[发明专利]一种在线标定等离子熔丝雾化颗粒温度的方法与装置

说明书

一种在线标定等离子熔丝雾化颗粒温度的方法与装置，属于粉体加工及制备领域。其特征在于基于热焓法测量雾化颗粒的温度，利用多层高温屏蔽结构，隔绝等离子射流高温带来的干扰，并利用毛细作用力平衡射流的高速气流压力，待1‑2秒钟内雾化产生的微量高温颗粒载入装有介质的小试管后，测得介质的温升和试管的温升，反算出颗粒所携带的热量，结合试管的质量变化，最后计算得出等离子熔丝雾化的颗粒温度。

技术领域

本发明涉及粉体制备加工领域，具体涉及到一种等离子熔丝雾化制粉时在线标定颗粒温度的方法及装置。

背景技术

近年来随着增材制造技术及注射成型技术的发展，对球形度高、纯净度高、粒径小、流动性好的粉末材料需求愈加旺盛。传统球形金属粉末的制造主要是旋转电极雾化和真空气雾化技术，其中旋转电极雾化技术制备的粉末球形度好，但受电极转速的限制，粉末粒径偏粗，真空气雾化制粉包括使用坩埚熔炼的惰性气体雾化(VIGA)和不使用坩埚的感应加热电极(EIGA)的粒径可控，但是气体消耗量大，卫星球粉多。

等离子雾化制粉是近年来备受关注的一项制粉技术，它使用高温高速的等离子射流加热熔化金属丝材后再将其雾化成粉末。加拿大APC公司和Pyrogenesis公司长期从事等离子雾化法制备球形金属粉末，他们采用三把等离子炬结合中心送丝的工艺，将丝材熔化后利用高速等离子射流将熔体击碎形成球形金属粉末。中国专利CN214768940U和专利CN214488838U中也利用等离子射流作为介质，将熔体击碎成颗粒形成球形金属粉。纵观上述等离子雾化技术，均是利用等离子射流的高动能将熔体击碎形成颗粒。与常规高压气雾化制粉相比，等离子雾化具有两个先天优势，一是射流自身处于高温状态，消耗少量的气体即可获得高的气体动能，因此生产同等质量粉末所需的气体量显著减少。第二是高温射流使颗粒高温停留较长时间，更易获得球形粉末。目前国内外等离子熔丝雾化制粉的相关发明大多为工艺方法的实现上，对这一技术的工艺调控方法、策略涉及较少，主要通过大量试验获得参数和工艺窗口。

为了充分发挥等离子雾化在制备球形金属粉末的特殊优势，需要合理控制等离子雾化工艺，由于等离子雾化工艺参数多，参数耦合性强，造成必须依靠大量试验才能获得，时间长且成本高，而且，由于不同热物理性能的材料其工艺规律可能不能直接移植，工艺试验成本很高。而另外一些调控策略是首先分析等离子射流的温度场和速度场，然后对丝熔化与雾化过程进行针对性调节。但是等离子射流的产生涉及电场、气体等强物理场作用，它具有温度高梯度大的特点，很难直接测定其温度和速度，等离子熔化和雾化过程也有多个复杂物理场的强耦合效果，这都给等离子雾化制粉的工艺调节带来很大的挑战。

本发明提出的在线标定等离子熔丝雾化颗粒温度的方法，是基于等离子熔丝雾化工艺中的关键点，即工艺过程中需要使雾化颗粒的温度处于适度过热状态，雾化颗粒温度过低，颗粒会迅速凝固形成不规则形状，而颗粒温度过高，一些合金元素又可能发生烧损，通过构建出工艺变量(如功率、气流量、气体组成)和雾化颗粒温度的映射关系，能便捷高效地找出生产高球形度、粉末粒径合理的工艺参数范围。

很多工程领域和研究领域都涉及到高温流场中飞行颗粒的温度的测量，典型如传统的热喷涂技术中，化工过程中颗粒的制备与反应，煤粉或固体燃料的燃烧过程，火灾发生时导致固体火蔓延的飞火颗粒等。纵观目前已有的高温固体颗粒的测量方法，主要可分为接触式和非接触式两种。热电偶等接触式测量方法需与高温颗粒接触一定时间，比较适合于静止颗粒或慢速颗粒且尺寸较大。此外，测量装置与颗粒的直接接触既会影响颗粒自身的温度分布，同时还要面临高温流场的冲刷和磨损难题。有的工作在测温元件的表面涂敷(喷涂或喷焊)硬质合金，以提高测温元件本身的耐磨性；或者直接在测温元件外表套装金属耐磨圆管，以隔离流动颗粒物料对测温元件的直接冲击磨损，但是这样处理会影响颗粒的运动轨迹，难以准确获得高温飞行颗粒的温度。