RU2846622C2 - Apparatus for producing powder with core-shell structure - Google Patents
Apparatus for producing powder with core-shell structureInfo
- Publication number
- RU2846622C2 RU2846622C2 RU2023136452A RU2023136452A RU2846622C2 RU 2846622 C2 RU2846622 C2 RU 2846622C2 RU 2023136452 A RU2023136452 A RU 2023136452A RU 2023136452 A RU2023136452 A RU 2023136452A RU 2846622 C2 RU2846622 C2 RU 2846622C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- core
- nozzle
- precursor
- core material
- Prior art date
Links
Abstract
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
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков, принятый в качестве прототипа, является известный установка для получения порошка со структурой ядро-оболочка (CN111872378, дата публикации 03.11.2020), содержащая дозатор порошка материала ядра, соединенный трубопроводом с плазмотроном, содержащим кольцевое сопло, выполненное в виде тонкостенной воронки, и охладитель полученного порошка. Недостатком данной известной установки 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 прототипа 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 closest to the claimed technical solution in terms of the set of essential features, adopted as a prototype, is a known installation for producing powder with a core-shell structure (CN111872378, publication date 03.11.2020), containing a core material powder dispenser connected by a pipeline to a plasma torch containing an annular nozzle made in the form of a thin-walled funnel, and a cooler for the resulting powder. The disadvantage of this known installation 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 droplets 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 highly accurate setting of the rotation frequency of the first drive mechanism, which can only be determined experimentally, which is also a disadvantage of the known method. A disadvantage of the prototype is also the liquid droplet deposition of the precursor material melt 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 its partial flow to one side of the core particle surface is possible during the deposition process.
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 установка для получения порошка со структурой ядро-оболочка содержит соединенные в технологическую линию бункер порошкового питателя, соединенный с дозирующим диском дозатора, имеющим привод и сопло, дозатор соединен трубопроводом с плазмотроном для подачи газопорошковой смеси исходного материала ядра; упомянутый плазмотрон содержит анод, поджигающий электрод с соплом и направляющую втулку для подачи прекурсора от подающего барабана, установка содержит охладитель полученного материала.The technical result is achieved in that the installation for producing powder with a core-shell structure contains a powder feeder hopper connected in a process line, connected to a dosing disk of a dosing unit having a drive and a nozzle, the dosing unit is connected by a pipeline to a plasma torch for feeding a gas-powder mixture of the initial core material; the said plasma torch contains an anode, an ignition electrode with a nozzle and a guide sleeve for feeding a precursor from a feed drum, the installation contains a cooler for the obtained material.
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, in which the following is indicated: 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 (1)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023136452A RU2023136452A (en) | 2025-06-30 |
| RU2846622C2 true RU2846622C2 (en) | 2025-09-10 |
Family
ID=
Citations (7)
| 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)
| 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 | |
| EP2654966B2 (en) | Improved thermal spray method and apparatus using plasma transferred wire arc | |
| CN112139492B (en) | Adjustable compound vibration material disk of super-strong steel normal position silk powder composition | |
| US6372298B1 (en) | High deposition rate thermal spray using plasma transferred wire arc | |
| RU2846622C2 (en) | Apparatus for producing powder with core-shell structure | |
| RU2468891C1 (en) | Method of making heat-resistant alloy pellets | |
| RU2742125C1 (en) | Device for production of metal powders by centrifugal spraying method | |
| US4408971A (en) | Granulation apparatus | |
| RU2353704C2 (en) | Coating method by means of flame and coating device by means of flame | |
| JP2012006037A (en) | Spray-forming deposition method | |
| RU2846419C2 (en) | Method of producing powder with core-shell structure | |
| RU2756902C1 (en) | Adjustable nozzle for two-flow dispersion of metal melt | |
| RU2023136451A (en) | Method for producing powder with core-shell structure | |
| RU2806647C2 (en) | Method of electric arc dispersion of refractory material | |
| SU728929A1 (en) | Plant for producing metal powder by spraying | |
| RU2278000C2 (en) | Process for producing metallic fibers | |
| SU308778A1 (en) | SETTING FOR METAL POWDERS CENTRIFUGAL MELT SPRAYING | |
| JPH0426701A (en) | Manufacture of fine gold ball | |
| RU2058221C1 (en) | Solid material powder production method | |
| RU2232628C1 (en) | Method of granulation of liquid material and device for realization of this method | |
| JPH01225703A (en) | Method for melting stock to obtain metal powder of uniform particle size | |
| CN115383127A (en) | Rotary electrode atomization device and method for preparing 3D printing spherical powder | |
| WO2023015613A1 (en) | Device and method for producing metal powder by means of plasma atomization | |
| JPS63137109A (en) | Production of composite material powder by utilizing thermal spraying |