本公開涉及材料加工領(lǐng)域。更具體地，本公開涉及通過霧化(atomization)以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法(工藝)和設(shè)備。還公開了使用所公開的方法和設(shè)備制造的粉末粒子。

背景技術(shù)：

隨著在快速原型制作和制造(通常稱為增材制造(additive manufacturing)或3-D打印)方面日益增加的興趣，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來制造可用于這樣的技術(shù)的致密的球狀粉末。增材制造和3-D打印的成功很大程度上取決于可用于零件制造的材料的可得性。這樣的材料需要以具有明確限定的粒度分布的高純的、細(xì)的(例如小于150μm的直徑)、致密的、球狀的和自由流動的粉末的形式提供。常規(guī)的熔融霧化技術(shù)例如氣體、液體和旋轉(zhuǎn)圓盤霧化不能制造這樣的高品質(zhì)粉末。

較近的技術(shù)避免通常造成材料污染的坩鍋熔融的使用。這些近來的技術(shù)提供自由流動的球狀粉末。

例如，一些等離子體霧化方法基于產(chǎn)生會聚到頂點(apex)的等離子體射流的多個等離子體炬的使用。通過將以線或棒的形式的待霧化的材料進(jìn)料到所述頂點中，該材料被由等離子體射流提供的熱能和動能所熔融和霧化。還已經(jīng)提出，將待霧化的材料以連續(xù)的熔融物流的形式朝向其中若干個等離子體射流會聚的頂點進(jìn)料。這些類型的等離子體霧化方法相當(dāng)精細(xì)且要求費力地對準(zhǔn)至少三個等離子體炬以具有向頂點會聚的至少三個等離子體射流。由于這樣的等離子體炬的物理尺寸，頂點位置被約束在遠(yuǎn)離等離子體射流的離開點幾厘米。這導(dǎo)致等離子體射流在它們到達(dá)頂點位置和撞擊到材料上之前重大的熱能和動能的損失?？偠灾@些方法涉及在對于所述炬的精確對準(zhǔn)和功率調(diào)節(jié)以及材料進(jìn)料速率的精確設(shè)定的要求方面的若干困難。

其它技術(shù)基于待霧化的材料的線或棒的直接感應(yīng)加熱和熔融的使用，同時避免熔融的材料和坩堝之間的接觸。來自所述棒的熔體液滴落到氣體霧化噴嘴系統(tǒng)中而且使用高流速的合適惰性氣體進(jìn)行霧化。這些技術(shù)的主要優(yōu)勢在于通過消除待霧化的材料與陶瓷坩堝的任何可能接觸而避免其可能的污染。然而，這些技術(shù)限于純金屬或合金的霧化。而且，這些技術(shù)是復(fù)雜的且為了最佳性能要求細(xì)微地調(diào)節(jié)操作條件。此外，消耗大量惰性霧化氣體。

因此，存在對于由寬范圍的原材料高效且經(jīng)濟地制造粉末粒子的技術(shù)的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)第一方面，本公開涉及通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的方法，其包括將原材料引入到等離子體炬中、將原材料的前部從等離子體炬移動到等離子體炬的霧化噴嘴中、和通過暴露于在霧化噴嘴中形成的一個或多個等離子體射流而使原材料的前端表面熔融，所述一個或多個等離子體射流選自環(huán)狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、及其組合。

根據(jù)另一方面，本公開涉及通過霧化以伸長部件的形式的原材料制造粉末粒子的設(shè)備，其包括等離子體炬，該等離子體炬包括：用于接收原材料的注入探管(探針，probe)；和霧化噴嘴，其配置成接收來自注入探管的原材料的前部、供應(yīng)有等離子體、產(chǎn)生一個或多個等離子體射流、和通過暴露于一個或多個等離子體射流而使原材料的前端的表面熔融。所述一個或多個等離子體射流選自環(huán)狀等離子體射流、多個會聚的等離子體射流、及其組合。

前述和其它特征在參考附圖閱讀以下僅舉例性地給出的其說明性實施方式的非限縮性描述時將變得更加明晰。相同的數(shù)字在附圖的各圖中代表相同的特征。

附圖說明

將參考附圖僅舉例性地描述公開的實施方式，在附圖中：

圖1是可用于霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料的等離子體炬的正視圖；

圖2a是具有根據(jù)一種實施方式的霧化噴嘴和通過等離子體直接預(yù)熱伸長部件的配置的圖1的等離子體炬的詳細(xì)正視圖；

圖2b是具有圖2a的霧化噴嘴和其中通過等離子體經(jīng)由輻射管間接加熱伸長部件的配置的圖1的等離子體炬的詳細(xì)正視圖；

圖3是用于霧化以伸長部件形式的原材料的設(shè)備的正視圖，該設(shè)備包括圖1的等離子體炬；

圖4a是根據(jù)一種實施方式的具有支撐凸緣(法蘭，flange)的霧化噴嘴的透視圖；

圖4b是圖4a的霧化噴嘴和支撐凸緣的橫截面圖；

圖4c、4d和4e是顯示包括被用于產(chǎn)生等離子體射流的徑向孔圍繞的中心孔的圖4a的霧化噴嘴的細(xì)節(jié)的另外的頂視圖、底視圖和透視圖。

圖5是顯示根據(jù)另一實施方式的霧化噴嘴的圖1的等離子體炬的詳細(xì)正視圖；

圖6是顯示圖5的霧化噴嘴和還包括圍繞霧化噴嘴的出口端的保護氣體端口的圖1的等離子體炬的變型的詳細(xì)正視圖；

圖7是顯示通過霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料制造粉末粒子的方法的操作的流程圖；

圖8是包括顯示加熱引入到60kW下的氬氣/氫氣感應(yīng)等離子體中的3.2mm不銹鋼線的模擬結(jié)果的圖的示意圖；

圖9是通過霧化3.2mm直徑的不銹鋼線獲得的粉末粒子的電子顯微照片和對應(yīng)的粒度分布的圖；和

圖10說明使用通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和設(shè)備制造的不同的不銹鋼球狀粉末級分的電子顯微照片。

具體實施方式

總體來說，本公開解決由寬范圍的原材料高效且經(jīng)濟地制造粉末粒子的問題的一個或多個。

更具體地，本公開描述可用于由寬范圍的原材料制造粉末粒子的等離子體霧化方法和用于其的設(shè)備，所述原材料包括例如純金屬、合金、陶瓷和復(fù)合材料(composite)。所公開的技術(shù)可用于由如下制造寬范圍的致密的球狀金屬、陶瓷或復(fù)合材料粉末：以伸長部件(例如作為非限制性實例的棒、線或填充管)的形式的相同性質(zhì)的原材料。粉末可被定義為包括具有小于一(1)毫米的直徑的粒子，細(xì)粉末可被定義為包括小于10微米的直徑的粒子，而超細(xì)粉末可被定義為包括直徑上小于一(1)微米的粒子。

在一種非限制性的實施方式中，等離子體炬(其可任選地為感應(yīng)耦合等離子體炬)沿著其中心的縱軸供應(yīng)有原材料?？煽刂圃牧显诘入x子體炬的任選預(yù)熱區(qū)中的移動速度和/或行進(jìn)距離以容許該材料加熱至盡可能接近其熔點的溫度同時避免其在等離子體炬內(nèi)的過早熔融。在一個實施方式中，任選預(yù)熱的原材料的前端進(jìn)入霧化噴嘴而從其下游側(cè)露出(射出，emerge)且進(jìn)入冷卻室。由于其在霧化噴嘴中的通過，原材料的前端或端部(頭端，tip)暴露于多個等離子體射流例如高速度等離子體射流(其包括而不限于，超聲速的細(xì)的等離子體射流)。當(dāng)撞擊到原材料上時，等離子體射流使其表面熔融并且剝?nèi)ト廴诘牟牧希伸F化噴嘴得到夾帶有等離子體氣體的材料的細(xì)分的球狀熔融液滴。在另一實施方式中，任選預(yù)熱的原材料的前端在霧化噴嘴內(nèi)暴露于環(huán)狀等離子體射流，所述環(huán)狀等離子體射流也導(dǎo)致原材料的表面熔融。所得的液滴被等離子體氣體夾帶到冷卻室中。在兩個實施方式中，所述液滴在冷卻室內(nèi)冷卻下來且在飛行中冷凍，形成了例如小的、實心的(固體)和致密的球狀粉末粒子。所述粉末粒子可在冷卻室的底部收取，例如取決于它們的粒度分布在下游的旋風(fēng)分離器中或在過濾器中收取。

在本公開的上下文中，使用所公開的方法和設(shè)備獲得的粉末粒子可包括而不限于微米尺寸的粒子(其可被定義為直徑在1-1000微米范圍內(nèi)的粒子)。

在整個本公開中使用以下術(shù)語：

粉末粒子：粒狀物質(zhì)的粒料(細(xì)粒，grain)，其包括但不限于微米尺寸的粒子和納米粒子。

霧化：使材料減小成粒子。

原材料：將要通過方法轉(zhuǎn)變的材料。

填充管：以管的形式提供的原材料，其由作為非限制性實例的金屬、塑料或任何其它合適的材料制成，填充有這樣的粉末：所述粉末由純金屬、合金、陶瓷材料、任何其它合適的材料構(gòu)成或者由材料的混合物構(gòu)成，使得熔融所述粉末可導(dǎo)致合金或復(fù)合材料的形成。

等離子體：處于熱的、部分離子化狀態(tài)的氣體。

等離子體炬：能夠?qū)怏w變?yōu)榈入x子體的裝置。

感應(yīng)耦合等離子體炬：使用電流作為能量來源產(chǎn)生能量的電磁感應(yīng)形成等離子體的等離子體炬的類型。

注入探管：用于插入或供應(yīng)原材料的可使用冷卻流體冷卻的伸長導(dǎo)管。

預(yù)熱區(qū)：等離子體炬中的原材料在其中升高至低于其熔點的溫度的區(qū)域。

霧化噴嘴：用于產(chǎn)生等離子體射流和容許原材料從等離子體炬輸送至冷卻室的元件。

在飛行中冷凍：液滴在懸浮于氣體內(nèi)的同時冷卻變成固體粒子。

冷卻室：其中發(fā)生在飛行中冷凍的容器。

現(xiàn)在參考附圖，圖1是可用于霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料的等離子體炬的正視圖。顯然，在所公開的用于原材料霧化的方法和設(shè)備中可潛在地使用其它類型的伸長部件。

圖2a是具有根據(jù)一種實施方式的霧化噴嘴和通過等離子體直接預(yù)熱伸長部件的配置的圖1的等離子體炬的詳細(xì)的正視圖，而圖2b是具有圖2a的霧化噴嘴和其中伸長部件通過等離子體經(jīng)由輻射管間接加熱的配置的圖1的等離子體炬的詳細(xì)的正視圖。圖3是用于霧化以伸長部件形式的原材料的設(shè)備的正視圖，該設(shè)備包括圖1的等離子體炬。

同時參考圖1、2和3，通過霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)的形式的原材料110制造粉末粒子的設(shè)備100包括產(chǎn)生等離子體126的等離子體炬120、和冷卻室170。在不限制本公開的情況下，所示的等離子體炬120為感應(yīng)耦合等離子體炬。還設(shè)想使用其它類型的等離子體炬。設(shè)備100可進(jìn)一步包括粉末收集器190。

等離子體炬120包括安裝在頭部(head)185上與感應(yīng)耦合等離子體炬120共軸的伸長導(dǎo)管形式的注射探管122。如圖1中說明的，注入探管122延伸通過頭部185且通過等離子體約束管179。原材料110可經(jīng)由注入探管122插入到等離子體炬120中使得它與炬主體181共軸。原材料110可通過典型的線、棒或管進(jìn)料機構(gòu)(未顯示)以連續(xù)的方式供應(yīng)到注入探管122，所述進(jìn)料機構(gòu)例如類似于目前用在線電弧焊中的市場可獲得的單元例如由Miller銷售的用于MIG/Wire焊接的單元，且包括操作用于控制伸長部件去往注入探管122的進(jìn)料速率的第一組輪子(wheel)。在所述進(jìn)料機構(gòu)之前或之后可為兩組相繼的矯直(straightening)輪子用以將伸長部件在兩個垂直平面內(nèi)矯直。當(dāng)然，在一些情形中，為了將伸長部件在僅一個平面或多個平面內(nèi)矯直，可需要僅一組或多組矯直輪子。該組矯直輪子當(dāng)原材料以卷形物(roll)的形式供應(yīng)時是有用的。在一種變型中，進(jìn)料機構(gòu)可適于使原材料110圍繞其縱軸、特別地圍繞等離子體炬120的縱軸旋轉(zhuǎn)。

預(yù)熱區(qū)124通過如下預(yù)熱原材料110的前部112：與等離子體126直接接觸(如圖2a中所說明的)；或者通過由圍繞原材料110的輻射管125輻射加熱，所述輻射管125本身通過與等離子體126直接接觸而被加熱(如圖2b中所說明的)。輻射管125可由例如耐火材料如石墨、鎢或碳化鉿制成。等離子體炬120還包括具有通道的霧化噴嘴160，來自預(yù)熱區(qū)124的原材料110的前部112通過該通道行進(jìn)以使原材料110的前端114暴露于多個等離子體射流180且使原材料霧化。所述通道可包括容許原材料110的前部112離開等離子體炬120并進(jìn)入冷卻室170的中心孔162、以及用于產(chǎn)生多個等離子體射流180的徑向孔166。冷卻室170在噴嘴160的下游安裝于等離子體炬120的下端。在冷卻室170中，原材料110的前端114暴露于多個等離子體射流180。

仍然參考圖1、2和3，且盡管最后可使用其它類型的等離子體炬，但是等離子體炬120為感應(yīng)耦合等離子體炬且包括以共軸布置的外部圓柱形的炬主體181、內(nèi)部圓柱形的等離子體約束管179和至少一個感應(yīng)線圈130。外部圓柱形的炬主體181可由可成型的(可模塑的，moldable)復(fù)合材料例如可成型的復(fù)合陶瓷材料制成。內(nèi)部圓柱形的等離子體約束管179可由陶瓷材料制成，且如上所指明的，其與炬主體181共軸。至少一個感應(yīng)線圈130與炬主體181共軸且包埋于炬主體181中以產(chǎn)生RF(射頻)電磁場，該RF電磁場的能量點燃等離子體126和維持等離子體126約束在包括預(yù)熱區(qū)124的等離子體約束管179中。等離子體由至少一種氣體例如氬氣、氦氣、氫氣、氧氣、氮氣、或其組合所產(chǎn)生，通過在炬主體181的上端處的感應(yīng)耦合等離子體炬120的頭部185在等離子體約束管179內(nèi)部供應(yīng)。經(jīng)由電源線132向感應(yīng)線圈130供應(yīng)RF電流。水或另一冷卻流體經(jīng)由入口例如134進(jìn)料，在冷卻通道例如136中流動，特別地通過在炬主體181和等離子體約束管179之間的環(huán)狀間隔，以冷卻感應(yīng)耦合等離子體炬。水或其它冷卻流體經(jīng)由出口例如138離開設(shè)備100。水或其它冷卻流體還可(a)在注入探管122的護套140內(nèi)流動并進(jìn)入感應(yīng)線圈130(其進(jìn)而為管狀的)。

原材料110的前端114暴露于多個等離子體射流180導(dǎo)致原材料的局部熔融，隨后所形成的原材料熔融層瞬時剝離和分解成小的液滴182。液滴182落到被定尺寸為且配置成容許液滴182在飛行中冷凍的冷卻室170中。液滴182當(dāng)冷凍時變?yōu)榉勰┝Ｗ?84收集在收集器190中。

圖3的設(shè)備100配置成讓液滴182通過重力落向收集器190。然而，還設(shè)想其中液滴182通過氣體或通過真空推進(jìn)不豎直落下的其它配置。在圖3的實施方式中且在這樣的其它配置中，出口管192可將冷卻室170的下部連接到真空泵送系統(tǒng)(未顯示)以將氣體從冷卻室170吸出。

設(shè)備100包括其它組件例如外殼、凸緣、螺栓等，其在圖1、2a、2b、3、4、5和6上說明。這些元件被認(rèn)為是自明的且本文不進(jìn)一步描述。在這些和其它圖中所說明的各種組件的精確配置不限制本公開。

圖4a為根據(jù)一種實施方式具有支撐凸緣171的霧化噴嘴160的透視圖。圖4b為圖4a的霧化噴嘴160和支撐凸緣171的橫截面圖。圖4c、4d和4e是顯示包括由用于形成等離子體射流通道、例如微等離子體射流通道的徑向孔166所圍繞的中心孔162的圖4a的霧化噴嘴160的細(xì)節(jié)的頂視圖、底視圖和透視圖。在沒有限制的情況下，霧化噴嘴160可由水冷卻的金屬或輻射冷卻的耐火材料或兩者的組合所形成。

噴嘴160由凸緣171所支撐。如圖2a和2b中所示，凸緣171可以在等離子體炬120和冷卻室170之間的密封布置緊固在等離子體炬120的下端和底托(mounting)環(huán)狀部件173之間。仍然參考圖2a和2b，噴嘴160包括環(huán)狀內(nèi)表面177，其可限定冷卻通道136的同時提供噴嘴160冷卻的部分。噴嘴160還以適當(dāng)?shù)拿芊獠贾孟薅ㄓ糜诮邮盏入x子體約束管179的下端211的環(huán)狀凹槽175。

圖4a-4e的噴嘴160在內(nèi)測包括限定與注入探管122共軸的中心孔162的中心塔168。中心孔162具有輸入漏斗狀放大物169。塔168的這種配置有利于原材料110的前部112的對準(zhǔn)和插入。噴嘴160的中心孔162容許原材料110的前部112離開等離子體炬120去往冷卻室170內(nèi)部。

霧化噴嘴160還在中心塔168周圍包括底壁，該底壁形成有彼此同等地、有角度地間隔開的多個徑向孔166。徑向孔166設(shè)計用于容許等離子體126的各自的部分朝著冷卻室170流動且產(chǎn)生等離子體射流180。徑向孔166的數(shù)量和它們相對于等離子體炬120的中心幾何縱軸的沖角可作為等離子體射流180在等離子體炬120的縱軸周圍的期望分布的函數(shù)進(jìn)行選擇。

中心孔162可被定尺寸為且配置成與原材料110的橫截面緊密地匹配，使得中心孔162通過原材料110的前部112在其中的插入而變成基本上封閉的。通過使中心孔162封閉，等離子體126在等離子體炬120中的壓力累積。這進(jìn)而導(dǎo)致等離子體126的各自的部分經(jīng)由徑向孔166從等離子體約束管179中的區(qū)124排出。等離子體126的這些被排出的部分形成等離子體射流180。徑向孔166被定尺寸為且配置成將等離子體射流180以高速度排出，該高速度可或許達(dá)到聲速或超聲速。

在其中原材料110的橫截面小于中心孔162的開口的情形中，孔162不是完全阻塞的且在等離子體炬120內(nèi)的壓力累積可為較小的數(shù)量。無論如何，等離子體炬120的凈作用(sheer action)和中心孔162被原材料110的部分阻塞仍然導(dǎo)致等離子體126處于顯著的壓力水平。等離子體射流180盡管在流量和壓力方面潛在地降低但可仍然存在。一部分等離子體126在原材料110和中心孔162的開口之間留下的間隙中通過中心孔162排出。該部分等離子體126形成圍繞原材料110的前端114的環(huán)狀等離子體射流或流。在其穿過中心孔162時，前端114在這樣的情形中可被環(huán)狀等離子體射流部分霧化。前端114的另外部分可進(jìn)一步被等離子體射流180霧化，該等離子體射流180盡管較弱但仍然可以顯著快的速度從霧化噴嘴160的徑向孔166排出。

徑向孔166可各自取向使得等離子體射流180在冷卻室170內(nèi)朝著以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料110的前端114會聚以增強霧化過程。更具體地，圖4c和4d分別顯示霧化噴嘴160的頂視圖和底視圖?？捎^察到，徑向孔166關(guān)于等離子體炬120的中心幾何縱軸從霧化噴嘴162的頂部至底部向內(nèi)成角度。通過這種方式，在其中所形成的等離子體射流180將在冷卻室170內(nèi)朝著與中心孔162軸向?qū)?zhǔn)的會聚點會聚。在沒有限制的情況下，徑向孔166可為圓柱形的且具有0.5mm至最大3mm范圍內(nèi)的直徑以產(chǎn)生聲速或超聲速的等離子體微射流，而且可相對于等離子體炬120的中心幾何縱軸以20°-70°的角度取向。當(dāng)然可設(shè)想徑向孔166的其它形狀和直徑。

正如上文所表明的，霧化噴嘴160產(chǎn)生多個會聚的等離子體射流，而且可進(jìn)一步產(chǎn)生環(huán)狀等離子體射流?，F(xiàn)在將描述只產(chǎn)生環(huán)狀等離子體射流的霧化噴嘴的另一實施方式。

圖5是顯示了根據(jù)另一實施方式的霧化噴嘴的圖1的等離子體炬的詳細(xì)的正視圖。在該實施方式中，將等離子體炬120改造成包括在緊固于炬主體181的下端的炬120的底部封閉工件上中心布置的霧化噴嘴660。霧化噴嘴660在其出口端具有中心孔662和朝著中心孔662漸尖的內(nèi)面664。在非限制性實施方式中，霧化噴嘴660的中心孔662被定尺寸為且配置成與形成原材料110的伸長部件的橫截面基本上匹配，因此原材料110的前端114移動到霧化噴嘴660中導(dǎo)致等離子體126在等離子體炬120中的壓力累積。等離子體126在等離子體炬120中的壓力導(dǎo)致等離子體中的一些通過霧化噴嘴660排出，在原材料110的前端114和霧化噴嘴660的內(nèi)面664之間形成環(huán)狀等離子體射流665。原材料110的前端114暴露于環(huán)狀等離子體射流665導(dǎo)致原材料110的表面熔融和霧化。經(jīng)霧化的原材料通過中心孔662離開等離子體炬120且以細(xì)的或超細(xì)的液滴182的形式進(jìn)入冷卻室170。液滴182落到冷卻室170中，該冷卻室170被定尺寸為且配置成容許液滴182在飛行中冷凍。液滴182當(dāng)冷凍時變成粉末粒子184收集在收集器190中。形成環(huán)狀等離子體射流665的等離子體的一些也進(jìn)入冷卻室170。

圖6是圖1的等離子體炬的變型的詳細(xì)的正視圖，其顯示圖5的霧化噴嘴且還包括圍繞霧化噴嘴的出口端的保護氣體端口。在該變型中，早先的圖的等離子體炬120通過增加用于接收保護氣體412的輸入端口410而補充。保護氣體412通過封套(cover)414限制在等離子體炬120下方，封套414與所述炬的底部封閉工件形成圍繞霧化噴嘴660的中心孔662的環(huán)狀腔。保護氣體412從環(huán)狀保護氣體輸出端口416排出以形成圍繞從霧化噴嘴660排出的等離子體和液滴182的保護氣體屏障(簾幕，curtain)418。軸向保護氣體屏障418的存在防止液滴182到達(dá)和沉積在包括霧化噴嘴660在內(nèi)的等離子體炬120的任何下游表面上。特別地，保護氣體屏障418防止從霧化噴嘴660露出的等離子體流的快速膨脹，且因此防止液滴182撞擊到冷卻室的任何下游表面上。如圖6上所示，霧化噴嘴660的中心孔662可在短的環(huán)狀凸緣667中稍微延伸以使保護氣體412在由等離子體氣體和液滴182形成的流周圍更好地偏轉(zhuǎn)。保護氣體可以是與等離子體氣體的來源相同性質(zhì)的，其包括例如惰性氣體如氬氣和氦氣及它們與氫氣、氧氣和/或氮氣的混合物。替代地，保護氣體可由不同的氣體組成。

設(shè)備100可集成霧化噴嘴160和霧化噴嘴660之一。盡管沒有說明，但是還設(shè)想包括霧化噴嘴160和經(jīng)由保護氣體端口416提供保護氣體412的組件的組合的設(shè)備100的另外變型。

圖7是顯示通過霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料制造粉末粒子的方法的操作的流程圖。在圖7上，序列500包括可以可變順序執(zhí)行的多個操作，所述操作的一些可同時執(zhí)行，所述操作的一些是任選的。

通過霧化以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料制造粉末粒子的序列500在操作510處通過將原材料引入到等離子體炬中例如感應(yīng)耦合等離子體炬中而開始。將原材料引入到等離子體炬中可使用如下經(jīng)由注入探管以連續(xù)的方式進(jìn)行：用于控制伸長部件的進(jìn)料速率且如果需要用于矯直有時以卷形物形式提供的伸長部件的典型的線、棒或管進(jìn)料機構(gòu)。

在操作520處，在等離子體炬內(nèi)，原材料的前部可通過與等離子體直接或間接接觸而預(yù)熱。當(dāng)使用注入探管時，超出注入探管末端的等離子體炬的段，具體地在注入探管的末端之間，可形成用于預(yù)熱原材料的前部的預(yù)熱區(qū)。操作530包括使原材料的前部移動到等離子體炬的霧化噴嘴中，原材料的前端到達(dá)霧化噴嘴的中心孔。

通過霧化噴嘴產(chǎn)生一個或多個等離子體射流。所述一個或多個等離子體射流可包括圍繞原材料的前端的環(huán)狀等離子體射流、通過霧化噴嘴排出的多個會聚的等離子體射流、或者環(huán)狀和會聚的等離子體射流的組合。還設(shè)想使用可操作性連接至冷卻室的第二個等離子體炬產(chǎn)生另外的等離子體射流。操作540包括通過暴露于在霧化噴嘴中形成的一個或多個等離子體射流而使原材料的前端表面熔融。

在步驟550處，通過原材料的霧化形成的液滴在冷卻室內(nèi)在飛行中冷凍。然后，操作560包括收集由液滴在飛行中冷凍所得到的粉末粒子。

通過在將等離子體和等離子體射流維持在適當(dāng)?shù)臏囟人降耐瑫r使原材料連續(xù)前進(jìn)到等離子體炬中可使粉末粒子使用圖7的序列500的制造為連續(xù)的。通常，無論通過原材料和等離子體之間的直接接觸或由等離子體通過輻射管間接輻射加熱，都控制原材料的前部在預(yù)熱區(qū)中行進(jìn)的持續(xù)時間，使得原材料的前部在移動到霧化噴嘴中之前達(dá)到預(yù)定溫度。在預(yù)熱操作520中獲得的預(yù)定溫度低于原材料的熔點。原材料的預(yù)熱時間的持續(xù)時間的控制可通過控制原材料的進(jìn)料速率和/或等離子體炬中的預(yù)熱區(qū)的長度進(jìn)行。

通過等離子體和等離子體射流的溫度控制，粉末粒子使用序列500的制造可應(yīng)用到寬范圍的材料例如純金屬(如鈦、鋁、釩、鉬、銅)、這些或其它金屬的合金(包括例如鈦合金、鋼和不銹鋼、具有液相的任何其它金屬材料)、陶瓷(包括例如氧化物、氮化物或碳化物家族的那些、或其任何組合、或具有液相的任何其它陶瓷材料)、復(fù)合材料或其配混物。前述材料列表不擬限制通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和設(shè)備的應(yīng)用。

第一實施例

根據(jù)第一實施例，通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法可包括下列操作。該第一實施例可利用圖1-6中全部或部分說明的設(shè)備100，其包括用于加熱、熔融和霧化原材料110的等離子體炬120。所述方法涉及將以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料110通過注入探管122軸向引入到其中產(chǎn)生等離子體126的放電腔的中心。原材料110可通過典型的線、棒或管進(jìn)料機構(gòu)(未顯示)以連續(xù)的方式供應(yīng)到注入探管122，所述進(jìn)料機構(gòu)例如類似于目前用在線電弧焊中的市場可獲得的單元例如Miller銷售的用于MIG/Wire焊接的單元，而且如在前述描述中所指出的，包括操作用于控制伸長部件的進(jìn)料速率且如果需要用于矯直有時以卷狀物形式提供的伸長部件的輪子。隨著原材料110從注入探管122露出和橫過等離子體126，它在預(yù)熱區(qū)124中被加熱，之后進(jìn)入在等離子體炬120的下端處的下游霧化噴嘴160中。注入探管122的末端和霧化噴嘴160的進(jìn)口點之間的距離限定預(yù)熱區(qū)124的長度。在預(yù)熱區(qū)124中通過等離子體加熱原材料110的時間取決于預(yù)熱區(qū)124的長度和伸長部件在等離子體炬120中行進(jìn)的線速度。在預(yù)熱區(qū)124中原材料110接收的能量的量繼而不僅取決于原材料110在預(yù)熱區(qū)126中的預(yù)熱時間，而且取決于等離子體126的熱-物理性質(zhì)以及形成原材料110的伸長部件的直徑。通過控制預(yù)熱區(qū)124的長度、形成原材料110的伸長部件的線速度和等離子體溫度，可控制原材料110的前端114在其進(jìn)入霧化噴嘴160時的溫度。為了最佳的結(jié)果，原材料110在其貫穿進(jìn)霧化噴嘴160時的溫度可盡可能地高，盡管優(yōu)選地不是太接近于原材料110的熔點以避免原材料110在等離子體炬120的放電腔中過早熔融。

隨著原材料110的經(jīng)預(yù)熱的前端114從霧化噴嘴160露出到冷卻室170中，它暴露于多個等離子體射流，例如高速度、聲速或超聲速的微等離子體射流180，所述射流撞擊到形成原材料110的伸長部件的前端114的表面上，使材料熔融，且在生成瞬間以細(xì)分的球狀熔融液滴182的形式剝?nèi)ト廴诓牧?，所述液?82被等離子體氣體夾帶。隨著霧化液滴182進(jìn)一步輸送到下游進(jìn)入冷卻室170中，它們冷卻下來并且在飛行中冷凍，形成原材料的致密的球狀粉末粒子184。粉末粒子184在位于冷卻室170底部的容器190中收取，或者取決于它們的粒度分布，可在下游的旋風(fēng)分離器(未顯示)或收集過濾器(也未顯示)中收集。

第二實施例

同樣，該第二實施例可利用包括用于對原材料110進(jìn)行加熱、熔融和霧化的等離子體炬120的設(shè)備100。根據(jù)可用于制造金屬、金屬合金和陶瓷的致密球狀粒子的粉末的第二實施例，通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作：

a.提供包括由流體冷卻的感應(yīng)線圈圍繞的流體冷卻的等離子體約束管的感應(yīng)耦合等離子體源、例如感應(yīng)等離子體炬。通過來自感應(yīng)線圈的能量電磁耦合到等離子體約束管中的放電腔中而在等離子體約束管內(nèi)部產(chǎn)生等離子體。感應(yīng)耦合等離子體源典型地(但不限制一般性)在100kHz-10MHz的頻率范圍內(nèi)以范圍在約10kPa至最大1.0MPa的低真空之間的壓力操作。等離子體氣體可范圍從惰性氣體例如氬氣和氦氣到它們與氫氣、氧氣和/或氮氣的混合物。感應(yīng)耦合等離子體源包括負(fù)責(zé)分布提供全部其組件的高效冷卻的冷卻流體(例如水)的頭部。所述頭部可進(jìn)一步提供等離子體保護氣體向放電腔中的均勻分布以使在管的中心處的放電穩(wěn)定化。等離子體保護氣體還保護等離子體約束管不受從等離子體放電所散發(fā)的高熱通量的影響。在感應(yīng)耦合等離子體源的下游端，出口凸緣安裝的噴嘴容許等離子體朝著冷卻室流動。感應(yīng)耦合等離子體源還可裝備有中心定位的水冷卻的材料注入探管，其用于將待加工的材料引入到放電腔中。

b.使用合適的進(jìn)料機構(gòu)將待霧化的原材料以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)的形式以良好控制的進(jìn)料速率通過注入探管引入。原材料可通過典型的線、棒或管進(jìn)料機構(gòu)(未顯示)以連續(xù)的方式供應(yīng)到注入探管，所述進(jìn)料機構(gòu)例如類似于目前用在線電弧焊的市場可獲得的單元例如Miller銷售的用于MIG/Wire焊接的單元，且包括操作用于控制伸長部件的進(jìn)料速率且如果需要用于矯直有時以卷形物形式提供的伸長部件的輪子。

c.隨著待加工的原材料從注入探管露出，其集中到霧化噴嘴中的中心孔。原材料的存在使霧化噴嘴的該中心孔至少部分封閉。

d.噴嘴中心孔的至少部分封閉導(dǎo)致放電腔中的等離子體的壓力累積。該壓力可在50kPa至最高500kPa或更大的范圍內(nèi)。該壓力導(dǎo)致等離子體流通過霧化噴嘴中的多個徑向孔，該徑向孔均勻分布在圍繞噴嘴的中心孔的圓形周界上面。這導(dǎo)致具有非常高速度(取決于配置和操作參數(shù)可達(dá)到聲速或超聲速值)的多個聚焦的等離子體微射流的形成。

e.形成原材料的伸長部件的前端的暴露部分離開霧化噴嘴的中心孔而貫穿(進(jìn)入)冷卻室，其經(jīng)受由等離子體射流帶來的劇烈加熱。這完成了原材料在其表面處的熔融且使其以細(xì)的或超細(xì)的熔融液滴的形式霧化。通過該第二實施例，可獲得具有在5μm至幾百微米范圍內(nèi)的直徑的液滴。

f.隨著霧化的材料被露出的等離子體氣體夾帶到冷卻室中，熔融的液滴冷卻下來且在飛行中凝固，形成致密的球狀粒子在系統(tǒng)的下游部分處收集。

第三實施例

根據(jù)可利用設(shè)備100的第三實施例，通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作。

將以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料110通過沿著等離子體炬120的中心線軸向取向的注入探管122引入。

隨著原材料110從注入探管122露出，在等離子體炬120的下游端處，其前部112在預(yù)熱區(qū)124中通過與等離子體126直接接觸而加熱或者使用輻射管125間接地加熱?？烧{(diào)節(jié)在預(yù)熱區(qū)124中的行進(jìn)距離和原材料110的移動速度以容許足夠的時間以將伸長部件的前部112加熱至盡可能接近原材料的熔點而實際上沒有達(dá)到該熔點的溫度。

在此刻，原材料110的前端114或端部到達(dá)霧化噴嘴160且貫穿過其中心孔162，該中心孔162在該第三實施例中具有和伸長部件的直徑基本上相同的直徑。隨著原材料110的前端114從霧化噴嘴160的下游側(cè)在冷卻室170中露出，其暴露于撞擊到其上的多個等離子體射流180、例如高速度等離子體微射流180。由于原材料110的前端已經(jīng)在預(yù)熱區(qū)124中、即在放電腔中預(yù)熱到接近其熔點，它在其表面處快速熔融且被等離子體射流180剝離，變成被由等離子體射流180得到的等離子體流夾帶的細(xì)的或超細(xì)的液滴182。隨著液滴182向下行進(jìn)到冷卻室170，它們冷卻下來并以致密的球狀粒子184的形式凝固，球狀粒子184通過重力沉積到在冷卻室170底部的容器190中或者通過等離子體氣體輸送到下游的粉末收集旋風(fēng)分離器或細(xì)金屬過濾器。

第四實施例

根據(jù)可利用設(shè)備100的第四實施例，通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法包括下列操作。

以伸長部件(例如作為非限制性實例的線、棒或填充管)形式的原材料110具有比中心孔162的直徑小的直徑。將原材料110通過沿著等離子體炬120的中心線軸向取向的注入探管122引入。

如在第三實施例中一樣，原材料110從注入探管122露出，在等離子體炬120的下游端處，其前部112在預(yù)熱區(qū)124中通過與等離子體126直接接觸而加熱或者使用輻射管125間接加熱。可調(diào)節(jié)在預(yù)熱區(qū)124中的行進(jìn)距離和原材料110的移動速度以容許足夠的時間以將伸長部件的前部112加熱到盡可能接近原材料的熔點而實際上沒有達(dá)到該熔點的溫度。

在此刻，原材料110的前端114或端部到達(dá)霧化噴嘴160且貫穿過其中心孔162，該中心孔162在該第四實施例中具有比伸長部件的直徑大的直徑。隨著原材料110的前端114行進(jìn)通過霧化噴嘴160的中心孔162，其暴露于存在于由中心孔162的直徑和伸長部件的直徑之間的差所形成的間隙中的環(huán)狀等離子體射流。由于原材料110的前端114已經(jīng)在預(yù)熱區(qū)124中(即在放電腔中)預(yù)熱至接近其熔點，原材料110的前端114對該環(huán)狀等離子體射流的暴露導(dǎo)致在其表面處快速熔融，被環(huán)狀等離子體射流所剝離，變成被由環(huán)狀等離子體射流得到的等離子體流夾帶的細(xì)的或超細(xì)的液滴182。如果前端114未被環(huán)狀等離子體射流完全霧化，則剩余的原材料從霧化噴嘴160的下游側(cè)在冷卻室170中露出。剩余的原材料暴露于撞擊到其上的多個等離子體射流180。剩余的原材料在其表面處繼續(xù)熔融，且被等離子體射流180所剝離，變成更多的被由環(huán)狀等離子體射流和由等離子體射流180得到的等離子體流夾帶的細(xì)的或超細(xì)的液滴182。隨著液滴182向下行進(jìn)到冷卻室170，它們冷卻下來并以致密的球狀粒子184的形式凝固，球狀粒子184通過重力沉積到在冷卻室170底部的容器190中或者通過等離子體氣體輸送到下游的粉末收集旋風(fēng)分離器或細(xì)金屬過濾器。

典型的等離子體霧化設(shè)備100的總體視圖顯示在圖3中。設(shè)備100的所顯示的組件的基本尺寸和形狀可取決于待霧化的材料和取決于期望的制造速率而寬范圍地變化。等離子體炬120的功率水平對于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的單元可不失一般性地在10或20kW至最高數(shù)百kW之間變化。

再次參考圖4a-4e，顯示了霧化噴嘴160的設(shè)計實例。噴嘴160包括凸緣171。霧化噴嘴160可由流體冷卻的銅或不銹鋼制成。替代地，霧化噴嘴160可由與水冷卻的凸緣171組合的耐火材料例如石墨制成。

霧化噴嘴160具有中心孔162，該中心孔162任選地適于與形成原材料110的伸長部件的直徑緊密地匹配。霧化噴嘴160具有這樣的多個徑向孔166：其在中心孔162周圍等同分布，且根據(jù)一種實施方式，關(guān)于等離子體炬120的中心幾何縱軸以45°的角度指向。使用十六(16)個具有1.6mm直徑的徑向孔166獲得成功的操作，所述徑向孔166等同分布在中心孔162周圍。徑向孔166的直徑、數(shù)量和角度可取決于待霧化的材料的熱物理性質(zhì)和期望的粒度分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。

應(yīng)指出經(jīng)霧化的材料在霧化期間可通過預(yù)混合到原材料中的不同組分之間的反應(yīng)改變其化學(xué)組成。非限制性的實例為通過混合形成填充形成原材料的管的粒子的不同金屬制造合金。另一非限制性的實例為形成填充管中的粒子的化學(xué)組分之間的化學(xué)反應(yīng)。還應(yīng)指出，經(jīng)霧化的材料可在霧化期間由于等離子體氣體和/或保護氣體和經(jīng)霧化的材料之間的化學(xué)反應(yīng)例如通過氧化、硝化、滲碳等改變其化學(xué)組成。

基于等離子體炬的放電腔中的流動和溫度場的流體動態(tài)模擬(模型化)，可計算形成原材料的伸長部件當(dāng)其橫過炬中的預(yù)熱區(qū)時的溫度分布曲線(profile)。圖8是包括顯示加熱引入到60kW下的氬氣/氫氣感應(yīng)等離子體中的3.2mm不銹鋼線的模擬結(jié)果的圖的示意圖。圖8提供使用如圖1-6上所示的感應(yīng)耦合等離子體炬可獲得的典型結(jié)果。圖8在其左手側(cè)顯示對于以具有3MHz的振蕩頻率和60kW的板功率(plate power)的射頻電源操作的氬氣/氫氣等離子體在放電腔中的二維溫度場。在圖8的底部，給出了對于40mm/s和60mm/s的棒平移速度，在3.2mm直徑的不銹鋼棒中的對應(yīng)的溫度場。如所預(yù)期的，所述棒的總體溫度隨著其穿過等離子體炬的放電腔中的預(yù)熱區(qū)的平移速度的增加而下降。圖8的中心是顯示對于不同速度和預(yù)熱區(qū)124的不同長度(在圖8的左手側(cè)上以‘z’標(biāo)識)，在伸長部件的端部實現(xiàn)的最大溫度的變化的圖?？勺⒁獾?，取決于預(yù)熱區(qū)124的長度，將棒平移速度維持在相對窄的窗口內(nèi)容許避免材料在放電腔中過早熔融或其以過低的溫度到達(dá)霧化噴嘴，其將對經(jīng)霧化的產(chǎn)物的品質(zhì)具有負(fù)面影響。

圖9是通過霧化3.2mm直徑的不銹鋼線獲得的粉末粒子的電子顯微照片和對應(yīng)的粒度分布的圖。這樣的粒子可使用圖1-6的等離子體炬獲得。不銹鋼粉末粒子使用感應(yīng)等離子體霧化方法獲得。粉末粒子具有約62μm的中值粒徑d₅₀，且粉末制造速率為約1.7kg/小時。所述粉末大部分由致密的球狀粒子組成。取決于操作條件和過程優(yōu)化，觀察到一定數(shù)量的中間長條物(splat)和伴隨粒子(satellite)。

圖10說明了使用通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法和設(shè)備制造的不同不銹鋼球狀粉末部分的電子顯微照片。這樣的粒子可使用圖1、2a和2b的感應(yīng)耦合等離子體炬獲得。同樣，所述粉末大部分由致密的球狀粒子組成；取決于操作條件和過程優(yōu)化，觀察到僅很少的中間長條物和伴隨粒子。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到對制造粉末粒子的方法和設(shè)備的描述和對如此制造的粉末粒子的描述只是說明性的，且不擬以任何方式進(jìn)行限制。其它實施方式對于已經(jīng)受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將是容易想到的。此外，所公開的方法、設(shè)備和粉末粒子可定制成為與由寬范圍的原材料高效且經(jīng)濟地制造粉末粒子相關(guān)的現(xiàn)有需求和問題提供有價值的解決方案。

可聯(lián)想到如本文所公開的通過霧化以伸長部件形式的原材料制造粉末粒子的方法、用于其的設(shè)備、和如此制造的粉末粒子的多種實施方式。這樣的實施方式可包括用可擴展至工業(yè)生產(chǎn)水平的成本經(jīng)濟有效的方式制造寬范圍的粉末(包括但不限于，高純度金屬、合金和陶瓷的細(xì)的和超細(xì)的粉末)的方法。所述方法可應(yīng)用于純金屬、合金和陶瓷的粉末的制造，導(dǎo)致霧化材料的最小污染或者沒有污染，導(dǎo)致特別是對于反應(yīng)性金屬和合金最小或沒有氧獲取，產(chǎn)生例如具有小于250μm粒徑的細(xì)的或超細(xì)的粒度，所述粒子是致密的和球狀的、具有最少或沒有伴隨粒子的污染。

為了清楚起見，沒有顯示和描述全部的制造粉末粒子的方法、設(shè)備和其用途的實施的常規(guī)特征。當(dāng)然，將領(lǐng)會在用于制造粉末粒子的方法、設(shè)備和其用途的任何這樣的實際實施的開發(fā)中，可需要做出很多針對實施的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如符合與應(yīng)用、系統(tǒng)和商業(yè)相關(guān)的約束條件，而且這些特定目標(biāo)將隨實施和開發(fā)者而變化。此外，將領(lǐng)會開發(fā)的努力可能是復(fù)雜的和耗時的，但是對于已經(jīng)受益于本公開的材料加工領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員不過是常規(guī)的工程任務(wù)。

盡管本公開已經(jīng)借助其非限縮性的說明性實施方式在上文進(jìn)行了描述，但是可在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)按意愿修改這些實施方式，而沒有偏離本公開的精神和本質(zhì)。