TW201720550A - 合金粉末製造設備及方法 - Google Patents
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Abstract
一種合金粉末製造設備及方法。該設備包括：一合金原料棒、一第一級加熱單元、一第二級加熱單元及一噴嘴。該方法包括下列步驟：提供一合金原料棒；進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯；進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度；以及使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。利用該第一級及第二級加熱單元的加熱並進行該柱狀合金熔湯的流量控制及超溫控制，可確保維持柱狀合金熔湯的型態，並使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度更佳。
Description
本發明有關於一種合金粉末製造設備及方法，特別是關於一種利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備及方法。
按，3D列印技術，又稱積層製造技術，是製造業領域正在迅速發展的一項新興技術。運用該3D列印技術進行生產的主要流程是指：應用電腦軟體設計出立體的加工樣式，然後藉由特定的成型設備(俗稱3D印表機)，用粉末化的固體材料(例如合金粉末)逐層列印出產品。
目前，電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA,Electrode Induction-melting Inert Gas Atomization)可用以製備合金粉末。製造鈦合金粉末的方法如下：將鈦合金原料棒旋轉並送入感應線圈中加熱，使該鈦合金原料棒靠近感應線圈端熔化成鈦合金熔湯，然後該鈦合金熔湯以滴狀或柱狀的流動型態進入噴嘴後，被高速惰性氣體沖擊霧化後並快速凝固成鈦合金粉末。
然而，ALD鈦合金粉末製造設備的高週波線圈配置方式只能控制該鈦合金原料棒的錐形尖端熔化成鈦合金熔湯，該鈦合金熔湯進入噴嘴時，往往會變成滴狀熔湯(熔滴)，而無法確保能維持柱狀熔湯(熔柱)。若該滴狀鈦合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化的話，則會影響凝固後之鈦合金粉末的品質。
相關鈦合金粉末技術之專利文獻或技術文獻如下：
例如材料研究學報(第24卷第1期2010年2月)揭示一種高溫鈦合金Ti-60粉末的製備和表徵。其採用電極感應熔煉氣體霧化法製備了摻雜稀土Nd高溫鈦合金Ti-60粉末。結果表明，在製備過程中合金元素增氧量小於100ppm；粉末的平均粒徑約為100μm，粉末粒徑分佈形態為常態分布，且粉末平均粒徑隨著霧化氣體的壓力增大而減小。
然而，該技術文獻只揭示為了細化晶粒並對材料進行氣霧化製粉，在合金中添加了稀土元素Nd，該技術文獻並未揭示針對感應線圈配置方式同時進行柱狀熔湯的流量控制及超溫控制。
再例如德國專利DE19631582揭示一種合金粉末產品的製造方法(Method for obtaining a product made of alloy powders)，將合金原料棒(電極棒)送入感應線圈中加熱，使該合金原料棒的尖端熔化成合金熔滴，然後該合金熔滴進入噴嘴，該合金熔滴被高速氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末產品。
然而，該專利文獻(DE19631582)所揭示之高週波線圈配置方式只能控制該合金原料棒的尖端熔化成合金熔湯，該鈦合金熔湯進入噴嘴時，往往會變成滴狀熔湯(熔滴)，該專利文獻並未揭示針對感應線圈配置方式同時進行柱狀熔湯的流量控制及超溫控制。
又例如ADVANCED ENGINEERING MATERIA L(2004,6,No.1-2)揭示一種γ-TiAl(鈦鋁)介金屬合金之粉末冶金製程(Powder Metallurgical Processing of Intermetall ic Gamma Titanium Aluminides)，藉由電力驅動將γ-TiAl合金原料棒送入感應線圈中加熱，使該γ-TiAl合金原料棒的尖端熔化成γ-TiAl合金熔滴，然後該γ-TiAl合金熔滴進入噴嘴，該γ-TiAl合金熔滴被高速氣體沖擊霧化後而快速凝固成γ-TiAl合金粉末。該γ-TiAl合金原料棒之熔化流量是由該感
應線圈之功率及該γ-TiAl合金原料棒之進給速度所控制。
然而，該技術文獻只揭示該合金原料棒之熔化流量的控制是由該感應線圈之功率及該合金原料棒之進給速度所控制，該技術文獻並未揭示針對感應線圈配置方式同時進行柱狀熔湯的流量控制及超溫控制。
有鑑於此，便有需要提供一種合金粉末製造設備及方法，用以解決上述問題。
本發明的主要目的在於提供一種合金粉末製造設備，可對一合金原料棒加熱得到柱狀合金熔湯，使熔湯冷卻霧化形成合金粉末。
為達成上述目的，本發明之合金粉末製造設備，包括：一合金原料棒、一第一級加熱單元、一第二級加熱單元及一噴嘴。該合金原料棒的尖端被旋轉並送入第一級加熱單元中加熱，進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯。該柱狀鈦合金熔湯被通過該第二級加熱單元加熱，進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度。該柱狀合金熔湯進入該噴嘴，使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。
在一較佳實施例中，該第一級加熱單元包括一主要線圈及一預熱線圈，該預熱線圈相連於該主要線圈。
在一較佳實施例中，該第二級加熱單元為一電漿槍。
本發明的另一目的在於提供一種合金粉末製造方法，透過加熱一合金原料棒並得到柱狀合金熔湯，進而對該柱狀合金熔湯進行超溫控制，以及沖擊霧化而快速凝固成合金粉末。
為達成上述目的，本發明之合金粉末製造方法，包括下列步驟：提供一合金原料棒；進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯；進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度；以及使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。
本發明之特點在於，利用該第一級及第二級加熱單元的配置方式同時進行該柱狀合金熔湯的流量控制及超溫控制，可確保維持柱狀合金熔湯(熔柱)的型態，並使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。
另外，利用該第一級加熱單元之預熱線圈的配置方式先進行該合金原料棒的預熱，可增加柱狀合金熔湯(熔柱)的均勻性，並可降低該第一級加熱單元之主要線圈之使用功率。
再者，利用電漿槍產生的高熱電漿炬，作為二次加熱源，將柱狀合金熔湯再次加熱，增加柱狀合金熔湯的溫度，同時具有預先碎化熔柱成微細熔滴，使得霧化後的合金粉末粒徑更小，增加球形度達成細化粉末的效果。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
100‧‧‧合金粉末製造設備
110‧‧‧合金原料棒
110a‧‧‧尖端
110b‧‧‧柱狀合金熔湯
110c‧‧‧合金粉末
120‧‧‧第一級加熱單元
121‧‧‧主要線圈
122‧‧‧預熱線圈
130‧‧‧第二級加熱單元
140‧‧‧噴嘴
S201~S204‧‧‧步驟
圖1為本發明第一實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖；圖2為本發明第一實施例之鈦合金粉末的製造方法流程示意圖；圖3為本發明第二實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖；以及
圖4為本發明第三實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖。
圖1為本發明第一實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖，圖2為本發明第一實施例之鈦合金粉末的製造方法流程示意圖。
請參閱圖1，本實施例所述之合金粉末製造設備100，該合金粉末以鈦合金粉末為例說明如後。該合金粉末製造設備100包括：包括一合金原料棒110、一第一級加熱單元120、一第二級加熱單元130及一噴嘴140。
其中該合金原料棒110在本實施例中以鈦合金原料棒為舉例說明。該第一級加熱單元120為一第一級感應線圈。第二級加熱單元130為一第二級感應線圈。在本實施例中，該第一級及第二級加熱單元120、130為分開的兩個加熱單元，且該第一級及第二級加熱單元120、130採用具有不同功率及頻率之高週波，能達到不同之加熱效率，而該第二級加熱單元130所採用頻率須大於該第一級加熱單元120之頻率。
請參閱圖2，本實施例所述之合金粉末的製造方法，包括下列步驟：
步驟S201：提供一合金原料棒。
步驟S202：進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯。
詳言之，該合金原料棒110的尖端被旋轉並送入第一級加熱單元120中加熱，進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒110的尖端110a熔化成一柱狀合金熔湯。
舉例，藉由一電力驅動(例如電動馬達)將該合金原料棒110(亦即電極棒)的錐形尖端110a緩緩旋轉並送入第一級加熱單元120中加熱，進行該柱狀鈦合金熔湯的流量控
制，使該合金原料棒110的錐形尖端110a熔化成一柱狀合金熔湯110b(即柱狀鈦合金熔湯)。
該合金原料棒110之熔化流量的控制是由該第一級加熱單元120(第一級感應線圈)所採用高週波之功率及頻率(例如30KW、100KHz)及該合金原料棒110之進給及旋轉速度所控制，如此可以確保能維持柱狀合金熔湯110b(即熔柱)的型態。
步驟S203：進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度。
詳言之，當該柱狀合金熔湯110b通過該第二級加熱單元130，且被加熱時，會對該柱狀合金熔湯110b進行超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯110b之溫度到達一預定溫度。
舉例，當該第二級加熱單元130(第二級感應線圈)所採用高週波之功率及頻率為10KW、400KHz，該柱狀合金熔湯110b之溫度可到達攝氏1800度。或當該第二級加熱單元(第二級感應線圈)所採用高週波之功率及頻率為30KW、400KHz時，該柱狀鈦合金熔湯110b之溫度可到達攝氏1900度。
在本實施例中，該第一及第二級加熱單元120、130(該第一及第二級感應線圈)因其所採用之高週波的功率及頻率不同，而能達到不同之加熱效率。若被加熱的物件尺寸越大，則所需之頻率越低，由於該第二級加熱單元130(該第二級感應線圈)所加熱之該柱狀合金熔湯110b的尺寸較小，因此所需頻率較高；以及，由於該第一級加熱單元120(該第一級感應線圈)加熱該合金原料棒110的尺寸較大，因此所需頻率較低，如此才能達成較高的加熱效率。再者，該第二級加熱單元130(該第二級加熱單元)與該柱狀鈦合金熔湯110b之垂直距離小於該第一級加熱單元120(該第一級加熱單元)與該
鈦合金原料棒110之垂直距離。由於該第二級加熱單元130(該第二級感應線圈)所加熱之該柱狀合金熔湯110b的尺寸較小，因此該第二級加熱單元130(該第二級感應線圈)與該柱狀鈦合金熔湯110b之所需垂直距離較近。
在另一實施例中，該第一級及第二級加熱單元120、130(該第一及第二級感應線圈)可為相連的兩個加熱單元，該第一級及第二級加熱單元120、130(該第一及第二級感應線圈)是採用相同功率及及頻率之高週波。
步驟S204：使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。
詳言之，當該柱狀合金熔湯110b進入該噴嘴140後，使該柱狀合金熔湯110b被高速惰性氣體(例如氬氣)沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末110c(即鈦合金粉末)。由於該柱狀合金熔湯110b經過超溫控制，因此該柱狀合金熔湯110b之溫度上升可造成該柱狀合金熔湯110b之黏滯性下降，使凝固後之合金粉末110c的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。
因此，本實施例係利用該第一級及第二級加熱單元的配置方式同時進行該柱狀合金熔湯的流量控制及超溫控制，可確保維持柱狀合金熔湯(熔柱)的型態，並使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。
圖3為本發明第二實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖。
請參閱圖3，並配合參閱圖2。本發明第二實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備大體上類似於第一實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備。該第二實施例與第一實施例之差異在於：該第一級加熱單元為一第一級感應線圈，且該第一級感應線圈包括一主要線圈121及一預熱線圈122，該預熱線圈122相連於該主要線圈121。在本實施例中，該主要線圈
121及預熱線圈122採用具有相同功率及及頻率之高週波，而該主要線圈121與該合金原料棒110之垂直距離須小於該預熱線圈122與該合金原料棒110之垂直距離。由於該主要線圈121所加熱之該錐形尖端110a的尺寸較小，因此該主要線圈121與該錐形尖端110a之所需垂直距離較近。
因此，在圖2所示之合金粉末的製造方法中，更包括一步驟：先進行該合金原料棒的預熱。詳言之，利用預熱線圈122先行對該合金原料棒110加熱，可增加柱狀合金熔湯110b(熔柱)的均勻性。而該主要線圈121(等同於第一實施例之第一級加熱單元120)則係對該合金原料棒110的尖端加熱並熔化，以成為該柱狀合金熔湯110b，詳細加熱方式如前述，在此不另贅述。
因此，本發明第二實施例所利用該第一級加熱單元120(第一級感應線圈)之預熱線圈的配置方式先進行該合金原料棒的預熱，可增加柱狀合金熔湯(熔柱)的均勻性，並可降低該第一級加熱單元120(第一級感應線圈)之主要線圈之使用功率。
圖4為本發明第三實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備示意圖。
請參閱圖4，本發明第三實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備大體上類似於第一實施例之利用電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA)的合金粉末製造設備。該第三實施例與第一實施例之差異在於：該第二級加熱單元130為一電漿槍。
利用電漿槍產生的高熱電漿炬(其電漿炬邊緣及中心的溫度介於攝氏2000~28000度)，作為二次加熱源，將該合金原料棒110經過該第一級加熱單元120後得的柱狀合金熔湯110b再次加熱，除了增加柱狀合金熔湯110b的溫度(約可升溫攝氏100度)外，同時具有預先碎化熔柱成微細熔滴，
提高柱狀合金熔湯110b與下游霧化氣體的接觸面積，增加霧化效率，使得霧化後的合金粉末110c粒徑更小(相較於第一實施例之合金粉末)，同時增加球形度達成細化粉末的效果。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧合金粉末製造設備
110‧‧‧合金原料棒
110a‧‧‧尖端
110b‧‧‧柱狀合金熔湯
110c‧‧‧合金粉末
120‧‧‧第一級加熱單元
130‧‧‧第二級加熱單元
140‧‧‧噴嘴
Claims (11)
- 一種合金粉末製造設備，包括：一合金原料棒；一第一級加熱單元，其中該合金原料棒的尖端被旋轉並送入第一級加熱單元中加熱，進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯；一第二級加熱單元，其中該柱狀合金熔湯被通過該第二級加熱單元加熱，進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度；以及一噴嘴，其中該柱狀合金熔湯進入該噴嘴，使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。
- 如請求項1所述之合金粉末製造設備，其中該第一級加熱單元為一第一級感應線圈。
- 如請求項2所述之合金粉末製造設備，其中該第二級加熱單元為一第二級感應線圈或一電漿槍。
- 如請求項1所述之合金粉末製造設備，其中該第一級加熱單元為一第一級感應線圈，該第二級加熱單元為一第二級感應線圈，該第一級及第二級加熱單元採用具有不同功率及頻率之高週波，而該第二級加熱單元所採用之頻率須大於該第一級加熱單元之頻率。
- 如請求項4所述之合金粉末製造設備，其中該第二級加熱單元與該柱狀鈦合金熔湯之垂直距離小於該第一級加熱單元與該鈦合金原料棒之垂直距離。
- 如請求項1所述之合金粉末製造設備，其中該第一級加熱單元為一第一級感應線圈，該第二級加熱單元為一第二級感應線圈，該第一級及第二級加熱單元為相連的兩個加熱單元，該第一級及第二級加熱單元採用具有相同功率及頻率之高週波。
- 如請求項1所述之合金粉末製造設備，其中該第一級加熱單元為一第一級感應線圈，該第一級加熱單元包括一主要線圈及一預熱線圈，該預熱線圈相連於該主要線圈。
- 如請求項7所述之合金粉末製造設備，其中該主要線圈及預熱線圈採用具有相同功率及及頻率之高週波，而該主要線圈與該鈦合金原料棒之垂直距離小於該預熱線圈與該鈦合金原料棒之垂直距離。
- 如請求項7所述之合金粉末製造設備，其中該第二級加熱單元為一電漿槍，其電漿炬邊緣及中心的溫度介於攝氏2000~28000度。
- 一種合金粉末製造方法，包括下列步驟：提供一合金原料棒；進行該柱狀合金熔湯的流量控制，使該合金原料棒的尖端熔化成一柱狀合金熔湯；進行該柱狀合金熔湯的超溫控制，以控制該柱狀合金熔湯之溫度到達一預定溫度；以及使該柱狀合金熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。
- 如請求項10所述之合金粉末製造方法，更包括一步驟，先進行該合金原料棒的預熱。
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