RU2167743C2

RU2167743C2 - Device for production of ultradispersed powders

Info

Publication number: RU2167743C2
Application number: RU99114468/02A
Authority: RU
Inventors: А.В. Ушаков; В.Е. Редькин; Г.Ф. Безруких; Н.П. Ушакова
Original assignee: Красноярский государственный технический университет
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: powder metallurgy, particularly, devices for production of ultradispersed powder by evaporation of metal with subsequent condensation. SUBSTANCE: device includes vacuum chamber, metal evaporator, condensation cooling surface and system of reaction gas supply. Metal evaporator is made in the form of consumable cathode, coaxial anode, trigger electrode, and the second anode combined with condensation cooling surface installed for rotation. EFFECT: higher quality and chemical purity of produced powder, extended process potentialities of device in production of powders of elementary refractory metals and complex composite materials and alloys. 1 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению ультрадисперсных порошков испарением металла и последующей конденсации. The invention relates to powder metallurgy, in particular to the production of ultrafine powders by evaporation of a metal and subsequent condensation.

Известен испаритель для металлов и сплавов, содержащий цилиндрический экран-нагреватель с отверстиями для выхода пара, торцевые крышки-тоководы, контейнер для расплава, расположенный соосно внутри цилиндрического экрана-нагревателя и выполненный в виде отдельных, соединенных соосно между собой цилиндрических ячеек, образующих емкость для расплава, причем каждая ячейка ограничена с боковых сторон перфорированными крышками и прокладками из пористого углеродистого материала и расположена на осевых элементах с внутренним каналом для подачи расплава в контейнер (см. патент N 2118398, Россия, МПК⁶ С 23 С 14/24, опубл. 27.08.98).A known evaporator for metals and alloys containing a cylindrical screen-heater with holes for the exit of steam, end caps-current leads, a container for the melt located coaxially inside the cylindrical screen-heater and made in the form of separate, connected coaxially between each other cylindrical cells forming a container for melt, and each cell is limited on the sides by perforated covers and gaskets of porous carbon material and is located on the axial elements with an internal channel for cottages melt in the container (see. patent N 2118398, Russia, IPC ⁶ C 23 C 14/24, publ. 08.27.98).

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения ультрадисперсных металлических порошков, содержащее испаритель металла, выполненный в виде коаксиально установленных стаканов с образованием кольцевой полости для расплава и общим дном, систему подачи несущего газа и генератор плазмы, выполненный в виде полого катода, размещенного в испарителе по оси внутреннего стакана, и сопла-анода, установленного в донной части последнего (см. патент N 2116868, Россия, МПК⁶ В 22 F 9/12, опубл. 10.08.98).The closest to the described invention in technical essence and the achieved result is a device for producing ultrafine metal powders containing a metal evaporator made in the form of coaxially mounted glasses with the formation of an annular cavity for the melt and a common bottom, a carrier gas supply system and a plasma generator made in the form hollow cathode placed in the evaporator along the axis of the inner cup, and the anode nozzle installed in the bottom of the latter (see patent N 2116868, Russia, IPC ⁶ V 22 F 9/12, publ. 08/10/98).

Недостатками указанных устройств является применение в них нагреваемых тиглей для расплава, в результате конечный продукт оказывается загрязнен продуктами химического взаимодействия расплава со стенками тигля и с остаточными газами. Кроме того, применение нагревательных тиглей не позволяет получать порошки тугоплавких металлов, сложных сплавов и композиционных материалов. The disadvantages of these devices is the use of heated crucibles for melt in them, as a result, the final product is contaminated by the products of chemical interaction of the melt with the walls of the crucible and with residual gases. In addition, the use of heating crucibles does not allow to obtain powders of refractory metals, complex alloys and composite materials.

Задачей изобретения является повышение качества и химической чистоты получаемого порошка и расширение технологических возможностей устройства при получении порошков простых тугоплавких металлов и сложнокомпозиционных материалов и сплавов. The objective of the invention is to improve the quality and chemical purity of the obtained powder and expand the technological capabilities of the device when producing powders of simple refractory metals and complex materials and alloys.

Поставленная задача получения ультрадисперсных порошков достигается тем, что в устройстве, включающем в себя вакуумную камеру, испаритель металла, охлаждаемую поверхность конденсации, систему подачи реакционного газа, согласно изобретению испаритель металла выполнен в виде охлаждаемого расходуемого катода, снабженного коаксиальным анодом, поджигающим электродом и вторым анодом, совмещенным с охлаждаемой поверхностью конденсации, установленной с возможностью вращения. The task of obtaining ultrafine powders is achieved by the fact that in a device comprising a vacuum chamber, a metal evaporator, a cooled condensation surface, a reaction gas supply system, according to the invention, the metal evaporator is made in the form of a cooled sacrificial cathode equipped with a coaxial anode, an ignition electrode and a second anode combined with a cooled condensation surface mounted for rotation.

Преимущества заявляемого устройства заключаются в том, что испаритель металла выполнен в виде охлаждаемого расходуемого катода, снабженного поджигающим электродом, коаксиальным анодом и вторым анодом, совмещенным с движущейся охлаждаемой поверхностью конденсации, что позволяет избежать загрязнений порошка продуктами химического взаимодействия расплава с материалами испарителя и остаточными газами и расширить технологические возможности. The advantages of the inventive device are that the metal evaporator is made in the form of a cooled consumable cathode equipped with a firing electrode, a coaxial anode and a second anode combined with a moving cooled condensation surface, which avoids powder contamination by the products of the chemical interaction of the melt with the materials of the evaporator and residual gases and expand technological capabilities.

В основе изобретения лежат процессы, происходящие в катодном пятне вакуумного дугового разряда. Благодаря высокой плотности катодного тока процесс нагрева и испарения металла носит взрывной характер. В результате микровзрывного испарения поверхности катода материал катода без изменения химического состава с большой скоростью переносится на поверхность конденсации. Продукты эрозии содержат электроны, ионы, нейтральные атомы и микрокапельную фракцию, размеры частиц в которой варьируются от нескольких атомных порядков до нескольких микрометров. В нашем случае используется в основном микрокапельная фракция, которую условно можно разделить на две категории по размерам частиц: первая с размером частиц от 1 нм до 1 мкм и вторая с размером частиц от 1 мкм и выше. При увеличении тока дуги и температуры катода растет скорость эрозии катода, а вместе с тем производительность, но и как нежелательное явление количество капель второй категории. Благодаря высокой скорости до 10³ м/с разлета частиц уменьшается количество актов столкновения с остаточными газами и, следовательно, поддерживается высокая степень эффективной вакуумной чистоты. Из-за того что импульсы у частиц с разной массой разные, продукты испарения поддаются гравитационной сепарации непосредственно в процессе испарения. Импульсный характер дугового разряда обеспечивает: снижение паразитных электронных токов, улучшенный тепловой баланс на поверхности катода, увеличение скорости разлета испарившегося металла, снижение доли крупных, более 1 мкм, частиц, уменьшение количества актов агломерации частиц в паровой фазе, увеличение производительности установки.The invention is based on the processes occurring in the cathode spot of a vacuum arc discharge. Due to the high density of the cathode current, the process of heating and evaporation of the metal is explosive. As a result of microexplosive evaporation of the cathode surface, the cathode material is transferred to the condensation surface at high speed without changing the chemical composition. Erosion products contain electrons, ions, neutral atoms, and a droplet fraction, the particle sizes of which vary from several atomic orders to several micrometers. In our case, the microdroplet fraction is mainly used, which can be conditionally divided into two categories according to particle sizes: the first with a particle size of 1 nm to 1 μm and the second with a particle size of 1 μm and above. With increasing arc current and cathode temperature, the cathode erosion rate increases, and at the same time, the productivity, but also as an undesirable phenomenon, is the number of drops of the second category. Due to the high speed of up to 10 ³ m / s of particle expansion, the number of collisions with residual gases is reduced and, therefore, a high degree of effective vacuum purity is maintained. Due to the fact that the pulses of particles with different masses are different, the products of evaporation are amenable to gravitational separation directly in the process of evaporation. The pulsed nature of the arc discharge provides: a decrease in stray electronic currents, an improved thermal balance on the cathode surface, an increase in the expansion velocity of the evaporated metal, a decrease in the fraction of large particles larger than 1 μm, a decrease in the number of particle agglomeration events in the vapor phase, and an increase in the plant productivity.

На чертеже показано предлагаемое устройство, поперечный разрез. The drawing shows the proposed device, a cross section.

В вакуумной камере 1 установлен импульсный дуговой испаритель 2 металла на боковой стенке камеры. Импульсный дуговой испаритель 2 состоит из цилиндрического охлаждаемого расходуемого катода 3 с пристыкованным к нему токоподводом 4 для подачи электропитания и охлаждающей жидкости, коаксиального охлаждаемого анода 5, прикрепленного к катоду 3 с помощью фторопластового изолятора 6, системы подмагничивания 7, установленной внутри анода 5, фланца 8, прикрепленного к стенке камеры 1 и к аноду 5 при помощи фторопластовых изоляторов 9 и 10, анода 11, совмещенного с цилиндрической охлаждаемой поверхностью конденсации, установленной с возможностью вращения вокруг катода 3, поджигающего электрода 12, с пристыкованным к нему токоподводом 13, крепящемся в отверстии 14 во фланце 8 при помощи фторопластового изолятора 15. Поджигающий электрод 12 состоит из металлического стержня-электрода 16, прикрепленного к трубке-электроду 17 при помощи керамического изолятора 18. Электропитание дежурной дуги А осуществляется при помощи системы питания 19, "минус" питания которой подключен через систему подмагничивания 7 к токоподводу 4, а "плюс" питания - к коаксиальному аноду 5. Электропитание импульсной сильноточной дуги осуществляется при помощи системы питания 20, "общий" провод которой подключен к аноду 11, а отрицательные импульсы подаются через систему подмагничивания 7 на токоподвод 4. Электропитание поджигающего электрода 12 осуществляется при помощи системы питания 21, подключенной к токоподводу 13 поджигающего электрода 12. У поверхности конденсации установлен механизм съема 22 образующегося порошка. Для сбора порошка в нижней части вакуумной камеры установлен бункер 23. В верхней части вакуумной камеры 1 установлена система подачи реакционного газа 24. In the vacuum chamber 1 is installed a pulsed arc evaporator 2 of metal on the side wall of the chamber. A pulsed arc evaporator 2 consists of a cylindrical cooled consumable cathode 3 with a current supply 4 attached to it for supplying power and cooling liquid, a coaxial cooled anode 5, attached to the cathode 3 using a fluoroplastic insulator 6, a magnetization system 7 installed inside the anode 5, flange 8 attached to the wall of the chamber 1 and to the anode 5 by means of fluoroplastic insulators 9 and 10, the anode 11, combined with a cylindrical cooled surface of condensation, installed with the possibility growth around the cathode 3, the ignition electrode 12, with a current lead 13 docked to it, mounted in the hole 14 in the flange 8 using a fluoroplastic insulator 15. The ignition electrode 12 consists of a metal rod electrode 16 attached to the electrode tube 17 with a ceramic insulator 18. The power supply of the standby arc A is carried out using the power supply system 19, the “minus” of the power supply of which is connected through the magnetization system 7 to the current lead 4, and the “plus” of power supply is connected to the coaxial anode 5. The pulsed power supply is strong an accurate arc is carried out using the power system 20, the “common” wire of which is connected to the anode 11, and negative pulses are fed through the magnetization system 7 to the current lead 4. The ignition electrode 12 is powered by the power system 21 connected to the current lead 13 of the ignition electrode 12. At the condensation surface, a mechanism for removing 22 of the resulting powder is installed. To collect the powder, a hopper 23 is installed in the lower part of the vacuum chamber 23. In the upper part of the vacuum chamber 1, a reaction gas supply system 24 is installed.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

После достижения в вакуумной камере 1 давления 1,33•10^-3 Па включаются системы питания 21, 19 и 20. На поджигающий электрод 12 при помощи системы питания 21 подается высоковольтный импульс с амплитудой 25 кВ, достаточной, чтобы между электродами 16 и 17 по поверхности керамического изолятора 18 произошел электрический пробой. В результате пробоя пространство между катодом 3 и анодом 5 оказывается ионизованным, что облегчает зажигание дежурной дуги. Дежурный дуговой разряд между катодом 3 и анодом 5 с током 16 А поддерживается при помощи системы питания 19. Величина тока выбрана минимально необходимой для поддержания устойчивого дугового разряда. В результате загорания дежурной дуги пространство между катодом 3 и анодом 11 оказывается ионизованным, что облегчает зажигание импульсной сильноточной дуги. Импульсный дуговой разряд с частотой 1 кГц, длительностью импульса 250 мкс и амплитудой тока в импульсе 2,3 кА поддерживается при помощи системы питания 20. Система подмагничивания 7 включена в токовую цепь катода 3 и служит для стабилизации работы дугового испарителя. В процессе испарения материала катода 4 в дуговом разряде паровой поток поступает на вращающуюся охлаждаемую поверхность конденсации 11, осаждается на ней и в виде порошка снимается устройством 22. Полученный порошок собирается в бункере 23. Дисперсность регулируется гравитационным сепарированием. Чем дальше от дугового испарителя, тем более тонкие порошки. Средний размер получаемых порошков составил 0,2 мкм. Производительность установки составляет 10 кг/ч. Химический состав получаемых порошков с точностью до 10^-3% повторяет химический состав исходного металла расходуемого охлаждаемого катода в отличие от испарителей с тигельным нагревом исходного материала, в которых лучшая чистота составляет 10^-2% примесей и не всегда удается повторить необходимый химический состав. Установка позволяет получать порошки как чистых металлов, так и химические соединения металла с кислородом, азотом, углеродом и кремнием, для чего предусмотрена система 24 подачи реакционного газа.After the pressure in the vacuum chamber 1 is reached 1.33 • 10 ^-3 Pa, the power systems 21, 19 and 20 are turned on. A high-voltage pulse with an amplitude of 25 kV is supplied to the ignition electrode 12 with the power system 21, so that between the electrodes 16 and 17 The surface of the ceramic insulator 18 has an electrical breakdown. As a result of the breakdown, the space between the cathode 3 and the anode 5 is ionized, which facilitates the ignition of the arc on duty. A standby arc discharge between the cathode 3 and the anode 5 with a current of 16 A is supported by the power system 19. The current value is chosen as the minimum necessary to maintain a stable arc discharge. As a result of the ignition of the arc on duty, the space between the cathode 3 and the anode 11 is ionized, which facilitates the ignition of a pulsed high-current arc. A pulsed arc discharge with a frequency of 1 kHz, a pulse duration of 250 μs, and a current amplitude of 2.3 kA per pulse is supported by the power system 20. The bias system 7 is included in the current circuit of the cathode 3 and serves to stabilize the operation of the arc evaporator. During the evaporation of the cathode material 4 in an arc discharge, the vapor stream enters the rotating cooled condensation surface 11, is deposited on it and is removed in the form of powder by the device 22. The resulting powder is collected in the hopper 23. The dispersion is controlled by gravity separation. The farther from the arc evaporator, the finer the powders. The average size of the obtained powders was 0.2 μm. The plant capacity is 10 kg / h. The chemical composition of the obtained powders with an accuracy of 10 ^-3 % repeats the chemical composition of the starting metal of a consumable cooled cathode, in contrast to evaporators with crucible heating of the starting material, in which the best purity is 10 ^-2 % of impurities and it is not always possible to repeat the necessary chemical composition. The installation allows to obtain powders of both pure metals and chemical compounds of metal with oxygen, nitrogen, carbon and silicon, for which a system 24 for supplying reaction gas is provided.

Пример 1. Получение высокодисперсных порошков алюминия и его соединений с кислородом. Example 1. Obtaining fine powders of aluminum and its compounds with oxygen.

Вакуумная камера 1 откачивается до давления 1,33•10^-3 Па. Расходуемый катод 7 выполнен из алюминия марки АВ-00. Для получения порошка чистого алюминия последовательно включаются системы питания 19, 21 и 20. Газ не подается. Для получения электропроводного порошка алюминия с тонкой пленкой окиси алюминия в камеру 1 дополнительно напускается кислород до давления 7•10^-3 Па, после чего напускается аргон до давления 1,33 Па при помощи системы 24 подачи реакционного газа. Для получения порошка окиси алюминия в камеру 1 дополнительно напускается кислород до давления 5•10^-1 Па, после чего напускается аргон до давления 1,33 Па при помощи системы 24 подачи реакционного газа.The vacuum chamber 1 is pumped out to a pressure of 1.33 • 10 ^-3 Pa. Consumable cathode 7 is made of aluminum grade AB-00. To obtain pure aluminum powder, power systems 19, 21 and 20 are switched on in series. No gas is supplied. To obtain an electrically conductive aluminum powder with a thin film of aluminum oxide, oxygen is additionally introduced into chamber 1 to a pressure of 7 • 10 ^-3 Pa, after which argon is introduced to a pressure of 1.33 Pa using the reaction gas supply system 24. To obtain an alumina powder, oxygen is additionally introduced into chamber 1 to a pressure of 5 • 10 ^-1 Pa, after which argon is introduced to a pressure of 1.33 Pa using the reaction gas supply system 24.

Таким образом, применение импульсного дугового испарителя с охлаждаемым расходуемым катодом позволяет получать ультрадисперсные порошки повышенной чистоты и расширенного ассортимента. Thus, the use of a pulsed arc evaporator with a cooled consumable cathode makes it possible to obtain ultrafine powders of high purity and an expanded assortment.

Claims

A device for producing ultrafine powder, including a vacuum chamber, a metal evaporator, a cooled condensation surface and a reaction gas supply system, characterized in that the metal evaporator is made in the form of a sacrificial cathode equipped with a coaxial anode, an ignition electrode and a second anode, combined with the cooled surface condensation mounted rotatably.