(57)【要約】  溶融原料から金属粉末を製造する装置は、固体原料を溶融して溶融供給材料にする加熱源と、溶融供給材料を収容するためのるつぼと、を含む。溶融供給材料を溶融流として供給するために、液体供給チューブも設けられる。プラズマ源がプラズマ流を送達し、プラズマ流は、超音速に加速されるように構成され、次いで、金属粉末を製造するために溶融流に衝突するように構成されている。供給チューブが、るつぼから、超音速プラズマプルームが溶融流を霧化させる場所まで延びる。プラズマ源は、溶融流に向けられた少なくとも1つの超音速ノズルを備えた、少なくとも2つのプラズマトーチを含む。複数のプラズマトーチは、超音速プラズマプルームが溶融流を霧化させる場所の周りに対称に、例えばリング型の構成で、配置される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融原料から金属粉末を製造する装置であって、
固体原料を溶融して溶融供給材料にするための加熱源と、
前記溶融供給材料を収容するためのるつぼと、
前記溶融供給材料を溶融流として供給する送達システムと、
プラズマ流を送達するように構成されたプラズマ源と
を備え、
前記プラズマ流は、超音速に加速されるように構成され、次いで、金属粉末を製造するために前記溶融流に衝突するように構成されている、装置。
【請求項２】
前記プラズマ流は、少なくとも1つのプラズマ源を介して送達される、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記送達システムは、超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化するように構成される場所へと前記溶融供給材料を下流に送達するように、前記るつぼから延びる液体供給チューブを含む、請求項1または2に記載の装置。
【請求項４】
前記プラズマ源は、プレナムチャンバに接続された少なくとも2つのプラズマトーチを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記プレナムチャンバはドーナツ型である、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
前記プラズマトーチの出口は、接線方向に接続されて、前記プレナムチャンバの内側に渦を発生させる、請求項4または5に記載の装置。
【請求項７】
前記プレナムチャンバの出口は、前記溶融流に向けられた単一の環状超音速ノズルを含む、請求項4から6のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記プレナムチャンバの出口は、前記溶融流に向けられた複数の超音速孔を含む、請求項4から6のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記超音速孔は、ノズルを含む、請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
前記超音速孔は、前記溶融流の中心に向けられる、請求項8または9に記載の装置。
【請求項１１】
前記るつぼの中の前記溶融供給材料は、典型的には前記るつぼの周辺に配置される、インダクションによって加熱されるように構成されている、請求項4から10のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記プラズマ源は、円筒形超音速ノズルをそれぞれが備えた少なくとも2つのプラズマトーチを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化する場所の周りに対称に配置された、少なくとも4つのプラズマトーチが設けられている、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化する場所の周りに対称に配置された、少なくとも6つのプラズマトーチが設けられている、請求項13に記載の装置。
【請求項１５】
前記プラズマトーチは、リング型の構成で配置され、各プラズマトーチは、前記送達システムから出る前記溶融流に直接向けられる、請求項12から14のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記トーチは、前記溶融流に対して環状に配置されている、請求項15に記載の装置。
【請求項１７】
前記るつぼの中の前記溶融供給材料は、典型的には前記るつぼの周辺に配置される、インダクションによって加熱されるように構成されている、請求項12から16のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記金属粉末は、溶融原料および固体原料のうちの一方から製造されるように構成されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記プラズマ源は、環状プラズマトーチを含み、前記固体原料または前記液体原料は、るつぼ/供給ガイドを介して前記環状プラズマトーチを通って供給されるように構成されている、請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
プッシャが、前記固体原料を前記環状プラズマトーチに供給するために設けられている、請求項18または19に記載の装置。
【請求項２１】
前記プッシャは、前記環状プラズマトーチの上流で、前記るつぼ/供給ガイドを通じて前記固体原料を供給するように構成されている、請求項20に記載の装置。
【請求項２２】
前記環状プラズマトーチは、直列に置かれた一組の電極であって、不活性ガスをプラズマ状態に加熱し、加速させて前記固体原料に衝突させ、前記固体原料を霧化するように構成されている一組の電極を含む、請求項19から21のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記固体原料は、実質的にロッドの形態である、請求項18から22のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記一組の電極は、円状に配置されている、請求項22または23に記載の装置。
【請求項２５】
前記原料は、インダクションで、または抵抗的に予熱されるように構成されている、請求項18から24のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記インダクションは、前記るつぼ/供給ガイドの周りに配置されている、請求項25に記載の装置。
【請求項２７】
前記溶融原料は、単一の環状超音速ノズルに通じるガスチャネルに接続された、プラズマトーチのリングの中心を通って供給される、請求項4から11のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記溶融原料は、頂点に集中する個々のそれぞれのノズルに通じるガスチャネルに接続された、プラズマトーチのリングの中心を通って供給される、請求項12から17のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記溶融供給材料は、前記プラズマプルームからの導電加熱を通じて、または前記金属を溶融する任意の他の手段によって、得ることができる、請求項4から17のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記溶融供給材料は、重力、ガス圧力、およびピストンのうちの少なくとも1つによって、供給チューブなどの前記送達システムを通じて向けられ得る、請求項4から17のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記プラズマ流の超音速ジェットは、前記溶融流を下流に押すような角度に向けられている、請求項1から30のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記プラズマ源は、アークプラズマトーチを含む、請求項1から31のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記プラズマ源は、誘導結合プラズマ源、マイクロ波プラズマ源、および容量性プラズマ源のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から31のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
溶融原料から金属粉末を製造するプロセスであって、
溶融供給材料を提供するステップと、
前記溶融供給材料を溶融流として送達するステップと、
プラズマ流を提供するステップと、
前記プラズマ流を超音速に加速するステップと、
金属粉末を製造するために前記溶融流を超音速プラズマプルームと衝突させるステップとを含む、プロセス。
【請求項３５】
前記プラズマ流は、少なくとも1つのプラズマ源を介して送達される、請求項34に記載のプロセス。
【請求項３６】
前記溶融供給材料は、前記溶融供給材料を収容するるつぼから延びる液体供給チューブを介して、超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化するように構成される場所へと下流に送達される、請求項34または35に記載のプロセス。
【請求項３７】
前記プラズマ源は、プレナムチャンバに接続された少なくとも2つのプラズマトーチを含む、請求項34から36のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項３８】
前記プレナムチャンバはドーナツ型である、請求項37に記載のプロセス。
【請求項３９】
前記プラズマトーチの出口は、接線方向に接続されて、前記プレナムチャンバの内側に渦を発生させる、請求項37または38に記載のプロセス。
【請求項４０】
前記プレナムチャンバの出口は、前記溶融流に向けられた単一の環状超音速ノズルを含む、請求項37から39のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項４１】
前記プレナムチャンバの出口は、前記溶融流に向けられた複数の超音速孔を含む、請求項37から39のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項４２】
前記超音速孔は、ノズルを含む、請求項41に記載のプロセス。
【請求項４３】
前記超音速孔は、前記溶融流の中心に向けられる、請求項41または42に記載のプロセス。
【請求項４４】
前記るつぼの中の前記溶融供給材料は、典型的には前記るつぼの周辺に配置される、インダクションによって加熱されるように構成されている、請求項37から43のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項４５】
前記プラズマ源は、円筒形超音速ノズルをそれぞれが備えた少なくとも2つのプラズマトーチを含む、請求項34から36のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項４６】
超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化する場所の周りに対称に配置された、少なくとも4つのプラズマトーチが設けられている、請求項45に記載のプロセス。
【請求項４７】
前記超音速プラズマプルームが前記溶融流を霧化する場所の周りに対称に配置された、少なくとも6つのプラズマトーチが設けられている、請求項46に記載のプロセス。
【請求項４８】
前記プラズマトーチは、リング型の構成で配置され、各プラズマトーチは、前記送達システムから出る前記溶融流に直接向けられる、請求項45から47のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項４９】
前記トーチは、前記溶融流に対して環状に配置されている、請求項48に記載のプロセス。
【請求項５０】
前記るつぼの中の前記溶融供給材料は、典型的には前記るつぼの周辺に配置される、インダクションによって加熱されるように構成されている、請求項45から49のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５１】
前記金属粉末は、溶融原料および固体原料のうちの一方から製造されるように構成されている、請求項34から36のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５２】
前記プラズマ源は、環状プラズマトーチを含み、前記固体原料または前記液体原料は、るつぼ/供給ガイドを介して前記環状プラズマトーチを通って供給されるように構成されている、請求項51に記載のプロセス。
【請求項５３】
プッシャが、前記固体原料を前記環状プラズマトーチに供給するために設けられている、請求項51または52に記載のプロセス。
【請求項５４】
前記プッシャは、前記環状プラズマトーチの上流で、前記るつぼ/供給ガイドを通じて前記固体原料を供給するように構成されている、請求項53に記載のプロセス。
【請求項５５】
前記環状プラズマトーチは、直列に置かれた一組の電極であって、不活性ガスをプラズマ状態に加熱し、加速させて前記固体原料に衝突させ、前記固体原料を霧化するように構成されている一組の電極を含む、請求項52から54のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５６】
前記固体原料は、実質的にロッドの形態である、請求項51から55のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５７】
前記一組の電極は、円状に配置されている、請求項55または56に記載のプロセス。
【請求項５８】
前記原料は、インダクションで、または抵抗的に予熱されるように構成されている、請求項51から57のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５９】
前記インダクションは、前記るつぼ/供給ガイドの周りに配置されている、請求項58に記載のプロセス。
【請求項６０】
前記溶融原料は、単一の環状超音速ノズルに通じるガスチャネルに接続された、プラズマトーチのリングの中心を通って供給される、請求項37から44のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６１】
前記溶融原料は、頂点に集中する個々のそれぞれのノズルに通じるガスチャネルに接続された、プラズマトーチのリングの中心を通って供給される、請求項45から50のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６２】
前記溶融供給材料は、前記プラズマプルームからの導電加熱を通じて、または前記金属を溶融する任意の他の手段によって、得ることができる、請求項37から50のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６３】
前記溶融供給材料は、重力、ガス圧力、およびピストンのうちの少なくとも1つによって、供給チューブなどの前記送達システムを通じて向けられ得る、請求項37から50のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６４】
前記プラズマ流の超音速ジェットは、前記溶融流を下流に押すような角度に向けられている、請求項34から63のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６５】
前記プラズマ源は、アークプラズマトーチを含む、請求項34から64のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６６】
前記プラズマ源は、誘導結合プラズマ源、マイクロ波プラズマ源、および容量性プラズマ源のうちの少なくとも1つを含む、請求項34から64のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６７】
前記霧化プロセスは、不活性雰囲気下で実行される、請求項34から66のいずれか一項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、2018年3月17日に出願された、現在係属中の米国仮出願第62/644,459号の優先権を主張する。
【０００２】
本主題は、先進材料に関し、より具体的には、航空宇宙産業および医療産業のための付加製造など、多様な適用のための金属粉末の製造に関する。
【背景技術】
【０００３】
水噴霧は、金属の溶融流を非常に細かい粒子へと霧化するために、噴霧用媒体として水を用いる。水は圧縮できない流体であるため、高圧ジェットが、高い生産率で細かい粉末を製造するのに必要な密度および速度の両方を提供する。しかしながら、水噴霧は、水からの汚染、およびそのようにして製造された粉末の非常に不規則で角のついた形状により、適用に関していくつかの制限を有する。
【０００４】
ガス噴霧に関しては、溶融流に高圧不活性ガスジェットを当てることによって、高純度の金属粉末を製造し得る。しかしながら、この方法は概して、より細かいサイズの粉末に関して非常に低い収率をもたらすか、または、比較的低い生産率を有する。これら両方の側面の間で良好な妥協案を達成するため、非常に高い圧力が、低温超音速ジェットを生成するのに必要である。低温ガスでの霧化は、溶融粒子をあまりに急速に凍結させるという欠点を有し、これによりガスが粒子内に閉じ込められ、それによって、そのような粉末は、印刷される部分の密度に直接影響を及ぼすので、3D印刷適用にあまり適していない。また、速いクエンチング速度により、粒子の形状は、しばしば回転楕円面状であるが、球状ではない。サテライトもしばしば、このテクノロジーに関連する問題であり、それは、使用される大量のガスにより、激しい乱流粉末が生じ、これが、冷却チャンバ内で、より細かい粒子を再循環させるためである。
【０００５】
プラズマ噴霧を次に取り上げると、これは、典型的には、原料として溶融流の代わりにワイヤを使用し、粒子を粉砕するために噴霧剤としてプラズマ源(別称、プラズマトーチ)を使用する。ワイヤを使用すると、狭いプラズマジェットが適切にワイヤに狙いを定めていることを確実にするのに必要とされる安定性が提供され、それは、ワイヤを単一のステップで溶融および霧化する必要があるためである。このテクノロジーは、市場に出ている最も細かく、最も球状で、最も密な粉末を現在製造している。言い換えれば、0〜106ミクロンの範囲で製造された粉末の収率は非常に高く、球形度はほぼ完璧であり、ガスの閉じ込めが最小限に抑えられる。しかしながら、このテクノロジーには2つの主な欠点がある。第一に、原料としてのワイヤへの依存はかなり限定的であり、それは、いくつかの材料は、ワイヤの形態で作られるには脆すぎるためである。ワイヤを使用することはまた、原材料のコストの増大を意味し、それは、インゴットが、問題のワイヤを製造するために押し出されるよう再び溶融されなければならないためである。第2の主要な欠点は、水噴霧およびガス噴霧と比べて、生産率がはるかに低いことである。プラズマ噴霧の会社から報告されている生産率は、最大で13kg/時である。この分野の専門家は、最適な粒径分布のより現実的な範囲がはるかに低いことを認識するであろう。例えば、タイトルが「Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization」であり、Tsantrizosらの名前で1998年1月13日に発行された米国特許第5,707,419号は、チタンについて14.7g/分または0.882kg/時の送り速度を報告しており、一方、タイトルが「Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member」であり、Boulosらを発明者として2017年11月16日に公開された米国特許出願公開第2017/0326649(A1)号は、ステンレス鋼について1.7kg/時の送り速度が報告されていることを開示している。
【０００６】
したがって、ワイヤ以外の原料源から、有意な生産率で金属粉末を製造する装置および方法を提供することが望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第5,707,419号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2017/0326649(A1)号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、溶融原料から金属粉末を製造する新規な装置および方法を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に記載される実施形態は、一態様では、溶融原料から金属粉末を製造する装置であって、
固体原料を溶融して溶融供給材料にするための加熱源と、
溶融供給材料を収容するためのるつぼと、
溶融供給材料を溶融流として供給する送達システムと、
プラズマ流を送達するように構成されたプラズマ源と
を備え、
プラズマ流は、超音速に加速されるように構成され、次いで、金属粉末を製造するために溶融流に衝突するように構成されている、装置を提供する。
【００１０】
また、本明細書に記載される実施形態は、別の態様では、溶融原料から金属粉末を製造するプロセスであって、
溶融供給材料を提供するステップと、
溶融供給材料を溶融流として送達するステップと、
プラズマ流を提供するステップと、
プラズマ流を超音速に加速するステップと、
金属粉末を製造するために溶融流を超音速プラズマプルームと衝突させるステップと
を含む、プロセスを提供する。
【００１１】
本明細書に記載される実施形態のより良い理解のため、および、それらが実施され得る方法をより明確に示すため、ほんの一例として、少なくとも1つの例示的な実施形態を示す添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的な実施形態による、溶融原料から金属粉末を製造する装置の概略垂直断面図である。
【図２Ａ】例示的な実施形態による、溶融原料から金属粉末を製造する別の装置の概略垂直断面図である。
【図２Ｂ】図2Aの装置の概略底面図である。
【図３Ａ】さらなる例示的な実施形態による、固体原料または液体原料から金属粉末を製造する装置の概略立面図である。
【図３Ｂ】図3Aの装置の概略垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示される本アプローチは、液体原料または固体原料など、ワイヤ以外の原料源から金属粉末を製造する方法および装置を提供する。
【００１４】
実現可能なプラズマベースの噴霧プロセスを有するためには、ワイヤを使用すべきであることが知られている。本主題では、超音速プラズマジェットが溶融流を霧化するのに使用され、これに関連するさまざまな実施形態が以下に続く。
【００１５】
ワイヤを使用するプラズマ噴霧プロセスは、金属が、熱および運動量伝達を最大限にするためにプラズマジェットと適切に接触することを確実にし、それによって、ワイヤは単一のステップで溶融および霧化され得る。しかしながら、金属を連続して溶融するのに必要とされる力が必ずしもプラズマ源によって提供されるべきである物理的理由はないように思われる。ガスおよび水噴霧では、溶融および霧化は、2つの別個のステップである。この構成は、溶融速度が超音速ジェットと原料との間の熱伝達および滞留時間によって制限されない結果として、より高い生産率を可能にする。
【００１６】
本主題は、ガスおよび水噴霧のように、プラズマジェットを用いて液体供給材料を霧化する方法を提供する。
【００１７】
より具体的には、1つまたは複数のプラズマトーチなどのプラズマ源が、高運動量で溶融流にぶつかる前に超音速まで加速され得るプラズマ流を送達するために提供される。
【００１８】
この概念の適用は、先行する陳述が示唆し得るよりも実際には複雑であり、これは、超音速プラズマジェットが、材料が存続するには非常に過酷な環境を作り出すので、ほとんど包含され得ないためである。
【００１９】
例えば、チタン合金(Ti-6Al-4V)の融解点は約1660℃である。液体粒子が球状形状に到達する適切な期間を提供するために、霧化される材料の融解点を上回るガスジェットが送達される。Ti-6Al-4Vでは、約1900℃のジェット温度が好ましい。超音速が熱および圧力をマッハ速度に変換することに基づいて、温度が超音速ノズルの首の前(上流)とその後ろ(下流)との間で著しく下がることが予測される。したがって、頂部(プラズマジェットと霧化される溶融流との間の集合点)において1900℃のマッハジェットを得るために、2500℃を超える温度が、超音速ノズルの入口において必要とされ得る。ノズルの前の高い圧力および温度のチャンバの熱損失を考慮して、プラズマ源は3000℃を超えるプルーム温度を有するべきであると無理なく述べることができる。市販の高エンタルピーのトーチは、この種の温度を、市販の予備部品で確実に提供し得る。
【００２０】
限られた領域で超音速プラズマジェットを処理することは常に細心の注意を要する。これらのジェットの性質に起因して、非常に高い温度、熱衝撃、および機械的侵食により、材料が耐えるには非常に過酷な環境がもたらされる。この理由で、適切な材料が、トーチから頂点までのプラズマ経路のデザインのために選択されるべきである。3000℃を超える温度では、マッハ1〜2の速度は1500m/sを表し得る。使用され得る材料の例は、チャンバではグラファイト、またノズルでは、非常に高い融解点を有する堅い難揮発性元素ならびにそれらのカーバイド、例えばタングステン、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、ハフニウム、ハフニウムカーバイド、ニオブ、ニオブカーバイド、タンタル、タンタルカーバイド、モリブデン、モリブデンカーバイドなどである。製造される粉末の品質のため(酸化の可能性を低減するため)だけでなく、前記で言及した高温材料の存続を助けるために、不活性雰囲気下で動作することも好ましい。
【００２１】
プラズマ流の供給源は、以下で詳述するように、単一の供給源または複数の供給源の組み合わせによってもたらされ得る。
【００２２】
図1ならびに図2Aおよび図2Bを参照すると、原料が、溶融され、単一の環状超音速ノズル(図1)または頂点に集中する個々のノズル(図2Aおよび図2B)のいずれかに通じるガスチャネルに接続された、プラズマトーチのリングの中心を通って供給される、実施形態が示されている。溶融物は、プラズマプルームからの導電加熱を通じて、または金属を溶融する任意の他の手段によって、達成され得る。溶融物は、重力、ガス圧力、もしくはピストン、またはそれらの任意の組み合わせによって、供給チューブを通じて向けられ得る。
【００２３】
より具体的には、図1は、溶融原料から金属粉末を製造する装置Aを示し、これは、溶融物12を収容するように構成され、かつインダクション(induction)14またはその他のものによって加熱される、溶融物のるつぼ10を含む。複数の市販のプラズマトーチ16が、ドーナツ型のプレナムチャンバ18に接続されている。プラズマトーチの出口は、接線方向に接続されて、ドーナツ型のチャンバ18の内側に渦を発生させ、それによって適切なプラズマガス混合および均一な混合を可能にする。ドーナツ型のチャンバ18の出口20は、溶融原料流22に向けられた単一の環状超音速ノズルの形状とすることができ、または、やはり中心における溶融流22に向けられた複数の超音速孔(ノズル)を含むことができる。溶融物のるつぼ10と、超音速プラズマプルーム26が溶融流を霧化させるように構成されている場所との間に、液体原料22のための供給チューブ24が設けられている。
【００２４】
図2Aおよび図2Bでは、溶融原料から金属粉末を製造する別の装置A'が示されており、いくつかの小径プラズマトーチ116が設けられ、円筒形超音速ノズルが各トーチ116に取り付けられている。プラズマトーチ116は、図2Bで最もよく分かるように、リング型の構成で配置され、各プラズマトーチ116は、落下する溶融流(液体原料)122に直接向けられ、トーチは、溶融流122に対して環状に配置される。前述したように、装置A'は、溶融物112を収容し、かつインダクション114または他の適切な手段によって加熱されるように構成された、溶融物のるつぼ110を含む。超音速ノズルは、120において設けられ、溶融原料流122に向けられ、超音速プラズマプルームが126において示されている。溶融物のるつぼ110と、超音速プラズマプルーム126が溶融流を霧化させるように構成されている場所との間に、液体原料のための供給チューブ124が設けられている。
【００２５】
次に図3Aおよび図3Bを参照すると、溶融原料から、また固体原料からも金属粉末を製造するさらなる装置A"が示されている。装置A"に関連する方法では、固体または液体原料212は、環状プラズマトーチを通じてるつぼ/供給ガイド210を介して供給される。装置A"はまた、(固体原料のための)プッシャ202を含むが、代わりに、液体供給材料と組み合わせられてもよい。環状トーチは、直列に置かれた一組の電極200を含み、これらは、不活性ガスをプラズマ状態に加熱し、加速させて原料212のロッドに衝突させ、原料212を霧化させることができる。図3Bでは、電気アークが204において示され、プラズマプルームが226によって示されている。原料212は、インダクション214で、または抵抗的に予熱され得る。
【００２６】
前述した装置A、A'およびA"のそれぞれについて、水平軸では、超音速ジェットが溶融流(ジェット)を下方に押す角度に向けられることが示唆されている。
【００２７】
溶融流は、ロッドまたはインゴットから、ならびに他の供給源から得ることができる。固体原料を溶融して溶融流にし、それを頂点ゾーンへ導くのに使用される技術は、適切な速度、圧力および温度がそのような技術によって提供される限り、無関係である。
【００２８】
本発明の例示的な実施形態では、プラズマ源は、その一般的な有用性により、アークプラズマトーチである。しかしながら、熱プラズマ状態を達成するための多くの他の方法が使用され得る。例えば、誘導結合プラズマ源、マイクロ波プラズマ源、および容量性プラズマ源も使用され得る。
【００２９】
本主題の別の興味深い態様は、ガスおよび/またはプラズマが超音速ノズルの入口においてそのような高い温度を有するので、はるかに低い圧力が、マッハ速度に到達するために必要とされる点にある。そのようなより低い圧力は、取り付けの費用および部品に必要な厚みを著しく減らす。前述した例示的な実施形態について、10atmの入口は、装備全体に原料を送るのに十分であるが、細かい粒子のガス噴霧は、40〜450atmほどの大きさの圧力をしばしば使用する。
【００３０】
前述した説明は、実施形態の例を提供するものであるが、記載された実施形態のいくつかの特徴および/または機能は、記載された実施形態の動作の趣旨および原理から逸脱することなく、変形が可能であることが認識されるであろう。したがって、前述した内容は、実施形態の例証となり、非限定的であるように意図されており、他のバリエーションおよび変形例が、本明細書に添付される特許請求の範囲に定義されるような実施形態の範囲から逸脱せずに行われ得ることが、当業者によって理解されるであろう。
【００３１】
参考文献
[1] Peter G. Tsantrizos, Francois Allaire and Majid Entezarian, “Method of Production of Metal and Ceramic Powders by Plasma Atomization”, U.S. Patent No. 5,707,419, January 13, 1998.
[2] Christopher Alex Dorval Dion, William Kreklewetz and Pierre Carabin, “Plasma Apparatus for the Production of High Quality Spherical Powders at High Capacity”, PCT Publication No. WO 2016/191854 A1, December 8, 2016.
[3] Michel Drouet, “Methods and Apparatuses for Preparing Spheroidal Powders”, PCT Publication No. WO 2011/054113 A1, May 12, 2011.
[4] Maher I. Boulos, Jerzy W. Jurewicz and Alexandre Auger, “Process and Apparatus for Producing Powder Particles by Atomization of a Feed Material in the Form of an Elongated Member”, U.S. Patent Application Publication No. 2017/0326649 A1, November 16, 2017.
[5] “Titanium MIM Moves into the Mainstream with Plasma Atomised Powders from AP&C”, Powder Injection Moulding International, Vol. 11, No. 2, June 2017.
【符号の説明】
【００３２】
10  るつぼ
12  溶融物
14  インダクション
16  プラズマトーチ
18  プレナムチャンバ
20  出口
22  溶融流
24  供給チューブ
26  超音速プラズマプルーム
110  るつぼ
112  溶融物
114  インダクション
116  プラズマトーチ
120  超音速ノズル
122  溶融流
124  供給チューブ
126  超音速プラズマプルーム
200  電極
202  プッシャ
204  電気アーク
210  るつぼ/供給ガイド
212  原料
214  インダクション
226  プラズマプルーム
A  装置
A'  装置
A"  装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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