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TWI862498B - 用於從一條或兩條銲線以高生產率生產高純度球狀金屬粉末的方法和設備 - Google Patents

用於從一條或兩條銲線以高生產率生產高純度球狀金屬粉末的方法和設備 Download PDF

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TWI862498B
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皮耶樂 卡拉賓
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加拿大商匹若堅尼斯加拿大有限公司
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Abstract

一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備，包括：電漿炬和適於進給至該設備中的至少一條銲線。當電弧直接轉移到銲線以熔融銲線時，電漿炬產生電漿噴流，將熔融的銲線霧化成粒子，並且在下游的冷卻室將該等粒子固化成粉末。電弧在電漿超音速噴流前方的兩條連續進給的銲線之間產生，其中，電流由兩個或兩個以上的並聯電源提供，其中，至少一個電源設定為電壓控制型，而至少一個電源設置為電流控制型。即使在非常高的生產速率下，這種電氣配置也能生產精細且為球形的粉末，這允許更低的氣體-金屬比。在這種設備中，一條銲線用作陽極，而另一條銲線用作陰極。在另一設備中，銲線用作電漿炬內的陰極。在又一設備中，電弧在電漿炬的一個電極與銲線之間轉移，銲線在電漿炬的外面但在設備的外殼內進給。

Description

用於從一條或兩條銲線以高生產率生產高純度球狀金屬粉末的方法和設備
本發明涉及一種先進材料，更具體地，涉及生產用於各種應用的金屬粉末，例如：用於航太和醫療產業的積層製造(additive manufacturing)。
在電漿霧化(plasma atomization)中，通常使用銲線(wire)作為原料，並且使用電漿源(source of plasma)(亦稱電漿炬(plasma torch))作為霧化劑，以使粒子熔融並同時解體。因為電漿噴流(plasma jet)必須在一個步驟中熔融銲線並將其霧化，銲線的使用提供所需的穩定性，使得窄電漿噴流適當地瞄準銲線。眾所周知，目前此項技術生產市場上最精細、最為球形和最緻密的粉末。換句話說，在0-106微米的範圍內生產的粉末的產率非常高，球形度接近完美，並且氣體截留(gas entrapment)最小化。
然而，此項技術的主要缺點是，具有相比於水和氣體霧化相對較低的生產速率，由於這樣的事實，電漿霧化是能量效率非常低的製程。據報，對於Ti-6Al-4V的電漿霧化的生產速率在0.6到13kg/h之間。然而，現實上，假設在上限附近操作，將導致更粗的粒徑分佈。例如，美國專利第5,707,419號，名稱為「以電漿霧化製備金屬和陶瓷粉末的方法(Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization)」，並於1998年1月13日以Tsantrizos等人的名義發佈，記載鈦的進給(feed)速率為14.7g/min或0.882kg/h；而美國專利申請公開第2017/0326649-A1號，名稱為「透過霧化以伸長部件的形式的原材料製造粉末粒子的方法和設備(Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member)」 ，並於2017年11月16日以Boulos等人為發明人發表，記載不鏽鋼的進給速率為1.7kg/h。
所有三種現有的電漿霧化技術均使用一個單一的中心進給式銲炬(見參考文獻4)，或使用三個銲炬(torch)瞄準在中心的一個銲線(見參考文獻1、2、和3)。在這三種銲炬技術的例子中，從電漿羽(plasma plume)傳遞到銲線的熱量非常低，並且在0.4%的數量級。低熱傳效率意味著需要大量的電漿氣體來維持一定的金屬進給速率，這造成了作為霧化的標準製程效率度量(efficiency metric)的氣體-金屬比(gas-to-metal ratio)的下限。此外，使用三個銲炬意味著許多電極隨著時間而腐蝕，這可能是污染源且增加操作成本。在中心進給式銲炬的例子中，使用感應耦合電漿炬，其電源很難在市場上獲得。
在熱熔射(thermal spray)領域中，使用銲線電弧熔射(wire arc spray)將塗層施加到表面上是成熟且可靠的技術。該技術主要包括：使高電流通過一條或兩條銲線，並在兩條銲線之間或者在單條銲線與一個電極之間具有電弧(electrical arc)。優良的銲線電弧系統可以在非常高的通過料量(throughput)(~20至50kg/h)下，以接近100%的占空比(duty cycle)運行。此外，因為電弧直接接觸銲線，此項技術是高能量效率的。然而，此項技術的目的是生產塗層而不是生產粉末。由於該技術使用冷氣體來霧化噴霧，因此產生非常不規則且有角度的形狀，這對於大多數應用來說，是不希望的。
因此，希望提供一種設備和方法，用於在透過電漿霧化維持品質的同時，從一條或兩條銲線以顯著的生產速率生產金屬粉末，即，精細、球形和完全緻密的粉末。
期望提供一種用於從一條或兩條銲線以顯著的速率生產金屬粉末的新的設備和方法。
本文所述的實施例提供一種態樣，一種電漿霧化製程，包括：提供一熱電漿炬(thermal plasma torch)；連續地進給待霧化的一條或兩條銲線；將一電弧轉移到待霧化的該銲線或該等銲線；以及提供一冷卻程序，適於(adapted to)將粒子固化成球形粉末。
並且，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬和一銲線，該銲線適於進給至該電漿炬中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，一電弧適於形成在用作陰極的該銲線與一電極之間。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種電漿霧化製程包括：提供一熱電漿炬；連續地進給待霧化的一條或兩條銲線；將一電弧適應地轉移到該銲線或該等銲線以產生粒子；以及提供冷卻程序，用於將該等粒子固化成球形粉末。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬和一銲線，該銲線適於進給至該電漿炬中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子；其中，一電弧適於形成在用作陰極的該銲線和一電極之間。
另外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬、至少一條銲線、以及冷卻室，該至少一條銲線適於進給至該設備中，該電漿炬適於將熔融的銲線霧化成粒子，並且該冷卻室適於將該等粒子固化成粉末，以及其中，該銲線適於用作電漿炬中的陰極。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬和至少一對銲線，該至少一對銲線適於進給至該設備中，該電漿炬適於將熔融的該等銲線霧化成粒子，其中，該等銲線中的一條銲線適於用作陽極，而另一條銲線適於用作陰極。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬和一銲線，該銲線適於進給至該電漿炬中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，一電弧適於形成在用作陰極的該銲線與一電極之間。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：一電漿炬和至少一條銲線，該至少一條銲線適於進給至該電漿炬中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，該設備適 於被一氣體冷卻，從而加熱該氣體，同時如此被加熱的該氣體適於用作電漿氣體。
另外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種電漿霧化製程包括：提供一熱電漿炬；連續地進給待霧化的一條或兩條銲線，從而由其產生霧化的金屬液滴；以及使該等液滴穿過一反衛星體擴散器(anti-satellite diffuser)，該反衛星體擴散器適於防止細粉末的再循環並因而防止衛星體形成。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種電漿霧化製程包括：提供一熱電漿炬；提供待霧化的一條或兩條銲線；以及提供並聯的至少兩個電源，用於控制該兩條銲線之間或該單條銲線與該電漿炬的一個電極之間的一電弧，從而產生粒子。
110:銲線
111:箭頭
112:電漿炬
114:陽極
116:銲線引導件
118:氣體通道
120:超音速噴嘴
122:電漿羽
128:電弧
301:電漿炬
302:銲線供給器
303:霧化區
304:反衛星體擴散器
305:沉降室、腔室
306:水冷夾套
307:氣動輸送機
308:旋風分離器
309:收集罐、罐
310:閥門
311:過濾單元
401:電漿炬
402:電極
403:電弧
404:氣體通道
405:銲線
407:銲線引導件
408:電漿羽
409:箭頭
411:超音速噴嘴
501:電漿炬
502:銲線
503:入口
504:出口
505:超音速噴嘴
508:頂點
509:接觸尖端
510:陶瓷尖端
511:凸耳安裝件
513:氣體鞘流噴嘴
514:水冷式接觸器
515:歧管
601:電漿炬
602:入口
603:入口
604:出口
605:超音速噴嘴
606:鞘流氣體噴嘴
607:水冷式接觸器
608:銲線頂點
610:反衛星體擴散器、擴散器
611:銲炬接收器
A:設備
A’:設備
A”:設備
S:系統
為了更好地理解本文中描述的實施例，並且更清楚地顯示它們可以如何實現效果，以僅作為示例的方式，以下將參照示出至少一個示例性實施例的附圖，其中：圖1和圖2是根據一示例性實施例，使用雙銲線型(dual wire)電弧電漿(arc plasma)霧化從一對銲線生產金屬粉末的設備的垂直剖面圖；圖3是根據包含圖1和圖2的一示例性實施例，使用圖1和圖2中所示的設備來生產金屬粉末的系統的示意性立面視圖(elevation view)；圖4是根據包含圖1和圖2的一示例性實施例所使用的電氣配置(electrical configuration)的概念性示意圖；圖5是顯示在本發明的操作中實施例的電氣趨勢線(electrical trendline)的一個示例；圖6是由圖1和圖2的實施例的裝置所生產的45-106μm的Ti64 23級(Ti64 grade 23)粉末的放大100倍SEM影像；圖7是由圖1和圖2的實施例的裝置所生產的20-120μm的鋯粉末的放大100倍SEM影像；圖8是顯示由本發明的至少一個實施例中所揭露的裝置生產的原粉(raw powder)的典型雷射繞射粉末尺寸分佈曲線圖；圖9是根據一個示例性實施例，使用電漿炬從單條銲線製造金屬粉末的設備的示意性垂直剖面圖，其中，該電漿炬可以以該述單條銲線轉移(transfer)電弧；以及圖10是根據一個示例性實施例，使用中心進給式的電漿炬從單條銲線生產金屬粉末的設備的示意性垂直剖面圖。
藉由組合上述的電漿霧化和銲線電弧熔射技術的特徵，本文所揭示的技術提供用於生產金屬粉末的方法和設備，包括透過使用銲線電弧熔射技術的一些概念並進行調整，以使其適用於生產高純度球形粉末。更具體地，如霧化過程中所見，氣體噴流(gas jet)被電漿源取代，並且熔融的銲線霧化進入冷卻室中。
一個關鍵的考量是粉末品質。因為銲線電弧不是為了生產高品質的粉末而開發的，必須針對粉末品質進行調整和調控。本發明包括改善熔融過程的穩定性的控制策略，以下將對其進一步詳細描述。
在以高動量撞擊熔融流(molten stream)之前或之後，電漿源(諸如一個以上的電漿炬或電弧)傳遞可以被加速到超音速的電漿流(plasma stream)。
在本文的實施例中，因為電弧電漿炬(arc plasma torch)可以廣泛取得，超音速電漿噴流源(supersonic plasma jet source)透過電弧電漿炬來製造。然而，許多其他方式也可用於實現相同的超音速電漿噴流。例如，也可以使用任何的熱電漿源，諸如感應耦合電漿源和微波電漿源。
示例1：雙銲線型電弧電漿霧化(主要實施例)
以下將描述主要實施例的細節。
表1呈現本實施例超越已知技術(參考文獻2)的優點。與參考文獻2相比，其顯示一個對於使用本案的發明主體相對有利的清楚優勢。
[表1]
Figure 108119810-A0305-02-0008-1
表2中顯示了主要實施例中針對兩種材料，即Ti64 23級和鋯的推薦操作條件。
Figure 108119810-A0305-02-0008-2
表3中顯示了由主要實施例生產的兩種產品的性能，該兩種產品是TA-015-EK-01和ZH-006-FQ-01，分別對應於Ti64 20-63μm和Zr 20-120μm。
[表3]
Figure 108119810-A0305-02-0009-3
圖1詳述了構成設備A的具體組件，包括：高流速電漿炬501；以及陽極整合式(anode integrated)超音速噴嘴505，其將霧化噴流發射到朝向頂點508進給的一對銲線502上，於是電弧從一條銲線轉移到另一條銲線。該電流提供用於導電連續地(conductive continuously)進給的原料的連續熔融所需的能量。該電流透過接觸尖端509傳遞到銲線502，該接觸尖端509由高導電率合金製成，例如銅鋯合金，其在高溫下具有良好的耐磨性。
陶瓷尖端510透過氣體鞘流(gas sheath)噴嘴513和銲炬的超音速噴嘴505提供水冷式接觸器514與反應器主體的電絕緣。由電漿炬501和被轉移的電弧(transferred arc)發出的強熱需要接觸器以被水冷卻，同時接觸尖端本身是可更換的消耗品。如此，水在入口503處進入在後部的接觸器的歧管515並且流向尖端，其中，水於該尖端再度被導引向上，並且經由出口504流出。電力透過凸耳安裝件(lug mount)511經由歧管提供給轉移式電弧系統(transferred arc system)。
圖2顯示了設備A的垂直剖面圖，其中，高流速電漿炬601發射通過在銲線頂點608的超音速噴嘴605的霧化噴流。這裡，鞘流氣體(或稱保護氣體、屏蔽氣體)(sheath gas)在入口602處被注入反應器中，以填充圍繞銲炬的 噴嘴和水冷式接觸器607的腔體。該鞘流氣體通過鞘流氣體噴嘴606排出到圍繞銲線之間的電弧的反應器中。這種鞘流氣體具有多種用途，例如，其可以防止粉末和熱氣體的回流，並有助於將電弧保持在超音速羽(supersonic plume)內。混合氣體流動，然後熔融霧化的金屬液滴經由反衛星體擴散器(anti-satellite diffuser)610以高速投射到反應器的沉降室中。由於新的液滴被投射穿過細粉末的雲狀物而其因此被熔接到表面，所以在高速噴流周圍的再循環區域中，細粉末可以積聚在懸浮液中是造成在電漿霧化的粉末中的衛星體(satellite)的首要成因。擴散器610消除絕大部分的這種情況，因此，大大地減少衛星體的形成。銲炬接收器611由於反應器的夾套而被水冷卻，水從底部的入口603進入，並且從頂部的出口604流出。
圖3示意性地顯示了適於生產金屬粉末並採用圖1-2、圖9、和圖10分別所示的設備A、設備A’、和設備A”中的任何一個的系統S。更具體地，系統S包括雙銲線型或單銲線型的電漿霧化設備A、A’、或A”。系統S具體地以雙銲線電弧配置A示出，其具有位於中央的高流速電漿炬301和兩個(2)伺服驅動的銲線進給器302。霧化區303包括在一條或兩條銲線之間被轉移的電弧、鞘流氣體、和電漿炬流(plasma torch flow)，並透過反衛星體擴散器304指向反應器中。該反應器包括：沉降室305，其中發生球形化和固化；以及水冷夾套306，以在腔室305中保持粉末的恆定冷卻速率。然後透過氣動輸送機(pneumatic conveyor)307將粉末夾帶到旋風分離器308中，其中大塊的粉末沉降在收集罐309中。閥門310用於在連續操作期間隔離用於收集的收集罐309。然後氬氣通過用於分離太細而不能在旋風分離器308中沉降的粉末的過濾單元311從該系統中排出。
在本實施例中，銲線502(圖1)、銲線110(圖10)、和銲線405(圖9)可以由各種導電材料製成，例如：鈦、鋯、銅、錫、鋁、鎢、碳鋼、不銹鋼等及其合金。
為了確保用於霧化的銲線電弧系統的穩定性，該系統需要控制三個參數中的其中兩個，該三個參數即電壓、電流、和進給速度。這三個參數需要達到穩定平衡狀態，才能在連續的操作中列入考慮。在穩定狀態下，銲線之間的距離、電弧的長度、和功率變得恆定。為了達到這種穩定狀態，可以採用幾種配置，例如： 固定的銲線速度、一個電壓控制模式下的電源、一個電流控制模式下的電源(主要實施例)。
固定的銲線速度、一個以上的電壓控制型電源。這種配置是有功能性的，但是電流高度不穩定，這對粒徑分佈和產品一致性具有負面影響。此外，它對兩種電源的要求都很高。
電流控制型電源、變化的銲線速度。此配置尚未經過測試，但理論上可行。
發現固定的銲線速度、電流/電壓控制型的混合電源為最適合於本發明。圖4概念性地顯示了如何操作主要實施例以獲得本發明所示之結果。
透過使用伺服馬達(Servo motor)，能夠具有非常精確和恆定的進給速度。
使用並聯的兩個電源，其中，一個在電壓控制模式，而另一個在電流控制模式下，是達到穩定結構的關鍵。由於兩個電源並聯，因此電壓控制型電源將對兩個電源強制施加相同的電壓以固定電壓。這移除了另一個變量。為了增加另一層穩定性，另一個電源設置為電流控制模式，具有相對較高的電流設定(約為所需總電流的2/3)，這有助於建立電流基準線。
在該程序中的唯一變量是需要波動以允許其它參數保持恆定(自由度)的總電流的一部分。因此，電壓控制型電源提供可變的附加電流，以補償由電流控制型電源已提供的電流所缺少的電流，以熔融適當量的金屬，因此系統保持穩定狀態。
例如，假設需要20kW以在特定的進給速度下熔融特定金屬，並且假設該進給速度保持恆定，如果透過電壓控制型電源將電壓固定在30V，則總共必須由電源供電667A。如果電流控制型電源設定在400A，則電壓控制型電源將在267A附近波動，幾乎沒有波紋。藉由補償該程序的所有其他變化來源，例如：銲線直徑變化、氬氣流速波動、電弧長度變化、電弧再觸發模式(arc restrike pattern)、銲線的機械振動、銲線進給速度微波動(wire feed speed micro-fluctuation)等，需要這種剩餘的波動以保持系統處於穩定狀態。
圖5顯示了使用本文中所提出的電控制策略操作期間針對主要實施例所記錄的電氣趨勢線。總之，由於上述原因，示出除了電壓控制型電源的電流之外，所有變量都是高度穩定的。
如圖5中所示的這種穩定操作允許生產高度球形的粉末，如圖6和圖7分別所示的Ti64和鋯。
圖8顯示了關於使用具有本文所說明的電控制策略的主要實施例所生產的粉末的典型的粒徑分佈曲線。
儘管本文所呈現的電流控制是針對主實施例提及並且進行特別測試，相同的控制策略也將適用於所呈現的其他實施例。
示例2：單銲線型電弧電漿霧化
在圖9所示的第二示例中，還揭露一種由銲線原料生產金屬粉末的設備A’，其中，在配備有超音速噴嘴411的轉移式電漿炬(transferred plasma torch)401前方將銲線405沿箭頭409在中心地進給(centrally fed)，其中，電弧403形成在銲線405與一個電極402之間。藉由將銲線405插入穿過在電漿炬401前方的銲線引導件407，銲線405本身可以透過所轉移的電弧非常有效地熔融。然後，剩餘的能量用於將經由預熱的氣體通道404進給的惰性氣體(例如，氬氣)加熱為電漿態，然後透過超音速噴嘴411加速該氣體。載體氣體的這種加速進一步透過粉碎該等金屬液滴來霧化該等金屬液滴。然後該等粒子在冷卻室中固化成小球形粒子(如圖3所示)，例如，其中填充有惰性氣體(例如，氬氣)。元件符號408表示電漿羽。
示例3：中心進給式單銲線型電弧電漿霧化
在圖10所示的第三示例中，還揭露一種用於從一條銲線原料生產金屬粉末的設備A”，其中，將銲線110沿箭頭111在中心地進給至電漿炬112中，其中，電弧128形成在用作陰極的銲線110與一個電極(請參見陽極114)之間。藉由將銲線110插入穿過電漿炬112的銲線引導件116，銲線110本身可以透過所轉移的電弧非常有效地熔融。該方法由於具有規模放大(scale up)能力而被選出，在這種意義上，銲線可以最可行地更換為直徑達2.5英吋的桿狀體(rod)或胚料(billet)。銲線引導件116可以兼作點火陰極(ignition cathode)。然後，剩餘的能量用於將經由預熱的氣體通道118進給的惰性氣體(例如，氬氣)加熱為電漿態，然後透過超音速噴嘴120加速該氣體。載體氣體的這種加速進一步透過粉碎該等金屬液滴來霧化該等金屬液滴。然後該等粒子在冷卻室中固化成小球形粒子(如圖3所示)，例如，其中填充有惰性氣體(例如，氬氣)。元件符號122表示電漿羽。
本文所述的實施例提供一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：電漿炬、一條或兩條銲線、以及冷卻室，其中，該一條或兩條銲線適於進給至該設備中，該電漿炬適於將熔融的銲線霧化成粒子，並且該冷卻室適於將粒子固化成粉末，以及其中，該銲線適於用作電漿炬中的陰極。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：電漿炬和一對銲線，該對銲線適於進給至該設備中，該電漿炬適於將熔融的該等銲線霧化成粒子，其中，該等銲線中的一條銲線適於用作陽極，而另一條銲線適於用作陰極。
此外，一個實施例包括使所述實施例順利和穩定操作的電控制策略。
此外，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：電漿炬和銲線，該銲線適於進給至該設備中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，一電弧適於形成在用作陰極的該銲線與該電漿炬的一電極之間。
最後，本文所述的實施例提供另一種態樣，一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備包括：電漿炬和至少一條銲線，該至少一條銲線適於在中心地進給至該電漿炬中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，一電弧適於形成在用作陰極的該銲線與該電漿炬內的一電極之間。
儘管以上描述提供實施例的示例，但是應當理解的是，所描述的實施例的一些特徵及/或功能是易於修改而不脫離所描述的實施例的精神和操作原理的。因此，以上描述的內容旨在說明實施例而非限制，並且本領域技術人員應當理解，在不脫離由本文所附的申請專利範圍所界定的實施例的範疇的情況下，可以做出其他變化和修改。
本申請主張於2018年6月6日提交之目前待審的美國臨時申請第62/681,623號的優先權權益，其內容透過引用結合於此。
<參考文獻>
[1] Peter G. Tsantrizos, François Allaire and Majid Entezarian, “Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization,” U.S. Patent No. 5,707,419, January 13, 1998.
[2] Christopher Alex Dorval Dion, William Kreklewetz and Pierre Carabin, “Plasma Apparatus for the Production of High-Quality Spherical Powders at High Capacity,” PCT Publication No. WO 2016/ 191854 A1, December 8, 2016.
[3] Michel Drouet, “Methods and Apparatuses for Preparing Spheroidal Powders,” PCT Publication No. WO 2011/054113 A1, May 12, 2011.
[4] Maher I. Boulos, Jerzy W. Jurewicz and Alexandre Auger, “Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member,” U.S. Patent Application Publication No. 2017/0326649 A1, November 16, 2017.
[5] Pierre Fauchais, Joachim Heberlein, and Maher Boulos, “Thermal Spray Fundamentals-From Powder to Part,” pp 577-605, Springer, New York, 2014.
501‧‧‧電漿炬
502‧‧‧銲線
503‧‧‧入口
504‧‧‧出口
505‧‧‧超音速噴嘴
508‧‧‧頂點
509‧‧‧接觸尖端
510‧‧‧陶瓷尖端
511‧‧‧凸耳安裝件
513‧‧‧氣體鞘流噴嘴
514‧‧‧水冷式接觸器
515‧‧‧歧管
A‧‧‧設備

Claims (23)

  1. 一種電漿霧化製程，包括：提供一電漿炬；連續地進給待霧化的一條或兩條銲線；將一電弧適應地轉移到該銲線或該等銲線以產生粒子；以及提供冷卻程序，用於將該等粒子固化成球形粉末，其中，該電漿炬設置有一超音速噴嘴。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電漿霧化製程，其中，該電弧適於在該電漿炬的一超音速流內的一頂點處被轉移到該等銲線。
  3. 根據申請專利範圍第1項至第2項中任一項所述的電漿霧化製程，其中，霧化的金屬液滴穿過一反衛星體擴散器，該反衛星體擴散器適於防止細粉末的再循環並因而防止衛星體形成。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的電漿霧化製程，其中，至少兩個電源被並聯使用，以控制該兩條銲線之間或該單條銲線與該電漿炬的一個電極之間的該電弧，其中，用於該電弧的至少一個電源是電壓控制型的和電流控制型的至少其中之一。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的電漿霧化製程，其中，並聯的該等電源以電壓控制模式和電流控制模式同時併存的組合使用。
  6. 一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備，包括：一電漿炬；以及至少一銲線，適於進給至該設備中，其中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，一電弧適於形成在用作一陰極的該銲線與一電極之間，以及其中，該電漿炬設置有一超音速噴嘴。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的設備，其中，該銲線在中心地被進給至該電漿炬中。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述的設備，其中，該電弧在該超音速噴嘴內產生。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述的設備，其中，一冷卻室設置在該電漿炬的下游，用於將該等粒子固化成球形粉末。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述的設備，其中，該銲線適於在該超音速噴嘴的一喉部之前或之後被進給至該超音速噴嘴中。
  11. 根據申請專利範圍第6項所述的設備，其中，至少一對銲線，適於進給至該設備中，以及其中，該等銲線中的一條銲線適於用作一陽極，而另一條銲線適於用作一陰極。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的設備，其中，設置有一電源，適於迫使電流穿過該等銲線，而且在該兩條銲線之間產生一電弧。
  13. 根據申請專利範圍第8項所述的設備，其中，設置有一電源，適於迫使電流穿過兩條銲線，而且在該兩條銲線之間和該超音速噴嘴內產生該電弧。
  14. 根據申請專利範圍第6項至第13項中任一項所述的設備，其中，設置有用於該銲線的一銲線引導件，從而藉由將該銲線插入穿過該銲線引導件，該銲線透過該電弧有效地被熔融。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的設備，其中，該銲線引導件適於兼作一點火陰極。
  16. 一種用於從銲線原料生產金屬粉末的設備，包括：一電漿炬；以及至少一條銲線，適於進給至該電漿炬中，其中，該電漿炬適於將熔融的該銲線霧化成粒子，其中，該設備適於被一氣體冷卻，從而加熱該氣體，同時如此被加熱的該氣體適於用作一電漿氣體，以及其中，該電漿炬設置有一超音速噴嘴。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述的設備，其中，設置有一氣體通道，用於將該氣體進給至該電漿炬中。
  18. 根據申請專利範圍第16項所述的設備，其中，該氣體適於通過該超音速噴嘴被加速並粉碎該等粒子。
  19. 根據申請專利範圍第16項至第18項中任一項所述的設備，其中，一冷卻室設置在該電漿炬的下游，用於將該等粒子固化成粉末。
  20. 根據申請專利範圍第16項所述的設備，其中，設置有一氣體通道，以及其中，該氣體適於在接觸設置在該銲線的一前端的一電弧之前被加熱。
  21. 一種電漿霧化製程，包括：提供一電漿炬；連續地進給待霧化的一條或兩條銲線，從而由其產生霧化的金屬液滴；以及使該等液滴穿過一反衛星體擴散器，該反衛星體擴散器適於防止細粉末的再循環並因而防止衛星體形成，其中，該電漿炬設置有一超音速噴嘴。
  22. 一種電漿霧化製程，包括：提供一電漿炬；提供待霧化的一條或兩條銲線；以及提供並聯的至少兩個電源，用於控制該兩條銲線之間或該單條銲線與該電漿炬的一個電極之間的一電弧，從而產生粒子，其中，該電漿炬設置有一超音速噴嘴。
  23. 根據申請專利範圍第22項所述的電漿霧化製程，其中，該至少兩個電源被並聯使用，以控制該兩條銲線之間或該單條銲線與該電漿炬的該電極之間的該電弧，其中，用於該電弧的至少一電源是電壓控制型的和電流控制型的至少其中之一，以及 其中，並聯的該等電源以電壓控制模式和電流控制模式同時併存的組合使用。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111230134B (zh) * 2020-03-10 2023-08-04 深圳航科新材料有限公司 多元合金粉末及其快速制备方法
RU2751611C1 (ru) * 2020-04-15 2021-07-15 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Дисперсные Материалы" Устройство для получения мелкодисперсного порошка
US11780012B1 (en) * 2020-06-23 2023-10-10 Iowa State University Research Foundation, Inc. Powder satellite-reduction apparatus and method for gas atomization process
FR3114526B1 (fr) * 2020-09-29 2023-04-21 Air Liquide Dispositif et procédé de production de poudres métalliques
CN112570720A (zh) * 2020-12-08 2021-03-30 江苏威拉里新材料科技有限公司 一种气雾化金属粉体生产加工用熔炼设备以及加工工艺
CN113145855B (zh) * 2021-02-24 2022-10-11 山东大学 一种电弧制备高熔点合金粉末的装置和方法
CN113414398A (zh) * 2021-06-21 2021-09-21 江苏天楹等离子体科技有限公司 一种等离子体制备金属粉末的设备及其方法
KR102437500B1 (ko) * 2021-06-30 2022-08-30 (주)선영시스텍 아토마이저 장치
KR102465825B1 (ko) * 2022-09-06 2022-11-09 이용복 열플라즈마를 이용한 금속분말 제조장치 및 그 제조방법
CN117444221A (zh) * 2023-11-02 2024-01-26 南京工业大学 阴极等离子雾化制粉设备与阴极等离子雾化制粉方法
CN118699562B (zh) * 2024-08-07 2025-11-18 南京航空航天大学 基于连续、间断送丝的同轴丝粉激光束焊接装置与方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998035760A1 (en) * 1997-02-14 1998-08-20 Ford Global Technologies, Inc. Improved plasma transferred wire arc thermal spray apparatus and method
DE10044364C1 (de) * 2000-09-08 2002-01-17 Ald Vacuum Techn Ag Zerstäubungsaggregat zum Zerstäuben von Schmelzen
US20030102207A1 (en) * 2001-11-30 2003-06-05 L. W. Wu Method for producing nano powder
WO2011054113A1 (en) * 2009-11-05 2011-05-12 Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders
US20120018407A1 (en) * 2009-03-31 2012-01-26 Ford Global Technologies, Llc Plasma transfer wire arc thermal spray system
US20160175936A1 (en) * 2014-03-11 2016-06-23 Tekna Plasma Systems Inc. Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member
CA2992303A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-26 Ap&C Advanced Powders And Coatings Inc. Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefor
TW201714685A (zh) * 2015-10-28 2017-05-01 Shenmao Tech Inc 圓球形金屬粉末及其製造方法及其製造設備
US20180015438A1 (en) * 2015-02-03 2018-01-18 Monolith Materials, Inc. Regenerative cooling method and apparatus

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3041672A (en) * 1958-09-22 1962-07-03 Union Carbide Corp Making spheroidal powder
GB1452510A (en) * 1973-01-05 1976-10-13 Xerox Corp Spheroidization method and apparatus
US5296667A (en) * 1990-08-31 1994-03-22 Flame-Spray Industries, Inc. High velocity electric-arc spray apparatus and method of forming materials
US5460701A (en) * 1993-07-27 1995-10-24 Nanophase Technologies Corporation Method of making nanostructured materials
US5707419A (en) * 1995-08-15 1998-01-13 Pegasus Refractory Materials, Inc. Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization
CA2399581A1 (en) * 2000-02-10 2001-08-16 Tetronics Limited Plasma arc reactor for the production of fine powders
PL3302855T3 (pl) * 2015-06-05 2022-01-31 Pyrogenesis Canada Inc. Urządzenie plazmowe do produkcji wysokiej jakości proszków sferycznych z wysoką wydajnością
CN105057689A (zh) * 2015-08-19 2015-11-18 山西卓锋钛业有限公司 一种制备3d打印用的超细微球形钛粉的装置及其方法
US10604830B2 (en) * 2016-06-06 2020-03-31 Comau Llc Wire guides for plasma transferred wire arc processes

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998035760A1 (en) * 1997-02-14 1998-08-20 Ford Global Technologies, Inc. Improved plasma transferred wire arc thermal spray apparatus and method
DE10044364C1 (de) * 2000-09-08 2002-01-17 Ald Vacuum Techn Ag Zerstäubungsaggregat zum Zerstäuben von Schmelzen
US20030102207A1 (en) * 2001-11-30 2003-06-05 L. W. Wu Method for producing nano powder
US20120018407A1 (en) * 2009-03-31 2012-01-26 Ford Global Technologies, Llc Plasma transfer wire arc thermal spray system
WO2011054113A1 (en) * 2009-11-05 2011-05-12 Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders
US20160175936A1 (en) * 2014-03-11 2016-06-23 Tekna Plasma Systems Inc. Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member
US20180015438A1 (en) * 2015-02-03 2018-01-18 Monolith Materials, Inc. Regenerative cooling method and apparatus
CA2992303A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-26 Ap&C Advanced Powders And Coatings Inc. Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefor
TW201714685A (zh) * 2015-10-28 2017-05-01 Shenmao Tech Inc 圓球形金屬粉末及其製造方法及其製造設備

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