多头等离子非转移弧聚合制取高纯金属粉体的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属粉体制取装置技术领域，特指一种多头等离子非转移弧聚合制取高纯微纳级或合金微纳级金属粉体的装置及方法。
【背景技术】
[0002]中国专利CN102211197 B公开了一种《金属蒸发装置及用该装置制备超微细金属粉末的方法》，该装置包括坩祸(1)、等离子体转移弧炬(2)、等离子体转移弧(3)、石墨(4)、外加电源和导线，他们之间构成电回路;所述的等离子体转移弧炬(2)中设有供气体进入的进气管(2.1);所述的等离子体转移弧(3)置于等离子体转移弧炬(2)和坩祸(1)之间；所述的石墨(4)设于坩祸(1)的底部，所述的等离子体转移弧(3)的上方设有供金属原料加入的进料管(2.2)，其不足之处在于:一是等离子体转移弧弧(3)需要配套使用石墨(4)以及坩祸(1)，使得设备使用的原材料多，生产成本高;二是蒸发炉内设置耐高温的坩祸和对坩祸进行保温的保温材料，在高温近沸点的熔融液态将金属材料蒸发成金属气体时，蒸发炉内腔在负压常态下极容易将坩祸内的杂质和坩祸自身物质元素及保温材料中的杂质元素污染掺杂到高纯金属蒸发气体中，造成高纯金属或高纯合金金属严重的二次污染，无法达到生产高纯金属或高纯合金金属粉体材料的目的，严重影响所产高纯金属或高纯合金金属微纳粉体材料的质量，造成高端电子产品、新能源行业、航天航空行业对高纯金属或高纯合金金属微纳粉体材料的需求及应用;三是合金材料在坩祸内高温近沸点温度状态下进行蒸发，引起合金材料各不相同的沸点温度，其沸点温度差别很大，在高温熔融状态下，造成坩祸内的低沸点温度的金属材料大量提前蒸发，高沸点温度金属材料缓慢蒸发(如①锡银合金:锡的沸点温度是2602°C，银沸点温度是2162°C;②铜锌合金:铜的沸点温度是2562°C，锌的沸点温度是907°C)，造成所需配比的合金材料根本无法同步按比例均匀蒸发，无法达到要求比例的合金粉体材料。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种多头等离子非转移弧聚合制取高纯金属粉体的装置及方法。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
[0005]多头等离子非转移弧聚合制取高纯金属粉体的装置，包括由炉壁与炉盖连接成的蒸发炉，所述炉盖上设置有进料管，进料管外侧的炉盖外表面上布设有两个以上的等离子非转移弧枪，进料管的出料口和等离子非转移弧枪的喷头均伸入蒸发炉内腔内，出料管的一端与蒸发炉内腔连通、另一端与带有排料管的收集器的进料口连通，收集器的出气口上安装有气固分离器，气固分离器的出气口通过冷却管依次连接抽风机、热交换器后与蒸发炉内腔循环连通，伸出炉盖外侧的进料管连接流量控制阀后与储料桶的内腔连通，与冷却管的内腔连通的管路或部件上安装有真空栗。
[0006]上述等离子非转移弧枪有2—10支，每支等离子非转移弧枪的轴线与蒸发炉的轴线夹角为5—40度，所有的等离子非转移弧枪的轴线与进料管的轴线相交于一点，等离子非转移弧枪由等离子电弧柜提供电源。
[0007]上述进料管的内径为0.5—10mm。
[0008]上述的出料管由外到内依次设置有冷却水套层、保温材料层、耐高温材料层，所述的耐高温材料是氧化锆或石墨或耐高温合成材料或耐高温石英材料。
[0009]上述的炉壁和炉盖均为双层不锈钢水套结构，炉壁和炉盖上设置有与双层不锈钢水套连通的进出水接头，炉盖或炉壁上设置有观察蒸发炉内部情况的视镜。
[0010]上述的喷头伸入蒸发炉内腔的并在伸入蒸发炉内腔的喷头的外表面包覆有耐高温材料制成的护套，所述的护套是用氧化锆或石墨或耐高温合成材料或耐高温石英材料制造的。
[0011 ]上述收集器的具体结构是:收集器外壳带有冷却水套，冷却水套的外层安装有进水口和出水口，收集器内腔内设置的横向的隔板将收集器内腔分割成上腔和下腔，下腔内间隔排列有气固分离过滤管，气固分离过滤管的下端封闭、上端连接的连接管穿过隔板后开口于上腔，上腔内的每个连接管上均设置有气体反吹用的电磁控制阀，电磁控制阀与隔板之间的连接管上通过三叉管连接有与高压储气罐连通的供气管，所述的出料管与收集器的下腔连通，所述收集器的出气口设置在收集器的上腔上，所述的气体反吹用的电磁控制阀由控制器控制。
[0012]上述冷却管上连通有分别与出料管和收集器的下腔连通的冷却用支气管。
[0013]上述气固分离过滤管的外径为8—85mm，气固分离过滤管的壁厚均为1一5mm，所述气固分离过滤管有8—80根，下腔内气固分离过滤管的长度为20—3000mm，相邻两气固分离过滤管外壁之间的距离为1 一500mm，最外边的气固分离过滤管外壁与收集器内壁之间的距离为 1一500mm。
[0014]上述的多头等离子非转移弧聚合制取高纯金属粉体的装置制取高纯金属粉体的方法，包括如下步骤:
[0015](1)启动真空栗，将蒸发炉内腔、收集器内腔以及循环连通的出料管内腔、冷却管内腔抽真空后，注入10—90KPa的惰性气体；
[0016](2)将单一固体金属或金属合金粉碎研磨成1 一300um的金属粉末，将该金属粉末投入储料桶内；
[0017](3)启动等离子电弧柜使等离子非转移弧枪工作，开启蒸发炉、收集器上的循环冷却水装置，启动收集器、气固分离器、抽风机、热交换器、蒸发炉组成的冷气循环系统，以控制蒸发炉内腔、出料管内腔、冷却管内腔、收集器内腔的温度；
[0018](4)通过进料管上的阀门及流量控制阀将储料桶内储存的金属粉末定量且连续地从进料管的轴线方向送入蒸发炉内腔与等离子非转移弧枪喷射的弧光相交瞬间气化成气态金属；
[0019](5)待蒸发炉内的气态金属达到一定的浓度或气化一定时间后，启动真空栗及抽风机，气态金属经过出料管进入收集器的下腔，经过气固分离过滤管的过滤，气体有一路与真空栗连通保持收集器内腔的真空度、另一路经气固分离器、抽风机、热交换器、气体净化过滤器后回蒸发炉内腔，部分气体经支气管进入出料管和收集器的下腔参与冷却降温，经过气固分离过滤管过滤后的超细金属粉末由收集器下腔的排料管定期排出；
[0020](6)由控制器控制的电磁控制阀将高压储气罐内储存的高压气体通过三叉管供气管定期送入气固分离过滤管的中心孔内反吹，将封堵在气固分离过滤管微孔上以及收集器内腔侧壁上的超细金属粉末吹下经排料管定期排出。
[0021 ]上述的纳米金属为纳米级的娃、银、锡、铜、招、铅、络、猛之一，所述的纳米金属合金为纳米级的锡铜银合金或铜镍合金或铜锰合金等纳米金属合金，所述的惰性气体为氮气或氩气之一，惰性气体的注入量最好为60—70KPa。
[0022]本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是:
[0023]1、本发明的蒸发炉内不设置耐高温的坩祸和对坩祸进行好保温的保温材料，避免了高温金属材料在高温近沸点的熔融液态蒸发金属气体时，蒸发炉内腔在负压常态下将坩祸内的杂质、坩祸自身物质元素及保温材料中的杂质元素污染掺杂到高纯金属蒸发气体中，避免了现有技术中的上述杂质造成的金属粉末的二次污染，生产的单一金属或合金金属粉末的纯度高。
[0024]2、本发明的蒸发炉的等离子非转移弧枪的轴线与蒸发炉的轴线相交于一点，1一300um的金属粉末原料从进料管定量缓慢加料进入蒸发炉的内腔后，在所述的相交点经过高温瞬间蒸发成气态金属，经收集器制造出30—1200nm的超细金属粉末，特别是对于两种以上的金属合金而言，加工出的超细金属粉末的均匀性好、所需配比的均匀度高、合金比准确，有利于后期各种电子浆料、焊接胶体材料的制作及应用。
[0025]3、本发明适用于高端电子产品、新能源行业、航天航空行业对纳米级高纯金属或纳米级高纯合金金属粉体材料的需求及应用。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的结构原理示意图。
[0027]图2是图1中收集器的局部放大示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1一图2:
[0029]多头等离子非转移弧聚合制取高纯金属粉体的装置，包括由炉壁11与炉盖23连接成的蒸发炉12，所述炉盖23上设置有进料管20，进料管20外侧的炉盖23外表面上布设有两个以上的等离子非转移弧枪17，进料管20的出料口和等离子非转移弧枪17的喷头22均伸入蒸发炉内腔41内，出料管24的一端与蒸发炉内腔41连通、另一端与带有排料管28的收集器50的进料口 51连通，收集器50的出气口上安装有气固分离器30，气固分离器30的出气口通过冷却管32依次连接抽风机31、热交换器35后与蒸发炉12内腔循环连通，伸出炉盖23外侧的进料管20连接流量控制阀19后与储料桶18的内腔连通，与冷却管的内腔连通的管路或部件上安装有真空栗29，所述的部件是收集器50或蒸发炉12等，目的是对收集器50或蒸发炉12的内腔抽真空以达到负压循环的目的。
[0030]上述等离子非转移弧枪17有2—10支，每支等离子非转移弧枪17的轴线与蒸发炉12的轴线夹角为5—40度，所有的等离子非转移弧枪17的轴线14与进料管20的轴线13相交于一点B，等离子非转移弧枪17由等离子电弧柜15提供电源。
[0031]上述进料管20的内径为0.5—10mm。
[0032]上述进料管20上的流量控制阀19的上侧间隔设置有两个以上的阀门34，两个阀门34交替开关，经流量控制阀19控制流量，可用于不停机进料，所述的出料管24由外到内依次设置有冷却水套层、保温材料层、耐高温材料层，所述的耐高温材料是氧化锆或石墨或耐高温合成材料或耐高温石英材料。
[0033]上述的炉壁11和炉盖23均为双层不锈钢水套结构，炉壁11和炉盖23上设置有与双层不锈钢水套连通的进出水接头10、40，炉盖23或炉壁上设置有观察蒸发炉12内部情况的视镜16。
[0034]上述的喷头伸入