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JP7637172B2 - Plasma equipment for the production of high quality spherical powders at high capacity - Google Patents
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JP7637172B2 - Plasma equipment for the production of high quality spherical powders at high capacity - Google Patents

Plasma equipment for the production of high quality spherical powders at high capacity Download PDF

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Description

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、2015年6月5日に出願し、現在係属中である米国仮出願第62/171,618号に基づく優先権を主張し、該仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
This application claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/171,618, filed Jun. 5, 2015, currently pending, which is incorporated herein by reference.

本開示の主題は、主に付加製造(3D印刷)および熱間等方圧加圧(HIP)に使用するための高純度球状粉末の生産に関する。 The subject matter of this disclosure relates primarily to the production of high purity spherical powders for use in additive manufacturing (3D printing) and hot isostatic pressing (HIP).

微細な高品質球状金属粉末の需要が増大している。例えば、このような粉末の主な用途の1つとして3D印刷産業が挙げられ、概して45~45ミクロンまたは45~106umの高品質で球状のサテライトを含まないTi-6Al-4V(チタン合金)の細かいサイズの切断が必要とされている。106~250umの切断サイズの切断は、熱間等方圧加圧(HIP)に使用されている。 There is an increasing demand for fine, high-quality spherical metal powders. For example, one of the main applications of such powders is the 3D printing industry, which requires fine size cuts of high-quality, spherical, satellite-free Ti-6Al-4V (titanium alloy), typically 45-45 microns or 45-106 um. Cuts of 106-250 um cut size are used for Hot Isostatic Pressing (HIP).

本用途は、現在市販されている最高品質の粉末を消費するため、品質の水準を引き上げている。粉末の品質、つまり粉末の球形度、粉末の粒径分布、サテライト(主粒子に付着する著しく小さい粒子)の不在を評価するために多くの基準が使用されている。現在の問題の1つとして、このような上質粉末の生産能力が非常に限られていることが挙げられる。別の問題は、一般的な微粒化システムが広範囲の粒径を生産する一方で、この業界は非常に細かくかつ特定の切断を求めていることである。 This application is raising the bar in quality as it consumes the highest quality powders currently available on the market. Many criteria are used to evaluate powder quality, i.e. powder sphericity, powder particle size distribution, absence of satellites (significantly smaller particles attached to the main particle). One of the current problems is that the production capacity of such fine powders is very limited. Another problem is that the industry is looking for very fine and specific cuts while typical atomization systems produce a wide range of particle sizes.

微粒子化によって粉末を生産するために、多くの方法がここ数年にわたって開発されている。 Many methods have been developed over the years to produce powders by micronization.

例えば、米国特許第5,707,419号では、プラズマトーチを使用してチタンワイヤを溶解および微粒化する方法が開示されている。この開示では、例えばチタンの供給速度は、3.2mm(1/8インチ)に限定されたワイヤ径を使用して0.75kg/hに限定され、プラズマトーチは、供給軸に対して30°の角度の位置に固定される。この30°の角度は、一定の状況下において最適角度であるように決定されている。ここで、トーチは、ワイヤとの整合を確実にするように、この特定の角度でロックされる。この方法は、稼働間の再現性に関する利点を有し、また、ワイヤへの狙いを外す可能性を最小限に抑えるが、出願人の経験により、この構成が最適ではないことが実証されている。 For example, U.S. Patent No. 5,707,419 discloses a method for melting and atomizing titanium wire using a plasma torch. In this disclosure, the feed rate of titanium, for example, is limited to 0.75 kg/h with a wire diameter limited to 3.2 mm (1/8 inch), and the plasma torch is fixed in a position at an angle of 30° to the feed axis. This 30° angle has been determined to be the optimum angle under certain circumstances. The torch is then locked at this particular angle to ensure alignment with the wire. This method has the advantage of repeatability between runs and also minimizes the chance of missing the wire, but applicant's experience has demonstrated that this configuration is not optimal.

PCT特許公開第WO2011/054113号では、予熱のために電極を使用するプラズマ微粒化の生産性を改善する方法が提案されている。予熱のために電極を使用することは、非常に複雑なプロセスである。この配置では、典型的には、均一の加熱を確実にするために、(3)電極ならびに3つの(3)プラズマトーチが存在する。ワイヤは、各電極からワイヤにアークを発することによって加熱される。ゆえに、3つの電流がワイヤを通過し、抵抗加熱によってワイヤを加熱する。これは、6つの電力供給が動作に必要になることを意味するが、存在する電源がより多くなると、ワイヤに向かう熱の管理がより困難となり、これに加えて、資本および運営費用も著しく増加することに留意されたい。 In PCT Patent Publication No. WO2011/054113, a method is proposed to improve the productivity of plasma atomization using electrodes for preheating. Using electrodes for preheating is a very complicated process. In this arrangement, there are typically (3) electrodes as well as three (3) plasma torches to ensure uniform heating. The wire is heated by arcing the wire from each electrode. Thus, three currents are passed through the wire, heating it by resistive heating. Note that this means that six power supplies are required for operation, but the more power sources present, the more difficult it becomes to manage the heat directed to the wire, plus the capital and operating costs also increase significantly.

また、この配置ではいくらか機械的に不便である。例えば、プラズマ微粒化を実行するためには、ワイヤに従うトーチ整合が非常に重要になる。全ての電極およびトーチ、ならびにワイヤは、同一の正確な地点に集合しなければならない。頂点集合点の周りの空間が非常に限られているため、アセンブリの設計は、プロセス自体によってではなく、機械的拘束によって左右される。 This arrangement also presents some mechanical inconveniences. For example, to perform plasma atomization, alignment of the torch with the wire is very important. All electrodes and torches, as well as the wire, must converge at the same exact spot. Since the space around the apex convergence point is very limited, the design of the assembly is dictated by mechanical constraints, not by the process itself.

ゆえに、プラズマ微粒化の生産性の向上を可能にする簡略化デバイスを有することが望ましいであろう。また、粒径分布の制御を可能にするシステムを有することも利益になるであろう。 It would therefore be desirable to have a simplified device that would allow for increased productivity of plasma atomization. It would also be beneficial to have a system that allows for control of particle size distribution.

米国特許第5,707,419号明細書U.S. Pat. No. 5,707,419 国際公開第2011/054113号パンフレットInternational Publication No. 2011/054113

したがって、上質粉末を生産するための新規の装置を提供することが極めて望ましいであろう。 It would therefore be highly desirable to provide a novel apparatus for producing fine powders.

また、上質粉末を生産するための新規の方法を提供することも極めて望ましいであろう。 It would also be highly desirable to provide new methods for producing fine powders.

本明細書に記載の実施形態は、一態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための装置を提供し、本装置は、
-ワイヤを予熱するためのデバイスと、
-ワイヤを加熱して微粒化するための少なくとも1つのプラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、
を備える。
Embodiments described herein provide, in one aspect, an apparatus for producing powder from a wire by plasma atomization, the apparatus comprising:
- a device for preheating the wire,
at least one plasma torch for heating and atomizing the wire;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state;
Equipped with.

また、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための装置を提供し、本装置は、
-ワイヤを微粒化するためのプラズマトーチであって、反応器において旋回および回転するように適合されるプラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、
を備える。
In another aspect, embodiments described herein provide an apparatus for producing powder from a wire by plasma atomization, the apparatus comprising:
a plasma torch for atomizing the wire, the plasma torch being adapted to pivot and rotate in the reactor;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state;
Equipped with.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための装置を提供し、本装置は、
-ワイヤを微粒化するためのプラズマトーチであって、ワイヤとのプラズマトーチの角度は、粉末の粒径分布を調整するために調整されるように適合される、プラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、
を備える。
Further, in another aspect, embodiments described herein provide an apparatus for producing powder from a wire by plasma atomization, the apparatus comprising:
a plasma torch for atomizing the wire, the angle of the plasma torch with the wire being adapted to be adjusted in order to adjust the particle size distribution of the powder;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state;
Equipped with.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための方法を提供し、本方法は、
-ワイヤを予熱することと、
-ワイヤを加熱して微粒化することと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却することと、
を含む。
Further, embodiments described herein provide, in another aspect, a method for producing powder from a wire by plasma atomization, the method comprising:
- preheating the wire;
- heating and atomizing the wire;
- cooling the atomized particles to a solid state;
Includes.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための方法を提供し、本方法は、
-プラズマトーチを提供することであって、プラズマトーチは、反応器において旋回および回転するように適合される、提供することと、
-反応器におけるプラズマトーチの位置を調整することと、
-ワイヤを微粒化するためにプラズマトーチを使用することと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却することと、
を含む。
Further, embodiments described herein provide, in another aspect, a method for producing powder from a wire by plasma atomization, the method comprising:
Providing a plasma torch, the plasma torch being adapted to pivot and rotate in the reactor;
- adjusting the position of the plasma torch in the reactor;
- using a plasma torch to atomize the wire;
- cooling the atomized particles to a solid state;
Includes.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための方法を提供し、本方法は、
-ワイヤを微粒化するためにプラズマトーチを提供することと、
-粉末の粒径分布を調整するために、ワイヤに対するプラズマトーチの角度を調整することと、
-ワイヤを微粒化するためにプラズマトーチを使用することと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却することと、
を含む。
Further, embodiments described herein provide, in another aspect, a method for producing powder from a wire by plasma atomization, the method comprising:
- providing a plasma torch for atomizing the wire;
- adjusting the angle of the plasma torch relative to the wire to adjust the particle size distribution of the powder;
- using a plasma torch to atomize the wire;
- cooling the atomized particles to a solid state;
Includes.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、上記方法のいずれかによって生産される粉末を提供する。 Additionally, embodiments described herein provide, in another aspect, a powder produced by any of the above methods.

さらに、本明細書に記載の実施形態は、別の態様において、上記装置のいずれかによって生産される粉末を提供する。 Additionally, embodiments described herein provide, in another aspect, a powder produced by any of the above devices.

本明細書に記載の実施形態についてさらに理解するために、また、それらの実施形態がいかに実施され得るかについてより明確に示すために、ほんの一例として添付の図面を参照されたく、図面は、少なくとも1つの例示的な実施形態を示す。 For a better understanding of the embodiments described herein and to show more clearly how they may be carried into effect, reference is made to the accompanying drawings, by way of example only, which illustrate at least one illustrative embodiment.

例示的な実施形態に従うプラズマ装置の一般略図である。1 is a general schematic diagram of a plasma device according to an exemplary embodiment. 例示的な実施形態に従う誘導コイルおよびワイヤガイドの拡大詳細断面図である。FIG. 13 is an enlarged detailed cross-sectional view of an induction coil and a wire guide according to an exemplary embodiment. 例示的な実施形態に従うボールフランジを使用するトーチ角度調整機構の拡大詳細断面図である。FIG. 13 is an enlarged detailed cross-sectional view of a torch angle adjustment mechanism using a ball flange according to an exemplary embodiment. ワイヤにおける温度プロファイルへの誘導周波数の影響に関する略図である。1 is a schematic diagram of the effect of induction frequency on the temperature profile in the wire. 従来のトーチと例示的な実施形態に従うトーチとの間の、トーチ角度およびワイヤに対する先端の近さに関する比較を示し、図5aでは、従来のトーチは、30°の固定角度を提供し、この角度によってより長い距離がもたらされ、一方、図5bでは、現トーチは、より急な角度を示し、この角度によってさらにノズルに近くなり、それによって、プラズマとワイヤとの間の熱伝達および運動量伝達が最大化される。A comparison is shown between a conventional torch and a torch according to an exemplary embodiment in terms of torch angle and closeness of the tip to the wire; in FIG. 5a, the conventional torch provides a fixed angle of 30°, which results in a longer distance, while in FIG. 5b, the current torch shows a steeper angle, which is closer to the nozzle, thereby maximizing heat and momentum transfer between the plasma and the wire. 従来のトーチと例示的な実施形態に従うトーチとの間の、トーチ角度およびワイヤに対する先端の近さに関する比較を示し、図5aでは、従来のトーチは、30°の固定角度を提供し、この角度によってより長い距離がもたらされ、一方、図5bでは、現トーチは、より急な角度を示し、この角度によってさらにノズルに近くなり、それによって、プラズマとワイヤとの間の熱伝達および運動量伝達が最大化される。A comparison is shown between a conventional torch and a torch according to an exemplary embodiment in terms of torch angle and closeness of the tip to the wire; in FIG. 5a, the conventional torch provides a fixed angle of 30°, which results in a longer distance, while in FIG. 5b, the current torch shows a steeper angle, which is closer to the nozzle, thereby maximizing heat and momentum transfer between the plasma and the wire.

高品質粉末を生産し、粒径を制御し、かつプラズマ微粒化反応器において生産率を最大化するために、トーチ角度を調整することができ、かつワイヤを予熱する装置Pおよび方法が、本明細書に提示される。ワイヤに対するノズルの先端の角度および近接を変動させることによって、能力ならびに粒径分布に著しい影響を及ぼし得ることがここで実証される。 Presented herein is an apparatus P and method that can adjust the torch angle and preheat the wire to produce high quality powder, control particle size, and maximize production rates in a plasma atomization reactor. It is demonstrated herein that varying the angle and proximity of the nozzle tip to the wire can significantly affect capacity as well as particle size distribution.

図1に示すように、金属ワイヤスプール1に提供されたワイヤ2は、金属ワイヤスプール1から伸ばされ、次に、ワイヤ供給器および矯正器3を通して供給される。真っ直ぐなワイヤ2は、通過フランジ4を通して供給される。次に、ワイヤ2は、3つのプラズマトーチ7によってその頂点8(頂点は、ワイヤ2および3つのトーチ7の合流点である)で微粒化される前に、誘導コイル6によって囲まれるワイヤガイド5に入る。このように生産された粉末は、開口プレート9を通過し、反応器10に落下するときに冷める。 As shown in Figure 1, wire 2 provided on a metal wire spool 1 is unstrained from the metal wire spool 1 and then fed through a wire feeder and straightener 3. The straightened wire 2 is fed through a pass flange 4. The wire 2 then enters a wire guide 5 surrounded by an induction coil 6 before being atomized at its apex 8 (the apex being the confluence of the wire 2 and the three torches 7) by three plasma torches 7. The powder thus produced passes through an aperture plate 9 and cools as it falls into a reactor 10.

予熱されると、次に、ワイヤ2は、頂点8に到達し、頂点8は、ワイヤ2および3つのプラズマトーチ7が微粒化のために合流する領域である。溶解している微粒化粒子は、反応器10のチャンバに落下するときに再び固体状態に凝固する。次に、粉末11は、空気圧でサイクロン12に運ばれる。サイクロン12は、粉末をその気相から分離する。粉末は、キャニスタ14の底部で収集されるが、清浄気体は、次に、排気口15を介して、より微細なろ過システム(図示せず)に送られる。キャニスタ14は、気密隔離弁13によってサイクロン12から隔離することができる。 Once preheated, the wire 2 then reaches the apex 8, which is the area where the wire 2 and the three plasma torches 7 meet for atomization. The molten atomized particles solidify back into a solid state as they fall into the chamber of the reactor 10. The powder 11 is then pneumatically conveyed to a cyclone 12, which separates the powder from its gas phase. The powder is collected at the bottom of a canister 14, while the clean gas is then sent to a finer filtration system (not shown) via an exhaust 15. The canister 14 can be isolated from the cyclone 12 by an airtight isolation valve 13.

ここで誘導コイル6に注意を向けると、当装置Pは、誘導コイルを使用してワイヤ2を予熱し、誘導コイルは単一の電源を使用し、熱源は頂点領域を妨げない。この構成では、ワイヤの予熱は、単一の均一かつ小型の発生源から生じる。誘導電力を調整することによってワイヤ温度を制御することができ、誘導電力は、誘導コイル6における電流の関数である。 Turning now to the induction coil 6, the apparatus P uses an induction coil to preheat the wire 2, which uses a single power source and the heat source does not interfere with the apex region. In this configuration, the preheating of the wire occurs from a single uniform and compact source. The wire temperature can be controlled by adjusting the induction power, which is a function of the current in the induction coil 6.

誘導予熱デバイスを図2に示す。通過フランジ4は、反応器全体がコイルから確実に絶縁されるように、非導電性材料から作製される。通過フランジ4は、誘導コイル6の導線22を反応器10に通すために使用する圧縮具21を備える2つの気密穴を有する。 The induction preheating device is shown in Figure 2. The pass flange 4 is made of a non-conductive material to ensure that the entire reactor is insulated from the coil. The pass flange 4 has two airtight holes with compression tools 21 used to pass the conductors 22 of the induction coil 6 through the reactor 10.

ワイヤガイド5は、誘導と反応するか、または誘導に透過的であるように設計され得る。例えば、ワイヤガイド5は、アルミナまたは窒化ケイ素から作製されてもよく、これらは誘導に透過的である。また、ワイヤガイド5は、炭化ケイ素または黒鉛から作製されてもよく、これらは、誘導と反応する。後者の場合、誘導により加熱された高温ワイヤガイドは、熱をワイヤ2に再び放射する。 The wire guide 5 can be designed to be either induction-responsive or induction-transparent. For example, the wire guide 5 can be made of alumina or silicon nitride, which are induction-transparent. Alternatively, the wire guide 5 can be made of silicon carbide or graphite, which are induction-responsive. In the latter case, the induction-heated hot wire guide radiates heat back to the wire 2.

例えば、使用するワイヤが1/4インチ直径のTi-6Al-4V Grade 23 ELIであったとき、このワイヤの最適な誘導周波数は、170~290kHzであることが分かっている。最適周波数は、ワイヤガイドに使用する材料、ならびに材料の形状および寸法および性質に応じて変動する。 For example, when the wire used is 1/4 inch diameter Ti-6Al-4V Grade 23 ELI, the optimum induction frequency for this wire has been found to be 170-290 kHz. The optimum frequency will vary depending on the material used for the wire guide, as well as the shape and dimensions and properties of the material.

図3は、旋回ボールフランジ30を含む調整可能なトーチ角度機構を示す。3つのプラズマトーチ7を使用してワイヤ2を微粒化する。これらの3つのトーチ7は、ここで、旋回ボールフランジを使用して反応器ヘッドの本体に取り付けられる。ボールフランジ30は各々、相互に適合する2つのフランジ、つまり、底部フランジ31および上部フランジ32を含み、相互に合わせて旋回することができる。反応器ヘッドに連結される底部フランジ31は、固定されるが、上部フランジ32は、全ての軸において4°の角度まで回転することができる。反応器ヘッドが30°の公称角度を有するように設計されていると仮定すると、これは、トーチ7が26°~34°のいずれの角度にもおよび得ることを意味する。 Figure 3 shows an adjustable torch angle mechanism including a swivel ball flange 30. Three plasma torches 7 are used to atomize the wire 2. These three torches 7 are now attached to the body of the reactor head using a swivel ball flange. The ball flanges 30 each include two flanges that fit together, a bottom flange 31 and a top flange 32, and can swivel with each other. The bottom flange 31, which is connected to the reactor head, is fixed, but the top flange 32 can rotate up to an angle of 4° in all axes. Assuming the reactor head is designed to have a nominal angle of 30°, this means that the torches 7 can range anywhere from 26° to 34°.

ワイヤ2に対するトーチ角度を変動することによって、頂点8(ワイヤ2および3つのトーチ7の合流点)の位置も移動するため、これは、トーチ7の長さが一定であることから、効率に影響を及ぼす。このような問題を回避するために、スペーサに結合されたより長いトーチを使用することができる。本出願人は、ノズルの先端がワイヤに近いほど、能力が高くなり、平均粒径が小さくなることを発見した。より長いトーチおよび複数のサイズのスペーサを有することによって、いかなる角度も実現しながらも、頂点8の位置を同一場所に維持することが可能である。 By varying the torch angle relative to the wire 2, the location of the apex 8 (the junction of the wire 2 and the three torches 7) also moves, which affects efficiency since the length of the torches 7 is constant. To avoid such problems, a longer torch coupled to a spacer can be used. Applicant has found that the closer the nozzle tip is to the wire, the higher the capacity and the smaller the average grain size. By having a longer torch and multiple sizes of spacers, it is possible to achieve any angle while keeping the location of the apex 8 in the same place.

トーチ7を枢動させることは、プラズマ微粒化プロセスに重要な影響を及ぼすと思われる。従来のシステムでは、最適角度が30°に固定されることになると記述されていた。この記述を疑問視してきたが、トーチを旋回することができることは、明確な代替案ではなかった。ゆえに、固定角度を選択することは、旧システムの場合に正当化されていた。現配置は、ボールフランジ30の旋回を設計に加えることによってシステムに柔軟性を与えることを提案する。 It seems that pivoting the torch 7 has a significant effect on the plasma atomization process. In previous systems it was stated that the optimum angle would be fixed at 30°. This statement has been questioned, but being able to pivot the torch was not a clear alternative. Hence, choosing a fixed angle was justified in the case of the old system. The current arrangement proposes to add flexibility to the system by adding pivoting of the ball flange 30 to the design.

ワイヤ2とプラズマジェットとの間の迎え角を変動することによって、いくつかの点で微粒化に影響を及ぼすことができる。従来型の気体微粒化に関するプラズマ微粒化との主な違いとして、熱がジェットから供給されることが挙げられる。ゆえに、主に考慮することが2つあり、つまり、トーチ7からワイヤ2への熱伝達、および単独での微粒化である。 By varying the angle of attack between the wire 2 and the plasma jet, atomization can be affected in several ways. The main difference between plasma atomization with respect to conventional gas atomization is that heat is supplied from the jet. Thus, there are two main considerations: heat transfer from the torch 7 to the wire 2, and atomization alone.

プラズマ微粒化の重要な態様は、トーチ7とワイヤ2との間の熱伝達の質である。実際に、適切な整合が必要とされる。迎え角も、2つの異なる方式で熱伝達に影響を及ぼし、急角度(小角度)になるほど、熱を交換する表面積(A)が増える。一方、浅い角度(高角度)になるほど、高い交換係数(h)を促進する。また、ノズルを近づけることによって、ワイヤならびにその速度に見られるように、プラズマプルームの温度が高くなり、これによって、より高い温度差(ΔT)およびより高い交換係数(h)がそれぞれもたらされる。
式中、Qは、伝達された熱であり、
hは、熱伝達係数であり、
Aは、交換に使用された表面積であり、
ΔTは、ワイヤとトーチとの間の温度差である。
An important aspect of plasma atomization is the quality of heat transfer between the torch 7 and the wire 2. Indeed, proper matching is required. The angle of attack also affects heat transfer in two different ways, a steeper angle increases the surface area (A) to exchange heat, whereas a shallower angle promotes a higher exchange coefficient (h). A closer nozzle also increases the temperature of the plasma plume, as does the wire and its velocity, which results in a higher temperature difference (ΔT) and a higher exchange coefficient (h), respectively.
where Q is the heat transferred,
h is the heat transfer coefficient,
A is the surface area used for exchange,
ΔT is the temperature difference between the wire and the torch.

上記方程式は、古典的な熱伝達式である。その目的は、Qの値を最大化することにある。角度は、hとAの両方に影響を及ぼす。熱伝達の観点から、最適角度は、特定のワイヤ供給速度、サイズ、および材料についてQを最大化する角度である。 The above equation is the classical heat transfer equation. The objective is to maximize the value of Q. The angle affects both h and A. From a heat transfer perspective, the optimal angle is the angle that maximizes Q for a particular wire feed speed, size, and material.

微粒化を発生させるために、いくつかの微液滴が、ワイヤ2の表面で形成しなければならない(加熱相)。次に、気体流を使用して、その液滴をワイヤ2から分離し、その液滴を浮遊状態で気相にする(微粒化相)。ワイヤと液滴との間の結合を壊すために高速度が必要とされることが知られている。以下の方程式は、アルミニウムの水微粒化の文献[5]から抜粋され、平均粒径を、溶解流とアルゴンジェットとの間の角度に関連付ける。
式中、Vは、プラズマジェット速度であり、
Cは、異なるパラメータおよび条件を再編成する大域定数であり、
は、溶解流とプラズマジェットとの間の角度である。
For atomization to occur, some microdroplets must form on the surface of the wire 2 (heating phase). A gas flow is then used to separate the droplets from the wire 2 and put them in suspension in the gas phase (atomization phase). It is known that high velocities are required to break the bond between the wire and the droplets. The following equation, taken from the literature on water atomization of aluminum [5], relates the average particle size to the angle between the melt stream and the argon jet:
where V is the plasma jet velocity,
C is a global constant that regroups the different parameters and conditions;
is the angle between the melt stream and the plasma jet.

その応用はわずかに異なるが、概念は類似しており、式におけるプラズマジェットは、水ジェットを置き換え、ジェットは、式において冷却の代わりに加熱のために使用される。実際、この式は、気体速度が速くなると、より微細な粒子を分離することができ、これは、溶解ワイヤからより微細な液滴を分離するのにより力が必要であることから、道理にかなう。この方程式によると、角度は、この式に従って同様の影響を及ぼし、これは、機械的エネルギー伝達が熱伝達と似ていることと、角度が、前述の熱伝達係数(h)に及ぼす影響と同じくらいの影響を機械的エネルギー伝達係数に及ぼし得ることとを考慮すると、道理にかなう。 Although the application is slightly different, the concept is similar, the plasma jet replaces the water jet in the formula, and the jet is used for heating instead of cooling in the formula. In fact, this formula makes sense since faster gas velocities can separate finer particles, which requires more force to separate finer droplets from the molten wire. According to this equation, the angle has a similar effect, which makes sense considering that mechanical energy transfer is similar to heat transfer and that the angle can have the same effect on the mechanical energy transfer coefficient as it does on the heat transfer coefficient (h) mentioned above.

プラズマ微粒化プロセスを最適化するために、角度が異なる条件に適合するために変数でなければならないことがより明らかになる。2つの旧方程式は、パラメータがいかに結びつくかと、角度が変動可能であることが、現装置の大きな特徴となることとを示している。 To optimize the plasma atomization process, it becomes more clear that the angle must be variable to accommodate different conditions. The two old equations show how the parameters are linked and that the ability to vary the angle is a key feature of the current device.

したがって、装置Pは、とりわけ、(1)能力を向上させるためのワイヤの誘導予熱、および(2)粒径分布(粉末品質)の制御を可能にするために、トーチ整合により到達可能な角度に関する柔軟性を可能にする旋回ボールフランジ30を使用して反応器ヘッドに設置されるトーチを含む。 Thus, the apparatus P includes, among other things, (1) induction preheating of the wire to improve capacity, and (2) a torch mounted to the reactor head using a swivel ball flange 30 that allows flexibility regarding the angle attainable by the torch alignment to allow control of particle size distribution (powder quality).

従来のシステムが、約80umの平均粒径と共に約0.75kg/hの生産率を可能にしたことに留意されたい。実際、最適なシナリオは、著しく能力を向上させる一方で、同時に平均粒径分布を低下させることであろう。しかしながら、既知の技術を使用して、能力を向上させることによって、残念ながら、粒径分布が粗くなることが一般的に受け入れられた。 It should be noted that conventional systems allowed production rates of about 0.75 kg/h with an average particle size of about 80 um. In fact, the optimal scenario would be to significantly increase capacity while simultaneously decreasing the average particle size distribution. However, using known techniques, it was generally accepted that increasing capacity would unfortunately result in a coarser particle size distribution.

旧方法とは対照的に、現方法は、プロセスの伝達された機械的エネルギーおよび熱エネルギーを増加させることによって、両方のパラメータを同時に最適化することを可能にする。 In contrast to older methods, the current method allows for the simultaneous optimization of both parameters by increasing the transferred mechanical and thermal energy of the process.

プラズマ微粒化は、超音速プラズマジェットを使用し、超音速プラズマジェットは、ワイヤ源から生じる金属を単一ステッププロセスで溶解および微粒化するために、約10000Kのコア温度を有する。非常に強力であるが、そのプロセスは、エネルギー的に非効率的であり、プラズマからの熱のほんの一部だけが、ワイヤに伝達されて、ワイヤを溶解し(従来のシステムについて約0.4%)、ノズルから生じるごく少量の運動エネルギーを使用して、液滴をより微細なものに粉砕する(従来のシステムについて0.001%未満)。 Plasma atomization uses a supersonic plasma jet, which has a core temperature of about 10,000 K, to melt and atomize metal originating from a wire source in a single-step process. Although very powerful, the process is energetically inefficient; only a small portion of the heat from the plasma is transferred to the wire to melt it (about 0.4% for conventional systems), and only a small amount of kinetic energy originating from the nozzle is used to break up the droplets into finer ones (less than 0.001% for conventional systems).

一般的に、伝達された熱を増加させることによって、より高い能力がもたらされ得、(気泡分裂するためのプルームの運動エネルギーから)伝達される機械的エネルギーを増加させることによって、より微細な粒子がもたらされる。例えば、平均粒径分布を80umから45umに移すことは、運動エネルギー(運動量)において約78%の増加を必要とし得る。これらは、中に入れる原料エネルギーを増加させるか、伝達の質を改善するか、またはそれらの組み合わせのいずれかによって達成されることができる。一方、原料エネルギーを増加させることによって、技術の運営費が増加するため、エネルギー伝達を改善するケースは稀である。 In general, higher capacity can be achieved by increasing the heat transferred, and finer particles can be achieved by increasing the mechanical energy transferred (from the kinetic energy of the plume to break up the bubbles). For example, moving the average particle size distribution from 80um to 45um can require about a 78% increase in kinetic energy (momentum). These can be achieved either by increasing the feed energy input, improving the quality of transfer, or a combination of both. On the other hand, improving the energy transfer is rarely the case, as increasing the feed energy increases the operating costs of the technology.

以下は、2つの技術の比較を示す。
Below is a comparison of the two techniques.

表1のデータが達成できるものの一例であることに留意することが重要であるが、実際の改善は、これらの値に限定されない。例えば、いくつらの調整により、能力は、約10kg/hまで増加し、平均粒径はさらにより小さくなり得る。 It is important to note that the data in Table 1 is an example of what can be achieved, but the actual improvements are not limited to these values. For example, with some adjustments, the capacity can be increased to about 10 kg/h and the average particle size can be even smaller.

以下の提案される改善の全ては、相互に作用して、能力および粒径分布の両方を同時に改善するが、単独で使用されてもよい。
ワイヤ径サイズの増加-旧方法では、ワイヤサイズは、1/8インチに限られていた。現方法は、ワイヤが大きくなると能力が高まり得ることを提案し、その2つの理由として、a)プラズマにおけるワイヤの滞留時間の増加、およびb)交換表面積の増加も挙げられる。両方の理由によって、プラズマプルームとワイヤとの間の熱交換の増加がもたらされる。
All of the following suggested improvements work synergistically to simultaneously improve both capacity and particle size distribution, but may also be used alone.
Increased wire diameter size - Older methods limited wire size to 1/8 inch. Current methods suggest that larger wires may increase capacity for two reasons: a) increased residence time of the wire in the plasma, and b) also increased exchange surface area. Both reasons result in increased heat exchange between the plasma plume and the wire.

誘導ワイヤ予熱-旧システムでは、ワイヤは、プラズマ微粒化領域に供給される前に予熱されなかったか、または複雑な抵抗加熱装置を使用して予熱されていた。より効率的な加熱技術を使用して困難な仕事をすることができるため、ワイヤ予熱は、システムの全体の熱収支を改善する。誘導加熱は、他の加熱技術よりも多くの利点を有し、その主な理由として、効率良く(約10~40%)物体を遠隔加熱できることが挙げられる。ワイヤ予熱によって、ワイヤを溶解温度まで(または局所的にはさらに上回って)上昇させることができ、液体供給物を使用して動作させることができる。部分的に液化したワイヤを過熱することは、溶解金属のその粘度および表面張力を著しく低下させることができるため、粒径分布にプラスの影響を及ぼす。ゆえに、プラズマから生じる大部分の加熱を使用して、主に潜熱を無駄にせずに、溶解および微粒化または単純に微粒化することができる。ワイヤ予熱は、生産能力および粒径分布に大きな影響を及ぼすことができる。 Induction Wire Preheating - In older systems, the wire was either not preheated before being fed into the plasma atomization area or was preheated using complex resistive heating devices. Wire preheating improves the overall heat balance of the system, as more efficient heating techniques can be used to do the hard work. Induction heating has many advantages over other heating techniques, primarily due to the ability to remotely heat objects with greater efficiency (approximately 10-40%). Wire preheating allows the wire to be brought up to melting temperature (or even above locally) and can be operated using a liquid feed. Superheating a partially liquefied wire has a positive effect on particle size distribution, as it can significantly reduce the viscosity and surface tension of the molten metal. Thus, most of the heat coming from the plasma can be used to melt and atomize or simply atomize, without wasting the mostly latent heat. Wire preheating can have a significant effect on production capacity and particle size distribution.

誘導予熱を金属材料および非金属材料の両方に使用することができるが、異なる手法を使用することに留意することが重要である。金属および合金等の導電性材料は、誘導に透過的または非透過的である材料から作製されたワイヤガイドと共に使用することができる。一方、セラミック等の非導電性材料から作製されたワイヤ原料は、誘導と結合せず、ゆえに、使用する周波数範囲内の誘導加熱に導電性かつ高感度であるインサートを使用して予熱しなければならない。後者の場合、ワイヤは、伝導、放射、および対流の組み合わせを介して、ワイヤインサートのみから間接的に予熱される。 It is important to note that induction preheating can be used for both metallic and non-metallic materials, but using different techniques. Conductive materials such as metals and alloys can be used with wire guides made from materials that are either transparent or non-transparent to induction. On the other hand, wire stock made from non-conductive materials such as ceramics will not couple with induction and must therefore be preheated using an insert that is conductive and sensitive to induction heating in the frequency range used. In the latter case, the wire is preheated indirectly only from the wire insert, via a combination of conduction, radiation, and convection.

供給材料がワイヤと結合することができる場合、誘導周波数を使用して、ワイヤにおける温度プロファイルを微調整することができる。そうすることで、頂点位置におけるワイヤの形状に大きな影響を及ぼし、間接的に粒径分布に影響を及ぼす(図5)。より低い周波数によって、より均一の温度がもたらされ、一方、高周波数によって、ワイヤにおいて温度勾配がもたらされる。誘導周波数は、コイル長さを変更することによって容易に変動し、コイルが長いと、周波数は低くなる。 If the feed material can be bonded to the wire, the induction frequency can be used to fine-tune the temperature profile in the wire, which has a large effect on the shape of the wire at the apex position and indirectly affects the grain size distribution (Figure 5). A lower frequency results in a more uniform temperature, while a higher frequency results in a temperature gradient in the wire. The induction frequency is easily varied by changing the coil length; the longer the coil, the lower the frequency.

ボールフランジの回転-旧システムでは、理想角度が30°であるという不正確なパラダイムがあったため、トーチを把持するフランジがその値に固定されていた。一方、出願人は、本明細書においてそれとは違うことを判断した。ボールフランジの回転の概念は、熱伝達および運動量伝達の質に関してかなりの柔軟性を提供する。距離も、角度と共に変動する(図5a対図5b)。実際、先端がワイヤに近いほど、プルームの温度は高くなり、ワイヤに見られるように、ジェットの速度が速くなる。また、ノズルの先端がワイヤに近くなるほど、およびワイヤとの垂直面に近くなるほど、熱および運動量交換の係数は高くなる。 Rotating Ball Flange - In older systems, there was an inaccurate paradigm that the ideal angle was 30°, so the flange that gripped the torch was fixed at that value. However, applicant has determined that this is not the case here. The concept of rotating ball flange offers a great deal of flexibility in terms of the quality of heat and momentum transfer. The distance also varies with the angle (Figure 5a vs. Figure 5b). In fact, the closer the tip is to the wire, the higher the temperature of the plume will be and the faster the jet will be as seen by the wire. Also, the closer the nozzle tip is to the wire and in a perpendicular plane with the wire, the higher the coefficient of heat and momentum exchange will be.

入口アルゴン圧の増加-アルゴン入口圧力を増加させることによって、気体速度および質量流が高くなる。圧力の増加は、以下の式のように、運動エネルギーに3次関係の影響を及ぼす。
式中、mは、気体の質量流であり、vは、気体の速度であり、Ekは、結果として生じた運動エネルギーである。
Increasing the inlet argon pressure - Increasing the argon inlet pressure will result in higher gas velocity and mass flow. Increasing the pressure has a cubic effect on the kinetic energy, as follows:
where m is the mass flow of the gas, v is the velocity of the gas, and Ek is the resulting kinetic energy.

技術データ:
Technical data:

原料が広範囲の材料から作製されてもよく、かつ金属だけに限定されないことに留意されたい。本明細書において微粒化され得る材料の例として、チタン(市販の純チタンおよびチタン基合金の両方)、アルミニウム、ステンレス鋼、Hastelloy(商標)、インコネル、タングステンが挙げられるがこれらに限定されない。非金属材料の例として、セラミックが挙げられ得るが、ワイヤまたはロッドの形態で作製することができる場合に限る。 It should be noted that the feedstock may be made from a wide range of materials and is not limited to metals only. Examples of materials that may be atomized herein include, but are not limited to, titanium (both commercially pure titanium and titanium-based alloys), aluminum, stainless steel, Hastelloy™, Inconel, and tungsten. Examples of non-metallic materials may include ceramics, but only if they can be made in wire or rod form.

上記説明は実施形態の例を提供するが、上述の実施形態のいくつかの特長および/または機能は、上述の実施形態の動作の趣旨および原理を逸脱することなく修正が可能であることが理解されよう。したがって、上記説明は、実施形態の例証であり、かつ非限定的であるように意図されており、本明細書に添付される特許請求の範囲に規定される実施形態の範囲を逸脱することなく他の変形および修正を加えてもよいことが、当業者によって理解されよう。
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While the above description provides examples of embodiments, it will be understood that certain features and/or functions of the above-described embodiments may be modified without departing from the spirit and principles of operation of the above-described embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that the above description is intended to be illustrative and non-limiting of the embodiments, and that other variations and modifications may be made without departing from the scope of the embodiments as defined in the claims appended hereto.
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Claims (15)

プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための装置であって、
-前記ワイヤを予熱するためのデバイスと、
-前記ワイヤを加熱して微粒化するための少なくとも1つのプラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、を備え、
前記ワイヤを予熱するための前記デバイスは、誘導コイルを含み、
熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供され、
前記ワイヤが導電性であり、前記ワイヤも、前記ワイヤガイドにより加熱されるのと同時に直接結合することによって加熱される、装置。
1. An apparatus for producing powder from a wire by plasma atomization, comprising:
- a device for pre-heating said wire,
at least one plasma torch for heating and atomizing said wire;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state ,
the device for preheating the wire comprises an induction coil;
a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire;
An apparatus in which the wire is electrically conductive and the wire is also heated by direct coupling at the same time that it is heated by the wire guide .
イヤガイドが提供され、前記ワイヤガイドは、前記誘導コイルからの熱が前記ワイヤに直接的に伝達されることを可能とするよう構成されている、請求項に記載の装置。 The apparatus of claim 1 , wherein a wire guide is provided , the wire guide configured to allow heat from the induction coil to be transferred directly to the wire. 前記ワイヤに対する前記トーチの角度および距離のうちの少なくとも1つを調整するためのシステムが提供される、請求項1または2に記載の装置。 3. The apparatus of claim 1 or 2 , further comprising a system for adjusting at least one of the angle and distance of the torch relative to the wire. より大きいワイヤ径を収容するように適合されている供給デバイスが提供される、請求項1~のいずれか1項に記載の装置。 An apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein a feeding device is provided which is adapted to accommodate larger wire diameters. 前記供給デバイスは、前記より大きいワイヤ径を供給および矯正するように適合される、請求項に記載の装置。 The apparatus of claim 4 , wherein the feeding device is adapted to feed and straighten the larger wire diameter. 前記ワイヤ径は、包括的に、1/8インチ~6インチである、請求項4または5に記載の装置。 The apparatus of claim 4 or 5 , wherein the wire diameter is between 1/8 inch and 6 inches, inclusive. プラズマ微粒化によってワイヤから粉末を生産するための装置であって
-前記ワイヤを予熱するためのデバイスと、
-前記ワイヤを微粒化するためのプラズマトーチであって、反応器において旋回および回転するように適合される、プラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、を備え、
前記ワイヤを予熱するための前記デバイスは、誘導コイルを含み、
熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供され、
前記ワイヤが導電性であり、前記ワイヤも、前記ワイヤガイドにより加熱されるのと同時に直接結合することによって加熱される、装置。
1. An apparatus for producing powder from a wire by plasma atomization , comprising:
- a device for pre-heating said wire,
a plasma torch for atomizing said wire, said plasma torch being adapted to pivot and rotate in the reactor;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state ,
the device for preheating the wire comprises an induction coil;
a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire;
An apparatus in which the wire is electrically conductive and the wire is also heated by direct coupling at the same time that it is heated by the wire guide .
プラズマ微粒化によってワイヤから金属粉末を生産するための装置であって
-前記ワイヤを予熱するためのデバイスと、
-前記ワイヤを微粒化するためのプラズマトーチであって、前記ワイヤとの前記プラズマトーチの角度は、粉末の粒径分布を調整するために調整されるように適合される、プラズマトーチと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却するためのチャンバと、を備え、
前記ワイヤを予熱するための前記デバイスは、誘導コイルを含み、
熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供され、
前記ワイヤが導電性であり、前記ワイヤも、前記ワイヤガイドにより加熱されるのと同時に直接結合することによって加熱される、装置。
1. An apparatus for producing metal powder from a wire by plasma atomization , comprising:
- a device for pre-heating said wire,
a plasma torch for atomizing the wire, the angle of the plasma torch with the wire being adapted to be adjusted in order to adjust the particle size distribution of the powder;
a chamber for cooling the atomized particles to a solid state ,
the device for preheating the wire comprises an induction coil;
a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire;
An apparatus in which the wire is electrically conductive and the wire is also heated by direct coupling at the same time that it is heated by the wire guide .
プラズマ微粒化によってワイヤから金属粉末を生産するための方法であって、
-ワイヤを供給することと、
-前記ワイヤを予熱することと、
-前記ワイヤを加熱して微粒化することと、
-微粒化された粒子を固体状態に冷却することと、を含み、
前記ワイヤを予熱するためのデバイスが、誘導コイルを含み、
熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供され、
前記ワイヤが導電性であり、前記ワイヤも、前記ワイヤガイドにより加熱されるのと同時に直接結合することによって加熱される、方法。
1. A method for producing metal powder from a wire by plasma atomization, comprising:
- supplying a wire ;
- preheating the wire;
- heating and atomizing said wire;
- cooling the atomized particles to a solid state ,
the device for preheating the wire comprises an induction coil;
a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire;
A method wherein the wire is electrically conductive and is also heated by direct coupling at the same time that it is heated by the wire guide .
前記ワイヤは、直接的または間接的に誘導熱によって予熱される、請求項に記載の方法。 The method of claim 9 , wherein the wire is preheated by direct or indirect induction heating. を前記ワイヤに伝達するために、誘導と反応させるためのワイヤガイドが提供される、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10 , wherein a wire guide is provided for reacting with induction to transfer heat to the wire. 誘導に透過的であるワイヤガイドが提供され、それによって、誘導熱を提供する誘導コイルからの熱が、前記ワイヤに直接的に伝達される、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10 , wherein a wire guide is provided that is induction transparent, whereby heat from an induction coil providing induction heating is transferred directly to the wire. 前記ワイヤは、1/8インチ以上の直径を有する、請求項9~12のいずれか1項に記載の方法。 The method of any one of claims 9 to 12 , wherein the wire has a diameter of 1/8 inch or greater. 伝導、放射、および対流によって、熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供される、請求項1~8のいずれか1項に記載の装置。An apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire by conduction, radiation and convection. 伝導、放射、および対流によって、熱を前記ワイヤに伝達するために、前記誘導コイルと結合するためのワイヤガイドが提供される、請求項9~13のいずれか1項に記載の方法。A method according to any one of claims 9 to 13, wherein a wire guide is provided for coupling with the induction coil for transferring heat to the wire by conduction, radiation and convection.
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