一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法及射频炬

1.本发明涉及等离子技术领域，尤其涉及一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法及射频炬。


背景技术：

2.等离子体具有高温、高焓、高活性和温度梯度大的特性，用等离子体做热源在微米亚微米以及某些纳米粉末材料的球化处理方面，具有较大的技术优势。射频等离子体技术和设备由于其不带入任何杂质、运行持续稳定、材料处理速度快、产能高和设备造价适中，使之较微波和直流弧等离子体热源更广泛地应用于粉末材料技术领域。在高性能结构材料或功能材料制备和加工领域具有更高的应用价值。
3.目前，制备金属合金较成熟的方法主要有真空熔炼、精密铸造和粉末冶金法。熔炼法和精密铸造这些工艺存在缺陷，成分易于偏析和组织不均匀、引进夹杂、生产效率低和生产成本高。传统粉末冶金法采用简单的工艺生产较高性能钛合金，但该方法只能生产简单形状零件。注射成形虽然可以实现复杂零件的近净尺寸制备，但零件尺寸受到限制。而凝胶注模成形方法可以批量生产成分和组织均匀、近净尺寸的复杂形状大尺寸零件，原料利用率几乎达到100％，且零部件的稳定性好，均匀性和机械性能可以完全得到保证，将其应用于合金领域，可以实现合金零部件的低成本连续化生产。但是，在活泼金属制品的注射成形和凝胶注模成形中需要原料粉末具有较好的球形度，目前主要采用气雾化合金粉末，成本较高。采用等离子技术对不规则形状的低成本活泼金属粉进行球化处理是进一步降低注射和凝胶注模成形钛制品成本的有效途径，符合活泼金属制品产业发展方向，为实现低成本高性能活泼金属制品在民用工业的大规模应用具有重要的现实意义。
4.制备球形金属粉欧洲最早采用金属熔液液滴流撞击阻挡板，受阻力作用分裂为小滴后冷却固化成形，所得到的金属球，多数为椭球和一些两端为圆头的棒状的粉末。此后美国的preston等用直流弧等离子体熔融、冷却成形方法获得成功，得到无椭球和棒状颗粒的球化粉，但需将制成品分检出未球化粒子，进行再加工。进入上世纪90年代后，球形粉末的需求越来越大，等离子喷雾技术得到了充分的发展。国外已将等离子喷雾技术成功应用于制取球形粉末、超细粉末、喷涂、cvd金刚石沉积等众多领域。如加拿大pyrogenesis有限公司已于1998年底将等离子喷雾用于工业规模生产球形粉，该公司使用的是直流非转弧等离子喷嘴，等离子喷雾设备由三个与垂直方向成20—40
°
角的喷嘴组成，由此克服粉末颗粒难于送达等离子体弧芯部高温区的不足。但这些直流弧等离子体法的主要缺陷是其电极烧损、引入杂质，而且电极必须定时更换，影响设备系统的连续稳定运行。
5.目前制备细小球形金属粉末的方法，生产率较低，成本较高。射频等离子体法是制备出组分均匀、缺陷少、流动性好、球形度好的金属粉或合金粉，又兼备较低的生产成本，较高的生产率，是一种较好的技述途径。
6.气体放电等离子体是离子源技术的重要基础，因而离子源技术也成为等离子体应用与发展的一个重要方向。目前用于离子源技术的各种等离子体源有:热丝电子束辅助、真
空电弧、射频、微波电子回旋共振等，发展形成了适应于各应用领域的离子源，如宽束强流、高能量、微米束、高亮度、负离子、重离子、多电荷态、极化离子源等。它们在离子束辅助沉积、离子团簇沉积、表面改性、离子束制版、刻蚀、注入掺杂及高能物理研究领域发挥了重要作用。它的应用特点是:几乎所有的离子束均可用来对不同材料进行注入，形成一般方法难以得到的非平衡合金相，通过控制原子种类和能量大小可以影响薄膜的晶型、形貌、致密度、残存应力、气相掺杂、化学配比等，改变材料表面的物理、化学特性。离子源技术为新材料镀膜合成提供了新的途径。
7.但在实验和生产过程中发现，目前射频炬加热线圈绕制方式为图8所示，引进线、引出线的走线方向均为沿圆柱体半径方向延伸向外，这会造成感生磁场杂乱，使微粉在随着涡流运动中形成乱流。这种乱流会导致金属粉末粘壁，同时在持续的粒子径向打击下，约束管壁中部会形成一条环状破裂区，导致装置的寿命减少。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术中射频炬使用寿命短的问题，提供了一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法及射频炬。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
10.主要提供一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，在射频炬的真空腔外设置约束管，在所述约束管中设置用于激励真空腔中工作气体电离的加热感应线圈，所述方法包括：
11.所述加热感应线圈的一端通过引进线引进射频电源并在另一端通过引出线引出；调整所述引进线的进线方式以及所述引出线的走线方向，降低真空腔中沿径向的感生电场的强度。
12.作为一优选项，一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，所述约束管采用碳化硅纤维复合材料作为管壁内衬，并在约束管中其他区域用聚酰亚胺复合材料将加热感应线圈包裹。
13.作为一优选项，一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，调整所述引进线的进线方式以及所述引出线的出线方式，包括：
14.所述引进线的走线方向沿所述真空腔母线向上或向下，所述引出线的走线方向与所述引进线的走线方向相反且在射频电源处靠近引进线。
15.作为一优选项，一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，调整所述引进线的进线方式以及所述引出线的出线方式，包括：
16.所述引进线的走线方向、所述引出线的走线方向均沿所述真空腔母线向上或向下，且所述引进线和引出线在腔体附近靠近。
17.作为一优选项，一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，调整所述引进线的进线方式以及所述引出线的出线方式，包括：
18.所述引进线的走线方向、所述引出线的走线方向分别沿真空腔切线同一方向。
19.作为一优选项，一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，调整所述引进线的进线方式以及所述引出线的出线方式，还包括：
20.所述引进线的走线方向、所述引出线的走线方向分别沿真空腔切线相反方向。
21.本发明还提供一种等离子球化射频炬，包括真空腔和设在真空腔外壁的约束管，所述真空腔的顶端设有设有载气输送口、设于所述载气输送口两侧的反应气输送口以及设于所述反应气输送口外侧的冷却气输送口；所述约束管中设有加热感应线圈，所述加热感应线圈的两端分别设有引进线和引出线，所述引进线和引出线的结构按权利要求1-6中任意一项所述的方法设置。
22.作为一优选项，一种等离子球化射频炬，所述冷却气输送通道靠近所述真空腔的内壁。
23.作为一优选项，一种等离子球化射频炬，所述加热感应线圈为5匝同轴线圈。
24.作为一优选项，一种等离子球化射频炬，所述引进线的走线方向沿所述真空腔母线向上或向下，所述引出线的走线方向与所述引进线的走线方向相反。
25.需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
26.与现有技术相比，本发明有益效果是：
27.(1)本发明通过改变射的频引进线和引出线的引线方式，降低真空腔中沿径向的感生电场的强度，消除感生电磁场在径向方向的扰乱，降低了等离子点火过程中离子沿径向轰击炬内壁的概率，有效减弱等离子体对约束管管壁的打击力，提高了射频等离子球化炬的使用寿命。
28.(2)目前生产中使用的装置，引进引出线产生的感生电场会引导等离子体形成沿半径方向的电流分量，这种电流会携带等离子体不断撞击在约束管管壁上，久而久之会对约束管造成损坏，甚至导致约束管破裂，而本发明所提供的装置和方法，与普通射频等离子体炬不同，针对高频电磁感应线圈引入引出到电源部分的电线部分，其走线方向有效减少垂直击打于约束管管壁的等离子体数量，有效减弱等离子体对约束管管壁的打击力，提高了射频等离子球化炬的使用寿命，降低了球化成本。
29.(3)本发明的约束管内衬有碳化硅纤维复合材料层，使得约束管具有化学性能稳定、耐高温、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、抗冲击等优点，此外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，也可以大幅提高装置使用寿命。
30.(4)本发明在所述约束管中填充有聚酰亚胺复合材料，并让所述聚酰亚胺复合材料包裹在所述加热感应线圈上。可以保证线圈之间的强绝缘性，同时聚酰亚胺耐高温达400℃以上，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一，优良的机械性能，很高的耐辐照性能，加入无机导热填料后的优良导热性，这些特性使得聚酰亚胺在作为介电层的同时，还能保证其在高温高辐射条件下不变形，此外，将具有电磁屏蔽性能的材料加入到聚酰亚胺基体中，可以形成复合电磁屏蔽材料，从而有效解决因线圈间的电磁耦合导致的腔体内感生电磁场乱流现象，进而避免管壁破损，进一步延长装置的寿命。
附图说明
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
32.图1为本发明示出的一种制备金属粉末的长寿命等离子球化射频炬装置的剖面示意图；
33.图2为本发明示出的一种制备金属粉末的长寿命等离子球化射频炬装置的主视图；
34.图3为本发明示出的带有碳化硅纤维复合材料层以及填充聚酰亚胺复合材料的约束管的射频炬装置图；
35.图4为本发明示出的引出线与所述引进线反向设置的示意图，其中射频引出线沿所述真空腔母线向上，引进线沿所述真空腔母线向下；
36.图5为本发明示出的引进线、引出线均沿所述真空腔母线向上设置的示意图；
37.图6为本发明示出的引进线、引出线分别沿所述真空腔切线方向同向设置的示意图；
38.图7为本发明示出的引进线、引出线分别沿所述真空腔切线方向反向设置的示意图；
39.图8为本发明示出的现有引进线、引出线的设置方式，其中，引进线、引出线的走线方向均为沿圆柱体半径方向延伸向外。
具体实施方式
40.下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
44.本发明主要通过改变引进线61和引出线62的引线方式，消除感生电磁场在径向方向的扰乱，降低了等离子点火过程中离子沿径向轰击炬内壁的概率，有效减弱等离子体对约束管管壁的打击力，提高了射频等离子球化炬的使用寿命，同时约束管内衬采用碳化硅纤维复合材料制成，加热感应线圈6用聚酰亚胺材料包裹，进一步延长装置的寿命。
45.实施例1
46.在该示例性实施例中，提供一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，如图1、2所示，在射频炬的真空腔1外设置约束管2，在所述约束管2中设置用于激励真空腔中工作气
体电离的加热感应线圈6，所述方法包括：
47.所述加热感应线圈6的一端通过引进线61引进射频电源并在另一端通过引出线62引出；调整所述引进线61的进线方式以及所述引出线62的走线方向，降低真空腔1中沿径向的感生电场的强度。
48.具体地，射频电源通过引进线61、射频引出线与加热感应线圈6接通电流，加热感应线圈6激励工作气体电离产生等离子体，等离子体在真空腔1体内的感生电场形成涡流，携带并熔融金属原粉进行涡流运动，由于等离子体炬中心温度高，金属粉离开腔体中心后，在超高温度梯度快速冷却下，表面张力形成球形金属粉。
49.射频等离子球化装置是在线圈内产生环向涡流电场，等离子体会在电场作用下作环向涡流运动，完美状态下离子不会和壁发生垂直于壁表面的碰撞，但由于现有的引线方式，进出引线在启动等离子体时会产生径向电场，部分等离子体在这个径向电场作用下会产生径向的离子流，垂直轰击炬壁，其高热载荷带来的热应力就会导致壁出现裂纹。目前的办法是采用频繁更换内衬的方法，但内衬价格不菲，这就导致了球化成本居高不下。
50.本发明通过改变射频引进线61和引出线62的引线方式，降低真空腔1中沿径向的感生电场的强度，规避了径向电场的产生，消除感生电磁场在径向方向的扰乱，降低了等离子点火过程中离子沿径向轰击炬内壁的概率，有效减弱等离子体对约束管管壁的打击力，提高了射频等离子球化炬的使用寿命，降低球化成本。
51.实施例2
52.基于实施例1，提供一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，如图4-7所示，调整所述引进线61的进线方式以及所述引出线62的出线方式，包括：
53.所述引进线61的走线方向沿所述真空腔1母线向上或向下，所述引出线62的走线方向与所述引进线61的走线方向相反且在射频电源处靠近引进线61。
54.进一步地，在另一示例中，所述引进线61的走线方向、所述引出线62的走线方向均沿所述真空腔1母线向上或向下，且所述引进线61和引出线62在腔体附近靠近。
55.进一步地，在另一示例中，所述引进线61的走线方向、所述引出线62的走线方向分别沿真空腔1切线同一方向。
56.进一步地，在另一示例中，所述引进线61的走线方向、所述引出线62的走线方向分别沿真空腔1切线相反方向。
57.进一步地，利用ansys建模仿真，可以计算比较五种模型真空腔体内的感生电磁场和沿半径方向的电场强度。其中，图4装置通电后沿圆柱半径方向向外的感生电场强度最小；图5装置通电后沿圆柱半径方向向外的感生电场强度较图4稍强；图6和图7装置通电后真空腔体内的感生电场上下部分相似，中部不同，但是二者沿圆柱半径方向向外的感生电场强度均大于图4和图5；图8装置通电后沿圆柱半径方向向外的感生电场强度最大，引进引出线产生的感生电场会引导等离子体形成沿半径方向的电流分量，这种电流会携带等离子体不断撞击在约束管管壁上，久而久之会对约束管造成损坏，甚至导致约束管破裂。综上，在选取的五种设计中，图4装置对增加约束管壁使用寿命效果更好，图4-图7依据本发明设计的射频加热感应线圈6可以大大提升真空隔离腔壁的使用寿命。
58.而本发明所提供的装置和方法，与普通射频等离子体炬不同，针对高频电磁感应线圈引入引出到电源部分的电线部分，其走线方向有效减少垂直击打于约束管管壁的等离
子体数量，有效减弱等离子体对约束管管壁的打击力，提高了射频等离子球化炬的使用寿命，降低了球化成本。
59.实施例3
60.基于实施例1，提供一种延长等离子球化射频炬使用寿命的方法，所述约束管2采用碳化硅纤维复合材料作为管壁内衬，并在约束管2中其他区域用聚酰亚胺复合材料将加热感应线圈6包裹。
61.具体地，在约束管2内衬有碳化硅纤维复合材料层，使得约束管具有化学性能稳定、耐高温、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、抗冲击等优点，此外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，也可以大幅提高装置使用寿命。
62.具体地，在所述约束管2中填充有聚酰亚胺复合材料，并让所述聚酰亚胺复合材料包裹在所述加热感应线圈6上。可以保证线圈之间的强绝缘性，同时聚酰亚胺耐高温达400℃以上，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一，优良的机械性能，很高的耐辐照性能，加入无机导热填料后的优良导热性，这些特性使得聚酰亚胺在作为介电层的同时，还能保证其在高温高辐射条件下不变形，此外，将具有电磁屏蔽性能的材料加入到聚酰亚胺基体中，可以形成复合电磁屏蔽材料，从而有效解决因线圈间的电磁耦合导致的腔体内感生电磁场乱流现象，进而避免管壁破损，进一步延长装置的寿命。
63.实施例4
64.基于上述方法，提供一种等离子球化射频炬，如图1、2所示，包括真空腔1和设在真空腔1外壁的约束管2，所述真空腔1的顶端设有载气输送通道3、设于所述载气输送通道3两侧的反应气输送通道4以及设于所述反应气输送通道4外侧的冷却气输送通道5；所述约束管2中设有加热感应线圈6，所述加热感应线圈6的两端分别设有引进线61和引出线62，所述引进线61和引出线62的结构上述实施例中的方法设置。
65.所述载气输送通道3连接真空腔1和外部的储料区，用于载气输送金属粉末，所述反应气输送通道4连接真空腔1，反应气放电生成并维持等离子体，所述冷却气输送通道5连接真空腔1，用于输送冷却气体，为装置降温。所述真空腔1连接束流聚焦区(常规设置，图中未示出)，约束管2用于将等离子体加热区域与外界隔开，其中设置的加热感应线圈6用于为真空腔1加热，其引进线61和引出线62分别与外界的射频电源连接。
66.装置在使用时，工作气体通过载气输送通道3进入真空腔1中，反应气体通过反应气输送通道4进入真空腔1，冷却气通过冷却气输送通道5进入真空腔1，三种气体尽管作用不同，但均可使用惰性气体或与活泼金属不反应的气体，不同处为气体流量流速。
67.进一步地，三种气体均选用氩气；射频电源通过引进线61、引出线62与加热感应线圈6接通电流，加热感应线圈6激励工作气体电离产生等离子体，等离子体在真空腔体内的感生电场形成涡流，携带并熔融金属原粉进行涡流运动，由于等离子体炬中心温度高，金属粉离开腔体中心后，在超高温度梯度快速冷却下，表面张力形成球形金属粉。
68.进一步地，利用ansys建模仿真，可以计算比较五种模型真空腔体内的感生电磁场和沿半径方向的电场强度。图4装置通电后沿圆柱半径方向向外的感生电场强度最小，对增加约束管壁使用寿命效果更好。
69.实施例5
70.基于实施例4，提供一种等离子球化射频炬，在对线圈进行改进的基础上，进一步
地提升装置的寿命。
71.一方面，乱流的产生除了与线圈绕制方式有关外，还与励磁线圈之间的电磁耦合干扰相关。另一方面，目前使用的射频等离子体源发生装置保温效果不明显，加热中心部分热量容易流失，这一方面造成生产过程微粉加热温度可能达不到标准要求，微粉熔融球化质量差，温度梯度低，加热后再冷却效果不理想；另一方面，相较于理想情况，成本更高，能源利用率低，浪费资源，同时操作环境持续升温，给操作人员带来负担。
72.针对上述问题，提供一种等离子球化射频炬，如图3所示，所述约束管2内衬有碳化硅纤维复合材料层21，使得约束管2具有化学性能稳定、耐高温、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、抗冲击等优点，此外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，也可以大幅提高装置使用寿命。
73.进一步地，所述加热感应线圈6为5匝同轴线圈，匝间距36mm，线圈直径10mm。
74.进一步地，所述冷却气输送通道5靠近所述真空腔1的内壁，使得冷却气靠近等离子体约束管2内壁流动，为约束管2管壁降温。
75.进一步地，所述真空腔1为圆柱腔，等离子体射频炬高度350mm，所述真空腔1的半径为29mm。所述约束管2管壁厚3mm，载气输送通道3的通道直径为3mm，所述载气输送通道3、反应气输送通道4以及冷却气输送通道5的长度均为100mm。所述反应气输送通道4的直径为36mm。所述加热感应线圈6为高频感应铜线圈，聚酰亚胺导热绝缘层厚20mm，线圈电流250a，电流频率3mhz；在不考虑送粉实验，只分析射频炬加热过程条件下，设定携带气流量0m3/h，在此基础上，反应气流量2m3/h，冷却气流量4m3/h。在其他实施例中，根据实际情况和所选制备金属材料的需要选用合适的电流大小和频率、气体流量和流速，以满足相应的需求。
76.以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。