技术领域
[0001] 本
发明涉及粉体
冶金领域，具体涉及一种制备颗粒度小的金属粉体的装置及方法。
背景技术
[0002] 在粉体冶金、金属材料3D打印、
喷涂等领域中，金属粉体是核心原材料，金属粉体的制备方法，传统的例如雾化法、球磨法、气雾化法等，
等离子体炬旋转
电极制粉是最新发展的一种产业化金属制粉方法，尤其在难熔材料、稀有金属材料的粉体制备中，因为高的
能量密度源可以很容易的熔融金属，是通过离心甩出液滴方法获得粉体颗粒而不是雾化法之类通过气体吹出去雾化，这样就节约了气体吹气雾化过程中因为气体也要被大量加热而需要的额外能量，保证了金属尤其是难熔金属得到快速高效
液化，以及制粉。
[0003] 但是另一方面，因为缺乏大量的冷态气体的存在，被甩出去的液滴，被高温气体包围，难以实现快速冷却
凝固，出现多个液滴又再次熔融形成更大液滴再
固化的情形，所以，旋转电极制粉中，所得粉体中粗颗粒占据主要
位置，有电极旋转速度慢导致甩出去的液滴较大的问题，也有液滴再次聚集导致颗粒粗大的问题。
[0004] 因为缺乏高速的冷态气流来冷却并控制金属液滴的走向，高温的金属液滴，还会飞向等离子体炬喷头并沉积，导致等离子体炬喷头被堵，严重影响等离子体炬的使用效率及使用寿命。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种制备金属粉体的装置及方法，解决
现有技术中的旋转电极制粉过程中的等离子体炬容易堵塞、
电弧不稳定、所得粉体中粗大颗粒较多等不足。
[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种制备金属粉体的装置，所述装置包括制粉腔室、位于所述制粉腔室底部的粉体收集室、为所述制备金属粉体的装置提供动
力的电源、位于所述制粉腔室一侧的用于旋转和推进棒状
阳极的旋转供给机构、位于所述旋转供给机构中的棒状阳极、位于所述制粉腔室另一侧依次设置的输气系统、等离子体炬和等离子体炬
喷嘴、其中所述旋转供给机构、所述棒状阳极、所述输气系统、所述等离子体炬和所述等离子体炬喷嘴同轴设置，并且所述棒状阳极和所述等离子体炬喷嘴相对，其中，绝
热膨胀机构机械密封连接于所述制粉腔室的外侧，所述绝热膨胀机构包括传动机构和
阀板，所述传动机构作用于所述阀板，用于改变所述绝热膨胀机构的体积。
[0007] 优选地，所述装置还包括抽
真空系统，所述抽空真空系统包括真空
泵、双控阀
门和真空腔室，所述
真空泵通过所述双控阀门连接于所述制粉腔室，所述真空腔室一侧连接于所述绝热膨胀机构，另一侧经由所述双控阀门连接于所述真空泵，所述真空泵通过所述双控阀门用于控制所述制粉腔室和所述真空腔室的真空度。
[0008] 优选地，位于所述制粉腔室的表面设置冷
水夹套。
[0009] 优选地，所述绝热膨胀机构位于同轴设置的所述旋转供给机构、所述棒状阳极、所述输气系统、所述等离子体炬和所述等离子体炬喷嘴的垂直方向。
[0010] 优选地，所述绝热膨胀机构是
活塞机构。
[0011] 优选地，处于工作状态的所述绝热膨胀机构形成的空间体积比所述制粉腔室的空间体积大10％到100％。
[0012] 优选地，所述绝热膨胀机构的所述传动机构能够实现
曲轴往复运动、垂直提拉运动或
气动气缸推动运动。
[0013] 优选地，通过所述抽真空系统和所述输气系统将所述制粉腔室的工作压强控制在1/100
大气压到10个大气压之间。
[0014] 优选地，所述等离子体炬的工作
频率在1到100kHz之间，所述绝热膨胀机构的工作频率在1到100kHz之间，所述等离子体炬和所述绝热膨胀机构的工作频率能够形成耦合。
[0015] 优选地，所述棒状阳极的直径在1mm到100cm之间，旋转速度在1到100000转/分之间。
[0016] 优选地，所述棒状阳极的直径在1cm到10cm之间。
[0017] 优选地，所述等离子体炬的电源功率在1到500kW之间，工作方式是直流放电或脉冲放电。
[0018] 为解决上述问题，本发明还提供一种利用所述装置进行制备金属粉体的方法，所述方法包括如下步骤：在制粉腔室的制粉过程中，在等离子体炬的作用下，作为制粉原材料的棒状阳极熔融、
蒸发，在旋转
离心力作用下，以金属液滴形式离开所述棒状阳极；所述金属液滴冷却固化形成粉体，其特征在于，在所述制粉过程中，传动机构作用于阀板进而带动绝热膨胀机构工作，所述绝热膨胀机构的体积增大。
[0019] 优选地，所述方法还包括如下步骤：在制粉过程之前，利用真空泵将所述制粉腔室进行抽真空；以及，在所述传动机构作用于所述阀板进而带动所述绝热膨胀机构工作的过程之中，停止对所述制粉腔室进行抽真空，开始对真空腔室进行抽真空。
[0020] 本发明相比于现有技术的有益效果在于：在传统的旋转电极制粉过程中，增加绝热膨胀机构同时进行工作，一方面建立更适宜的工作压强环境，另一方面使得环境
温度降低，快速冷却金属液滴，优化粉体特性。本发明有助于克服常规旋转电极制粉过程中的等离子体炬容易堵塞、电弧不稳定、所得粉体中粗大颗粒较多等不足，进一步提高制粉效率，制备的粉体颗粒度更小。
附图说明
[0021] 图1是本发明的制备金属粉体的装置的结构示意图；
[0022] 图2是本发明的一个优选
实施例中的包括抽真空系统的制备金属粉体的装置的结构示意图。
[0023] 附图标号：
[0024] 1为棒状阳极；2为等离子体炬火焰；3为等离子体炬喷嘴；4为等离子体炬；5为输气系统；6为电源线；7为电源；8为阀板；9为传动机构；10为绝热膨胀机构的阀板的初始位置；11为制粉腔室；12为真空腔室；13为真空泵；14为双控阀门。
具体实施方式
[0025] 以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
[0026] 制粉腔室的气体压强是制粉工艺中的主要工艺参数之一，制粉腔室压强高的话，可以使得金属液滴在同样空间内得到更多的碰撞机会、更快速的冷却成为粉体颗粒，以及更小的制粉腔室空间；但是，更高的腔室压强，因为气体被液滴加热的几率更高，也意味着更高的气体温度，更多的液滴复合形成更大的液滴及颗粒，等离子体炬喷嘴更容易出现金属沉积并堵塞喷嘴；更高压强时，等离子体炬与金属阳极之间的间距必须相应缩短，否则等离子体炬容易灭弧。
[0027] 气体绝热膨胀过程中，气体的温度将显著下降，根据理想气体的绝热膨胀方程：TVγ-1＝常数， γ-1的值一般在0.3-0.7之间，可知，如果绝热膨胀后的空间大小为原来空间的1.1倍、1.5倍、2倍时，取γ-1＝0.5，可知绝热膨胀后其温度约为原来温度的0.95、0.816、0.71倍，如果绝热膨胀前的温度为100℃，则相应的温度值分别为95℃、81.6℃、71℃；气体温度的显著降低，带动金属液滴的温度快速下降并固化，有助于提高制粉速度、优化制粉效果。本发明正是基于上述原理获得，将绝热膨胀和现有技术的旋转电极制粉相结合。
[0028] 如图1所示，显示了本发明的制备金属粉体的装置的结构示意图。其中，所述装置包括制粉腔室11、位于所述制粉腔室底部的粉体收集室(图中未示出)、为所述制备金属粉体的装置提供动力的电源7、位于所述制粉腔室11一侧的用于旋转和推进棒状阳极1的旋转供给机构、位于所述旋转供给机构中的棒状阳极1、位于所述制粉腔室11另一侧依次设置的输气系统5、等离子体炬4和等离子体炬喷嘴3、其中所述旋转供给机构、所述棒状阳极1、所述输气系统5、所述等离子体炬4和所述等离子体炬喷嘴3同轴设置，并且所述棒状阳极1和所述等离子体炬喷嘴3相对，所述等离子体炬4作为
阴极通过所述等离子体炬喷嘴3喷射等离子体炬火焰2，作用于所述棒状阳极1使其熔融、蒸发，在旋转离心力作用下，以金属液滴形式离开所述棒状阳极1；所述金属液滴冷却固化形成粉体。其中，绝热膨胀机构机械密封连接于所述制粉腔室11的外侧，所述绝热膨胀机构包括传动机构9和阀板8，所述传动机构9作用于所述阀板8，用于改变所述绝热膨胀机构的体积。所述输气系统5用于在制粉过程中输入工艺气体，通常是不会与金属原材料发生化学反应的惰性气体，例如Ar、或者N2。此外，如果希望有一定含量的化合物，例如
氧化物、
碳化物、氮化物，则通入的相应的O2、含碳气体、含氮气体等。本发明的装置利用绝热膨胀机构的体积变化可以从内部降低制粉腔室的压力，进一步降低金属液滴的温度。
[0029] 如图2所示，图中未显示与图1相同的一些部件，例如，棒状阳极1、等离子体炬火焰2、等离子体炬喷嘴3、等离子体炬4、输气系统5、电源线6和电源7在图2中未显示。图2着重显示了抽真空系统，即所述装置还包括抽真空系统，所述抽空真空系统包括真空泵13、双控阀门14和真空腔室12，所述真空泵13通过所述双控阀门14连接于所述制粉腔室11，所述真空腔室12一侧连接于所述绝热膨胀机构，另一侧经由所述双控阀门14连接于所述真空泵13，所述真空泵13通过所述双控阀门14用于控制所述制粉腔室11和所述真空腔室12的真空度。
所述抽真空系统用于实现对制粉腔室11和真空腔室12进行抽真空。
[0030] 优选地，位于所述制粉腔室11的表面设置冷水夹套。在各种
接口处，也可以设置专门的通
冷却水的管道或空间，并设计为具有最佳冷却效果的管道或空间特征，冷却水是为了保证制粉腔室11稳定的工作状态，也有利于粉体的制备和提高产率。
[0031] 优选地，所述绝热膨胀机构位于同轴设置的所述旋转供给机构、所述棒状阳极1、所述输气系统5、所述等离子体炬4和所述等离子体炬喷嘴3的垂直方向。
[0032] 优选地，所述绝热膨胀机构是活塞机构。所述活塞机构能够密封滑动，工作中类似于
内燃机中的活塞过程，当所述活塞机构密封滑动向外运动时，制粉腔室11内的压强降低、形成绝热膨胀过程，导致制粉腔室11内部气体包括液态或固态的原材料微粒快速降温，从而提高粉体冷却速率，获得更优质粉体特性。而当活塞机构向内运动时，一方面，因为制粉过程中，存在工艺气体输入和抽真空工作系统，一般不会产生绝
热压缩、不会导致制粉腔室11内部升温，另一方面，可以设计控制绝热膨胀机构向内运动的速度远低于向外运动的速度，确保不产生绝热压缩。
[0033] 优选地，处于工作状态的所述绝热膨胀机构形成的空间体积比所述制粉腔室11的空间体积大10％到100％。
[0034] 优选地，所述绝热膨胀机构的所述传动机构9能够实现曲轴往复运动、垂直提拉运动或气动气缸推动运动。此外，所有能够实现密封滑动的机构、动力系统或者隔离空间，都可应用于本发明的绝热膨胀机构。
[0035] 优选地，通过所述抽真空系统和所述输气系统5将所述制粉腔室11的工作压强控制在1/100大气压到10个大气压之间。
[0036] 优选地，所述等离子体炬4的工作频率在1到100kHz之间，所述绝热膨胀机构的工作频率在1到100kHz之间，所述等离子体炬4和所述绝热膨胀机构的工作频率能够形成耦合。所谓耦合，是指二者的频率相同或者成整数倍率；频率相同时，在其中一方处于工作状态时，另一方正好同样处于工作状态或非工作状态；频率为整数倍时，其中低频率一方的工作状态期间，可以最大限度的匹配高频率一方所需要的工作状态。例如，等离子体炬4点燃期间，绝热膨胀机构压缩制粉腔室11体积，保证被甩出的液滴与更多的气体分子碰撞；等离子体炬4非燃烧期间，绝热膨胀机构进行绝热膨胀，使得制粉腔室11气氛快速冷却；可以是1：1耦合，也可以是n：m耦合，其中n、m均为自然数。
[0037] 优选地，所述棒状阳极1的直径在1mm到100cm之间，旋转速度在1到100000转/分之间。
[0038] 优选地，所述棒状阳极1的直径在1cm到10cm之间。
[0039] 优选地，所述等离子体炬4的功率在1到500kW之间，工作方式是直流放电或脉冲放电。
[0040] 为解决上述问题，本发明还提供一种利用所述装置进行制备金属粉体的方法，所述方法包括如下步骤：在制粉腔室11的制粉过程中，在等离子体炬4的作用下，作为制粉原材料的棒状阳极1熔融、蒸发，在旋转离心力作用下，以金属液滴形式离开所述棒状阳极1；所述金属液滴冷却固化形成粉体。其中，在所述制粉过程中，传动机构9带动绝热膨胀机构工作，所述绝热膨胀机构的体积增大。在制粉过程中，作为阴极的等离子体炬4点燃惰性工艺气体形成弧光放电；在惰性工艺气体输入产生的气流和电弧放电
电压两种驱动力共同作用下，等离子体炬火焰2直接作用于棒状阳极1；棒状阳极1与等离子体炬喷嘴3直接相对的头部在等离子体炬火焰2的作用下，被
气化、液化，同时，棒状阳极1做高速旋转，金属液滴被甩出，形成液滴，在环境气体的作用下，气化的原材料分子、液化被甩出的液滴，降温凝固，形成粉体。
[0041] 优选地，所述方法还包括如下步骤：在制粉过程之前，利用真空泵13将所述制粉腔室11进行抽真空；以及，在所述传动机构9带动所述绝热膨胀机构工作的过程之中，停止对所述制粉腔室11进行抽真空，开始对真空腔室12进行抽真空。
[0042] 实施例一：
[0043] 参考图2，以制备金属
钛粉为例。钛棒作为棒状阳极1，钛棒的直径为100mm，伸入制粉腔室11的长度为100mm，钛棒的旋转速度0-10万转/分钟可调。
[0044] 棒状阳极1与等离子体炬喷嘴3之间的间距为600mm，即等离子体炬4喷射出的等离子体炬火焰2的区域宽度为600mm。
[0045] 等离子体炬喷嘴3采用水冷
铜制备，等离子体炬4采用高温材料钨加工，工艺气体为Ar气，流量0-10L/min可调。
[0046] 等离子体炬4的电源的最大功率为100kW，通过电源线6与带负电的作为阴极的等离子体炬4和带正电的棒状阳极1连接。等离子体炬4的电源采用脉冲电源，脉冲频率为0-40K可调、做功幅宽在40％-100％可调。
[0047] 8为形成绝热膨胀机构的阀板，9为驱动所述阀板8运动的传动机构，传送机构9的运动频率在0-10万次/分钟之间，在绝热膨胀机构的空间体积为0时，阀板8的位置位于10，即绝热膨胀机构的阀板8的初始位置，与制粉腔室11的器壁密封连接。
[0048] 制粉腔室11的空间体积为2立方米，绝热膨胀机构工作时的最大空间体积为1立方米，即绝热膨胀后的整个空间体积是原来制粉腔室11的空间体积的1.5倍。根据前面绝热膨胀理论分析，可知经过绝热膨胀，制粉腔室11空间的温度瞬间下降幅度约20％。
[0049] 制粉工艺过程为，在旋转棒状阳极1、等离子体炬4、电源7、绝热膨胀机构等准备就绪后，首先对制粉腔室11抽真空到10-1Pa，随后停止对制粉腔室11进行抽真空工作，开始对绝热膨胀机构进行抽真空工作；接着启动输气系统5，流量为5L/min；旋转棒状阳极1工作转速为2万转/分钟；等离子体炬4的电源工作功率为50kW，脉冲频率为40K、功率输出幅宽为90％。
[0050] 绝热膨胀机构的工作根据检测的制粉腔室11内部压强自动开启、关闭，当制粉腔室11内部压强达到设定值0.9个大气压时，绝热膨胀机构工作，制粉腔室11空间增大到原来的1.5倍后主动返回。因为制粉腔室11处于不断充气中，而绝热膨胀空间处于不断抽真空中，所以，绝热膨胀机构的运行是在制粉腔室11压强不断改变的情况下，自动适应而主动工作的。
[0051] 绝热膨胀中，金属液滴同样处于绝热膨胀过程，其本身的温度同样因为绝热膨胀而降低，将进一步提高制粉速率、优化制粉效果。本发明在旋转电极法制粉技术中，加入绝热膨胀机构，基于绝热膨胀机理，可以实现制粉腔室11内所有气体快速冷却，有利于金属液滴的快速凝固、减少液滴再结合形成大液滴、大幅度消除液滴堵塞等离子体炬喷嘴3的可能性，为旋转电极制粉技术得到更广泛应用提供了
基础。
[0052] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
