RU2846419C2 - Способ получения порошка со структурой ядро-оболочка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способу получения порошковых материалов со структурой частиц ядро-оболочка. Может использоваться для получения порошков с комбинацией различных металлов ядра и оболочки. Порошок материала ядра подают 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. Полученную смесь по трубопроводу подают в рабочую зону плазмотрона через кольцевое сопло с образованием кольцевого порошкового потока по периметру стенки кольцевого сопла. Плазменной дугой нагревают торцевую поверхность прекурсора из материала оболочки с образованием жидкого слоя при поступательном перемещении упомянутого прекурсора оболочки вдоль его оси. Затем проводят сфероидизацию частиц ядра, осаждение материала оболочки на частицы ядра и охлаждение в инертном газе с формированием частиц со структурой ядро-оболочка. Обеспечивается повышение производительности и качества изготавливаемых частиц порошка. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам получения порошковых материалов со структурой ядро - оболочка с использованием плазменной технологии.

Уровень техники

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.

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.

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 во

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 оболочки

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.

Перечень фигур чертежей

На Фиг. 1 показано устройство для реализации способа.

Осуществление изобретения

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.