[发明专利]由一或两根线材以高产率生产高纯度球形金属粉末的方法和设备

说明书

本申请涉及一种用于由至少一根线材/棒材原料生产金属粉末的等离子体雾化过程和设备。在此过程中，电弧被施加至所述至少一根线材/棒材原料以使其熔化。采用等离子体炬在顶点处产生超音速等离子体流，在该顶点处，电弧被转移到所述至少一根线材/棒材上以将熔融的线材/棒材原料雾化成颗粒。下游的冷却室使颗粒固化成金属粉末。采用了防卫星球扩散器来防止粉末的再循环，以防止卫星球形成。在两个线材被给送的设备中，一根线材用作阳极，另一根线材用作阴极。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月6日提交的现在未决的美国临时申请No.62/681,623的优先权，该美国临时申请通过参引并入本文中。

技术领域

本主题涉及先进材料，并且更特别地，涉及用于多种应用、比如航空航天和医疗行业的增材制造的金属粉末的生产。

背景技术

等离子体雾化通常使用线材作为原料，并使用等离子体源(亦称等离子体炬)作为雾化剂来同时熔化和破碎颗粒。使用线材提供了确保窄的等离子体射流正确地瞄准线材所需的稳定性，因为等离子体射流必须在单个步骤中熔化和雾化线材。如已公知的，该技术目前生产市场上最细小、最近似球形和最致密的粉末。换言之，生产的在0微米至106微米范围内的粉末的产率非常高，球形度几乎完美，并且气体滞留被最小化。

然而，该技术具有与水和气体雾化相比生产速率相对较低的主要缺点，这是由于等离子体雾化是一种在能量上非常低效的过程。据报告，Ti-6Al-4V的等离子体雾化生产速率为0.6至13kg/h。然而，现实的是假设在上限附近操作将导致较低劣的粒度分布。例如，标题为“Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization(通过等离子体雾化生产金属和陶瓷粉末的方法)”并且于1998年1月13日授权在Tsantrizos等人名下的美国专利No.5,707,419报告了针对钛的给送速率为14.7g/min或0.882kg/h，而标题为“Process and Apparatus for Producing Powder Particles byAtomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member(用于通过使呈长形构件形式的给送材料雾化来生产粉末颗粒的过程和设备)”并且于2017年11月16日公布、以Boulos等人为发明人的美国专利申请公开No.2017/0326649-A1报导了针对不锈钢的给送速率为1.7kg/h。

所有三种当前的等离子体雾化技术都使用或者单个的居中给送的炬[参见参考文献4]，或者瞄准处于中心的一根线材的三个炬[参见参考文献1、2和3]。在三个炬技术的情况下，从等离子体羽流转移到线材的热量非常低，大约为0.4％的数量级。低的传热效率意味着需要大量的等离子气体来维持一定的金属给送速度，这对雾化方面的标准工艺效率指标——气体-金属比值施加了下限。同样，使用三个炬意味着许多电极会随着时间的流逝而腐蚀，这可能会成为污染源并增加运行成本。在居中给送炬的情况下，使用了电感耦合的等离子体炬，其电源很难在市场上获得。

线材电弧喷涂是一种成熟且可靠的技术，其在热喷涂领域中用于将涂料涂覆到表面上。它主要包括使高电流通过一根或两根线材，并在两根线材之间或在单根线材与电极之间产生电弧。高质量的线材电弧系统可以以非常高的生产量(～20至50kg/h)以接近100％的占空比运行。此外，由于电弧直接接触线材，因此该技术具有很高的能源效率。但是，该技术的目的是生产涂料而不是生产粉末。由于该技术使用冷气体雾化喷雾，因此会产生非常不规则和有角的形状，这对于大多数应用而言并不理想。

因此，期望提供一种下述的设备和方法，该设备和方法用于由一根或两根线材以高生产速率生产金属粉末，同时保持由等离子体雾化提供的质量，即细的、球形的和完全致密的粉末。

发明内容

因此，期望提供一种新颖的设备和方法，该设备和方法用于由一根或两根线材以高速率生产金属粉末。