[发明专利]用于以高产能生产高品质球形粉末的等离子设备

说明书

公开了使用等离子焰炬和感应加热的组合，以高产能由大直径丝材或棒材生产高纯度粉末的设备和方法。所述方法通过包括更有效的感应预加热系统而提供了优异的生产力。设备还包括这样的机制，其允许调节等离子焰炬的位置以及它们相对于丝材的冲角，其对从等离子羽流至丝材的机械和热学能量传递具有直接影响，允许对粒径分布以及生产能力的精细控制。此外，改变感应频率允许优化丝材内部的温度分布，其可以与所得的平均粒径直接相关联。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月5日提交的目前未决的第62/171,618号美国临时申请的优先权，其通过援引并入本文。

技术领域

本公开内容的主题涉及高纯度类球形粉末的生产，所述粉末主要用于增材制造(3D打印)和热等静压(HIP)。

背景技术

对精细的高品质球形金属粉末存在不断增长的需求。例如，此类粉末的一个主要应用是3D打印工业，其已经要求高品质球形无附属物(satellite-free)的Ti-6Al-4V(钛合金)的窄尺寸等级(size cuts)，通常为45至45微米，或45-106um。106-250um分级尺寸等级用于热等静压(HIP)。

这种应用已经在品质方面遇到障碍，因为其消耗目前市场可得的最高品质的粉末。许多标准用于估计粉末的品质：其球形度、其粒径分布、不存在附属物(粘附于主要颗粒的显著小的颗粒)。一个当前的问题是此类品质的粉末的生产能力是非常有限的。另一个问题是典型的雾化系统产生广范围的粒径，而工业则要求非常窄且特定的等级(cuts)。

在近些年来已经开发出许多方法以通过雾化产生粉末。

例如，在第5,707,419号美国专利中，公开了这样的方法，其中等离子焰炬用于熔化和雾化钛丝材。在该公开内容中，例如，使用限于3.2mm(1/8”)的丝材直径，钛的进给速率被限于0.75kg/h，并且等离子焰炬以相对于进给轴呈30°角度的位置固定。这种30°角度已经被确定为在某些情形下的最佳角度。此处，焰炬以这种特定角度锁定以确保与丝材对准。尽管这种方法具有在运行之间可重复性的优势，以及使瞄准丝材周围的机会最小化，但是申请人的经验证实这种配置不是最佳的。

在第WO 2011/054113号PCT专利公开案中，提议了使用预加热用电极改善等离子雾化的生产力的方法。使用预加热用电极是非常复杂的工艺。在这种布置中，典型地有三个电极以及三(3)个等离子焰炬以确保均匀加热。通过使每一电极向丝材产生电弧来加热丝材。因此，3个电流行进通过丝材并且经由电阻加热对其加热。这意味着需要操作6个电源，注意到存在越多的电源，越难以管理通向丝材的热量，此外，这还显著地增加了资金和操作成本。

对这种布置还存在许多机械不便利性。例如，为了发生等离子雾化，随丝材而定的焰炬对准是非常关键的。所有电极和焰炬以及丝材必须在相同的精准点(exact point)处汇聚。顶端汇聚点周围的空间是非常有限的，因此通过机械约束而非工艺本身来指定装配设计。

因此，将期望获得简化的装置以允许增加等离子雾化的生产力。因此还在获得允许控制粒径分布的系统方面获得增益。

发明内容

因此非常期望提供用于生产有品质的粉末的新颖的设备。

还非常期望提供用于生产有品质的粉末的新颖的方法。

本文描述的实施方案在一方面提供了用于通过等离子雾化由丝材生产粉末的设备，包括：

-用于预加热所述丝材的装置；

-用于将所述丝材加热至雾化的至少一个等离子焰炬；和

-用于将雾化的颗粒冷却至固态的室。