[发明专利]用于使用推力器辅助等离子体雾化以大规模成本有效地生产超细球形粉末的方法

说明书

金属粉末等离子体雾化工艺和设备包括至少一个等离子体炬、封闭腔室、位于封闭腔室的下游的喷管以及位于喷管的下游的扩散器。喷管将由所述至少一个等离子体炬产生的液体金属颗粒以及等离子体气体加速至超音速，以使得液体金属颗粒被剪切成更细的粉末。分散器为等离子体气体提供激波以升高等离子体的温度以避免在喷管的出口处形成钟乳石。该工艺提高了金属粉末的生产率和‑45μm金属粉末的产量。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月21日申请、现未决的美国临时申请No. 62/535,730的优先权，该申请通过参引并入本文中。

技术领域

本主题涉及细金属粉末的生产和材料的等离子体处理。

背景技术

45μm以下的细和超细球形金属粉末被用作不同制造工艺的原料，比如3D打印(增材制造)、金属注射成型(MIM)和冷喷涂沉积。时至今日，等离子体雾化似乎仍是该范围内提供最佳产量的优质粉末的技术。此外，通过等离子体雾化生产的粉末由于其极高的球形度、小粒径、高颗粒密度、出色的纯度和流动性而被认为是市场上最好的粉末之一。另一方面，由于下面提到的原因，通常认为等离子体雾化是一种操作起来昂贵的技术。

最初，等离子体雾化工艺具有非常低的生产率(对于Ti-6Al-4V而言，在0.6kg/h至1.2kg/h之间)和较粗的粒度分布(D_50在80μm至120μm 之间)。参见题为“通过等离子体雾化生产金属和陶瓷粉末的方法”并且授权给Pegasus Refractory MaterialsHydro-Quebec的美国专利No. 5,707,419【参考文献1】。然而，在过去的10年中，为优化生产率汇聚了许多努力，在一定程度上取得了成功(5kg/h至13kg/h之间)，并将重点转向使粒度分布转移到较细侧(从最大-106μm减少到-45μm)【参考文献 1至4】。这两个参数确实直接影响了这种技术的商业盈利能力。这些增量的改进主要集中在以下方面：1)在雾化区之前使线材原料预热以用于提高生产率；以及2)增加气流和压力，以便使粒度分布转移到较细侧。麻烦的是，通常观察到增加雾化系统的生产率将与粒度分布向较粗侧的转移强烈相关。由于市场上需要较细的颗粒，因此这可能是不被期望的。

即使在进行了这些改进之后，考虑到仅使用了部分引入到系统的功率，等离子体雾化族的工艺仍然非常低能效。例如，典型的等离子体雾化器可以使用3个每个功率设定为45kW的等离子体炬和8kW的预热源，以便以5kg/h的速度雾化Ti-6Al-4V线材。这表示用143kW的原始功率来处理5kg/h，这转化为28.6kW·h/kg的比热功率输入。这表示大于82倍的理论比热功率输入需求(0.347kW·h/kg)。

就机械能传递而言，考虑到3个400m/s的等离子体射流，每个等离子体射流输送0.0192kg/s，这表示1.5kW的动能。假设线材相对于炬成30 度角，则大约一半仅用于加速液滴。然后，将初始颗粒从400μm分解为例如低至25μm所需的动能理论上应该可以忽略不计(约0.1W)。然而，在实践中，将整个分布转移到45μm以下仍然很困难。

尽管在机械功率方面的这种低效没有被直接测量，但是确实对该工艺的经由气体消耗方面的盈利能力和可销售产品的产量具有直接影响。氩气是通常用于使金属雾化的气体的示例，因为氩气是化学惰性的并且相对便宜。由于其低效率，因此典型的等离子体雾化工艺每生产单位质量的粉末消耗大量的氩气。气体/金属质量比通常在20至30之间，而理论上这些值可能会更接近1。

因此，即使经过了这些年以及在等离子体雾化器的设计上的迭代，等离子体雾化仍然是一种昂贵且低效的工艺。

因此，期望提供一种设备和/或工艺，以用于以高容量生产具有最少卫星颗粒并且具有高产量的-45μm的范围内的细粉末的超细球形粉末。

发明内容

因此，期望提供一种新颖的设备和/或工艺，以用于使用等离子体推力粉碎法大规模生产超细球形粉末。