[发明专利]一种层流等离子体雾化金属粉末生产设备及其生产方法

说明书

本发明公开了一种层流等离子体雾化金属粉末生产设备，包含冷却收集塔和高温层流等离子体射流发生器，冷却收集塔上开有原材进料口，高温层流等离子体射流发生器设置在冷却收集塔内，原材进料口和高温层流等离子射流发生器沿着同一直线相对设置在冷却收集塔内，冷却收集塔下端设置有粉末出口。本发明采用高温层流等离子体射流发生器生产层流式的等离子体射流与原材相对运动，旋转式的层流射流的射流距离远并且将原材包裹在射流内层，从而延长了与原材的接触距离和加热时间，提高了射流的能量利用率，无需增加额外的辅助热源。

技术领域

本发明涉及一种金属粉末生产设备及其生产方法，特别是一种层流等离子体雾化金属粉末生产设备及其生产方法，属于增材制造领域。

背景技术

金属粉末被广泛用于增材制造等先进制造行业，其球形度、粒度分布等特征对制造产品性能有显著影响。通常要求金属粉末粒度在106 μm以下，高精度的制造行业甚至要求45 μm的粒度，同时要求粉末具有高流动性、低杂质含量等特性。

等离子体雾化利用高温高速等离子体射流的热能将金属材料熔融，随后利用射流的机械能将熔融金属破碎、雾化，最终形成具有目标粒径的颗粒粉末，所产粉末具有粒径分布集中、流动性好、成分污染低等优点。但等离子体雾化法能效较低。例如专利CN108025364A使用感应加热对工艺进行加速生产TC4型钛合金粉末，单位能耗31.2 kWh/kg；专利TW 202012074 A指出多路丝材进料，并使用直流电对原料进行加热，使单位能耗降低至4 kWh/kg，但D₅₀由15 μm上升到接近45 μm，降低了产品可用性。其次，目前等离子体雾化所用等离子体射流发生器为湍流等离子体炬，其产生的等离子体射流受约束小、湍流度高、对雾化反应器内的流场干扰大，容易使沉积于雾化反应器底部的粉末卷扬，与未成型的金属液滴碰撞，造成卫星球。

可以知道，等离子体雾化法能效较低的原因在于金属材料熔融需要大量热量，而材料与等离子体射流接触时间极短，等离子体射流的热能未能被充分用于材料加热，反而需要额外的辅助热源。若要延长材料与等离子体射流的接触时间则需降低进料速度，进而牺牲产量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种层流等离子体雾化金属粉末生产设备及其生产方法，提高等离子体雾化粉末的能量利用率并解决卫星球问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种层流等离子体雾化金属粉末生产设备，其特征在于：包含冷却收集塔和高温层流等离子体射流发生器，冷却收集塔上开有原材进料口，高温层流等离子体射流发生器设置在冷却收集塔内，原材进料口和高温层流等离子射流发生器沿着同一直线相对设置在冷却收集塔内，冷却收集塔下端设置有粉末出口。

进一步地，所述冷却收集塔包含楔形壳体、若干中间圆柱段、上端锥形段和盖板，若干中间圆柱段沿竖直方向首尾连接，楔形壳体的上端与若干中间圆柱段的下端连接，上端锥形段的下端与若干中间圆柱段的上端连接，盖板固定在上端锥形段的上端。

进一步地，所述原材进料口设置在盖板中心，原材为棒材或线材并且原材通过进料电机驱动沿竖直方向向下进料，高温层流等离子体射流发生器固定在沿着原材的输送方向相对的楔形壳体的斜面上，高温层流等离子体射流发生器的射流与原材同心设置。

进一步地，还包含粉末收集器，粉末出口设置在楔形壳体的最下端，粉末收集器固定在粉末出口上。

进一步地，所述高温层流等离子体射流发生器包含阳极、阴极、阴极冷却底座、中间极、进气环和绝缘环，进气环固定在中间极一端，中间极另一端与绝缘环一端固定连接，绝缘环另一端与阳极一端连接，阴极冷却底座穿过进气环中心位置并位于中间极内孔中，阴极固定在阴极冷却底座位与中间极内的一端端部。