本發(fā)明涉及一種高頻感應(yīng)等離子體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器。
背景技術(shù)：
金屬與合金件的3d打印快速成形技術(shù)，是未來近凈成形技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。同時(shí)，3d打印技術(shù)的發(fā)展對基礎(chǔ)材料粉末的粒度和形貌也提出了更高的要求，該技術(shù)要求粉末流動(dòng)性好、松裝和振實(shí)密度高，傳統(tǒng)制粉技術(shù)制備的粉末形狀不規(guī)則、流動(dòng)性差，難以滿足3d打印技術(shù)要求，而純度高、球形化比例高，流動(dòng)性好，晶粒度適當(dāng)?shù)那蛐畏勰┛梢院芎玫臐M足這一要求，因此，粒度微細(xì)、可控的高純球形金屬或合金粉末的制備技術(shù)與專用裝備成為新材料與裝備的主要發(fā)展方向。
球形粉末的制備方法主要分為物理法和化學(xué)法。其中，物理法制備的球形粉末結(jié)構(gòu)致密、松裝密度高。主要包括霧化法和等離子體法。液相法制備球形粉末主要包括噴霧熱分解法、羰基法和溶膠凝膠法等。
霧化法是以快速運(yùn)動(dòng)的流體(霧化介質(zhì))沖擊或以其他方式將金屬或合金液體破碎為細(xì)小液滴，繼之冷凝為固體粉末的球形粉末制備方法。霧化法生產(chǎn)效率高，成本低，是生產(chǎn)完全合金化粉末的很好的方法，廣泛應(yīng)用于低熔點(diǎn)的金屬及合金粉末的制備。但該方法制得的粉末現(xiàn)狀復(fù)雜，難以制得粒徑＜20μm的微細(xì)粉末，難以得到高的球形化比例，且不適合高熔點(diǎn)金屬的制備。
噴霧熱分解法是按化學(xué)計(jì)量比配制所需金屬鹽溶液并作為前驅(qū)體，經(jīng)霧化形成細(xì)小液滴通過載氣攜帶進(jìn)入高溫反應(yīng)爐中，在高溫環(huán)境下液滴瞬間溶劑蒸發(fā)、溶質(zhì)沉淀并干燥，同時(shí)金屬鹽熱分解，經(jīng)收集系統(tǒng)得到所需粉末顆粒。該方法工藝簡單、成本低，在氧化物粉末、陶瓷粉末、金屬復(fù)合材料、納米復(fù)合粉末的制備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但該方法屬化學(xué)制作方法，存在較嚴(yán)重的污染問題，且同樣不適合于高溫金屬或合金球形粉末的制備。
溶膠-凝膠法(sol-gel)是將酯類化合物或金屬醇鹽溶于有機(jī)溶劑中形成均勻的溶液，然后經(jīng)過水解、縮合化學(xué)反應(yīng)形成溶膠，再經(jīng)干燥和煅燒等處理工藝制成所需材料。
羰基法是利用羰基物的熱離解的過程來制取金屬粉末，適用于過渡族金屬(fe、co、ni)及高溶點(diǎn)金屬(cr、w、mo)粉末的制備，制備的粉末粒度細(xì)小均勻，具有很高的純凈度，但容易出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，可以融化高熔點(diǎn)的金屬或合金材料；驟冷速度高；產(chǎn)品無團(tuán)聚；擁有更長的反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間；產(chǎn)物粒徑分布均勻、球化率高。
本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，包括感應(yīng)線圈、放電約束管、中心氣約束管、外環(huán)旋氣件、中心旋氣件、噴粉管密封緊固座、高壓水冷噴粉管、法拉第籠和噴嘴；其中，法拉第籠為中空圓柱結(jié)構(gòu)；法拉第籠作為加熱器外殼軸向豎直放置；外環(huán)旋氣件水平固定安裝在法拉第籠上表面的中心位置；中心旋氣件水平固定安裝在外環(huán)旋氣件的上表面；噴粉管密封緊固座固定安裝在中心旋氣件的上表面；中心氣約束管為中空圓柱狀結(jié)構(gòu)；中心氣約束管豎直固定安裝在法拉第籠軸心處，且中心氣約束管的頂端伸出法拉第籠與外環(huán)旋氣件連接；放電約束管為中空圓柱形結(jié)構(gòu)；放電約束管沿軸向固定安裝在法拉第籠軸心處；高壓水冷噴粉管為中空管狀結(jié)構(gòu)，高壓水冷噴粉管從頂部依次穿過噴粉管密封緊固座、中心旋氣件、外環(huán)旋氣件和中心氣約束管，伸入放電約束管；感應(yīng)線圈固定安裝在放電約束管的外部；噴嘴固定安裝在法拉第籠下表面的中心。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，所述放電約束管的底端與噴嘴連接；放電約束管的頂端與外環(huán)旋氣件連接；感應(yīng)線圈等距同軸纏繞在放電約束管的外部。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，所述感應(yīng)線圈為中空結(jié)構(gòu)，中空部分為循環(huán)冷卻水通道。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，感應(yīng)線圈的上外壁澆注樹脂套；樹脂套的內(nèi)壁與放電約束管的外壁形成環(huán)形冷卻水通道。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，樹脂套內(nèi)壁與放電約束管外壁的間距為2-6mm。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，所述噴嘴內(nèi)部開口的水平截面積與放電約束管的水平截面積之比不小于
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，中心氣約束管的下表面與感應(yīng)線圈第一匝的上端面平齊；高壓水冷噴粉管的下表面位于感應(yīng)線圈第一匝和第三匝之間。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，所述中心旋氣件中部水平位置設(shè)置有中心氣進(jìn)氣道；外環(huán)旋氣件中部水平位置設(shè)置有外環(huán)氣進(jìn)氣道；放電約束管的外壁設(shè)置有冷卻水通道。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，加熱器的介質(zhì)氣體包括外環(huán)氣、中心氣和載氣；其中，外環(huán)氣通過外環(huán)旋氣件的外環(huán)氣進(jìn)氣道進(jìn)入加熱器；中心氣通過中心旋氣件的中心氣進(jìn)氣道進(jìn)入加熱器；載氣和高溫金屬粉末通過高壓水冷噴粉管進(jìn)入加熱器。
在上述的用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，所述放電約束管為陶瓷材料；所述載氣為氬氣。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明的工作氣體分為外環(huán)氣、中心氣和載氣三部分分別在合理的位置進(jìn)入加熱器，能夠保證加熱器的電離效果，提高高溫等離子體焰流的焓值，強(qiáng)化對高溫金屬粉末的加熱效果；
(2)本發(fā)明中感應(yīng)線圈澆筑在樹脂套內(nèi)，對感應(yīng)線圈起到固定作用，同時(shí)避免了線圈匝間氣體被電離起弧的問題；
(3)本發(fā)明中感應(yīng)線圈樹脂套內(nèi)壁與放電約束管外壁之間形成環(huán)形通道，可通過冷卻水對放電約束管進(jìn)行冷卻，保證了放電約束管能夠長時(shí)間工作而不被高溫焰流燒損；
(4)本發(fā)明中加熱器放電約束管為陶瓷材料，提高了放電約束管的強(qiáng)度，使用壽命長。
附圖說明
圖1為本發(fā)明加熱器的剖視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
如圖1所示為加熱器的剖視圖，由圖可知，用于高溫金屬粉體球化的高頻等離子加熱器，包括感應(yīng)線圈1、放電約束管2、中心氣約束管3、外環(huán)旋氣件4、中心旋氣件5、噴粉管密封緊固座6、高壓水冷噴粉管7、法拉第籠8和噴嘴9；其中，法拉第籠8為中空圓柱結(jié)構(gòu)；法拉第籠8作為加熱器外殼軸向豎直放置；外環(huán)旋氣件4水平固定安裝在法拉第籠8上表面的中心位置；中心旋氣件5水平固定安裝在外環(huán)旋氣件4的上表面；噴粉管密封緊固座6固定安裝在中心旋氣件5的上表面；中心氣約束管3為中空圓柱狀結(jié)構(gòu)；中心氣約束管3豎直固定安裝在法拉第籠8軸心處，且中心氣約束管3的頂端伸出法拉第籠8與外環(huán)旋氣件4連接；中心氣約束管3的下表面與感應(yīng)線圈1第一匝的上端面平齊，其設(shè)計(jì)目的是隔離外環(huán)氣和中心氣，對中心氣進(jìn)行約束，使其到加熱器放電區(qū)域時(shí)再進(jìn)行擴(kuò)散；高壓水冷噴粉管7的下表面位于感應(yīng)線圈1第一匝和第三匝之間，使得從噴粉管7噴出的金屬或合金粉末直接進(jìn)入高溫等離子體焰流核心區(qū)；噴粉管7為管殼式結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼為耐磨金屬材料，保證內(nèi)壁被粉體沖刷仍有較長的使用壽命，外殼為導(dǎo)熱良好的材料，殼體間通過高壓冷卻水進(jìn)行冷卻，防止外壁被高溫等離子氣體氣流燒損。噴嘴9的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)控制加熱器內(nèi)的壓力和等離子體焰流的長度。
放電約束管2為中空圓柱形結(jié)構(gòu)；放電約束管2為陶瓷材料，能夠保證放電約束管的強(qiáng)度，延長使用壽命；放電約束管2沿軸向固定安裝在法拉第籠8軸心處；放電約束管2的底端與噴嘴9連接；噴嘴9內(nèi)部開口的水平截面積與放電約束管2的水平截面積之比不小于
其中，感應(yīng)線圈1為中空結(jié)構(gòu)，中空部分為循環(huán)冷卻水通道。感應(yīng)線圈1的上外壁澆注樹脂套10；樹脂套10的內(nèi)壁與放電約束管2的外壁形成環(huán)形冷卻水通道；樹脂套10內(nèi)壁與放電約束管2外壁的間距為2-6mm。樹脂套10一方面對線圈起到固定作用，另一方面樹脂套內(nèi)壁與放電約束管2外壁間形成冷卻水通道，通入循環(huán)冷卻水對放電約束管2進(jìn)行冷卻，放電約束管2長時(shí)間工作而不被加熱器內(nèi)高溫氣流燒損。
中心旋氣件5中部水平位置設(shè)置有中心氣進(jìn)氣道；外環(huán)旋氣件4中部水平位置設(shè)置有外環(huán)氣進(jìn)氣道；放電約束管2的外壁設(shè)置有冷卻水通道；加熱器的介質(zhì)氣體包括外環(huán)氣、中心氣和載氣；其中，外環(huán)氣通過外環(huán)旋氣件4的外環(huán)氣進(jìn)氣道進(jìn)入加熱器；中心氣通過中心旋氣件5的中心氣進(jìn)氣道進(jìn)入加熱器；載氣和高溫金屬粉末通過高壓水冷噴粉管7進(jìn)入加熱器；載氣為氬氣。
等離子體球化處理技術(shù)是利用熱等離子體的高溫環(huán)境，載氣將粉末送入高溫等離子體中，粉末顆粒迅速吸熱后表面(或整體)熔融，并在表面張力的作用下縮聚成球形液滴，進(jìn)入冷卻室后驟冷凝固而將球形固定下來，從而獲得球形粉末。等離子體熔融球化技術(shù)被認(rèn)為是獲得致密、規(guī)則球形顆粒的最有效手段。等離子體球化處理技術(shù)按照等離子體的激發(fā)方式可分為直流等離子體和高頻感應(yīng)等離子體兩大類。高頻等離子體球化處理技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)等離子體的溫度場是化學(xué)燃燒的5倍以上，可以融化高熔點(diǎn)的金屬或合金材料；同時(shí)，等離子區(qū)溫度分布相對均勻平坦；(2)驟冷速度高(-105k/s)；(3)產(chǎn)品無團(tuán)聚，產(chǎn)品純度高。由于整個(gè)過程處于連續(xù)、非接觸式的狀態(tài)，而且高頻等離子體沒有電極，因而可以避免產(chǎn)品引入雜質(zhì)，可以得到高純的產(chǎn)品，三廢處理簡單；(4)相對于其他等離子體技術(shù)，高頻等離子體和等離子火焰焰流的速度比較低，因此擁有更長的反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間，這對粉末的吸熱溶融是十分有利的；(5)產(chǎn)物粒徑分布均勻、球化率高。通過對參數(shù)的控制，可以得到球化率90％以上的產(chǎn)品且工藝流程短、連續(xù)、易控。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。