一种级联式等离子体发生器

技术领域

本发明属于等离子体技术，具体涉及一种用于球形粉体制备的级联式等离子体发生器。

背景技术

近年来，以3D打印为首的增材制造技术是当前全球最受关注的新兴技术之一，正成为改变传统制造方式的一种新趋势，特别是在异形或复杂结构零件制备时，它大幅提高了材料的利用率，减少了零件的制备周期，但原料粉体的流动性是它的基本要求之一。热等离子体射流具有高温、高焓、高能量密度等特点，被认为是球形粉体材料制备最有效的方式之一，在实际工业应用中要求等离子体发生器具有高稳定性、高效率和长寿命等特性。

目前，利用等离子体技术来制备球形粉体的方法主要有等离子体旋转电极法和高频感应耦合球化法等，等离子体旋转电极法存在细粉收得率低等缺陷。高频感应耦合球化法虽是一种较为理想的球形粉体制备方法，但是其存在粉体球化过程中高频等离子体焰炬易损坏等风险，导致其寿命较短，阻碍了工业化应用的进程。

发明内容

本发明的目的是提供一种级联式等离子体发生器，其针对球形粉体制备，细粉收得率较高且风险较小。

本发明的技术方案如下：

一种级联式等离子体发生器，包括阴极组件、设于阴极组件下端的阴极座，以及设于阴极座下方的阳极，所述的阴极座和阳极之间设有若干层级联板；所述的阴极座和级联板同轴安装，在两端距离中心轴距离相同的位置加工对应的安装孔，利用连接螺杆将阴极座和下方的若干级联板固定连接，且安装孔内放置绝缘套管，绝缘套管包裹在连接螺杆外部。

所述的相邻级联板之间、顶层级联板和阴极座下表面、底层级联板和阳极上表面设有级联板密封垫密封。

所述的级联板密封垫的材质为氮化硼。

所述的相邻级联板之间、底层级联板和阳极上表面设有级联板绝缘垫片进行绝缘。

所述的级联板绝缘垫片的材质为氮化硼。

所述的阴极座中心加工阴极安装孔，孔的上半段为直筒壁，下半段为上大下小的锥段筒壁，阴极座内部设有冷却水通道，其底部周向设有阴极座冷却水进口和顶部设有阴极座冷却水出口、送粉口和工作气体入口。

所述的级联板紫铜材质的环板结构，其沿着板面方向加工方形水冷通道，所述的方形水冷通道串联在一起形成所有级联板的串联冷却通道。

所述的阳极设有冷却通道，在对称的两端设置有冷却水通道入口和冷却水出口。

所述的阴极组件外通过螺纹安装阴极绝缘套筒，通过阴极绝缘套筒固定在阴极座的阴极安装孔内，阴极绝缘套筒与阴极安装孔之间通过O型圈进行密封。

所述的阴极组件包括阴极头、紫铜座和阴极冷却套，紫铜座通过螺纹连接在阴极冷却套上，紫铜座与阴极冷却套之间保留一定间隙通道称为冷却水通道，阴极冷却套顶部和侧面分别加工冷却水入口和出口，所述的紫铜座与上述的阴极冷却套同轴安装，其一端加工成阶梯结构用于与阴极冷却套定位安装，另一端加工为锥面中心加工有沉孔，沉孔内紧密安装阴极头。

本发明的显著效果如下：

(1)级联式等离子体发生器的各个零件分别设置冷却通道，部件之间单独水冷，互不干扰，方便单独拆装与维护；(2)阴阳极之间采用级联板进行过渡，设备工作时，工作气体在阴极与阳极之间电离而形成等离子体，电子从阴极头23发射出来经电场加速后落在级联板上，采用级联板进行过渡，可解决因电子的轰击而导致电极材料损失，有效缓解电极烧蚀，提高其使用寿命；(3)级联板密封垫8和级联板绝缘垫片9的材质为氮化硼，可以有效的进行绝缘和密封。

附图说明

图1为一种级联式等离子体发生器；

图中：1.阴极组件；2.阳极；3.级联板；4.送粉口；5.工作气体入口；6.连接螺杆；7.绝缘套管；8.级联板密封垫；9.级联板绝缘垫片；10.阴极座；11.绝缘帽；12.阴极绝缘套筒；13.阴极冷却水入口；14.阴极冷却水出口；15.阴极冷却套；16.阴极座冷却水入口；17.阴极座冷却水出口；18.级联板冷却水入口；19.级联板冷却水出口；20.级联板方形冷却水通道；21.阳极冷却水入口；22.阳极冷却水出口；23.阴极头；24.紫铜座；25.螺母；26.等离子体射流出口。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

级联式等离子体发生器包括阴极组件1、安装阴极组件1的阴极座10、安装在阴极座10下方的若干层的级联板3和安装级联板3下方的阳极2。

其中，阴极组件1包括阴极头23、紫铜座24和阴极冷却套15组成，紫铜座24通过螺纹连接在阴极冷却套15上，紫铜座24与阴极冷却套15之间保留一定间隙通道称为冷却水通道，用于冷却阴极，阴极冷却套15顶部和侧面分别加工冷却水入口13和出口14。

紫铜座24与上述的阴极冷却套15同轴安装，其一端加工成阶梯结构用于与阴极冷却套15定位安装，另一端加工为锥面中心加工有沉孔，沉孔内紧密安装阴极头23，其材质为钨。该阴极头23表面与沉孔内壁紧密贴合，头部伸出锥面一端端面，且阴极头23头部加工为球形。

上述的阴极座10和级联板3同轴安装，在两端距离中心轴距离相同的位置加工对应的安装孔，利用连接螺杆6将阴极座10和下方的若干级联板3固定连接，且安装孔内放置绝缘套管7，绝缘套管7包裹在连接螺杆6外部。

相邻级联板3之间、顶层级联板3和阴极座10下表面、底层级联板3和阳极2上表面，均通过级联板密封垫8进行密封。

相邻级联板3之间、底层级联板3和阳极2上表面通过安装级联板绝缘垫片9进行绝缘。

级联板密封垫8和级联板绝缘垫片9的材质为氮化硼。

阴极座10中心加工阴极安装孔，孔的上半段为直筒壁，下半段为上大下小的锥段筒壁；

级联板3紫铜材质的环板结构，其沿着板面方向加工方形水冷通道20。每个方形水冷通道的两端为冷却水进出口，级联板的数量为4-8个。

阳极2紫铜材质的环板结构，并且在对称的两端设置有冷却水通道入口21和冷却水出口22。

阴极座10的阴极安装孔下端的锥段端口小直径、级联板3内环直径、阳极2内环直径相同，且三者同轴安装。

阴极组件1外通过螺纹安装阴极绝缘套筒12，通过阴极绝缘套筒12固定在阴极座10的阴极安装孔内，阴极绝缘套筒12与阴极安装孔之间通过O型圈进行密封；阴极绝缘套筒12的材质为聚四氟乙烯，阴极座10的材质为紫铜。

阴极座10内部设置有冷却水通道，其底部周向设有阴极座冷却水进口16和顶部设有阴极座冷却水出口17、送粉口4和工作气体入口5，工作气体入口采用旋流进气方式。

冷却水从阴极冷却水入口13进入到阴极组件冷却通道内经阴极冷却水出口14流出，用以冷却阴极；冷却水经阴极座冷却水入口16流入经阴极座冷却水出口17流出，用以冷却阴极座；级联板3的冷却是是通过级联板冷却水入口18流入，再经级联板冷却水出口19流出，各个级联板3均在对称面设置方形水冷通道20，通过各级连板的冷却水进出口相互串联，使得级联板3之间的冷却水相互串联；阳极2的冷却是冷却水通过阳极冷却水入口21流入，再经阳极冷却水出口22流出；上述各个零件之间单独水冷，互不干扰。

阴极组件1、阴极座10、级联板3及阳极2自上而下依次排列，通过套有绝缘套管7的连接螺杆6连接并采用螺母进行紧固而形成级联式等离子体发生器。连接螺杆6上端伸出阴极座10上表面，且通过绝缘帽11进行绝缘，在通过绝缘帽11上方的安装螺母固定，绝缘帽11的材质为聚四氟乙烯。

设备工作时，在工作气体入口5通入氩气或氮气等工作气体，启动等离子体电源，在阴极组件1与阳极2之间形成的电场将工质气体电离而产生等离子体射流，产生的射流顺着放电通道向等离子体射流出口26喷出。阴阳极之间采用多个级联板进行过渡，可有效提高等离子体的弧电压及射流长度和缓解电极烧蚀；各个零件之间单独水冷，方便安装与拆卸。通过调整工作气体流量、功率及级联板的数量等，可以获得不同长度的稳定等离子体射流。当等离子体运行状况稳定后，将待球化处理的粉体材料通过送粉口4在携带气流的作用下送入到等离子体射流中心区域，粉体材料在等离子体高温作用下迅速发生熔融，进而冷却固化而形成球形粉末。