[go: up one dir, main page]

RU2846419C2 - Method of producing powder with core-shell structure - Google Patents

Method of producing powder with core-shell structure

Info

Publication number
RU2846419C2
RU2846419C2 RU2023136451A RU2023136451A RU2846419C2 RU 2846419 C2 RU2846419 C2 RU 2846419C2 RU 2023136451 A RU2023136451 A RU 2023136451A RU 2023136451 A RU2023136451 A RU 2023136451A RU 2846419 C2 RU2846419 C2 RU 2846419C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
core
shell
particles
precursor
Prior art date
Application number
RU2023136451A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2023136451A (en
Inventor
Дмитрий Олегович Чухланцев
Владимир Павлович Умнов
Виктор Игоревич Ясевич
Алексей Борисович Халявин
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Дисперсные Материалы"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Дисперсные Материалы" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Дисперсные Материалы"
Publication of RU2023136451A publication Critical patent/RU2023136451A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2846419C2 publication Critical patent/RU2846419C2/en

Links

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of powder materials with core-shell particle structure. It can be used for production of powders with combination of various metals of core and shell. Powder of core material is supplied by means of dosing disc rotating at constant speed and moving the above particles of core material to the zone of outlet nozzle, in which the above particles of core material powder are mixed with inert gas flow so that gas-powder mixture is obtained. Obtained mix is fed via pipeline into plasmatron working zone via annular nozzle to make annular powder flow along the perimeter of annular nozzle wall. Plasma arc is used to heat precursor end surface of shell material to produce liquid ply at translational displacement of said shell precursor along its axis. Core particles are then spheroidised, the shell material is deposited on the core particles and cooled in an inert gas to form particles with a core-shell structure.
EFFECT: higher efficiency and quality of produced powder particles.
6 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к способам получения порошковых материалов со структурой ядро - оболочка с использованием плазменной технологии.The invention relates to methods for producing powder materials with a core-shell structure using plasma technology.

Уровень техникиState of the art

Известен способ получения порошковых материалов типа ядро /оболочка размерностью до наночастиц с использованием плазменной технологии (RU2620318, дата публикации 24.05.2017), включающий в себя процесс, вызывающий образование плазмы в растворе, для извлечения из раствора солей двух металлов, которые растворены в этом растворе последовательным осаждением первого металла, образующего ядро и второго металла, образующего оболочку. Прикладывая напряжение между электродами в растворе, он локально нагревается между электродами, и в образующихся мелкодисперсных пузырьках происходит пробой изоляции, и начинается плазменный разряд. При этом на первом этапе генерируют плазму первой мощности для генерирования плазмы с тем, чтобы селективно вызвать высаживание первого металла и сформировать наночастицы в качестве ядра и на втором этапе прикладывают вторую мощность, которая больше, чем упомянутая первая мощность, чтобы вызвать генерирование плазмы с тем, чтобы производить высаживание второго металла, который имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем первый металл, на поверхности упомянутых сердцевин для того, чтобы сформировать оболочки, которые состоят из второго металла. Критерием оценки для переключения мощности является прекращения осаждения первого металла и начала осаждения второго металла, когда ядро, которое образовано первым металлом, увеличивается до размера, достаточно большого, чтобы начать формирование оболочки вторым металлом. Чтобы начать формирование оболочки из второго металла, размер ядра, образованной первым металлом, предпочтительно находится в диапазоне более нескольких нм.A method for producing core/shell powder materials of nanoparticle size using plasma technology is known (RU2620318, publication date 24.05.2017), which includes a process causing the formation of plasma in a solution to extract from the solution salts of two metals that are dissolved in this solution by successive precipitation of the first metal, which forms the core, and the second metal, which forms the shell. By applying voltage between the electrodes in the solution, it is locally heated between the electrodes, and in the resulting finely dispersed bubbles, insulation breakdown occurs, and a plasma discharge begins. In this case, at the first stage, a plasma of the first power is generated to generate plasma in order to selectively cause the deposition of the first metal and to form nanoparticles as a core, and at the second stage, a second power is applied, which is greater than the said first power, in order to cause the generation of plasma in order to deposit the second metal, which has a lower oxidation-reduction potential than the first metal, on the surface of the said cores in order to form shells that consist of the second metal. The evaluation criterion for switching the power is the termination of the deposition of the first metal and the beginning of the deposition of the second metal, when the core, which is formed by the first metal, increases to a size large enough to begin the formation of the shell by the second metal. In order to begin the formation of the shell from the second metal, the size of the core formed by the first metal is preferably in the range of more than several nm.

Недостатком известного способа является сложность определения достаточно точного момента переключения мощности в зависимости от размера частиц ядра. Предложенный метод переключения в зависимости от величины коэффициента пропускания раствора, который достигает заданного значения (рекомендуется в диапазоне 3-5%), требует UV-Vis анализа с использованием спектрометрии ультрафиолетового и видимого света, что является сложным процессом. Кроме этого перед нанесением оболочки полученные частицы ядра извлекают из раствора, промывают и удаляют с из поверхности примеси, что является технологически сложным и требует выполнения в вакууме или среде инертного газа, для избежания окисления поверхности ядра.The disadvantage of the known method is the difficulty of determining a sufficiently accurate moment of switching the power depending on the size of the core particles. The proposed method of switching depending on the value of the solution transmission coefficient, which reaches a given value (recommended in the range of 3-5%), requires UV-Vis analysis using ultraviolet and visible light spectrometry, which is a complex process. In addition, before applying the shell, the obtained core particles are extracted from the solution, washed and impurities are removed from the surface, which is technologically complex and requires execution in a vacuum or inert gas environment to avoid oxidation of the core surface.

Известен способ получения порошковых материалов типа ядро-оболочка с использованием плазменной технологии (CN105328182, дата публикации 29.09.2016). В известном способе получают структурированный медный нанопорошковый материал ʺядро-оболочкаʺ с покрытием серебром. При этом порошок меди и порошок серебра с массовой долей чистоты 99,9% взвешивают и равномерно перемешивают, а затем прессуют в корпус блока в качестве анодного материала плазменно-дуговой печи. Один блок содержит 16 г порошка меди и 4 г порошка серебра. Металлический вольфрам или графит используются в качестве катодного материала плазменно-дуговой печи, а в качестве рабочего газа используются газообразный аргон и газообразный водород, при этом объемное соотношение газообразного аргона составляет от 50% до 100%. Сначала пропускается охлаждающая вода, рабочая камера вакуумируется, и используется неоднократно. Производится очистка и промывка аргоном высокой чистоты. Для создания дуги между анодом и катодом используется источник питания постоянного тока, при этом рабочий ток составляет 60-100 А, при этом рабочий ток и напряжение поддерживаются относительно стабильными воA method for producing core-shell powder materials using plasma technology is known (CN105328182, publication date 09/29/2016). In the known method, a structured copper nanopowder "core-shell" material with a silver coating is obtained. In this case, copper powder and silver powder with a mass fraction of purity of 99.9% are weighed and uniformly mixed, and then pressed into a block body as an anode material of a plasma-arc furnace. One block contains 16 g of copper powder and 4 g of silver powder. Metallic tungsten or graphite are used as a cathode material of the plasma-arc furnace, and gaseous argon and gaseous hydrogen are used as a working gas, while the volume ratio of gaseous argon is from 50% to 100%. First, cooling water is passed through, the working chamber is evacuated, and used repeatedly. Cleaning and washing with high-purity argon are performed. A DC power source is used to create an arc between the anode and cathode, with the operating current being 60-100 A, and the operating current and voltage are kept relatively stable during

время дугового разряда, сохраняя постоянное значение в течение 0.5 ~ 1 часа. С помощью дугового разряда выполняют быстрый нагрев, расплавление и испарение анодного металла с образованием паров металла; температура плавления меди составляет 1083°С, температура плавления серебра составляет 960,7°С. Во время процесса пары меди с более высокой температурой плавления сначала конденсируются в наночастицы меди, а пары серебра с более низкой температурой плавления легко адсорбируются на поверхности частиц меди. Когда температура падает ниже точки плавления серебра, образуется покрытое серебром медное наноядро со структурой ядро-оболочка. Затем питание отключается и вводится газообразный аргон для пассивирующей обработки. Время пассивации составляет до 2 часов.arc discharge time, maintaining a constant value for 0.5 ~ 1 hour. Through arc discharge, rapid heating, melting and evaporation of the anode metal are realized to form metal vapor; the melting point of copper is 1083 °C, and the melting point of silver is 960.7 °C. During the process, copper vapor with a higher melting point first condenses into copper nanoparticles, and silver vapor with a lower melting point is easily adsorbed on the surface of copper particles. When the temperature drops below the melting point of silver, a silver-coated copper nanocore with a core-shell structure is formed. Then the power is turned off and argon gas is introduced for passivation treatment. The passivation time is up to 2 hours.

Известен способ получения порошковых материалов типа ядро - оболочка с использованием плазменной технологии (CN105127437, дата публикации 09.12.2015), аналогичный предыдущему способу, в котором серебром покрывают частицы железа. При этом производят прессование различных пропорций порошка металлического железа и порошка серебра в блок, который будет использоваться в качестве анодного материала плазменно-дуговой печи. (Массовая доля серебра в анодном материале составляет от 10 до 25%). В качестве катодного материала используют металлический вольфрам или графит, а аргон и водород в качестве рабочего газа. Выполняют пассивацию через определенный промежуток времени, чтобы получить нанопорошковый материал железа, покрытый серебром, диаметр частиц которого составляет 30-70 нм и имеет структуру ядро-оболочка.A method for producing core-shell powder materials using plasma technology (CN105127437, publication date 09.12.2015) is known, similar to the previous method, in which iron particles are coated with silver. In this case, various proportions of metallic iron powder and silver powder are pressed into a block, which will be used as the anode material of a plasma-arc furnace. (The mass fraction of silver in the anode material is from 10 to 25%). Metallic tungsten or graphite is used as the cathode material, and argon and hydrogen are used as the working gas. Passivation is performed after a certain period of time to obtain a nanopowder iron material coated with silver, the particle diameter of which is 30-70 nm and has a core-shell structure.

Общим недостатком двух, приведенных выше способов получения порошковых материалов типа ядро - оболочка с использованием плазменной технологии является низкая производительность процесса, обусловленная малой массой исходного блока спрессованных исходных порошков и необходимостью очистки рабочей камеры и сбора полученного нанопорошка с боковой стенки и верхней крышки плазменно-дуговой печи после нескольких циклов получения порошка. Кроме этого при получении порошка может не обеспечиваться необходимая его сферичность вследствие неравномерной конденсации материала оболочки на поверхности ядра.The common disadvantage of the two above methods for obtaining core-shell powder materials using plasma technology is the low productivity of the process, due to the small mass of the initial block of pressed initial powders and the need to clean the working chamber and collect the obtained nanopowder from the side wall and the top cover of the plasma-arc furnace after several cycles of obtaining the powder. In addition, when obtaining the powder, the required sphericity may not be ensured due to uneven condensation of the shell material on the surface of the core.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков, принятый в качестве прототипа, является известный способ получения порошка со структурой ядро-оболочка с использованием, в частности, плазменной технологии (CN111872378, дата публикации 03.11.2020), в котором порошок для ядра сферической формы с помощью насоса и кольцевого механизма транспортируют из устройства для хранения в камеру распыления через кольцевой канал порошка с образованием кольцевого порошкового потока по периметру стенки кольцевого канала. В качестве прекурсора для формирования оболочки используют металлические прутки из необходимого материала диаметром от 10 до 200 мм. Торцевую поверхность прутка нагревают плазменной, электрической дугой или электронным лучом с образованием на ней жидкого слоя. Пруток вращают вокруг оси с частотой от 1000 до 100000 об/мин с использованием первого приводного механизма и поступательно перемещают вдоль его оси с помощью второго приводного механизма по мере оплавления и расходования прутка. При вращении прутка вокруг оси происходит диспергирование жидкого слоя, формируются капли расплава, которые за счет центробежных сил устремляются к частицам порошка ядра, находящихся на периферии кольцевого канала, оседают на них и покрывают их поверхность за счет сил поверхностного натяжения. Перед выполнением операции получения порошка производят вакуумирование камеры распыления, чтобы ее пропылесосить и последующую подачу в камеру инертного защитного газа до тех пор, пока в камере распыления не будет достигнуто заданное давление. Изготовленный порошок со структурой ядро - оболочка перемещается в узел сбора порошка, включающий в себя по меньшей мере два резервуара для сбора порошка, сообщающихся с нижней частью камеры распыления.The closest to the claimed technical solution in terms of the set of essential features, adopted as a prototype, is the known method for producing powder with a core-shell structure using, in particular, plasma technology (CN111872378, publication date 03.11.2020), in which the powder for the spherical core is transported from the storage device to the spray chamber through an annular powder channel using a pump and a ring mechanism to form an annular powder flow along the perimeter of the annular channel wall. Metal rods made of the required material with a diameter of 10 to 200 mm are used as a precursor for forming the shell. The end surface of the rod is heated with a plasma, electric arc or electron beam to form a liquid layer on it. The rod is rotated around the axis at a frequency of 1000 to 100,000 rpm using the first drive mechanism and is progressively moved along its axis using the second drive mechanism as the rod melts and is consumed. When the rod rotates around the axis, the liquid layer is dispersed, melt droplets are formed, which, due to centrifugal forces, rush to the core powder particles located on the periphery of the annular channel, settle on them and cover their surface due to surface tension forces. Before performing the powder production operation, the spray chamber is evacuated to vacuum it and then inert protective gas is supplied to the chamber until the specified pressure is reached in the spray chamber. The manufactured powder with the core-shell structure is moved to the powder collection unit, which includes at least two powder collection tanks communicating with the lower part of the spray chamber.

Недостатком известного способа является необходимость высокоточной балансировки прекурсора, поскольку при высокой частоте его вращения вокруг оси с использованием первого приводного механизма при существенном дисбалансе возникнут большие центробежные силы и вибрации, которые будут отрицательно влиять на процесс диспергирования капель материала прекурсора. Качественное покрытие ядра частицы порошка заданной толщины каплей расплавленного прекурсора при механическом диспергировании расплава с торцевой поверхности прекурсора требует высокоточного назначения величины частоты вращения первого приводного механизма, которую можно определить только опытным путем, что также является недостатком известного способа.The disadvantage of the known method is the need for high-precision balancing of the precursor, since at a high frequency of its rotation around the axis using the first drive mechanism with a significant imbalance, large centrifugal forces and vibrations will arise, which will negatively affect the process of dispersion of the drops of the precursor material. High-quality coating of the core of a powder particle of a given thickness with a drop of molten precursor during mechanical dispersion of the melt from the end surface of the precursor requires a high-precision assignment of the rotation frequency of the first drive mechanism, which can only be determined empirically, which is also a disadvantage of the known method.

Недостатком известного способа так же является жидкостное капельное осаждение расплава материала прекурсора на поверхности частицы порошка ядра, поскольку на равномерность нанесения покрытия будет существенно влиять сила тяжести капли и возможно в процессе осаждения ее частичное стекание к одной стороне поверхности частицы ядра.The disadvantage of the known method is also the liquid drop deposition of the melt of the precursor material on the surface of the core powder particle, since the uniformity of the coating application will be significantly affected by the gravity of the drop and, possibly, during the deposition process, its partial flow to one side of the surface of the core particle.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в повышении производительности изготовления порошковых материалов со структурой ядро/оболочка и повышение качества изготавливаемых частиц порошка при использовании плазменной технологии.The problem solved by the present invention consists in increasing the productivity of manufacturing powder materials with a core/shell structure and improving the quality of the manufactured powder particles using plasma technology.

Технический результат достигается тем, что исходный порошок ядра загружают в бункер дозатора газопорошковой смеси в объеме достаточном для работы длительный период времени (до нескольких часов). Из бункера дозатора исходный порошок ядра самотеком попадает на дозирующий диск, который вращается с заданной регулируемой постоянной скоростью и перемещает порошок в зону выходной дюзы, где потокинертного захватывает его с диска и уносит по трубопроводу в сторону плазмотрона. Скорость вращения диска, при постоянстве параметров окна бункера и сечения дюзы определяет объем порошка, поступающего в рабочую зону плазмотрона в единицу времени. В качестве прекурсора для изготовления оболочкиThe technical result is achieved by loading the initial core powder into the hopper of the gas-powder mixture dispenser in a volume sufficient for operation over a long period of time (up to several hours). From the dispenser hopper, the initial core powder flows by gravity onto the dosing disk, which rotates at a given adjustable constant speed and moves the powder into the outlet nozzle zone, where the inert flow captures it from the disk and carries it away along the pipeline towards the plasma torch. The speed of rotation of the disk, with constant parameters of the hopper window and the nozzle cross-section, determines the volume of powder entering the working zone of the plasma torch per unit of time. As a precursor for the manufacture of the shell

используется проволока из необходимого материала. Проволока подается из бухты с помощью управляемого привода в рабочую зону плазмотрона через втулку. Между проволокой и втулкой выполнен малый зазор, через который под давлением подается охлажденный инертного газа для исключения попадания воздуха в рабочую зону плазмотрона через канал подачи прекурсора и охлаждения прекурсора. Поступившая газопорошковая смесь направляется в кольцевое сопло плазмотрона и далее в зону, где осуществляется дуговой разряд между торцевой поверхностью прекурсора, который является катодом и поверхностью внутренней части сопла, являющейся анодом. В этой зоне происходит оплавление и сфероизация частиц исходного порошка и нанесение на поверхность материала прекурсора, то есть внешней оболочки. Кольцевое сопло, окружает прекурсор, зону образования плазмоида и паров материала прекурсора. При этом внутренняя вставка кольцевого сопла выполняет функцию анода в газовом разряде и внешней обечайки сопла плазмотрона.a wire of the required material is used. The wire is fed from a coil using a controlled drive into the working area of the plasma torch through a bushing. A small gap is made between the wire and the bushing, through which cooled inert gas is fed under pressure to prevent air from entering the working area of the plasma torch through the precursor feed and precursor cooling channel. The incoming gas-powder mixture is directed into the annular nozzle of the plasma torch and then into the area where an arc discharge occurs between the end surface of the precursor, which is the cathode, and the surface of the inner part of the nozzle, which is the anode. In this area, melting and spheronization of the particles of the original powder and application of the precursor material, i.e. the outer shell, to the surface occurs. The annular nozzle surrounds the precursor, the area of plasmoid formation and precursor material vapors. In this case, the inner insert of the annular nozzle functions as the anode in the gas discharge and the outer shell of the plasma torch nozzle.

Перечень фигур чертежейList of drawing figures

На Фиг. 1 показано устройство для реализации способа.Fig. 1 shows a device for implementing the method.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Частицы типа ядро - оболочка - это новый класс композитных материалов, отличающихся набором уникальных характеристик, обеспечиваемых структурой частиц. Каждая гранула представляет собой шар состоящий из двух разнородных или разнофункциональных материалов - ядра и оболочки.Core-shell particles are a new class of composite materials that feature a set of unique characteristics provided by the particle structure. Each granule is a sphere consisting of two dissimilar or multifunctional materials - a core and a shell.

На Фиг. 1 показано устройство, иллюстрирующее упрощенную схему реализации предложенного способа получения порошковых материалов со структурой ядро - оболочка с использованием плазменной технологии, на которой обозначено: 1 - бункер порошкового питателя, 2 - дозирующий диск дозатора с приводом и соплом, 3 - регулируемый привод вращения дозирующего диска; 4 -герметичный корпус дозатора; 5-трубопровод подачи газопорошковой смеси исходного материала ядра; 6 - проволочный прекурсор, 7- анод плазмотрона; 8 - поджигающий электрод с соплом и направляющей втулкой для прекурсора; 9 - подающий барабан с бухтой проволочного прекурсора; 10-приводные ролики подающего регулируемого привода перемещения прекурсора; 11 -направляющая втулка; 12-охладитель; 13 - частицы порошка материала ядра; 14 - частицы порошка полученного материала ядро - оболочка; 15 - коллектор охладителя; 16 - камера охладителя, 17 - подача инертного газа в камеру охладителя 16; 18- подача инертного газа в герметичный корпус дозатора 4; 19 -подача инертного газа в зазор между прекурсором 6 и направляющей втулкой 11; 20 - поток изготовленных охлажденных частиц.Fig. 1 shows a device illustrating a simplified diagram of the implementation of the proposed method for producing powder materials with a core-shell structure using plasma technology, on which the following is designated: 1 - powder feeder hopper, 2 - dosing disk of the dosing unit with a drive and a nozzle, 3 - adjustable drive for rotating the dosing disk; 4 - sealed body of the dosing unit; 5 - pipeline for feeding the gas-powder mixture of the initial core material; 6 - wire precursor, 7 - plasma torch anode; 8 - ignition electrode with a nozzle and a guide sleeve for the precursor; 9 - feed drum with a coil of wire precursor; 10 - drive rollers of the feed adjustable drive for moving the precursor; 11 - guide sleeve; 12 - cooler; 13 - particles of core material powder; 14 - particles of the powder of the obtained core-shell material; 15 - cooler manifold; 16 - cooler chamber, 17 - inert gas supply to cooler chamber 16; 18 - inert gas supply to sealed body of dispenser 4; 19 - inert gas supply to gap between precursor 6 and guide sleeve 11; 20 - flow of produced cooled particles.

Исходный порошок ядра 13 загружают в бункер дозатора газопорошковой смеси 1 в объеме достаточном для работы длительный период времени (до нескольких часов). Из бункера 1 дозатора исходный порошок ядра самотеком попадает на дозирующий диск 2, который вращается с заданной регулируемой постоянной скоростью и перемещает порошок в зону выходной дюзы, где поток 18 инертного газа захватывает его с диска 2 и уносит по трубопроводу 5 в сторону плазмотрона. Скорость вращения диска 2 регулируемая приводом вращения 3 при постоянстве параметров окна бункера 1 и сечения дюзы определяет объем порошка, поступающего в рабочую зону плазмотрона в единицу времени.The initial powder of the core 13 is loaded into the hopper of the gas-powder mixture dispenser 1 in a volume sufficient for operation over a long period of time (up to several hours). From the hopper 1 of the dispenser, the initial powder of the core flows by gravity onto the dosing disk 2, which rotates at a given adjustable constant speed and moves the powder into the zone of the outlet nozzle, where the flow 18 of the inert gas captures it from the disk 2 and carries it away along the pipeline 5 towards the plasma torch. The speed of rotation of the disk 2, adjusted by the rotation drive 3 with constant parameters of the window of the hopper 1 and the cross-section of the nozzle, determines the volume of powder entering the working zone of the plasma torch per unit of time.

Между прекурсором 6 и внутренней поверхностью сопла возбуждают дуговой разряд. Прекурсор 6, выполняющий функцию катода, подвергается интенсивному распылению в катодном пятне, пары материала прекурсора уносит инертный газ, подаваемый совместно с прекурсором и являющийся потоком плазмообразующего газа. Образующийся при этом плазмоид осуществляет плавление и сфероизацию исходного порошка, который постоянно подают в виде газопорошковой смеси гранул материала ядра и инертного газа через кольцевое сопло в виде тонкостенной воронки 7, имеющей уклон к центру, где расположен прекурсор 6. Конструкция деталей сопла предполагает возможность изменения ширины и угла наклона щели в процессе подбора оптимальных значений параметров процесса. Изменением ширины и угла наклона щели можно изменять скорость движения частиц исходного порошка в рабочей зоне плазмотрона и, следовательно, толщину оболочки без изменения расхода транспортирующего инертного газа для различных материалов и размеров части ядра и оболочки.An arc discharge is excited between the precursor 6 and the inner surface of the nozzle. The precursor 6, which functions as a cathode, is subjected to intensive spraying in the cathode spot, the precursor material vapors are carried away by the inert gas supplied together with the precursor and which is a plasma-forming gas flow. The plasmoid formed in this case melts and spheronizes the initial powder, which is constantly supplied in the form of a gas-powder mixture of core material granules and inert gas through an annular nozzle in the form of a thin-walled funnel 7, which has a slope toward the center, where the precursor 6 is located. The design of the nozzle parts assumes the possibility of changing the width and angle of inclination of the slit in the process of selecting the optimal values of the process parameters. By changing the width and angle of inclination of the slit, it is possible to change the speed of movement of the initial powder particles in the working area of the plasma torch and, consequently, the thickness of the shell without changing the flow rate of the transporting inert gas for different materials and sizes of the core and shell parts.

Перед щелью, образованной соплом и анодом организован объем в виде кольца, сечение которого значительно превышает сечение самого сопла. В этот объем, тангенциально, через два расположенных точно напротив друг друга отверстия, вводят газопорошковую смесь, которую подают из питателя через трубопровод 5 и канал в корпусе плазмотрона. За счет тангенциального расположения отверстий газопорошковая смесь совершает круговое движение в объеме и постепенно всасывается в щель, образуя равномерный и аксиально симметричный поток. Попадая в плазмоид, частицы исходного порошка 5 нагреваются, частично или полностью расплавляются, приобретая сферическую форму за счет сил поверхностного натяжения, одновременно на их поверхность осаждаются пары или частицы нанопорошка материала прекурсора 6, образуя оболочку. Далее частицы покидают область плазмоида и охлаждаются в потоках инертного газа 17, подаваемого в камеру охлаждения 16, кристаллизуясь и образуя гранулы частиц со структурой ядро - оболочка, которые направляются в коллектор 15 и далее потоком 20, например, на сепарацию.In front of the gap formed by the nozzle and the anode, a volume in the form of a ring is organized, the cross-section of which significantly exceeds the cross-section of the nozzle itself. In this volume, tangentially, through two holes located exactly opposite each other, a gas-powder mixture is introduced, which is fed from the feeder through the pipeline 5 and the channel in the plasma torch body. Due to the tangential arrangement of the holes, the gas-powder mixture makes a circular motion in the volume and is gradually sucked into the gap, forming a uniform and axially symmetric flow. Getting into the plasmoid, the particles of the original powder 5 are heated, partially or completely melted, acquiring a spherical shape due to the forces of surface tension, at the same time, vapors or particles of nanopowder of the precursor material 6 are deposited on their surface, forming a shell. The particles then leave the plasmoid region and are cooled in inert gas flows 17 supplied to the cooling chamber 16, crystallizing and forming granules of particles with a core-shell structure, which are directed to the collector 15 and then by flow 20, for example, for separation.

Предлагаемый процесс не требует высокой интенсивности испарения материала прекурсора при одновременной необходимости получения высокой температуры, плотности и линейных размеров плазмоида, достаточных для того, чтобы попавшие в него частицы полностью или частично расплавились и приобрели сферическую форму. Величина мощности электрического разряда, необходимая для этого, не должна вызывать взрывного испарения прекурсора и тем более его частичного плавления, что помешает течению процесса, при условии, что прекурсор является единственным катодом в электродной системе.The proposed process does not require high intensity of evaporation of the precursor material with the simultaneous need to obtain high temperature, density and linear dimensions of the plasmoid, sufficient for the particles that have entered it to completely or partially melt and acquire a spherical shape. The magnitude of the electric discharge power required for this should not cause explosive evaporation of the precursor and especially its partial melting, which will interfere with the process, provided that the precursor is the only cathode in the electrode system.

Использование дозирующего диска подачи исходного порошка ядра, применение для оболочки прекурсора в виде проволоки, использование инертного газа, для исключения попадания через канал подачи прекурсора воздуха в рабочую зону плазмотрона и охлаждения прекурсора, нанесение оболочки на ядро в контролируемой газовой среде методом газодинамического диспергирования расплава, дополнительная сфероизация частиц исходного порошка в рабочей камере плазмотрона позволяют повысить производительность изготовления порошковых материалов со структурой ядро/оболочка и повысить качество изготавливаемых частиц порошка при использовании плазменной технологии.The use of a dosing disk for feeding the initial core powder, the use of a precursor shell in the form of a wire, the use of an inert gas to prevent air from entering the plasma torch working area through the precursor feed channel and cooling the precursor, the application of a shell to the core in a controlled gas environment using the gas-dynamic dispersion of the melt, and additional spheronization of the initial powder particles in the plasma torch working chamber make it possible to increase the productivity of manufacturing powder materials with a core/shell structure and improve the quality of the manufactured powder particles using plasma technology.

Claims (6)

1. Способ получения порошка со структурой ядро-оболочка, включающий подачу частиц порошка материала ядра в рабочую зону плазмотрона через кольцевое сопло с образованием кольцевого порошкового потока по периметру стенки кольцевого сопла, нагрев плазменной дугой торцевой поверхности прекурсора из материала оболочки с образованием жидкого слоя при поступательном перемещении упомянутого прекурсора оболочки вдоль его оси по мере оплавления и расходования, сфероидизацию частиц порошка материала ядра, осаждение материала оболочки на частицы порошка материала ядра и охлаждение в инертном газе с формированием частиц со структурой ядро-оболочка, отличающийся тем, что подачу порошка материала ядра осуществляют посредством дозирующего диска, вращающегося с постоянной скоростью и перемещающего упомянутые частицы материала ядра в зону выходной дюзы, в которой упомянутые частицы порошка материала ядра смешиваются с потоком инертного газа с получением газопорошковой смеси, после чего полученную смесь по трубопроводу подают в рабочую зону плазмотрона.1. A method for producing a powder with a core-shell structure, including feeding particles of core material powder into the working area of a plasma torch through an annular nozzle with the formation of an annular powder flow along the perimeter of the annular nozzle wall, heating the end surface of a precursor made of a shell material with a plasma arc with the formation of a liquid layer during the progressive movement of said shell precursor along its axis as it melts and is consumed, spheroidization of the core material powder particles, deposition of the shell material on the core material powder particles and cooling in an inert gas with the formation of particles with a core-shell structure, characterized in that the core material powder is fed by means of a metering disk rotating at a constant speed and moving said particles of the core material into the area of the outlet nozzle, in which said particles of the core material powder are mixed with a flow of inert gas with the formation of a gas-powder mixture, after which the resulting mixture is fed through a pipeline into the working area of the plasma torch. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прекурсора из материала оболочки используют проволоку, подаваемую в рабочую зону плазмотрона из бухты с помощью приводных роликов регулируемого привода перемещения прекурсора.2. The method according to paragraph 1, characterized in that the precursor made from the shell material is a wire fed into the working area of the plasma torch from a coil using drive rollers of an adjustable precursor movement drive. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что между проволокой и направляющей ее движение втулкой выполняют зазор, через который под давлением подают охлажденный инертный газ для исключения попадания воздуха в рабочую зону плазмотрона через канал подачи прекурсора и охлаждения прекурсора. 3. The method according to paragraph 2, characterized in that a gap is created between the wire and the bushing guiding its movement, through which cooled inert gas is supplied under pressure to prevent air from entering the working area of the plasma torch through the precursor supply and precursor cooling channel. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что газопорошковую смесь подают в рабочую зону плазмотрона, в которой между торцевой поверхностью прекурсора, выполняющего функцию катода, и поверхностью внутренней части кольцевого сопла, выполняющего функцию анода, сформирован дуговой разряд с образованием плазмоида.4. The method according to any one of paragraphs 1-3, characterized in that the gas-powder mixture is fed into the working zone of the plasma torch, in which an arc discharge is formed between the end surface of the precursor, which functions as a cathode, and the surface of the inner part of the annular nozzle, which functions as an anode, with the formation of a plasmoid. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что газопорошковую смесь подают через кольцевое сопло, выполненное в виде тонкостенной воронки с возможностью изменения ширины и угла наклона щели, обеспечивающих изменение скорости движения частиц порошка материала ядра в рабочей зоне плазмотрона и толщины оболочки без изменения расхода транспортирующего инертного газа и размеров части ядра и оболочки.5. The method according to any one of paragraphs 1-4, characterized in that the gas-powder mixture is fed through an annular nozzle made in the form of a thin-walled funnel with the possibility of changing the width and angle of the slit, ensuring a change in the speed of movement of the core material powder particles in the working area of the plasma torch and the thickness of the shell without changing the flow rate of the transporting inert gas and the dimensions of the core part and the shell. 6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что газопорошковую смесь подают в плазмоид, обеспечивая нагрев, частичное или полное расплавление и сфероидизацию частиц порошка материала ядра, и одновременно на их поверхность осаждают материал оболочки в виде паров или частиц нанопорошка путем газодинамического диспергирования расплава.6. The method according to paragraph 4 or 5, characterized in that the gas-powder mixture is fed into the plasmoid, providing heating, partial or complete melting and spheroidization of the core material powder particles, and at the same time the shell material is deposited on their surface in the form of vapors or nanopowder particles by gas-dynamic dispersion of the melt.
RU2023136451A 2023-12-31 Method of producing powder with core-shell structure RU2846419C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2023136451A RU2023136451A (en) 2025-06-30
RU2846419C2 true RU2846419C2 (en) 2025-09-05

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2171160C1 (en) * 1999-12-28 2001-07-27 Полетаев Александр Валерьянович Method for centrifugal spraying of metal and apparatus for performing the same
RU2460815C2 (en) * 2010-09-22 2012-09-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" Method for obtaining composite powder material of metal-ceramics system of wear-resistant class
RU2475336C1 (en) * 2011-09-19 2013-02-20 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Method of producing metal powder by centrifugal spraying
CN105328182B (en) * 2015-09-29 2017-04-05 安徽工业大学 A kind of preparation method of nucleocapsid structure silver copper-clad nano-powder material
US10076745B2 (en) * 2014-02-07 2018-09-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method and apparatus for producing core-shell type metal nanoparticles
CN109822105A (en) * 2019-04-19 2019-05-31 郑州机械研究所有限公司 Center Continuous Feeding Mechanism for Base Metal for Plasma Rotary Electrode Atomizing Powder Milling
CN111872378A (en) * 2020-09-28 2020-11-03 西安赛隆金属材料有限责任公司 Core-shell structure powder preparation device and method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2171160C1 (en) * 1999-12-28 2001-07-27 Полетаев Александр Валерьянович Method for centrifugal spraying of metal and apparatus for performing the same
RU2460815C2 (en) * 2010-09-22 2012-09-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" Method for obtaining composite powder material of metal-ceramics system of wear-resistant class
RU2475336C1 (en) * 2011-09-19 2013-02-20 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Method of producing metal powder by centrifugal spraying
US10076745B2 (en) * 2014-02-07 2018-09-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method and apparatus for producing core-shell type metal nanoparticles
CN105328182B (en) * 2015-09-29 2017-04-05 安徽工业大学 A kind of preparation method of nucleocapsid structure silver copper-clad nano-powder material
CN109822105A (en) * 2019-04-19 2019-05-31 郑州机械研究所有限公司 Center Continuous Feeding Mechanism for Base Metal for Plasma Rotary Electrode Atomizing Powder Milling
CN111872378A (en) * 2020-09-28 2020-11-03 西安赛隆金属材料有限责任公司 Core-shell structure powder preparation device and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2693244C2 (en) Method and device for producing powder particles by atomisation of raw material in form of elongated element
CN107096925B (en) Novel plasma atomization preparation spherical powder system
TWI640483B (en) Methods and apparatus for material processing using dual source cyclonic plasma reactor
US4474604A (en) Method of producing high-grade metal or alloy powder
CN108217612A (en) Prepare the method and apparatus of spherical titanium nitride powder
CN105252009B (en) A kind of manufacture method of micro-fine spherical titanium powder
WO2011054113A1 (en) Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders
TW202521253A (en) Method and apparatus for producing high purity spherical metallic powders at high production rates from one or two wires
CN110695365A (en) Method and device for preparing metal type coated powder by gas-solid two-phase atomization
TW200409685A (en) Method for producing alloy powder by dual self-fusion rotary electrodes
CN113134618B (en) Metal-based ceramic 3D printing composite powder plasma preparation device
CN109513944A (en) The method that plasma rotating electrode prepares copper alloy powder
CN108526472A (en) A kind of free arc system for spherical metal powder device and method
RU2846419C2 (en) Method of producing powder with core-shell structure
CN115625339B (en) A device and method for preparing spherical powder using radio frequency plasma
CN107470642A (en) A kind of powder preparation method
RU2846622C2 (en) Apparatus for producing powder with core-shell structure
CN117483772A (en) Powder preparation method of plasma atomization powder preparation equipment
CN111069617A (en) A centrifugal atomizer for preparing metal powder for 3D printing
RU2389584C2 (en) Method to produce finely-dispersed purified powder of refractory metals and device to this end
CN112296343B (en) Method for preparing superfine metal powder by hollow electrode smelting
CN115608997B (en) Method and device for preparing metal powder
RU2023136451A (en) Method for producing powder with core-shell structure
RU2749403C1 (en) Device for producing metal powder
RU2278000C2 (en) Process for producing metallic fibers