用于清洁、快速固结合金的装置和方法

专利名称：用于清洁、快速固结合金的装置和方法
技术领域：
本发明涉及在真空条件下用于熔化和雾化金属及合金(此处总称为"合 金")以产生清洁的雾化熔融材料的装置和方法，该融熔材料能够快速固结 为或粉末或预制件。固态预制件可以使用象例如喷射成型和成核铸造的技术 由雾化的熔融材料制成。所收集的粉末可以被进一步加工成为不同的生产 件。作为一个实例，由该装置和方法制成的粉末可以被收集、集中到容器内、 并被进一步加工使其固结为固态预制件。
背景技术：
目前用以生产粉末金属制品的工艺通常采用常规的流体雾化技术来生 产合金粉末。例如，常规的流体雾化技术被用来生产合金粉末，以进一步生 产一般的压制件和烧结件。合金粉末也被用于更为尖端的场合，比如用于制 备用来制造关键的航天构件的材料。
在一个常规的流体雾化技术工艺中，高压气体被撞击在熔融材料或合金 流束上，将流束物理粉碎为全部的或部分的微小熔融材料微粒。随着熔融材 料微粒散发热量，它们凝结，然后被收集为固态粉末。在特定的关键应用中， 比如在某些航天构件的制造中，由几个少量的雾化流束形成的多批雾化粉末
被混合，然后混合物被细筛为较小的尺寸(例如，-325网格)，集中到金属 容器中，并通过沖压或压实容器和其中的粉末物而被固结成为合适的固态件 (预制件)。然后，固态件能够通过机械加工和其它常规技术被进一步加工 成为预定的形状和特征。这种工艺的优点包括清洁；成分可控并一致；及 固态件具有相对小的粒度，这对于用该固态件制造的构件的性能可以是关键 的。
常规工艺的步骤包括熔化；雾化；混合；细筛；装箱；和固结，其中 存在着几处缺陷。例如，由几个少量的熔化物形成的雾化粉末被用于形成混 合粉末。这是由于在粉末形成期间熔化物必须通过相对小的孔流束出，并且 流束出率显著小于铸造或常规熔化工艺中的流束出率。因此，在雾化之前，合金必须在一定延长期内保持熔化状态，由于元素的挥发和与熔融容器的陶
瓷(ceramic)衬里的反应，这将导致合金的化学成分的恶化。几个少量的熔 化物被雾化以最小化任一个熔化物的成分的恶化程度。因此，上述粉末形成 工艺通常是费时且耗资巨大。另外，通常在常规的陶瓷衬里的熔炉内生产熔 化物，因此，最终生成的粉末经常被氧化物所污染。 一旦形成粉末，将通过 数个步骤对它们进行处理，每一个步骤都具有额外污染的可能性。另外，由 于上述工艺包括数个步骤，通常费用巨大。
各种技术已经被开发出以具体针对通过粉末雾化用熔化物形成固结件 的工艺中的各个步骤。几个已经开发出的熟知的熔化技术采用真空环境，而 不使用常规的陶乾衬里熔炉。相对于在常规的陶瓷衬里熔炉形成的熔化物， 这些技术形成的熔化物中的氧化物污染显著減少。例如，电子束(EB)熔化 技术现在已经众所周知，并在技术文献和专利文献中被广为讨论。另一个实 例是真空双电极重炫(VADER, vacuum double-electrode remelting )工艺， 这已经为本领域所知，并在例如美国专利4,261,412中进行了讨论。其它已 知的在无陶资熔化装置中形成熔融合金流束的技术在例如美国专利 5,325,906和5,348,566中公开。，906专利公开了一种组合了耦接于冷感应引 导(CIG, cold induction guide )的电渣重火容(ESR， electroslag remdting )装 置的熔化装置。在，906专利描述的一个实施例中，通过在ESR装置中熔化 自耗电极生产出熔融精炼材料流束。上述熔融流束在紧密耦接的冷感应引导 (CIG)的保护下与周围环境隔离而向下流束至喷雾形成装置。，566专利同 样公开了 一种组合了紧密耦接于CIG的ESR装置的装置，但还公开了用以 控制熔融材料通过CIG的流束动的技术。本技术包括例如，通过冷指(cold finger)装置本身和通过邻近的气冷装置控制向CIG内的合金提供感应热的 速率，并控制CIG中的熔融材料的散热率。
在常规的流体撞击雾化技术中，或者气体或者液体被撞击在熔融材料的 流束上。使用液体或某些气体的撞击会将污染引入雾化材料。另外，假设在 真空环境中不发生流体撞击，但即使使用惰性气体的撞击技术也能够将大量 的杂质引入雾化材料。为解决这一问题，某些可以在真空环境中进行的非流 体撞击雾化技术已经被开发出来。这些技术包括标题为"用于喷雾成型、雾 化和热传递的方法和装置"的美国专利6，772,961B2 (961专利)中描述的雾 化工艺，其中，由耦接于可控分配装置的熔化装置生成的熔融合金熔滴或熔融合金流束通过以高的上升速率(rise rate )对熔滴施加高压而一皮快速充电。 充电熔滴内的静电力使熔滴碎裂或雾化成为更小的次级微粒。在，961专利描 述的一项技术中，由调节装置的孔口产生的主熔滴受邻近于孔口下方的环形 电极的电场的作用。在主熔滴内产生的静电力超过微粒的表面张力，导致了 较小的次级孩i粒的形成。额外的环形电场产生电极可以配置在下游，/人而以 同样的方式作用于次级微粒，产生更小的熔融微粒。在这里通过参考加 入，961专利的全部公开内容。
电子束雾化是另一种在真空中进行的用于雾化熔融材料的一一流体撞击 技术。大体上，该技术包括使用电子束将电荷喷射入熔融合金流束的区域和/ 或连续的合金熔滴。 一旦该区域或熔滴聚集足够的超过瑞利极限(the Rayleigh limit )的电荷，该区域或熔滴会变得不稳定并断裂成为细小颗粒(即， 雾化)。该电子束雾化技术在，961专利中进行了总体描述，并将在下面进一 步描述。
另外，，961专利公开了使用静电场和/或电磁场来控制在生产喷雾形成 预制件或粉末的工艺中通过雾化形成的熔融合金微粒的加速度、速度、和/ 或方向的特性的技术。如，961专利描述的，这种技术提供了对于雾化材料的 重要的下游控制并能够减少过喷射和其它的材料浪费，提高质量，增加了由 喷射成型技术制成的固态预制件的密度，并改善在雾化材料转化为粉末形式 时的粉末品质以及提高产量。
关于收集雾化粉末，使雾化粉末驻留在雾化腔的底面上的方法已经为人
所熟知，并已经常规地用于合金粉末的商业生产。另外，收集雾化材料制成 单个预制件的方法，比如，举个例子，喷射成型和有核铸造，已经众所周知， 并已经在许多文章和专利中被描述。关于成核铸造，可以具体参考美国专利 5,381,847， 6,264,717和6,496,529 Bl。大体上，成核铸造包括雾化熔融合 金流束；然后引导产生的微粒进入具有预定形状的铸模。熔滴可以融合并固 结为单个具有模的形状的物件，铸件可以被进一步加工成为预定的构件。喷 射成型包括引导雾化的熔融材料至例如用以形成独立预制件的心轴或圆柱 的表面上。从特性上来讲，由于例如无模喷射成型工艺中需要不流束动且移 动的微粒，因此喷射成型和有核铸造之间的雾化微粒的典型固态成分不同。 如上面所提到的，许多已知用于熔化、雾化和形成合金以产生粉末和固 态预制件的工艺存在不足。这些不足包括例如，在最终产品中存在氧化物和其它的污染物；由于过喷射导致产率损失；固有的尺寸限制。因此，需要 改进用于熔化和雾化合金并从雾化材料形成粉末和固态预制件的方法和装置。

发明内容
本发明的一个方面涉及用于形成合金粉末和预制件的新型装置。该装置 包括熔化组件；雾化组件；场产生组件；和收集器。熔化组件被用以产生 熔融合金流束和连续的熔融合金熔滴中的至少 一种，并在接触熔融合金的区 域大体上无陶资。雾化组件将电子撞击在熔化组件产生的熔融合金上，从而 雾化熔融合金并产生熔融合金微粒。场产生组件在雾化组件和收集器之间产 生静电场和电^f兹场中的至少一个场。至少一个场与熔融合金^Ti粒相互作用并 在合金微粒流向收集器时影响微粒的加速度、速度和方向中的至少 一 个特 性。该装置还可以有选择性地包括:围绕熔化组件、雾化组件、场产生组件和 收集器组件的至少一部分的腔室；和向腔室提供真空环境的真空装置。
本发明的另 一个方面涉及可以用于形成粉末和预制件中的至少 一种的 装置。该装置包括提供熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种的 熔化组件，其中，所述熔化组件在接触熔融合金的区域大体上无陶瓷。该装 置的雾化组件将电子撞击在熔化组件产生的熔融合金上从而雾化熔融合金 并产生熔融合金微粒。该装置的场产生组件在雾化组件下游的该装置的区域 中产生静电场和电磁场中的至少一个场。所产生的至少一个场与熔融合金微
粒相互作用并影响熔融合金微粒。在该装置的某些非限制性实施例中，由场 产生组件产生的至少一个场影响熔融合金微粒的加速度、速度、和方向中的 至少一种特性。在熔化组件、雾化组件、和场产生组件之外，该装置还可有 选择地包括收集器，从雾化组件产生的熔融合金在上述的至少一个场的影 响下被导入收集器；和围绕熔化组件、雾化组件和场产生组件的至少一部分 的真空腔。
本发明的另 一个方面涉及形成粉末和固态预制件中的一种的方法。本方 法包括在熔化组件中产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一 种，熔化组件中与熔融合金接触的区域大体上无陶瓷。本方法还包括通过 使电子撞击在从熔化组件中产生的熔融合金上生成熔融合金微粒，从而雾化 熔融合金并产生熔融合金微粒。本方法还包括生成静电场和电磁场中的至少一个场，其中，熔融合金微粒与场相互作用并受场的影响。熔融合金微粒 被以粉末和固态预制件中的一种形式收集进入收集器或被收集到收集器上， 在本方法的某些非限制性实施例中，熔融合金微粒与场产生组件所产生的至 少一个场相互作用并受其影响使得熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的 至少 一种特性以预定的方式被影响。
技术人员通过对下面关于依据本发明的装置和方法的特定非限制性实 施例的详细描述将明白前述的细节，同样也能明白其它细节。技术人员还可 以通过执行或使用这里描述的装置和方法理解另外的细节。


这里描述的装置和方法的特性和优点可以通过参考附图获得更好的理 解，在附图中
图1是依据本发明构造的装置的一个实施例的示意图2是依据本发明构造的装置的一个非限制性实施例的各方面的示意 图，其中，大体块形电子场被沿熔融材料穿过雾化组件的路径产生；
图3是依据本发明构造的装置的一个非限制性实施例的各方面的示意 图，其中，栅格装置沿熔融材料穿过雾化组件的路径产生电子场；
图4是依据本发明构造的装置的一个非限制性实施例的各方面的示意 图，其中，用以沿熔融材料穿过雾化组件的路径产生电子场的电子从灯丝的 外表面产生；
图5是可以被包括进依据本发明构造的装置中的电子束雾化组件的一个 实施例的示意图6、 7、 7A、 8和8A是适于喷射形成预制件的依据本发明构造的装置 的不同非限制性实施例的各个组件的示意图9、 9A是适于形成粉末材料的依据本发明构造的装置的可选的非限制 性实施例的示意图10-13示意性地描绘了可以被包括进依据本发明构造的装置中的熔化 组件的几个非限制性实施例；
图14-16示意性地描绘了可以被用于收集由依据本发明构造的装置的实 施例产生的固态雾化材料的技术的几个非限制性实施例；
图17和17A示意性地描绘了依据本发明构造的装置的非限制性实施例，其中，通过在模具中成核铸造由电子束雾化产生的雾化熔融合金而生产出铸件。
具体实施例方式
在当前对于实施例的描述中及在权利要求中，除了在操作实例或其它的 特别说明之处以外，所有表述成分和产物、工艺条件及诸如此类的质量或特
性的数字在所有情况下都应理解为用"大约(about)"进行修正。因此，除 非相反地标注，任何在下面的描述中和权利要求中提出的数字参数都是近似 的，可以依据本发明根据人们在合金和制品中寻求获得的预定的特性而变 化。至少，且不是试图限制权利要求的等同性原则，每一个数字参数都应依
这里通过参考加入的任何的专利、公开或其它说明材料的全部或部分内 容在这里仅以不与已有的定义、声明或本发明中所提出的其它公开的材料相 矛盾沖突为准。这样，在必需的程度内，这里所阐述的说明书替换任何在这 里通过参考加入的相矛盾的材料。这里通过参考将要加入的任何材料或材料 的某些部分，如果与现有定义、声明或这里公开的其它说明材料相矛盾的， 仅以加入的材料与现有说明材料之间不出现矛盾为准加入这些材料。
本发明提出改善通过包括合金雾化的工艺生产粉末和固态预制件的方 法和装置。总体上，如图1中示意图所示，依据本发明的装置的特定实施例 (图1中的100)包括产生熔融合金的流束和连续熔滴中的至少一种的熔 化组件(这里也称为"熔化装置")110;雾化来自熔化组件110的熔融合金 并产生微小熔融合金微粒的电子束雾化组件(这里也称为"雾化装置")112; 产生静电场和电^t场中的至少一个场并影响由雾化组件112产生的一个或多 个熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一种特性的场产生组件(这 里也称为"场产生装置")114;和容纳熔融合金^:粒的收集器116。另外， 总体上，依据本发明的方法的特定实施例包括在熔化组件中产生熔融合金 流束和/或连续的熔融合金熔滴中的一种，其中在接触熔融合金的熔化组件的 区域基本上无陶乾；通过将电子束撞击在来自熔化组件的熔融合金上而在雾 化组件中产生熔融合金微粒；产生静电场和电磁场中的至少一个场，其中来
金微粒的加速度、速度和方向中的至少一个特性；并收集熔融合金微粒进入收集器，形成粉末和/或预制件。如这里所使用的，术语"熔化组件"和"熔化装置"指代炫融合金的流 束和/或连续熔滴的来源，合金流束和/或连续熔滴可以用带电荷的合金的原 料、小片材料和铸件或其它合金来源生产出。熔化组件或装置与雾化组件或 装置流体相通并向雾化组件或装置输送熔融合金。熔化组件在与熔融材料接 触的区域大体无陶资。如这里所使用的，短语"大体上无陶覺"及类似短语 意指或者在熔化组件的熔化操作过程中与熔融材料接触的区域无陶乾，或者 指在熔化组件中存在正常操作时不接触熔融合金的区域，但所包含的陶瓷并 不会导致在熔融合金中夹杂可能出现问题的数量和尺寸的陶资微粒或夹杂 物。在熔化组件中防止或基本上禁止熔融材料与陶瓷材料接触是很重要的， 因为陶瓷微粒能够"沖刷"陶瓷衬里并与熔融合金混合。陶瓷微粒将具有高 于熔融材料的熔点，并可以被掺入到铸件中。
一旦被掺入到最终产品中，陶 瓷微粒能够在低频疲劳中引起裂痕，产生裂缝。因此，根据铸件材料的预期 用途，材料中只允许少量或根本不允许出现陶瓷微粒。在常规的铸造和锻造 冶金中，真空感应熔炼(VIM， vacuum induction melting )步骤中的陶乾微 粒能够在后续的真空电弧重熔(VAR)步骤中或在常规的三次重熔实例中的 电渣重熔(ESR)步骤以及VAR步骤中完全去除。使用不同的实例所获得 的清洁度能够使用已知为"EB button"测试的半定量测试进行评估，其中， 待评估材料的取样电极是在钳锅中熔化的电子束，并且测量生成的氧化物浮 阀中出现的最大氧化物。在常规的粉末冶金中，粉末熔化后固结形成产品， 而没有采取手段来进一步精炼产品以除去氧化物。相反地，粉末被细筛，并定义的最小的缺陷。在最为关键的采用固态粉末金属生产的航空发动机组件 的设计中，例如，最小的模型缺陷可为大约44微米，因此，具有不大于该 尺寸的筛分粒度(sievesize)的粉末被使用。而对不太重要的航空发动机组件， 最小的模型缺陷可为大约149微米，因此，具有不大于该尺寸的筛分粒度 (sieve size)的4分末^^吏用可以包括在依据本发明的装置中并用于依据本发明的方法的不会引入 陶瓷夹杂物的熔化技术的实例包括包括真空双电极重熔装置的熔化装置； 包括真空双电极重熔装置或真空电弧重熔装置和冷感应引导(CIG)的熔化装置；电子束熔化装置；和电子束冷炉床熔化装置。但是，应记住所使用的特定熔化组件的设计目标是防止或在可接受的范围内限制熔融材料与组件 中包含的陶瓷接触，其它可用于依据本发明的方法和装置的熔化组件对于普 通技术人员将清楚明了。如这里所使用的，术语"合金"指纯金属和合金。因此，作为非限制性实例，"合金"包括例如铁；钴；镍；紹；钛；铌；锆；铜；鴒；钼；钽； 和任何这些金属的合金；不锈钢；和镍基和钴基高温合金。可以使用依据本 发明的方法和装置加工的镍基高温合金的特定非限制性实例包括IN 100 (UNS 13100); Rene 88; Alloy 720; Alloy 718 (UNS N07718);和718PIus 10 合金(UNS N07818)(可购自ATI Allvac， Monroe, North Carolina)。可以采用 依据本发明的方法和装置加工的钛合金的特定非限制性实例包括 Ti-6A1-4V; T-17; Ti-5-5-5-3;和TiAl合金。如这里所使用的，术语"雾化组件"指代将电子流束(即电子束)或电 子场中的至少 一个撞击在熔化组件产生的熔融合金上的装置。正如这里的用 法，"撞击"意指接触。以这种方法，电子向流束的撞击区域和/或各个熔融 合金熔滴的撞击区域传送电荷。如在，961专利和下面所讨论的， 一旦熔滴或 流束的特定区域的电荷达到足够的幅值，该区域或熔滴变得不稳定并断裂 (雾化)成微小的熔融合金微粒。(如这里所使用的，"熔融合金微粒"指代 包括一些熔融材料的内容物的微粒，但并不必需完全熔化)。这样的雾化装 置可以不同地称为电子束雾化组件、装置、设备或类似构件。本质上来讲，如，961专利中讨论的那样，电子束雾化装置的基本特性在 于它被设计以能够快速地施加静电荷到熔融合金流束或熔滴上。该装置被采 用使得撞击到熔融合金的静电荷使流束或熔滴物理断裂，而从熔融合金产生 出一个或多个微小熔融合金微粒，从而雾化熔融材料。使用通过电子撞击而 快速静电充电的熔融材料雾化导致材料快速破裂为微小微粒，这是由于在材 料内部产生了静电排斥力。更具体地讲，熔融合金的区域或熔滴被快速静电 充电并超过"瑞利限度(Rayleigh limit)",使得在该区域或熔滴内的静电力超 过材料的表面张力，然后材料破裂成为微小微粒。瑞利限度是指在材料内部 建立起的静电排斥超过使材料保持为一个整体的表面张力之前材料所能够 承担的最大电荷量。使用电子撞击在材料上以在材料内建立静电电荷排斥力 的雾化技术的优点包括在真空环境中执行这种技术的能力。采用这种方式，空气或雾化流体与熔融材料之间的化学反应能够受到限制或被消除。这种能 力与常规流体雾化形成对照，其中，在常规流体雾化中正被雾化的材料必须 接触雾化气体或液体，并且通常是在环境大气或在惰性气体中进行以制成钛 基和镍基合金。由雾化组件雾化的合金流束或熔滴由上游的熔化组件产生。熔化组件可 以包括例如，用以形成合适的流束或熔滴的分配器。在特定的非限制性实施例中，比如在，961专利中说明的那些实施例，本分配器可以包括具有孔 口的熔化腔。流束和/或熔滴被从孔口压出或流出，并向下游流向雾化组件。 在特定的非限制性实施例中，受机械作用或压力作用，熔融合金流束或熔滴 从熔化腔流出。在一个可能的实施例中，向熔化组件的分配器中的熔化合金 施加压力，压力大小大于作用在分配器的外部的压力以在分配器的孔口处产 生熔融合金熔滴。另外，在一个实施例中，压力可以变化以可选择地中断熔 融合金熔滴的流动。本熔化组件的特定非限制性实施例可以被设计以用负电荷对输送向雾 化组件的熔融金属流束或熔滴"预充电"。对流束或熔滴预充电将减小电子 束雾化组件将流束或熔滴雾化成为微小微粒预定的负电荷量。 一种用于预充 电的可能的技术是使熔化组件相对于装置中的其它部件保持较高的负电势。 这能够通过使熔化组件与装置的其它部件电气隔离，然后使用电气耦接于熔 化组件的电源升高熔化组件的负电势至较高的水平而完成，可选的预充电技 术是在雾化组件的上游接近于熔化组件的喷出孔口的位置布置感应环或感 应台板。台板或环或者可能的其它结构被用以在通过较短的距离流向下游的 雾化组件的熔滴或流束中感应出负电荷。雾化组件然后将电子撞击在预充电 的材料上以进一步为材料充以负电荷并雾化材料。其它预充电技术根据本发 明将清楚明了。在依据本发明的特定雾化组件的实施例中，电荷通过热离子发射源或类 似装置被传递给熔融合金流束和/或熔滴。如本领域已知的，热离子发射现象， 曾经一度被称为"爱迪生效应(Edison effect)",指代当热振动能克服了使电 子保持在金属或金属氧化物表面的静电力时，来自金属或金属氧化物表面的 电子流(称为"热离子，，)。这种效应在温度升高时急剧增强，但通常在温度 高于绝对零度时在一定程度上存在。热电子枪利用了热离子发射现象以产生 具有良好的动能的电子束。如本领域已知的，热电子枪通常包括(i)热电子灯丝；和(ii)由阴极和阳极约束的电子加速区。灯丝通常包括一条耐熔 材料线，由流过灯丝的电流实现加热。适合的热电子枪灯丝材料具有如下的特性低的势垒(逸出功)；高熔点；高温稳定性；较低的蒸发压力；化学 稳定性。热电子枪的特定的实施例包括例如，钨；六硼化镧(LaB6);或 六硼化铈(CeB6)灯丝。通过对灯丝施加电流产生足够的热能使得电子从灯 丝表面"蒸发"，但是这种方式产生的电子具有非常少的能量。为解决这一 问题，对阳极施加正电势。灯丝产生的电子穿过阴极上的小孔漂出，并且阳 极和带正电阴极之间的电场对电子加速，使其穿过间隙漂向正极，并带着与 电极间施加的电压对应的最终能量穿过正极中的孔。热电子枪已经实现商 用，并且它们的结构和操作方式已经为人所熟知。为了向熔滴或流束充负电荷至克服表面张力及雾化材料所需预定的水 平，熔滴或流束必须在有限的时间内经受具有充足能量和强度的电子流或电 场。因此，雾化组件优化地产生"线性"电场，它沿熔滴或流束穿过雾化组 件的路径延伸合适的距离。线性电场中的电子形成空间分布，这与电子束被 集中成为狭窄的流束的点式电子源发射器形成对照。假定引入到熔化组件中 的熔融熔滴或熔融流束在重力影响下移动穿过该组件，电子的空间分布对于 本发明的装置可以是重要的。不受任何特定的理论限制地，电子束雾化的微粒可以通过下面两个机制 中的一个或两个由熔滴或流束形成。在第一个可能机制中，新雾化微粒在负 电荷被添加到熔滴或流束时从熔滴或流束的表面顺序剥离。另 一个可能机制 中的雾化微粒通过级联效应形成，在级联效应中初始的熔融流束或熔滴破裂 成为微小微粒，微小微粒被重新充电至负电势并破裂成为更小的微粒，本过 程重复进行，期间电子被添加到连续的更小的雾化微粒。在任一个机制中， 熔融材料必须曝露于电场足够的时间使得在材料中集累起足够的负电荷并 使材料破裂。电子在雾化组件中产生的电场中的 一个可能的空间分布是形成 电子圓柱。圆柱的长轴方向指向熔融材料穿过雾化组件的总体方向。完全雾 化预定的圓柱最小长度(沿长轴方向)将依赖于在圓柱内的电场能量和电场 强度给定的条件下自由下落的熔融材料由电场雾化所花费的时间。非圓柱形 电场也可以被使用，比如，举个例子，具有矩形、三角形、或一些其它的多 边形或另外的有界的形状的横截面(横切于熔融材料穿过雾化组件时的总的 方向)的电场。然而更为普遍地，可以使用具有能够适于雾化熔融的材料的能量、强度和三维形状的任意组合的电场。在下面描述用于依据本发明构造 的装置的电子束雾化组件的非限制性可能实施例。
根据依据本发明的雾化组件的 一个可能的非限制性实施例，提供具有足 够用来雾化熔融熔滴或流束的能量的电子源。所述电子源可以是，例如，加
热型鴒丝。从鴒丝表面剥离的电子被使用静电和/或电磁装置处理以形成具有 大的高宽比(流束宽度与流束长度的比例)的矩形横截面的电子束。矩形流 束然后被射入雾化腔，成为熔融材料流动路径上的大体块状场。图2示意性
地描绘了这种布局，其中，雾化组件210包括通过由电源214提供的电流加 热的鴒丝212。加热的鴒丝212产生自由电子216。电子可以用这种方式产 生，比如，使用热电子束发射器。电子被台板220产生的静电场成形为总体 上为矩形的电子束222。电子束222被射入雾化组件210的内部以产生总体 上为块状的电子场226。从熔化组件232上游分出的熔融材料熔滴230经过 电子场226并通过由负电荷的聚集引起破裂而形成微小微粒238。雾化微粒 238沿朝向收集器(未示出)的箭头A的方向流动。
图3示出了依据本发明的雾化组件310的另一个非限制性实施例。 一个 或多个钨丝312由电源314加热并产生电子316,所述电子在足够多的电子 被撞击到熔融材料上时具有足够能量以雾化熔融材料。电子可以采用这种方 法产生，例如，使用热电子束发生器。电子316由某些结构处理，比如， 用例如台板320处理以形成漫斑322。光栅装置324在雾化组件的熔融材料 受重力影响通过的区域内以较高的光栅化速率对电子斑322进行光栅化处 理。高的光栅化速率的效果是在雾化组件310的雾化腔内提供了形状可控的 三维电子场326，雾化腔足够大，以完全地或者基本上完全地将由雾化组件 332引入的熔融金属熔滴330雾化为更小的雾化微粒338。雾化微粒338沿 箭头A的方向流向收集器(未示出)。
用于依据本发明的装置的雾化组件的另一个实施例如图4所示。雾化组 件410产生具有大的总体上为矩形横截面的电子场。电子从由电源414加热 的直线长度的灯丝412的表面产生。这种产生电子的方法与从一点源产生电 子(通常由电子束枪实现)的技术形成对比。能够使用静电场或者电磁场， 举例来讲，由台板420产生的电磁场，对从灯丝412的表面发射出的电子416 进行操控，以形成具有大体上为矩形的横截面的电子束422。矩形电子束422 可以由光栅装置以较高的速率进行光栅化处理，后进入雾化组件410形成电子场，从熔化组件432产生的熔融材料430穿过该电子场。可选地，如图4 所示，矩形电子束422可以由喷射装置424喷射进入雾化组件410，以形成
子场426。材料430被聚集的负电压破裂为雾化微粒438，雾化微粒438沿 箭头A的方向流到收集器(未示出)。
为提供充足的电子以合适地雾化熔融材料，任一上述实施例可以被修改 以在雾化组件内的合适位置包括几个电子源。多种用以操控和喷射电子的方 法也可以被用于产生适合的电子场。例如，若干热离子或非热离子电子束发 射器或其它电子源可以围绕雾化腔中的熔融材料的路径以一定角度取向(例 如彼此相互成120°角的三个电子源)，并通过从若干电子源喷射电子进入路 径而产生三维电子场。
另外，上述的几个雾化组件实施例的各方面能够被组合。例如，在图2 和图3中示出的实施例的一个可选实施例组合方面，雾化组件210的矩形电 子束222被用雾化组件310中的光栅装置324进行光栅化处理而产生电子场 以雾化熔融材料。相对于电子漫斑322,对具有相对高的长宽比的矩形电子 束222进行光栅化处理可以沿雾化腔中的熔融材料的路径提供更大的线性覆盖度。
在包括在依据本发明的装置中的电子束雾化组件的特定实施例中，第一 电子流被撞击在从熔化组件产生的材料上，从而雾化材料成为具有第 一平均 尺寸的主熔融合金微粒。然后撞击第二电子流在主熔融合金微粒上从而进一 步雾化主熔融合金微粒至更小的平均微粒尺寸。撞击另外的电子流在雾化微 粒上可以实现平均尺寸的进一步减小。采用这种办法，使用通过撞击电子的 快速静电充电可以实现数次尺寸的精细化。在特定的实施例中，通过电子束 进行的静电充电沿路径施加两次、三次或更多次，以实现最终预定的平均熔 融材料微粒尺寸。采用这种办法，由熔化组件产生的熔融合金熔滴的初始尺 寸不会限制雾化组件中产生的最终雾化微粒的尺寸。这种布置的几个电子源 可以是例如独立的热电子束发射器，其中包括线性热电子束发射器。
因此，在依据本发明的雾化组件的特定的非限制性实施例中，熔融合金 流束的熔滴或部分经历两次或多阶段雾化，以连续地减小最终的雾化微粒的 平均尺寸。这可通过例如在雾化组件和收集器之间的区域沿路径布置两个或 几个电子枪或其它电子流源完成。具有这样的总的结构的雾化组件在图5中作为组件500进行示意性地说明。熔化组件512包括产生熔融合金熔滴523a 的分配器514。分配器514可以-使用例如枳4成工具或压力以由熔化组件512
523a。主电子束^T524a产生撞击在熔滴523a上并施加负电荷至熔滴的电子 束525a。在熔滴523a内建立起的静电力最终超过熔滴的表面张力、使熔滴 破裂并形成主熔融合金微粒523b。第二电子束枪524b将电子束525b集中在 主熔融合金微粒523b，同样地施加负电荷至微粒上并使它们破裂成为更小的 次熔融合金微粒523c。第三电子束枪524c将电子束525c集中在次熔融合 金微粒523c上，同样传递负电荷到微粒并使微粒破裂成为更小的第三级熔 融合金微粒523d。在这种布置的一个实施例中，虽然数个电子束枪为热离子 电子枪，可以使用任何其它适合用以产生适合的电子束的装置。
如，961专利中讨论的，"快速"静电充电指在大约1微秒到大约500微 秒内充电到预定的幅值。优选地为大约1到大约100微秒，更为优选地是大 约1到大约50微秒。用以由熔化组件产生的熔融合金的快速静电充电产生 超过材料的"瑞利限度"的电荷，并由此产生几个熔融合金微粒。本微粒， 例如，可以具有大体上一致的大约为5到大约2500微米的直径，更为优选 地是大约5到大约250微米。
因此，雾化组件产生熔融合金微粒，它被在装置中进一步加工形成粉末 或是整块(即单件)的预制件。如这里使用的，术语"预制件"指代任何铸 件、工件或其它通过收集熔融合金微粒形成的物件。在本发明的装置和方法 中，熔化组件产生的全部或一部分熔融合金微粒在雾化组件的下游被控制并 收集在收集器中。更为具体的说，依据本发明的装置包括产生至少部分出现 在炫化组件的下游区域的静电场和/或电;兹场的至少一个场产生组件。由场产 生组件产生的静电场和/或电磁场被构造或处理以影响与所述场相互作用的 熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一个特性。
如这里所使用的，术语"场产生组件"指产生以及可选地操控可被用于 在熔化组件的下游区域中控制熔融合金微粒的加速度、速度、方向中的至少 一个特性的一个或多个静电场和/或电磁场的装置。场产生组件的实施例在美 国专利6,722,961 B2中描述，这里已经通过参考加入这一专利。
如这里所使用的，"静电场"能够指单个的静电场或几个(两个或更几 个)静电场。静电场可以由例如对点、台板或其它源充电至高的电势产生。另外，如这里所使用的，"电磁场，，能够指单个电磁场或几个电磁场。电磁 场可以通过例如使电流流过导体而产生。
在依据本发明的装置和方法的特定实施例中，全部或一部分由熔化组件
或收集在收集器上，成为粉末或预制件。如这里所使用的，术语"收集器" 指一种装置、部件、或者是装置或部件的部分或区域、或者是部件的组合， 它被用于接收或收集由雾化组件产生的粉末或预制件的形式的全部或部分 熔化合金微粒。可以被集成进入依据本发明的装置或方法的实施例的收集器 的非限制性实例包括腔室、储料漏斗、模具、心轴或表面的全部或部分或 区域。通常，收集器处于地电势，优选地，处于较高的正电势以吸引被充负 电荷的由雾化组件产生的雾化微粒。当该装置被用于形成粉末材料时，比如， 举例来讲，粉末钢或其它合金，本收集器可以是例如腔室、储料漏斗、或一 些其它合适的构造的容器。当该装置被用于喷射形成铸锭或其它预制件时，
收集器可以是例如心轴(mandrel)或台板(platen )，它们可以被用来转动或 平移以形成具有预定的几何形状的固态件。当该装置被用于固态件的成核铸 造时，收集器通常采用包括具有预定的铸件几何形状的空腔的模具的形式。 图1中说明的一般性的布置，即，组合了熔化组件、雾化组件、场产生 组件和收集器的装置可以被设计和操作以生产出被回收在收集器中的合金 粉末。在这种实例中，收集器可以是例如腔室、储料漏斗或其它容器。本组 合也可以被采用进行喷射成型以在收集器的表面上产生铸锭或其它固态预 制件，在这种实例中收集器可以是例如心轴或台板。本组合还可以被设计以 进行成核铸造从而在收集器中或收集器上形成固态铸件，在这种实例中收集 器可以是例如包括一个或多个侧壁的模具。
性实施例中，例如，定向组件产生一个或多个与熔融合金微粒相互作用的静 电场和/或电磁场，并在形成过程中的不同时间将熔融合金微粒定向至正在成 型中的预制件的不同区域。
另外，静电场和/或电磁场能够被用于定向熔融合金微粒至正在成型中的 预制件的区域，在那里它需要被加热或降温，因此而影响预制件的宏观结构。 在进行喷射成型或成核铸造中，例如， 一个或多个静电场和/或电^t场的形状的预制件的不同预定区域以产生近终形(near-net)预制件。通过使用场产生 组件产生一个或多个静电场和/或电^f兹场，有可能采用增强成型或铸造加工的 产率，同时也能提高(和控制)生成的预制件的密度。
因此，本发明描述了包括用以产生一个或多个静电场和/电磁场的装置的 方法和设备，用以有选择地控制例如由熔化材料产生的固态工件(预制件) 和粉末的产率、质量和密度中的一个或多个特性。在喷射成型和粉末雾化中， 利用静电场和/电磁场定向雾化材料的方法被期望提供显示增强的产率并提 供具有显著高于常规成型的预制件的密度的固态预制件。
在依据本发明的装置的 一个实施例中，场产生组件在雾化组件和收集器 之间的区域通过电气耦接收集器至高压直流电源并使雾化组件接地而产生 静电场。若在当前的装置和方法中使用电子束雾化并且雾化微粒将被充以负 电荷，则使用负极性。静电场可以与由雾化组件产生的带负电荷的熔融合金 微粒相互作用并且微粒被影响以沿静电场线的总的方向移动。这种相互作用 能够被用以控制流向收集器的熔融合金微粒的加速度、速度、方向中的一个 或多个特性。
在高压直流电源之外，在依据本发明构造的装置的特定实施例中包括的 场产生组件能够包括沿合适的方向布置在合适的位置的一个或多个电极，以 在雾化组件和收集器之间产生合适的场。电极被布置并定向以便在雾化组件 和收集器之间以需要的形状形成静电场。在一个或多个电极影响下，提供的 静电场能够具有以需要的方式引导熔融合金微粒至收集器的形状。
场产生组件也能够包括几个高压直流电源，每一个高压直流电源附接至 一个或多个在雾化组件和收集器之间的沿合适的方向、合适的位置布置的电 极，并且以与时间相关的方式影响通过雾化组件和收集器之间的场产生组件 产生的静电场的形状。采用这种方式，电子场可以被操控，以随着时间将由 熔化组件产生的熔融合金微粒合适地定向至收集器上或正在成型的预制件 上的特定区域或点。例如，包括几个电极的场产生组件和联接的电源能够被 集成到依据本发明的适于通过喷射成型产生近终型的固态件的装置中。包括 几个电极的场产生组件和联接的电源也能够被用于通过喷射成型或成核铸 造产生固态预制件，所产生的预制件相对于通过常规喷射成型或成核铸造装 置产生的预制件具有较高的密度。在这些实施例中，静电场可以在场强和/ 或形状方面变化以合适地定向熔融材料微粒至收集器中，采用的方式类似于在无场产生组件的常规喷射成型或成核铸造装置中的雾化孔口的相对粗糙 的机械光4册化运动。在依据本发明的装置的另 一个实施例中，电磁场由布置在雾化组件和收 集器之间的一个或多个磁线圈在雾化组件和收集器之间产生。磁线圈电连接 于电源，电源为磁线圈提供能量。雾化组件产生的熔融合金微粒被沿电磁场 的场线导向至收集器。优选地，一个或多个;兹线圈的位置和定向能够被调整 以定向熔融微粒至收集器或正在成型的预制件上的特定区域或点。采用这种 方式，熔融合金微粒能够被定向以在喷射成型或成核铸造期间增大预制件的 密度或甚至产生近终型形状的预制件。还是在依据本发明的装置的另 一个实施例中，几个磁线圏被布置在雾化 i且件和收集器之间。由几个磁线圏产生的电磁场影响由雾化组件产生的熔融 合金微粒的运动方向并定向该微粒至收集器上或正在成型的预制件上的特 定的预定区域或点，所述磁线圏可以是被提供能量至不同的磁场强度的单个 或几个磁线圈。通过这种布置，熔融合金微粒能够被以预定的模式导向以产 生例如具有近终型形状和/或相应高的密度的固态预制件。在特定的实施例 中，由场产生组件产生的场可以被用于提高或精细通过在常规的喷射成型和 成核铸造装置中使用可平移的雾化孔口已经实现的定向控制。在特定实施例 中，仅通过合适地操控电子场形状、方向和/或强度就可实现的基本的方向控 制能够完全替代常规喷射铸造装置中的雾化孔口的移动。依据本发明的构造的装置的特定实施例通过合适地为收集器充电解决 了过喷射的可能性。使用电子束雾化熔融流束或熔融微粒导致微粒被充以负 电荷，这是由于在雾化微粒中有过多的电子。通过合适为收集器充以与雾化 微粒极性相反的电荷，收集器将吸引微粒并从而显著减少或消除过喷射。过 喷射是常规喷射成型的未解决的缺陷，它能够显著地影响过程产率。在下面的附图中示出并在下面的文字中描述数个依据本发明构造的装 置的预示性实施例。这些预示性的实例仅是为了说明的目的，不是为限制本 发明或权利要求的范围。本发明的预期范围在权利要求中有更好的描述。图6示意性地描绘了依据本发明的适于喷射成型固态预制件的装置600 的实施例的特定部件。电子束雾化组件610产生被充以负电荷的熔融合金微 粒612。静电场614被产生在雾化组件610和收集器616之间。雾化组件610 接收熔化组件(未示出)产生的熔融合金的流束和连续熔滴中的至少一种，熔化组件在接触熔化材料的区域无陶乾。被充电的熔融合金微粒与静电场
614相互作用，静电场614使熔融合金微粒612加速流向收集器616。熔融 微粒612在收集器616的表面上形成固态预制件618。电子场对于熔融合金 微粒612的速度和/或方向的影响可以被用来减少来自预制件618的过喷射， 从而增强喷射成型加工的产率，并且相对于可能未使用这样的场产生组件的 情况，还可能提高预制件618的密度。
图7示意性地描绘了依据本发明构造的装置的其它非限制性实施例700 的特定部件。熔化组件710提供熔融合金流束和连续熔滴中的至少一种至电 子束雾化组件712，所述电子束雾化组件712产生被充电的熔融合金微粒714 的喷雾。静电场716由雾化组件712和具有合适形状的收集器718之间的场 产生组件产生。场716与充电的熔融合金孩i粒714相互作用以使微粒714加 速流向收集器718。如果收集器714保持较高的正电势，微粒714可以被在 很大程度上加速。电子场716对于充电的熔融纟鼓粒714施加的加速力和定向 控制可以被用于增大固态预制件720的密度，并且也可以被用于产生近终型 的预制件720。收集器718可以是静止的，或可以被适配以转动或另外合适 地平移。
如图7A的可选实施例所示装置700可选地可以^皮^f多改以包括用以在 两个散热电极724之间的熔融微粒714的路径上产生非平衡等离子体 (non-equilibrium plasma) 722的装置。电极724通过电解液与外部热质726 传递热量，电解液在泵730作用下经由导管728流通。散热电极724和外部 热质726之间通过电解液的热耦合使得热量能够被从熔融微粒714中除去并 传递至热质726。散热电极724之间的非平衡等离子体722可通过例如AC 辉光放电或电暈放电产生。散热电极724之间的非平衡等离子体722传递来 自熔融樣史粒714的热量至两个散热电极724,散热电极724传递热量至外部 电质726。产生非平衡等离子体并使用等离子体与被雾化的熔融合金微粒相 互传送热量的热量传递系统或装置的描述见美国专利6,772,961 B2,这里通 过参考加入它的全部说明材料。另外，产生非平衡等离子体并使用等离子体 与正在被用熔融合金铸造成型的物件相互传送热量的热量传递系统或装置 的描述见2004年12月9日申请的美国专利11/008,048，这里通过参考加入 它的全部说明材料。
图8示意性地描绘了依据本发明构造的用于喷射成型预制件的装置的另一个非限制性实施例800的特定部件。熔化组件810提供熔融合金流束和连
续熔滴中的至少一种至电子束雾化组件812，并大体上在接触熔融材料的区 域无陶瓷。熔化组件810可选地可以通过比如可选的电源822保持在较高的 负电势，以在熔融材料经过雾化组件812之前为熔化材料"预充电"负电荷， 从而减少雾化组件812雾化该材料所必需传递到熔融材料的负电荷量。这种 "预充电"特性也可以被用于这里描述的其它实施例，作为例如减少在雾化 组件中雾化材料而必须添加到熔融材料的负电荷的量。电子束雾化组件812
产生被充电的熔融合金微粒814的喷雾。电磁场816通过电磁线圈818 (如 截面所述)产生。被充电的熔融合金微粒814与场816相互作用，因而被大 体下定向至收集器820。场816对熔融微粒814施加的定向控制能够减少过 喷射，从而增加喷射成型过程的产率，另外也能够提高固态预制件822的密度。
如图8A的可选实施例中所示，非平衡等离子体842可以沿熔融合金微 粒814在两个散热电极844之间的路径产生，熔融合金微粒814与外部热质 846通过电解液进行热量传递，电解液由泵850作用而经由导管848循环。 在散热电极844和外部热质846之间保持的热量传递使得热量被从熔融合金 微粒814中去除。在散热电极844之间的非平衡等离子体842被通过例如 AC辉光放电或电暈放电产生。另外，非平衡等离子体842也从散热电极844 延伸至电接地的固态预制件822和收集器820,用以从预制件822和收集器 820除去热量。因此，在装置800中，热量被平衡等离子体842从熔融合金 微粒814、固态预制件822和收集器820中传递至散热电极844，然后被传 递到外部热质846。
图9示意性地描述了依据本发明构造的用于雾化熔融合金并形成合金粉 末的装置的另一个非限制性实施例900的特定部件。熔化组件910提供熔融 合金流束和连续熔滴中的至少一种至电子束雾化组件912。熔化组件812大 体上在接触熔融材料的区域无陶瓷，并产生被充电的熔融合金微粒914。由 磁线圈918 (截面示意)产生的电磁场916与被充电的熔融合金微粒914, 以散开微粒914并减少它们碰撞的可能性，从而阻止形成较大的熔化微粒并 既而形成更多的粉末微粒920。由磁线圏943 (截面示出)产生的第二电磁
收集器。储料漏斗944可以由盖945和盖关闭机构946遥控密封。整个粉末生产过程能够在真空中进行，以减少或消除粉末942由于与空气的化学作用 而产生的污染。可选地，如图9A中所示，装置900的可选的实施例可以被_没计使得非 平衡等离子体922可以沿熔融合金微粒914在两个散热电极924之间的路径 产生，散热电极924与外部热质926通过电解液进行热量传递，电解液由泵 930作用而经由导管928循环。散热电极924与外部热质926传递热量的布 置使得热量被从熔融微粒914中除去。如所建议的，例如，关于图9中的装置，依据本发明构造的装置的特定 实施例可以包括围绕或包含熔化组件、雾化组件、场产生组件、收集器和 工件(粉末或预制件，依赖于实施情况)的全部或一部分的腔室或类似物。 如果，例如采用非平衡等离子的热传递装置被集成进该装置，则本热传递装 置和它的相联的电极的全部或部分与非平衡等离子一样，也可以被包括进腔 室。这样的腔室能够被提供以允许调节腔室内的空气，包括腔室内现存气 体的气体种类和局部压力和/或总体气压。例如，腔室可以抽空以提供真空环 境(如这里所使用的，"真空，，指完全或局部真空)和/或可以完全或局部用 惰性气体(例如，氩和/或氮)填充，以限制正在处理的材料被氧化和/或抑 制其它不需要的化学反应，比如氮化作用。在装置的集成了腔室的一个实施 例中，腔室内的压力维持低于大气压力，比如从大约0.1到大约0.0001 torr, 或者从大约0.01到大约0.001 torr。因此，如在每一个上面的预示性实例中包括的，依据本发明的构造的装 置的实施例包括熔化组件，所述熔化组件在与熔融合金接触的区域大体上无 陶乾，从而不会在装置的操作期间污染熔融合金。每一个这样的装置还包括 用以雾化熔融材料并产生熔融合金微粒的电子束雾化组件；和在雾化组件和 收集器之间产生一个或多个电磁场和/静电场并在微粒经过雾化组件和收集 器之间的距离的全部和部分时影响微粒的加速度、速度和方向中至少一个特 性的场产生组件。可选地，该装置还包括用以产生一个几个装置，用来生成与^:粒之间传 递热量的非平衡等离子体，生成时间是在熔融合金微粒由雾化組件产生后、 而且在它们被收集成为固态工作或成为粉末之前。作为可选方案，或另外， 依据本发明的装置的实施例可以产生一个或多个非平衡等离子体以在熔融 合金被收集到或收集进收集器内后与熔融合金之间传递热量，或被应用于收集器上或在收集器内正在成型的预制件。
图10-13示意性地描绘了可以作为依据本发明构造的装置的部件被包括 的熔化组件的不同非限制性实施例。每一个这样的熔化组件实施例可以被用 于产生由自耗电极或其它自耗件产生的流束或连续熔滴中的至少一种。下面
的熔融合金的各实施例的区域无陶乾。
图10描绘了使用真空双电极重熔装置作为能产生输送至电子束雾化组
件的熔融合金的熔化组件的部件。本真空双电极重熔(VADER)技术是众 所周知的并在例如美国专利(编号4，261，412)中描述。在VADER装置中， 通过在两个熔化的自耗电极间的真空中撞击电弧产生熔融材料。VADER技 术优于常规真空电弧重熔(VAR)之处在于VADER技术可以更好地控制了 温度和熔化速率。因为VADER装置是众所周知的，这里就不再对VADER 装置及其操作方式进行详细描述。
参考图10,真空腔壁1010围绕彼此相对的自耗电极1014和雾化组件 1016。电流经过相对的自耗电极1014之间，并熔化电极以产生熔融合金熔 滴1018(或流束)。熔融合金熔滴1018从电极1014落下，进入雾化组件1016。 由雾化组件1016产生的熔融合金雾化微粒经过并受由场产生组件(未示出) 产生的一个或多个电磁场和/或静电场作用，然后经过收集器(未示出)上或 进入收集器(未示出)，下面将描述它的实例。
图11描绘了使用电子束熔化装置作为产生被输送至电子束雾化组件的 熔融合金的熔化组件。在电子束熔化时，通过高能量电子撞击原料使其熔化。 熔融产物的污染可以通过在控制的真空腔中熔化得以避免。电子束熔化的能 效胜于其他同类的过程的原因在于可以控制电子束斑在需熔化区域的停留 时间和分布。另外，电子束在枪的内部和孔口及目标材料之间的能量损失很 小。电子束熔化装置是众所周知的，因此不再对熔化装置及其操作方式作详 纟田4葛ii。
如上文所述，这里所描述的熔化装置，包括图11的熔化装置，例如可 用于保持一个高的负电势从而在负电荷于下游经过该装置的雾化组件前施 加负电荷至熔融材料。作为一个实例，图11所示的熔化装置可用于包括一 个能导电并保持较高负电势的熔化腔，熔化材料在传送到雾化组件前接触所 述熔化腔。参考图11,真空腔1110围绕熔化装置的电子束源1112、正在被熔化
的自4毛电极1114、 一个电子束雾化组件1116、和一个收集器(未示出)。电 子束撞击电极1114,加热并熔化电极以产生熔融合金熔滴1118 (或流束)。 熔滴1118从电极1114滴入雾化组件1116。由雾化组件1116产生的雾化合 金微粒经过并受由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁和/或静电场 作用，经过收集器(未示出)上或进入收集器(未示出)，下文将对此进行 举例"i兌明。
图12描绘了使用电子束冷床炉熔化装置作为产生输送至电子束雾化组 件的熔融合金的熔化组件。在一个典型的电子束冷床炉熔化技术中，第一电 子束枪熔化炉料，炉料能够具有不同的形式(例如铸锭，海绵状物，或碎 片)。熔融材料流入一个浅的水冷坩埚(冷床炉)， 一个或多个电子枪在这里 维持熔融材料的温度。冷床炉的主要功能是分离出比液体材料轻或重的夹杂 物，同时增加高熔点的较低密度微粒的保留时间，从而保证其完全熔解。所 有的操作均在真空环境中进行以确保电子枪的正确操作和避免合金被外界 环境污染。电子束冷床炉熔化技术的优势在于它能有效地去除挥发性成分 (如氯化物和氢)(真空环境造成)及冷床炉中的夹杂物。本技术对于进 料的形式方面也是可以灵活运用的。电子束冷床炉熔化装置为人们所熟知， 对本熔化装置及其操作方式作更详细的描述被认为是不必要的。
再参考图12，真空腔1210围绕熔化组件的电子束源1212和水冷的铜制 冷床炉1216、正在^皮熔化的自库毛电才及1214、电子束雾化组件1218、和收集 器(未示出)。处于流束和/或连续的熔滴形式的熔融材料1220从水冷的铜制 冷床炉1216输送到雾化组件1218。由雾化组件1218产生的雾化熔融合金微 粒经过并受由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁和/或静电场作用， 经过收集器(未示出)上或进入收集器(未示出)，下面描述了它的实例。
图13描绘了使用由产生输送到电子束雾化组件的熔融合金的电渣重熔 (ESR)装置和冷感应引导(CIG)组合而成的熔化组件。可选地，由真空 电弧重熔(VAR)和CIG组成的熔化装置可用于代替ESR/CIG组合。ESR, VAR， CIG,和包括ESR/CIG及VAR/CIG的组合的熔化组件是已知的。包 括了 ESR或VAR装置和CIG的装置的组合已经为人所熟知，并在例如美国 专利5,325,906中进行了描述。
在一个典型的ESR技术中，电流流经自耗电极和布置在精炼炉中并与电极接触的导电熔渣。从电极熔化而成的熔滴经过并通过导电熔渣精炼，然
后可以输送到下游装置。ESR装置的基本组件包括电源；电极输送装置； 水冷铜精炼炉；和熔渣。所使用的具体熔渣类型根据精炼的材料确定。VAR 过程包括通过撞击真空中的电极产生的电弧来熔化包括合金的自耗电极。 VAR过程除了能减少溶解的氮和氢外，还可以除去电弧等离子体中的很多氧 化物夹杂物。ESR和VAR技术为人们所熟知并广泛应用，对于任何特定的 电极类型和规格预定的操作参数，本领域中普通技术人员可以很容易地确 定。因此，不需要再进行关于ESR和VAR装置的组建方式或操作模式、或 用于特定材料的具体操作参数和/或电极类型和规格的进一步详细讨论。
在ESR/CIG和VAR/CIG组合中，CIG (另外也被不同地称为"冷指" 或"冷感应引导")能够在材料从VAR或ESR装置向下游通过雾化組件时 保持熔融材料在熔融。CIG也确保熔融材:扦与大气的隔绝。CIG优选地直接 上游耦接于ESR或VAR装置并下游耦接至雾化组件，使得能够更好地使精 炼的熔融材料与大气隔离，防止氧化物内部形成和污染熔融材料。特定的已 知CIG设计也可用于控制熔融材料从ESR或VAR装置到下游雾化组件的输 送。
CIG的组建和使用方式是已知的，例如在美国专利(专利号5,272,718、 5,310,165、 5,348,566以及5,769,151 )中就有描述。CIG通常包括接收熔融 材料的熔化物容器。熔化物容器包括在其中形成有小孔的底壁。CIG的传 递区域配置有通道(例如可能是大致漏斗形状)结构来接收从熔化物容器小 孔出来的熔融材料。在一个CIG的常规设计中，漏斗形状通道的壁由几个液 冷金属段构成，并且这些液冷段构成通道的内部轮廓，所述内部轮廓的横截 面面积可以总体上从该区域的入口端向开口端减小。 一个或多个导电线圈与 漏斗形通道的壁联接，电流源可选地连接于导电线圈。在熔融精炼材料穿过 CIG的通道流出CIG的熔化物容器时，电流流过导电线圈，其强度足以感应 加热熔融材料并保持其在熔融形式。部分熔融材料接触CIG的漏斗形通道的 冷却壁并可以固结形成硬壳，使流过CIG的剩余熔化物无法接触到壁。壁的 冷却和硬壳的形成确保熔化物不被形成CIG内壁的金属或其它组分所污染。 如本4支术领i或已知的和在例如美国专利5,649,992中7>开的，在CIG漏斗形 部分的区域的硬壳的厚度可以通过适当地调整冷却剂温度、冷却剂流率、和/ 或导电线圈中的电流强度而被控制，以控制或完全关闭熔化物穿过CIG的流动；随着硬壳厚度增加，经过传递区的流动相应减少。
尽管CIG装置可以以不同的方式提供，每一个通常包括(l)利用重力 引导熔化物的通道；(2 )位于壁的至少一个区域用以促进在壁上的硬壳的形 成的冷却装置；和(3)联接于通道的至少一部分的导电线圈，用以感应加 热通道内的熔化材料。具有本领域普通技术的人员可以轻松提供适当地设计 的具有其中一个或全部上迷三个特性的CIG用于依据本发明构造的装置中， 这里不再进一步讨论。设定这些装置在技术文献中已经众所周知和已经描 述，这里认为不必要进行更为详细的描述。
再参考图13，真空腔1310围绕ESR/CIG熔化组件、电子束雾化组件 1312、和收集器(未示出)。ESR/CIG熔化源包括由预定的合金制成的自 诔毛电才及1314;和水冷铜4f锅1316。净皮加热的熔渣1318用以炫4匕电才及1314 以形成熔融合金池1320。来自熔融池1320的熔融合金以熔融流束和/或连续 的熔滴1322的形式流过CIG孔口 1324,并流到雾化组件1312。雾化组件 1312产生的雾化熔融合金微粒穿过并受由场产生组件(未示出)产生的一个 或多个电磁场和/或静电场的作用，并经过收集器上或进入收集器(未示出)， 关于它的实例在下面描述。
图14-17描绘了可以在依据本发明构造的装置和方法的不同非限制性实 施例中用以收集固态雾化材料的方法的几个非限制性实例。
图14示意性地描绘了正被收集到收集器的底部的雾化粉末，本收集器 是简单的腔室。真空腔1410围绕电子束雾化组件1412。由可以是例如以上 讨论的不同熔化组件的中的一个的熔化组件(未示出)产生的熔融的连续的 熔滴1414流进雾化组件1412。雾化组件1412产生雾化熔融合金樣i粒1416, 微粒1416穿过由场产生组件的电磁线圏1417 (示出截面)产生的电磁场和/ 或静电场1413,并与其相互作用，受其影响。线圈1417被放置以在雾化组 件1412下游的区域1418中产生场。雾化熔融材料1416被收集在腔室1412 的底部，成为粉末。
图15示意性地描绘了从使用依据本发明构造的装置的实施例进行电子 束雾化而产生的雾化熔融合金喷射形成的固态铸锭的生产。真空腔1510围 绕熔化组件(未示出)和电子束雾化组件1512。熔化组件可以是例如上面描 述的不同熔化组件中的一个。由熔化组件(未示出)产生的熔融合金1514 的熔滴流进雾化组件1512。熔融合金1514的熔滴在雾化组件1512内被雾化以形成雾化熔融合金微粒1516的喷雾。雾化熔融合金微粒1516穿过由场产生组件的台板1218产生的一个或多个电;兹场和/或静电场(未示出)，并与其 相互作用，受到它的影响。台板1518被穿过腔室1510的壁的线1512连接 至电源(未示出)。雾化熔融合金微粒1516在由场产生组件产生的场的影响 下被定向到转动的收集台板1524上，以形成固态预制件1525。旋转的收集 台板1524能够大体上与雾化组件相距恒定距离并以保持沉积界面的速率向 下退回。为增大产率和提高沉积密度，收集台板1524可以通过由穿过腔室 1519的线1526连接至电源(未示出)而被充电至高的正电势。图16示意性地描绘了依据本发明的装置的实施例，其中，雾化合金粉 末被收集进罐或其它布置在该装置的第一腔室中的合适的容器。填充的容器 被传递进更小的腔室，而不会破坏围绕该装置的某些或全部部件的真空腔中 的真空环境。在更小的腔室中，在对容器和它里面的粉末内含物进行热加工 之前可以焊接一盖至容器以产生固结的固态物件。真空腔1610围绕熔化组 件(未示出)和电子束雾化组件1612。熔化组件可以是例如上面描述的不同 熔化组件中的一个。由熔化组件(未示出)产生的熔融合金1614的连续的 熔滴流进雾化组件1612。熔融合金1614的熔滴在雾化组件1612内被雾化以 形成熔融合金微粒1616。熔融合金微粒1616流过由场产生组件的电磁线圈 1620 (示出截面)产生的一个或多个电-兹场和/或静电场1618,并与其相互 作用，受它的影响。雾化熔融微粒1616在电子场1618的影响下^皮导入采用 容器1621的形式的收集器中。当容器1621被充分地充满粉末状雾化熔融材 料1616时，它被传递进入腔室1626,然后被真空锁1628密封。盖然后可被 固定到充满的容器1621 ，容器1621可以通过第二真空锁1630被释放到大气 中，用于依据已知技术进行热机加工处理。可选地，图16的装置包括用 于从熔融合金微粒1616中除去热量的热传递装置，比如上面总体上描述的。 另外，可选地，容器1621由线1622电连接于电源1624并保持为正电势， 同时被充以负电荷的熔融微粒1616被收集进容器1621。线1622在容器1621 移动进入腔室1626之前被遥控与容器断开。图17示意性地描绘了依据本发明构造的装置1700的非限制性实施例， 其中，通过成核铸造由电子束雾化产生的雾化熔融合金在模具中产生铸件。 真空腔1710围绕各部件，部件包括熔化组件(未示出)；和电子束雾化组 件1712。熔化组件可以是例如上面讨论的各个熔化组件中的一个。由熔化组件产生的熔融合金1714的连续熔滴进入雾化组件1712。熔融合金1714的熔 滴在雾化组件1712中被雾化以形成雾化熔融合金微粒1716的喷雾。雾化熔 融合金微粒1716经过由场产生组件的电激励线圈1720 (示出截面)产生的 一个或多个电磁场和/或静电场1718,并与其相互作用，受它的影响。雾化 熔融材料1716在由场产生组件产生的场1718的作用下被导入模具1724,并 且最终形成的固态铸件1730通过向下移动模基(未示出)被从模具1724中 取出。可选地，模基可以用合适的方式旋转或者平移。
在图17A中示出的装置1700的可替换的非限制性实施中，电源1732 被提供并建立电势差以形成从电极1734发射的非平衡等离子体。热量被等 离子体从固态铸锭1730的表面传导至电极1734,电极1734被循环流过热交 换器1736和电极1734的电解液冷却。
使用上面描述的各个特性，本领域的普通技术人员容易清楚前述的预示 性实施例能够如所提供的那样实现。而且，前述实施例可以被修改以组合这 里描述的不同部件并提供依据本发明的装置和方法的其它的实施例。
因此，本发明的特定方面包括这样的一种装置，它包括在与熔融合金 接触的区域大体上无陶瓷的熔化组件、电子束雾化组件、场产生组件和收集 器。
尽管前面的描述已经必要地只提出了有限数目的实施例，相关领域的普
置和方法及其它细节进行各种变化，并且所有这些修改将不脱离在这里和权 利要求中表述的本发明的原则和范围。另外，本领域技术人员将明白在不偏 离总的发明构思的情况下可以对上面的实施例进行变化。因而可以明白，本 发明并不限定于特定的所公开的实施例，但它包括在本发明的原则和范围内 的修改，范围定义见权利要求。
权利要求
1、 一种装置，包括适于产生熔融合金的流束和熔融合金的连续熔滴中的至少 一种的熔化 组件，其中，所述熔化组件在接触熔融合金的区域大体上无陶f;;产生电子并将电子撞击在从所述熔化組件产生的熔融合金上以雾化熔 融合金并产生熔融合金微粒的雾化组件；收集器；和在所述雾化组件和所述收集器之间产生静电场和电磁场中的至少一个 的场产生组件，其中，场与熔融合金微粒相互作用并影响熔融合金微粒的加 速度、速度和方向中的至少一个特性。
2、 如权利要求l所述的装置，其中，所述熔化组件是无陶瓷熔化装置。
3、 如权利要求1所述的装置，其中，所述熔化组件选自真空双电极 重熔装置；组合电渣重熔装置和冷感应引导件的装置；电子束熔化装置；和 电子束冷床炉熔化装置。
4、 如权利要求1所述的装置，其中，所述熔化组件适于施加负电荷至 熔融材料。
5、 如权利要求4所述的装置，其中，至少熔化组件的与熔融材料接触 的部分被维持在负电势，从而施加负电荷至熔融材料。
6、 如权利要求1所述的装置，其中，邻近位于雾化组件上游的熔化组 件的出口布置的带电构件在熔融材料中感应出负电荷。
7、 如权利要求6所述的装置，其中，所述构件为环形或台板形中的一种。
8、 如权利要求1所述的装置，其中，收集器为表面、台板、心轴、模 具、腔室和罐中的一种。
9、 如权利要求1所述的装置，其中，场产生组件包括至少一个高压直 流电源，并且所述至少 一个高压直流电源的正极和负极中的 一个被电连接于 雾化组件，而收集器被电接地。
10、 如权利要求l所述的装置，其中，场产生组件包括至少一个高压直 流电源，并且所述至少 一个高压直流电源的正极和负极中的 一个被电连接于 收集器，而雾化组件被电接地。
11、 如权利要求l所述的装置，其中，场产生组件包括电连接于电源的 至少一个磁线圏，并且所述线圏被布置在雾化装置和收集器之间并产生电磁场。
12、 如权利要求l所述的装置，其中，所述装置形成合金粉末件。
13、 如权利要求l所述的装置，其中，所述装置形成固态预制件。
14、 如权利要求13所述的装置，其中，所述装置通过喷射成型和成核 铸造中的 一 种方式形成固态预制件。
15、 如权利要求l所述的装置，其中还包括围绕所述熔化组件、雾化组件、收集器、和场产生组件的至少一部分的 腔；和向所述腔提供真空的真空装置。
16、 如权利要求l所述的装置，其中，所述收集器被保持在地电势和正 电势中的一种，从而吸引由雾化组件产生的带负电荷的熔融合金微粒。
17、 一种装置，包括提供熔融合金的流束和熔融合金的连续熔滴中的至少一种的熔化装置， 其中，熔化装置在接触所述熔融合金的区域大体上无陶瓷；产生电子并将电子撞击在从所述熔化组件产生的熔融合金上以雾化熔 融合金并产生熔融合金微粒的雾化组件；和在所述雾化装置下游产生静电场和电磁场中的至少一种的场产生装置， 其中，场与相互作用并影响熔融合金微粒。
18、 如权利要求17所述的装置，其中，熔化装置包括真空双电极重熔 装置、组合电渣重熔装置和冷感应引导件的装置、电子束熔化装置和电子束 冷床炉熔化装置中的至少 一种。
19、 如权利要求17所述的装置，其中，由场产生装置产生的场影响熔 融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少 一种特性。
20、 如权利要求17所述的装置，其中还包括雾化装置下游的收集器， 其中场产生装置包括至少一个高压直流电源，所述至少一个高压直流电源的 正极和负极中的一个被电连接于雾化组件和收集器中的一个，而雾化组件和 收集器中的另 一个被电接地。
21、 如权利要求17所述的装置，其中，场产生组件包括电连接于电源 的至少 一个石兹线圈，并且所述磁线圏被布置在雾化装置下游并产生电；兹场。
22、 如权利要求17所述的装置，其中还包括收集器，所述雾化装置
23、 如权利要求22所述的装置，其中，收集器为表面、台板、心轴、 模具、腔室和罐之中的一种。
24、 如权利要求22所述的装置，其中，所述收集器^皮保持在地电势和 正电势中的一种，从而吸引由雾化装置产生的带负电荷的熔融合金微粒。
25、 如权利要求17所述的装置，其中
26、 如权利要求17所述的装置，其中
27、 如权利要求17所述的装置，其中 铸造中的一种方式形成固态预制件。
28、 如权利要求17所述的装置，其中 至熔化材料。
29、 如权利要求l所述的装置，其中还包括围绕熔化组件、雾化组件、收集器和场产生组件中的至少一部分的腔；和向所述腔提供真空的真空装置。
30、 一种装置，包括提供熔融合金的流束和熔融合金的连续熔滴中的至少一种的熔化装置， 其中，熔化装置在接触所述熔融合金的区域大体上无陶瓷；产生电子并将电子撞击在从所述熔化组件产生的熔融合金上以雾化熔 融合金并产生熔融合金微粒的雾化组件；接收一个或多个熔融合金微粒的收集器；至少一个电线圏或板，在所述雾化组件和所述收集器之间的区域建立起 影响熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一个特性的电磁场。
31、 如权利要求30所述的装置，其中，熔化装置包括真空双电极重熔 装置、组合电渣重熔装置和冷感应引导件的装置、电子束熔化装置、和电子 束冷床炉熔化装置中的至少 一种。
32、 如权利要求30所述的装置，其中，所述熔化装置施加负电荷至熔 化合金。
33、 如权利要求30所述的装置，其中还包括围绕熔化组件、雾化組件、至少一个电线圈或板、和收集器的至少一部所述装置形成粉末件。 所述装置形成固态预制件。 ，所述装置通过喷射成型和成核,所述熔化装置适于施加负电荷分的腔；和向所述腔提供真空的真空装置。
34、 一种形成粉末预制件和固态预制件的方法，所述方法包括 在熔化组件中产生熔融合金流束和熔融合金的连续熔滴中的一种，其中通过将电子撞击在从所迷熔化组件产生的熔融合金上以雾化合金并产 生熔融合金微粒而生成熔融合金微粒；产生静电场和电磁场中的至少一种，其中熔融合金的微粒与所述场相互 作用并受其影响；和收集熔融合金微粒使其成为粉末和固态预制件中的 一种。
35、 如权利要求34所述的方法，其中，产生熔融合金流束和熔融合金 的连续熔滴中的至少一种的步骤包括使用真空双电极重熔装置、组合电渣重 熔装置和冷感应引导件的装置、电子束熔化装置、和电子束冷床炉熔化装置 中的至少一种装置来熔化材料。
36、 如权利要求34所述的方法，其中，在将电子撞击在所述熔融合金 上之前，在熔融合金中感生负电荷。
37、 如权利要求34所述的方法，其中，所述熔融合金微粒与所述场相 互作用并受其影响，使得熔融合金微粒的加速度、速度和方法中的至少一种 特性被以预定方式影响。
38、 如权利要求34所述的方法，其中，所述场由包括至少一个高压直 流电源的装置产生，并且所述至少一个高压直流电源的正极和负极的一个被 电连接于所述雾化组件和收集器中的一个，而所述雾化组件和收集器中的另 外一个被电接地。
39、 如权利要求34所述的方法，其中，所述场由产生电i兹场的至少一 个磁线圈产生，并且所述熔融合金微粒穿过所述至少一个磁线圈。
40、 如权利要求34所述的方法，其中，收集所述熔融合金微粒的步骤 包括收集所述微粒到表面、台板、心轴、模具、腔和罐中的一个上或其中。
41、 如权利要求34所述的方法，其中，收集所述熔融合金微粒的步骤 包括保持收集器在地电势和正电势中的一个，从而吸引通过将电子撞击在 所述熔融合金上而形成的带负电荷的熔融合金微粒。
42、 如权利要求34所述的方法，其中，所述方法形成粉末件和固态件中的一种。
43、 如权利要求34所述的方法，其中，所述方法包括喷射成型和成核 铸造中的 一种并产生固态预制件作为产品。
44、 一种装置，包括适于产生熔融合金的流束和熔融合金的连续的熔滴中的至少 一种的炫 化组件，其中，熔化组件被用于在熔融合金中感应出负电荷；和产生电子并将电子撞击在从所述熔化组件产生的熔融合金上以雾化熔 融合金并产生熔融合金微粒的雾化组件。
45、 如权利要求44所述的装置，其中，所述熔化组件在熔融合金接触 的熔化组件区域大体上无陶瓷。
46、 一种雾化合金的方法，所述方法包括在熔化组件中产生熔融合金的流束和熔融合金的连续熔滴中的至少一 种，其中，熔化组件在熔融合金中感应出负电荷；和通过将电子撞击在从熔化组件产生熔融合金上以雾化熔融合金并产生 熔融合金微粒从而生成炫融合金微粒。
47、 如权利要求46所述的方法，其中，在将电子撞击在熔融合金上之 前，在熔融合金中感应出负电荷。
全文摘要
一种用于形成合金粉末或预制件的装置的非限制性实施例，包括熔化组件、雾化组件、场产生组件和收集器。熔化组件形成熔融合金流束和熔融合金的连续熔滴中的至少一种，并可以在与熔融合金接触的区域大体没有陶瓷。雾化组件产生电子并将电子撞击在来自熔化组件中的熔融合金上，从而产生熔融合金微粒。场产生组件在雾化组件和收集器之间产生静电场和电磁场中的至少一个场。熔融合金微粒与至少一个场相互作用，这影响熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一个特性。另外，还公开了相关的方法。
文档编号B01J2/02GK101312799SQ200680043734
公开日2008年11月26日 申请日期2006年4月24日 优先权日2005年9月22日
发明者理查德·L·肯尼迪, 罗宾·M·福布斯琼斯 申请人:Ati资产公司