RU2671034C1 - Installation for preparing particles of powder and method of its work - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: group of inventions refers to the preparation of a powder that can be used in additive technologies. Apparatus for producing powder particles comprises a plasmatron configured to supply to the plasma a starting material in the form of an elongate element, a spray unit with nozzles for supplying the atomizing gas and a chamber for collecting powder particles. Plasmatron is equipped with a nozzle with a supersonic part, made with the possibility of feeding the starting material at an angle of 10–90° to the axis of the plasmatron with simultaneous rotation. Spray unit is installed after the nozzle with a supersonic part and contains from 2 to 16 nozzles, the axes of which do not intersect the axis of the plasmatron and do not intersect with each other. Method for producing powder particles in the apparatus is also provided.EFFECT: improvement in the quality of the powder from the material with a high melting point is provided.7 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемые изобретения относятся к средствам получения частиц порошка, подходящих для применения в порошковой металлургии, аддитивных технологиях, а также в авиационной и ракетно-космической промышленности.The present invention relates to means for producing powder particles suitable for use in powder metallurgy, additive technologies, as well as in the aerospace and aerospace industries.

В уровне науки и техники известны способ и установка для получения частиц порошка, раскрытые в источнике информации US 2017106448 А1, 20.04.2017, выбранном в качестве прототипа. Частицы порошка получают путем распыления исходного сырьевого материала в форме удлиненного элемента, такого как проволока, стержень или заполненная трубка. С помощью узла ввода распыляемый материал подается в плазменную горелку - плазматрон, где плазма реализуется при помощи обтекания газом стенок установки, разогреваемых индукционной катушкой. Переднюю часть подаваемого материала перемещают из плазменной горелки в распылительный блок с по меньшей мере одним каналом подачи распыляющего газа в распылительные сопла. Поверхность переднего конца подаваемого материала подвергается плавлению и распылению исключительно воздействием одной или нескольких плазменных струй, где в роли распыляющего газа выступает плазма. Далее распыленные капли остывают с образованием сферических частиц под действием сил поверхностного натяжения и выпадают в камеру для сбора порошка. В одном варианте реализации данной установки в распылительный блок подается газ, такой как аргон, для защиты стенок установки от осаждения нагретых частиц.In the level of science and technology, there is a known method and apparatus for producing powder particles disclosed in the information source US 2017106448 A1, 04/20/2017, selected as a prototype. Powder particles are obtained by spraying the starting raw material in the form of an elongated element, such as a wire, rod or filled tube. Using the input unit, the sprayed material is fed into a plasma torch - a plasmatron, where the plasma is realized by gas flowing around the walls of the unit heated by an induction coil. The front of the feed is transferred from the plasma torch to the spray unit with at least one channel for supplying spray gas to the spray nozzles. The surface of the front end of the feed material is melted and sprayed solely by the action of one or more plasma jets, where the plasma acts as a spraying gas. Next, the sprayed drops cool with the formation of spherical particles under the action of surface tension and fall into the chamber for collecting powder. In one embodiment of this apparatus, gas, such as argon, is supplied to the spray unit to protect the walls of the apparatus from the deposition of heated particles.

Недостатком данного изобретения является то, что, несмотря на удовлетворительную сферодизацию частиц получаемых порошков, температура плавления исходного материала не сильно превышает температуру плавления материалов обычных атомайзеров с вакуумным расплавом материала. Так, в прототипе приведен пример с атомизацией нержавеющей стали с температурой плавления 1670 К. Из представленных в источнике данных видно, что выше температуры плавления исходных материалов ~ 2000-2500 К данная установка использоваться не может.The disadvantage of this invention is that, despite the satisfactory spherodization of the particles of the obtained powders, the melting temperature of the starting material does not significantly exceed the melting temperature of materials of conventional atomizers with a vacuum melt of the material. So, in the prototype an example is given with the atomization of stainless steel with a melting point of 1670 K. From the data presented in the source it is clear that this setting cannot be used above the melting point of the starting materials ~ 2000-2500 K.

Задачей предлагаемых решений является получение высококачественных сферических порошков из тугоплавких материалов, температура плавления которых доходит до 3500-4000 К.The objective of the proposed solutions is to obtain high-quality spherical powders from refractory materials, the melting temperature of which reaches 3500-4000 K.

Технический результат заключается в обеспечении высокого качества получаемых частиц порошка из исходного материала с высокой температурой плавления.The technical result consists in ensuring the high quality of the obtained powder particles from a starting material with a high melting point.

Также обеспечиваются иные технические результаты, такие как:Other technical results are also provided, such as:

- улучшение эффективности распыла исходного сырьевого материала;- improving the efficiency of spraying the raw material;

- расширение арсенала технических средств получения порошков из различных материалов, в том числе тугоплавких;- expanding the arsenal of technical means of obtaining powders from various materials, including refractory;

- упрощение конструкции установки, элементы которой просты в изготовлении и доступны в достаточной степени.- simplification of the design of the installation, the elements of which are simple to manufacture and sufficiently accessible.

Указанные результаты достигаются тем, что в установке для получения частиц порошка, содержащей плазматрон, распылительный блок с соплами распыла и камеру для сбора частиц порошка, при этом установка выполнена с возможностью ввода исходного материала в плазму в форме удлиненного элемента, плазматрон снабжен соплом со сверхзвуковой частью, после которого выполнен распылительный блок с по меньшей мере одним каналом подвода распыляющего газа, при этом установка выполнена с возможностью ввода вращаемого исходного материала в сверхзвуковую часть сопла под углом к оси плазматрона, а оси сопел распыла направлены к оси плазматрона так, что образуют скрещивающиеся прямые между собой и осью плазматрона.These results are achieved by the fact that in the apparatus for producing powder particles containing a plasmatron, a spray unit with spray nozzles and a chamber for collecting powder particles, the apparatus is configured to introduce source material into the plasma in the form of an elongated element, the plasmatron is equipped with a nozzle with a supersonic part after which a spray block is made with at least one channel for supplying spray gas, the installation being configured to introduce a rotatable source material into a supersonic part of the nozzle at an angle to the axis of the plasmatron and the axis of the spray nozzles are directed to plasmatron axis so as to form skew lines with each other and the axis of the plasmatron.

Дополнительно, плазматрон выполнен электродуговым.Additionally, the plasma torch is made by electric arc.

Технические результаты также достигаются в способе получения частиц порошка, заключающимся в том что, запускают плазматрон, вводят исходный материал в форме удлиненного элемента в плазму, расплавляют поверхность исходного материала, получают капли распыла, из которых под действием сил поверхностного натяжения образуются сферические частицы, выпадающие после затвердевания в камеру для сбора частиц порошка, при этом вращаемый исходный материал вводят под углом к оси плазматрона в сверхзвуковую часть его сопла, после расплавления поверхности исходного материала получают капли расплава, которые распыляют струями распыляющего газа, оси которых направлены к оси плазматрона так, что образуют скрещивающиеся прямые между собой и осью плазматрона.Technical results are also achieved in the method of obtaining powder particles, which consists in launching a plasmatron, introducing the starting material in the form of an elongated element into the plasma, melting the surface of the starting material, producing spray droplets, from which spherical particles are formed under the action of surface tension, falling out after solidification in the chamber for collecting powder particles, while the rotated source material is introduced at an angle to the axis of the plasmatron in the supersonic part of its nozzle, after melting NOSTA starting material was prepared melt drops which spray jets of atomizing gas, which are directed towards the axis of the plasmatron axis so as to form skew lines with each other and the axis of the plasmatron.

Кроме того, плазматрон может быть выполнен электродуговым.In addition, the plasmatron can be made electric arc.

Помимо этого, температура плазмы может иметь температуру более 6000 К.In addition, the plasma temperature may have a temperature of more than 6000 K.

Следует отметить, что качество получаемых частиц порошка характеризуется, прежде всего, правильной, практически идеальной сферической формой самих частиц порошка с минимальным содержанием дефектных частиц.It should be noted that the quality of the obtained powder particles is characterized, first of all, by the correct, almost ideal spherical shape of the powder particles themselves with a minimum content of defective particles.

В предлагаемой группе изобретений использование, например, дугового плазматрона, имеющего на выходе среднемассовую температуру плазмы не менее 6000 К, и организация ввода исходного материала в сверхзвуковую часть сопла плазматрона позволяют работать с материалами с высокой температурой плавления, такими как ниобий, молибден, тантал, рений, вольфрам и др., частицы порошка которых необходимы в производстве методом 3D-печати, например, узлов и агрегатов ракетно-космической техники, различных элементы турбонасосных агрегатов ЖРД и т.д.In the proposed group of inventions, the use, for example, of an arc plasmatron having an average mass plasma temperature of at least 6000 K at the outlet, and the organization of input of the starting material into the supersonic part of the plasmatron nozzle allow working with materials with a high melting point, such as niobium, molybdenum, tantalum, rhenium , tungsten, etc., powder particles of which are necessary for production by 3D printing, for example, components and assemblies of rocket and space technology, various elements of turbo-pumping rocket engines, etc.

Пристыкованный к плазматрону сверхзвуковой конический насадок - сопло - разгоняет плазму до сверхзвуковых скоростей, что увеличивает конвективный тепловой поток, идущий от плазмы к распыляемому материалу, и улучшает отделение капель расплава с верхнего слоя материала.A supersonic conical nozzle attached to the plasmatron — a nozzle — accelerates the plasma to supersonic speeds, which increases the convective heat flux from the plasma to the sprayed material and improves the separation of melt droplets from the upper layer of the material.

Прикрепленный к сверхзвуковой части сопла узел ввода исходного материала удлиненной формы позволяет осуществлять ввод материала с одновременным вращением под углом к оси плазматрона, который желательно устанавливать от 10° до 90°, что также увеличивает тепловой поток от плазмы к материалу. Узел ввода представляет собой канал для материала, например, с установленным на установке механизмом поступательного ввода удлиненного материала с одновременным вращением.Attached to the supersonic part of the nozzle is an elongated input material input unit that allows material input with simultaneous rotation at an angle to the axis of the plasmatron, which is desirable to set from 10 ° to 90 °, which also increases the heat flux from the plasma to the material. The input unit is a channel for the material, for example, with a mechanism for translational input of elongated material with simultaneous rotation mounted on the installation.

Сопла в распылительном блоке изготавливают так, чтобы их оси были направлены к оси плазматрона и не пересекались с ней, а также друг с другом, образуя в пространстве скрещивающиеся прямые для исключения образования возвратного течения из-за взаимодействия струй друг с другом и застойных зон, в которых затруднен распыл крупных капель.The nozzles in the spraying unit are made so that their axes are directed towards the axis of the plasmatron and do not intersect with it, as well as with each other, forming intersecting lines in space to prevent the formation of a return flow due to the interaction of the jets with each other and stagnant zones, in which is difficult to spray large drops.

Таким образом, улучшенный распыл материала заключается в организации плавления поверхности вращаемого материала с образованием капель расплава, которые распыляют струями распыляющего газа, направление которых упомянуто выше. Организованный таким образом распыл капель расплава позволяет улучшить качество получаемых частиц порошка из исходного материала с высокой температурой плавления. Кроме того, предлагаемая установка имеет простую конструкцию.Thus, an improved atomization of the material consists in organizing the melting of the surface of the rotatable material with the formation of melt droplets, which are sprayed by spraying jets, the direction of which is mentioned above. Organized in this way, the atomization of droplets of the melt can improve the quality of the obtained powder particles from the source material with a high melting point. In addition, the proposed installation has a simple design.

Предлагаемая группа изобретений поясняется на фиг. 1-2.The proposed group of inventions is illustrated in FIG. 1-2.

На фиг. 1 представлено продольное сечение установки для получения частиц порошка.In FIG. 1 shows a longitudinal section of an apparatus for producing powder particles.

На фиг. 2 показан вид снизу на распылительный блок с направлением осей сопел распыла к оси плазматрона.In FIG. 2 shows a bottom view of the spray unit with the direction of the axes of the spray nozzles to the axis of the plasmatron.

На фиг. 3 в изометрии показано направление осей сопел распыла к оси плазматрона.In FIG. 3 in isometry shows the direction of the axes of the spray nozzles to the axis of the plasmatron.

Установка представляет собой плазматрон 1, в частности электродуговой, с осью a и соединенным с плазматроном соплом 2 со сверхзвуковой частью, в которой плазма разгоняется до сверхзвуковых скоростей. На сверхзвуковом коническом сопле устанавливается узел ввода распыляемого материала 3. Распыляемый материал имеет удлиненную форму в виде стержня или прутка 4 и подается под углом α, который может быть в диапазоне от 10° до 90°, к оси а, при этом подача материала осуществляется с одновременным вращением. После сверхзвукового сопла находится распылительный блок 5 с соплами распыла 6, число которых может быть от 2 до 16, при этом сопла распыла 6 изготовлены так, что их оси, как показано на фиг. 1-2 - b, c, d, е, не пересекают ось а плазматрона 1 и не пересекаются друг с другом, образуя, тем самым, скрещивающиеся прямые - непараллельные прямые, которые лежат в разных плоскостях (фиг. 1-3). После распылительного блока 5 расположена камера для сбора порошка (на фиг. не показана), в качестве которой используется любая подходящая, как правило, металлическая емкость.The setup is a plasmatron 1, in particular an electric arc, with an axis a and a nozzle 2 connected to the plasmatron with a supersonic part in which the plasma accelerates to supersonic speeds. At the supersonic conical nozzle, an input node for the sprayed material 3 is installed. The sprayed material has an elongated shape in the form of a rod or rod 4 and is supplied at an angle α, which can be in the range from 10 ° to 90 °, to the axis a , while the material is supplied with simultaneous rotation. After the supersonic nozzle, there is a spray unit 5 with spray nozzles 6, the number of which can be from 2 to 16, while the spray nozzles 6 are made so that their axis, as shown in FIG. 1-2 - b, c, d, e, do not intersect the axis a of the plasmatron 1 and do not intersect with each other, thereby forming crossed lines - non-parallel lines that lie in different planes (Figs. 1-3). After the spraying unit 5, there is a chamber for collecting powder (not shown in Fig.), Which is used as any suitable, as a rule, metal container.

Способ получения частиц порошка осуществляется следующим образом. В запускаемом плазматроне 1 генерируется плазма температурой, выбираемой для конкретно поставленной задачи, которая в свою очередь может варьироваться. Так, например, для получения порошков из тугоплавких материалов температура плазмы может быть более 6000 К, в частности около 6300 К. В сверхзвуковую часть сопла 2 плазматрона 1 под углом α к его оси (см. фиг. 1) поступательно вводится удлиненный исходный распыляемый материал 4, такой как ниобий, молибден, рений, вольфрам и др. с одновременным его вращением для равномерного уноса распыляемого материала.A method of obtaining powder particles is as follows. In the triggered plasmatron 1, plasma is generated by a temperature selected for a specific task, which in turn can vary. So, for example, to obtain powders from refractory materials, the plasma temperature can be more than 6000 K, in particular about 6300 K. In the supersonic part of the nozzle 2 of the plasmatron 1 at an angle α to its axis (see Fig. 1), the elongated initial sprayed material is translationally introduced 4, such as niobium, molybdenum, rhenium, tungsten, etc. with its simultaneous rotation for uniform ablation of the sprayed material.

В сверхзвуковом коническом насадке 2 плазма, натекая на материал 4, расплавляет его наружный слой и за счет скоростного напора сдувает с его поверхности капли расплава размером 1-1,5 мм. На фиг. 1 эта зона обозначена как А, которая начинается от распыляемого исходного материала и идет до зоны распыла В. Из сопел 6 распылительного блока 5 истекает распыляющий газ, такой как аргон, имеющий температуру окружающей среды около 300 К, в зону распыла В (см. фиг. 1), в которой происходит последующее дробление (т.е. распыление) капель до размеров частиц порядка 10-100 мкм, то есть получение капель распыла. Распыляющий газ истекает из сопел распыла 6 так, что оси струй b, с, d, е, не пересекают ось а плазматрона 1 и не пересекаются друг с другом, образуя, тем самым, скрещивающиеся прямые (фиг. 1-3), Такое истечение распыляющего газа исключает образование застойных зон и возвратного течения, в которых затруднено дробление крупных капель.In a supersonic conical nozzle 2, the plasma flowing onto the material 4 melts its outer layer and, due to the velocity pressure, blows melt droplets 1-1.5 mm in size from its surface. In FIG. 1, this zone is designated A, which starts from the sprayed source material and extends to the spray zone B. Spray gas, such as argon having an ambient temperature of about 300 K, flows into the spray zone B from nozzles 6 of the spray unit 5 (see FIG. . 1), in which subsequent crushing (ie spraying) of the droplets to particle sizes of the order of 10-100 μm takes place, that is, the production of droplets of spray. The spray gas flows out from the spray nozzles 6 so that the axes of the jets b, c, d, e do not intersect the axis a of the plasmatron 1 and do not intersect with each other, thereby forming intersecting straight lines (Figs. 1-3). Such an outflow spray gas eliminates the formation of stagnant zones and return flow, in which the crushing of large drops is difficult.

Следует отметить, что в процессе окончательного дробления капель расплава существенную роль помимо распыляющего газа, истекающего из блока распыла, играет и плазма, которая смешивается с распыляющим газом, и при этом существенно повышается температура данного газа, что, в свою очередь, увеличивает расстояние, на котором капли распыла не охлаждаются, а обтекаются горячим газом, что увеличивает время образования сферических частиц под действием сил поверхностного натяжения.It should be noted that in the process of final crushing of the melt droplets, a significant role, in addition to the atomizing gas flowing from the atomization unit, is played by the plasma, which mixes with the atomizing gas, and at the same time the temperature of this gas increases significantly, which, in turn, increases the distance by where spray droplets are not cooled, but flowed around with hot gas, which increases the formation time of spherical particles under the influence of surface tension forces.

В таблице 1 приведены расчетные данные по средней температуре распыляющего газа после его смешения при температуре около 300 К (расход газа, далее аргона - G, г/с) с плазмой (расход плазмы 5 г/с, температура около 6300 К).Table 1 shows the calculated data on the average temperature of the spraying gas after mixing it at a temperature of about 300 K (gas flow, then argon - G, g / s) with plasma (plasma flow 5 g / s, temperature about 6300 K).

Из этой таблицы видно, что при подачи аргона с расходом 21 г/с средняя температура распыляющего и сопровождающего капли газа будет равна 1400 К, а при подаче аргона с расходом 90 г/с - соответственно 600 К. Все вышесказанное увеличивает расстояние, на котором раздробленные капли не затвердевают, что, в конечном счете, приведет к улучшению условия образования сферических частиц за счет сил поверхностного натяжения.It can be seen from this table that when feeding argon with a flow rate of 21 g / s, the average temperature of the atomizing and accompanying gas droplets will be equal to 1400 K, and when feeding argon with a flow rate of 90 g / s, it will be 600 K. All of the above increases the distance at which the fragmented the drops do not harden, which, ultimately, will lead to an improvement in the conditions for the formation of spherical particles due to surface tension forces.

Указанные данные получены на реализованной установке для производства частиц порошка, в которой применяется в качестве плазмообразующего и распылительного газа - аргон, в качестве сырьевого материала - ниобий и используется электродуговой плазматрон. Расход распыляющего газа выбирается для каждого вида распыляемого материала в результате пробных распылений с последующим анализом полученных порошков. Так, например, время распыла 1 кг ниобия в форме стержня диаметром 10 мм со скоростью подачи около 5 мм/с и скоростью вращения около 1 об/с составляет примерно 5 минут, соответственно, за 1 час работы установки будет распылено 10-12 кг ниобия. При этом полученный порошок соответствует заявляемому качеству, частицы порошка правильной сферической формы.The indicated data were obtained on a realized installation for the production of powder particles, in which argon is used as a plasma-forming and spraying gas, niobium is used as a raw material, and an electric arc plasmatron is used. Spray gas flow rate is selected for each type of sprayed material as a result of test sputtering followed by analysis of the obtained powders. So, for example, a spray time of 1 kg of niobium in the form of a rod with a diameter of 10 mm with a feed rate of about 5 mm / s and a rotation speed of about 1 r / s is about 5 minutes, respectively, 10-12 kg of niobium will be sprayed in 1 hour of operation . In this case, the obtained powder corresponds to the claimed quality, the powder particles of the correct spherical shape.

Заявляемые установка и способ могут быть использованы для получения сферических порошков с размерами частиц от 10 до 100 мкм, которые подходят для применения в порошковой металлургии, аддитивных технологиях, а также в авиационной и ракетно-космической промышленности.The inventive installation and method can be used to obtain spherical powders with particle sizes from 10 to 100 microns, which are suitable for use in powder metallurgy, additive technologies, as well as in the aerospace and aerospace industries.

Таким образом, использование предлагаемой группы изобретений обеспечит высокое качество получаемых частиц порошка из исходного материала с высокой температурой плавления за счет эффективного распыла в том числе.Thus, the use of the proposed group of inventions will ensure the high quality of the obtained powder particles from the starting material with a high melting point due to effective atomization including.

Claims (7)

1. Установка для получения частиц порошка, содержащая плазматрон, выполненный с возможностью подачи в плазму исходного материала в форме удлиненного элемента, распылительный блок с соплами для подачи распыляющего газа и камеру для сбора частиц порошка, отличающаяся тем, что плазматрон снабжен соплом со сверхзвуковой частью, выполненной с возможностью подачи исходного материала под углом 10-90° к оси плазматрона с одновременным вращением, при этом после сопла со сверхзвуковой частью установлен распылительный блок с соплами для подачи распыляющего газа, число которых от 2 до 16, и их оси не пересекают ось плазматрона и не пересекаются друг с другом.1. Installation for producing powder particles, containing a plasmatron configured to supply the source material in the form of an elongated element into the plasma, a spray unit with nozzles for supplying atomizing gas and a chamber for collecting powder particles, characterized in that the plasmatron is equipped with a nozzle with a supersonic part, made with the possibility of supplying the source material at an angle of 10-90 ° to the axis of the plasmatron with simultaneous rotation, while after the nozzle with the supersonic part there is a spray unit with nozzles for feeding gas, the number of which is from 2 to 16, and their axes do not intersect the axis of the plasmatron and do not intersect with each other. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что плазматрон выполнен электродуговым.2. Installation according to claim 1, characterized in that the plasmatron is made by electric arc. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что исходный материал выполнен в виде стержня или прутка.3. Installation according to claim 1, characterized in that the source material is made in the form of a rod or rod. 4. Способ получения частиц порошка, включающий запуск плазматрона, подачу исходного материала в форме удлиненного элемента в плазму, расплавление поверхности исходного материала, распыление расплавленного исходного материала с получением капель, обеспечение затвердевания капель с образованием сферических частиц и сбор полученных частиц в камере для сбора частиц порошка, отличающийся тем, что используют плазматрон, имеющий сопло со сверхзвуковой частью, и установленный после сопла со сверхзвуковой частью распылительный блок с соплами для подачи распыляющего газа, при этом исходный материал подают в сверхзвуковую часть сопла плазматрона под углом 10-90° к оси плазматрона с одновременным вращением, а распыление расплавленного исходного материала ведут распыляющим газом из сопел, оси которых не пересекают ось плазматрона и не пересекаются друг с другом.4. A method of producing powder particles, including starting the plasmatron, feeding the starting material in the form of an elongated element into the plasma, melting the surface of the starting material, spraying the molten starting material to produce droplets, ensuring the droplets to solidify to form spherical particles, and collecting the resulting particles in a particle collection chamber powder, characterized in that they use a plasmatron having a nozzle with a supersonic part, and a spray unit with nozzles installed after the nozzle with a supersonic part for supplying spray gas, while the source material is fed into the supersonic part of the plasmatron nozzle at an angle of 10-90 ° to the axis of the plasmatron with simultaneous rotation, and the spraying of the molten source material is carried out by spray gas from nozzles whose axes do not intersect the axis of the plasmatron and do not intersect each other friend. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что обеспечивают плазму с температурой более 6000 K.5. The method according to p. 4, characterized in that they provide a plasma with a temperature of more than 6000 K. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что подают исходный материал в виде стержня или прутка.6. The method according to p. 4, characterized in that the source material is supplied in the form of a rod or rod. 7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что используют электродуговой плазматрон.7. The method according to p. 4, characterized in that they use an electric arc plasmatron.

Images