Устройство для получения металлических порошков

Полезная модель относится к плазменным установкам с более чем одним плазмотроном и может быть использована для получения сферических металлических порошков, предназначенных для аддитивных технологий.
Известны устройства для плазменного распыления с более, чем одним плазмотроном, в которых зона распыления образована несколькими сходящимися плазменными струями.
Так, например, известно устройство для плазменного распыления с более чем одним плазмотроном [US5707419 (A), опубл. 1998-01-13, МПК B01J19/00; B01J19/08; B01J19/26; B22F9/08; B22F9/14]. Зона распыления образована множеством сходящихся плазменных струй. Распыление осуществляют при контролируемом охлаждении, в результате получают порошки диаметрами от 10 до 300 мкм.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для плазменного распыления проволоки с помощью трех плазмотронов, плазменные факелы которых сведены в единую точку фокуса [WO2016191854 (A1), опубл. 08.12.2016, МПК B01J2/04; B22F9/14]. В эту точку подают проволоку. Для повышения производительности процесса устанавливают дополнительную систему индукционного предподогрева проволоки.
Недостатком обоих решений является то, что при сведении нескольких плазменных факелов в единый фокус расстояние между анодами плазмотронов и точкой ввода расплавляемого материала составляет несколько сантиметров, хотя известно, что максимальная мощность потока плазмы, и, следовательно, максимальный коэффициент полезного действия распыления достигается при расстоянии от анода до поверхности металлического материала не более 2-4 мм. Таким образом, оба решения не позволяют максимально использовать создаваемую мощность разряда плазмы.
Техническая проблема заключается в повышении эффективности нагревания металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном.
Технический результат заключается в снижении потерь мощности разряда плазмы при нагревании металлических материалов одновременно более чем одним плазмотроном.
Технический результат достигается тем, что устройство получения металлических порошков состоит из камеры распыления, камеры охлаждения, крышки, приемной камеры, емкости для сбора порошка, плазмотронов, подающих устройств, согласно полезной модели каждое подающее устройство включает фланец со сквозным отверстием, продолжающимся от торца до пропускного отверстия, смонтированный в плоской крышке, и паз с направляющими, выполненный на поверхности плоской крышки от ее края до сквозного отверстия в торце фланца, причем продольная ось полости паза совмещена с продольной осью соответствующего ему сквозного отверстия в торце фланца, и полость паза и сквозное отверстие в торце фланца образуют канал подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, при этом к каждому фланцу прикручен плазмотрон, и анод каждого плазмотрона проходит в пропускное отверстие соответствующего ему фланца вертикально по его оси, причем расстояние между краем анода плазмотрона и верхним краем канала подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца по вертикали составляет не более 4 мм.
При этом возможно, что фланцы смонтированы на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии 1/3 от края крышки и 2/3 от центральной вертикальной оси камеры распыления.
На фиг. 1 показана схема устройства для получения металлических порошков.
На фиг. 2 показана схема плоской крышки, вид сверху.
На фиг. 3 показана схема расположения канала подачи металлического материала и плазмотрона, продольный разрез.
Устройство для плазменного распыления металлических материалов состоит из установленных в общем каркасе (на фиг. 1 не показан) камеры распыления 1 со смотровыми окнами, приемной камеры 2, патрубка 3 с отводом 4, емкости для сбора порошка 5, подающих устройств (на фиг. 1 не показаны) и отъемной плоской крышки 6 с направляющими, фланцами и закрепленными на них плазмотронами 7.
В крышке 6 выполнены сквозные отверстия, в которых смонтированы фланцы 8 (фиг. 2) на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии 1/3 от края крышки 6 и 2/3 от центральной вертикальной оси камеры распыления 1.
В торце каждого фланца 8 выполнено сквозное отверстие 9, продолжающееся от торца фланца до его пропускного отверстия 10 (фиг. 3).
На поверхности крышки 6 от ее края и до каждого сквозного отверстия 9 выполнены пазы 11 с направляющими по числу фланцев так, что продольная ось полости каждого паза 11 совмещена с продольной осью соответствующего ему сквозного отверстия 9 в торце фланца 8 (фиг. 2, фиг. 3). Полость паза 11 и сквозное отверстие 9 в торце фланца сообщены и образуют канал подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца 10, расположенный под углом 90 градусов к продольной оси плазмотрона 7 и продолжающийся до центра пропускного отверстия фланца 10.
На верхней плоскости каждого фланца 8 выполнены крепежные отверстия, посредством которых к каждому фланцу 8 жестко прикручен соответствующий ему плазмотрон 7 при помощи прижимной пластины. Анод каждого плазмотрона 7 проходит в пропускное отверстие 10 соответствующего ему фланца 8 вертикально по его оси. Расстояние между краем анода и воображаемой линией, проведенной как продолжение верхнего края канала подачи металлического материала в центр пропускного отверстия фланца, составляет не более 4 мм.
Камера распыления 1 выполнена в виде двухслойного сосуда с полостью между внутренним и наружным слоями, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Внутренний слой камеры распыления образует камеру распыления, а полость между внутренним и наружным слоями — камеру охлаждения. Для обеспечения подачи и отвода охлаждающей жидкости от отдельно стоящей независимой системы охлаждения в камере охлаждения предусмотрены два патрубка в верхней части колонны распыления 1 и два патрубка в крышке 6. Непосредственно под камерой распыления 1 расположена приемная камера 2, выполненная в форме усеченного конуса и сообщающаяся с емкостью для сбора порошка 5 через патрубок 3. Приемная камера 2 выполнена в виде двухслойного сосуда с полостью между внутренним и наружным слоями, образующей камеру охлаждения, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Емкость для сбора порошка 5 выполнена в виде сосуда, заполненного защитным газом и снабженного клапаном, предназначенным для обеспечения герметичного закрывания при его отсоединении от патрубка 3. К патрубку 3 герметично пристыкован отвод 4 для соединения с отдельно стоящим независимым циклоном с целью удаления избыточного количества защитного газа и фракций порошка с размером гранул менее 5 мкм. Плазмотроны 7 выполнены с межэлектродными вставками. Каждый плазмотрон 7 состоит из электрода, охлаждаемого потоком плазмообразующего газа, сопла и анодного узла, включающего межэлектродные вставки и анод, имеющие каналы водяного охлаждения. Камера распыления 1 посредством соответствующих отверстий с патрубками и разъемов соединена с отдельно стоящими независимыми обслуживающими системами: контрольно-измерительной аппаратурой, блоком управления и безопасности, с резервуаром с охлаждающей жидкостью. Плазмотроны через блок управления и безопасности посредством соответствующих разъемов соединены с отдельно стоящими независимыми обслуживающими системами: тремя источниками питания по числу плазмотронов, газовым постом, системой охлаждения плазмотронов.
Устройство работает следующим образом. Каждый источник питания подает на подключенный к нему плазмотрон 7 электрический ток. Плазмообразующий газ поступает в плазмотрон 7 от газового поста. В плазмотронах 7 создается электрическая дуга косвенного действия. За счет продувки плазмообразующего газа (аргона) через осевое отверстие плазмотрона 7 электрическая дуга вытягивается в плазменный факел с температурой плазмы 8 – 11 тысяч градусов Цельсия размером 3 мм.
В центр пропускного отверстия фланца 8 при помощи подающих устройств через канал, образованный полостью паза 11 в крышке 6 и сквозным отверстием 9 в торце фланца 8 подается металлический материал под углом 90 градусов по отношению к аноду плазмотрона 7 на расстояние не более 4 мм до анода плазмотрона 7. Под действием высоких температур в центре пропускного отверстия 10 фланца 8 торцевая поверхность металлического материала расплавляется, образуя микроскопическую каплю. Расплавленная капля дополнительно измельчается потоком плазмообразующего газа и, удаляясь от зоны распыления, кристаллизуется в виде частицы сферической формы в камере распыления 1.
Из камеры распыления 1 частицы попадают в приемную камеру 2. Затем частицы затвердевшего порошка проходят через патрубок 3 и собираются в устройстве сбора порошка 5, которое представляет собой сосуд, заполненный защитным газом и герметически закрывающийся при его отсоединении от патрубка 3. Избыточное количество аргона и фракции порошка с диаметром гранул до 5 мкм через отвод 4 собираются в циклоне. Контроль процесса распыления (чистоты атмосферы, формы плазменного факела, потока летящих по камере частиц распыленного металла) осуществляется через смотровые окна, выполненные в колонне распыления 1. Регулирование температуры в камере распыления колонны распыления 1 и приемной камере 2 обеспечивается за счет циркуляции жидкости в соответствующих им камерах охлаждения, поступающей из резервуара с охлаждающей жидкостью. Регулирование температуры анодного узла и сопла плазмотрона 7 обеспечивается циркуляцией в них жидкости, поступающей из системы охлаждения плазмотронов, а регулирование температуры электрода плазмотрона 7 обеспечивается потоком плазмообразующего газа.
Блок управления и безопасности регулирует силу тока, подаваемого на каждый из плазмотронов, объем плазмообразующего газа, контролирует систему охлаждения плазмотронов и в автоматическом режиме отключает электропитание в том случае, если один из параметров регулирования (электричество, газ, температура охлаждающей жидкости) вышли за установленные параметры.
Контроль температуры и давления в камере распыления осуществляется посредством контрольно-измерительной аппаратуры.
Максимальная мощность потока плазмы достигается на расстоянии от анода плазмотрона до поверхности материала не более 4 мм. Поскольку анод плазмотрона проходит во фланец вертикально по его оси и не доходит до продольной оси сквозного отверстия в торце фланца на расстояние не более 4 мм, то очевидно, что точка подачи металлического материала находится на расстоянии от анода плазмотрона не более 4 мм. Таким образом, достигается уменьшение расстояния между анодом плазмотрона и точкой ввода металлического материала, и металлический материал, проходя через сквозное отверстие в торце фланце, попадает в тепловой фокус плазменной дуги и зону максимальной мощности плазменной дуги, что обуславливает снижение потерь мощности разряда плазмы при нагревании металлического материала.