TWI608882B - Alloy powder manufacturing equipment and method with temperature control design - Google Patents

Description

具溫控設計的合金粉末製造設備及方法

本發明有關於一種合金粉末製造設備及方法，特別是關於一種適用於熔湯輸送再加熱之具溫控設計的合金粉末製造設備及方法。

目前，真空感應熔煉氣體霧化法(VIGA,Vacuum Induction-melting Gas Atomization)可用以製造金屬合金粉末。參考圖1，習知製造合金粉末的方法如下：先以感應線圈99將位於一熔爐98內之合金材料棒於真空環境下進行感應加熱，使該合金材料棒熔化成熔湯91；然後，將該熔湯91倒入一承載坩堝92內；最後，該熔湯91以流動型態通過一熔湯輸送導管93並進入一噴嘴95後，被高速惰性氣體G沖擊霧化後並快速凝固成合金粉末P。

然而，習知製造合金粉末的方法不包括熔湯再加熱之設計，僅以熱傳係數較低之材質，例如氧化鋁(Al₂O₃)或二氧化鋯(ZrO₂)，製造該熔湯輸送導管以阻絕熱的散失。因此，通過該熔湯輸送導管的熔湯仍持續降溫，進而該熔湯降溫後之溫度將直接影響該合金粉末之粒徑及真圓度(實際上若滴狀熔湯被高速惰性氣體沖擊霧化的話，則會影響凝固後之鈦合金粉末的品質)。再者，習知熔湯91流經在該噴嘴出口93受氣體作用形成粉末的過程可能持續一段時間，由於高速惰性氣體G作用於該熔湯輸送導管93之出口，因此會造成其周圍溫度逐步冷卻，引發熔湯阻塞於該熔湯輸送導管93之出口的問題。更嚴重者，該熔湯輸送導管93之出口尖端冷卻，將造成整個噴粉製程的中斷。

有鑑於此，便有需要提供一種適用於熔湯輸送再加熱之具溫控設計的合金粉末製造設備及方法，來解決前述的問題。

本發明的主要目的在於提供一種具溫控設計的合金粉末製造設備及方法，使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。

為達成上述目的，本發明提供一種具溫控設計的合金粉末製造設備，包括：一坩堝單元，用以容置一熔湯；一熔湯輸送導管，包括一進口及一出口，該進口連通於該坩堝單元之底部，用以輸送該坩堝單元之熔湯；一溫控單元，包括：一感應線圈，環繞該熔湯輸送導管，並用以感應加熱該熔湯輸送導管及位於其中之熔湯，以產生一超溫熔湯；一可調功率之主機，電性連接於該感應線圈，並提供該感應線圈之功率；一第一溫度感測器，用以量測該熔湯輸送導管之出口溫度；以及一微處理器，電性連接於該可調功率之主機及該第一溫度感測器，其中該微處理器根據該熔湯輸送導管之出口溫度而調整該感應線圈之功率，以控制該熔湯輸送導管之出口溫度，使該超溫熔湯離開該熔湯輸送導管之溫度達到一預定溫度；以及一噴粉單元，連通於該熔湯輸送導管之出口，用以將具有該預定溫度之超溫熔湯沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。

本發明利用感應線圈進行該熔湯的超溫控制，使該超溫熔湯進入該噴粉單元之溫度達到一預定溫度，可確保維持超溫熔湯的型態，並使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。再者，本發明利用感應線圈持續對該熔湯輸送導管之出口加熱，可克服習知熔湯阻塞於該熔湯輸送導管之出口的問題。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點 能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

1‧‧‧合金粉末製造設備

10‧‧‧坩堝單元

11‧‧‧熔湯

110‧‧‧超溫熔湯

12‧‧‧承載坩堝

13‧‧‧熔湯輸送導管

130‧‧‧進口

131‧‧‧出口

132‧‧‧進口部

133‧‧‧連接部

134‧‧‧出口部

135‧‧‧感應套筒

14‧‧‧溫控單元

141‧‧‧感應線圈

142‧‧‧可調功率之主機

143‧‧‧第一溫度感測器

144‧‧‧微處理器

145‧‧‧第二溫度感測器

15‧‧‧噴粉單元

151‧‧‧噴嘴出口

16‧‧‧水冷式銅坩堝

18‧‧‧熔爐

19‧‧‧感應線圈

91‧‧‧熔湯

92‧‧‧承載坩堝

93‧‧‧熔湯輸送導管

95‧‧‧噴嘴

98‧‧‧熔爐

99‧‧‧感應線圈

G‧‧‧惰性氣體

P‧‧‧合金粉末

S100~S600‧‧‧步驟

圖1為習知合金粉末製造設備之剖面示意圖；圖2為本發明之一實施例之具有熔湯輸送再加熱之溫控設計的合金粉末製造設備之剖面示意圖；圖3為本發明之一實施例之具有熔湯輸送再加熱之溫控設計的合金粉末製造設備之剖面示意圖；圖4為本發明之一實施例之熔湯輸送導管及噴粉單元之剖面示意圖；以及圖5為本發明之具有熔湯輸送再加熱之溫控設計的合金粉末製造方法之流程圖。

參考圖2，其顯示一實施例之具有熔湯輸送再加熱之溫控設計的合金粉末製造設備。在本實施例中，該合金粉末以鈦合金粉末為例說明如後。

本發明之合金粉末製造設備1包括：一坩堝單元10、一熔湯輸送導管(DT：Melts Delivery Tube)13、一溫控單元14及一噴粉單元15。

該坩堝單元10用以容置一熔湯11。在本實施例中，該坩堝單元10可為一承載坩堝12。一高週波之感應線圈19(例如30KW、8kHz)用以將位於一熔爐18內之合金材料棒(例如鈦合金材料棒)於真空環境下進行感應加熱，使該合金材料棒熔化成該熔湯11，然後將該熔湯11倒入該承載坩堝12內。

參考圖3，在另一實施例中，該坩堝單元10可 為一水冷式銅坩堝16，該坩堝單元10之熔湯11可藉由一高週波之感應線圈19(例如30KW、8kHz)感應加熱一合金材料棒(例如鈦合金材料棒)而產生。

該熔湯輸送導管13包括一進口130及一出口131，該進口130連通於該坩堝單元10之底部101，用以輸送該坩堝單元10之熔湯11。

該溫控單元14包括：一感應線圈141、一可調功率之主機142、一第一溫度感測器143及一微處理器144。該感應線圈141環繞該熔湯輸送導管13，並用以感應加熱該熔湯輸送導管13及位於其中之熔湯11，以產生一超溫熔湯110。該可調功率之主機142電性連接於該感應線圈141，並提供該感應線圈141之功率。該第一溫度感測器143用以量測該熔湯輸送導管13之出口溫度。該第一溫度感測器143可為熱電偶溫度感測器。該微處理器144電性連接於該可調功率之主機142及該第一溫度感測器143。該微處理器144根據該熔湯輸送導管13之出口溫度而調整該感應線圈141之功率而控制該熔湯輸送導管13之出口溫度，使該超溫熔湯110離開該熔湯輸送導管13之溫度(該超溫熔湯110之溫度可由該熔湯輸送導管13之出口溫度計算得知)達到一預定溫度。例如，該感應線圈之功率為50KW，該超溫熔湯110之溫度到達攝氏2000度；或者，該感應線圈141之功率為30KW，該超溫熔湯110之溫度到達攝氏1900度；或者，該感應線圈141之功率為10KW，該超溫熔湯110之溫度到達攝氏1800度。該感應線圈141為高週波線圈，例如200KHz。該微處理器144可更包括一比例積分微分(PID)控制器，用以根據該預定溫度而輸出該感應線圈141之功率，以感應加熱該熔湯輸送導管13及該超溫熔湯110，使該超溫熔湯110之溫度達到該預定溫度。

參考圖4及圖2，該熔湯輸送導管13為一組合 式熔湯輸送管，其包括一進口部132、一連接部133、一出口部134及一感應套筒135。該坩堝單元10、該進口部132、該出口部134及噴粉單元15依序連通，該感應套筒135套接於該出口部134，且該連接部133螺接於該進口部132及該出口部134，用以將該進口部132、該連接部133、該出口部134及該感應套筒135固定在一起。該熔湯輸送導管13之進口部132、連接部133及出口部134可為氮化硼之耐熱材質所製，而該感應套筒135可為石墨、鎢鋼等之耐熱材質所製，如此以增加感應加熱之效率。

再參考圖2，該噴粉單元15連通於該熔湯輸送導管13之出口131，並包括一噴嘴出口151及一高速惰性氣體G，該高速惰性氣體G用以在該噴嘴出口151的位置將具有該預定溫度之超溫熔湯110沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末P。舉例，該超溫熔湯110進入該噴粉單元15，使具有該預定溫度之超溫熔湯110被高速惰性氣體G(例如氬氣)沖擊霧化後而快速凝固成鈦合金粉末。由於該超溫熔湯110經過超溫控制，因此該超溫熔湯110之溫度上升可造成該超溫熔湯110之黏滯性下降，使凝固後之鈦合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。

該溫控單元14可更包括一第二溫度感測器145，電性連接於該微處理器144，並用以量測該噴嘴出口151之溫度，藉此得知該超溫熔湯110被沖擊霧化後之溫度分佈圖。該第二溫度感測器145可為紅外線溫度感測器。

參考圖5，簡言之，本發明提供一種具有熔湯輸送再加熱之溫控設計的合金粉末製造方法，包括下列步驟：在步驟S100中，產生一熔湯；在步驟S200中，提供一熔湯輸送導管，用以輸送該熔湯；在步驟S300中，提供一感應線圈，用以感應加熱該熔湯輸送導管及位於其中之熔湯，以產生一超溫熔湯；在步驟S400中，量測該熔湯輸送導管之出口 溫度；在步驟S500中，根據該熔湯輸送導管之出口溫度而調整該感應線圈之功率，以控制該熔湯輸送導管之出口溫度，使該超溫熔湯離開該熔湯輸送導管之溫度達到一預定溫度；以及在步驟S600中，將具有該預定溫度之超溫熔湯沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末。

本發明利用感應線圈進行該熔湯的超溫控制，使該超溫熔湯進入該噴粉單元之溫度達到一預定溫度，可確保維持超溫熔湯的型態，並使凝固後之合金粉末的粒徑更減小及真圓度(球狀)更佳。再者，本發明利用感應線圈持續對該熔湯輸送導管之出口加熱，可克服習知熔湯阻塞於該熔湯輸送導管之出口的問題。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧合金粉末製造設備

10‧‧‧坩堝單元

11‧‧‧熔湯

110‧‧‧超溫熔湯

12‧‧‧承載坩堝

13‧‧‧熔湯輸送導管

130‧‧‧進口

131‧‧‧出口

14‧‧‧溫控單元

141‧‧‧感應線圈

142‧‧‧可調功率之主機

143‧‧‧第一溫度感測器

144‧‧‧微處理器

145‧‧‧第二溫度感測器

15‧‧‧噴粉單元

151‧‧‧噴嘴出口

18‧‧‧熔爐

19‧‧‧感應線圈

G‧‧‧惰性氣體

P‧‧‧合金粉末

Claims (9)

1. 一種具溫控設計的合金粉末製造設備，包括：一坩堝單元，用以容置一熔湯；一熔湯輸送導管，包括一進口及一出口，該進口連通於該坩堝單元之底部，用以輸送該坩堝單元之熔湯；一溫控單元，包括：一感應線圈，環繞該熔湯輸送導管，並用以感應加熱該熔湯輸送導管及位於其中之熔湯，以產生一超溫熔湯；一可調功率之主機，電性連接於該感應線圈，並提供該感應線圈之功率；一第一溫度感測器，用以量測該熔湯輸送導管之出口溫度；以及一微處理器，電性連接於該可調功率之主機及該第一溫度感測器，其中該微處理器根據該熔湯輸送導管之出口溫度而調整該感應線圈之功率，以控制該熔湯輸送導管之出口溫度，使該超溫熔湯離開該熔湯輸送導管之溫度達到一預定溫度；以及一噴粉單元，連通於該熔湯輸送導管之出口，並包括一噴嘴出口及一高速惰性氣體，該高速惰性氣體用以在該噴嘴出口的位置將具有該預定溫度之超溫熔湯沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末；其中該溫控單元更包括一第二溫度感測器，電性連接於該微處理器，並用以量測該噴嘴出口溫度，藉此該微處理器得知該超溫熔湯被沖擊霧化後之溫度分佈圖。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該第二溫度感測器為一紅外線溫度感測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該第一溫度感測器為一熱電偶溫度感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該熔湯輸送導管為一組合式熔湯輸送管，其包括一進口部、一連接部、一出口部及一感應套筒，該坩堝單元、該進口部、該出口部及噴粉單元依序連通，該感應套筒套接於該出口部，且該連接部螺接於該進口部及該出口部，用以將該進口部、該連接部、該出口部及該感應套筒固定在一起。
5. 如申請專利範圍第5項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該感應套筒為石墨、鎢鋼等耐熱材質所製。
6. 如申請專利範圍第6項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該進口部、連接部及出口部為氮化硼之耐熱材質所製。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該坩堝單元為一承載坩堝或一水冷式銅坩堝。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的合金粉末製造設備，其中該微處理器更包括一比例積分微分控制器，用以根據該預定溫度而輸出該感應線圈之功率，以感應加熱該熔湯輸送導管及該超溫熔湯，使該超溫熔湯之溫度達到該預定溫度。
9. 一種具溫控設計的合金粉末製造方法，包括下列步驟：產生一熔湯；提供一熔湯輸送導管，用以輸送該熔湯；提供一感應線圈，用以感應加熱該熔湯輸送導管及位於其中之熔湯，以產生一超溫熔湯；提供一第一溫度感測器，用以量測該熔湯輸送導管之出口溫度；根據該熔湯輸送導管之出口溫度而調整該感應線圈之功率，以控制該熔湯輸送導管之出口溫度，使該超溫熔湯離開該熔湯輸送導管之溫度達到一預定溫度；以及 在一噴嘴出口的位置將具有該預定溫度之超溫熔湯沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末；提供一第二溫度感測器，用以量測該噴嘴出口溫度，藉此得知該超溫熔湯被沖擊霧化後之溫度分佈圖。