Устройство для сфероидизации композиционного металлсодержащего порошка для 3D-печати

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, а именно к устройствам для плазменной обработки  порошка и может быть использована для обработки композиционных порошков, применяемых в 3D-печати металлических изделий.
Известно устройство для сфероидизации металлического порошка на основе свинца (патент SU1252043A1, опубл. 23.08.1986), состоящее из закрепленной в основании колонны, заполненной теплоносителем, верхняя часть которой охвачена муфельным нагревателем. Соосно с осью колонны расположен змеевик, входной участок которого с прямолинейной законцовкой расположен выше верхнего торца нагревателя, а выходное отверстие нижнего витка змеевика установлено в середине муфельного нагревателя. Витая часть змеевика полностью погружена в теплоноситель, в качестве которого может быть использовано, например, вазелиновое масло. Порошок загружается во входное отверстие прямолинейной законцовки змеевика и под действием собственного веса перемещается сначала свободно до витой части змеевика, а затем перекатывается по его винтообразной поверхности. По достижении выходного отверстия нижнего витка змеевика порошок вылетает из него и сфероидизируется в свободном состоянии. Далее в холодной зоне колонны происходит фиксирующая кристаллизация порошка, после чего его частицы находясь уже в твердом состоянии, падают на дно колонны. Достоинством устройства являются сниженные вертикальные габариты и высокий уровень сфероидизации обрабатываемых порошков.
Недостатком устройства является необходимость стадии предварительного нагрева порошка в прямолинейной законцовке перед плавлением в витой части змеевика.
Известно устройство для сфероидизации порошка (заявка на патент CN109954873A, опубл. 02.07.2019 г.), включающее узел подачи порошка, источник лазерного излучения, узел для сбора порошка, представляющий собой желоб.  Порошок, облучаемый лазером, перемещается в воздушном потоке и поглощает высокоэнергетическое излучение, в результате чего происходит поверхностное расплавление частиц, далее, под действием поверхностного натяжения, порошок сфероидизируется. Флуктуации гранулометрического состава, подаваемого на сфероидизацию порошка влияют на гранулометрический состав обработанного порошка, а также на дальность его полета, поэтому желоб используется для разделения частиц по размерам.
Достоинством устройства является сохранение композиционной структуры обрабатываемых порошков, а также разделение частиц по размерам. Недостатком технического решения является низкий уровень сфероидизации частиц.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для сфероидизации порошка, содержащее плазмотрон атмосферного давления постоянного тока (Bissett H. et al. Titanium and zirconium metal powder spheroidization by thermal plasma processes //Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. – 2015. – Т. 115. – №. 10. – С. 937-942, fig 2), состоящий из цилиндрического корпуса и расположенных в нем коаксиальных электродов  – катода и  водоохлаждаемого анода. При протекании электрического тока через разрядный промежуток между анодом и катодом в атмосфере азота образуется плазма, в которую вводят порошок титана для сфероидизации. Недостатком технического решения является полное переплавление частиц порошка в процессе сфероидизации порошка. В частности, после переплавления композиционные порошки, теряют свою композиционную структуру, соответственно изделия, полученные посредством 3D-печати из переплавленного композиционного порошка, теряют свои свойства.
Общими существенными признаками с заявляемой полезной моделью являются наличие плазмотрона, а также разрядной камеры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании устройства для сфероидизации композиционных металлсодержащих порошков для 3D-печати с сохранением их композиционной структуры.
Техническим результатом, на который направлено заявляемое техническое решение, является расширение арсенала технических средств для сфероидизации композиционных порошков для 3D-печати.
Технический результат достигается тем, что устройство для сфероидизации композиционного металлсодержащего порошка для 3D-печати содержит два плазматрона, расположенных зеркально относительно поперечного центра диэлектрического изолятора с возможностью вращения вокруг поперечного центра на подставке. Каждый из плазматронов состоит из кольцевого анода и катода, расположенных соосно с зазором, образующим разрядную камеру. Катод каждого плазматрона размещен коаксиально в полой трубке и закреплен в ней одним концом с помощью цангового соединения, трубка вторым концом соединена с кольцевым анодом плазматрона при помощи накидной гайки.   Диэлектрический изолятор размещен в осевом отверстии зажатой между торцами анодов плазматронов шайбы, выполненной с радиальными вырезами для пересыпания сквозь них порошка при повороте плазматронов вокруг поперечного центра. Постоянные кольцевые магниты плазматронов размещены с упором в сердечник, выполненный в виде тела вращения, образованного т-образным элементом с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру шайбы. Внешний торец магнита каждого плазматрона и его внешняя цилиндрическая поверхность закрыты крышкой с осевым отверстием под анод, на которой размещен радиатор, а к внешней цилиндрической поверхности радиаторов первого и второго плазматронов с двух сторон прикреплены концы скоб, закрепленных резьбовым соединением на подставке.
Рекомендуется катод изготавливать из вольфрама.
Целесообразно в качестве материала анода использовать медь.
Оптимально изготавливать трубку из поликарбоната.
В процессе работы между не расходуемым вольфрамовым катодом и медным анодом происходит пробой и формирование электрического искрового разряда, на который воздействует постоянный кольцевой магнит с аксиальной намагниченностью и вращает его вокруг катода. Частицы остроугольной формы, попадая в область высокотемпературной термической плазмы электрического разряда, разогреваются. При достижении температуры плавления в приповерхностном слое частицы происходит расплавление этого слоя и под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой частицы перераспределяется, сфероидизуясь, после чего остывает в свободном падении.
Устройство для сфероидизации поясняется следующими графическими материалами, не ограничивающими сущность полезной модели:
На фиг.1 изображено устройство сфероидизации порошка в разрезе.
На фиг. 2 показан разрез А-А с фиг.1.
На фиг. 3 представлена фотография искровых разрядов в разрядной камере (время выдержки 1/25 секунды)
На фиг. 4 микрофотография  сфероидизированного композиционного порошка «титан – карбид титана», увеличение x80.
ср
ср
Устройство для сфероидизации порошка (фиг.1, фиг.2) содержит два плазмотрона 1 и 2, каждый из которых состоит из полой диэлектрической (например, из поликарбоната) трубки 3, в которой коаксиально расположен не расходуемый катод 4 из тугоплавкого металла (например, вольфрама),  представляющий собой стержень круглого сечения. Диэлектрическая трубка 3 при помощи накидной гайки 5 крепится к кольцевому аноду 6, имеющему с одного конца внешнюю резьбу,  другой конец  анода расположен в отверстии кольцевого постоянного магнита с аксиальной намагниченностью 7. Конец катода 4 установлен  в  цанге 8, которая закреплена в торце диэлектрической трубки 3 и зафиксирована с наружной стороны диэлектрической трубки 3 гайкой 9, в которой расположены фитинги (на фиг. не показаны) для подвода инертных газов или создания вакуумной среды. На каждый кольцевой постоянный магнит 7 надета крышка 10 с осевым отверстием под анод 6. На крышке 10 установлен радиатор 11. Плазматроны 1 и 2 расположены зеркально относительно поперечного центра диэлектрического изолятора 12, установленного в осевом отверстии шайбы 13. Шайба 13 имеет радиальные вырезы или перфорацию, причем диаметр отверстий перфорации должен быть не менее 3d, где d – диаметр частиц обрабатываемого порошка. Периферийные части верхней и нижней граней шайбы 13 зажимаются торцами кольцевых анодов 6 плазмотронов 1 и 2. Внешний диаметр шайбы равен внутреннему диаметру сердечника 14, представляющего собой тело вращения, образованное т-образным элементом. Внешний выступ сердечника служит упором для постоянных кольцевых магнитов 7 плазмотронов 1 и 2, соответственно. Соединение плазмотронов 1 и 2 выполнено резьбовым крепежом, например болтами и гайками через отверстия, выполненные в радиаторе 11. Устройство для сфероидизации порошка выполнено с возможностью вращения вокруг поперечного центра диэлектрического изолятора 12 посредством закрепления с двух сторон к внешней цилиндрической поверхности радиаторов 11 плазмотронов 1 и 2 концов прямоугольных скоб 15, которые установлены на подставке 16.
Устройство работает следующим образом. Для засыпки порошка в устройство отвинчивается накидная гайка 5 плазмотрона 1, снимается диэлектрическая трубка 3 плазмотрона 1, после чего в  полость анода 6 засыпается обрабатываемый порошок (например «титан – карбид титана»), который сквозь вырезы либо отверстия перфорации в шайбе 13 пересыпается в нижнюю часть полой диэлектрической трубки 3 плазмотрона 2, далее устройство собирается в обратной последовательности. Включают высоковольтный источник и между катодом 4 и анодом 6 происходит пробой и возникает электрический разряд в виде дуги, которая вращается (фиг. 3) в магнитном поле постоянного магнита 7 вокруг катода 4, образуя непрерывную высокотемпературную область воздействия на обрабатываемый порошок. При переворачивании на подставке 16 устройства в разрядную область плазмотронов 1 и 2 подается порошок, частично оплавляется и сфероидизируется. Количество сфероидизированных частиц зависит от нескольких параметров, основные из которых это количество переворачиваний устройства, дисперсность порошка, температура плавления порошка. Для каждого отдельного порошка количество переворачиваний устройства определяется экспериментально.
Пример практической реализации.
Было изготовлено устройство сфероидизации порошка, в котором использовали вольфрамовый катод диаметром 4 мм и медный анод. Расстояние между внутренней цилиндрической поверхностью анода и внешней цилиндрической поверхностью катода составляло 5 мм. Катод и анод подсоединили к высоковольтному источнику питания. Для сфероидизации взяли остроугольные частицы композиционного порошка «титан – карбид титана» (содержание титана 80 об.%) с фракцией менее 56 мкм – 50% и с фракцией 56-100 мкм – 50%. В устройство засыпали 50 г. композиционного порошка, после чего заполнили внутренний объем устройства аргоном для вытеснения воздуха, для этого с наружной стороны диэлектрической трубки  на резьбу G1/4″ установили фитинг для подачи аргона. Инициировали пробой и возникновение электрический разряда в виде дуги при напряжении поджига дуги – 30 кВ, образовав непрерывную высокотемпературную область воздействия на обрабатываемый порошок (фиг. 3).  Рабочее напряжение высоковольтного источника – 10 кВ, ток дуги – до 100 мА. После инициирования вращающегося в магнитном поле электрического разряда устройство переворачивали 10 раз, порошок просыпался через вращающуюся дугу, оплавлялся и сфероидизировался. После получения порошок исследовали под оптическим микроскопом. На фиг. 4 показан внешний вид порошка после обработки. При засыпке в 3D-принтер порошок в процессе печати однородно и равномерно распределялся по рабочей поверхности.
При осуществлении полезной модели удалось достичь технического результата, заключающегося в повышении технологических свойств порошков, используемых в 3D-печати, а именно повышении уровня сфероидизации частиц.