。例如金屬和合金的導電材料可與一線材導件一同使用，該線材導件由可為感應所通透或者不可為感應所通透的材料所製成。另一方面，由非導電材料例如陶瓷所製成的焊線進料不會與感應偶合，也因此必須使用插入物來進行預熱，該插入物具傳導性且在所用頻率範圍內 對感應加熱敏感。在後面的情況中，經由傳導、輻射和對流的結合焊線僅從焊線插入物被間接地預熱。
在進料材料可以與焊線偶合的情況下，感應頻率可被用來微調焊線中的溫度分布。如此操作將對在尖端位置上的焊線的形狀起巨大的效應，從而間接地對顆粒尺寸分布起巨大效應(第5圖)。較低的頻率導致較均勻的溫度，而高頻率將導致焊線中的溫度梯度。感應頻率可輕易地藉由改變線圈長度來改變，其中線圈越長頻率越低。
旋轉球法蘭
在傳統系統中，存在一個不準確的範例，理想的角度為30°且托持焊炬的法蘭固設在這個數值。另一方面，申請人在本發明中提出相反的看法。旋轉球法蘭的概念對於熱量和動量傳遞的品質給予極大的靈活性，距離也隨著角度而變化(第5a圖對比第5b圖)。實際上，頂端越靠近焊線，捲流的溫度越高，且從焊線的角度觀之，噴流的速度越快。又，噴嘴的頂端越靠近焊線，與後者之間越接近垂直，熱量和動量交換的係數越大。
增加入口氬氣壓力
增加氬氣入口壓力意味著一較大的氣體速度和質量流。增加壓力在動能上具有平方關係之效應，如方程式所示：Ek=1/2 mv2
其中，m為氣體的質量流，v為氣體的速度，Ek為得出的動能。
技術資料：
值得注意的是，可製成進料的材料範圍很廣，而不僅僅侷限 於金屬。於此可被原子化的材料例如：鈦(工業純鈦金和鈦系合金)、鋁、不銹鋼，赫史特合金(HastelloyTM)，英高鎳合金(Inconels)、鎢，但並不侷限於此。非金屬材料的例子可包括陶瓷，只要能夠製造成線的形狀或桿的形狀即可。
以上描述的內容提供了本發明的實施方式，在這些所述實施例中的一些特徵及/或功能在不脫離所述實施例的實施精神和原則時，允許改進。因此，已經在上面描述的內容意在闡述實施例但不侷限於此，鑒於本發明，熟悉本領域的技術人員顯而易見地是，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對所揭露的實施例作出各種變換及/或修改。本發明的範圍以及下面之申請專利範圍不限於這裡所描述的實施例。
本申請案主張於2015年6月5日提交之待審美國臨時專利申請第62/171,618號之優先權，其全部內容併入於本文中作為參考。
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1‧‧‧焊線捲軸
2‧‧‧焊線
3‧‧‧焊線供線和矯直器
4‧‧‧貫穿法蘭
5‧‧‧線材導件
6‧‧‧感應線圈
7‧‧‧電漿焊炬
8‧‧‧尖端
9‧‧‧孔板
10‧‧‧反應器
11‧‧‧粉末
12‧‧‧離塵器
13‧‧‧氣密隔離閥
14‧‧‧濾塵器
15‧‧‧出口

Claims (20)

  1. 一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的裝置，該裝置包括：一用以預熱該焊線的裝置；至少一電漿焊炬，用以加熱該焊線至原子化；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，用以預熱該焊線的該裝置包括一感應線圈。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述的裝置，其中，提供一線材導件，用以與電感偶合以將熱量傳遞給該焊線，例如主要藉由傳導、輻射和對流的方式。
  4. 依據申請專利範圍第2項所述的裝置，其中，提供一線材導件，其對電感通透，藉以從該感應線圈將熱量直接傳遞至該焊線。
  5. 依據申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的裝置，其中，提供一系統，用以調節該焊炬相對於該焊線的角度和距離的至少其中之一。
  6. 依據申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的裝置，其中，提供一進料裝置，適於容納較大的桿和焊線直徑。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，該進料裝置被設置以進料和矯直該等較大的桿和焊線直徑。
  8. 依據申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的裝置，其中，該焊線的直徑在1/8”和6”(包含1/8”和6”)之間。
  9. 依據申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，如果該焊線為導電 的，則該焊線在被該線材導件加熱的同時也藉由直接耦合加熱。
  10. 一種藉由電漿原子化從焊線生產粉末的裝置，該裝置包括：電漿焊炬，用以原子化該焊線，該等電漿焊炬被配置以在一反應器上轉動且旋轉；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
  11. 一種藉由電漿原子化從焊線生產金屬粉末的裝置，該裝置包括：電漿焊炬，用以原子化該焊線，該等電漿焊炬相對於該焊線的角度被配置為可以調節，以調節粉末顆粒尺寸分布；以及一腔室，用以冷卻原子化後的顆粒至固態。
  12. 一種藉由電漿原子化從焊線生產金屬粉末的方法，該方法包括：進料一焊線或一桿；預熱該焊線；加熱該焊線至原子化；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
  13. 依據申請專利範圍第12項所述的方法，其中，該焊線藉由感應熱量直接或間接地預熱。
  14. 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，提供一線材導件，其與電感作用以將熱量傳遞至該焊線，例如主要係藉由輻射和對流的方式。
  15. 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，提供一線材導件，其對電感通透，藉以將熱量從感應線圈直接傳遞至該焊線。
  16. 依據申請專利範圍第12項至第15項中任一項所述的方法，其中，該桿具有1/8”或更大的直徑。
  17. 一種藉由電漿原子化從焊線生產金屬粉末的方法，該方法包括：提供電漿焊炬，該等電漿焊炬被配置以在一反應器上轉動且旋轉；調節該等電漿焊炬在該反應器上的位置；使用該等電漿焊炬，以原子化該焊線；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
  18. 一種藉由電漿原子化從焊線生產金屬粉末的方法，該方法包括：提供電漿焊炬，以原子化該焊線，調節該等電漿焊炬相對於該焊線的角度，以調節粉末顆粒尺寸分布；使用該等電漿焊炬，以原子化該焊線；以及冷卻原子化後的顆粒至固態。
  19. 一種利用專利申請範圍第12項至第18項中任一項所述的方法所生產的粉末。
  20. 一種利用專利申請範圍第1項至第11項中任一項所述的裝置所生產的粉末。
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