一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置的制作方法

本实用新型涉及一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，涉及新材料领域。

背景技术：

3D打印、电子元件等领域对金属粉末的要求较高，不仅需具备良好的可塑性外，还必须满足杂质少、粉末粒径小、粒径分布窄、球形度高、流动性好等要求。等离子体雾化法制备金属粉末是利用高温等离子体使金属原材料在高温下瞬间熔融蒸发形成金属蒸气，而后经冷却、结晶形成金属核，而后生长形成细小的金属颗粒。金属蒸气/液滴在气相中凝结，制得的金属粉末结晶度高、杂质少。

等离子体雾化装置皆设有较长的冷却区段。目前，金属液滴/蒸气的冷却常通过与载气进行单一的直接接触式冷却或间接接触式冷却来实现，如加拿大Pyrogenesis公司专利(WO 2016/191854 A1)。直接接触式冷却由于气相环境温度低、金属液滴/蒸气经载气稀释后浓度降低等因素，而不利于形成均一的、稳定的金属核，且产量较低；而间接接触式冷却虽然可以避免上述问题，但由于间接接触式冷却装置近内壁面和近中心区域载气的流速、温度、金属液滴/蒸气的浓度的不均一性，导致金属液滴/蒸气冷凝成核沉降的时间不一致，而在获得粒径分布较窄的金属粉末方面存在较大的局限性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有等离子体雾化装置存在的技术不足。

本实用新型的设计思想是，为解决上述问题，提出了一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置；该装置核心在于利用等离子体炬与金属之间产生的等离子体使金属熔融蒸发产生金属蒸气；载气通入反应器后携带金属蒸气进入冷却区段后形成金属粉末；冷却区段分为间接冷却区段和直接冷却区段；金属蒸气先经间接冷却区段成核，后经直接冷却区段结晶生长；间接冷却区段装置内壁设置呈一定形状分布且有助于金属液滴/蒸气与载气充分混合的导流混合件，有利于制备得到纯度高且粒径分布均一的金属粉末。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，包括实现等离子体金属熔融蒸发的反应器，在反应器的壳壁上设置与反应器内腔相连通的用于金属原料投加的竖直投料口和至少一个的用于插入等离子体火炬的入口通道；在反应器的壳壁上设置冷却区通道，冷却区通道分为间接冷却区段和直接冷却区段，且间接冷却区段位于靠近反应器一端，直接冷却区段位于远离反应器另一端；在冷却区通道周围的反应器的壳壁上设置至少一条用于通入载气的载气供气口；

在间接冷却区段的内管壁上沿轴向设置用于使得金属蒸气与载气混合均匀的导流混合件，导流混合件设置在金属蒸气凝结成核沉降区域的上游；

在间接冷却区段的外管周围设置冷却介质对冷却管内的载气和金属蒸汽进行非接触式辐射传热降温。

本实用新型的等离子体雾化装置，获得粒径分布窄且产能高的金属粉末。

本实用新型的等离子体雾化装置，冷却区段包括间接冷却区段和直接冷却区段。间接冷却区段的冷却是依靠冷却管外围冷却介质与冷却管内载气和金属蒸气的非接触式辐射传热来实现的；直接接触式冷却是依赖冷却介质与金属核/金属粉末的直接接触冷却来实现的。间接冷却区段，冷却介质位于冷却管外围，冷却介质不与金属蒸气直接接触；直接冷却区段，冷却介质与金属核(及金属蒸气)直接接触。载气将金属蒸气由反应器载带至间接冷却区段被间接冷却，金属蒸气成核沉降；而后金属蒸气与金属核进入直接冷却区段与冷却介质直接接触进行冷却。间接冷却区段装置内壁设置导流混合件，有助于金属液滴/蒸气与载气充分混合；导流混合件设置于间接冷却区段金属蒸气成核区域上游；导流混合件设有一定尺寸、数量的台阶并按一定方式在轴向进行排布。

对本实用新型技术方案的改进，入口通道倾斜设置。

对上述技术方案的进一步改进，入口通道关于反应器的中轴线对称设置。入口通道的设置能保证金属原料的充分熔融蒸发。

对本实用新型技术方案的改进，导流混合件为楔形台阶块，导流混合件沿着间接冷却区段的内管的轴向呈螺旋线分布在间接冷却区段的内管壁上。

对本实用新型技术方案的改进，导流混合件的长度尺寸为1-100mm。

对本实用新型技术方案的改进，间接冷却区段包括至少两段的不同内径区段。

对本实用新型技术方案的改进，由载气供气口通入的载气气氛为氮气、氩气或其他惰性气体气氛。

对本实用新型技术方案的改进，间接冷却区段的外管周围设置冷却介质为冷水、温水、乙醇、载气。

对本实用新型技术方案的改进，金属原料为钛、铂、金、银、钙、钴、铜、铁、铝、镍、锆、镁等导电金属原料。

对本实用新型技术方案的改进，多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置还包括载气供给设备。

本新型双电极电弧熔融方法的主要技术优点概括如下：

1、本实用新型的多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，等离子体炬的多种布置方式能够保证金属原料的充分熔化蒸发；且由于在间接冷却区段设置了导流混合件，使得金属蒸气与载气混合均匀，且冷却管内各方位的载气流速、载气温度、金属蒸气浓度均一，制备得到的金属粉末粒径分布窄。

2、本实用新型的多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，在间接冷却区段金属成核沉降区域上游设置导流混合件，使得金属蒸气能够在一个更稳定、均一的环境中成核、生长和结晶。同时，由于金属蒸气成核阶段采用间接冷却，金属蒸气浓度不会被稀释，金属成核率高，能够保证高产能。

附图说明

图1为多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置图方案一。

图2为多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置图方案二。

图3为间接冷却区段冷却管导流混合件的局部放大图。

具体实施方式

下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图3和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型公开的是一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，用于生产进行增材制造或电子元器件制造所需的特殊金属粉末。

如图1和2所示，多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，包括实现等离子体金属熔融蒸发的反应器，在反应器的壳壁上设置与反应器内腔相连通的用于金属原料投加的竖直投料口8和至少一个的用于插入等离子体火炬2的入口通道；在反应器的壳壁上设置冷却区通道11，冷却区通道分为间接冷却区段9和直接冷却区段10，且间接冷却区段位于靠近反应器一端，直接冷却区段位于远离反应器另一端；在冷却区通道周围的反应器的壳壁上设置至少一条用于通入载气的载气供气口6；在间接冷却区段的内管壁上沿轴向设置用于使得金属蒸气与载气混合均匀的导流混合件13，导流混合件设置在金属蒸气凝结成核沉降区域的上游；在间接冷却区段的外管周围设置冷却介质对冷却管内的载气和金属蒸汽进行非接触式辐射传热降温。

如图1和2所示，多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，利用高温等离子体1使金属原料在高温下瞬间熔化破碎蒸发形成金属液滴/蒸气进入装置冷却区通道11。

该装置采用的金属原料形态并不受限制，可以是粉状、丝状、棒状等，其原料的尺寸可以是几毫米到几十毫米的范围内。金属原料的种类可以是钛、铂、金、银、钙、钴、铜、铁、铝、镍、锆、镁等导电金属原料。为了方便理解，以下实施例以金属铝为例进行说明，但是该实用新型适用的金属原料并不局限于金属铝。

首先由投料口8向反应器中投入一定量的金属铝，且在运行过程中根据金属铝消耗的量进行实时补充；该装置能够保证一天的连续稳定运行。

设置在反应器上部设置的等离子体炬2，由等离子体炬的阴极(负极)3与阳极(正极)间产生等离子体，而后正极转移至反应器底部的阳极5，形成的高温等离子体熔化反应器内的金属铝，形成熔融态的金属铝4。等离子体炬2提供的热量进一步的蒸发表层的熔融态金属铝，形成铝蒸气。

载气供应设置由载气入口6送入载气以载带铝蒸气。载气的种类需根据制备金属粉末的类型确定，通常来说反应器内的载气气氛为氮气、氩气或其他惰性气体气氛，从而保证制得的金属粉末满足增材制造等领域要求的极低氧含量的要求。

携带有铝蒸气的载气进入到本装置的冷却区通道11。该冷却区段由与铝蒸气/铝粉间接接触的间接冷却段9和与铝蒸气/铝粉直接接触的直接冷却段10构成。

间接冷却区段9内部的温度是实时监控的，且冷却管内外温度皆可通过调节冷却介质流量进行控制的，该冷却介质可以采用冷水、温水、乙醇、载气等。但考虑到冷却效率及冷却成本，通常采用冷水或温水作为冷却介质对间接冷却区段9进行冷却。

间接冷却段可以包含两段或两段以上不同的内径区段。通常，I级间接冷却段作为铝蒸气从反应器至间接冷却段间的过渡段；而II级间接冷却段则作为铝蒸气从间接冷却段至直接冷却段间的过渡段。I级间接冷却段的内径设置得较II级冷却段小，以保证在冷却段上游(I级间接冷却段)铝蒸气的浓度较高，能够有效成核沉降。II级冷却段铝蒸气浓度降低，而后进入直接冷却段以促进金属核在一个更均一的气氛中的结晶生长。

铝蒸气经载气携带转移至间接冷却区段时依旧维持着很高的温度，其冷却主要是靠辐射传热来实现的，在该区段由于温度是严格控制的，因而能够保证金属铝稳定均一的成核沉降，以实现最终制备所得铝粉粒径的均一、狭窄分布。

在直接冷却段，冷却介质直接通入直接冷却段冷却管内与铝蒸气/铝粉直接接触混合。直接冷却段的冷却介质可以与间接冷却段的冷却介质一致或不同。为了操作方便及成本上的考虑，建议考虑采用与载气相同的气氛进行冷却，如氮气、氩气或惰性气体。

间接冷却区段内，铝蒸气和铝粉共存，在冷却管下游铝蒸气量较上游低；铝蒸气也可能少量的与铝粉在直接冷却段内共存。但最理想的情况是调节载气流速和流速、间接冷却段和直接冷却段内径和长度等因素来实现直接冷却段载气携带的仅为铝金属核，如此得到的铝粉粒径分布最窄、最均一。

载气携带铝蒸气和铝粉分别经间接冷却段和直接冷却段后将被带入分离收集装置(图中未显示)，在该装置内可实现气固分离和载气的回收再利用。金属粉末被筛分收集；而被回收的气体则通过载气供气单元被送入载气供气口6和7。

当金属蒸气被载气由反应器带入间接冷却区段时，载气和金属蒸气混合气体的温度非常高，通常为几千摄氏度。通过辐射传热冷却，混合气体的温度逐渐下降，接近金属的沸点，金属逐渐成核并进行沉降。金属成核沉降的具体位置与金属类型、金属蒸气浓度、载气流速、金属蒸气与载气形成混合气体的温度及冷却管内的温度分布相关。

为了便于对实施例进行说明，假定金属成核沉降的区域为图3所示的标记12处。如图3所示，间接冷却区段冷却管的局部放大图显示冷却管内壁设有导流混合件，在本实施例中为楔形台阶。楔形台阶的存在，使由载气与金属蒸汽构成的混合气体内部发生混合和扰动，以避免由于间接接触式冷却装置近内壁面和近中心区域载气的流速、温度、金属液滴/蒸气的浓度的不均一性，导致的金属液滴/蒸气冷凝成核沉降时间不一致。

楔形台阶设置的数量、大小及分布方式需要根据金属类型、金属蒸气浓度、载气流速、混合气体温度、冷却管内的温度分布等实际情况来确定。若楔形台阶的尺寸太大会导致混合气体内部金属蒸气和金属核在冷却管内分布的不均一性；而若楔形台阶的尺寸太小，则起不到使近中心和近内壁面的金属蒸气与载气充分混合的作用。本实用新型具体实施例中的楔形台阶呈轴向螺旋形分布是可供参考的设计之一，但并不局限于此。

楔形台阶主要设置在间接冷却段金属成核区域的上游。台阶设置的尺寸建议控制在1～100mm的范围内，据实际情况调整。

根据金属类型的不同，为保证金属的充分熔融蒸发，反应器上不炬的设置位置可进行调整，如按照图2所示的倾斜对称布置将更有利于金属的均匀受热熔融蒸发。相应地，载气喷入口也可做适当调整。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型专利。熟悉本领域技术的人员显然可以对这些实施例做出改动，并将在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性劳动。因此，本实用新型专利不限于在此描述的实施例，本领域技术人员根据本实用新型专利的揭示，不脱离本实用新型专利的范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型专利的保护范围之内。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。