Установка для получения частиц порошка и способ ее работы



Установка для получения частиц порошка и способ ее работы
Установка для получения частиц порошка и способ ее работы
Установка для получения частиц порошка и способ ее работы
H05H1/38 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)
B22F2202/13 - Порошковая металлургия; производство изделий из металлических порошков; изготовление металлических порошков (способы или устройства для гранулирования материалов вообще B01J 2/00; производство керамических масс уплотнением или спеканием C04B, например C04B 35/64; получение металлов C22; восстановление или разложение металлических составов вообще C22B; получение сплавов порошковой металлургией C22C; электролитическое получение металлических порошков C25C 5/00)

Владельцы патента RU 2671034:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Группа изобретений относится к получению порошка, который может быть использован в аддитивных технологиях. Установка для получения частиц порошка содержит 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. Плазматрон снабжен соплом со сверхзвуковой частью, выполненной с возможностью подачи исходного материала под углом 10-90° к оси плазматрона с одновременным вращением. Распылительный блок установлен после сопла со сверхзвуковой частью и содержит от 2 до 16 сопел, оси которых не пересекают ось плазматрона и не пересекаются друг с другом. Предложен также способ получения частиц порошка в упомянутой установке. Обеспечивается повышение качества порошка из материала с высокой температурой плавления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Предлагаемые изобретения относятся к средствам получения частиц порошка, подходящих для применения в порошковой металлургии, аддитивных технологиях, а также в авиационной и ракетно-космической промышленности.

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.

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.

Задачей предлагаемых решений является получение высококачественных сферических порошков из тугоплавких материалов, температура плавления которых доходит до 3500-4000 К.

Технический результат заключается в обеспечении высокого качества получаемых частиц порошка из исходного материала с высокой температурой плавления.

Также обеспечиваются иные технические результаты, такие как:

- улучшение эффективности распыла исходного сырьевого материала;

- расширение арсенала технических средств получения порошков из различных материалов, в том числе тугоплавких;

- упрощение конструкции установки, элементы которой просты в изготовлении и доступны в достаточной степени.

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.

Дополнительно, плазматрон выполнен электродуговым.

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.

Кроме того, плазматрон может быть выполнен электродуговым.

Помимо этого, температура плазмы может иметь температуру более 6000 К.

Следует отметить, что качество получаемых частиц порошка характеризуется, прежде всего, правильной, практически идеальной сферической формой самих частиц порошка с минимальным содержанием дефектных частиц.

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.

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.

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.

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.

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.

Предлагаемая группа изобретений поясняется на фиг. 1-2.

На фиг. 1 представлено продольное сечение установки для получения частиц порошка.

На фиг. 2 показан вид снизу на распылительный блок с направлением осей сопел распыла к оси плазматрона.

На фиг. 3 в изометрии показано направление осей сопел распыла к оси плазматрона.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что плазматрон выполнен электродуговым.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что исходный материал выполнен в виде стержня или прутка.

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.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что обеспечивают плазму с температурой более 6000 K.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что подают исходный материал в виде стержня или прутка.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что используют электродуговой плазматрон.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу сжигания химически активного газа с электроположительным металлом, также к устройству для осуществления этого способа. В заявленном изобретении электроположительный металл выбран из группы, включающей щелочные металлы, щелочноземельные металлы, алюминий и цинк, а также их смеси и/или сплавы, причем химически активный газ перед сжиганием и/или во время сжигания, например, только с целью воспламенения химически активного газа по меньшей мере время от времени переводится в состояние плазмы.
Изобретение относится к каркасу для картриджа плазменно-дуговой горелки. Каркас включает в себя теплопроводящий корпус (308) каркаса, имеющий продольную ось, первый конец, сконфигурированный для соединения с первым расходным компонентом, и второй конец, сконфигурированный для сопряжения со вторым расходным компонентом.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для предварительного нагрева реактора плазменной газификации. Устройство содержит фурму, плазменное факельное устройство, установленное для инжектирования горячего газа в фурму, множество сопел, выполненных с возможностью инжектирования горючего материала в фурму для сгорания горючего материала в фурме, и первую камеру повышенного давления, установленную вокруг по меньшей мере участка фурмы и сообщающуюся по текучей среде с множеством сопел, при этом сопла подают горючий материал ниже по потоку от плазменного факела, создаваемого факельным устройством, обеспечивая в результате сопловое смешивание и сгорание воздуха и горючего материала с помощью плазменного факела.

Группа изобретений относится к области стерилизации. Система для стерилизации содержит реакционную емкость, выполненную с возможностью размещения в ней объекта стерилизации и его стерилизации, первые средства подачи перкислотного агента в реакционную емкость, причем перкислотный агент содержит перуксусную кислоту, средства для уменьшения давления в реакционной емкости, средства для вентилирования реакционной емкости, средства для создания плазмы в первом предварительно определенном участке для размещения объекта стерилизации в реакционной емкости.

Использование: для изменения электромагнитной сигнатуры поверхности. Сущность изобретения заключается в том, что микроэлектронный модуль содержит по меньшей мере один преобразователь напряжения для преобразования первого подаваемого напряжения в более высокое, низкое или такое же второе напряжение, кроме того, микроэлектронный модуль содержит по меньшей мере один возбудитель, возбудитель содержит по меньшей мере один генератор, чтобы генерировать электрическую плазму с помощью второго напряжения, подаваемого преобразователем напряжения, по меньшей мере преобразователь напряжения и возбудитель размещаются на тонкопленочной планарной подложке, электрическая плазма, генерируемая возбудителем, взаимодействует с электромагнитным излучением, падающим на поверхность, в результате чего изменяется электромагнитная сигнатура.

Изобретение относится к системам плазменно-дуговой резки. Сменный картридж, включающий компоненты для использования с системой плазменно-дуговой резки, содержит кожух, поддерживающий компоненты сменного картриджа, содержащие электрод, расположенный внутри кожуха, сопло, механизм для соединения кожуха с горелкой для плазменно-дуговой резки и пружину.

Изобретение относится к области плазменной техники. Устройство на базе рельсотрона выполнено в виде коаксиальной линии КЛ, в котором возникающий между электродами КЛ разряд использован в качестве «поршня».

Изобретение относится к форсунке дуговой плазменной горелки. Форсунка для плазменной дуговой горелки содержит боковую стенку дистальной зоны, образованную вращением криволинейного элемента переменной кривизны вокруг оси форсунки.

Изобретение относится к устройству для получения микросфер и микрошариков из оксидных материалов. Устройство содержит плазменный генератор с вынесенным стабилизированным дуговым разрядом, включающий соосно и вертикально расположенные на расстоянии друг от друга катод и трубчатый полый графитовый анод.

Изобретение относится к системе и способу нанесения покрытия. Система включает вакуумную камеру и узел для нанесения покрытия.

Изобретение относится к производству абразивных тугоплавких материалов, в частности к получению порошка - оксида алюминия (корунда), и может быть использовано в металлообрабатывающей, машиностроительной, химико-металлургической промышленности.

Изобретение относится к физике низкотемпературной плазмы и плазмохимии, к электротехнике и электрофизике, а именно к ускорительной технике. Способ синтеза нанодисперсного нитрида титана осуществляют путем распыления электроразрядной плазмы титана коаксиального магнитоплазменного ускорителя с титановыми электродами в камеру-реактор, заполненную газообразным азотом при атмосферном давлении, при этом синтез ведут в камере-реакторе объемом от 0,022 м3 до 0,055 м3 и от 0,057 м3 до 0,098 м3 при температуре от 0°C до 19°C и от 21°C до 40°C соответственно.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения наноструктурированных порошков ферритов включает получение смеси соли азотной кислоты и по крайней мере одного оксидного соединения металла, ультразвуковую обработку, термообработку и фильтрацию.

Изобретение относится к получению нанопорошка оксинитрида алюминия. Тонкодисперсный порошок алюминия вводят в поток термической плазмы, в котором осуществляют взаимодействие паров алюминия с аммиаком в присутствии кислорода в количестве, отвечающем атомному соотношению элементов 1,16<O/Al<1,24.

Изобретение относится к химической технологии получения оксикарбида молибдена и может быть использовано в углекислотной конверсии природного газа в качестве катализатора.

Изобретение относится к получению гранул пенометалла. Способ включает смешивание порошка металла с водорастворимой, не смачиваемой металлом солью, имеющей температуру плавления, большую температуры плавления металла.

Группа изобретений относится к получению металлических наночастиц. Способ включает формирование потока ускоряемых металлических микрочастиц, плавление металлических микрочастиц, подачу потока образовавшихся жидких микрокапель в область цилиндрического осесимметричного электростатического поля, ось которого совпадает с осью потока жидких микрокапель, зарядку жидких микрокапель потоком электронов до состояния, в котором начинается их каскадное деление до металлических наночастиц, и осаждение выходящих из области цилиндрического осесимметричного электростатического поля металлических наночастиц на подложку.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошка титана, и может быть использовано в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении электроконтактов на основе серебра. Описан способ получения мелкодисперсной шихты серебро-оксид меди(II), включающий химическое осаждение карбонатов серебра и меди из раствора, содержащего нитраты серебра и меди, фильтрацию, промывку, сушку и термическое разложение осадка, в котором в раствор нитратов, в котором отношение серебра и оксида меди в шихте составляет 90 и 10 масс.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам приготовления смеси порошков для последующего изготовления из смеси изделий, и может быть использовано в машиностроении, атомной и химической промышленности.
Изобретение относится к изготовлению компонента газотурбинного двигателя из металлического порошка. Способ включает аддитивное изготовление компонента и его термическую обработку.

Группа изобретений относится к получению порошка, который может быть использован в аддитивных технологиях. Установка для получения частиц порошка содержит 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. Плазматрон снабжен соплом со сверхзвуковой частью, выполненной с возможностью подачи исходного материала под углом 10-90° к оси плазматрона с одновременным вращением. Распылительный блок установлен после сопла со сверхзвуковой частью и содержит от 2 до 16 сопел, оси которых не пересекают ось плазматрона и не пересекаются друг с другом. Предложен также способ получения частиц порошка в упомянутой установке. Обеспечивается повышение качества порошка из материала с высокой температурой плавления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Наверх