生产金属粉末的装置和方法与流程

本发明的是生产金属粉末，特别是用于增材制造方法的金属粉末。

背景技术：

1、增材制造方法的技术进步使生产具有复杂几何形状和性能优化设计的金属部件成为可能。这些方法可以生产出与传统方法(通过铸造或锻造)生产的部件具有相同机械性能的部件，同时仅在需要时“添加材料”，从而优化这些部件的质量。这代表了运输业(如航空业)的一个重大挑战，以减少燃料消耗和二氧化碳排放。

2、增材制造方法包括使用大量微米大小的金属粉末，颗粒尺寸分布在5μm至150μm之间，由各种合金制成，如钛基合、铝基合、镍基合、铜基合或铁基合金。这些方法提供了很大的设计自由度，但同时需要高水平的粉末质量。例如，形成粉末的颗粒的质量标准为：

3、-颗粒的球形度，通常大于0.9，完美的球形值为1；

4、-没有附着在颗粒表面的小颗粒，称为“卫星颗粒(satellite)”；

5、-粒度分布，介于5μm和150μm之间，更具体地说是10μm和63μm之间；

6、-粒度分布的中值，通常表示为d50，特别是在不同批次之间保持不变；

7、-颗粒的化学组成，其应随着时间的推移而稳定；

8、-颗粒的化学组成包括低含量的化合物，这些化合物可能会在增材制造产生的部件中产生不需要的化合物或相，例如氮、碳、氧甚至氢。

9、专利us6398125涉及一种用于生产金属粉末的两步法，包括第一步用线弧型热喷涂装置进行加热和喷涂，然后在第二腔室进行第二步雾化，其中可以采用包括反应性元素的气体混合物。然而，通过这种方法制造的颗粒是纳米级的，太小而无法在增材制造方法中实施。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种制造金属粉末的方法来解决前面讨论的问题，该方法满足增材制造方法所期望的质量标准，特别是能够获得物理和化学性质可控且可重现的颗粒。

2、本发明涉及一种由第一材料和第二材料制造粉末的方法，该方法包括：

3、-通过电弧熔化第一材料和第二材料的步骤；

4、-喷射熔化的第一材料和第二材料以形成液滴的步骤；

5、-通过载气冷却液滴以形成固体颗粒的步骤；

6、-在冷却步骤期间实施的用活性物质富集液滴和/或颗粒的步骤；和

7、-从载气中分离固体颗粒并收集固体颗粒以形成粉末的步骤。

8、冷却步骤使液滴球化并凝固成颗粒。由于熔融金属表面的表面张力以及与制造装置中存在的载气的相互作用，液滴呈球形。运载液滴和颗粒的载气限制了正在形成的颗粒与其他颗粒、其他液滴或制造装置的壁的相互作用。这限制了聚集体的形成或卫星颗粒对粉末颗粒的粘附。因此，该方法能够获得增材制造方法所预期的颗粒球形度和可重现的粒度分布。凭借富集步骤，控制了颗粒的化学组成。

9、除了前面段落中刚刚讨论的特征外，该方法可以具有以下一个或多个附加特征，单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑。

10、优选地，活性物质包括：

11、-至少一种惰性气体；和

12、-至少一种活性化合物，其包含至少一种下列原子：氧、氮、碳或氢；

13、每种活性化合物呈气相、液相或固相，每种活性化合物的含量在5ppm至20000ppm之间。甚至更优选地，每种活性化合物的含量在5ppm和1000ppm之间。例如，每种活性化合物可以是一氧化碳或甲烷。

14、有利地，活性物质的至少一种活性化合物处于液相。

15、有利地，活性物质的至少一种活性化合物处于固相。

16、优选地，富集步骤在喷射和冷却步骤期间实施。

17、优选地，富集步骤之前是离子化活性物质的步骤。

18、优选地，除了载气之外，冷却步骤还通过冷却气体进行。

19、优选地，对于载气，冷却步骤通过气体缓冲区进行。在气体缓冲区内，液滴和/或颗粒被减慢以限制颗粒与装置壁的相互作用。

20、优选地，气体缓冲区的温度保持在400℃以下。甚至更优选地，气体缓冲区的温度保持低于或等于100℃。

21、优选地，冷却混合物在低于50℃的温度下注入。甚至更优选地，冷却气体在30℃或更低的温度下注入。

22、优选地，所述制造方法按顺序进行。甚至更优选地，序列由冷却气体缓冲区的时间隔开。

23、优选地，气体缓冲区包括高密度气体，例如氩气。优选地，在标准温度和压力条件下比较密度。

24、优选地，气体缓冲区内的气体速度小于1m/s。

25、优选地，方法步骤由制造装置实施，所述方法包括通过惰性气体使制造装置惰化的步骤，用于吹扫制造装置，在惰性化步骤之后触发熔化步骤。

26、有利地，收集步骤之后是使颗粒钝化的步骤。

27、有利地，第一材料和第二材料是导电的。

28、有利地，每种材料是纯金属或合金。

29、根据该方法的第一替代方案，当粉末的最高温度低于阈值温度时触发钝化步骤。阈值温度例如为40℃。

30、根据该方法的第二替代方案，在设定的等待时间之后触发钝化步骤。

31、根据该方法的第三替代方案，钝化步骤的持续时间根据粉末的温度来控制。

32、根据该方法的第四替代方案，设置钝化步骤的持续时间。

33、有利地，至少一种材料包括试剂。选择试剂以在喷涂步骤期间为材料提供物理化学特性。物理化学特性例如是流动性、氧含量、氮含量或其与钝化气体的亲和力。甚至更有利地，该试剂是α源的、β源的或γ源的，并且允许改变颗粒的冶金相。

34、本发明还涉及一种用于从第一材料和第二材料制造粉末的装置，被配置为执行包括前述任一特征的制造方法，该制造装置包括：

35、-喷射装置；

36、-雾化室；

37、-第一收集装置；和

38、-排气装置，连接到雾化室以产生气体缓冲区。

39、进入雾化室的液滴速度很高，接近超音速。在冷却过程中，冷却的液滴和颗粒在与制造装置的壁接触之前会被气体缓冲区减慢速度，从而使颗粒保持不变形。凭借气体缓冲区，颗粒保持高球形度。

40、除了前面段落中刚刚讨论的特性外，装置可以具有以下一个或多个附加特性，单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑。

41、有利地，雾化室是竖直定向的。

42、有利地，喷射装置竖直定向并且向下引导。

43、有利地，雾化室包括直径大于或等于500mm且高度在直径的三倍和六倍之间的圆柱形部分。

44、优选地，排气装置在距离喷雾室的最低点大于500mm的高度处连接到喷雾室。

45、优选地，热调节系统安装在喷雾室的壁上。热调节系统可以实现传热流体循环。

46、优选地，喷涂装置包括配置成在第一材料和第二材料之间产生电弧的焊丝电弧炬。

47、优选地，制造装置包括连接到排气装置的气体/颗粒分离系统，该气体/颗粒分离系统包括连接到第二收集装置的出口。

48、有利地，气体/颗粒分离系统是旋风分离器。

49、本发明还涉及一种活性物质，包括：

50、-至少一种惰性气体；和

51、-至少一种来自氧气、氮气、一氧化碳、氢气或甲烷的气相活性化合物；

52、每种活性化合物的含量在5ppm和20,000ppm之间，优选在5ppm和1000ppm之间。

53、有利地，活性物质的至少一种活性化合物处于液相。

54、有利地，活性物质的至少一种活性化合物处于固相。

55、通过阅读以下描述和检查附图，将更好地理解本发明及其各种应用。