ES2822048T3

ES2822048T3 - Proceso y aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de miembro alargado

Info

Publication number: ES2822048T3
Application number: ES15762350T
Authority: ES
Inventors: Maher I Boulos; Jerzy W Jurewicz; Alexandre Auger
Original assignee: Tekna Plasma Systems Inc
Current assignee: Tekna Plasma Systems Inc
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: CA3089670A1; CA3047663A1; US11110515B2; US20170326649A1; US11565319B2; CN106457180B; EP3730208B1; EP4309775A2; PT3116636T; CN112246184A; KR20160131060A; US20170106448A1; AU2015230636A1; EP3730208A1; US10688564B2; US9718131B2; CA3030794A1; JP6629748B2; US11638958B2; CA3065675C

Abstract

Un proceso para producir partículas (184) de polvo mediante atomización de un material (110) de alimentación en la forma de miembro alargado, que comprende: introducir (510) el material (110) de alimentación en un soplete (120) de plasma acoplado inductivamente mediante una sonda (122) de inyección; hacer avanzar continuamente el material (110) de alimentación al interior del soplete (120) de plasma para mover (530) una porción frontal del material de alimentación a una boquilla (160, 660) de atomización del soplete de plasma; fusión (540) superficial de un extremo frontal del material (110) de alimentación mediante exposición a uno o más chorros de plasma formados en la boquilla (160, 660) de atomización, seleccionándose el uno o más chorros de plasma de un chorro de plasma anular, una pluralidad de chorros de plasma convergentes y una combinación de los mismos; y congelar (550) en vuelo, dentro de una cámara (170) de enfriamiento, gotas (182) formadas por atomización del material (110) de alimentación.

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso y aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de miembro alargado

Campo técnico

La presente divulgación se refiere al campo del procesamiento de materiales. Más específicamente, la presente divulgación se refiere a un proceso y a un aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado. También se divulgan partículas de polvo producidas usando el proceso y aparato divulgados.

Antecedentes

Con el creciente interés en la fabricación y creación rápida de prototipos, comúnmente conocida como fabricación aditiva o impresión 3-D, se han desarrollado un número de técnicas para la producción de polvos esféricos densos, que son útiles para tales tecnologías. El éxito de la fabricación aditiva y la impresión 3D depende en gran medida de la disponibilidad de materiales utilizables para la fabricación de partes. Dichos materiales deben proporcionarse en forma de polvos altamente puros, finos (por ejemplo, de diámetro menor que 150 |jm), densos, esféricos y de flujo libre que tienen distribuciones de tamaño de partícula bien definidas. Las técnicas convencionales de atomización por fusión, tal como la atomización por gas, líquido y disco giratorio, no pueden producir polvos de tan alta calidad. Las técnicas más recientes evitan el uso de la fusión por crisol, que a menudo es responsable de la contaminación del material. Estas técnicas recientes proporcionan polvos esféricos que fluyen libremente.

Por ejemplo, algunos procesos de atomización de plasma se basan en el uso de una pluralidad de sopletes de plasma que producen chorros de plasma que convergen hacia un ápice. Dicha tecnología se divulga, por ejemplo, en el documento US 5,707,419 A. Al alimentar un material a atomizar en forma de alambre o varilla en el ápice, el material se funde y atomiza mediante energía térmica y cinética proporcionada por los chorros de plasma. También se ha propuesto alimentar un material a atomizar en forma de corriente fundida continua dirigida hacia un ápice donde convergen varios chorros de plasma. Estos tipos de procesos de atomización de plasma son bastante delicados y requieren una alineación laboriosa de al menos tres sopletes de plasma para tener al menos tres chorros de plasma convergiendo hacia el ápice. Debido al tamaño físico de tales sopletes de plasma, la ubicación del ápice está destinada a estar a unos centímetros de un punto de salida de los chorros de plasma. Esto provoca una pérdida de valiosa energía térmica y cinética de los chorros de plasma antes de que alcancen la posición del ápice e incidan sobre el material. En general, estos procesos implican varias dificultades en términos de requisitos para la alineación precisa y el ajuste de potencia de las sopletes y para el ajuste preciso de la tasa de alimentación del material.

Otras tecnologías se basan en el uso de calentamiento por inducción directa y fusión de un alambre o varilla de un material a atomizar evitando el contacto entre el material fundido y un crisol. Las gotas fundidas de la varilla caen en un sistema de boquillas de atomización de gas y se atomizan utilizando una alta tasa de flujo de un gas inerte apropiado. Una de las principales ventajas de estas tecnologías radica en evitar la posible contaminación del material a atomizar al eliminar cualquier posible contacto del mismo con un crisol cerámico. Sin embargo, estas tecnologías se limitan a la atomización de metales puros o aleaciones. Además, estas tecnologías son complejas y requieren un ajuste fino de las condiciones de funcionamiento para un rendimiento óptimo. Además, se consumen grandes cantidades de gases atomizadores inertes.

Por tanto, existe la necesidad de técnicas para la producción eficiente y económica de partículas de polvo a partir de un amplio rango de materiales de alimentación.

Resumen

La invención se refiere a un proceso y aparato para producir partículas de polvo de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 22, respectivamente.

Las características anteriores y otras se harán más evidentes tras la lectura de la siguiente descripción no restrictiva de las realizaciones ilustrativas de la misma, dadas a modo de ejemplo únicamente con referencia a los dibujos adjuntos. Los mismos numerales representan características similares en las diversas figuras de los dibujos.

Breve descripción de los dibujos

Las realizaciones de la divulgación se describirán a modo de ejemplo solo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista en alzado frontal de un soplete de plasma utilizable para la atomización de material de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, varilla o tubo lleno;

La figura 2a es una vista en alzado frontal detallada del soplete de plasma de la figura 1, que tiene una boquilla de atomización de acuerdo con una realización y una configuración para el precalentamiento directo del miembro alargado por el plasma;

La figura 2b es una vista en alzado frontal detallada del soplete de plasma de la figura 1, que tiene la boquilla de atomización de la figura 2a y una configuración en la que el miembro alargado es calentado indirectamente por el plasma a través de un tubo de radiación;

La figura 3 es una vista en alzado frontal de un aparato para la atomización de material de alimentación en la forma de un miembro alargado, incluyendo el aparato el soplete de plasma de la figura 1;

La figura 4a es una vista en perspectiva de una boquilla de atomización con una brida de soporte de acuerdo con una realización;

La figura 4b es una vista en sección transversal de la boquilla de atomización y la brida de soporte de la figura 4a; Las figuras 4c, 4d y 4e son vistas superior, inferior y en perspectiva adicionales que muestran detalles de la boquilla de atomización de la figura 4a, que incluyen una abertura central rodeada por aberturas radiales para producir chorros de plasma;

La figura 5 es una vista en alzado frontal detallada del soplete de plasma de la figura 1, que muestra una boquilla de atomización de acuerdo con otra realización;

La figura 6 es una vista en alzado frontal detallada de una variante del soplete de plasma de la figura 1, que muestra la boquilla de atomización de la figura 5 e incluye además un puerto de gas envolvente que rodea el extremo de salida de la boquilla de atomización;

La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra las operaciones de un proceso de producción de partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, varilla o tubo lleno;

La figura 8 es una vista esquemática, que incluye un gráfico que muestra los resultados del modelado para calentar un alambre de acero inoxidable de 3.2 mm introducido en un plasma de inducción de argón/hidrógeno a 60 kW; La figura 9 es una micrografía electrónica de partículas de polvo obtenidas por atomización de un alambre de acero inoxidable de 3.2 mm de diámetro y una gráfica de distribución de tamaño de partículas correspondiente; y

La figura 10 ilustra micrografías electrónicas de diferentes fracciones de polvo esférico de acero inoxidable producidas usando el proceso y aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en la forma de un miembro alargado.

Descripción detallada

En términos generales, la presente divulgación aborda uno o más de los problemas de producir partículas de polvo de manera eficiente y económica a partir de un amplio rango de materiales de alimentación.

Más particularmente, la presente divulgación describe un proceso de atomización por plasma y un aparato para el mismo, utilizable para producir partículas de polvo a partir de un amplio rango de materiales de alimentación, incluidos, por ejemplo, metales puros, aleaciones, cerámicas y material compuesto. La tecnología divulgada se puede utilizar en la fabricación de un amplio rango de polvos de metal, cerámica o material compuesto esféricas densas a partir de un material de alimentación de la misma naturaleza en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, una varilla, un alambre o un tubo lleno. Un polvo se puede definir como que comprende partículas con un diámetro de menos de un (1) milímetro, un polvo fino se puede definir como que comprende partículas de un diámetro de menos de 10 micrómetros, mientras que un polvo ultrafino se puede definir como que comprende partículas de menos de un (1) micrómetro de diámetro.

En una realización no limitativa, el soplete de plasma, que es un soplete de plasma acoplado inductivamente, se alimenta con el material de alimentación a lo largo de un eje longitudinal central del mismo. Se puede controlar una rapidez de movimiento y/o una distancia de recorrido del material de alimentación en una zona de precalentamiento opcional del soplete de plasma para permitir que el material se caliente a una temperatura lo más cercana posible a su punto de fusión mientras se evita la fusión prematura del mismo en el interior del soplete de plasma. Un extremo frontal del material de alimentación opcionalmente precalentado entra en la boquilla de atomización para emerger de su lado corriente abajo y entrar en una cámara de enfriamiento. Debido a su paso en la boquilla de atomización, el extremo frontal o la punta del material de alimentación se expone a una pluralidad de chorros de plasma, por ejemplo chorros de plasma de alta velocidad, que incluyen, aunque no se limitan a, chorros de plasma finos supersónicos. Al incidir con el material de alimentación, los chorros de plasma funden su superficie y extraen el material fundido dando como resultado gotas fundidas esféricas finamente divididas del material arrastrado con el gas de plasma procedente de la boquilla de atomización. En otra realización, el extremo frontal del material de alimentación opcionalmente precalentado se expone a un chorro de plasma anular dentro de la boquilla de atomización, provocando también el chorro de plasma anular la fusión superficial del material de alimentación. Las gotas resultantes son arrastradas por el gas de plasma hacia la cámara de enfriamiento. En ambas realizaciones, las gotas se enfrían y se congelan en vuelo dentro de la cámara de enfriamiento, formando, por ejemplo, partículas de polvo esféricas pequeñas, sólidas y densas. Las partículas de polvo se pueden recuperar en la parte inferior de la cámara de enfriamiento, por ejemplo en un ciclón corriente abajo o en un filtro, dependiendo de su distribución de tamaño de partículas.

En el contexto de la presente divulgación, las partículas de polvo obtenidas usando el proceso y aparato divulgados pueden incluir, sin limitación, partículas de tamaño micrométrico que pueden definirse como partículas en un rango de 1 a 1000 micrómetros de diámetro.

La siguiente terminología se utiliza a lo largo de la presente divulgación:

Partícula de polvo: un grano de material particulado, que incluye, entre otros, nanopartículas y micrones.

Atomización: reducción de un material a partículas.

Material de alimentación: material a transformar mediante un proceso.

Tubo lleno: material de alimentación proporcionado en forma de tubo, elaborado a modo de ejemplos no limitativos de metal, plástico o cualquier otro material adecuado, lleno de un polvo compuesto de un metal puro, aleaciones, material cerámico, cualquier otro material adecuado, o compuesto por una mezcla de materiales, de modo que la fusión del polvo puede dar lugar a la formación de una aleación o material compuesto.

Plasma: un gas en un estado caliente, parcialmente ionizado.

Soplete de plasma: dispositivo capaz de convertir un gas en plasma.

Soplete de plasma acoplado inductivamente: un tipo de soplete de plasma que utiliza corriente eléctrica como fuente de energía para producir una inducción electromagnética de la energía en el plasma.

Sonda de inyección: un conducto alargado que se puede enfriar mediante un fluido de enfriamiento, para la inserción o suministro de un material de alimentación.

Zona de precalentamiento: área en un soplete de plasma en la que el material de alimentación se eleva a una temperatura por debajo de su punto de fusión.

Boquilla de atomización: elemento para producir chorros de plasma y permitir que el material de alimentación se transfiera desde un soplete de plasma a una cámara de enfriamiento.

Congelación en vuelo: enfriamiento de gotas de líquido que se convierten en partículas sólidas mientras están suspendidas dentro de un gas.

Cámara de enfriamiento: un recipiente en el que tiene lugar la congelación en vuelo.

Con referencia ahora a los dibujos, la figura 1 es una vista en alzado frontal de un soplete de plasma utilizable para la atomización de material de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, varilla o tubo lleno. Obviamente, podrían usarse potencialmente otros tipos de miembro alargado en el proceso y aparato divulgados para la atomización del material de alimentación.

La figura 2a es una vista en alzado frontal detallada del soplete de plasma de la figura 1, que tiene una boquilla de atomización de acuerdo con una realización y una configuración para el precalentamiento directo del miembro alargado por el plasma, mientras que la figura 2b es una vista en alzado del soplete de plasma de la figura 1, que tiene la boquilla de atomización de la figura 2a y una configuración en la que el miembro alargado es calentado indirectamente por el plasma a través de un tubo de radiación. La figura 3 es una vista en alzado frontal de un aparato para atomización material de alimentación en forma de un miembro alargado, incluyendo el aparato el soplete de plasma de la figura 1.

Haciendo referencia inmediatamente a las figuras 1, 2 y 3, un aparato 100 para producir partículas de polvo por atomización de un material 110 de alimentación en la forma de un miembro alargado, tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno, comprende un soplete 120 de plasma que produce plasma 126, y una cámara 170 de enfriamiento. El soplete 120 de plasma como se muestra es un soplete de plasma acoplado inductivamente. El aparato 100 puede comprender además un recolector 190 de polvo.

El soplete 120 de plasma comprende una sonda 122 de inyección en forma de un conducto alargado montado en el cabezal 185 coaxial con el soplete 120 de plasma acoplado inductivamente. Como se ilustra en la figura 1, la sonda 122 de inyección se extiende a través del cabezal 185 y a través del tubo 179 de confinamiento de plasma. El material 110 de alimentación se puede insertar en el soplete 120 de plasma a través de la sonda 122 de inyección de manera que sea coaxial con el cuerpo 181 del soplete. El material 110 de alimentación se puede suministrar a la sonda 122 de inyección, de manera continua, por un mecanismo típico de alimentación de alambre, varilla o tubo (no mostrado), por ejemplo, similar a las unidades disponibles comercialmente que se utilizan actualmente en la soldadura por arco de alambre, tales como las unidades comercializadas por Miller para soldadura por alambre/MIG, y que comprende un primer conjunto de ruedas operadas para controlar la tasa de alimentación del miembro alargado a la sonda 122 de inyección. El mecanismo de alimentación puede ir precedido o seguido de dos conjuntos sucesivos de ruedas de enderezamiento para enderezar el miembro alargado dentro de dos planos perpendiculares. Por supuesto, en algunas situaciones, solo se puede requerir un conjunto o más de ruedas de enderezamiento para enderezar el miembro alargado dentro de un solo plano o múltiples planos. Los conjuntos de ruedas de enderezamiento son útiles cuando el material de alimentación se suministra en forma de rollos. En una variante, el mecanismo de alimentación puede adaptarse para hacer girar el material 110 de alimentación alrededor de un eje longitudinal del mismo, específicamente alrededor de un eje longitudinal del soplete 120 de plasma.

Una zona 124 de precalentamiento para precalentar una porción 112 frontal del material 110 de alimentación, ya sea por contacto directo con el plasma 126 como se ilustra en la figura 2a o por calentamiento por radiación de un tubo 125 de radiación que rodea el material 110 de alimentación, siendo el propio tubo 125 de radiación calentado por contacto directo con el plasma 126, como se ilustra en la figura 2b. El tubo 125 de radiación puede estar hecho, por ejemplo, de material refractario tal como grafito, tungsteno o carburo de hafnio. El soplete 120 de plasma también comprende una boquilla 160 de atomización con un canal a través del cual la porción 112 frontal del material 110 de alimentación desde la zona 124 de precalentamiento viaja para exponer un extremo 114 frontal del material 110 de alimentación a una pluralidad de chorros 180 de plasma y atomizar el material de alimentación. El canal puede comprender una abertura 162 central que permite que la porción 112 frontal del material 110 de alimentación salga del soplete 120 de plasma y entre en la cámara 170 de enfriamiento, y con aberturas 166 radiales para producir la pluralidad de chorros 180 de plasma. La cámara 170 de enfriamiento está montada en el extremo inferior del soplete 120 de plasma, corriente abajo de la boquilla 160. En la cámara 170 de enfriamiento, el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación está expuesto a la pluralidad de chorros 180 de plasma.

Con referencia aún a las figuras 1, 2 y 3, el soplete 120 de plasma es un soplete de plasma acoplado inductivamente y comprende un cuerpo 181 del soplete cilíndrico exterior, un tubo 179 de confinamiento de plasma cilíndrico interior y al menos una bobina 130 de inducción en una disposición coaxial. El cuerpo 181 del soplete cilíndrico exterior puede estar hecho de material de composición moldeable, por ejemplo, un material cerámico de composición moldeable. El tubo 179 de confinamiento de plasma cilíndrico interno puede estar hecho de material cerámico y, como se indicó anteriormente, es coaxial con el cuerpo 181 del soplete. La al menos una bobina 130 de inducción es coaxial con e incrustada en el cuerpo 181 del soplete para producir un campo electromagnético de RF (radio frecuencia) cuya energía enciende y sostiene el plasma 126 confinado en el tubo 179 de confinamiento de plasma incluyendo la zona 124 de precalentamiento. El plasma se produce a partir de al menos un gas tal como argón, helio, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o una combinación de los mismos, suministrado dentro del tubo 179 de confinamiento de plasma a través de un cabezal 185 del soplete 120 de plasma acoplado inductivamente en el extremo superior del cuerpo 181 de soplete. La corriente de RF se suministra a las bobinas 130 de inducción a través de los conductores 132 de alimentación. El agua u otro fluido de enfriamiento se alimenta a través de entradas tales como 134, fluye en canales de enfriamiento tales como 136, en particular a través de un espacio anular entre el cuerpo 181 del soplete y el tubo 179 de confinamiento de plasma, para enfriar el soplete de plasma acoplado inductivamente. El agua u otro fluido de enfriamiento sale del aparato 100 a través de salidas tales como 138. El agua u otro fluido de enfriamiento también puede fluir (a) dentro de una cubierta 140 de la sonda 122 de inyección y dentro de las bobinas 130 de inducción que es (son) entonces tubular.

La exposición del extremo 114 frontal del material 110 de alimentación a la pluralidad de chorros 180 de plasma provoca la fusión local del material de alimentación seguida de una extracción instantánea y la descomposición de la capa fundida formada de material de alimentación en pequeñas gotas 182. Las gotas 182 caen en la cámara 170 de enfriamiento, que está dimensionada y configurada para permitir la congelación en vuelo de las gotas 182. Las gotas 182, cuando se congelan, se convierten en partículas 184 de polvo recolectan en el recolector 190.

El aparato 100 de la figura 3 está configurado para permitir que las gotas 182 caigan hacia el recolector 190 por gravedad. Sin embargo, también se contemplan otras configuraciones en las que las gotas 182 no caen verticalmente, siendo impulsadas por un gas o por un vacío. En la realización de la figura 3 y en tales otras configuraciones, una tubería 192 de salida puede conectar una parte de abajo de la cámara 170 de enfriamiento hacia un sistema de bombeo de vacío (no mostrado) para extraer gas de la cámara 170 de enfriamiento.

El aparato 100 incluye otros componentes tales como carcasas, bridas, pernos y similares, que se ilustran en las figuras 1, 2a, 2b, 3, 4, 5 y 6. Se cree que estos elementos son autoexplicativos y no se describen más en este documento. La configuración precisa de los diversos componentes ilustrados en estas y otras figuras no limita la presente divulgación.

La figura 4a es una vista en perspectiva de la boquilla 160 de atomización con una brida 171 de soporte de acuerdo con una realización. La figura 4b es una vista en sección transversal de la boquilla 160 de atomización y la brida 171 de soporte de la figura 4a. Las figuras 4c, 4d y 4e son vistas superior, inferior y en perspectiva que muestran detalles de la boquilla 160 de atomización de la figura 4a, incluida la abertura 162 central rodeada por aberturas 166 radiales para formar canales de chorro de plasma, por ejemplo canales de chorro de micro-plasma. Sin limitación, la boquilla 160 de atomización puede estar formada de un metal enfriado por agua o de un material refractario enfriado por radiación o una combinación de ambos.

La boquilla 160 está soportada por la brida 171. Como se muestra en las figuras 2a y 2b, la brida 171 se puede asegurar entre el extremo de abajo del soplete 120 de plasma y un miembro 173 anular de montaje en una disposición de sellado entre el soplete 120 de plasma y la cámara 170 de enfriamiento. Con referencia aún a las figuras 2a y 2b, la boquilla 160 comprende una superficie 177 interior anular que puede definir una porción de los canales 136 de enfriamiento para proporcionar al mismo tiempo el enfriamiento de la boquilla 160. La boquilla 160 también define un surco 175 anular para recibir el extremo 211 de abajo del tubo 179 de confinamiento de plasma en una disposición de sellado adecuada.

La boquilla 160 de las figuras 4a-4e comprende, en el lado interior, una torre 168 central que define la abertura 162 central, que es coaxial con la sonda 122 de inyección. La abertura 162 central tiene una ampliación 169 en forma de embudo de entrada. Esta configuración de la torre 168 facilita la alineación e inserción de la porción 112 frontal del material 110 de alimentación. La abertura 162 central de la boquilla 160 permite que la porción 112 frontal del material 110 de alimentación salga del soplete 120 de plasma hacia el interior de la cámara 170 de enfriamiento. La boquilla 160 de atomización también comprende, alrededor de la torre 168 central, una pared inferior formada con la pluralidad de aberturas 166 radiales igualmente, espaciadas angularmente entre sí. Las aberturas 166 radiales están diseñadas para permitir que las respectivas fracciones del plasma 126 fluyan hacia la cámara 170 de enfriamiento y generen los chorros 180 de plasma. El número de aberturas 166 radiales y su ángulo de ataque con respecto al eje geométrico longitudinal central del soplete 120 de plasma puede seleccionarse en función de una distribución deseada de los chorros 180 de plasma alrededor del eje longitudinal del soplete 120 de plasma.

La abertura 162 central puede dimensionarse y configurarse para coincidir estrechamente con una sección transversal del material 110 de alimentación de modo que la abertura 162 central se cierre sustancialmente mediante la inserción de la porción 112 frontal del material 110 de alimentación en su interior. Al cerrar la abertura 162 central, aumenta la presión del plasma 126 en el soplete 120 de plasma. Esto a su vez hace que las respectivas fracciones del plasma 126 sean expulsadas de la zona 124 en el tubo 179 de confinamiento de plasma a través de las aberturas 166 radiales. Estas fracciones expulsadas del plasma 126 forman los chorros 180 de plasma. Las aberturas 166 radiales están dimensionadas y configuradas para expulsar los chorros 180 de plasma a alta velocidad, que posiblemente podrían alcanzar velocidades sónicas o supersónicas.

En los casos en los que la sección transversal del material 110 de alimentación es menor que el orificio de la abertura 162 central, la abertura 162 no está completamente bloqueada y la acumulación de presión dentro del soplete 120 de plasma puede ser de menor magnitud. Independientemente, la pura acción del soplete 120 de plasma y el bloqueo parcial de la abertura 162 central por el material 110 de alimentación todavía hacen que el plasma 126 esté a un nivel de presión significativo. Los chorros 180 de plasma todavía pueden estar presentes, aunque potencialmente reducidos en términos de flujo y presión. Una porción del plasma 126 se expulsa a través de la abertura 162 central, en una brecha dejada entre el material 110 de alimentación y el orificio de la abertura 162 central. Esta porción del plasma 126 forma un chorro de plasma anular, o flujo, que rodea el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación. A medida que atraviesa la abertura 162 central, el extremo 114 frontal puede, en tales casos, atomizarse en parte por el chorro de plasma anular. El extremo 114 frontal puede ser atomizado además en una parte adicional por chorros 180 de plasma que, aunque más débiles, aún pueden ser expulsados de las aberturas 166 radiales de la boquilla 160 de atomización a una rapidez significativa.

Las aberturas 166 radiales pueden estar orientadas cada una de modo que los chorros 180 de plasma converjan hacia el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno, dentro de la cámara 170 de enfriamiento para mejorar el proceso de atomización. Más particularmente, las figuras 4c y 4d muestran, respectivamente, vistas superior e inferior de la boquilla 160 de atomización. Puede observarse que las aberturas 166 radiales están inclinadas hacia dentro alrededor del eje longitudinal geométrico central del soplete 120 de plasma desde la parte superior a la parte inferior de la boquilla 162 de atomización. De esta manera, los chorros 180 de plasma formados en la misma convergerán dentro de la cámara 170 de enfriamiento hacia un punto de convergencia en alineación axial con la abertura 162 central. Sin limitación, las aberturas 166 radiales pueden ser cilíndricas y tener un diámetro en el rango de 0.5 mm hasta 3 mm para producir micro chorros de plasma sónicos o supersónicos y pueden estar orientadas en ángulos de 20° a 70° con respecto al eje longitudinal geométrico central del soplete 120 de plasma. Por supuesto, pueden contemplarse otras formas y diámetros de las aberturas 166 radiales.

Como se ha expresado anteriormente, la boquilla 160 de atomización genera una pluralidad de chorros de plasma convergentes y puede generar además un chorro de plasma anular. A continuación se describirá otra realización de la boquilla de atomización que solo genera un chorro de plasma anular.

La figura 5 es una vista en alzado frontal detallada del soplete de plasma de la figura 1, que muestra una boquilla de atomización de acuerdo con otra realización. En esta realización, el soplete 120 de plasma se modifica para comprender una boquilla 660 de atomización dispuesta centralmente en una pieza de cierre inferior del soplete 120 asegurada al extremo de abajo del cuerpo 181 del soplete. La boquilla 660 de atomización tiene una abertura 662 central en su extremo de salida y una cara 664 interna que se estrecha hacia la abertura 662 central. En una realización no limitativa, la abertura 662 central de la boquilla 660 de atomización está dimensionada y configurada para coincidir sustancialmente con una sección transversal del miembro alargado que forma el material 110 de alimentación, moviendo así el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación al interior de la boquilla 660 de atomización provoca la acumulación de presión del plasma 126 en el soplete 120 de plasma. La presión del plasma 126 en el soplete 120 de plasma hace que parte del plasma sea expulsado a través de la boquilla 660 de atomización, formando un chorro 665 de plasma anular entre el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación y la cara 664 interna de la boquilla 660 de atomización. La exposición del extremo 114 frontal del material 110 de alimentación al chorro 665 de plasma anular provoca la fusión superficial y la atomización del material 110 de alimentación. El material de alimentación atomizado sale del soplete 120 de plasma a través de la abertura 662 central y entra en la cámara 170 de enfriamiento en forma de gotas 182 finas o ultrafinas. Las gotas 182 caen en la cámara 170 de enfriamiento, que está dimensionada y configurada para permitir la congelación en vuelo de las gotas 182. Las gotas 182, cuando se congelan, se convierten en partículas 184 de polvo recolectadas en el recolector 190. Algo del plasma, que forma el chorro 665 de plasma anular, también entra en la cámara 170 de enfriamiento.

La figura 6 es una vista en alzado frontal detallada de una variante del soplete de plasma de la figura 1, que muestra la boquilla de atomización de la figura 5 e incluye además un puerto de gas envolvente que rodea el extremo de salida de la boquilla de atomización. En esta variante, el soplete 120 de plasma de las figuras anteriores se complementa con la adición de un puerto 410 de entrada para recibir un gas 412 envolvente. El gas 412 envolvente está restringido debajo del soplete 120 de plasma por una cubierta 414 que se forma con la pieza de cierre inferior del soplete una cavidad anular que rodea la abertura 662 central de la boquilla 660 de atomización. El gas 412 envolvente se expulsa del puerto 416 de salida de gas envolvente anular para formar una cortina 418 de gas envolvente que rodea el plasma y las gotas 182 expulsadas de la boquilla 660 de atomización. La presencia de la cortina 418 de gas envolvente axial evita que las gotas 182 alcancen y se depositen en cualquier superficie corriente abajo del soplete 120 de plasma, incluida la boquilla 660 de atomización. Específicamente, la cortina 418 de gas envolvente evita la rápida expansión del flujo de plasma que emerge de la boquilla 660 de atomización y, por lo tanto, las gotas 182 no incidan en ninguna superficie corriente abajo de la cámara de enfriamiento. Como se muestra en la figura 6, la abertura 662 central de la boquilla 660 de atomización puede extenderse ligeramente en una brida 667 anular corta para desviar mejor el gas 412 envolvente alrededor del flujo formado por el gas de plasma y las gotas 182. El gas envolvente puede ser de la misma naturaleza que la fuente del gas de plasma, incluyendo por ejemplo gases inertes tales como argón y helio en sus mezclas con hidrógeno, oxígeno y/o nitrógeno. El gas envolvente puede consistir alternativamente en un gas diferente.

El aparato 100 puede integrar cualquiera de las boquillas 160 y 660 de atomización. Aunque no se ilustra, también se contempla una variante adicional del aparato 100 que incluye una combinación de la boquilla 160 de atomización con componentes que proporcionan el gas 412 envolvente a través del puerto 416 de gas envolvente.

La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra las operaciones de un proceso de producción de partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, varilla o tubo lleno. En la figura 7, una secuencia 500 comprende una pluralidad de operaciones que pueden ejecutarse en orden variable, posiblemente algunas de las operaciones se ejecuten al mismo tiempo, siendo algunas de las operaciones opcionales.

La secuencia 500 para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno se inicia en la operación 510 introduciendo el material de alimentación en un soplete de plasma acoplado inductivamente. La introducción del material de alimentación en el soplete de plasma se puede realizar mediante una sonda de inyección de manera continua, utilizando un mecanismo de alimentación de alambre, varilla o tubo típico para controlar la tasa de alimentación del miembro alargado y, si es necesario, para enderezar el miembro alargado algunas veces proporcionado en forma de rollos.

Dentro del soplete de plasma, una porción frontal del material de alimentación puede precalentarse por contacto directo o indirecto con el plasma en la operación 520. Cuando se usa una sonda de inyección, una sección del soplete de plasma más allá de un extremo de la sonda de inyección, específicamente entre el extremo de la sonda de inyección y puede formar una zona de precalentamiento para precalentar la porción frontal del material de alimentación. La operación 530 comprende mover una porción frontal del material de alimentación desde una boquilla de atomización del soplete de plasma, alcanzando un extremo frontal del material de alimentación una abertura central de la boquilla de atomización.

La boquilla de atomización produce uno o más chorros de plasma. El uno o más chorros de plasma pueden incluir un chorro de plasma anular que rodea el extremo frontal del material de alimentación, una pluralidad de chorros de plasma convergentes expulsados por la boquilla de atomización o una combinación de chorros de plasma anulares y convergentes. También se contempla la generación de chorros de plasma adicionales usando un soplete de plasma secundario conectado operativamente a la cámara de enfriamiento. La operación 540 comprende la fusión superficial del extremo frontal del material de alimentación mediante la exposición a uno o más chorros de plasma formados en la boquilla de atomización.

Las gotas formadas por atomización del material de alimentación se congelan en vuelo dentro de la cámara de enfriamiento, en la operación 550. Luego, la operación 560 comprende recolectar partículas de polvo resultantes de la congelación en vuelo de las gotas.

La producción de las partículas de polvo usando la secuencia 500 de la figura 7 se puede hacer continua haciendo avanzar continuamente el material de alimentación al interior del soplete de plasma mientras se mantienen el plasma y los chorros de plasma a niveles de temperatura adecuados. Generalmente, la duración del viaje de la porción frontal del material de alimentación en la zona de precalentamiento, ya sea por contacto directo entre el material de alimentación y el plasma o por radiación indirecta que calienta el plasma a través de un tubo de radiación, se controla de modo que la porción frontal del material de alimentación alcanza una temperatura predeterminada antes de pasar a la boquilla de atomización. La temperatura predeterminada obtenida en la operación 520 de precalentamiento está por debajo del punto de fusión del material de alimentación. El control de la duración del tiempo de precalentamiento del material de alimentación se puede realizar controlando la tasa de alimentación del material de alimentación y/o una longitud de la zona de precalentamiento en el soplete de plasma.

Mediante el control de la temperatura del plasma y de los chorros de plasma, la producción de partículas de polvo usando la secuencia 500 puede aplicarse a un amplio rango de materiales tales como metales puros, por ejemplo titanio, aluminio, vanadio, molibdeno, cobre, aleaciones de esos u otros metales que incluyen, por ejemplo, aleaciones de titanio, acero y acero inoxidable, cualquier otro material metálico que tenga una fase líquida, cerámicas que incluyen, por ejemplo, las de las familias de óxido, nitruro o carburo, o cualquier combinación de los mismos, o cualquier otro material cerámico que tiene una fase líquida, composiciones o compuestos de los mismos. La lista anterior de materiales no pretende limitar la aplicación del proceso y aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado.

Primer ejemplo

De acuerdo con un primer ejemplo, el proceso para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de miembro alargado puede comprender las siguientes operaciones. Este primer ejemplo puede hacer uso del aparato 100 ilustrado en su totalidad o en partes en la figura 1-6 que incluye el soplete 120 de plasma para calentar, fundir y atomizar el material 110 de alimentación. El proceso implica una introducción axial del material 110 de alimentación en la forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno, a través de la sonda 122 de inyección, en el centro de una cavidad de descarga donde se genera el plasma 126. El material 110 de alimentación se puede suministrar a la sonda 122 de inyección de manera continua mediante un mecanismo de alimentación de alambre, varilla o tubo típico (no mostrado), por ejemplo, similar a las unidades disponibles comercialmente que se utilizan actualmente en la soldadura por arco de alambre, tales como las unidades comercializadas por Miller soldadura por alambre/MIG, que comprende, como se indica en la descripción anterior, ruedas accionadas para controlar la tasa de alimentación del miembro alargado y, si es necesario, para enderezar el miembro alargado algunas veces provisto en forma de rollos. Cuando el material 110 de alimentación emerge de la sonda 122 de inyección y atraviesa el plasma 126, se calienta en la zona 124 de precalentamiento antes de entrar en la boquilla 160 de atomización corriente abajo en el extremo de abajo del soplete 120 de plasma. Una distancia entre el extremo de la sonda 122 de inyección y el punto de entrada de la boquilla 160 de atomización definen una longitud de la zona 124 de precalentamiento. Un tiempo de calentamiento del material 110 de alimentación por el plasma en la zona 124 de precalentamiento depende de la longitud de la zona 124 de precalentamiento y de una rapidez lineal a la que el miembro alargado se desplaza en el soplete 120 de plasma. Una cantidad de energía recibida por el material 110 de alimentación en la zona 124 de precalentamiento depende a su vez no solo del tiempo de precalentamiento del material 110 de alimentación en la zona 126 de precalentamiento sino también de las propiedades termofísicas del plasma 126, así como del diámetro del miembro alargado que forma el material 110 de alimentación. Mediante el control de la longitud de la zona 124 de precalentamiento, la rapidez lineal del miembro alargado que forma el material 110 de alimentación y la temperatura del plasma, es posible controlar la temperatura del extremo 114 frontal del material 110 de alimentación cuando entra en la boquilla 160 de atomización. Para obtener resultados óptimos, la temperatura del material 110 de alimentación, cuando penetra en la boquilla 160 de atomización, puede ser lo más alta posible, aunque preferiblemente no demasiado cerca del punto de fusión del material 110 de alimentación con el fin de evitar la fusión prematura del material 110 de alimentación en la cavidad de descarga del soplete 120 de plasma.

A medida que el extremo 114 frontal precalentado del material 110 de alimentación emerge de la boquilla 160 de atomización en la cámara 170 de enfriamiento, se expone a una pluralidad de chorros de plasma, por ejemplo, chorros 180 de microplasma sónicos o supersónicos de alta velocidad que inciden en la superficie del extremo 114 frontal del miembro alargado que forma el material 110 de alimentación, funde el material y, in statu nascendi, extrae el material fundido en forma de gotas 182 esféricas fundidas finamente divididas que son arrastradas por el gas de plasma. A medida que las gotas 182 atomizadas se transportan más corriente abajo hacia la cámara 170 de enfriamiento, se enfrían y congelan en vuelo formando partículas 184 de polvo esférico densas del material de alimentación. Las partículas 184 de polvo se recuperan en el recipiente 190 ubicado en la parte inferior de la cámara 170 de enfriamiento, o se pueden recolectar en un ciclón corriente abajo (no mostrado) o filtro de recolección (tampoco mostrado), dependiendo de su distribución de tamaño de partículas.

Segundo ejemplo

Nuevamente, este segundo ejemplo puede hacer uso del aparato 100 que incluye el soplete 120 de plasma para calentar, fundir y atomizar el material 110 de alimentación. De acuerdo con el segundo ejemplo utilizable para fabricar polvos de partículas esféricas densas de metales, aleaciones de metal y cerámica, el proceso para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado comprende las siguientes operaciones:

a. Se proporciona una fuente de plasma acoplada inductivamente, por ejemplo un soplete de plasma inductivo, que comprende un tubo de confinamiento de plasma enfriado por fluido rodeado por una bobina de inducción enfriada por líquido. El plasma se genera dentro del tubo de confinamiento de plasma a través del acoplamiento electromagnético de la energía de la bobina de inducción en la cavidad de descarga en el tubo de confinamiento de plasma. La fuente de plasma acoplada inductivamente funciona típicamente, sin limitación de generalidad, en un rango de frecuencia de 100 kHz a 10 MHz con una presión que varía entre un vacío suave de aproximadamente 10 kPa hasta 1.0 MPa. Los gases del plasma pueden tener un rango desde gases inertes tales como argón y helio hasta sus mezclas con hidrógeno, oxígeno y/o nitrógeno. La fuente de plasma acoplada inductivamente comprende un cabezal responsable de la distribución de un fluido de enfriamiento, tal como el agua, que proporciona un enfriamiento eficiente de todos sus componentes. El cabezal puede además proporcionar una distribución uniforme de un gas envolvente de plasma en la cavidad de descarga para estabilizar la descarga en el centro del tubo. El gas envolvente de plasma también protege el tubo de confinamiento de plasma de los altos flujos de calor que emanan de la descarga de plasma. En un extremo corriente abajo de la fuente de plasma acoplada inductivamente, una boquilla montada en una brida de salida permite que el plasma fluya hacia una cámara de enfriamiento. La fuente de plasma acoplada inductivamente también puede estar equipada con una sonda de inyección de material enfriada por agua, ubicada en el centro, que sirve para introducir el material a procesar en la cavidad de descarga.

b. El material de alimentación a atomizar se introduce a través de la sonda de inyección en forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno, en una tasa de alimentación bien controlada, un mecanismo de alimentación adecuado. El material de alimentación se puede suministrar a la sonda de inyección de manera continua mediante un mecanismo de alimentación de alambre, varilla o tubo típico (no mostrado), por ejemplo, similar a las unidades disponibles comercialmente que se utilizan actualmente en la soldadura por arco de alambre, tales como las unidades comercializadas por Miller para soldadura por alambre/MIG y que comprende ruedas que funcionan para controlar la tasa de alimentación del miembro alargado y, si es necesario, para enderezar el miembro alargado a veces proporcionado en forma de rollos.

c. A medida que el material de alimentación a procesar sale de la sonda de inyección, se dirige hacia una abertura central en una boquilla de atomización. La presencia del material de alimentación cierra al menos en parte esta abertura central de la boquilla de atomización.

d. El cierre de al menos parte de la abertura central de la boquilla provoca que se acumule la presión del plasma en la cavidad de descarga. La presión puede estar en un rango de 50 kPa hasta 500 kPa o más. Esta presión provoca un flujo de plasma a través de una pluralidad de aberturas radiales en la boquilla de atomización, estando distribuidas uniformemente las aberturas radiales sobre un perímetro circular que rodea la abertura central de la boquilla. Esto da como resultado la creación de una pluralidad de micro chorros de plasma enfocados que tienen una rapidez muy alta, alcanzando posiblemente valores sónicos o supersónicos, dependiendo de la configuración y los parámetros operativos.

e. La exposición del extremo frontal del miembro alargado que forma el material de alimentación sale de la abertura central de la boquilla de atomización para penetrar en una cámara de enfriamiento, está sometida a un calentamiento intenso por los chorros de plasma. Esto completa la fusión del material de alimentación en su superficie y lo atomiza en forma de gotas fundidas finas o ultrafinas. Con este segundo ejemplo, se pueden obtener gotas que tienen diámetros en el rango de 5 pm a unos pocos cientos de micrómetros.

f. A medida que el gas de plasma emergente arrastra el material atomizado a la cámara de enfriamiento, las gotas fundidas se enfrían y solidifican en vuelo, formando partículas esféricas densas que se recolectan en la parte corriente abajo del sistema.

Tercer ejemplo

De acuerdo con un tercer ejemplo, que puede hacer uso del aparato 100, el proceso para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado comprende las siguientes operaciones.

El material 110 de alimentación en forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno se introduce a través de la sonda 122 de inyección orientada axialmente a lo largo de una línea central del soplete 120 de plasma.

Cuando el material 110 de alimentación emerge de la sonda 122 de inyección, en un extremo corriente abajo del soplete 120 de plasma, su porción 112 frontal se calienta por contacto directo con el plasma 126 o indirectamente usando el tubo 125 de radiación en la zona 124 de precalentamiento. Una distancia de recorrido en la zona 124 de precalentamiento y una rapidez de movimiento del material 110 de alimentación pueden ajustarse para permitir suficiente tiempo para que la porción 112 frontal del miembro alargado se caliente a una temperatura lo más cercana posible al punto de fusión del material de alimentación, sin llegar realmente a ese punto de fusión.

En este punto, el extremo 114 frontal, o punta, del material 110 de alimentación llega a la boquilla 160 de atomización y penetra a través de su abertura 162 central, que en este tercer ejemplo tiene sustancialmente el mismo diámetro que el del miembro alargado. Cuando el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación emerge en la cámara 170 de enfriamiento desde un lado corriente abajo de la boquilla 160 de atomización, se expone a la pluralidad de chorros 180 de plasma, por ejemplo, los micro chorros 180 de plasma de alta velocidad que inciden sobre el mismo. Desde que el extremo frontal del material 110 de alimentación, ya precalentado en la zona 124 de precalentamiento, es decir, en la cavidad de descarga, se acerca a su punto de fusión, se funde rápidamente en su superficie y es extraído por los chorros 180 de plasma, convirtiéndose en gotas 182 finas o ultrafinas que son arrastradas por un flujo de plasma resultante de los chorros 180 de plasma. A medida que las gotas 182 viajan hacia abajo de la cámara 170 de enfriamiento, se enfrían y solidifican en forma de partículas 184 esféricas densas que se depositan por gravedad en el recipiente 190 en la parte inferior de la cámara 170 de enfriamiento o son transportadas por el gas de plasma a un ciclón de recolección de polvo corriente abajo o en un filtro metálico fino.

Cuarto ejemplo

De acuerdo con un cuarto ejemplo, que puede hacer uso del aparato 100, el proceso para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado comprende las siguientes operaciones.

El material 110 de alimentación en forma de un miembro alargado tal como, a modo de ejemplos no limitativos, un alambre, una varilla o un tubo lleno tiene un diámetro menor que el de la abertura 162 central. El material 110 de alimentación se introduce a través de la sonda 122 de inyección orientada axialmente a lo largo de una línea central del soplete 120 de plasma.

Como en el tercer ejemplo, el material 110 de alimentación emerge de la sonda 122 de inyección, en un extremo corriente abajo del soplete 120 de plasma, su porción 112 frontal se calienta por contacto directo con el plasma 126 o indirectamente usando el tubo 125 de radiación en la zona 124 de precalentamiento. Una distancia de recorrido en la zona 124 de precalentamiento y una rapidez de movimiento del material 110 de alimentación pueden ajustarse para permitir suficiente tiempo para que la porción 112 frontal del miembro alargado se caliente a una temperatura tan cercana como sea posible hasta el punto de fusión del material de alimentación, sin llegar realmente a ese punto de fusión.

En este punto, el extremo 114 frontal, o punta, del material 110 de alimentación llega a la boquilla 160 de atomización y penetra a través de su abertura 162 central, que en este cuarto ejemplo tiene un diámetro mayor que el del miembro alargado. A medida que el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación viaja a través de la abertura 162 central de la boquilla 160 de atomización, se expone a un chorro de plasma anular presente en una brecha formada por una diferencia entre el diámetro de la abertura 162 central y el diámetro del miembro alargado. Dado que el extremo 114 frontal del material 110 de alimentación ya está precalentado en la zona 124 de precalentamiento, es decir, en la cavidad de descarga, hasta cerca de su punto de fusión, la exposición del extremo 114 frontal del material 110 de alimentación a este chorro de plasma anular provoca una fusión rápida en su superficie, siendo extraída por el chorro de plasma anular, transformándose en gotas 182 finas o ultrafinas que son arrastradas por un flujo de plasma resultante del chorro de plasma anular. Si el extremo 114 frontal no está totalmente atomizado por el chorro de plasma anular, el material de alimentación restante emerge en la cámara 170 de enfriamiento desde un lado corriente abajo de la boquilla 160 de atomización. El material de alimentación restante se expone a la pluralidad de chorros 180 de plasma que inciden sobre él. El material de alimentación restante continúa fundiéndose en su superficie y, al ser extraído por los chorros 180 de plasma, se convierte en gotas 182 más finas o ultrafinas que son arrastradas por un flujo de plasma resultante del chorro de plasma anular y de los chorros 180 de plasma. A medida que las gotas 182 viajan por la cámara 170 de enfriamiento, se enfrían y solidifican en forma de partículas 184 esféricas densas que se depositan por gravedad en el recipiente 190 en la parte inferior de la cámara 170 de enfriamiento o son transportadas por el gas de plasma a un ciclón de recolección de polvo corriente abajo o a un filtro metálico fino.

En la figura 3 se muestra una vista general de un aparato 100 de atomización de plasma típico. Las dimensiones y formas básicas de los componentes mostrados del aparato 100 pueden variar ampliamente dependiendo del material a atomizar y dependiendo de las tasas de producción deseadas. Un nivel de potencia del soplete 120 de plasma puede, sin pérdida de generalidad, variar entre 10 o 20 kW hasta cientos de kW para una unidad de escala de producción comercial.

Con referencia de nuevo a las figuras 4a-4e, se muestra un ejemplo de diseño de la boquilla 160 de atomización. La boquilla 160 comprende la brida 171. La boquilla 160 de atomización puede estar hecha de cobre o acero inoxidable enfriado por fluido. Alternativamente, la boquilla 160 de atomización puede estar hecha de un material refractario tal como grafito, en combinación con una brida 171 enfriada por agua.

La boquilla 160 de atomización tiene una abertura 162 central adaptada opcionalmente para coincidir estrechamente con el diámetro del miembro alargado que forma el material 110 de alimentación. La boquilla 160 de atomización tiene una pluralidad de aberturas 166 radiales distribuidas igualmente alrededor de la abertura 162 central y que, de acuerdo con una realización, se dirigen en un ángulo de 45° alrededor del eje longitudinal geométrico central del soplete 120 de plasma. Se obtuvo un funcionamiento satisfactorio utilizando dieciséis (16) aberturas 166 radiales que tienen un diámetro de 1.6 mm, siendo las aberturas 166 radiales distribuidas equitativamente alrededor de la abertura 162 central. El diámetro, el número y el ángulo de las aberturas 166 radiales se pueden ajustar dependiendo de las propiedades termofísicas de los materiales a atomizar y de una distribución de tamaño de partícula deseada.

Debe señalarse que el material atomizado puede cambiar su composición química durante la atomización a través de la reacción entre diferentes componentes premezclados en el material de alimentación. Un ejemplo no limitativo es la producción de una aleación mezclando diferentes metales que forman las partículas que llenan un tubo que forma el material de alimentación. Otro ejemplo no limitativo es una reacción química entre los componentes químicos que forman las partículas en el tubo lleno. También debe señalarse que el material atomizado puede cambiar su composición química durante la atomización como resultado de una reacción química entre los gases de plasma y/o los gases envolventes y el material atomizado, por ejemplo por oxidación, nitración, carburación, etc.

Basándose en el modelado fluidodinámico del flujo y el campo de temperatura en la cavidad de descarga del soplete de plasma, es posible calcular el perfil de temperatura en el miembro alargado que forma el material de alimentación cuando atraviesa la zona de precalentamiento en el soplete. La figura 8 es una vista esquemática, que incluye un gráfico que muestra los resultados del modelado para calentar un alambre de acero inoxidable de 3.2 mm introducido en un plasma de inducción de argón/hidrógeno a 60 kW. La figura 8 proporciona resultados típicos que se pueden obtener usando un soplete de plasma acoplado inductivamente como se muestra en las figuras 1-6. La figura 8 muestra, en su lado izquierdo, un campo de temperatura bidimensional en la cavidad de descarga para el plasma de argón/hidrógeno operado con una fuente de alimentación de radiofrecuencia con una frecuencia de oscilador de 3 MHz y una potencia de placa de 60 kW. En la parte inferior de la figura 8, se proporciona un campo de temperatura correspondiente en una varilla de acero inoxidable de 3.2 mm de diámetro para velocidades de traslación de varilla de 40 y 60 mm/s. Como era de esperar, la temperatura general de la varilla desciende con el aumento de su rapidez de traslación a través de la zona de precalentamiento en la cavidad de descarga del soplete de plasma. El centro de la figura 8 es un gráfico que muestra una variación de la temperatura máxima alcanzada en la punta del miembro alargado, para diferente rapidez y diferente longitud de la zona 124 de precalentamiento, identificada en el lado izquierdo de la figura 8 como 'z'. Cabe señalar que, dependiendo de la longitud de la zona 124 de precalentamiento, mantener la velocidad de traslación de la varilla dentro de una ventana relativamente estrecha permite evitar la fusión prematura del material en la cavidad de descarga o su llegada a la boquilla de atomización a una temperatura demasiado baja, lo que tendría un impacto negativo en la calidad del producto atomizado.

La figura 9 es una micrografía electrónica de partículas de polvo obtenidas por atomización de un alambre de acero inoxidable de 3.2 mm de diámetro y una gráfica de distribución de tamaño de partículas correspondiente. Estas partículas se pueden obtener usando el soplete de plasma de las figuras 1-6. Las partículas de polvo de acero inoxidable se obtuvieron mediante el proceso de atomización por plasma por inducción. Las partículas de polvo tenían un diámetro medio de partícula, d⁵⁰de aproximadamente 62 pm y la tasa de producción de polvo era de aproximadamente 1.7 kg/hora. El polvo estaba compuesto principalmente por partículas esféricas densas. Se observó un cierto número de símbolos y satélites en función de las condiciones de funcionamiento y la optimización del proceso.

La figura 10 ilustra micrografías electrónicas de diferentes fracciones de polvo esférico de acero inoxidable producidas usando el proceso y aparato para producir partículas de polvo por atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado. Tales partículas se pueden obtener usando el soplete de plasma acoplado inductivamente de las figuras 1, 2a y 2b. Una vez más, el polvo estaba compuesto principalmente de partículas esféricas densas; solo se observaron unos pocos símbolos y satélites dependiendo de las condiciones de operación y la optimización del proceso.

Los expertos en la técnica se darán cuenta de que la descripción del proceso y el aparato para producir partículas de polvo y la descripción de las partículas de polvo así producidas son sólo ilustrativas y no pretenden ser limitantes de ningún modo. Otras realizaciones se les sugerirán fácilmente a aquellas personas con conocimientos ordinarios en la técnica que se beneficien de la presente divulgación. Además, el proceso, el aparato y las partículas de polvo divulgados pueden personalizarse para ofrecer soluciones valiosas a las necesidades y problemas existentes relacionados con la producción eficiente y económica de partículas de polvo a partir de un amplio rango de materiales de alimentación.

Pueden contemplarse diversas realizaciones del proceso para producir partículas de polvo mediante atomización de un material de alimentación en forma de un miembro alargado, del aparato para el mismo y de las partículas de polvo así producidas, como se divulga en este documento. Tales realizaciones pueden comprender un proceso para la producción de un amplio rango de polvos que incluyen, aunque no limitados a, polvos finos y ultrafinos de metales, aleaciones y cerámicas de alta pureza de una manera eficiente y rentable que es escalable a un nivel de producción industrial. El proceso es aplicable para la producción de polvos de metales puros, aleaciones y cerámicas, causa una contaminación mínima o nula del material atomizado, causa una captación mínima o nula de oxígeno especialmente para metales reactivos y aleaciones, produce partículas finas o ultrafinas, por ejemplo con diámetro de partícula menor que 250 |jm, siendo las partículas densas y esféricas, con contaminación mínima o nula con satélites.

En aras de la claridad, no se muestran y describen todas las características rutinarias de las implementaciones del proceso, aparato y uso de los mismos para producir partículas de polvo. Por supuesto, se apreciará que en el desarrollo de cualquier implementación real del proceso, aparato y uso de los mismos para producir partículas de polvo, puede ser necesario tomar numerosas decisiones específicas de implementación para lograr los objetivos específicos del desarrollador, tal como el cumplimiento de las limitaciones relacionadas con la aplicación, el sistema y el negocio, y que estos objetivos específicos variarán de una implementación a otra y de un desarrollador a otro. Además, se apreciará que un esfuerzo de desarrollo podría ser complejo y llevar mucho tiempo, pero no obstante sería una tarea rutinaria de ingeniería para los expertos en el campo del procesamiento de materiales que se benefician de la presente divulgación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para producir partículas (184) de polvo mediante atomización de un material (110) de alimentación en la forma de miembro alargado, que comprende:

introducir (510) el material (110) de alimentación en un soplete (120) de plasma acoplado inductivamente mediante una sonda (122) de inyección;

hacer avanzar continuamente el material (110) de alimentación al interior del soplete (120) de plasma para mover (530) una porción frontal del material de alimentación a una boquilla (160, 660) de atomización del soplete de plasma;

fusión (540) superficial de un extremo frontal del material (110) de alimentación mediante exposición a uno o más chorros de plasma formados en la boquilla (160, 660) de atomización, seleccionándose el uno o más chorros de plasma de un chorro de plasma anular, una pluralidad de chorros de plasma convergentes y una combinación de los mismos; y

congelar (550) en vuelo, dentro de una cámara (170) de enfriamiento, gotas (182) formadas por atomización del material (110) de alimentación.

2. El proceso de la reivindicación 1, que comprende precalentar la porción frontal del material (110) de alimentación en una zona (124) de precalentamiento del soplete (120) de plasma, utilizando plasma producido en el soplete de plasma, antes de mover la porción frontal del material (110) de alimentación en la boquilla (160, 660) de atomización.

3. El proceso de la reivindicación 2, en donde la porción frontal del material (110) de alimentación se precalienta por contacto directo con el plasma.

4. El proceso de la reivindicación 2, en donde la porción frontal del material (110) de alimentación se precalienta indirectamente usando un tubo (125) de radiación calentado por contacto directo con el plasma.

5. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde la zona (124) de precalentamiento del soplete (120) de plasma se extiende más allá de la sonda (122) de inyección.

6. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, que comprende seleccionar una longitud de la zona (124) de precalentamiento para ajustar un tiempo de precalentamiento de la porción frontal del material (110) de alimentación.

7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, que comprende controlar la duración del precalentamiento de la porción frontal del material (110) de alimentación por el plasma de modo que la porción frontal del material de alimentación alcance una temperatura predeterminada antes de pasar a la boquilla (160, 660) de atomización.

8. El proceso de la reivindicación 7, en donde la temperatura predeterminada está por debajo del punto de fusión del material (110) de alimentación.

9. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, que comprende controlar una tasa de alimentación del material (110) de alimentación introducido en el soplete (120) de plasma para controlar la duración del precalentamiento de la porción frontal del material de alimentación por el plasma.

10. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en donde la temperatura del plasma y la temperatura de uno o más chorros de plasma se controlan para precalentar y atomizar respectivamente un material (110) seleccionado del grupo que consiste en un metal puro, una aleación, una cerámica, un material de composición y un compuesto de los mismos.

11. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende mover el extremo frontal del material (110) de alimentación desde el soplete (120) de plasma a la cámara (170) de enfriamiento a través de la boquilla (160, 660) de atomización.

12. El proceso de la reivindicación 11, que comprende mover el extremo frontal del material (110) de alimentación desde el soplete (120) de plasma a través de una abertura (162) central de la boquilla (160) de atomización y expulsar la pluralidad de chorros de plasma convergentes del soplete (120) de plasma a través de aberturas (166) radiales de la boquilla (160) de atomización.

13. El proceso de la reivindicación 12, que comprende además formar el chorro de plasma anular dentro de la abertura (662) central de la boquilla (660) de atomización.

14. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende expulsar uno o más chorros de plasma del soplete (120) de plasma a la cámara (170) de enfriamiento.

15. El proceso de la reivindicación 14, en donde uno o más chorros de plasma del soplete de plasma se expulsan a la cámara (170) de enfriamiento a altas velocidades seleccionadas del grupo que consiste en velocidades sónicas y supersónicas.

16. El proceso de la reivindicación 1, que comprende recolectar partículas (184) de polvo resultantes de la congelación de las gotas (182).

17. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en donde el miembro alargado se selecciona del grupo que consiste en un alambre, una varilla y un tubo lleno.

18. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que comprende inyectar un gas envolvente corriente abajo de la boquilla (160, 660) de atomización, el gas envolvente que rodea el material atomizado expulsado del soplete (120) de plasma.

19. El proceso de la reivindicación 18, en donde el gas envolvente y el plasma se generan a partir de un mismo gas.

20. El proceso de la reivindicación 18, en donde el gas envolvente y el plasma se generan a partir de diferentes gases.

21. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en donde el material atomizado obtenido por fusión superficial del material (110) de alimentación cambia su composición química durante la atomización a través de una reacción entre diferentes componentes premezclados en el material de alimentación, o como resultado de una reacción química entre un gas de plasma o un gas envolvente y el material atomizado.

22. Un aparato para producir partículas (184) de polvo por atomización de un material (110) de alimentación en la forma de un miembro alargado, que comprende un soplete (120) de plasma acoplado inductivamente que incluye: una sonda (122) de inyección para recibir el material (110) de alimentación; y

una boquilla (160, 660) de atomización configurada para: recibir una porción frontal del material (110) de alimentación de la sonda (122) de inyección, recibir plasma, producir uno o más chorros de plasma y fundir una superficie de un extremo frontal del material (110) de alimentación mediante exposición a uno o más chorros de plasma;

una cámara (170) de enfriamiento montada en el soplete (120) de plasma corriente abajo de la boquilla (160, 660) de atomización;

en donde la boquilla de atomización comprende una abertura (162, 662) central para recibir el extremo frontal del material (110) de alimentación, y el uno o más chorros de plasma se seleccionan entre un chorro de plasma anular, una pluralidad de chorros de plasma convergentes y una combinación de los mismos.

23. El aparato de la reivindicación 22, que comprende una zona (124) de precalentamiento para precalentar la porción frontal del material (110) de alimentación, utilizando plasma producido en el soplete de plasma, estando la zona de precalentamiento colocada entre la sonda de inyección y la boquilla de atomización.

24. El aparato de la reivindicación 23, que comprende un tubo (125) de radiación en la zona (124) de precalentamiento, en donde la porción frontal del material (110) de alimentación se precalienta a través del tubo (125) de radiación calentado por contacto directo con el plasma en la zona (124) de precalentamiento.

25. El aparato de la reivindicación 22, en donde el extremo frontal del material (110) de alimentación sale del soplete (120) de plasma hacia la cámara (170) de enfriamiento en la que el extremo frontal del material de alimentación está expuesto a la pluralidad de chorros de plasma convergente.

26. El aparato de la reivindicación 25, en donde la cámara (170) de enfriamiento está dimensionada y configurada para permitir la congelación en vuelo de gotas (182) formadas por atomización del material (110) de alimentación en la boquilla (160, 660) de atomización.

27. El aparato de la reivindicación 26, que comprende un recolector (190) de partículas (184) de polvo resultantes de la congelación de las gotas (182).

28. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27, que comprende un mecanismo para suministrar el material (110) de alimentación a la sonda (122) de inyección, estando adaptado el mecanismo para controlar una tasa de alimentación del miembro alargado.

29. El aparato de la reivindicación 28, en donde el mecanismo también está adaptado para enderezar el miembro alargado dentro de al menos un plano.

30. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 29, que comprende uno o más canales (136) de enfriamiento para enfriar el soplete (120) de plasma.

31. El aparato de la reivindicación 22, en donde la boquilla (160) de atomización comprende además una pluralidad de aberturas (166) radiales en las que fracciones del plasma fluyen para producir la pluralidad de chorros de plasma convergentes.

32. El aparato de la reivindicación 31, en donde la abertura (162) central de la boquilla (160) de atomización está dimensionada y configurada para coincidir estrechamente con una sección transversal del material (110) de alimentación de modo que la abertura (162) central es sustancialmente cerrada mediante la inserción de la porción frontal del material de alimentación, acumulando una presión del plasma en el soplete (120) de plasma y provocando la producción de la pluralidad de chorros de plasma convergentes.

33. El aparato de la reivindicación 22, en donde la abertura (662) central de la boquilla (660) de atomización está dimensionada y configurada para dejar una brecha entre la abertura (662) central y el material (110) de alimentación de modo que el chorro de plasma anular se forma dentro de la abertura (662) central y alrededor del extremo frontal del material (110) de alimentación.

34. El aparato de la reivindicación 22, en donde:

la boquilla (660) de atomización comprende una cara (664) interna que se estrecha hacia la abertura (662) central; y la abertura (662) central de la boquilla (660) de atomización está dimensionada y configurada para coincidir estrechamente con una sección transversal del material (110) de alimentación de modo que al mover el material de alimentación hacia la abertura (662) central se acumula una presión del plasma en el soplete (120) de plasma y provoca la producción del chorro de plasma anular.

35. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 34, que comprende:

un puerto (410) de entrada para recibir un gas (412) envolvente; y

un puerto (416) de salida anular colocado corriente abajo de la boquilla (660) de atomización para inyectar el gas envolvente que rodea el material atomizado expulsado del soplete (120) de plasma.

36. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 35, en donde el uno o más chorros de plasma son chorros de plasma de alta velocidad.

37. El aparato de la reivindicación 36, en donde la alta velocidad se selecciona del grupo que consiste en velocidades sónicas y supersónicas.

38. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27, en donde el miembro alargado se selecciona del grupo que consiste en un alambre, una varilla y un tubo lleno.

39. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 38, en donde el aparato está configurado para cambiar una composición química de material atomizado obtenido por fusión superficial del material (110) de alimentación a través de una reacción entre diferentes componentes premezclados en el material (110) de alimentación, o como resultado de una reacción química entre un gas de plasma o un gas envolvente y el material atomizado.