本發(fā)明屬于粉末冶金工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備微細球形金屬粉末的旋轉(zhuǎn)電極及其方法。
背景技術(shù)：
球形金屬粉末由于具有較小的比表面積從而表面污染少，雜質(zhì)低，品質(zhì)高，且其具有極好的流動性，滿足高品質(zhì)的金屬注塑成型以及各類增材制造快速成型技術(shù)的需求。主流的制備球形金屬粉末技術(shù)可歸類為氣霧化類與旋轉(zhuǎn)電極類。氣霧化法的主要霧化機制依賴于氣體流速，其收得粉粒度范圍較寬，<50μm的細粉收率高，但空心粉、衛(wèi)星粉等缺陷較多，嚴重影響了下游關(guān)鍵成型零件的性能；旋轉(zhuǎn)電極法的霧化機制主要依賴于旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)速引起的離心力克服液滴表面張力機理，其粒度分布較為集中，但受制于轉(zhuǎn)速提升的限制，通常其細粉收率要較氣霧化法低，但該法制粉的缺陷少，圓形度好，適合制備高品質(zhì)球形粉。故而為旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝引入二次霧化機制，以增加細粉收率，有利于提高高品質(zhì)球形金屬粉的產(chǎn)能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種制備微細球形金屬粉末的旋轉(zhuǎn)電極及其方法，采用本發(fā)明的制備方法獲取微細球形金屬粉末高產(chǎn)率，解決了一般等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備微細球形金屬粉末收率較低的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種制備微細球形金屬粉末的等離子旋轉(zhuǎn)電極，包括有等離子槍，其特征在于，等離子槍由拉瓦爾型噴管及在拉瓦爾噴管內(nèi)軸向進給的等離子槍頭構(gòu)成，等離子槍頭與拉瓦爾型噴管之間為等離子槍內(nèi)氣路；等離子槍頭與槍頭推桿相連，旋轉(zhuǎn)電極棒與電極棒推桿相連；旋轉(zhuǎn)電極棒與等離子槍頭分別由電極棒推桿、槍頭推桿控制調(diào)節(jié)軸向的相對位置，電極棒推桿與槍頭推桿的調(diào)節(jié)是互相獨立的。
所述的等離子槍頭在拉瓦爾噴管內(nèi)，每次使用前自動復位至靠近拉瓦爾噴管中心的旋轉(zhuǎn)電極棒的一端，所述的拉瓦爾型噴管的外套為純銅材質(zhì)。
利用所述制備微細球形金屬粉末的等離子旋轉(zhuǎn)電極制備微細球形金屬粉末的方法，霧化機理不使用單一的離心霧化原理，還必須輔以拉瓦爾噴管的可軸向進給等離子槍頭的等離子槍所帶來的超音速高溫高壓氣體霧化機制，包括以下步驟：
步驟1，等離子槍頭自動復位至靠近拉瓦爾噴管中心的旋轉(zhuǎn)電極棒的一端，以直徑<80mm，長度<700mm圓柱旋轉(zhuǎn)電極棒為原料，以Ar和He混合氣作為保護氣氛，旋轉(zhuǎn)電極棒的轉(zhuǎn)速為10000-25000rpm，調(diào)節(jié)電極棒推桿使旋轉(zhuǎn)電極棒的靠近等離子槍端面至拉瓦爾噴管的距離為20-60mm，等離子槍與旋轉(zhuǎn)電極棒同軸安置，等離子槍前端在進氣壓力≤0.2MPa的條件下進行等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制粉；
步驟2，在等離子弧穩(wěn)定的情況下，增大等離子槍前端進氣壓力至0.3-1MPa，并提高等離子槍熱功率至1.2-1.5倍，同時控制槍頭推桿、調(diào)節(jié)等離子槍頭在拉瓦爾噴管的位置，獲得較穩(wěn)定的弧與超音速高溫高壓氣流，使弧與超音速高溫高壓氣流從等離子槍內(nèi)氣路6之中噴射至旋轉(zhuǎn)電極棒的端面；
步驟3，霧化合金液滴在保護氣氛中快速冷卻，在保護氣氛下收集得到成品粉。
本發(fā)明的有益效果是：
與傳統(tǒng)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝與設(shè)備相比，本發(fā)明使用可在拉瓦爾噴管內(nèi)軸向進給槍頭的等離子槍，能夠在霧化工藝進行時改變拉瓦爾噴管內(nèi)的流體學特性，并提高進氣壓力，從而使得霧化機制從離心霧化機制發(fā)展為離心-高溫高壓氣體混合霧化，大幅度提高了傳統(tǒng)離心霧化的霧化效率，相比于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電極霧化，收得粉的平均粒徑大幅度降低，提高了細粉收率。
本發(fā)明中，離心霧化機制的離心力克服合金液體表面張力作為霧化收得粉粒度上限；超音速高溫高壓氣體提供足夠熱能以及動能，高熱進一步降低合金液表面張力，而高壓超音速氣體則利于產(chǎn)生激波，因而大幅度提高整體霧化機制中，霧化能量轉(zhuǎn)化為霧化液滴表面能的效率，即大幅度提高霧化效率。霧化后液滴在惰性氣體氣氛中快冷，形成偏析少，缺陷低的高品質(zhì)細微球形粒子，<50μm的微細粉收率相較于傳統(tǒng)離心霧化有了較大提升。
相對于其他混合霧化方式，本發(fā)明的方案直接改造等離子槍內(nèi)氣路，使得等離子槍惰性氣體流除卻擔負穩(wěn)弧作用以外，還可用于協(xié)助傳熱與霧化，提高了等離子槍熱能的利用率，并最大限度簡化了霧化室內(nèi)結(jié)構(gòu)的復雜性，提高了霧化室內(nèi)裝備的維護特性。
步驟1中所使用的工藝參數(shù)即為傳統(tǒng)的等離子旋轉(zhuǎn)電極法；步驟2中通過改變了槍頭位置與等離子槍熱功率，從而改變了拉瓦爾噴管內(nèi)的流體學特性，使得霧化室內(nèi)由于超音速高溫高壓氣體而產(chǎn)生的霧化機制效果大幅地提高，從而提高了霧化效率。
附圖說明
圖1是本發(fā)明方法所使用設(shè)備霧化室的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1-旋轉(zhuǎn)電極棒，2-拉瓦爾噴管，3-等離子槍頭，4-槍頭推桿，5-電極棒推桿，6-等離子槍內(nèi)氣路。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
參見圖1，一種制備微細球形金屬粉末的等離子旋轉(zhuǎn)電極，包括有等離子槍，等離子槍由拉瓦爾噴管2以及僅可在拉瓦爾噴管2內(nèi)軸向進給的等離子槍頭3構(gòu)成，等離子槍頭3與拉瓦爾噴管2之間為等離子槍內(nèi)氣路6；等離子槍頭3與槍頭推桿4相連，旋轉(zhuǎn)電極棒1與電極棒推桿5相連；旋轉(zhuǎn)電極棒1與等離子槍頭3分別由電極棒推桿5、槍頭推桿4控制調(diào)節(jié)軸向的相對位置，電極棒推桿5與槍頭推桿4的調(diào)節(jié)是互相獨立的。
所述的拉瓦爾型噴管的外套為純銅材質(zhì)。
利用所述制備微細球形金屬粉末的等離子旋轉(zhuǎn)電極制備微細球形金屬粉末的方法，霧化機理不使用單一的離心霧化原理，還必須輔以拉瓦爾噴管的可軸向進給等離子槍頭的等離子槍所帶來的超音速高溫高壓氣體霧化機制，包括以下步驟：
步驟1，等離子槍頭自動復位至其靠近電極棒端面在拉瓦爾噴管的中心，以直徑<80mm，長度<700mm圓柱形旋轉(zhuǎn)電極棒1為原料，Ar和He混合氣作為保護氣氛，旋轉(zhuǎn)電極棒1的轉(zhuǎn)速為10000-25000rpm，控制電極棒推桿5，調(diào)節(jié)電極棒推桿5使電極棒1的靠近等離子槍端面至拉瓦爾噴管2 的距離為20-60mm，等離子槍與旋轉(zhuǎn)電極棒同軸安置，等離子槍前端在進氣壓力<0.2MPa的條件下進行等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制粉；
步驟2，在等離子弧穩(wěn)定的情況下，增大等離子槍前端進氣壓力至0.3-1MPa，提高等離子槍熱功率至1.2-1.5倍，同時控制槍頭推桿4、調(diào)節(jié)等離子槍頭3在拉瓦爾噴管的位置，獲得較穩(wěn)定的弧與超音速高溫高壓氣流，使弧與超音速高溫高壓氣流從等離子槍內(nèi)氣路6之中噴射至旋轉(zhuǎn)電極棒的端面；
步驟3，霧化合金液滴在保護氣氛中快速冷卻，在保護氣氛下收集得到成品粉。
使用本發(fā)明方法及電極，制備得到的鈦合金以及鎳基高溫合金球形金屬粉末的圓形度好，ONH雜質(zhì)元素總量<1000ppm，粒度分布主要集中在<100μm，其中<50μm的細粉收率得到極大提升。
實施例1
以鎳基高溫合金為原料制備直徑70mm的旋轉(zhuǎn)電極棒，長度600mm，將Ar:He=1:4混合氣體作為保護氣氛與霧化室氣體，并增設(shè)氣路循環(huán)，等離子槍電流為1000A，起弧后以15000rpm的轉(zhuǎn)速帶動旋轉(zhuǎn)電極棒旋轉(zhuǎn)，等離子槍拉瓦爾噴管距離旋轉(zhuǎn)電極棒端面40mm，霧化室前端進氣壓力在0.15MPa，收集成品粉中<75μm粉末收率在18wt.%；依照步驟2，通過增大電流將等離子槍功率增大至1.4倍，提高霧化室前進氣壓力至0.3MPa，同時控制槍頭推桿調(diào)節(jié)等離子槍頭在拉瓦爾噴管的位置至高溫高壓氣流穩(wěn)定噴射，收集成品粉中<75μm粉末收率在 40wt.%，提升了2.2倍；兩類粉的霍爾流速均在11.19-12.40s/50g。
實施例2
以TC4為原料制備直徑75mm電極棒，長度500mm，使用Ar:He=1:4混合氣體作為保護氣氛充入霧化室，并增設(shè)氣路循環(huán)，等離子槍電流為850A，起弧后以25000rpm帶動旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)制粉，等離子槍拉瓦爾噴管距離棒料端面30mm，霧化室前端進氣壓力在0.18MPa，收集成品粉中<53μm粉末收率在4.5wt.%；依照步驟2，通過增大電流將等離子槍功率增大至1.5倍，提高霧化室前進氣壓力至0.3MPa，同時控制槍頭推桿調(diào)節(jié)等離子槍頭在拉瓦爾噴管的位置至高溫高壓氣流穩(wěn)定噴射，收集成品粉中<53μm粉末收率在 9.7wt.%，提升2.16倍。
實施例3
以純鎳為原料制備直徑79mm的旋轉(zhuǎn)電極棒，長度690mm，將Ar:He=1:8混合氣體作為保護氣氛與霧化室氣體，并增設(shè)氣路循環(huán)，等離子槍電流為1050A，起弧后以13000rpm的轉(zhuǎn)速帶動旋轉(zhuǎn)電極棒旋轉(zhuǎn)，等離子槍拉瓦爾噴管距離旋轉(zhuǎn)電極棒端面35mm，霧化室前端進氣壓力在0.2MPa，收集成品粉中<75μm粉末收率在11wt.%；依照步驟2，通過增大電流將等離子槍功率增大至1.4倍，提高霧化室前進氣壓力至0.3MPa，同時控制槍頭推桿調(diào)節(jié)等離子槍頭在拉瓦爾噴管的位置至高溫高壓氣流穩(wěn)定噴射，收集成品粉中<75μm粉末收率在 19wt.%，提升了1.7倍。