Устройство и способ для получения порошковых материалов на основе нано- и микрочастиц путем электрического взрыва проволоки
DEVICE AND METHOD FOR OBTAINING POWDER MATERIALS BASED ON NANO AND MICROPARTICLES THROUGH ELECTRIC EXPLOSION OF WIRES

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению порошковых материалов, содержащих смесь нано- и микрочастиц, в частности для получения порошковых материалов из жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем.
Известна установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом и реактор для взрыва металлической заготовки [RU 2048278, опубликовано: 20.11.1995], содержащая источник питания электроэнергией с емкостным накопителем, реактор для взрыва металлической заготовки с двумя электродами и механизмом подачи заготовки, при этом она снабжена коммутатором, соединенным с накопителем и реактором, сборником порошка, трубопроводом для возврата газа в реактор и емкостью для порошка, при этом один из электродов реактора соединен с коммутатором, а другой заземлен, причем реактор соединен со сборником порошка. Энергия накопителя подводится к заготовке, и происходит ее взрыв с образованием высокодисперсных частиц алюминия, которые поступают в сборник порошка, где улавливаются и ссыпаются в емкость для порошка.
В данной конструкции не предусмотрен узел (сепаратор) для разделения частиц на фракции, т.е. в процессе циркуляции буферного газа невозможно произвести сепарацию частиц для получения смеси нано- и микрочастиц размером менее 5 мкм, что необходимо для применения взрывных порошков в аддитивной технологии. В сборник порошка поступают все частицы, образованные в процессе ЭВП.
Известен способ получения высокодисперсных порошков неорганических веществ [RU 2048277, опубликовано: 20.11.1995], включающий взрыв металлических заготовок под воздействием импульса тока в газовой среде при повышенном давлении, при этом используют металлические заготовки диаметром 0,2 - 0,7 мм, а воздействие осуществляют импульсом тока при плотности энергии, передаваемой на заготовку, от 0,9 энергии сублимации металла до энергии его ионизации в течение не более 15 мкс.
Данный способ получения наноразмерных частиц основан на введении в проволоку металла (сплава) энергии более 0.9 Ec (Ec - энергия сублимации), что не позволяет получить порошки на основе смеси нано- и микрочастиц.
В статье авторов Chang Kyu Kim, Gyoung-Ja Lee, Min Ku Lee, Chang Kyu Rhee «A novel method to prepare Cu@Ag core-shell nanoparticles for printed flexible electronics» [Powder Technology V. 263 (2014) pp. 1-6] раскрыта установка, содержащая механизм подачи проволоки, источник питания, реактор с электродами, систему подачи аргона, вентилятор, замкнутую систему циркуляции газа внутри установки, циклон и фильтрующая система, контейнер для сбора порошка. Конструкция установки позволяет обеспечить разделение частиц на две фракции: с распределением частиц менее 1 мкм, и распределением частиц более 1 мкм. В фильтрующей системе (Filtering system) собираются частицы с размерами менее 1 мкм, что следует из кривых распределения частиц по размерам, приведенных в статье.
Невозможность получения смеси из нано- и микрочастиц следует из конструктивных особенностей описанной в статье установки. Использование циклона (Cyclone) на первой стадии разделения частиц, обеспечивает нежелательное удаление частиц микронной фракции из газового потока.
Наиболее близким техническим решением является установка, раскрытая в статье [Research into nanoparticles obtained by electric explosion of conductive materials, V. Jankauskas, J. Padgurskas, A. , I. , Электронная обработка материалов, 2011, 47(2), 79-85], содержащая источник импульсов высокого напряжения; шину токового входа (+); источник питания, токоведущие шины, камеру; шину токового входа; механизм подачи проволочных сегментов; взрываемую проволоку; систему сепарации, содержащую сепаратор и три циклона: циклон крупных частиц, циклон средних частиц; циклон мелких частиц и вентилятор.
Недостатком данного устройства является использование в конструкции трех циклонов. Это приводит к тому, что деловая фракция (порошок с размерами частиц <5 мкм) распределится между тремя циклонами. Функции распределения частиц по размерам для трех циклонов будут различны, что следует из описания работы установки. Для получения фракции порошка с размерами частиц менее 5 мкм будет необходимо однородно перемешать три фракции, что увеличивает трудоемкость способа получения порошка с использованием описанной установки. Использованный в установке тип циклонов - конические циклоны, хотя и имеют высокую эффективность разделения частиц по размерам (способствуют получению узкого распределения частиц по размерам), однако имеют меньшую производительность, в сравнении, например, с циклонами цилиндрического типа.
К тому же в сепараторе отсутствует бункер для осаждения крупных частиц, что увеличивает вероятность их попадания в циклон. Разделение частиц в газовом потоке на входе в сепаратор происходит под углами, близкими к 90°, что также не способствует эффективному разделению частиц.
Согласно принципа работы установки, например, для осаждения фракции с размерами менее 5 мкм в одном из циклонов, необходимо будет либо уменьшить скорость газового потока (для осаждения в циклоне крупных частиц), либо уменьшить величину введенной в проволочки энергии, для получения распределения частиц с более широким распределением по размерам (с целью осаждения фракции с размерами менее 5 мкм в циклонах средних частиц либо мелких частиц). Уменьшение скорости газового потока является нежелательным, поскольку ограничивает производительность установки из-за низкой эффективности выноса продуктов взрыва из камеры. Уменьшение выноса продуктов взрыва из камеры будет приводить к нежелательной агломерации нано- и микрочастиц, что затруднит их сепарацию по размерам. Уменьшение введенной энергии без изменения скорости газового потока, будет приводить к нежелательному увеличению фракции с размерами частиц более 5 мкм (осаждается в сепараторе и циклоне крупных частиц) и уменьшению общего выхода полезной фракции с размерами менее 5 мкм (в процентах относительно массы используемой проволоки).
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является эффективное разделение частиц в газовом потоке установки электрического взрыва проволоки с целью получения 2-х фракций порошковых материалов с размерами частиц более и менее 5 мкм.
Технический результат - получение порошковых материалов, содержащих смесь нано- и микрочастиц с размерами менее 5 мкм.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство (установка) для получения порошковых материалов на основе нано- и микрочастиц путем электрического взрыва проволоки содержит горизонтально установленный реактор (1) с электродами (2) и (3) в котором осуществляется электрический взрыв проволоки, источник питания (4), соединенный с упомянутыми электродами, механизм подачи проволоки (5) в реактор и систему сепарации (разделения) частиц по размерам, которая включает сепаратор (6), подсоединенный к реактору (1) и установленный непосредственно под ним в вертикальной плоскости, и соединенный трубопроводом с циклоном цилиндрического типа (8), а также вентилятор (10), осуществляющий подачу и принудительную циркуляцию буферного газа внутри устройства, при этом сепаратор (6) снабжен бункером (7) для сбора частиц с размерами более 5 мкм.
Кроме того, сепаратор (6) установлен напротив межэлектродного промежутка.
Кроме того, вентилятор (10) соединен трубопроводами с реактором (1) и циклоном
(8).
Кроме того, упомянутый циклон (8) снабжен бункером (9) для сбора частиц с размерами менее 5 мкм.
Поставленная задача достигается также тем, что в способе получения порошковых материалов с использованием вышеописанной установки осуществляют взрыв металлических заготовок (проволок) под воздействием импульса тока в реакторе (1) в газовой среде при повышенном давлении и последующую сепарацию (разделение) получаемых частиц.
Новым является то, что используют металлические заготовки (проволоки) диаметром от 0,4 до 0,65 мм, воздействие импульсом тока осуществляют при величине энергии, введенной в заготовки (проволоки) в интервале от 0,6 до 0,9 энергии сублимации металла заготовки (проволоки) при скорости газового потока на входе в реактор в интервале от 1.5 м/с до 2.5 м/с и сепарации получаемых частиц осуществляют на две фракции: с размерами частиц более и менее 5 мкм.
Кроме того, в качестве металлической заготовки используют заготовки из жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов.
Кроме того, в качестве газовой среды используют аргон, азот, гелий.
Кроме того, воздействие импульсом тока осуществляют при давлении от 1 до 3 атм.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции является:
- использование цилиндрического циклона, установленного последовательно сепаратору и соединенному с ним трубопроводом, позволяет осаждать фракции с более широким распределением частиц, в отличие от циклонов конического типа, используемых в выбранном ближайшем техническом решении;
- расположение сепаратора: установлен вертикально по отношению к реактору и последовательно по отношению к циклону; при таком расположении разделение частиц в газовом потоке происходит под углами, близкими к 180°, что позволяет обеспечивать более эффективное разделение частиц за счет действия инерционных сил.
Регулируя скорость потока буферного газа, удается добиться разделения частиц на две фракции с размерами более и менее 5 мкм. Уменьшение скорости газового потока менее 1.5 м/с, приводит к нежелательному осаждению частиц с размерами менее 5 мкм в бункере сепаратора. Увеличение скорости газового потока более 2.5 м/с, приводит к нежелательному выносу частиц с размерами более 5 мкм из сепаратора в бункер циклона.
с
Варьируя/комбинируя диаметр проволоки и введенную в проводник энергию менее 0,9 Е, а также отсекая крупную фракцию с помощью сепаратора при заявляемой скорости газового потока, предлагаемый способ позволяет получать порошковую смесь нано- и микрочастиц. Уменьшение величины введенной в проволоки энергии приводит к нежелательному увеличению массовой доли частиц с размерами более 5 мкм в бункер циклона. Увеличение величины введенной в проволоки энергии, приводит к нежелательному увеличению массовой доли частиц с размерами менее 5 мкм (выше 95% общей массы порошка). Предпочтительно, что в проволоку вводится энергия от 0.6 Ec до 0,9 Ес.
В тоже самое время использование иного по отношению к известному ближайшему аналогу взаимного расположения камеры (реактора) и сепаратора, а также вместо конического цилиндрического циклона при заявляемой скорости газового потока и величины введенной в проволоку энергии позволяет обеспечить эффективное разделение частиц на две фракции: с размерами более и менее 5 мкм: в бункере сепаратора осаждается фракция с размерами частиц более 5 мкм, в бункере циклона осаждается фракция с размерами частиц менее 5 мкм.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого устройства со схемой циркуляции газового потока, обеспечиваемой вентилятором (10).
На фиг. 2 приведена микрофотография (а) и массовое распределение по размерам частиц сплава ХН60Вт, полученного по примеру 1.
На фиг. 3 приведена микрофотография (а) и массовое распределение по размерам частиц сплава ХН60Вт, полученного по примеру 2.
На фиг. 4 приведена микрофотография (а) и массовое распределение по размерам частиц сплава 03Х16 Н15М3, полученного по примеру 3.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит горизонтальный установленный реактор 1 с высоковольтным (2) и заземленным (3) электродами, в котором осуществляется электрический взрыв одной проволоки, источник питания (4), механизм подачи проволоки (5), вертикально установленный (установленный перпендикулярно оси горизонтально расположенного реактора) сепаратор (6), бункер для сбора частиц с размерами более 5 мкм (7), циклон цилиндрического типа (8), бункер для сбора частиц с размерами менее 5 мкм (9), вентилятор (10), осуществляющий подачу и принудительную циркуляцию буферного газа внутри устройства.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1.
-1
с
c
Осуществляли получение порошка путем взрыва заготовки диаметром 0,45 мм длиной 90 мм из проволоки жаропрочного сплава марки ХН60Вт в атмосфере аргона. Перед заполнением аргоном устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10 Па. Энергия сублимации (Е) 6 кДж/г. На заготовку, размещенную в реакторе 1 от источника питания 4 подавалась энергия, порядка 0,85E. Энергия на заготовку подавалась в течение 2,0 мкс. Вентилятор 10 по трубопроводу, соединяющему его с реактором 1, осуществлял непрерывную подачу газа аргона со скоростью 2,0 м/с в реактор (стрелка, а). «Захватывая» в реакторе 1 наработанные продукты взрыва проволоки, представленные смесью нано- и микрочастиц, газовый поток движется в сепаратор 6 (стрелка б). В сепараторе происходит разделение частиц на две фракции. Частицы с размерами более 5 мкм осаждаются в бункере 7 сепаратора (стрелка в). Частицы с размерами менее 5 мкм выносятся газовым потоком из сепаратора 6 в циклон 8 (стрелка г). За счет вихревой циркуляции газового потока в циклоне 8 происходит осаждение частиц с размерами менее 5 км - в бункере 9 циклона (стрелка г). Очищенный газ из циклона 8 по трубопроводу подается на вход вентилятора 10 и вновь по поступает в реактор 1.
Наработано 150 г порошка (бункер 9), представляющего собой смесь нано- и микрочастиц (фиг. 2). Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на фигурах 2а, 26.
Пример 2.
-1
с
c
Осуществляли получение порошка путем взрыва заготовки диаметром 0,45 мм длиной 90 мм из проволоки жаропрочного сплава марки ХН60Вт в атмосфере аргона. Перед заполнением аргоном камера предварительно вакуумируется до остаточного давления 10 Па. Энергия сублимации (Е) 6 кДж/г. На заготовку, размещенную в реакторе подавалась энергия, порядка 0,85E. Энергия на заготовку подавалась в течение 2,0 мкс. Вентилятор 10 осуществлял непрерывную подачу газа аргона и со скоростью 3,5 м/с в реактор 1 (стрелка а).
Наработано 150 г порошка (бункер 9), представляющего собой смесь нано- и микрочастиц. Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на фигурах За, 36 соответственно.
Пример 3
-1
с
c
Осуществляли получение порошка путем взрыва заготовки диаметром 0,45 мм длиной 90 мм из проволоки коррозионностойкого сплава марки 03Х16 Н15М3 в атмосфере аргона. Перед заполнением аргоном камера предварительно вакуумируется до остаточного давления 10 Па. Энергия сублимации (Е) 7,1 кДж/г. На заготовку, размещенную в реакторе подавалась энергия, порядка 0,5E. Энергия на заготовку подавалась в течение 2,7 мкс. Вентилятор 10 осуществлял непрерывную подачу газа аргона и со скоростью 2,5 м/с в реактор 1 (стрелка, а). Наработано 150 г порошка (бункер 9), представляющего собой смесь нано- и микрочастиц (фиг. 4). Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на фиг. 4а, 4б.
c
Из данных, представленных на фиг. 2, следует, что при введении в проволоку энергии порядка 0.85E, и скорости газового потока на входе в сепаратор, равной 2 м/с, в бункере 9 удается получить порошок с заданным фракционным составом. (~ 100% массы представлены частицами, размеры которых не превышают 5 мкм).
Увеличение скорости газового потока с 2,0 м/с до 3,5 м/с, приводит к выносу частиц с размерами более 5 мкм из сепаратора в циклон (фиг. 3а). Присутствие частиц с размерами более 5 мкм снижает содержание деловой фракции в образце (частицы с размерами менее 5 мкм) со 100 до 85% вес (фиг. 3б).
c
Уменьшение введенной в проволоку энергии с 0,85E до 0,5Ec при скорости газового потока на входе в сепаратор, равной 2.5 м/с, приводит к тому, что содержание частиц с размерами менее 5 мкм не превышает 10% вес (фиг. 4а, 4б).
Приведенные примеры демонстрируют, что превышение скорости газового потока, относительно рекомендуемых значений, а также снижение введенной в проволоку энергии, относительно рекомендуемых значений, приводят к нежелательному увеличению содержания в образцах частиц с размерами более 5 мкм.