一种多功能等离子材料制备系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多功能等离子材料制备系统，包括综合控制柜及系统电源，综合控制柜及系统电源分别连接压缩空气装置、第一等离子气体装置、第二等离子气体装置和去离子纯净冷却水装置，去离子纯净冷却水装置连接多功能工作台和等离子发生器，第一等离子气体装置、第二等离子气体装置分别连接等离子发生器，等离子多功能工作台内部安装有真空室，等离子多功能工作台上还安装有摄像装置，等离子多功能工作台连接计算机监视装置，等离子发生器还连接有原料供给装置，等离子多功能工作台内的真空室依次连接旋风产品收集气固分离装置、布袋产品收集及排风净化气体装置和真空泵抽真空装置。本发明的有益之处在于电极寿命长，可靠性高。
【专利说明】一种多功能等离子材料制备系统
【技术领域】
[0001]本发明属于等离子材料制备设备【技术领域】，涉及一种多功能等离子材料制备系统。
【背景技术】
[0002]利用等离子技术的高温、高温梯度等特殊性能，制备非金属功能材料，制备高纯金属、非金属纳米粉体材料，精练提纯特种金属材料以及对活性高难烧结金属、非金属粉体材料进行等尚子活化烧结。利用等尚子技术提闻特殊材料加工制备的经济效益、提闻电能利用率和该技术在高性能材料领域中的应用范围。
[0003]等离子高能束加工技术是目前国内外发展较快的新材料加工制备的高技术之一。国外在非金属材料加工、特种金属冶炼、新材料制备、高能量利用率方面发展较快。国内在20世纪60年代开始用于特种金属冶炼，目前已经发展为门类齐全有特殊功能的应用技术，在航空航天、核能、军事、材料制备与材料加工等多种领域中获得了广泛应用。在材料加工领域主要用于焊接、切割、喷涂、热处理、热加工、气相沉积、离子镀膜等方面，在非金属功能性材料制备方面仅有少量每小时几十公斤级别的生产线，由于生产能力小、能量利用率低，电极寿命短、运行可靠性差，所以没有得到广泛的应用，等离子冶金也如此。
[0004]目前国内等离子加工技术方面虽然发展很快，但存在能量利用率低，加工成本高，经济效益并不显著的问题，根据目前市场提供的各种等离子加工设备的参数和使用情况初步分析，其电能的转换率在(40?75) %，热能的利用率在(30?80) %，电极寿命在几十小时到一百小时以下，并且系统可靠性差。等离子热能的特点是能量集中，温度梯度大，需要综合应用热力学、流体力学、等离子物理学、材料学等知识，找出其相互间制约的关系和规律，才能更好地发展这一学术领域。若解决现阶段比较突出的理论和实际中的这些问题，等离子这种高能束加工中最容易实现的加工手段，就能真正发挥出其优势，在新材料制备和矿物和功能材料的深加工中将发挥更大的作用。对电弧热等离子学科和技术推广都具有重要意义。
[0005]本项目重点解决等离子在电能利用上低且无规律可循的问题和等离子发生器电极寿命低，可靠性差的问题，并建立工艺和数学模型进行分析研究，只有解决了能量利用率低，电极寿命低，可靠性差，使用成本高的问题，等离子材料制备和加工应用才会有更加广阔的发展空间。本项目具体应用方面的研究重点在等离子体炬可靠、稳定地点燃，电能转化的热能能够最大限度地用于非金属粉体功能材料的加工以及特种金属材料的精练提纯上。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在提供一种多功能等离子材料制备系统，解决了现有的等离子发生设备电极寿命低，可靠性差的问题。
[0007]本发明所采用的技术方案是包括综合控制柜及系统电源，综合控制柜及系统电源分别连接压缩空气装置、第一等离子气体装置、第二等离子气体装置和去离子纯净冷却水装置，去离子纯净冷却水装置连接多功能工作台和等离子发生器，第一等离子气体装置、第二等离子气体装置分别连接等离子发生器或PAS、SPS等离子活化烧结装置，压缩空气装置连接等离子发生器或PAS、SPS等离子活化烧结装置，等离子发生器或PAS、SPS等离子活化烧结装置安装在等离子多功能工作台上，等离子多功能工作台内部安装有真空室，等离子多功能工作台上还安装有摄像装置，等离子多功能工作台连接计算机监视装置，等离子发生器或PAS、SPS等离子活化烧结装置还连接有原料供给装置，等离子多功能工作台内的真空室连接旋风产品收集气固分离装置，旋风产品收集气固分离装置连接布袋产品收集及排风净化气体装置，并同时连接真空泵抽真空装置。
[0008]进一步，压缩空气装置，第一等离子气体装置，第二等离子气体装置，去离子纯净冷却水装置，综合控制柜及系统电源，等离子多功能工作台，等离子发生器，原料供给装置，旋风产品收集气固分离装置，布袋产品收集排风净化气体装置，真空泵抽真空装置，PAS、SPS等离子活化烧结装置上分别设置有自动检测仪表。
[0009]进一步，综合控制柜及系统电源采用DZX-30等离子综合应用系统。
[0010]进一步，真空室一端开口连接等离子发生器或SPS等离子活化烧结装置，真空室下部设有真空室收料盒，真空室另一端开口连接旋风产品收集气固分离装置。
[0011]进一步，等离子发生器包括阴极电极、阳极电极，等离子气体入口，等离子压缩气入口，物料加入口，冷却水入口出口。阴极电极和阳极电极之间的腔室设有等离子气体入口，其下方有沿切向加入的等离子压缩气入口，再靠下是物料加入口，在阳极附近有进水和出水口，冷却水冷却整个等离子通道。
[0012]进一步，旋风产品收集气固分离装置设有混合气入口和真空泵连接口，以及布袋产品收集器连接口，混合气入口连接真空室，真空泵连接口连接真空泵抽真空装置，布袋产品收集器连接口连接布袋产品收集器。
[0013]本发明的有益之处在于电极寿命长，可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明多功能等离子材料制备系统的系统组成示意图；
[0015]图2是等离子多功能工作台结构示意图；
[0016]图3是等离子发生器示意图；
[0017]图4是旋风产品收集气固分离装置示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]本发明如图1所示包括综合控制柜5，综合控制柜及系统电源5分别连接压缩空气装置1、第一等离子气体装置2、第二等离子气体装置3和去离子纯净冷却水装置4，去离子纯净冷却水装置4连接多功能工作台6和等离子发生器7，第一等离子气体装置2、第二等离子气体装置3分别连接等离子发生器7或PAS、SPS等离子活化烧结装置14，压缩空气装置I连接等离子发生器7或PAS、SPS等离子活化烧结装置14，等离子发生器7或PAS、SPS等离子活化烧结装置14安装在等离子多功能工作台6上，等离子多功能工作台6内部安装有真空室13，等离子多功能工作台6上还安装有摄像装置15，其通过等离子多功能工作台6连接计算机监视装置10，等离子发生器7或PAS、SPS等离子活化烧结装置14还连接有原料供给装置8，等离子多功能工作台6内的真空室13连接旋风产品收集气固分离装置9，旋风产品收集气固分离装置9连接布袋产品收集排风净化气体装置11，并同时连接真空泵抽
真空装置12。
[0020]进一步，压缩空气装置1，第一等离子气体装置2，第二等离子气体装置3，去离子纯净冷却水装置4，综合控制柜及系统电源5，等离子多功能工作台6，等离子发生器7，原料供给装置8，旋风产品收集气固分离装置9，布袋产品收集排风净化气体装置11，真空泵抽真空装置12，PAS、SPS等离子活化烧结装置14上分别设置有自动检测仪表16。
[0021]进一步，综合控制柜及系统电源5采用DZX-30等离子综合应用系统。
[0022]进一步，真空室13 —端开口连接等离子发生器7或PAS、SPS等离子活化烧结装置14，真空室13下部设有真空室收料仓1301，真空室13另一端开口连接旋风产品收集气固分离装置9。
[0023]进一步，等离子发生器7包括阴极电极701、阳极电极702，等离子气体入口 703，等离子压缩气入口 704，物料加入口 705，冷却水入口出口 706。阴极电极701和阳极电极702之间的腔室设有等离子气体入口 703，其下方有沿切向加入的等离子压缩气入口 704，再靠下是物料加入口 705，在阳极702附近有进水和出水口 706，冷却水冷却整个等离子通道。
[0024]进一步，旋风产品收集气固分离装置9设有混合气入口 901和真空泵连接口 902，以及布袋产品收集器连接口 903，混合气入口 901连接真空室13，真空泵连接口 902连接真空泵抽真空装置12，903连接布袋产品收集器11。
[0025]多功能工作台6内安装有真空室13，其上装有等离子发生器7，其位置可更换成PAS、SPS等离子活化烧结装置14。装等离子发生器7时，产生等离子火焰(或称等离子体射流、等离子炬、等离子体)，可以加工制备纳米金属和非金属粉体，以及金属和非金属的球形粉体，用等离子火焰区间熔融法和分凝技术，重复区间熔融2-3次，可得到精炼提纯的金属材料产品。更换成PAS、SPS等离子活化烧结装置14时，可以将金属和非金属粉体材料制备成相应的金属和非金属的致密或孔隙的功能块体材料等等。这是多功能等离子材料制备系统的主要特点之一。
[0026]该发明装置的主要运行过程为:首先给综合控制柜及系统电源5送电，然后分别开启压缩空气装置1，第一等离子气体装置2，第二等离子气体装置3，去离子纯净冷却水装置4，并且将各装置的工作参数调节到规的定数值范围内；向原料供给装置8装入需要制备的颗粒状或微米粉体原料，加盖密封后通入送粉气达到规定的压力备用；通过综合控制柜5采用DZX-30等离子综合应用系统进行参数调节达到规定要求的三种等离子电源、等离子气体、等离子体压缩气体、冷却水同时向装在多功能工作台6上的等离子发生器7送入。开启真空泵抽真空装置12，使多功能工作台6内安装有真空室13和旋风产品收集气固分离装置9达到规定的真空度要求；开启布袋产品收集排风净化气体装置11正常。此时可通过高频电源引燃等离子发生器7点燃而形成等离子电弧火焰(或称等离子体射流、等离子炬、等离子体)，通过等离子多功能工作台6上装有摄像装置15，将信号图像传给计算机监视装置10，可观察等离子火焰等工作情况，通过分别设置于以上各种装置里的自动检测仪表16提供显示的各项工作参数，可判断整个系统是否工作正常。各项参数都在规定范围内后，开启原料供给装置8向等离子发生器7送料，若物料送入均匀正常，经等离子火焰加工后的物料形成混合流体经多功能工作台6内安装有真空室13和旋风产品收集气固分离装置9布袋产品收集排风净化气体装置11，可收集得到纳米或功能产品。真空室13内设置有能够控制纳米粉体直径大小、形貌的冷却流体或晶形添加剂加入的装置。要停止该系统，首先要原料供给装置8停止供料，然后停止向等离子发生器7供电，再后按开启系统的顺序的逆方向关闭系统，等系统冷却后，即可在真空室13和旋风产品收集气固分离装置9布袋产品收集排风净化气体装置11的料仓中收取制备得到的产品。
[0027]多功能工作台上装等离子发生器7的位置可更换成PAS、SPS等离子活化烧结装置14，其开启和关闭的方法与上述过程类似。
[0028]该系统的连接关系为:去离子纯净冷却水装置4经过综合控制柜5计量、测量温度用于冷却等离子多功能工作台6和等离子发生器7，第一等离子气体装置2，第二等离子气体装置3经过综合控制柜5计量后提供给等离子发生器7具有还原性气氛和惰性气氛的等离子气体，压缩空气装置I经综合控制柜5计量后为等离子发生器7提供惰性或氧化气氛的等离子气。综合控制柜及系统电源5提供工频电源供等离子发生器7，等离子发生器7产生等离子火焰、PAS、SPS等离子活化烧结装置14产生PAS、SPS等离子活化烧结高能束热源，等离子火焰情况及材料加入的情况可以通过摄像装置15、计算机监视装置10进行监视。有原料供给装置8向等离子发生器7提供各种物料用于生产纳米金属、非金属粉体、粉体材料的功能性加工、重熔提纯金属材料，粉体材料的活化烧结等。纳米材料产物经旋风产品收集气固分离装置9、布袋产品收集排风净化气体装置11后净化排出。在等离子活化气氛烧结时，经真空泵抽真空装置12保持等离子多功能工作台6所需要的工作气氛。粉体产品在旋风产品收集气固分离装置9和布袋产品收集排风净化气体装置11的集料斗中收集，活化烧结产品在等离子多功能工作台6中收集。等离子多功能工作台6内安装有真空室13，其上装有摄像装置15，可观察等离子火焰等工作情况，等离子发生器位置可更换成PAS、SPS等离子活化烧结装置14，各种装置上装设有自动检测仪表16，自动检测仪表16为热电偶等，用于自动检测系统各工作参数。
[0029]等离子体在发生器内部的通道必须通畅，压缩等离子体的压缩气体必须保证等离子体不能与发生器内壁相接触。等离子系统混和气排放系统气压必须沿排气方向呈负压逐渐增大分布，并且必须保证等离子火焰喷入多功能工作台处呈负压，使等离子火焰能携带着物料顺利地喷出。
[0030]本发明开发研制等离子多功能工作台6采用积木式结构，如图2所示。配合工作台的等离子体发生器7，兼顾转移等离子弧与非转移等离子弧结构，如图3所示，旋风产品收集气固分离装置9，详细结构见图4。
[0031]多功能工作台6内安装有真空室13，其上装有摄像装置15，可观察等离子火焰等工作情况，等离子发生器7位置可更换成PAS、SPS等离子活化烧结装置14，各种装置上设有热电偶等自动检测仪表16，用于自动检测系统各工作参数。
[0032]综合控制柜5的主要作用是系统电源的供电控制配送和电气参数的测量显示，以及系统各主要参数的集中测量和显示控制。气体经过控制柜上的流量测量显示调节控制器，冷却水的进水、出水温度也汇集到控制柜显示，以便调节控制。
[0033]等离子发生器7以惰性氩气、氦气等为等离子体工作气体，也可采用氮气、氢气、压缩空气等作为等离子工作气体，其工作电压为10?60V，工作电流为40?500A，，其等离子火焰点燃或产生的步骤如下:在等离子体发生器7中通工作气体氩气、氮气或氢气后，启动等离子体发生器7的电源，氩气电离成氩等离子体，形成温度为3800K?30000K，区域为直径约10mm，长度为约80mm，中心温度高，边部温度低的高温度梯度的等离子体射流(或称等离子火焰、等离子炬、等离子体)，用氩气将微米级金属粉加速输送到高温的等离子体射流了中熔融气化，反应停留时间为20?30MS，等离子体发生器7的工作气体是氢气、氧气、氮气、压缩空气或者是其气体混合物。根据需要可调节等离子发生器7的功率及工作气体的种类与流量来生产不同材料类型的纳米粉体材料。
[0034]在等离子发生器7内也可用合金原料或纯金属作为正极，在正极和喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体火焰，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，惰性气体作为冷却介质始终以一定的流速从上至下掠过金属蒸汽并与子混合，形成一定温度梯度和气压差的混合流体，其中金属原子受冷后就会按照一定的方式运动，并凝聚成纳米金属颗粒的烟焰。纳米金属颗粒在惰性气流的输运下抵达指定收集装置，完成纳米金属粉末的分级与收集。本发明可用于纯度较高的金属纳米粉末材料的制备，平均粒径10?80nm可调整,也可制备合金纳米粉体。制备装置体积相对较小，便于实施。当采用压缩空气作为等离子工作气体时，纯金属蒸汽与空气中的氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米金属氧化物微粒。例如所制得的纳米TiO2粉末晶粒，其形状规则，粉末纯度高；本发明可以实现连续给料、连续反应、连续制粉，效率高，与其他方法相比，更容易实现规模化生产。
[0035]火焰形状大小及原材料加入的情况可以通过计算机监视装置10进行监视。原料供给装置8向等离子发生器7提供各种原材料用于生产纳米金属粉体、非金属粉体、粉体材料的功能性加工，如由角形颗粒改变为球形颗粒等、重熔提纯金属材料，粉体材料的活化烧结等。本发明是多功能等离子材料制备系统，当使用等离子发生器7的等离子火焰时，可以加工制备纳米金属和非金属粉体，以及金属和非金属的球形粉体，当使用PAS、SPS等离子活化烧结装置14时，可以将金属和非金属粉体材料制备成致密或孔隙的功能块体材料等等。经旋风产品收集气固分离装置9、布袋产品收集排风净化气体装置11收集后排出，气体与产物分离净化后可直接排到大气中。
[0036]在PAS、SPS等离子活化烧结装置14进行等离子活化烧结时，等离子体活化烧结(pIasmaActivatedSintering-PAS)或称放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering-SPS),是对粉末冶金粉体材料进行加入等离子电源产生高温固结成块体材料的专用设备。由有载调压变压器，可控硅整流器，可控硅直流电抗器，强流脉冲电源，直流电流回路检测器，电压/频率检测器，水冷电缆，真空装置，氩气装置，模具装置，温度传感器，压力传感器，投料装置等构成。烧结过程是在烧结初始阶段施加一个脉冲电流，使金属粉末颗粒间产生等离子弧，在等离子弧的作用下，金属粉末表面的氧化膜和杂质被清除，金属粉末直接接触并发生烧结形成烧结颈，接着同时施以大电流和一定压力使金属粉末体致密化或孔隙金属块，大电流直接通过金属粉末体与模具产生焦耳热完成烧结过程。可使金属粉末体颗粒间产生等离子弧，起到控制烧结固化金属粉末为块体材料的目的。
[0037]具体采用由单种或多种元素混合的粉末与合金粉末组成的原料粉末，装入刚玉模具中，再置入放电等离子烧结炉中，单向或双向施加一定的轴向压力，采用真空状态或惰性气体保护状态下进行烧结，升温速度为50?1000°C /MIN,烧结温度为900?2500°C，保温后随炉冷却至室温，即可得到致密或孔隙金属合金块体材料。优点在于:可以在短时间内、较低的烧结温度下制备出致密度高、成分均匀、性能优异的难熔金属合金功能块体材料；具有节能环保，操作简单，可重复性强的特点。
[0038]经真空泵抽真空装置12保持等离子多功能工作台6所需要的工作气氛。粉体产品指的是物体粒度在微米级和纳米级的各种金属、非金属粉末物料，若经过加工制备得到微米粉末物料称微米粉体产品，得到纳米粉末物料称纳米粉体产品，当粒度在毫米级时的物料，就不能称为粉体，而称为砂砾或颗粒状物料。经旋风产品收集气固分离装置9、布袋产品收集排风净化气体装置11收集。活化烧结产品在多功能工作台6中收取。收取制得的各种金属和非金属纳米粉体材料、球形粉体材料；高纯金属材料；快速烧结致密或孔隙块体金属或非金属材料等。
[0039]本发明采用七种流体在系统中的作用，氩气、氮气、氧气、压缩空气可作为产生等离子的气体，即阴极气体，也可作等离子体压缩气体，及中间极或阳极气体；乙炔气用于产生氧乙炔火焰，改善等离子火焰的温度场分布；混合通风气用于携带制备的粉体产物的产品收集器；冷却水主要用于冷却等离子发生器、多功能工作台、水冷电缆、等离子电源等。
[0040]三种火焰:①直流等离子火焰、②脉冲等离子火焰、③燃气等离子火焰(氧乙炔等离子火焰)，三种火焰都是等离子发生器7产生，都由高压、高频电源点火，也称为引弧，由直流电源或脉冲电源稳定点燃等离子火通过综合控制柜及系统电源5直接接入等离子发生器7或等离子多功能工作台6中。三种电源:由标准设备和技术改进设计和改装完成。①直流电源:直流氩弧焊机代替、改进和改造设计。②高压起弧电源:专用高压、高频、小电流、小功率电晕电源。③脉冲电源:脉冲频率和占空比可调，电流可调的等离子电源。
[0041]三种电源都用在等离子发生器7产生等离子火焰，或作为PAS、SPS等离子活化烧结装置14的电源，产生等离子效应，提高烧结效率，缩短烧结时间。LGK-40等离子切割机电源产生等离子直流电源。WSM-500直流脉冲氩弧焊多功能电源产生等离子直流电源、等离子脉冲电源。两种型号的电源都带有高压、高频启动等离子弧的电源。
[0042]五种显示控制仪器仪表:温度表:指针式或数显式；压力表:指针式；流量表:玻璃管转子流量计或指针式流量表；电压表:指针或数字式；电流表:指针或数字式。温度表主要用于冷却水进出温度、多功能工作台炉腔温度，等离子气体温度、输送物料气体温度、携带产物混合通风气等6个温度点的测定。压力表有正压表和负压真空压力表两种，正压表主要用于等离子气、等离子压缩气的压力测量，负压真空压力表主要用于真空状态混合通风气的负压真空度的测量，此时真空泵抽真空装置12处于开启状态。流量表主要用于氩气、氮气、压缩空气和冷却水的测量。电压表电流表主要用于等离子电源供电输入的电压、电流和输出的工作电压、电流的测定。
[0043]七种流体中氩气、氧气、乙炔气四种气体都是在标准部件储气钢瓶中存放和直接经过减压调压后，再通过控制柜5测控流量后送入等离子发生器7使用的。压缩空气由压缩空气装置I产生再通过控制柜5测控流量后送入等离子发生器7使用。混合通风气由等离子发生器7和多功能工作台5产生，用真空泵抽真空装置12或布袋产品收集排风净化气体装置11所带的抽风机抽出经净化后排入大气中。冷却水经过M-201A9处理后，送给自设计制作的循环冷却系统。分两路计量后分别冷却等离子电源、水冷电缆和等离子发生器7和多功能工作台6。
[0044]三种火焰都由等离子发生器中产生，但需要三种电源，七种流体、综合控制柜组成的系统才能正常产生。三种电源由LGK-40等离子切割机电源产生等离子直流电源。WSM-500直流脉冲氩弧焊多功能电源产生，经过系统送到等离子发生器7，产生等离子体(或称等离子火焰、等离子炬、等离子弧等)。也作为等离子活化烧结的多功能电源。
[0045]五种显示控制仪表主要装在综合控制柜综合控制柜及系统电源5上，以及组成制备系统的各种装置上，减压表主要装在40m3储气钢瓶的出气口上和0.6/8MPa空压机的出气口上。电压电流表输入电源部分装在综合控制柜上，输出部分主要装在两种电源面板上。
[0046]采用等离子多功能工作台(积木式结构)、等离子技术综合应用操作控制系统或操作台(积木式结构)，外形美观大方、操作方便，测试记录实验数据方便。能用于金属材料和非金属材料的等离子加工和技术制备。可以灵活组装等离子发生器的的电源、产生各种等离子火焰，完成多功能等离子材料制备的各种加工制备功能。
[0047]在制备功能材料深加工方面的应用研究
[0048]在直流等离子工业性中试生产线上进行应用性工业实验研究，实现高电能转化利用，高热能利用；实现高产量，低消耗，高质量、高可靠性生产。
[0049]在等离子综合材料制备系统和冶金实验室配合进行冶金重熔精练、特殊冶炼应用实验研究，为特种金属加工提纯提供实验数据和经验。
[0050]利用等离子火焰制备功能性粉体和进行特种冶金冶炼的应用。并能发挥热能利用率和电极寿命和可靠性高的特性，具体可实施如下内容:
[0051]实施方案1:以二氧化硅球形功能粉体制备和纳米粉体制备为等离子非金属粉体加工的主要内容。主要技术参数:等离子输入功率11KW，直流输出空载电压250V，工作电压100V,电流最大40A。原料为多角形金属或非金属粉体200-600目，经该发明装置的等离子火焰加工可制备相应的球形粉体产品。
[0052]实施方案2:纳米材料制备主要工艺参数:直流输出电流10-500A，直流空载电压78.6V,工作电压30V。原料为金属或非金属颗粒物料或块料，在真空或惰性气氛状态下，经等离子火焰熔融气化物料，并经对冷却温度和结晶方式的控制，可制备出相应材料的10-80纳米粉体产品。用此参数熔融气化金属锌、钛，在氧化气氛下，可制备纳米Zn02、TiO2
[0053]实施方案3:活性难烧结多孔材料等离子活化烧结工艺参数:最大输出电流500A，脉冲频率调节范围0.5-500HZ,占空比调节范围0.15-1。参数2，直流输出电流5-160A，频率脉冲调节范围1-200HZ，占空比调节范围0.1-0.9，空载电压75V，暂载率60%，工作压力
0.l_25MPa。原料为微米和纳米粉体，将原料装入两面可以加压力的石墨或刚玉坩埚中，再接入等离子电极，进行等离子活化烧结，可快速制备块体微米、纳米结构的与原料相应的功能产品。在0.2MPa氩气压力气氛下，600目TiH2粉20%和400目Ti金属钛粉80%，经300HZ，500A脉冲电60s活化，再经450A直流电6min烧结，可得到孔隙钛块体金属材料。
[0054]实施方案4:等离子活化烧结致密或梯度材料。活化烧结工艺参数:直流、脉冲输出电流10-500A，直流、脉冲空载电压75V，工作电压30V。脉冲频率调节范围0.5-500Hz,占空比调节范围0.15-1，烧结中对坩埚两端施加最大压力25MPa，坩埚两端可分别加压的压力差倍数为5-100，可根据梯度材料的要求性能确定具体倍数。原料为微米和纳米粉体，将原料装入两面可以加压力的石墨或刚玉坩埚中，再接入等离子电极、真空系统和氩气，在两端加入差别压力的状态下进行等离子活化烧结，可快速制备致密和梯度结构的块体微米、纳米结构的与原料相应的功能产品。
[0055]实施方案5:以金属硅精练、提纯为等离子体特种冶炼技术应用为主要内容。利用等离子综合材料制备系统和冶金有关配套设备仪器具体实施。制备主要工艺参数1:直流输出电流10-500A，直流空载电压75V，工作电压30V。制备主要工艺参数2:直流输出空载电压250V，工作电压100V，电流最大40A。原料为金属条棒，将条状或棒状金属材料放入舟形坩埚中，用等离子火焰区间熔融法和分凝技术，重复区间熔融2-3次，可得到精炼提纯的金属材料产品，可将品位为99%的工业硅，提纯为6个9纯度的太阳能级多晶硅。
[0056]实施方案6:可进些热能利用率的分析研究。对功能材料加工和特殊冶炼加工单位材料的热量消耗，实测系统产量并计算实际产品生产的总热量，将此总热量与等离子炬发出的热量之比即为热能的利用率，以此可建立工艺模型。实施技术路线为:根据等离子火焰结构与热加工炉结构参数实验数据以及产品数据建立数学模型，分析数据修正模型以得到仿真系统。
[0057]本发明的有益之处在于电极寿命长，可靠性高，等离子发生器的内部结构设计和系统混和气排放系统的压力分布规律。等离子体在发生器内部的通道必须通畅，压缩等离子体的压缩气体必须保证等离子体不能与发生器内壁相接触，否则就会烧损等离子发生器降低其寿命，等离子发生器内部设计以及等离子压缩气体的流动方式和速度要能够保证这些要求；系统混和气排放系统气压必须沿排气方向呈负压逐渐增大分布，并且必须保证等离子火焰喷入多功能工作台处呈负压，使等离子火焰能携带着物料顺利地喷出，混合气体的排出必须保证足够的负压。采用由单种或多种元素混合的粉末与合金粉末组成的原料粉末，装入刚玉模具中，再置入放电等离子烧结炉中，单向或双向施加一定的轴向压力，采用真空状态或惰性气体保护状态下进行烧结，升温速度为50?1000°C /MIN,烧结温度为900?2500°C，保温后随炉冷却至室温，即可得到致密或孔隙金属合金块体材料。优点在于:可以在短时间内、较低的烧结温度下制备出致密度高、成分均匀、性能优异的难熔金属合金功能块体材料；具有节能环保，操作简单，可重复性强的特点。本发明是一个多功能高能束实验系统，可经过组合完成等离子材料加工、等离子活化烧结PAS、等离之焊接、切割和等离子喷涂等，在科学实验中和教学工作中能发挥重要的作用。其研究的过程和结果是科学的，其结果是可靠的尤其是系统功能在研究的实验过程中，体现了可靠性，对进一步进行其他的材料研究在科学、技术和经济上都是有重要价值和实用意义。系统投资省，功能多，可以开发更多、更广的研究方法，进行更多新材料的加工制备。
【权利要求】
1.一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:包括综合控制柜及系统电源(5)，综合控制柜及系统电源(5)分别连接压缩空气装置(I)、第一等离子气体装置(2)、第二等离子气体装置(3)和去离子纯净冷却水装置(4)，去离子纯净冷却水装置(4)连接多功能工作台(6)和等离子发生器(7)，第一等离子气体装置(2)、第二等离子气体装置(3)分别连接等离子发生器(7)或PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)，压缩空气装置(I)连接等离子发生器(7)或PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)，等离子发生器(7)或PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)安装在等离子多功能工作台(6)上，等离子多功能工作台(6)内部安装有真空室(13)，等离子多功能工作台(6)上还安装有摄像装置(15)，等离子多功能工作台(6)连接计算机监视装置(10)，等离子发生器(7)或PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)还连接有原料供给装置(8)，等离子多功能工作台(6)内的真空室(13)连接旋风产品收集气固分离装置(9)，旋风产品收集气固分离装置(9)连接布袋产品收集及排风净化气体装置(11)，并同时连接真空泵抽真空装置(12)。
2.按照权利要求1所述一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:所述压缩空气装置(I)、所述第一等离子气体装置(2)、所述第二等离子气体装置(3)、所述去离子纯净冷却水装置(4)、所述综合控制柜及系统电源(5)、所述等离子多功能工作台(6)、所述等离子发生器(7)、所述原料供给装置(8)、所述旋风产品收集气固分离装置(9)、所述布袋产品收集排风净化气体装置(11)、所述真空泵抽真空装置(12)、所述PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)上分别设置有自动检测仪表(16)。
3.按照权利要求1所述一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:所述综合控制柜及系统电源(5)采用DZX-30等离子综合应用系统。
4.按照权利要求1所述一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:所述真空室(13)一端开口连接所述等离子发生器(7)或所述PAS、SPS等离子活化烧结装置(14)，所述真空室(13)下部设有真空室收料盒(1301)，真空室(13)另一端开口连接所述旋风产品收集气固分离装置(9)。
5.按照权利要求1所述一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:所述等离子发生器(7)包括阴极电极(701)、阳极电极(702)、等离子气体入口(703)、等离子压缩气入口(704)、物料加入口 (705)和冷却水入口出口 (706);阴极电极(701)和阳极电极(702)之间的腔室设有等离子气体入口(703)，其下方有沿切向加入的等离子压缩气入口(704)，再靠下是物料加入口(705)，在阳极(702)附近有进水和出水口(706)，冷却水冷却整个等离子通道。
6.按照权利要求1所述一种多功能等离子材料制备系统，其特征在于:所述旋风产品收集气固分离装置(9)设有混合气入口(901)、真空泵连接口(902)以及布袋产品收集器连接口(903)，混合气入口(901)连接所述真空室(13)，真空泵连接口(902)连接所述真空泵抽真空装置(12)，布袋产品收集器连接口(903)连接所述布袋产品收集器(11)。
【文档编号】H05H1/24GK103945629SQ201410173166
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】张军, 徐征, 余宇楠, 杨贵生 申请人:昆明冶金高等专科学校, 张军