一种制备金属-陶瓷包覆粉末的装置及方法转让专利
申请号 : CN202110635591.X
文献号 : CN113245544B
文献日 : 2021-10-01
发明人 : 张智昶 , 唐洪奎 , 黄椿森 , 卓君 , 李安 , 马宽 , 周林 , 瞿宗宏 , 韩志宇 , 赖运金 , 王庆相 , 梁书锦
申请人 : 西安欧中材料科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种制备金属‑陶瓷包覆粉末的装置,包括用以提供制粉气氛的雾化室(14),其特征在于,所述雾化室(14)的左侧分别设置惰性气体组件(12)及驱动电机(13),所述雾化室(14)的右侧分别设置真空组件(10)及气动送粉装置(7),所述雾化室(14)的底端设置收粉室(15);
所述惰性气体组件(12)位于驱动电机(13)的下方,且通过送气管与雾化室(14)相连通;所述驱动电机(13)驱动等离子旋转电极设备的载料箱中的母合金棒材(1)转动;
所述雾化室(14)的右侧内壁安装等离子枪(6),所述等离子枪(6)的四周均匀分布有多个陶瓷粉末喷头(3),所述陶瓷粉末喷头(3)通过送粉管与气动送粉装置(7)连接,所述陶瓷粉末喷头(3)喷出的陶瓷粉末以10 60°的入射角进入等离子炬(5),所述陶瓷粉末在等离子~
炬(5)的高温作用下表面瞬间液化;所述真空组件(10)位于气动送粉装置(7)的下方,且通过送气管与雾化室(14)相连通;
所述母合金棒材(1)的中心轴线、等离子枪(6)的中心轴线、多个陶瓷粉末喷头(3)的共同的中心轴线均位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的装置,其特征在于,所述等离子枪(6)通过固定板(8)安装于雾化室(14)的右侧内壁,且多个所述陶瓷粉末喷头(3)均安装于固定板(8)上。
3.根据权利要求1所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的装置,其特征在于,多个所述陶瓷粉末喷头(3)分布于等离子枪(6)的上、下、左、右四个方向。
4.根据权利要求1所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的装置,其特征在于,所述陶瓷粉末喷头(3)喷出的气流量为4 10L/min,送粉量为30 50g/min。
~ ~
5.一种制备金属‑陶瓷包覆粉末的方法,其特征在于,利用如权利要求1所述的装置,所述方法包括如下步骤:
1)将母合金棒材(1)装入等离子旋转电极设备的载料箱中;
2)调整雾化室(14)内的气压在0.1 1MPa之间;
~
3)制备金属液膜(9);
4)向等离子炬(5)中送入陶瓷粉末(4);
5)所述陶瓷粉末(4)与金属液膜(9)相融并在离心力的作用下被雾化分散在雾化室(14)内;
6)分散形成的熔融的陶瓷基金属液滴(2),凝固形成金属‑陶瓷包覆粉末(11)。
6.根据权利要求5所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的方法,其特征在于,所述步骤2)具体包括:
‑2
2.1)启动真空组件(10),保证雾化室(14)内的真空度低于10 Pa;
2.2)开启惰性气体组件(12)通入氩气,使雾化室(14)内的气压在0.1 1MPa之间。
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7.根据权利要求5所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的方法,其特征在于,所述步骤3)具体包括:
启动驱动电机(13),驱动电机(13)带动母合金棒材(1)转动,待母合金棒材(1)升至
16000 20000r/min并平稳转动后启动等离子枪(6),所述等离子枪(6)电离激发等离子炬~
(5),所述等离子炬(5)熔化母合金棒材(1)端面形成金属液膜(9)。
8.根据权利要求5所述的制备金属‑陶瓷包覆粉末的方法,其特征在于,所述步骤4)具体包括:
启动气动送粉装置(7),通过陶瓷粉末喷头(3)将陶瓷粉末(4)以4 10L/min的气流量、~
30 50g/min的送粉量、10 60°的入射角喷出,送入等离子炬(5)中熔化。
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说明书 :
一种制备金属‑陶瓷包覆粉末的装置及方法
技术领域
背景技术
改性和修复加工应用中。金属‑陶瓷包覆粉末相对于混合而成的金属+陶瓷粉末具有成分均
匀、性能一致和使用稳定等优点,在粉末冶金领域的应用前景越来越广泛。传统金属‑陶瓷
包覆粉末的生产方法有化学置换还原、粘结烧结、气相沉积和机械研磨、机械合金化等方
法,然而其制备的粉末球形度低、粉末杂质元素含量高和均匀一致性差,在现代制造修复中
的应用越来越少。
膜在高速转动下甩出雾化形成金属球形粉末,其制备的粉末具有洁净度高、球形度高和成
分均匀等优点,已被广泛应用于航空航天、医疗植入、汽车工业等高端制造领域。但是,PREP
在制备金属‑陶瓷包覆粉末方面仍存在着技术制约,由于金属和陶瓷的熔点、质量差异较
大,在常规的PREP制粉时,母合金棒材的熔炼难度较大,陶瓷不能溶解于金属,棒材后续机
加工困难;同时,陶瓷作为外来物分割金属基体,棒材的结合强度差,导致在PREP制粉过程
中出现断裂的风险,金属和陶瓷的熔点差异导致在高速离心的作用下出现高低熔点相分
离,在制备粉末过程中不能形成均匀的包覆粉末情况。
粉末颗粒以固体的形式进行喷射包覆,包覆粉末在微观上属于固‑液结合,且包覆粉末多以
粘接的状态存在,其一致性和均匀性较差。
发明内容
域上属于液‑液结合,与固‑液结合的方式相比,表面液化的陶瓷粉末与金属熔融液的湿润
性、相容性、结合性及后续制备得到的金属‑陶瓷包覆粉末的均匀性更好。
别设置真空组件及气动送粉装置,所述雾化室的底端设置收粉室;
粉装置的下方,且通过送气管与雾化室相连通;
喷射角度为10 60°。
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min并平稳转动后启动等离子枪,所述等离子枪电离激发等离子炬,所述等离子炬熔化母合
金棒材端面形成金属液膜。
50g/min的送粉量、10 60°的入射角喷出,送入等离子炬中熔化。
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行复合粉末的生产。在保留PREP制粉优点的基础上,还能够制备球形度高、杂质元素含量
低、包覆均匀的金属‑陶瓷包覆粉末;且包括以下优点:改善了PREP制备金属‑陶瓷类两相熔
点差异较大出现的两相分离、包覆不均匀问题;避免了金属‑陶瓷棒材熔炼困难和金属陶瓷
结合强度不够引起的棒材断裂问题。
用下表面瞬间液化,随后进入被等离子炬熔化的金属液膜中相融(表面液化的陶瓷粉末与
金属熔融液在热毛细力的作用下进一步相融,金属熔融液包裹住表面液化的陶瓷粉末),在
离心力作用下熔融的陶瓷基金属液滴被分散到雾化室中,凝固形成球形度高、杂质元素含
量低、包覆均匀的金属‑陶瓷包覆粉末。
附图说明
瓷包覆粉末;12、惰性气体组件;13、驱动电机;14、雾化室;15、收粉室。
具体实施方式
13,所述雾化室14的右侧分别设置真空组件10及气动送粉装置7,所述雾化室14的底端设置
收粉室15;
于气动送粉装置7的下方,且通过送气管与雾化室14相连通;
数。
喷射角度为10 60°。
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高和成分均匀的优点,但传统PREP设备仅用于制备单质粉或者合金粉。这是因为纯金属和
合金棒材容易通过冶炼获得,能够保证PREP棒材原材料的使用,但在制备这种金属‑陶瓷包
覆粉末11的过程中,陶瓷以第二硬质相存在于棒材中,会使得棒材原材料冶炼困难,同时棒
材在PREP制粉过程中由于转动而出现断裂等问题,影响PREP制备金属‑陶瓷包覆粉末11。
形粉末的过程中,开启陶瓷粉末喷头3,使陶瓷粉末4以一定的入射角度进入高温等离子炬
5,陶瓷粉末4在等离子炬5的高温作用下表面瞬间液化,随后进入被等离子炬5熔化的金属
液膜9中相融(表面液化的陶瓷粉末与金属熔融液在热毛细力的作用下进一步相融,金属熔
融液包裹住表面液化的陶瓷粉末),在离心力作用下分散形成熔融的陶瓷基金属液滴2到雾
化室中,在表面张力的作用下形成球形度高、杂质元素含量低、包覆均匀的金属‑陶瓷包覆
粉末11。
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等离子炬5,所述等离子炬5熔化母合金棒材1端面形成金属液膜9;
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5中熔化;
的载料箱中;启动真空组件10,对雾化室14内抽真空至5×10 Pa,随后通入氩气,使雾化室
14内压力为0.5MPa;启动驱动电机13带动Inconel 718母合金棒材1转动,待Inconel 718母
合金棒材1转速升至16000r/min并平稳转动后开启等离子枪6,等离子枪6功率为100kW,电
离激发等离子炬5,等离子炬5熔化Inconel 718母合金棒材1端面形成金属液膜9;随后启动
气动送粉装置7,将平均粒径为2μm的陶瓷粉末Al2O3通过导管送至陶瓷粉末喷头3处,Al2O3
陶瓷粉末4经过左、右双陶瓷粉末喷头3以4L/min的气流量、30g/min的送粉量、35°入射角进
入等离子炬5中熔化,表面液化的Al2O3陶瓷粉末4在等离子炬5的携带下与Inconel 718液膜
相融合,随后在离心力的作用下被雾化分散在雾化室14内;在热毛细力的作用下,Al2O3基
Inconel 718液滴进一步相融,形成内核为Al2O3陶瓷、外衣为Inconel 718的包覆粉末,对制
得的Al2O3‑ Inconel 718粉末进行收集筛分。
中;启动真空组件10,对雾化室14内抽真空至3×10 Pa,随后通入惰性气体氩气,使雾化室
14内压力为0.3MPa;启动驱动电机13带动316L母合金棒材1转动,待316L母合金棒材1转速
升至18000r/min并平稳转动后开启等离子枪6,等离子枪6功率为120kW,电离激发等离子炬
5,等离子炬5熔化316L母合金棒材1端面形成金属液膜9;随后启动气动送粉装置7,将平均
粒径为1.5μm的陶瓷粉末TiN通过送粉管送至陶瓷粉末喷头3处,TiN陶瓷粉末4经过左、右双
陶瓷粉末喷头3以6L/min的气流量、40g/min的送粉量、25°入射角进入等离子炬5中熔化,表
面液化的TiN陶瓷粉末4在等离子炬5的携带下与316L液膜相融合,随后在离心力的作用下
被雾化分散在雾化室14内;在热毛细力的作用下,TiN基316L液滴进一步相融,形成内核为
TiN陶瓷、外衣为316L的包覆粉末,对制得的TiN‑316L粉末进行收集筛分。
50g,氧含量低于500ppm。
中,启动真空组件10,对雾化室14内抽真空至2×10 Pa,随后通入惰性气体氩气,使雾化室
14内压力为0.2MPa;启动驱动电机13带动CoCr母合金棒材1转动,待CoCr母合金棒材1转速
升至20000r/min并平稳转动后开启等离子枪6,等离子枪6功率为140kW,电离激发等离子炬
5,等离子炬5熔化CoCr母合金棒材1端面形成金属液膜9;随后启动气动送粉装置7,将平均
粒径为2.5μm的陶瓷粉末WC通过送粉管送至陶瓷粉末喷头3处,WC陶瓷粉末4经过上、下、左、
右四个陶瓷粉末喷头3以8L/min的气流量、35g/min的送粉量、45°入射角进入等离子炬5中
熔化,表面液化的WC陶瓷粉末4在等离子炬5的携带下与CoCr液膜相融合,随后在离心力的
作用下被雾化分散在雾化室14内;在热毛细力的作用下,WC基CoCr液滴进一步相融,形成内
核为WC陶瓷、外衣为CoCr的包覆粉末,对制得的WC‑CoCr粉末进行收集筛分。
氧含量低于500ppm。
箱中;启动真空组件10,对雾化室14内抽真空至8×10 Pa,随后通入氩气,使雾化室14内压
力为1MPa;启动驱动电机13带动Ni60母合金棒材1转动,待Ni60母合金棒材1转速升至
18000r/min并平稳转动后开启等离子枪6,等离子枪6功率为120kW,电离激发等离子炬5,等
离子炬5融化Ni60母合金棒材1端面形成金属液膜9;随后启动气动送粉装置7,将平均粒径
为2.5μm的陶瓷粉末WC通过导管送至陶瓷粉末喷头3处,WC陶瓷粉末4经过左、右双陶瓷粉末
喷头3以10L/min的气流量、50g/min的送粉量、10°入射角进入等离子炬5中融化,表面液化
的WC陶瓷粉末4在等离子炬5的携带下与Ni60液膜相融合,随后在离心力的作用下被雾化分
散在雾化室14内;在热毛细力的作用下WC基Ni60液滴进一步相融,形成内核为WC陶瓷、外衣
为Ni60的包覆粉末,对制得的WC‑Ni60粉末进行收集筛分。
氧含量低于500ppm。
中;启动真空组件10,对雾化室14内抽真空至8×10 Pa,随后通入氩气,使雾化室14内压力
为0.2MPa;启动驱动电机13带动TC4母合金棒材1转动,待TC4母合金棒材1转速升至20000r/
min并平稳转动后开启等离子枪6,等离子枪6功率为100kW,电离激发等离子炬5,等离子炬5
融化TC4母合金棒材1端面形成金属液膜9;随后启动气动送粉装置7,将平均粒径为1.5μm的
陶瓷粉末Cr3C2通过导管送至陶瓷粉末喷头3处,Cr3C2陶瓷粉末4经过左、右双陶瓷粉末喷头
3以4L/min的气流量、40g/min的送粉量、60°入射角进入等离子炬5中融化,表面液化的Cr3C2
陶瓷粉末4在等离子炬5的携带下与TC4液膜相融合,随后在离心力的作用下被雾化分散在
雾化室14内;在热毛细力的作用下Cr3C2基TC4液滴进一步相融,形成内核为Cr3C2陶瓷、外衣
为TC4的包覆粉末,对制得的Cr3C2‑TC4粉末进行收集筛分。
覆不均匀问题;2)避免了金属‑陶瓷棒材熔炼困难和金属陶瓷结合强度不够引起的棒材断
裂问题;3)采用四喷头的陶瓷粉末送粉系统,可以使粉末喷射更加均匀,同时通过调整送粉
量来控制金属‑陶瓷包覆粉末11的质量分数;4)制得的金属‑陶瓷包覆粉末11具有球形度
高、杂质元素含量低、包覆均匀的优点。
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。