感应耦合热等离子体球化超微金属粉末的机理研究

High-performance and high-quality ultrafine spherical metal powder materials play an important role in some practical applications, including aerospace, nuclear fusion, weaponry, industrial production and etc. As the high temperature、high enthalpy and clean heat source，the inductively coupled thermal plasma has many unique advantages in the ultrafine spherical metal powder materials preparation..In this project, a detailed investigation on the inductively coupled thermal plasma spheroidizing powder particles has been carried out based on numerical simulation and experimental diagnosis. Numerical simulation were applied to study the atmospheric inductively coupled thermal plasma discharge characteristics and the interaction between the plasma and powder particles, thus exploring the optimal parameters during the process of spheroidizing, which provide significant theoretical guidance for further practical experiments. Besides, experimental diagnostics were used to conduct the variation of temperature, speed, particle size of powder particles out the plasma, which provide reference data to the theoretical models. By combining mumerical simulation with experimental diagnostics, the theoretical systemn of inductively coupled thermal plasma spheroidizing superfine metal powder is being improved and perfected. Therefore, this work has not only the important scientific significance, but the significant application prospect

高性能、高品质的球形超微金属粉末材料在航空航天、核聚变、武器装备、工业生产等领域有非常重要的应用价值。感应耦合热等离子体作为高温、高焓、洁净的热源在制备此类材料方面具有独特优势。.本项目从数值模拟和实验诊断两方面对感应耦合热等离子体球化金属粉末颗粒进行了细致的研究。采用数值模拟的方法研究大气压下感应耦合热等离子体的基本特性以及等离子体与粉末颗粒的相互作用规律，探索研究球化过程中的最优化参数，为实验提供理论指导；采用实验诊断的手段在线跟踪粉末颗粒飞出等离子体飞行速度、温度、粒度大小，为理论模型提供参考数据。将数值模拟和实验诊断相结合，分析粉末颗粒的球化机理，为提高粉末颗粒的球化率和均匀性提供指导，为完善感应耦合热等离子体球化超微金属粉末的理论体系奠定基础。因此，这是一项既具有重要科学意义，又有重要应用前景的工作。

感应耦合热等离子体球化处理粉末材料是近年来的研究热点，它是基于热等离子体的高温、高热流密度效应在极短的时间内将粉末熔融、冷却，固化使粉末颗粒变为球形粉末，和普通粉末相比，这种球形粉末在性能上有极大提高，在高新技术领域具有重要应用价值。其中最主要的研究内容是探索粉末颗粒变为流动性好、球形度高、球化效率高的球形粉末所需的条件以及实验操作参数；研究等离子体的温度、速度对粉末颗粒球化效率的影响规律；阐明热等离子体环境下球形粉末颗粒的形成机制；此外，所制备的球形粉末性能的分析表征也是重要的研究内容。基于此，本项目对以上研究内容从数值模拟和实验探索两方面开展了深入、细致的研究。数值模拟研究结果表明，实验条件为200A的线圈电流，感应耦合热等离子体的最高温度约为10746 K，等离子体最大速度约为24 m/s。等离子体的温度和速度对输入功率敏感，对输入气流量的依赖程度较弱。实验研究结果表明，热等离子体法是球化处理粉末颗粒的有效方法，尤其对于几十微米级的粉末颗粒，球化效果十分明显（球形度好、球化效率高），球化后的粉末颗粒分散性和流动性均有明显改善，粉体密度（包括松装密度和振实密度）也有所提高。送粉速率是影响球化效率的最重要因素之一，对于20-50 μm 的粉末颗粒，当送粉速率为≤ 35 g/min 时，球化率几乎达100%，球化后的颗粒并未如所预料的“变细”，反而有“长大”的趋势，这种“长大”是因为小颗粒附着在大颗粒表面所造成的。增加等离子体功率和减小等离子体速度可有效增加颗粒在等离子体中的飞行时间和熔融时间，使之有足够的时间去加热、熔融，从而提高等离子体的球化率和产出率。除此之外，我们还研制出适用于密闭环境下的等离子体发生装置和点火条件，这一工作对后期的研究工作具有重要意义。总之本项目的顺利完成为探索热等离子体粉末颗粒的球化，甚至纳米颗粒的合成奠定坚实基础。