RU2760905C1 - Method for producing metal powders or granules - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, powder metallurgy and additive manufacture. The workpiece 7 is rotated at a frequency of 10,000 to 32,000 rpm and an end thereof is melted by a plasma jet 3 obtained by ionisation of gas using a plasma torch 4 installed with an eccentricity k of the axis thereof relative to the axis of rotation of the workpiece 7 when a power from 70 to 140 kW is directed to the plasma torch 4. The nozzle of the plasma torch 4 has a cone opening angle from 11° to 50° and a cut diameter from 0.1 to 0.97 of the diameter d of the workpiece. Located inside the nozzle is a conical sleeve made of a refractory metal. The distance h is maintained in the process of melting between the end of the workpiece and the end of the nozzle of the plasma torch 4 in the range from 10 to 35 mm. Located on the outer surface of the refractory metal sleeve are notches providing a mechanical bond with the body of the nozzle of the plasma torch 4.

EFFECT: uniformity of the granulometric composition of the produced metal powders or granules and quality thereof are increased due to the eliminated contamination by particles of copper which is the material of the body of the nozzle, the particle size is reduced.

2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологиям получения металлических порошков и гранул, которые могут применяться в порошковом (гранульном) и аддитивном производствах.The invention relates to the field of metallurgy, namely to technologies for producing metal powders and granules that can be used in powder (granular) and additive manufacturing.

Из уровня техники известен способ получения сферических порошков, включающий вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона, выходящей из соплового канала с прямоугольным профилем, с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил и затвердевания частиц при полете в газовой среде, с формированием на торце заготовки вогнутой полости, диаметр которой равен диаметру заготовки, а глубина - 0,1-0,35 диаметра заготовки, путем изменения расхода газа через плазмотрон и перемещения плазмотрона относительно оси вращения заготовки, а распыление расплавленных частиц осуществляют по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности вогнутой полости (RU 2361698 С1, 20.07.2009).A method for producing spherical powders is known from the prior art, including rotation of a cylindrical workpiece around a horizontal axis, melting the end of the workpiece with a plasma jet of an arc plasmatron emerging from a nozzle channel with a rectangular profile, ensuring the spraying of molten particles under the action of centrifugal forces and solidification of particles during flight in a gaseous medium , with the formation at the end of the workpiece of a concave cavity, the diameter of which is equal to the diameter of the workpiece, and the depth is 0.1-0.35 of the diameter of the workpiece, by changing the gas flow rate through the plasmatron and moving the plasmatron relative to the axis of rotation of the workpiece, and the spraying of molten particles is carried out along the conical surface formed by the tangent to the curved surface of the concave cavity (RU 2361698 C1, 20.07.2009).

Недостатком данного способа является прямоугольный профиль соплового канала, что приводит к отрыву газа от его стенки и образованию зоны обратных потоков газа, что, в свою очередь, в процессе плазменной плавки способствует эрозии сопла и таким образом способствует попаданию его материала (меди) в получаемые порошки и гранулы.The disadvantage of this method is the rectangular profile of the nozzle channel, which leads to gas separation from its wall and the formation of a zone of reverse gas flows, which, in turn, in the process of plasma melting contributes to the erosion of the nozzle and thus contributes to the ingress of its material (copper) into the resulting powders and granules.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ производства гранул жаропрочных сплавов, включающий вращение заготовки и оплавление ее торца струей плазмы, получаемой ионизацией газа с помощью плазмотрона с получением гранул жаропрочных сплавов путем кристаллизации капель расплава в среде инертного газа или в смеси инертных газов. Плазмотрон устанавливают с эксцентриситетом его оси относительно оси вращения заготовки с обеспечением равномерного и полного прогрева торца заготовки и образованием тороидального «венца» на кромке заготовки, от которого под действием центробежных сил отрываются капли расплава и кристаллизуются в виде гранул примерно одинакового размера (RU 2468891 С1, 10.12.2012).The closest analogue in technical essence is a method for the production of granules of high-temperature alloys, including the rotation of the workpiece and the melting of its end with a plasma jet obtained by gas ionization using a plasmatron to obtain granules of high-temperature alloys by crystallization of melt drops in an inert gas atmosphere or in a mixture of inert gases. The plasmatron is installed with an eccentricity of its axis relative to the axis of rotation of the workpiece, ensuring uniform and complete heating of the end of the workpiece and the formation of a toroidal "crown" on the edge of the workpiece, from which, under the action of centrifugal forces, melt drops are torn off and crystallize in the form of granules of approximately the same size (RU 2468891 C1, 12/10/2012).

Поскольку данный способ не предусматривает поддержание определенного зазора (расстояния) между торцом заготовки и соплом плазмотрона, эффективность и надежность процесса плазменной плавки снижается. С одной стороны, с увеличением расстояния между торцами заготовки и сопла плазмотрона снижается коэффициент полезного действия (КПД) процесса из-за того, что часть энергии плазменной струи рассеивается, а не идет на плавление заготовки и перегрев жидкого металла. С другой стороны, уменьшение расстояния между торцом заготовки и сопла плазмотрона до менее 10 мм приводит к возникновению отраженного обратного движения плазменной струи с частицами металла в сторону сопла, которые, попадая на катод, ухудшают его эмиссионные характеристики. Также отраженное обратное движение плазменной струи вызывает усиленную эрозию сопла плазмотрона из-за возникновения критических тепловых нагрузок.Since this method does not provide for maintaining a certain gap (distance) between the end of the workpiece and the nozzle of the plasma torch, the efficiency and reliability of the plasma melting process is reduced. On the one hand, with an increase in the distance between the ends of the workpiece and the nozzle of the plasmatron, the efficiency of the process decreases due to the fact that part of the energy of the plasma jet is dissipated, and does not go to melting the workpiece and overheating of the liquid metal. On the other hand, a decrease in the distance between the end face of the workpiece and the nozzle of the plasmatron to less than 10 mm leads to the appearance of a reflected backward motion of the plasma jet with metal particles towards the nozzle, which, falling on the cathode, worsen its emission characteristics. Also, the reflected backward motion of the plasma jet causes increased erosion of the plasma torch nozzle due to the occurrence of critical thermal loads.

В способе-прототипе не регламентируется геометрия профиля дугового канала сопла плазмотрона и, соответственно, отсутствует контроль диаметра газо-плазменной струи на торце заготовки, необходимого для ее полного расплавления. Также геометрия профиля дугового канала сопла плазмотрона значительно влияет на устойчивость газоструйного потока плазмы. В процессе же неустойчивого горения дуги за счет эрозии корпуса сопла плазмотрона, которые в современной промышленности изготавливаются из меди, велика вероятность попадания частиц меди в массу порошка, что ухудшает качество получаемых порошков и гранул.In the prototype method, the geometry of the profile of the arc channel of the nozzle of the plasmatron is not regulated and, accordingly, there is no control of the diameter of the gas-plasma jet at the end of the workpiece, which is necessary for its complete melting. Also, the geometry of the profile of the arc channel of the plasma torch nozzle significantly affects the stability of the gas-jet plasma flow. In the process of unstable arc burning due to erosion of the plasma torch nozzle body, which in modern industry are made of copper, there is a high probability of copper particles entering the powder mass, which degrades the quality of the resulting powders and granules.

В целом общим недостатком известных способов является невозможность получить высокий процент мелкодисперсных порошков (гранул), в частности крупностью менее 100 мкм, широко востребованных при производстве изделий методом гранульной металлургии и изделий, изготавливаемых методами селективного лазерного сплавления, из-за отсутствия условий для поддержания стабильного теплового баланса в области распыления.In general, a common disadvantage of the known methods is the impossibility to obtain a high percentage of fine powders (granules), in particular with a particle size of less than 100 microns, which are widely demanded in the production of products by the method of granular metallurgy and products manufactured by selective laser fusion methods, due to the lack of conditions for maintaining a stable thermal balance in the field of spraying.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение однородности гранулометрического состава, уменьшение крупности частиц, а также повышение их качества за счет исключения загрязнения частицами материала корпуса сопла (меди).The technical result of the proposed invention is to increase the uniformity of the particle size distribution, reduce the size of particles, as well as improve their quality by eliminating particle contamination of the nozzle body material (copper).

Для достижения технического результата предложен способ получения металлических порошков или гранул, включающий вращение заготовки, оплавление ее торца струей плазмы, получаемой ионизацией газа с помощью плазмотрона, установленного с эксцентриситетом его оси относительно оси вращения заготовки, при этом используют плазмотрон, сопло которого имеет угол раскрытия конуса от 11° до 50° и диаметр среза от 0,1 до 0,97 диаметра заготовки, причем внутри сопла расположена коническая втулка из тугоплавкого металла, оплавление торца вращающейся заготовки осуществляют при частоте ее вращения от 10000 до 32000 об/мин струей плазмы, образующейся при подведении к плазмотрону мощности от 70 до 140 кВт, в процессе оплавления расстояние между торцом заготовки и торцом сопла плазмотрона поддерживают в диапазоне от 10 до 35 мм.To achieve the technical result, a method is proposed for producing metal powders or granules, including the rotation of the workpiece, the melting of its end with a plasma jet obtained by gas ionization using a plasmatron installed with an eccentricity of its axis relative to the axis of rotation of the workpiece, while using a plasmatron, the nozzle of which has a cone opening angle from 11 ° to 50 ° and cut diameter from 0.1 to 0.97 of the diameter of the workpiece, and inside the nozzle there is a conical sleeve made of refractory metal, the end of the rotating workpiece is melted at a frequency of its rotation from 10,000 to 32,000 rpm by a plasma jet generated when the power from 70 to 140 kW is supplied to the plasmatron, during the reflow process, the distance between the end of the workpiece and the end of the nozzle of the plasmatron is maintained in the range from 10 to 35 mm.

На внешней поверхности втулки из тугоплавкого металла могут быть расположены насечки, обеспечивающие механическое сцепление с корпусом сопла плазмотрона.On the outer surface of the sleeve made of refractory metal, there can be notches that provide mechanical adhesion to the plasma torch nozzle body.

Принципиальная схема центробежного распыления металлических порошков предлагаемым способом приведена на фиг. 1. На фиг. 2 изображено сопло плазмотрона (вид А). На фигурах отмечены следующие элементы:A schematic diagram of centrifugal atomization of metal powders by the proposed method is shown in Fig. 1. In FIG. 2 shows the nozzle of the plasmatron (view A). The following elements are marked on the figures:

1 - камера распыления,1 - spray chamber,

2 - получаемые сферические частицы (гранулы или порошки),2 - the resulting spherical particles (granules or powders),

3 - струя плазмы,3 - plasma jet,

4 - плазмотрон,4 - plasmatron,

5 - пробоотборник,5 - sampler,

6 - бункер,6 - bunker,

7 - расплавляемая заготовка,7 - melted workpiece,

8 - кратер заготовки,8 - workpiece crater,

9 - биметаллическое сопло плазмотрона,9 - bimetallic nozzle of the plasmatron,

10 - коническая втулка из тугоплавкого металла,10 - tapered sleeve made of refractory metal,

h - расстояние между соплом плазмотрона и заготовкой (кратером заготовки),h is the distance between the plasma torch nozzle and the workpiece (workpiece crater),

d - диаметр заготовки,d - workpiece diameter,

со - направление вращения заготовки,co - the direction of rotation of the workpiece,

а - угол раскрытия конического канала сопла плазмотрона,a is the opening angle of the conical channel of the plasmatron nozzle,

к - эксцентриситет между осями заготовки и плазмотрона,k - eccentricity between the axes of the workpiece and the plasma torch,

d_c - диаметр среза сопла. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Заготовке 7 диаметром d, расположенной с эксцентриситетом к ее оси относительно оси плазмотрона, придается вращение со в камере распыления 1, заполненной смесью инертных газов. Из плазмотрона 4 с установленным, в отличие от прототипа, соплом 9 с конической втулкой 10 из тугоплавкого металла и углом раскрытия конического канала а от 11,0 до 50° выдувается поток ионизированной газовой смеси 3. Заготовка подводится к соплу плазмотрона с диаметром среза d_c, составляющим от 0,1 до 0,97 диаметра заготовки, на расстояние h от 10 до 35 мм, происходит ее подплавление. Жидкая ванна по спиралям движется по образующемуся кратеру 8, и под действием центробежных сил капли расплава отрываются от края кратера 8 и кристаллизуются в виде сферических частиц 2.d _c - nozzle exit diameter. The proposed method is carried out as follows. The workpiece 7 with a diameter d, located with an eccentricity to its axis relative to the axis of the plasmatron, is given rotation with in the spraying chamber 1 filled with a mixture of inert gases. From the plasmatron 4 with installed, in contrast to the prototype, nozzle 9 with a conical sleeve 10 made of refractory metal and an opening angle of the conical channel a from 11.0 to 50 °, a stream of ionized gas mixture 3 is blown out. The workpiece is fed to the nozzle of the plasmatron with a cut diameter d _c , constituting from 0.1 to 0.97 of the diameter of the workpiece, at a distance h from 10 to 35 mm, its melting occurs. The liquid bath spirals along the forming crater 8, and under the action of centrifugal forces, the melt drops detach from the edge of the crater 8 and crystallize in the form of spherical particles 2.

В процессе плазменной плавки полученные сферические частицы 2 попадают из камеры распыления 1 в бункер бив пробоотборник 5.In the process of plasma melting, the resulting spherical particles 2 fall from the spraying chamber 1 into the hopper and into the sampler 5.

Ввиду значительно более низкой теплопроводности тугоплавких металлов (если для меди

при t « 927°С составляет 327 Вт/м*К, то, например, для ниобия

при t « 1827°С составляет ≈91 Вт/м*К) разность температур между газовой смесью и стенкой тугоплавкой втулки будет минимизирована, а тепловые потери в водяное охлаждение биметаллического сопла будут снижены ~ на 20-30% по сравнению с применением медного сопла без тугоплавкой втулки.Due to the significantly lower thermal conductivity of refractory metals (if for copper

at t <927 ° C is 327 W / m * K, then, for example, for niobium

at t <1827 ° C is ≈91 W / m * K) the temperature difference between the gas mixture and the wall of the refractory sleeve will be minimized, and heat losses in the water cooling of the bimetallic nozzle will be reduced by ~ 20-30% compared to using a copper nozzle without refractory bushings.

Таким образом, применение сопла 9 с втулкой 10 из тугоплавкого металла приводит к увеличению теплосодержания истекающей из газоразрядной камеры плазмотрона 4 струи плазмы 3 ~ на 20-30%, увеличивая тепловой КПД плазмотрона и производительность установки плазменного распыления. Перегрев жидкой пленки распыляемого материала, возникающей на торце заготовки, приводит к уменьшению поверхностного натяжения расплава, что способствует уменьшению крупности (диаметра) получаемых частиц.Thus, the use of a nozzle 9 with a sleeve 10 made of a refractory metal leads to an increase in the heat content of the jet of plasma 3 ~ flowing from the gas-discharge chamber of the plasmatron 4 by 20-30%, increasing the thermal efficiency of the plasmatron and the productivity of the plasma spraying unit. Overheating of the liquid film of the sprayed material, which appears at the end of the workpiece, leads to a decrease in the surface tension of the melt, which contributes to a decrease in the size (diameter) of the particles obtained.

Предлагаемый профиль сопла плазмотрона и величина зазора между распыляемой заготовкой и плазмотроном за счет стабилизации теплового баланса в области распыления и исключения образования наростов на торце заготовки обеспечивают повышение однородности гранулометрического состава и уменьшают крупность частиц при неизменности других условий.The proposed profile of the nozzle of the plasmatron and the size of the gap between the sprayed workpiece and the plasmatron by stabilizing the heat balance in the spraying area and eliminating the formation of build-ups at the end of the workpiece provide an increase in the uniformity of the particle size distribution and reduce the particle size while other conditions remain unchanged.

Использование сопла плазмотрона с углом раскрытия конического канала а от 11,0 до 50° и диаметром среза d_c от 0,1 до 0,97 диаметра заготовки создает факел плазменной струи на торце расплавляемой заготовки размером 0,5-0,99 от ее диаметра d, в то время как цилиндрический профиль соплового канала не позволяет в процессе плавки регулировать диаметр факела плазмы на заготовке. При вращении заготовки происходит полное расплавление ее торца и формирование профиля кратера заготовки, с краев которого под действием центробежных сил отрываются капли расплава и кристаллизуются в виде сферических частиц. Размер факела на торце заготовки в процессе плазменного распыления регулируют за счет поддержания зазора (расстояния) h между торцом заготовки и сопла плазмотрона от 10 до 35 мм.The use of a plasma torch nozzle with a conical channel opening angle a from 11.0 to 50 ° and a cut diameter d _c from 0.1 to 0.97 of the workpiece diameter creates a plasma jet torch at the end face of the workpiece being melted with a size of 0.5-0.99 of its diameter d, while the cylindrical profile of the nozzle channel does not allow adjusting the diameter of the plasma torch on the workpiece during the melting process. When the workpiece rotates, its end is completely melted and the profile of the workpiece crater is formed, from the edges of which, under the action of centrifugal forces, melt drops are torn off and crystallize in the form of spherical particles. The size of the torch at the end of the workpiece in the process of plasma spraying is regulated by maintaining the gap (distance) h between the end of the workpiece and the nozzle of the plasmatron from 10 to 35 mm.

Диаметр факела плазмы менее 0,5 диаметра заготовки при вращении не покрывает и не расплавляет полностью ее торец, в результате чего из-за температурных перепадов края кратера начинают разрушаться (крошиться), что приводит к неоднородности гранулометрического состава или, в крайнем случае, к образованию нерасплавленных частиц неправильной формы.The diameter of the plasma torch less than 0.5 of the diameter of the workpiece during rotation does not cover or completely melt its end, as a result of which, due to temperature differences, the edges of the crater begin to collapse (crumble), which leads to inhomogeneity of the particle size distribution or, in extreme cases, to the formation unmelted particles of irregular shape.

Выставление эксцентриситета оси плазмотрона относительно оси вращающейся заготовки при диаметре факела плазмы более 0,99 от ее диаметра приведет к рассеиванию части плазменной струи за пределами поверхности заготовки, из-за чего не будет происходить формирование симметричной лунки (с максимальной глубиной в центре) небольшой глубины, что приведет к искажению геометрии торца заготовки и в результате - к ее вибрации и нарушению процесса распыления.Exposing the eccentricity of the axis of the plasmatron relative to the axis of the rotating workpiece with a plasma torch diameter of more than 0.99 of its diameter will result in scattering of a part of the plasma jet outside the workpiece surface, which will prevent the formation of a symmetric dimple (with a maximum depth in the center) of small depth, which will lead to distortion of the geometry of the end face of the workpiece and, as a result, to its vibration and disruption of the spraying process.

Зазор h между торцом сопла плазмотрона и распыляемой заготовкой поддерживается либо визуально оператором, либо с помощью автоматической системы поддержания зазора, обрабатывающей сигнал видеокамеры. Программируемый логический контроллер, определяя положение торца заготовки и контролируя область свечения факела плазменной дуги, поддерживает зазор, регулируя скорость перемещения толкателя заготовки (на чертеже не показан).The gap h between the nozzle end of the plasmatron and the workpiece being sprayed is maintained either visually by the operator or by means of an automatic system for maintaining the gap, which processes the video camera signal. The programmable logic controller, determining the position of the end face of the workpiece and controlling the glowing area of the plasma arc torch, maintains the gap by adjusting the speed of movement of the workpiece pusher (not shown in the drawing).

Зазор менее 10 мм не позволяет создать необходимый для полного проплавления диаметр факела плазмы на торце даже при значительных углах раскрытия конуса сопла плазмотрона. Кроме того, возникают значительные отраженные тепловые и газо-порошковые потоки, что может привести к выгоранию и деформации сопла, а также к повреждению катода. Также существуют сложности поддержания столь малого расстояния как в ручном, так и в автоматическом режимах из-за динамичности процесса, поскольку есть вероятность столкновения заготовки и плазмотрона.The gap less than 10 mm does not allow creating the diameter of the plasma torch at the end, necessary for complete penetration, even at significant aperture angles of the plasma torch nozzle cone. In addition, significant reflected heat and gas-powder flows arise, which can lead to burnout and deformation of the nozzle, as well as damage to the cathode. There are also difficulties in maintaining such a small distance in both manual and automatic modes due to the dynamism of the process, since there is a possibility of collision between the workpiece and the plasmatron.

Зазор более 35 мм приводит к значительному рассеянию теплового потока от плазмотрона к заготовке, деформации формы факела плазменной струи и, как следствие, значительному снижению производительности или полному прекращению процесса распыления.A gap of more than 35 mm leads to significant scattering of the heat flux from the plasma torch to the workpiece, deformation of the shape of the plasma jet torch and, as a consequence, a significant decrease in productivity or complete cessation of the sputtering process.

Конический профиль соплового канала с углом раскрытия менее 11° может приводить к шунтированию плазменной дуги и нарушению стабильности ее горения, а также практически не дает возможность корректировать форму факела струи величиной зазора между торцом заготовки и сопла плазмотрона.The conical profile of the nozzle channel with an opening angle of less than 11 ° can lead to shunting of the plasma arc and disturb the stability of its combustion, and also practically does not make it possible to correct the shape of the jet by the size of the gap between the end of the workpiece and the nozzle of the plasmatron.

При коническом профиле соплового канала с углом раскрытия более 50° факел плазменной дуги будет слишком расфокусирован, в результате чего в центральной зоне факела возможно возникновение зоны с пониженным тепловым содержанием, что приведет к некачественному (неполному) расплавлению торца заготовки, а также к излишнему снижению среднемассовых температур плазмы, что может существенно снизить производительность и привести к получению не полностью проплавленных частиц порошка.With a conical profile of the nozzle channel with an opening angle of more than 50 °, the plasma arc torch will be too defocused, as a result of which a zone with a low heat content may appear in the central zone of the torch, which will lead to poor-quality (incomplete) melting of the workpiece end, as well as to an excessive decrease in the average mass plasma temperatures, which can significantly reduce productivity and lead to the production of incompletely melted powder particles.

Диаметр плазменной струи зависит, в частности, от диаметра среза сопла d_c. Для реализации на торце расплавляемой заготовки факела плазменной струи размером 0,5-0,99 от диаметра заготовки d, согласно проведенным расчетам, диаметр среза сопла d_c должен находиться в интервале от 0,1 до 0,97 от диаметра d распыляемой заготовки.The diameter of the plasma jet depends, in particular, on the diameter of the nozzle exit d _c . To implement a plasma jet at the end of the melted workpiece with a size of 0.5-0.99 of the workpiece diameter d, according to the calculations, the nozzle cut-off diameter d _c should be in the range from 0.1 to 0.97 of the diameter d of the sprayed workpiece.

При диаметре среза сопла d_c более 0,97 диаметра заготовки не удается даже при минимальном зазоре 10 мм и угле раскрытия 11° создать диаметр факела плазменной струи размером 0,99 от ее диаметра d и менее.When the nozzle _{exit diameter d c is} more than 0.97 of the billet diameter, it is not possible, even with a minimum gap of 10 mm and an opening angle of 11 °, to create a plasma jet torch diameter of 0.99 of its diameter d or less.

При диаметре среза сопла d_c менее 0,1 диаметра заготовки не удается создать на торце заготовки плотный однородный факел плазменной струи, позволяющий однородно расплавлять торец заготовки.When the diameter of the nozzle exit d _{c is} less than 0.1 of the diameter of the workpiece, it is not possible to create a dense homogeneous plasma jet at the end of the workpiece, which makes it possible to uniformly melt the end of the workpiece.

Таким образом, выбранный диапазон величины зазора и предлагаемая геометрия дугового канала сопла плазмотрона обеспечивают стабильность теплового баланса в области распыления, постоянную толщину пленки расплава на торце заготовки и, как следствие, стабильный однородный прогнозируемый гранулометрический состав получаемых частиц.Thus, the selected range of the gap size and the proposed geometry of the arc channel of the plasmatron nozzle ensure the stability of the heat balance in the sputtering region, a constant thickness of the melt film at the end of the workpiece and, as a consequence, a stable uniform predictable particle size distribution of the resulting particles.

При угле раскрытия конического профиля соплового канала от 11 до 50° статическая температура газа в сопле изменяется лишь незначительно из-за одновременного действия двух факторов - нагрева газа дугой и падения статической температуры за счет ускорения газа. Значительная часть подводимой к плазмотрону мощности (около 60%) расходуется на ту часть дуги, которая горит в сверхзвуковой части сопла. Температура изоэнтропийного торможения газа при этом непрерывно растет вдоль сопла. Прианодная "ножка" дуги отсутствует, а замыкание дуги на анод носит диффузный характер, т.е. разряд равномерно распределен по всей поверхности анода. Такой характер замыкания дуги на анод обеспечивается тем, что она горит в плазме. В итоге это способствует полному проплавлению торца заготовки, уменьшению крупности частиц, повышению их однородности и препятствует отрыву частиц неправильной и грубой формы с края заготовки.When the angle of opening of the conical profile of the nozzle channel is from 11 to 50 °, the static temperature of the gas in the nozzle changes only slightly due to the simultaneous action of two factors - the heating of the gas by the arc and the drop in the static temperature due to the acceleration of the gas. A significant part of the power supplied to the plasmatron (about 60%) is spent on that part of the arc that burns in the supersonic part of the nozzle. In this case, the temperature of isentropic deceleration of the gas increases continuously along the nozzle. The anode arc "leg" is absent, and the arc closure to the anode is diffuse; the discharge is evenly distributed over the entire surface of the anode. This nature of the arc closure to the anode is ensured by the fact that it burns in plasma. As a result, this contributes to the complete penetration of the end of the workpiece, a decrease in the size of the particles, an increase in their homogeneity and prevents the separation of particles of irregular and rough shape from the edge of the workpiece.

Традиционно в установках плазменной плавки и центробежного распыления используются заготовки диаметром от 40 до 120 мм, при этом практически всегда установка создается под конкретный диаметр распыляемых заготовок с небольшими отклонениями от номинального размера, обычно в пределах ±2 мм. Нижний размер диаметра 40 мм определяется производительностью, которая зависит от диаметра заготовки, а верхний диаметр 120 мм ограничивается габаритами установки и возникновением сложности с получением частоты вращения заготовки более 15000-20000 об/мин, что в конечном счете сказывается на крупности частиц.Traditionally, workpieces with a diameter of 40 to 120 mm are used in plasma melting and centrifugal spraying installations, while almost always the installation is created for a specific diameter of the sprayed workpieces with small deviations from the nominal size, usually within ± 2 mm. The lower size of the diameter of 40 mm is determined by the productivity, which depends on the diameter of the workpiece, and the upper diameter of 120 mm is limited by the dimensions of the installation and the emergence of difficulty in obtaining the rotation frequency of the workpiece more than 15,000-20,000 rpm, which ultimately affects the particle size.

При использовании заготовок с указанным диаметром (50-80 мм) для обеспечения стабильности теплового баланса для получения высокого содержания мелкодисперсных порошков и гранул крупностью менее 100 мкм в массе получаемых частиц были выбраны оптимальные параметры плазменной плавки и центробежного распыления:When using blanks with the specified diameter (50-80 mm), to ensure the stability of the heat balance to obtain a high content of fine powders and granules with a particle size of less than 100 microns in the mass of the resulting particles, the optimal parameters of plasma melting and centrifugal spraying were selected:

- подводимая к плазмотрону мощность от 70 до 140 кВт;- power supplied to the plasma torch from 70 to 140 kW;

- частота вращения заготовки от 10000 об/мин до 32000 об/мин. Указанная мощность обеспечивается путем задания на плазмотроне тока от 800 до 2000 А и напряжения от 40 до 100 В.- workpiece rotation frequency from 10,000 rpm to 32,000 rpm. The specified power is provided by setting the current on the plasma torch from 800 to 2000 A and voltage from 40 to 100 V.

Подводимая к плазмотрону мощность менее 70 кВт не обеспечивает требуемого теплового потока, необходимого для полного расплавления торца заготовки и перегрева образующейся пленки для снижения ее вязкости при получении мелкодисперсных порошков (гранул), что приводит к повышению крупности получаемых частиц и к резкому снижению производительности процесса. В то же время при превышении подаваемой мощности более 140 кВт с торца заготовки начинает стекать жидкий металл, который застывает в виде наплывов. Это приводит к нарушению геометрии заготовки и разбалансировке ее вращения, что чревато поломкой узла ее вращения.The power of less than 70 kW supplied to the plasmatron does not provide the required heat flux required for complete melting of the workpiece end and overheating of the resulting film to reduce its viscosity when obtaining fine powders (granules), which leads to an increase in the size of the particles obtained and to a sharp decrease in the productivity of the process. At the same time, when the supplied power exceeds more than 140 kW, liquid metal begins to flow from the end of the workpiece, which solidifies in the form of sagging. This leads to a violation of the geometry of the workpiece and an imbalance in its rotation, which is fraught with breakage of the unit of its rotation.

Подводимая к плазмотрону мощность указанных значений обеспечивается путем задания тока плазменной плавки в диапазоне от 800 до 2000 А, при котором устанавливается напряжение от 40 до 100 В.The power supplied to the plasma torch of the indicated values is provided by setting the plasma melting current in the range from 800 to 2000 A, at which the voltage is set from 40 to 100 V.

Экспериментально определено, что при вращении заготовки со скоростью менее 10000 об/мин содержание мелкодисперсных частиц в получаемом порошке оказывается недостаточным для его применения в современном порошковом (гранульном) производстве и при изготовлении деталей методом селективного лазерного сплавления, поскольку приводит к низкому выходу годного и резкому удорожанию конечной продукции.It has been experimentally determined that when the workpiece rotates at a speed of less than 10,000 rpm, the content of fine particles in the resulting powder turns out to be insufficient for its use in modern powder (granular) production and in the manufacture of parts by the method of selective laser alloying, since it leads to a low yield and a sharp rise in cost. final products.

При превышении скорости вращения распыляемой заготовки более 32000 об/мин происходит существенное измельчение массы порошка и получение значительного количества частиц менее 10-15 мкм, которые из-за развитой поверхности начинают слипаться и комковаться вследствие сил межмолекулярного взаимодействия, что приводит к образованию агломератов. Адгезия частиц между собой обусловлена силами, различными по своей природе: молекулярными, капиллярными, электрическими и кулоновскими. Адгезия возникает в результате сильного развития поверхности у высокодисперсных и мелких фракций и оказывает негативное влияние на технологические свойства порошков - снижает текучесть, сыпучесть и насыпную плотность, что требует дополнительной операции по их удалению, повышает трудоемкость и снижает выход годного из-за удаления частиц менее 10-15 мкм.When the rotation speed of the sprayed workpiece exceeds 32000 rpm, a significant grinding of the powder mass occurs and a significant amount of particles less than 10-15 microns is obtained, which, due to the developed surface, begin to stick together and clump due to the forces of intermolecular interaction, which leads to the formation of agglomerates. The adhesion of particles to each other is due to forces that are different in nature: molecular, capillary, electrical and Coulomb. Adhesion occurs as a result of the strong development of the surface in highly dispersed and fine fractions and has a negative effect on the technological properties of powders - it reduces fluidity, flowability and bulk density, which requires an additional operation to remove them, increases labor intensity and reduces the yield due to the removal of particles less than 10 -15 microns.

Использование плазмотрона с соплом, внутри которого расположена коническая втулка из тугоплавкого металла, исключает загрязнение получаемых частиц материалом корпуса сопла (меди).The use of a plasmatron with a nozzle, inside which a conical sleeve made of a refractory metal is located, excludes contamination of the resulting particles by the material of the nozzle body (copper).

Стойкость и прочность конструкции сопла можно повысить благодаря наличию на конической втулке насечек, обеспечивающих образование механического сцепления втулки с коническим гнездом корпуса сопла и повышение площади их контакта, благодаря чему, помимо непосредственно более высокой прочности сцепления, обеспечивается более эффективный отвод тепла от втулки из тугоплавкого металла через медный корпус сопла.The durability and strength of the nozzle structure can be increased due to the presence of notches on the tapered sleeve, which ensure the formation of mechanical adhesion of the sleeve with the tapered seat of the nozzle body and an increase in their contact area, due to which, in addition to directly higher adhesion strength, a more efficient heat removal from the sleeve made of refractory metal is provided. through the copper nozzle body.

Примеры осуществления.Examples of implementation.

На плазмотроне постоянного тока дугового типа независимого действия проводили распыление заготовок из стали 20Х23Н19 диаметром 80 мм.An independent arc-type DC plasmatron was used to spray workpieces made of 20Kh23N19 steel with a diameter of 80 mm.

Плазмотрон устанавливали с эксцентриситетом его оси относительно оси вращения заготовки.The plasmatron was installed with an eccentricity of its axis relative to the axis of rotation of the workpiece.

В качестве сопел были использованы биметаллические сопла с ниобиевой втулкой с углом раскрытия конуса от 11 до 50°. Каждое биметаллическое сопло было изготовлено путем горячего изостатического прессования заготовок медного корпуса сопла с коническим гнездом и вставленной в нее заготовки термостойкой конической втулки из ниобия. На внешней поверхности заготовки втулки предварительно были выточены насечки в виде кольцевых углублений.Bimetallic nozzles with a niobium sleeve with a cone opening angle from 11 to 50 ° were used as nozzles. Each bimetallic nozzle was manufactured by hot isostatic pressing of a copper nozzle body blank with a tapered socket and a heat-resistant niobium bushing inserted into it. On the outer surface of the sleeve blank, notches in the form of annular grooves were preliminarily turned.

Тринадцать циклов плазменного распыления было проведено в соответствии с предлагаемым способом и один цикл в соответствии со способом-прототипом.Thirteen cycles of plasma spraying were carried out in accordance with the proposed method and one cycle in accordance with the prototype method.

Параметры плазменной плавки приведены в таблице 1.Plasma melting parameters are shown in Table 1.

Оценку гранулометрического состава осуществляли по ГОСТ Р 8.896-2015.The granulometric composition was assessed according to GOST R 8.896-2015.

Однородность гранулометрического определяли по разности между параметрами D₁₀ и D₉₀, где:Granulometric uniformity was determined by the difference between the parameters D ₁₀ and D ₉₀ , where:

D₁₀ - диаметр, который не превышают 10 масс. % частиц получаемого порошка;D ₁₀ - diameter that does not exceed 10 mass. % of particles of the resulting powder;

D₉₀ - диаметр, который не превышают 90 масс. % частиц получаемого порошка.D ₉₀ - diameter that does not exceed 90 mass. % of particles of the resulting powder.

Чем меньше разность между указанными величинами, тем более узким гранулометрическим составом обладает порошковая композиция.The smaller the difference between these values, the narrower the particle size distribution of the powder composition.

Уменьшение крупности частиц оценивали по параметру D₉₀, связанному с выходом годного по требуемой фракции.The reduction in particle size was assessed by the parameter D ₉₀ , associated with the yield of the desired fraction.

Исследование порошков на наличие меди (материала корпуса сопла плазмотрона) проводили по следующей методике: от каждой плавки производили отбор шести проб суммарной массой 12 г (по 2 г каждая), которые исследовались под микроскопом на наличие медных включений.The study of the powders for the presence of copper (the material of the nozzle body of the plasmatron) was carried out according to the following procedure: from each melt, six samples with a total weight of 12 g (2 g each) were taken, which were examined under a microscope for the presence of copper inclusions.

Характеристики полученных порошков приведены в таблице 2.The characteristics of the obtained powders are shown in Table 2.

Как показали полученные данные, на всех циклах в соответствии с предлагаемым способом однородность получаемого гранулометрического состава оказалась выше (разница D₉₀ - Djo меньше на 3,6-13,3 мкм, чем у порошка, полученного способом-прототипом).As shown by the data obtained, in all cycles in accordance with the proposed method, the homogeneity of the resulting particle size distribution was higher (the difference D ₉₀ - Djo is less by 3.6-13.3 microns than the powder obtained by the prototype method).

Во всех порошках, изготовленных предлагаемым способом (циклы №№1-13), не было обнаружено содержания вредной примеси меди, в то время как в пробах порошка, изготовленного способом-прототипом (цикл №14), было обнаружено 2 частицы меди.In all powders made by the proposed method (cycles No. 1-13), no harmful impurity of copper was found, while in the samples of the powder made by the prototype method (cycle No. 14), 2 particles of copper were found.

Также из таблицы 2 видно, что при одинаковой частоте вращения заготовки 22500 об/мин (циклы №№2-11 и 14 (способ-прототип)), предлагаемый способ обеспечил получение порошков меньшей крупностью во всех примерах.Also from table 2 it can be seen that at the same frequency of rotation of the workpiece 22500 rpm (cycles No. 2-11 and 14 (prototype method)), the proposed method provided the receipt of powders with a smaller size in all examples.

Claims (2)

1. Способ получения металлических порошков или гранул, включающий вращение заготовки, оплавление ее торца струей плазмы, получаемой ионизацией газа с помощью плазмотрона, установленного с эксцентриситетом его оси относительно оси вращения заготовки, отличающийся тем, что используют плазмотрон, сопло которого имеет угол раскрытия конуса от 11° до 50° и диаметр среза от 0,1 до 0,97 диаметра заготовки, причем внутри сопла расположена коническая втулка из тугоплавкого металла, оплавление торца вращающейся заготовки осуществляют при частоте ее вращения от 10000 до 32000 об/мин струей плазмы, образующейся при подведении к плазмотрону мощности от 70 до 140 кВт, в процессе оплавления расстояние между торцом заготовки и торцом сопла плазмотрона поддерживают в диапазоне от 10 до 35 мм.1. A method of obtaining metal powders or granules, including the rotation of the workpiece, fusing its end with a plasma jet obtained by gas ionization using a plasmatron installed with an eccentricity of its axis relative to the axis of rotation of the workpiece, characterized in that a plasmatron is used, the nozzle of which has a cone opening angle from 11 ° to 50 ° and cut diameter from 0.1 to 0.97 of the diameter of the workpiece, and inside the nozzle there is a conical sleeve made of refractory metal, the end of the rotating workpiece is melted at a frequency of its rotation from 10,000 to 32,000 rpm by a plasma jet generated at supplying power from 70 to 140 kW to the plasmatron, in the process of reflow, the distance between the end of the workpiece and the end of the nozzle of the plasmatron is maintained in the range from 10 to 35 mm. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности втулки из тугоплавкого металла расположены насечки, обеспечивающие механическое сцепление с корпусом сопла плазмотрона.2. The method according to claim. 1, characterized in that on the outer surface of the sleeve made of refractory metal there are notches providing mechanical adhesion to the nozzle body of the plasmatron.

Images