CN103747898B - 用于由雾化金属和合金形成产品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于由雾化金属和合金形成产品的方法、系统和设备。产生了熔融合金流束和/或熔融合金连续熔滴。通过使电子撞击在所述熔融合金流束和/或所述熔融合金连续熔滴上来雾化所述熔融合金以产生所述熔融合金的带电颗粒。所述带电的熔融合金颗粒通过静电场和电磁场中的至少一个来加速。所述加速的熔融合金颗粒被冷却至小于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化。所述固体合金颗粒被冲击到衬底上，并且所述冲击颗粒变形且冶金接合到所述衬底上以产生固体合金预制件。

Description

用于由雾化金属和合金形成产品的方法和设备
技术领域
本公开涉及熔化、雾化以及处理金属和合金，并且涉及使用雾化金属和合金形成金属和合金产品。
背景
金属和合金(例如像铁、镍、钛、钴以及基于这些金属的合金)通常用于关键工程应用中，其中细晶粒显微结构、均质性和/或基本上无缺陷的组合物是有利的或必要的。金属和合金铸件及铸锭中的问题(如不希望的晶粒生长和偏析)可能对最终应用有害并且可显著地增加与高质量合金生产相关联的成本。常规的合金生产技术(如真空感应熔化、电渣精炼和真空电弧再熔)可用于减少合金铸件中杂质和污染物的量。然而，在各种情况下，常规的铸造和锻造合金生产方法无法用于生产各种关键工程应用所需的合金，所述合金具有细晶粒显微结构、均质性和/或基本上无缺陷的组合物。
粉末冶金方法可允许生产具有细晶粒显微结构的金属和合金，这无法通过铸造和锻造合金生产方法实现。然而，粉末冶金方法比铸造和锻造合金生产方法更复杂并且可生产具有相对高水平的空隙和孔隙度的金属和合金。粉末冶金方法还有可能在为了形成产品而对粉末原料的生产、装运和处理期间将杂质和污染物引入金属和合金产品中。
概述
在非限制性实施方案中，一种根据本公开的方法包括产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种。通过使电子撞击在熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化熔融合金来产生熔融合金的带电颗粒。带电的熔融合金颗粒通过静电场和电磁场中的至少一个来加速。熔融合金颗粒被冷却至小于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化。固体合金颗粒冲击到衬底上，其中冲击颗粒变形且冶金接合到所述衬底上以产生固体合金预制件。
应理解，本说明书中所公开和描述的本发明并不限于本概述中总结的实施方案。
附图简述
本说明书中所公开和描述的非限制性和非穷举性实施方案的各种特征和特性可通过参照附图得到更好的理解，在附图中：
图1是合金处理系统的示意性图示；
图2是雾化组件的示意图，其中在穿过所述雾化组件的熔融合金的通路中产生大致矩形形状的电子场；
图3是雾化组件的示意图，其中光栅设备在穿过所述雾化组件的熔融合金的通路中产生电子场；
图4是雾化组件的示意图，其中用于在穿过所述雾化组件的熔融合金的通路中产生电子场的电子从细丝的外表面产生；
图5是电子束雾化组件中的熔融合金熔滴的雾化的示意图；
图6、图7、图7A、图8、图8A、图9和图9A是被构造来通过固体喷雾成形方法形成合金预制件的系统和设备的示意图；
图10至图13是产生熔融合金的熔化组件的示意图；
图14至图17和图17A是被构造来通过固体喷雾成形方法形成合金预制件的系统和设备的示意图；
图18是固体喷雾成形方法的流程图；
图19A至图19F是共同示出实施固体喷雾成形方法的固体喷雾成形系统的示意图；
图20是金属丝放电离子等离子体发射体的各种部件的示意图；
图21是包括多个金属丝放电离子等离子体发射体的电子束冷炉床熔化组件的示意图；
图22是金属丝放电离子等离子体发射体的各种部件的示意图；
图23是包括一个金属丝放电离子等离子体发射体的电子束熔化设备的示意图；
图24是金属丝放电离子等离子体发射体的透视图；
图25是示出图24中所示的金属丝放电离子等离子体发射体的操作的示意图；以及
图26是包括多个金属丝放电离子等离子体发射体的电子束冷炉床熔化组件的示意图。
读者在考虑下文根据本公开的各种非限制性和非穷举性实施方案的详细描述后将理解前述细节和其它。
描述
在本说明书中描述和示出各种实施方案来整体理解所公开的方法和产品的结构、功能、操作、制造以及使用。应理解，本说明书中所描述和示出的各种实施方案是非限制性的和非穷举性的。因此，本发明并不受本说明书中所公开的各种非限制性和非穷举性实施方案的描述的限制。而是，本发明仅由所附权利要求书定义。联系各种实施方案所示出和/或描述的特征和特性可与其它实施方案的特征和特性结合。此类修改和变化意在包括在本说明书的范围内。这样，所附权利要求书可被修改以列出在本说明书中明确或固有地描述的、或以其它方式得到本说明书明确或固有地支持的任意特征或特性。进一步来说，申请人保留修改权利要求的权利，以确认放弃现有技术中可能存在的特征或特性。因此，任何此类修改都符合美国法典第35篇112条第1段和美国法典第35篇132条(a)款的要求。本说明书中所公开和描述的各种实施方案可包括如本文所不同地描述的特征和特性、由所述特征和特性组成或基本上由所述特征和特性组成。
本文识别的任何专利、出版物或其它公开的全部内容以引用的方式并入本说明书中，除非另有说明，但仅仅达到并入的材料不与现有定义、表述或本说明书明确阐述的其它公开材料冲突的程度。这样并且在必要的程度上，本说明中所阐述的明确公开取代通过引用并入本文的任何冲突材料。任何材料或其一部分(据说通过引用并入本说明书中，但与现有定义、表述或本文所阐述的其它公开材料冲突)仅仅在并入的材料与现有的公开材料之间无冲突发生的程度上并入。申请人保留修改本说明书的权利，以明确列出通过引用并入本文的任何主题或其一部分。
贯穿本说明书中对“各种非限制性实施方案”等的引用意味着在一个实施方案中可包括特定的特征或特性。因此，短语“在各种非限制性实施方案中”等在本说明书中的使用不一定是指一个共用的实施方案，但可指不同的实施方案。进一步来说，特定的特征或特性可以任何合适的方式结合在一个或多个实施方案中。因此，联系各种实施方案所示出或描述的特定特征可与一个或多个其它实施方案的特征或特性全部或部分地结合而未加限制。此类修改和变化意在包括在本说明书的范围内。
在本说明书中，除非另外说明，否则所有数值参数都将被理解为在所有情况下由术语“约”作为前缀并进行修饰，其中数值参数拥有基本测量技术的固有的变异性特性，所述基本测量技术用于确定参数的数值。至少并且不作为限制权利要求的范围的等效的教义应用的尝试，本说明书中所描述的每个数值参数应至少按照所报告的显著数字的数目并通过应用一般舍入技术来解释。
同样，本说明书中所列出的任何数值范围都意在包括归入在所列出范围内的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”的范围意在包括在1.0的所列出最小值与10.0的所列出最大值之间(且包括所述值)的所有子范围，也就是说，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值(例如像2.4至7.6)。本说明书中所列出的任何最大数值限制意在包括归入其中的所有较低的数值限制并且本说明书中所列出的任何最小数值限制意在包括归入其中的所有较高的数值限制。因此，申请人保留修改本说明书(包括权利要求书)的权利，以明确列出归入本文所明确列出的范围内的任何子范围。所有此类范围意在在本说明书中固有地进行描述，以使得为明确列出任何此类子范围而进行的修改符合美国法典第35篇112条第1段和美国法典第35篇132条(a)款的要求。
本说明书中所使用的语法冠词“一个/一(one/a/an)”和“所述(the)”意在包括“至少一个”或“一个或多个”，除非另外说明。因此，在本说明书中使用所述冠词来指代一个或超过一个(即，“至少一个”)冠词的语法宾语。通过举例，“一个部件”指一个或多个部件，因此可能在所述实施方案的实施方式中考虑且采用或使用超过一个部件。进一步来说，单数的使用包括复数，且复数的使用包括单数，除非使用环境另有要求。
在各种关键应用中，在缺乏显著偏析的大直径铸锭的形成中，部件必须由合金(例如像镍基超合金)制成。此类铸锭应大致无正偏析和负偏析。“斑点”是正偏析的常见表现并且作为富含溶质元素的黑暗蚀刻区域是金相学可观察的。斑点由于富含溶质的枝晶间液体在固化期间，在铸锭的糊状区中的流动而引起。与整体合金基质相比，(例如)合金718中的斑点富含铌，具有高密度的碳化物，且通常含有莱夫斯相。这样，斑点在将用于关键应用中的合金中是尤其不利的。
“白斑”是负偏析的常见类型。白斑作为耗尽硬化剂溶质元素(如铌)的光蚀刻区域是金相学可观察的。白斑通常分类为枝晶白斑、离散白斑和固化白斑。虽然可能在某种程度上允许存在枝晶白斑和固化白斑，但离散白斑获得主要关注，因为它们与可作为铸造合金物件中的裂缝引发部位的氧化物和氮化物的簇频繁地相关联。
大致缺乏正偏析和负偏析并且也没有斑点的铸锭和预制件可称为“优质”铸锭和预制件。优质镍基超合金铸锭和预制件是各种关键应用中所需要的，包括(例如)航空或陆基发电涡轮机及其它应用中的旋转部件，其中偏析相关的冶金缺陷可能引起所述部件在操作期间的毁灭性失效。如本文所使用，当正偏析和负偏析完全不存在或仅在不会使得铸锭或预制件不适合用在关键应用中(如用于制成旋转部件以用于航空和陆基涡轮机应用)的程度上存在时，铸锭或预制件“大致缺乏”此类偏析。
在铸造期间经受显著正偏析和负偏析的镍基超合金包括(例如)合金718(UNSN07718)和合金706(UNSN09706)。为了使得铸造这些用于关键应用的合金时的偏析最小化，并且为了更好地确保铸造合金无有害的非金属夹杂物，熔融金属材料在最终进行铸造前适当地精炼。一种用于精炼合金718以及其它各种易偏析镍基超合金(如合金706)的技术为“三重熔化”技术，所述三重熔化技术将真空感应熔化(VIM)、电渣精炼/再熔(ESR)以及真空电弧再熔(VAR)连续地结合。然而，这些易偏析材料的优质铸锭很难通过VAR熔融以大直径产生，所述VAR熔化是三重熔化工序中的最后一步。在一些情况下，大直径铸锭被制成单个部件，在所述情况下，VAR铸锭中的不可接受的偏析区域无法在部件制造之前选择性地移除。因此，整个铸锭或铸锭的一部分可能需要报废。
各种新兴应用越来越需要合金718、合金706以及其它镍基超合金(如合金600(UNSN06600)、合金625(UNSN06625)、合金720和(UNSN07001))的较大重量且相应地较大直径的铸锭。此类应用包括(例如)用于较大的陆基和航空涡轮机的旋转部件。需要较大的铸锭来不仅经济地实现最终部件重量，而且促进足够的热机械加工以充分地分解铸锭结构并实现所有的最终机械和结构要求。
大直径超合金铸锭的熔化和铸造强调了多个基本的冶金和处理相关问题。例如，熔体固化期间的热量吸取随着逐渐增加的铸锭直径变得更加困难，这导致固化时间更长且熔池更深。这增加了正偏析和负偏析的趋势。而且，在加热和冷却期间，较大的铸锭和ESR/VAR电极可产生较高的热应力。合金718尤其易于存在这些问题。为了允许由合金718和各种其它易偏析镍基超合金产生具有可接受的冶金质量的大直径VAR铸锭，已开展了专门的熔化和热处理工序。在美国专利号6,416,564中描述了一种这样的专门的熔化和热处理工序，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书中。
尽管如此，粉末冶金技术也可用于产生优质合金产品，如大直径镍基超合金铸锭。喷雾成形是一种用于产生大直径超合金铸锭的粉末冶金技术。在喷雾成形期间，熔融合金流束被雾化来形成精细熔融合金熔滴或颗粒的喷雾。随后熔融颗粒被引导至收集器，在所述收集器中，所述熔融颗粒聚并且固化成连贯的、全致密预制件。在各种应用中，收集器和雾化器的受控运动连同对熔融金属运输方法的控制允许产生高质量的大预制件。喷雾成形方法能够产生细晶粒均质显微结构，其中对于广泛范围的合金来说，具有等轴晶粒和超过98%的理论密度。然而，常规的喷雾成形一般采用流体撞击雾化技术，所述流体撞击雾化技术存在多个缺点。
在流体撞击雾化技术中，使气体或液体撞击在熔融金属材料流束上。使用液体或气体进行的撞击可能会将污染物引入雾化金属中。考虑到在真空环境中不会发生流体撞击，即使使用惰性气体进行的撞击技术也可能会将显著水平的杂质引入雾化金属中。已开发了可在真空环境中进行的各种非流体撞击雾化技术。这些技术包括(例如)在美国专利号6,772,961(在本说明书中称为“US-6,722,961”)中描述的雾化技术，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书。
US-6,722,961描述了多种技术，其中由与受控分配装置耦合的熔化装置所产生的熔融合金熔滴或熔融合金流束通过以高的上升速率对所述熔滴施加高压而被快速带静电。充电熔滴内所建立的静电力使所述熔滴碎裂或雾化成较小的次级颗粒。在US-6,722,961中所描述的一种技术中，由分配装置的喷嘴所产生的主要熔滴通过邻近喷嘴且在喷嘴下方的环形电极的电场来处理。在主要熔滴内形成的静电力超过颗粒的表面张力，且导致较小的次级颗粒的形成。额外的环形场产生电极可被提供在下游来以相同的方式处理次级颗粒，从而产生更小的熔融颗粒。
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非流体撞击技术。一般来说，所述技术涉及使用电子束来将炉料喷射到熔融合金流束的区域和/或连续的熔融合金熔滴中。一旦所述区域或熔滴聚集超过瑞利极限的足够的炉料，所述区域或熔滴就会变得不稳定并分裂成为精细颗粒(即，雾化)。在美国专利号6,772,961；美国专利号7,578,960；美国专利号7,803,212；以及美国专利号7,803,211中描述了电子束雾化技术；所述美国专利号据此以引用的方式并入本说明书。
US-6,722,961还公开了使用静电场和/或电磁场来控制在产生喷雾形成的预制件或粉末的方法中通过雾化形成的熔融合金颗粒的加速度、速度和/或方向的技术。如US-6,722,961中所述，此类技术提供了对雾化熔融材料的实质性的下游控制并且可减少过喷雾和其它材料浪费、改善质量并增大通过喷雾成形技术制成的固体预制件的密度。
收集雾化熔融材料作为单一预制件的方法包括喷雾成形和带核铸造。相对于带核铸造，具体参照美国专利号5,381,847；美国专利号6,264,717；以及美国专利号6,496,529，所述美国专利号据此以引用的方式并入本说明书。一般来说，带核铸造涉及雾化熔融合金流束且随后将所产生的熔融合金颗粒引导入具有所需形状的铸模中。熔滴聚并且固化为通过所述模成形的单一物件，且所述铸件可进一步处理成所需的部件。一般来说，喷雾成形涉及将雾化熔融材料引导到(例如)滚筒或圆柱体的表面上，以便聚并、固化并形成可进一步处理成所需部件的独立预制件。
如所述，许多用于熔化、雾化以及处理金属和合金以产生固体预制件的技术在一个或多个方面存在不足。此类不足包括：(例如)方法复杂性和成本；在预制件中存在高残余应力、空隙、孔隙度、氧化物和其它污染物；因过喷雾而引起的产率损失；对适用金属和合金的限制；以及固有的尺寸限制。这些不足在各种合金(如镍基超合金)的生产中尤其有问题。本说明书中所公开和描述的各种非限制性实施方案部分针对克服了至少一些这些不足(除其它之外)并且改善了金属和合金产品(例如像大直径铸锭和其它优质预制件)的生产技术的方法、系统和设备。
本说明书中所公开和描述的各种非限制性实施方案部分针对用于熔化并雾化金属和金属(即，含金属)合金以产生雾化熔融材料的方法、系统和设备，所述雾化熔融材料可至少部分地固化成用于产生单一和整体合金预制件及其它物件的合金颗粒。如本文所使用，术语“合金”是指金属和金属合金(例如像铁、镍、钛、钴以及基于这些金属的合金)两者。
本文所公开的各种非限制性实施方案可采用使用了电子来熔化合金和/或雾化熔融合金以产生熔融合金颗粒的设备和技术，所述熔融合金颗粒被固化和固化-喷雾-成形来产生单一和整体预制件及其它合金物件。在各种非限制性实施方案中，本文所公开的方法、系统和设备可用于镍基超合金预制件和物件生产，其中铸造和锻造冶金技术、三重熔化技术以及粉末冶金技术如上所述具有随之而来的缺点。
在各种非限制性实施方案中，一种固体喷雾成形方法包括产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种。通过使电子撞击在熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化熔融合金来生产熔融合金的带电颗粒。所述带电的熔融合金颗粒通过静电场和电磁场中的至少一个来加速。熔融合金颗粒被冷却至小于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化。固化合金颗粒冲击到衬底上，其中冲击颗粒变形且冶金接合到所述衬底上并且彼此接合以产生固体合金预制件。
参照图1，被构造来执行本说明书中所述的固体喷雾成形方法的系统100的各种非限制性实施方案包括：熔化组件110(本文中也称为“熔化设备”或“熔化装置”)，其产生熔融合金流束和连续熔滴中的至少一个；电子束雾化组件112(本文中也称为“雾化设备”或“雾化装置”)，其雾化从熔化组件110接收的熔融合金并产生相对小的熔融合金颗粒；场产生组件114(本文中也称为“场产生设备”或“场产生装置”)，其产生影响了由雾化组件112所产生的合金颗粒的一个或多个的加速度、速度及方向的静电场和电磁场中的至少一个；以及收集器116，固化合金颗粒冲击冲击到所述收集器116上，变形且冶金接合来形成预制件。
在各种非限制性实施方案中，固体喷雾成形方法包括：在熔化组件中产生熔融合金流束和/或熔融合金连续熔滴，其在熔化组件的与熔融合金接触的区域中可能大致无陶瓷；通过使电子撞击在从熔化组件接收的熔融合金上来在雾化组件中产生熔融合金；产生静电场和电磁场中的至少一个，其中来自雾化组件的熔融合金颗粒与场相互作用，并且所述场影响了熔融合金颗粒的加速度、速度和方向的至少一个；在将所述颗粒运离雾化组件的方法中冷却熔融合金颗粒以形成固体合金颗粒；以及将所述固体合金颗粒收集在收集器中作为固体预制件。
如本文所使用，术语“熔化组件”等是指熔融合金流束和/或连续熔滴的来源，所述合金流束和/或连续熔滴可从起始材料的炉料、碎块、铸锭、自耗电极和/或另一个合金来源中产生。熔化组件与雾化组件流体连通并向雾化组件输送熔融合金。熔化组件在所述组件的与熔融材料接触的区域中可能大致缺乏陶瓷材料。如本文所使用，短语“大致缺乏陶瓷”等意指在熔化组件的在所述组件的操作期间熔融材料接触的区域中不存在陶瓷，或在熔化组件的在正常操作期间不与熔融合金接触的区域中存在陶瓷，但其方式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瓷颗粒或夹杂物。
在各种非限制性实施方案中，可能重要的是要防止或大致限制熔化组件中的熔融合金材料和陶瓷材料与本文所述的系统和设备的其它部件之间的接触。这可以是这样的，因为陶瓷颗粒可“冲刷”陶瓷衬里并与熔融合金混合。陶瓷颗粒一般具有比熔融合金材料更高的熔点温度并且可掺入到大致成形的预制件中。一旦掺入到固体产品中，陶瓷颗粒就可能破裂且在低周疲劳期间(例如)在产品中引发裂缝。一旦引发，裂缝就可能生长并且导致产品失效。因此，取决于预制件材料(例如)的预期应用，材料中可能允许少量或不允许出现陶瓷颗粒。
在铸造和锻造术中，来自真空感应熔化(VIM)步骤的陶瓷颗粒可在随后的真空电弧再熔(VAR)步骤中，或在使用三重熔融实践时，在电渣精炼/再熔(ESR)以及VAR步骤期间被去除。因此，在各种非限制性实施方案中，熔化组件包括VAR或ESR设备。使用各种实践实现的氧化物陶瓷清洁度可使用被称为“EB按钮”试验的半定量试验来评估，其中待评估材料的取样电极是在坩埚中熔化的电子束，并且针对所存在的最大氧化物测量所产生的氧化物浮筏。
在粉末冶金术中，合金粉末在最终固化后固结成产品，并且没有采取手段来进一步精炼产品以去除氧化物。而是，粉末被细筛，并且最大的被制成产品的粉末部分等同于零件设计人员来他们的设计标准中使用的最小缺陷。在最关键的航空发动机零件由固结金属粉末(例如)的设计中，最小的建模缺陷为大约44微米，因此，具有不大于这个尺寸的筛分粒度的粉末被使用。对于不那么关键的航空发动机零件来说，最小的建模缺陷可能大至大约149微米，因此，具有不大于这个尺寸的筛分粒度的粉末被使用。
不会引入陶瓷夹杂物且可包括在被构造来执行如本说明书中所述的固体喷雾成形方法的设备或系统中的熔化技术的实例包括(但不限于)：包括真空双电极再熔装置的熔化装置；包括冷感应引导件与电渣精炼/再熔装置或真空电弧再熔装置的组合的熔化装置；等离子体电弧熔化装置；电子束熔化装置；以及电子束冷炉床熔化装置。
如本文所使用，术语“雾化组件”等是指使至少一个电子流束(即，电子束)或电子场撞击在从熔化组件接收的熔融合金上的设备。如本文所使用，“撞击”意指进行接触。以此方式，电子向流束的撞击区域和/或向单个熔融合金熔滴的撞击区域传送净负电荷。如US-6,772,961中和下文所述，一旦熔滴或流束的特定区域的炉料达到足够的幅值，所述区域或熔滴就变得不稳定并分裂(即，雾化)成较小的熔融合金颗粒。如本文所使用，“熔融合金颗粒”是指包括一些熔融材料的内容物的颗粒，但并不必需完全熔融。如本文所使用，“固体合金颗粒”是指处于材料的固相线温度以下的温度下的颗粒，因此是完全固态的。
在各种实施方案中，雾化组件可包括电子束雾化组件、设备、装置等。如US-6,772,961中所述，电子束雾化设备可向熔融合金流束或熔滴快速施加静电荷。电子束雾化设备可被构造成使得传送至熔融合金的静电荷使流束或熔滴物理分裂且从熔融合金中产生一个或多个较小的熔融合金颗粒，从而雾化材料。使用通过电子撞击来快速静电充电而进行的熔融合金材料的雾化可导致合金快速破裂成相对小的颗粒，这是由于在材料内部传送的静电排斥力。更确切地说，熔融合金的区域或熔滴被快速静电充电超过“瑞利极限”，以使得所述区域或熔滴内的静电力超过熔融合金的表面张力且所述材料破裂成相对小的颗粒。
瑞利极限是指材料内的静电力排斥超过使材料保持在一起的表面张力之前材料所能够承担的最大炉料。使用电子撞击在材料上以在材料内建立静电排斥力的雾化技术的优点包括在真空环境中进行这种技术的能力。以此方式，熔融合金材料与空气或雾化流体之间的化学反应可受到限制或被消除。这种能力与常规的流体雾化形成对照，其中正被雾化的材料必须接触雾化气体或液体，并且通常在环境空气中或在惰性气体气氛中进行。
由雾化组件雾化的熔融合金的流束或熔滴由上游熔化组件产生。熔化组件可包括(例如)形成熔融合金的合适流束或熔滴的分配器。在各种非限制性实施方案中，分配器可包括具有孔口的熔体腔室。在US-6,772,961中示出这样一个分配器的实例，所述专利据此以引用的方式并入本说明书。熔融合金的流束和/或熔滴从孔口中压出或以另外的方式流出，并向下游通向雾化组件。在各种非限制性实施方案中，熔融合金流束或熔滴在机械作用或压力的影响下，从熔体腔室的孔口流出。在各种非限制性实施方案中，可向熔化组件的分配器中的熔融合金施加压力，压力大小大于分配器孔口的外部的压力以在分配器的孔口处产生熔融合金熔滴。压力可循环或以另外的方式变化，以便选择性地中断熔融合金流束和/或熔滴的流动。
熔化组件的各种非限制性实施方案可被设计来用净负电荷对输送向雾化组件的熔融合金流束或熔滴“预充电”。对流束或熔滴预充电可减小电子束雾化组件超过瑞利极限并将流束或熔滴雾化成较小颗粒所需的负电荷量。一种用于对熔融合金流束或熔滴预充电的非限制性技术用于使熔化组件相对于整体设备的其它元件保持在高的负电势下。这可通过(例如)使熔化组件与设备的其它元件电气隔离，然后使用电耦合到熔化组件上的电源升高熔化组件的负电势至较高的水平而完成。另一种非限制性预充电技术用于在雾化组件的上游接近于熔化组件的出口孔的位置布置感应环或感应板。所述环或板可被构造来在向下游通向雾化组件的熔滴或流束中感应出负电荷。然后雾化组件可使电子撞击在预充电的材料上，以便进一步为材料充以负电荷并雾化材料。
在各种非限制性实施方案中，雾化组件可包括热离子电子束发射体或类似装置。所述热离子发射现象(也称为“爱迪生效应”)是指当热振动能克服了使电子保持在表面的静电力时，来自金属表面的电子(称为“热离子”)的流动。这种效应随着温度升高而急剧增强，但始终在温度高于绝对零度时在一定程度上存在。热离子电子束发射体使用热离子发射现象来产生具有定义动能的电子流束。
热离子电子束发射体一般包括：(i)加热过的电子生产细丝；和(ii)由阴极和阳极约束的电子加速区域。所述细丝通常由一段耐熔材料金属丝组成，所述耐熔材料金属丝通过使电流穿过细丝进行加热。合适的热离子电子束发射体细丝材料一般具有以下特性：低势垒(逸出功)；高熔点；高温稳定性；低蒸汽压力；以及化学稳定性。热离子电子束发射体的各种非限制性实施方案包括(例如)钨、六硼化镧(LaB6)或六硼化铈(CeB6)细丝。
在热离子电子束发射体中，在施加了由所施加电流所产生的足够的热能后，电子从细丝的表面“蒸发”。在细丝处产生的电子穿过阴极中的孔漂出，并且带正电阳极与带负电阴极之间的区域中的电场对电子加速，使其穿过间隙到达阳极，其中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。
为了向熔融合金流束或熔滴充负电荷至克服表面张力及雾化材料所必要的水平，所述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子场。雾化组件可产生三维电子场，所述三维电子场沿熔滴或流束穿过雾化组件行进的路径延伸合适的距离。三维电子场(其中电子在空间上分布)可与点源电子束发射体(其中电子被集中在本质上狭窄的二维束中)形成对照。撞击电子的三维空间分布增强了行进穿过雾化组件的熔融合金在重力(例如)的影响下的撞击和充电效率及有效性。
不希望受到任何特殊理论约束，认为电子束雾化的合金颗粒可通过以下两个机制中的一个或两个由熔滴或流束形成。在第一非限制性机制中，雾化颗粒在负电荷被添加至熔滴或流束时，从熔滴或流束的表面顺序地剥离。在第二非限制性机制中，雾化颗粒通过级联效应形成，其中初始的熔融流束或熔滴破裂成小颗粒，所述颗粒被重新充电至负电势并破裂成更小的颗粒，并且所述方法重复进行，在此期间电子被添加至连续更小的雾化颗粒。不管物理雾化机制如何，熔融合金必须暴露于电子场足够的时间，以使得在材料中积累起足够的负电荷并使材料分裂。
电子在雾化组件中所产生的电子场内的非限制性空间分布处于电子圆柱体的形式。所述圆柱体的纵轴可能在熔融合金材料行进穿过雾化组件的总体方向上取向。完全雾化所需的圆柱体的最小长度(沿长轴)将取决于熔融合金材料行进穿过雾化组件的速度以及所述组件内的电子场的能量和强度。也可使用非圆柱形的电子场形状，例如像具有矩形、三角形或一些其它多边形或另外有界形状的横截面(横切于熔融合金材料行进穿过雾化组件的总体方向)的场。更一般来说，可使用具有能够适当地雾化熔融合金材料的能量、强度和三维形状的任意组合的场。在下文描述用于根据本公开构建而成的设备的电子束雾化组件的各种非限制性实施方案。
在各种非限制性实施方案中，雾化组件可包括加热钨丝电子源。从加热钨丝热离子地发射的电子可使用静电场和/或电磁场进行处理以形成矩形电子束。所述矩形束可被射入雾化腔室中，作为熔融合金材料行进穿过雾化组件的路径上的总体块状三维场。图2示意性地示出包括钨丝212的雾化组件210，所述钨丝通过来自电源214的电流进行加热。加热细丝212产生自由电子216。所述电子216可(例如)由热离子电子束发射体产生。
电子216通过由板220所产生的静电场成形以形成具有总体矩形截面的三维电子束222。电子束222被射入雾化组件210的内部以产生总体块状的三维电子场226。从上游熔化组件232分配的熔融合金熔滴230行进穿过电子场226并通过由负电荷的聚集引起分裂而雾化成较小的颗粒238。雾化颗粒238沿箭头A的方向通向收集器(未示出)。
在各种实施方案中，雾化组件可包括不同于或除热离子电子束发射体之外的电子产生装置。例如，在各种实施方案中，雾化组件可包括金属丝放电离子等离子体电子发射体，也称为冷阴极金属丝离子发生器和/或等离子体离子发射体。金属丝放电离子等离子体电子发射体产生具有总体矩形横截面的电子场。金属丝放电离子等离子体电子发射体的一个优势在于它在比热离子电子发射体低的温度下产生电子发射。由雾化组件内的一个或多个特定电子产生装置产生的电子可(例如)使用电磁场和/或静电场适当地处理，以形成具有合适截面的电子束。所述电子束随后可在待雾化的熔融合金材料的行进路径上被射入雾化腔室中。
图3示出雾化组件310的另一个非限制性实施方案。一个或多个钨丝312由电源314加热并产生电子316，所述电子316在被撞击到熔融合金上时具有足够能量以雾化熔融合金。所述电子可(例如)由热离子电子束发射体产生。电子316可由结构(例如像板320)处理以形成漫斑322。光栅设备324在雾化组件的熔融材料(例如)受重力影响行进穿过的区域内以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的雾化腔室中提供了形状可控的三维电子场326，所述雾化腔室被构造来将从熔化组件332接收的熔融金属熔滴330雾化成较小的雾化颗粒338。雾化颗粒338沿箭头A的方向通向收集器(未示出)。
参照图4，雾化组件410产生了具有总体矩形截面的电子场。从由电源414加热的总体笔直的一段钨丝412的表面产生电子。这种产生电子的方法与从点源产生电子(通常由电子束枪实现)的技术形成对照。可使用静电场和/或电磁场(例如像由板420产生的场)对从细丝412的表面发出的电子416进行处理，以形成具有总体矩形截面的束422。矩形电子束422可由光栅设备以高的光栅化速率进行光栅化处理，进入雾化组件410中以形成电子场，熔融合金材料430在从熔化组件432接收到时，行进穿过所述电子场。
或者，如图4中所示，矩形电子束422可由喷射装置424射入雾化组件410中来形成具有总体矩形截面的电子场426，熔融合金材料430在从熔化组件432接收到时，行进穿过所述电子场426。合金材料430通过负电荷的聚集而分裂成雾化颗粒438，所述雾化颗粒438在箭头A的方向上通向收集器(未示出)。
在各种实施方案中，雾化组件可包括多个电子源。雾化组件还可包括多个电子处理和喷射/光栅化装置来产生和控制合适的电子场。例如，多个热离子或非热离子电子束发射体或其它电子源可围绕雾化腔室中的熔融合金材料的通路以特定角度位置取向(例如，彼此相互成120度角的三个发射体/源)，并通过从多个电子源喷射电子进入所述通路而产生三维电子场。
在各种实施方案中，可将上述若干雾化组件实施方案的部件和特征结合起来。例如，参照图2和图3，可使用雾化组件310中的光栅设备324对雾化组件210的矩形束222进行光栅化处理，以产生用于雾化熔融合金材料的电子场。相对于电子斑322，对相对高长宽比的矩形电子束222进行光栅化处理可提供沿熔融合金材料在雾化腔室中的路径设置的较大的三维场。
在电子束雾化组件的各种非限制性实施方案中，第一电子流或流束可被撞击在从熔化组件发出的熔融合金材料上，从而将所述合金材料雾化成具有第一平均尺寸的主要熔融合金颗粒。使第二电子流束撞击在主要颗粒上可进一步将所述颗粒雾化至更小的平均颗粒尺寸。平均尺寸的进一步减小可通过使额外的电子流或流束撞击在连续雾化的颗粒上来实现。以此方式，若干尺寸精细化在使用通过电子的撞击进行快速静电充电时是可能的。
在各种非限制性实施方案中，通过电子束进行的快速静电充电沿通路施加两次、三次或更多次，以实现最终所需的平均熔融合金颗粒尺寸。以此方式，由熔化组件产生的熔融合金熔滴的原始尺寸无须限制雾化组件中产生的最终雾化颗粒的尺寸。这样一种布置中的多个电子源可为(例如)单独的热离子电子束发射体、冷阴极金属丝离子发生器和/或等离子体离子发射体。
在雾化组件的各种非限制性实施方案中，熔融合金的熔滴或一部分流束经历两个或多个雾化阶段，以连续地减小所产生的雾化颗粒的平均尺寸。这可(例如)通过在雾化组件与收集器之间的区域沿通路适当地放置两个或多个电子枪或者电子流或流束的其它来源来完成。具有这一总体结构的雾化组件在图5中作为组件500示意性地示出。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可使用(例如)机械装置、压力或重力来从由熔化组件512中的铸锭、炉料、碎块和/或其它来源产生的熔融材料产生熔融合金熔滴523a。
主要电子束枪524a产生撞击在熔滴523a上并传送负电荷给所述熔滴的电子流束525a。在熔滴523a内建立起的静电力最终超过熔滴的表面张力，从而使熔滴分裂并形成主要熔融合金颗粒523b。次级电子束枪524b将电子束525b集中在主要熔融合金颗粒523b上，从而同样地传送负电荷给所述颗粒并使它们分裂成更小的次级熔融合金颗粒523c。三级电子束枪524c将电子束525c集中在次级熔融合金颗粒523c上，从而也传送负电荷给所述颗粒并使它们分裂成更小的三级熔融合金颗粒523d。在这种布置的非限制性实施方案中，虽然若干电子束枪为热离子电子束枪，但可使用产生合适的电子流束的任何其它合适的装置，例如像冷阴极金属丝离子发生器和/或等离子体离子发射体。
如US-6,772,961中所述，以引用的方式并入本文，“快速”静电充电是指在1至1000微秒内，或者在包含于其中的任何子范围内(例如像1至500微秒、1至100微秒或1至50微秒)充电到所需幅值。对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极限的炉料，并由此产生多个较小的熔融合金颗粒。所述颗粒的总体一致的直径可为(例如)5至5000微米，或者包含于其中的任何子范围(例如像5至2500微米或5至250微米)。
雾化组件产生熔融合金颗粒，所述熔融合金颗粒被进一步处理来形成单一和整体(即，单件式)预制件。如本文所使用，术语“预制件”是指工件、铸锭或通过将从雾化熔融合金颗粒产生的冶金接合的固体合金颗粒收集在一起而形成的其它物件。在本文所述的方法、系统和设备中，由雾化组件产生的熔融合金颗粒的全部或一部分在雾化组件的下游被控制和固化并且作为预制件收集在收集器中。例如，在各种非限制性实施方案中，一种系统或设备可包括至少一个场产生组件，所述场产生组件产生至少部分存在于雾化组件下游的区域中的静电场和/或电磁场。由场产生组件产生的静电场和/或电磁场可被结构化和/或处理以便影响与所述场相互作用的熔融合金颗粒的加速度、速度和方向中的至少一个。
如本文所使用，术语“场产生组件”是指产生以及可选地处理可被用于在雾化组件下游的区域中控制熔融且固化的合金颗粒的加速度、速度和方向中的至少一个的一个或多个静电场和/或电磁场的系统或设备。适用于本文所述的方法、系统和设备的场产生组件的实例在US-6,772,961中进行描述，所述专利以引用的方式并入本说明书中。
如本文所使用，术语“静电场”可指代单个静电场或多个(两个或更多个)静电场。静电场可(例如)通过将点、板或其它来源充电至高电势而产生。也如本文所使用，术语“电磁场”可指代单个电磁场或多个电磁场。电磁场可通过(例如)使电流穿过导体(例如像导体线圈)而形成。
在各种非限制性实施方案中，场产生组件产生一个或多个静电场和/或电磁场，所述静电场和/或电磁场与熔融合金颗粒相互作用并在成形方法中的不同时间将熔融合金颗粒引导至正在发展的预制件的不同区域。静电场和/或电磁场还可用于将固体合金颗粒引导至正在发展的预制件的需要加热或降温的区域，从而影响预制件的宏观结构。在进行固体喷雾成形时，所述一个或多个静电场和/或电磁场的形状也可被处理以通过在成形方法中的不同时间将颗粒引导至正在发展的预制件上的预定区域来产生近终形(near-netshape)预制件。通过使用场产生组件来采用一个或多个静电场和/或电磁场，可能增强成形方法的产率，同时改善(和控制)所产生的预制件的密度。
在各种非限制性实施方案中，场产生组件在雾化组件与收集器之间的区域中通过将收集器电耦合至高压DC电源并使雾化组件接地而产生静电场。考虑到在本文所述的方法、系统和设备中可使用电子束雾化并且考虑到雾化颗粒将被充以负电荷，使用负极性以使得带负电的雾化且固化的颗粒被雾化组件排斥并被吸引到收集器上。静电场可与由雾化组件产生的带负电的合金颗粒相互作用并且所述颗粒可在所述场的影响下被引导来在静电场线的总体方向上移动。这种相互作用可用于控制熔融且固化的合金颗粒朝向收集器的加速度、速度和方向中的一个或多个。
除了高压DC电源外，场产生组件可包括在合适的位置处并且在合适的取向上定位的一个或多个电极，以便在雾化组件与收集器之间产生一个或多个合适的场。所述电极可被定位和构造来使雾化组件与收集器之间的静电场以所需的方式成形。在所述一个或多个电极的影响下所提供的静电场可具有将熔融且固化的合金颗粒以所需的方式引导至收集器的形状。
场产生组件还可包括多个高压DC电源，各自操作性地连接到在雾化组件与收集器之间在合适的位置处且在合适的取向上设置的一个或多个电极上，并且以时间相关的方式影响了由雾化组件与收集器之间的场产生组件所产生的静电场的形状。以此方式，所述场可被处理以随着时间将由雾化组件产生的合金颗粒适当地引导至收集器上或正在发展的预制件上的特定区域或位置。
例如，包括多个电极和相关联电源的场产生组件可结合在一种系统或设备中，所述系统或设备被构造来使相对于通过常规的喷雾成形和带核铸造方法产生的预制件具有高密度的近终形固体物件固体喷雾成形。在此类实施方案中，静电场可在强度和/或形状方面发生变化以将固化合金颗粒适当地引导至收集器。
在各种非限制性实施方案中，可在雾化组件与收集器之间通过定位在雾化组件与收集器中间的一个或多个磁性线圈产生电磁场。所述磁性线圈可电连接至电源，所述电源对线圈通电。可将由雾化组件产生的合金颗粒沿电磁场的场线引导至收集器。一个或多个磁性线圈的位置和/或取向可被构造来将颗粒引导至收集器或正在发展的预制件上的特定区域或位置。以此方式，合金颗粒可被引导来在固体喷雾成形期间增强预制件的密度或甚至产生近终形预制件。
在各种非限制性实施方案中，多个磁性线圈可定位在雾化组件与收集器之间。由多个磁性线圈产生的电磁场(其可被单倍地或多倍地通电至不同的磁场强度)影响由雾化组件产生的合金颗粒的运动方向，并将所述颗粒引导至收集器上或正在发展的预制件上的特定的预定区域或位置。以此方式，所述合金颗粒可以预定的模式被引导，以便产生(例如)具有近终形形状和/或相对高密度的固体预制件。
在各种非限制性实施方案中，由场产生组件产生的场可用于改善或精细化通过在雾化组件中使用可平移的雾化喷嘴已经实现的定向控制。在各种非限制性实施方案中，仅通过适当地处理场形状、方向和/或强度就可实现的基本方向控制可完全取代雾化喷嘴在雾化组件中的移动。
在各种非限制性实施方案中，由雾化组件产生并穿行在或穿过由场产生组件产生的一个或多个场的熔融合金颗粒的全部或部分被收集在收集器中作为固体预制件。如本文所使用，术语“收集器”是指一种衬底、设备、元件或者衬底、设备或元件的部分或区域或者元件的组件，它被构造来接收通过冷却由雾化组件产生的熔融合金颗粒而产生的固化合金颗粒的全部或部分。可并入被构造来执行固体喷雾成形方法的系统或设备的实施方案中的收集器的非限制性实例包括腔室、模具、滚筒、心轴或其它表面的全部或部分或区域。
收集器可保持处于接地电势下，或在各种非限制性实施方案中保持处于高的正电势下，以便吸引由雾化组件产生的带负电的雾化颗粒。图1中所示的(即，包括熔化组件、雾化组件、场产生组件和收集器)的系统可被构造和操作来在收集器(其在所述情况下可为(例如)滚筒或心轴)的表面上使铸锭或其它固体预制件固体喷雾成形。在各种非限制性实施方案中，被构造来使铸锭或其它预制件固体喷雾成形的系统或设备可包括收集器(包括滚筒和心轴)，所述收集器可被适配来旋转或以另外的方式平移，以便形成具有所需几何形状的固体物件。
在各种非限制性实施方案中，固体合金颗粒的过喷雾通过为收集器适当地充电而减少或消除。使用电子束雾化熔融流束和/或熔融颗粒产生由于在雾化颗粒中存在过多的颗粒而被充以负电荷的颗粒。通过将收集器适当地充电达到正极性，所述收集器将吸引颗粒且从而显著地减少或消除过喷雾。过喷雾是常规喷雾成形的有问题的缺点，它可能会导致显著受损的方法产率。
图6示意性地示出被构造来使固体预制件固体喷雾成形的设备600的非限制性实施方案的各种元件。电子束雾化组件610产生带负电的熔融合金颗粒612。在雾化组件610与收集器616之间产生静电场614。雾化组件610从熔化组件(未示出)接收熔融合金的流束和连续熔滴中的至少一个。带电的熔融合金颗粒与静电场614相互作用，所述静电场614使合金颗粒612加速朝向收集器616。熔融合金颗粒612在从雾化组件610行进至收集器616时，被固化来形成固体合金颗粒。所述固体合金颗粒冲击收集器616且在收集器616的表面上形成固体预制件618。所述场对熔融合金颗粒612且进而固化合金颗粒的速度和/或方向的影响可用于减少或消除来自预制件618的过喷雾，从而增强固体喷雾成形方法的产率，并且还可能相对于在可能未使用场产生组件的情况下的密度，提高预制件618的密度。
图7示意性地示出被构造来执行固体喷雾成形方法的设备700的非限制性实施方案的各种元件。熔化组件710提供熔融合金流束和连续熔滴中的至少一个给电子束雾化组件712，所述电子束雾化组件712产生带负电的熔融合金颗粒714的喷雾。静电场和/或电磁场716由雾化组件712与适当成形的收集器718之间的场产生组件产生。所述场716与带电的熔融合金颗粒714相互作用来使颗粒714加速朝向收集器718。熔融合金颗粒714在从雾化组件712行进至收集器718时，固化且形成固体合金颗粒715。如果收集器718保持处于高的正电势，那么合金颗粒714/715可在较大的程度上加速。由场716在带电颗粒714/715上施加的加速力和定向控制可用于增强固体预制件720的密度，并且还可以被用来产生近终形预制件720。收集器718可为静止的，或可被适配来旋转或以另外的方式适当地平移。固体合金颗粒715冲击收集器718和正在发展的预制件720，在冲击后变形，并且冶金接合在一起以形成固体预制件720。
如图7A中所示，设备700的替代非限制性实施方案包括非平衡等离子体产生组件，所述非平衡等离子体产生组件被构造来在熔融颗粒714在两个散热电极724之间的路径中产生非平衡等离子体722。所述电极724通过介电液体与外部热质量726热连通，所述介电液体在泵730的影响下经由导管728流通。散热电极724与外部热质量726之间通过介电流体的热耦合允许从熔融颗粒714中除去热量并传递至热质量726。散热片724之间的非平衡等离子体722可(例如)通过AC辉光放电或电晕放电产生。非平衡等离子体722将来自熔融颗粒714的热量传递至两个散热电极724，所述散热电极724将所述热量传递至外部热质量726。来自熔融合金颗粒714的热量的除去允许所述颗粒固化并形成固体合金颗粒715。
产生非平衡等离子体来将热量传递至雾化的熔融合金颗粒或从中传出的热传递系统和装置在US-6,772,961中进行描述，所述专利以引用的方式并入本说明书。产生非平衡等离子体来将热量传递至合金材料或从中传出的热传递系统和装置在美国专利号7,114,548中进行描述，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书。
图8示意性地示出被构造来执行固体喷雾成形方法的设备800的非限制性实施方案的各种元件。熔化组件810提供熔融合金流和连续熔滴中的至少一个给电子束雾化组件812。熔化组件810可选地可通过(如可选的电源822)保持处于高的负电势，以便在熔融材料经过雾化组件812之前为熔融材料“预充电”负电荷，从而减少雾化组件812为了雾化所述材料而必需传送至熔融材料的负电荷的量。这个“预充电”特征也可用于本文所述的其它实施方案，以便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产生带电的熔融合金颗粒814的喷雾。电磁场816由磁性线圈818(截面示出)产生。带电的熔融合金颗粒814与场816相互作用且由此被引导向收集器820。熔融合金颗粒814在从雾化组件815行进至收集器812时，固化且形成固体合金颗粒820。由场816施加的对合金颗粒814/815的定向控制可减少过喷射，从而增强固体喷雾成形方法的产率，并且也可以增强固体预制件822的密度。固体合金颗粒815冲击收集器820和正在发展的预制件822，在冲击后变形，并且冶金接合在一起以形成固体预制件822。
如图8A中所示，非平衡等离子体842可选地可在合金颗粒814/815在两个散热电极844之间的路径中产生，所述散热电极844通过介电液体热连接到外部热质量846上，所述介电液体通过泵850经由导管848流通。在散热电极844与外部热质量846之间维持的热连通允许从合金颗粒814/815中除去热量或向其添加热量。散热电极844之间的非平衡等离子体842可(例如)通过AC辉光放电或电晕放电产生。
非平衡等离子体842还可从散热电极844延伸至固体预制件822和收集器820，用以从预制件822和收集器820除去热量或向其添加热量。因此，在设备800中，热量可由非平衡等离子体842从熔融合金颗粒814、固体合金颗粒815、固体预制件822和收集器820传递至散热电极844，然后传递至外部热质量846。来自熔融合金颗粒814的热量的除去允许所述颗粒固化并形成固体合金颗粒815。
图9示意性地示出被构造来执行固体喷雾成形方法的设备900的非限制性实施方案的各种元件。熔化组件910提供熔融合金流束和连续熔滴中的至少一个给电子束雾化组件912。雾化组件912产生带电的熔融合金颗粒914。由磁性线圈918(截面示出)产生的电磁场916与带电的熔融合金颗粒914相互作用，以散开颗粒914并降低它们碰撞的可能性，从而阻止形成较大的熔融颗粒，且因而形成较大的固体合金颗粒942。由磁性线圈943(截面示出)产生的第二电磁场940与固化颗粒942相互作用并将其引向收集器944。通过使固体合金颗粒942冲击到收集器944上且进入预制件946中而在收集器944上形成固体预制件946，其中所述固体合金颗粒942在冲击后变形且冶金接合在一起以形成固体预制件946。
如图9A中所示，设备900的非限制性实施方案可被构造成使得非平衡等离子体922在熔融颗粒914在两个散热电极924之间的路径中形成，所述散热电极924通过介电流体与外部热质量926热连通，所述介电流体通过泵930经由导管928流通。与外部热质量926热连通的散热电极924的布置允许从熔融合金颗粒914中除去热量，以固化所述熔融合金颗粒并形成固体合金颗粒942。
在各种非限制性实施方案中，被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统可包括围住或含有熔化组件、雾化组件、场产生组件、等离子体产生组件、收集器和/或工件(例如，预制件)的全部或一部分的腔室等。如果(例如)采用了非平衡等离子体的热传递装置结合在设备或系统中，那么所述热传递装置及其相关联电极的全部或一部分以及非平衡等离子体也可被包括在腔室内。这样一种腔室可被提供以允许调节腔室内的空气，包括腔室内所存在的气体的种类和局部压力和/或整体气压。
例如，腔室可被抽空以提供真空(如本文所使用，“真空”是指完全或局部真空)和/或可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，如氮化作用。在包含腔室的设备的非限制性实施方案中，腔室内的压力可维持低于大气压力，如0.1至0.0001托，或包含于其中的任何子范围，例如0.01至0.001托。
通过使电子撞击在熔融材料上而产生的熔融合金颗粒(如本说明书中所述)一般高度带负电。本文所述的各种非限制性实施方案还包括在使电子撞击在熔融材料上并雾化所述熔融材料之前，将熔融材料充以负电荷的装置。带负电的颗粒/材料可能存在加速朝向保持处于接地电势下的附近结构的趋势。所述结构可包括腔壁和其它邻近熔融材料在熔化组件下游的行进路径的设备部件。在各种非限制性实施方案中，所述设备的雾化组件包括板或其它适当成形的结构，所述结构保持处于负电势下且被设置以偏转带负电的颗粒/材料并且阻止所述颗粒/材料所不希望地加速朝向腔壁和/或其它保持处于接地电势下的结构。
被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统的各种非限制性实施方案可包括熔化组件，所述熔化组件在将接触的区域中大致无陶瓷，且因此可能会污染由熔化组件在设备的操作期间所产生的熔融合金。每个这样的设备还可包括用于雾化熔融材料并产生熔融合金颗粒的电子束雾化组件。每个这样的设备还可包括场产生组件，所述场产生组件在雾化组件与收集器之间产生一个或多个电磁场和/或静电场并在颗粒经过雾化组件和收集器之间的距离的全部或部分时影响颗粒的加速度、速度和方向中的至少一个。
被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统的各种非限制性实施方案可包括一个或多个非平衡等离子体产生组件，所述非平衡等离子体产生组件产生用于在由雾化组件产生熔融和/或固体合金颗粒之后，但在固体颗粒冲击收集器/正在发展的工件以形成固体预制件之前，将热量传递至所述熔融和/或固体合金颗粒或从其中传出的非平衡等离子体。或者或除此之外，被构造来执行固体喷雾成形方法的设备的各种非限制性实施方案还可产生一个或多个非平衡等离子体，所述非平衡等离子体用于在固体合金材料冲击收集器之后将热量传递至固体合金材料或从中传出并且可被施加给收集器之上或之中正在发展的预制件。
图10至图13示意性地示出可作为被构造来执行固体喷雾方法的设备或系统的部件被包括的熔化组件的各种非限制性实施方案。每个这样的熔化组件实施方案都可用于从自耗电极或其它合金原料产生熔融合金流束和连续熔滴中的至少一个。以下每个这样的熔化组件实施方案都可被构造成使得它在所述组件的将与所述组件中所产生的熔融合金接触的区域中缺乏陶瓷。
图10示出使用真空双电极再熔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的部件。真空双电极再熔或“VADER”技术(例如)在美国专利号4,261,412中进行了描述，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书。在VADER设备中，通过在两个熔化的自耗电极之间的真空中触发电弧来产生熔融材料。VADER技术优于常规真空电弧再熔(VAR)之处在于VADER技术允许更严格地控制温度和熔化速率。
参照图10，真空腔壁1010围绕彼此相对的自耗电极1014和雾化组件1016。电流经过相对的电极1014之间，从而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落到雾化组件1016上。或者，可将与冷感应引导件或类似分配装置(未示出)流体连通的熔体池放置在电极1014与雾化组件1016之间。由雾化组件1016产生的雾化的熔融合金颗粒经过并受到由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场的影响、冲击到收集器或正在发展的工件(未示出)上、冶金地结合在一起并形成固体预制件。
图11示出使用电子束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的部件。在电子束熔化中，通过使高能电子撞击在原料上来使其熔化。熔融产品的污染可通过在受控真空中熔化而减少或消除。电子束熔化的能效率胜于竞争方法的原因在于可控制电子束斑在需熔化区域的停留时间和分布。此外，电子束在枪的内部以及枪嘴与靶材料之间的能量损失相对较小。
如上所述，本文所述的熔化装置(包括图11所示的熔化装置)例如可被构造成保持处于高的负电势下，从而在负电荷向下游通向设备的雾化组件前施加负电荷给熔融材料。例如，图11所示的熔化装置可被构造来包括导电的且保持处于高的负电势下的熔体腔室，且熔融材料在传送至雾化组件前接触所述熔融腔室。
参照图11，真空腔室1110围绕熔化装置的电子束源1112、正被熔化的自耗电极1114、电子束雾化组件1116和收集器(未示出)。电子束冲击电极1114，从而加热并熔化电极以产生熔融合金熔滴1118(或流束)。所述熔滴1118从电极1114落到雾化组件1116上。由雾化组件1116产生的雾化的熔融合金颗粒经过并受到由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场的影响、冲击到收集器或正在发展的工件(未示出)上、冶金地结合在一起并形成固体预制件。
图12示出使用电子束冷炉床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的部件。在典型的电子束冷炉床熔化技术中，第一电子束枪熔熔化炉料，所述炉料可具有各种各样的形式(例如，铸锭、海绵状物或碎块)。熔融材料流入浅的水冷坩埚(冷炉床)中，其中一个或多个电子枪维持熔融材料的温度。冷炉床的主要功能是分离出比液体材料轻或重的夹杂物，同时增加具有高熔点的较低密度颗粒的保留时间，以便确保其完全溶解。所有的操作均可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周围环境污染。电子束冷炉床熔化技术的优势在于它可有效地去除挥发性成分(如氯化物和氢)(部分由于可选的真空)及熔体中的夹杂物。所述技术对于进料的形式方面也是灵活的。
参照图12，真空腔室1210围绕熔化组件的电子束源1212和水冷的铜制冷炉床1216、正被熔化的自耗电极1214、电子束雾化组件1218和收集器(未示出)。处于流束和/或连续熔滴形式的熔融材料1220从水冷的铜制冷炉床1216落到雾化组件1218上。由雾化组件1218产生的雾化的熔融合金颗粒经过并受到由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场的影响、冲击到收集器或正在发展的工件(未示出)上、冶金地结合在一起并形成固体预制件。
图13示出使用包括产生输送到电子束雾化组件的熔融合金的电渣精炼/再熔(ESR)装置和冷感应引导件(CIG)的组合的熔化组件。或者，可使用将真空电弧再熔(VAR)和CIG结合起来的熔化装置代替ESR/CIG组合。将ESR装置或VAR装置和CIG结合起来的装置(例如)在美国专利号5,325,906中进行了描述，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书。
在典型的ESR技术中，电流穿过自耗电极和设置在精炼容器中并与电极接触的导电炉渣。从电极熔化的熔滴穿过导电炉渣并由所述导电炉渣精炼，且随后可传送给下游设备。ESR设备的基本部件包括电源、电极输送机构、水冷却的铜制精炼容器和炉渣。所使用的特定炉渣类型将取决于正精炼的具体材料。VAR方法涉及通过在真空中用电极触发电弧来熔化由合金组成的自耗电极。除了减少溶解的氮和氢外，VAR方法还除去电弧等离子体中的很多氧化物夹杂物。
在ESR/CIG组合和VAR/CIG组合中，CIG(其也被不同地称为“冷指”或“冷壁感应引导件”)可在材料从VAR或ESR设备向下游通向雾化组件时保持熔融材料处于熔融形式。CIG也保护熔融材料免于与空气接触。CIG可直接耦合到ESR或VAR设备的上游并耦合到雾化组件的下游，以使精炼的熔融材料不与大气接触，从而防止氧化物在内部形成和污染熔融物。CIG还可用于控制熔融材料从ESR或VAR设备到下游雾化组件的流动。
CIG装置的构造和操作方式(例如)在美国专利号：5,272,718；5,310,165；5,348,566；和5,769,151中进行了描述，所述美国专利据此以引用的方式并入本说明书。CIG一般包括用于接收熔融材料的熔融物容器。所述熔融物容器包括含有小孔的底壁。CIG的传递区域被构造成包括通道(其可为(例如)大致漏斗形的)，所述通道被构建来从熔融物容器中的小孔接收熔融材料。在CIG的一个常规设计中，所述漏斗形通道的壁由多个流体冷却金属段来限定，并且所述流体冷却段限定了所述通道的内部轮廓，所述内部轮廓的横截面面积可总体上从所述区域的入口端向出口端减少。一个或多个导电线圈与漏斗形通道的壁相关联，且电流来源与所述导电线圈选择性地连接。在熔融材料穿过CIG的通道流出CIG的熔融物容器时，电流穿过导电线圈，其强度足以感应地加热熔融材料并使其维持处于熔融形式。
熔融材料的一部分接触CIG的漏斗形通道的冷却壁并且可固化以形成硬壳，所述硬壳使得流过CIG的熔融材料的剩余部分不会接触所述壁。壁的冷却和硬壳的形成确保穿过CIG的熔融材料不被形成CIG的内壁的金属或其它组分污染。如所公开(例如，在美国专利号5,649,992中)，在CIG的漏斗形部分的区域的硬壳的厚度可通过适当地调节冷却剂温度、冷却剂流率和/或感应线圈中的电流强度而进行控制，以控制或完全关闭熔融物穿过CIG的流动；随着硬壳厚度的增加，穿过传递区域的流动相应地减少。虽然CIG设备可以多种形式提供，但每种形式通常都包括：(1)利用重力引导熔融物的通道；(2)在壁的至少一个区域中用于促进在所述壁上形成硬壳的冷却装置；以及(3)用于在通道内感应地加热熔融材料的、与所述通道的至少一部分相关联的导电线圈。
参照图13，真空腔室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熔体源包括具有所需合金的自耗电极1314和水冷的铜制坩埚1316。加热过的熔渣1318用以熔化电极1314以形成熔融合金池1320。来自熔池1320的熔融合金以熔融流束和/或连续熔滴1322的形式流过CIG喷嘴1324，且传递至雾化组件1312。由雾化组件1312产生的雾化的熔融合金颗粒经过并受到由场产生组件(未示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场的影响、冲击到收集器或正在发展的工件(未示出)上、冶金地结合在一起并形成固体预制件。
用于熔化被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统的熔化组件中的原料的替代技术包括(但不限于)感应熔化、等离子体电弧熔化等。例如，在感应熔化中，卷绕的主要电导体可围绕金属进料棒。通过传递电流穿过主要导体，在所述棒中通过电磁感应感应出次级电流。所述次级电流将所述棒加热至大于其熔化温度的温度。
图14至图17示出被构造来执行固体喷雾成形方法的系统和设备的各种非限制性实施方案。
图14示意性地示出冲击且冶金接合到正在发展的工件上以形成固体预制件的雾化且固化的合金颗粒。真空腔室1410围住电子束雾化组件1412。由熔化组件(未示出)(其可为(例如)上述各种熔化组件之一)产生的熔融合金连续熔滴1414传递到雾化组件1412中。雾化组件1412产生雾化的合金颗粒1416，所述合金颗粒1416穿过由场产生组件的电磁线圈1417(截面示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场1413，与它相互作用且受到它的影响。线圈1417被放置以在雾化组件1412下游的区域1418中产生一个或多个场。雾化的合金颗粒1416在从雾化组件1412行进时固化，冲击且冶金接合到正在发展的工件上以形成固体预制件。
图15示意性地示出从通过电子束雾化产生的雾化的熔融且固化的合金产生固体喷雾成形的铸锭。真空腔室1510围住熔化组件(未示出)和电子束雾化组件1512。所述熔化组件可为(例如)上述各种熔化组件之一。由熔化组件(未示出)产生的熔融合金熔滴1514传递到雾化组件1512中。熔融合金熔滴1514在雾化组件1512内雾化，以形成雾化的合金颗粒1516的喷雾。
雾化的合金颗粒1516穿过由场产生组件的板1518产生的一个或多个电磁场和/或静电场(未示出)，与它相互作用且受到它的影响。所述板1518通过穿过腔室1510的壁的金属丝1520连接至电源(未示出)。雾化的合金颗粒1516固化且在由场产生组件产生以形成固体预制件1525的一个或多个场的影响下被冲击到旋转收集器板1524上。所述旋转收集器板1524可大致上与雾化组件相距恒定距离而以维持沉积界面的速率向下退回。为了增大产率和改善沉积密度，收集器板1524可通过将板1524由穿过腔室1510的壁的金属丝1526连接至电源(未示出)而被充电至高的正电势。
图16示意性地示出被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统的实施方案，其中雾化的熔融合金颗粒固化且使收集器/工件冲击在所述设备的第一腔室中。真空腔室1610围住熔化组件(未示出)和电子束雾化组件1612。所述熔化组件可为(例如)上述各种熔化组件之一。由熔化组件(未示出)产生的熔融合金连续熔滴1614传递到雾化组件1612中。熔融合金熔滴1614在雾化组件1612内雾化，以形成合金颗粒1616。合金颗粒1616穿过由场产生组件的电磁线圈1620(截面示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场1618，与它相互作用且受到它的影响。雾化颗粒1616固化且在场1618的影响下引导到处于容器1621的形式的收集器中。
固体合金颗粒冲击在容器1621中成形的工件1625，变形且冶金接合到工件1625上以形成固体预制件。当所述固体预制件成形时，可将它转移到腔室1626中，所述腔室1626可由真空闸1628密封。容器1621和预制件可通过第二真空闸1630释放到空气中，用于根据已知技术进行热机械处理。可选地，图16的设备可包括被构造来从雾化的熔融合金颗粒中除去热量以形成固体合金颗粒的热传递装置，如上文总体上所述。此外，可选地，容器1621可由金属丝1622电连接至电源1624并且保持处于正电势下，同时带负电的固体颗粒1616正冲击在容器1621中。金属丝1622在容器1621移动到腔室1626中之前从远处与所述容器1621断开。
图17示意性地示出被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统1700的非限制性实施方案。在图17中，通过喷射固体合金颗粒而在模具中产生固体喷雾成形的物件，所述固体合金颗粒通过固化经由电子束雾化所提供的熔融合金颗粒而产生。真空腔室1710围住包括熔化组件(未示出)和电子束雾化组件1712的元件。所述熔化组件可为(例如)上述各种熔化组件之一。由熔化组件产生的熔融合金连续熔滴1714传递到雾化组件1712中。熔融合金熔滴1714在雾化组件1712内雾化，以形成雾化的合金颗粒1716的喷雾。雾化的合金颗粒1716穿过由场产生组件的通电线圈1720(截面示出)产生的一个或多个电磁场和/或静电场1718，与它相互作用且受到它的影响。雾化材料1716固化且在由场产生组件所产生的场1718的影响下被引导到模具1724中，并且所产生的固体喷雾成形物件1730通过向下移动模基(未示出)而从模具1724中取出。可选地，所述模基可被构造来旋转或以另外的方式平移。
在图17A中所示的设备1700的替代非限制性实施方案中，电源1732被提供且形成了电势差，以便在电极1734之间形成非平衡等离子体。热量由等离子体从固化合金颗粒和/或固体物件1730的表面传导至电极1734，所述电极1734利用通过热交换器1736和电极1734流通的介电液体进行冷却。
图18示出可使用本文所述的系统和设备执行的固体喷雾成形方法的非限制性实施方案。在熔化步骤1805中熔化合金原料1801以产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种。熔化步骤1805可包括多个连续的熔化、精炼以及再熔子步骤。例如，合金原料可包括碎块、海绵状物、基金属的再生和/或原生来源以及合金元素(如果适用的话)，所述合金元素被熔掉以形成初始熔融物。所述初始熔融物可使用VAR、等离子体电弧熔化、电子束熔化或其它任何合适的熔化技术来产生。
初始熔融物的化学性质可被分析且在必要时修改以达到预定的化学性质。一旦达到可接受的熔融物化学性质，所述熔融物可被铸造成自耗电极，以用于进一步的精炼和/或再熔操作，或用于产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种。在各种实施方案中，合金原料可包括自耗电极或具有可接受的合金化学性质的自耗物件，所述自耗物件可被熔化以产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种。
如上所述，如本文所使用，术语“合金”既指纯金属又指合金，并且包括(例如)铁、钴、镍、铝、钛、铌、锆和基于这些金属中的任一个的合金，如不锈钢、镍基超合金、钴基超合金、铝化钛、镍钛合金等。镍基超合金的、可根据本文所述的实施方案进行处理的非限制性实例包括(但不限于)IN100合金(UNS13100)、Rene88TM合金、合金720、合金718(UNSN07718)以及718PlusTM合金(UNSN07818)(可从ATIAllvac,Monroe,NorthCarolina,USA获得)。钛合金的、可根据本文所述的实施方案进行处理的非限制性实例包括(但不限于)Ti-6Al-4V合金、T-17合金、Ti-5-5-5-3合金、Ti-Ni合金以及Ti-Al合金。
在步骤1810中使用电子束雾化来雾化熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一个。在步骤1810期间，从电子源(例如像热离子电子束发射体和/或金属丝放电离子等离子体电子发射体)产生的电子被撞击在熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一个上。撞击电子对熔融合金流束和/或熔融合金连续熔滴快速静电充电，直到静电排斥力超过熔融合金的表面张力并且使所述流束和/或熔滴物理碎裂成更小的熔融合金颗粒，从而雾化熔融合金。撞击电子还产生熔融合金的带电的雾化颗粒。雾化的熔融合金颗粒的尺寸和电荷可(例如)通过控制撞击在熔融合金上的电子场的尺寸、形状和密度而得到控制。
在步骤1815中，熔融合金的雾化且带电的颗粒通过与静电场和电磁场中的至少一个相互作用而加速。在各种实施方案中，在雾化组件与收集器之间建立的静电场与雾化且带电的合金颗粒相互作用，以加速所述颗粒远离雾化组件并朝向收集器。加速的大小可(例如)通过控制雾化组件与收集器之间的电压差的大小而得到控制，这直接影响了静电场的强度。
在步骤1820中，通过将熔融合金颗粒冷却至不大于合金的固相线温度的温度来固化加速的熔融合金颗粒。如本文所使用，术语“固相线温度”是指合金处于完全固态的合金的最大温度。相比之下，合金的“液线温度”是合金的固体晶体与液体合金以热力学平衡状态共存的最大温度。在高于液线温度的温度下，合金是完全液态的，并且在等于或低于固相线温度的温度下，合金是完全固态的。在大于固体温度并且一直到且包括液线温度的温度下，合金以两相状态存在。
加速的合金颗粒冷却至不大于合金的固相线温度的温度确保合金在与收集器接触之前，从熔融状态变成固体状态。例如，合金718(一种镍基超合金)具有大约1358℃的液线温度和大约1214℃的固相线温度。参见Wei-DiCao,"Solidificationandsolidstatephasetransformationof718PlusTMalloy,"JournaloftheMinerals,Metals&MaterialsSociety,2005，其以引用的方式并入本说明书。因此，在其中合金718固体喷雾成形的非限制性实施方案中，加速的熔融合金718颗粒可冷却至不大于1214℃的温度，以便在与收集器接触之前固化所述颗粒。
在各种实施方案中，加速的熔融合金颗粒被冷却至不大于合金的固相线温度(TS)但大于所述固相线温度的0.50倍(0.50*TS)的温度。将熔融合金颗粒冷却至在0.50*TS至TS范围内的温度可确保所述颗粒大致固化但足够柔软，以便在冲击衬底后变形且以固体状态冶金接合(即，固态焊接)，从而形成单一和整体固体预制件。例如，合金718的极限强度、2%屈服强度和硬度在高于大约600℃的温度下(所述温度是合金的固相线温度的大约0.50倍)以较高的速率减小(即，合金软化)。
在各种实施方案中，加速的熔融合金颗粒被冷却至在0.50*TS至TS的范围内或在包含于其中的任何子范围内(例如像0.50*TS至0.99*TS、0.50*TS至0.95*TS、0.60*TS至0.95*TS、0.70*TS至0.95*TS、0.80*TS至0.95*TS或0.90*TS至0.99*TS)的温度。
在各种实施方案中，雾化组件与收集器之间的距离(熔融合金颗粒通过所述距离加速)被预先确定，以使得所述熔融合金颗粒通过传导、对流和/或辐射损失足够的热能，以便在接触收集器前固化所述颗粒。在各种实施方案中，在加速的熔融合金颗粒的通路中产生非平衡等离子体以从熔融颗粒主动传递出热能，从而在接触收集器前固化所述颗粒。
在各种实施方案中，加速的熔融合金颗粒行进穿过被构造来执行固体喷雾成形方法的设备或系统中的热控制区。热控制区可包括热传递装置，所述热传递装置用于从合金颗粒主动除去热量或用于通过在热控制区域中传导、对流和/或辐射到周围环境的方式提高热损失的速率。例如，热控制区可包括诸如用于在热控制区域中维持低于环境温度的冷却线圈的装置，所述冷却线圈在熔融合金颗粒与周围环境之间建立较大的温度差。较大的温度差可能与熔融合金颗粒的热损失的较高速率相关，这允许在接触收集器之前更有效和/或更高效地固化。
在步骤1825中，将固体合金颗粒冲击到衬底上以使合金预制件1830固体喷雾成形。在各种实施方案中，所述衬底可包括收集器，例如像板、圆柱体、心轴、容器、腔室、模具或其它表面。在各种实施方案中，所述衬底可包括由冲击到初始收集器表面上的固体合金颗粒形成的正在发展的工件或预制件。以此方式，所述冲击固体合金颗粒进一步发展工件并形成预制件。
在各种实施方案中，固体合金颗粒在冷却至不大于合金的固相线温度的温度(例如像在0.50*TS至TS范围内或在包含于其中的任何子范围内的温度)后冲击衬底。具有不大于合金的固相线温度(例如，在0.50*TS至TS范围内的温度)的冲击固体合金颗粒可确保所述颗粒大致固化但足够柔软，以便在冲击衬底后变形且以固体状态冶金接合(即，固态焊接)，从而形成单一和整体固体预制件。
在各种实施方案中，初始收集器可包括由与形成雾化且固化的颗粒的合金相同或相似的合金形成的固体物件。这可确保冲击固体合金颗粒与初始收集器冶金地相容，以使得固体合金颗粒冶金接合(即，固态焊接)到衬底上和彼此冶金接合，以形成单一和整体预制件。在各种实施方案中，可通过切割、研磨等从固体喷雾成形的合金预制件中去除形成初始收集器的材料。
图19A至图19F共同示出固体喷雾成形方法和系统1900的非限制性实施方案。参照图19A，合金熔化设备1910产生熔融合金连续熔滴1915，然而应理解，合金熔化设备1910可产生熔融合金流束和/或熔融合金连续熔滴。雾化组件1920产生电子场1925，所述电子场1925与从熔化设备1910朝向衬底1930行进穿过固体喷雾成形系统1900的熔融合金熔滴1915的通路相交。
参照图19B，包含电子场1925的电子撞击在熔融合金熔滴1915上并将所述熔滴1915快速静电充电超过瑞利极限并且所述熔滴雾化成较小的熔融合金颗粒1935。雾化的熔融合金颗粒1935由于撞击电子而被充以净负电荷。雾化的熔融合金颗粒1935可通过级联效应形成，其中熔融合金熔滴1915破裂成较小的颗粒，所述较小的颗粒由冲击电子重新充电至负电势并破裂成更小的颗粒，并且所述方法重复进行，在此期间电子被添加至连续更小的雾化颗粒。或者或除此之外，雾化的熔融合金颗粒1935可从熔融合金熔滴1915的表面顺序地剥离。不管物理雾化机制如何，熔融合金熔滴1915都暴露于电子场1925足够的时间，以使得在合金中积累起足够的负电荷并使合金分裂成雾化的熔融合金颗粒1935。
参照图19C，雾化且带电的熔融合金颗粒1935通过静电场和电磁场1940中的至少一个来加速。场1940被构造来控制雾化且带电的熔融合金颗粒1935的加速度、速度和/或方向，以使得所述颗粒以受控方式从雾化设备1920朝向衬底1930行进穿过固体喷雾成形系统1900。
参照图19D，雾化且带电的熔融合金颗粒1935被冷却至不大于合金的固相线温度的温度，以使得熔融合金颗粒1935在加速时固化并形成固体合金颗粒1945。合金颗粒1935/1945在接触衬底1930之前冷却且固化。图19D示出包括冷却线圈1950的热控制区。冷却剂流体流过冷却线圈以在热控制区域中维持较低的温度，这在熔融合金颗粒1935与周围环境之间建立了更大的温度差。较大的温度差可能与熔融合金颗粒1935的热损失的较高速率相关，这允许在接触收集器1930之前更有效和/或更高效地固化成固体合金颗粒1945。
然而，应理解，可在固体喷雾成形系统1900中的热控制区中使用不同的冷却装置。例如，如本文所述的非平衡等离子体产生组件(未示出)可用于冷却和固化熔融合金颗粒1935。或者或除此之外，雾化组件1920与衬底1930之间的距离(d)可以受控的雾化颗粒尺寸和受控的颗粒加速度进行构造，以便在热控制区域中在不存在可变加热或冷却的情况下引起固化。
参照图19E，固体合金颗粒1945冲击到衬底1930上，所述衬底1930包括如本文所述具有正电极性的收集器。冲击固体合金颗粒1945变形且冶金接合到衬底1930上并产生正在发展的工件1955。参照图19F，固体合金颗粒1945继续冲击到衬底1930(其包括正在发展的工件1955)上、变形且冶金接合到衬底1930上和彼此冶金接合，以形成单一和整体固体合金预制件。
图19A至图19F中所示的固体喷雾成形系统1900的各种部件的一个或多个可围在一个真空容器或多个操作性连接的真空容器中。在各种非限制性实施方案中，可在正偏置衬底与负偏置雾化设备之间建立大的电压差，所述电压差可促进雾化的熔融合金颗粒和冷却的固体合金颗粒的加速。所述电压差的大小可能与所产生的加速度相关并影响合金颗粒的速度。
在各种实施方案中，冲击时固体合金颗粒的温度和固体合金颗粒的冲击速度是影响正在发展的工件/预制件的重要的操作参数。对这些操作参数的控制可通过在雾化设备与衬底之间的热控制区中控制雾化颗粒尺寸、静电加速电压、雾化设备与衬底的距离和/或可变的加热或冷却来实现。
另外，初始合金熔化操作的各方面针对整体固体喷雾成形方法可能呈现多种缺点。初始合金熔化操作涉及制备合适材料的炉料，然后熔化所述炉料。熔融炉料或“熔融物”随后可被精炼和/或处理来改变熔融物化学性质和/或改善来自熔融物的不希望的成分。熔炼炉可通过包含电力的装置和化石燃料的燃烧提供动力，并且合适设备的选择很大程度上受到相对成本和适用的环保法规以及正制备材料的特性的影响。熔化技术的一般类型包括(例如)感应熔化(包括真空感应熔化)、电弧熔化(包括真空电弧硬壳熔化)、坩锅熔化以及电子束熔化。
陶瓷衬里炉中所产生的熔融物可被氧化物污染。已开发了各种熔化技术，所述熔融技术采用真空环境且不使用陶瓷衬里炉。相对于在常规的陶瓷衬里炉中形成熔融物，这些技术导致在所述熔融物中产生显著较少的氧化物污染。此类技术的实例包括(例如)电子束(EB)熔化、真空电弧再熔(VAR)、真空双电极再熔(VADER)以及电渣精炼/再熔(ESR)。VAR、VADER和ESR技术(例如)在美国专利号4,261,412；5,325,906；以及5,348,566中进行描述；所述美国专利以引用的方式并入本说明书。
电子束熔化涉及使用热离子电子束枪来产生高能、大致线性的电子流束，所述电子流束用于加热靶材料。热离子电子束枪通过使电流传递至细丝来操作，从而将所述细丝加热至高温并使电子从细丝的表面“蒸发”。从细丝产生的电子然后被聚焦并以非常窄(近二维)、大致线性的电子束的形式加速朝向靶。一种离子等离子体电子束枪也已用于制备合金熔融物。确切地说，V.A.Chernov,"PowerfulHigh-VoltageGlowDischargeElectronGunandPowerUnitonItsBase,"1994Intern.Conf.onElectronBeamMelting(Reno,Nevada)第259至267页中所描述的“辉光放电”电子束已结合在可从Antares,Kiev,Ukraine获得的某些熔炼炉中。此类装置通过产生包括轰击阴极的阳离子的冷等离子体来操作并产生被聚焦来形成大致二维、线性的电子束的电子。
由前述类型的电子束枪所产生的大致线性的电子束可被引导到电子束熔炼炉的抽空的熔融腔室中并撞击在将熔融和/或保持处于熔融状态的材料上。电子传导通过导电材料将所述导电材料快速加热至超过特定熔融温度的温度。考虑到大致线性的电子束具有高能(其可为(例如)约100kW/cm2)，线性电子束枪是非常高温的热源且很容易就能超过上面撞击有大致线性束的材料的熔融温度和(在某些情况下)蒸发温度。在使用磁偏转或类似定向装置时，大致线性的电子束可在熔融腔室内在靶材料上以高频率进行光栅化处理，从而允许所述束被引导穿过广域和具有多个复杂形状的靶。
电子束冷炉床熔融技术可用于本文所述的固体喷雾成形方法、系统和设备中。可通过使大致线性的电子束撞击在原料棒的端部上来将原料滴熔融。熔融原料滴入水冷的铜制炉床的端部区域中，从而形成保护硬壳。当熔融材料收集在炉床中时，所述熔融材料溢出且由于重力而落到雾化组件中。在熔融合金材料在炉床内的停留时间内，大致线性的电子束可在材料的表面上很快地进行光栅化处理，从而使其保持处于熔融形式。这还具有通过高蒸汽压力组分的蒸发对熔融合金材料脱气和精炼的效果。所述炉床还可被确定大小来促进高密度与低密度固体夹杂物之间的重力分离，在所述情况下，氧化物和其它相对低密度的夹杂物在熔融金属中保留足以允许溶解的时间，而高密度颗粒下沉到底部且陷入在硬壳中。
适用于本文所述的固体喷雾成形方法、系统和设备的熔融技术还包括结合有金属丝放电离子等离子体电子发射体的电子束冷炉床熔融技术。这些技术(例如)在美国专利号7,803,211中并且在美国专利公开号2008/0237200和2010/0012629中进行描述，所述美国专利和美国专利公开以引用的方式并入本说明书。
如本文所使用，术语“金属丝放电离子等离子体电子发射体”是指通过使带正电的离子撞击到阴极上且由此从阴极释放电子来产生相对宽的、三维电子场的设备。由金属丝放电离子等离子体电子发射体产生的电子束不是二维电子束，而是在撞击在靶上时覆盖靶上的二维表面区域的三维电子场或电子“流”，所述二维表面区域相对于通过使大致上线性的电子束撞击到靶上而覆盖的小点是非常大的。这样，通过参照由电子束熔炼炉中所使用的常规电子枪而产生的相对小得多的接触点，由金属丝放电离子等离子体电子发射体产生的电子场在本文称为“广域”电子场。已用于不相关应用的金属丝放电离子等离子体电子发射体被不同地称为(例如)“金属丝离子等离子体(WIP)电子”枪或发射体、“WIP电子”枪或发射体以及有点混淆地被称为“线性电子束发射体”(是指所述装置的各种实施方案中的一个或多个等离子体产生金属丝电极的线性性质)。
金属丝放电离子等离子体电子发射体可以多种设计获得，但所有此类发射体都共享某些基本设计属性。每个这样的发射体都包括等离子体或电离区域，所述等离子体或电离区域包括：处于狭长金属丝阳极的形式的正离子源，以产生包含阳离子的等离子体；和阴极，所述阴极与由金属丝产生的正离子间隔开且被放置来拦截所述正离子。大的负电压被施加到阴极上，从而使得由金属丝正离子源产生的等离子体中的一小部分加速朝向阴极表面并与之碰撞，以使得次级电子被从阴极(在等离子体中连同正离子一起现存的“主要”离子)发射。从阴极表面产生的次级电子形成电子场，所述电子场通常具有冲击阴极的正离子等离子体的三维形状。所述次级电子然后从阴极附近返回朝向阳极加速，从而在穿过发射体内的低压气体的方法中经历较少的碰撞。
通过恰当地构造金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种部件，高能次级电子的宽场可形成于阴极处并且从发射体朝向靶加速。图20是金属丝放电离子等离子体电子发射体的简化表示，其中电流被施加到薄的金属丝阳极12上以产生等离子体14。等离子体14内的正离子16朝向带负电的阴极18加速且与之碰撞，从而释放出广域次级电子云20，所述电子云20通过电极之间的电场的作用而在阳极12的方向上朝向靶加速。
在各种非限制性实施方案中，被构造来执行固体喷雾成形方法的系统或设备可包括用于熔融合金的熔融组件，所述熔融组件包括压力调节腔室(熔融腔室)和设置在熔融腔室中且被构造来保持熔融合金的炉床。至少一个金属丝放电离子等离子体电子发射体可被设置在熔融组件中或邻近所述熔融组件且可被放置来将由发射体产生的三维、广域电子场引导到腔室中。金属丝放电离子等离子体电子发射体产生三维电子场，所述三维电子场具有足够的能量来将导电合金加热至其熔融温度。
在各种非限制性实施方案中，雾化组件被构造来从炉床接收熔融合金流束和连续熔滴中的至少一个。所述熔化组件可用于熔融可使用常规电子束熔炼炉熔化的任何合金，例如像基于铝、钽、钛、钨、铌、锆、镍、铁和钴的合金。在各种非限制性实施方案中，熔融组件被构造来熔融炉料，所述炉料包含构成钴基超合金或镍基超合金的化学性质的材料。在其它各种非限制性实施方案中，熔融组件被构造来熔融可能先前已由(例如)VIM、VAR和ESR中的一个或多个产生和处理的预制的合金铸锭或其它结构。
熔化组件可包括一个或多个进料器，所述进料器被适配来将导电材料或其它合金添加剂引入到熔化腔室中。进料器类型可包括(例如)棒料进料器和金属丝进料器，并且所选择的进料器类型将取决于针对炉的特定设计要求。熔化组件的进料器和至少一个金属丝放电离子等离子体电子发射体可被构造成使得由金属丝放电离子等离子体电子发射体发射的电子场至少部分地撞击在由进料器引入到腔室中的材料上。如果由进料器引入到熔化腔室中的材料是导电的，那么电子场可加热并熔化材料。
结合在熔化组件中的炉床可从本领域已知的各种炉床类型中选择。例如，熔化组件通过在熔化腔室中结合有冷炉床或更确切地说(例如)水冷的铜制冷炉床而具有电子束冷炉床熔炼炉的性质。如本领域普通技术人员所知，冷炉床包括冷却装置，所述冷却装置使得炉床内的熔融材料冻结到炉床表面上且形成保护层或硬壳。作为另一个非限制性实例，炉床可包括“自生”炉床，所述“自生”炉床是由炉中正熔化的合金涂镀或制造的炉床，在所述情况下，所述炉床的底部表面也可被水冷却以防止烧穿。
包含于熔化腔室中的特定炉床可包括熔融材料保持区域，其中所述熔融材料在传递至与熔化腔室流体连通的下游雾化装置之前驻留某个停留时间。炉床和至少一个金属丝放电离子等离子体电子发射体可放置在熔化组件中，以使得由金属丝放电离子等离子体电子发射体发射的电子场至少部分地撞击在熔融材料保持区域上。以此方式，可施加电子场以维持熔融材料保持区域内的合金材料处于熔融状态。
在各种实施方案中，熔化组件包括压力调节熔化腔室和设置在压力调节熔化腔室中的炉床，其中所述炉床包括熔融材料保持区域。所述熔化组件可进一步包括设置在压力调节熔化腔室中或邻近所述腔室的一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体。所述炉床和所述至少一个金属丝放电离子等离子体电子发射体被放置成使得由所述发射体产生的电子场至少部分地撞击在熔融材料保持区域上。与压力调节熔化腔室流体连通的雾化组件可被放置来从炉床接收熔融材料。至少一个进料器可包含于炉中且可被构造来将材料引入到压力调节熔化腔室中在炉床的至少一个区域上方的位置中。
任何合适的金属丝放电离子等离子体电子发射体可用于被构造来执行固体喷雾成形方法的系统和设备中。金属丝放电离子等离子体电子发射体的合适的实施方案(例如)在美国专利号4,025,818；4,642,522；4,694,222；4,755,722；和4,786,844中进行描述，所述美国专利以引用的方式并入本说明书。合适的发射体包括那些能够产生三维、广域电子场的发射体，所述电子场可被引入到炉的熔化腔室中且将会将放入到熔化腔室中的导电进料加热至所需温度。合适的发射体还包括那些能够产生三维、广域电子场的发射体，所述电子场可被引入到雾化腔室中并雾化如上所述的熔融合金材料。
在金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种非限制性实施方案中，所述发射体包括等离子体区域和阴极区域。所述等离子体区域包括被适配来产生包含正离子的等离子体的至少一个狭长金属丝阳极。所述阴极区域包括电连接至被适配来对阴极充以负电荷的高压电源。在金属丝放电离子等离子体电子发射体中，用于产生等离子体的电极可为沿一段等离子体区域放置的一根或多根金属丝。阴极的由正离子冲击的至少一个部分由适用于产生电子的材料组成。设置在发射体的阴极区域中的阴极的各种非限制性实施方案还可包括衬垫(例如像钼衬垫)，所述衬垫具有高的熔化温度和低的功函数，以便促进电子的产生。所述阴极和所述阳极彼此相对放置，以使得由金属丝阳极产生的等离子体中的正离子在电极之间的电场的影响下加速朝向并撞击在阴极上，从而从所述阴极释放出次级电子的广域场。
金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种非限制性实施方案包括至少一个适当的电子透射窗口(如薄的电子透射钛或铝箔)，所述电子透射窗口穿过熔化腔室和/或雾化腔室的壁打开。合适的电子透射窗口还可包括(例如)包含氮化硼或碳(例如，金刚石)材料的窗口。电子透射窗口可进一步包括多种材料，所述材料包含在本领域中一般已知能够透射电子的低原子序数的元素。金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种非限制性实施方案不包括电子透射窗口，在所述情况下，所述发射体的等离子体区域与熔化腔室和/或雾化腔室流体性地连通。在任一种情况下，广域电子场进入熔化腔室和/或雾化腔室中且可被撞击在所述一个或多个腔室内的材料上。在各种非限制性实施方案中，金属丝放电离子等离子体电子发射体可进行光栅化处理以增大由所述发射体产生的广域电子场的体积。
如果电子透射窗口不使电子发射体的内部与熔化腔室或雾化腔室分离，那么电子场在它从电子发射体射入腔室中时穿过所述窗口。在金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种非限制性实施方案中，电耦合到阴极上的高压电源为阴极提供动力以达到大于20,000伏的负电压。所述负电压起以下作用：使等离子体中的正离子加速朝向阴极，并且还从阴极中驱除次级电子场且朝向阳极。
如果金属丝放电离子等离子体电子发射体内的压力与熔化腔室和/或雾化腔室内的压力显著不同，那么电子透射窗口可以是必要的，在所述情况下，箔窗口用以隔离具有不同压力的两个相邻区域。金属丝放电离子等离子体电子发射体相对于不含气体的电子发射体(如热离子电子束枪)的优势在于金属丝放电离子等离子体电子发射体必须在等离子体区域内包含充当等离子体源的气体。尽管金属丝放电离子等离子体电子发射体可在非常低的气压下操作，但此类装置也可在相对高的气压下有效地操作。
图21示意性地示出电子束熔化组件的非限制性实施方案。熔化组件2210包括至少部分地由腔室壁2215限定的熔化腔室2214。金属丝放电离子等离子体电子发射体2216被定位在腔室2214外部和附近。金属丝放电离子等离子体电子发射体2216将广域电子场2218射入到腔室2214的内部。合金棒2220由棒料进料器2219引入到腔室2214中。熔融合金2226通过使至少一个金属丝放电离子等离子体电子发射体2216的广域电子场2218撞击到合金棒2220上而产生。从合金棒2220熔化的熔融合金2226落到水冷的铜制炉床2224中且在炉床2224中驻留停留时间，在所述炉床2224中，所述熔融合金2226通过由发射体2216产生的广域电子场2218中的一个或多个进行加热、脱气和精炼。熔融合金2226最终从炉床2224落到雾化组件2231中，在所述雾化组件2231中，所述熔融合金被雾化成合金颗粒2232，所述合金颗粒受到场产生组件2230的影响，固化且冲击到收集器2233上。
如上所述，熔化组件2210的金属丝放电离子等离子体电子发射体2216被构造来相对于由热离子电子束枪产生的大致线性束的点覆盖而产生覆盖广域的高能电子场或“流”。电子场发射体2216使电子在广域上散开并撞击在将在熔融组件2210内熔化和/或维持熔融状态的材料上。同样，金属丝放电离子等离子体电子发射体(未示出)可在雾化组件2231中建立广域电子场，所述广域电子场撞击在从熔化组件2210接收的熔融合金上并雾化熔融合金。
如上所述，金属丝放电离子等离子体电子发射体的各种非限制性实施方案一般包括产生正离子等离子体的一个或多个狭长金属丝阳极，其中所述等离子体被撞击在阴极上来产生次级电子场，所述次级电子场可加速以撞击在待加热的靶上。在图22中示出金属丝放电离子等离子体电子发射体的一个设计的示意性表示。发射体2310包括其中产生正离子等离子体的电离或等离子体区域2314和包括阴极2318的阴极区域2316。等离子体区域2314在低压下填充有可电离气体，并且所述气体在所述等离子体区域中电离以产生含阳离子的等离子体。例如，电离区域2314可在(例如)大约20毫托下填充有氦气。
小直径的狭长金属丝阳极2319穿过一段等离子体腔室2314。正电压由电源2322施加到金属丝阳极2319上，并且这启动了将氦气电离成等离子体，所述等离子体包含氦阳离子和自由电子(“主要”电子)。一旦启动氦气的电离，等离子体就通过向薄的金属丝阳极2319施加电压而得以维持。等离子体内的带正电的氦离子通过维持处于高的负电势下的引出栅极2326而被从电离腔室2314中引出且通过高压间隙加速进入阴极区域2316中，在所述阴极区域2316中，等离子体中的阳离子冲击高负压阴极2318。
阴极2318可为(例如)涂层或未涂层的金属或合金。氦离子撞击在阴极2318上释放来自阴极2318的次级电子。高压间隙2328使次级电子在与氦阳离子的运动方向相反的方向上加速，穿过引出栅极2326并进入到等离子体区域腔室2314中，随后穿过由对于电子相对透明的材料制成的薄金属箔窗口2329。如上所述，取决于电子发射体和熔化腔室和/或雾化腔室内的相对气压，有可能忽略箔窗口2329，在所述情况下，由所述发射体产生的电子将直接进入腔室。离开发射体2310的广域三维高能电子场可被引导来撞击在与箔窗口2329相对且在熔化腔室或雾化腔室内放置的靶上。
一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体(例如像发射体2310)可被提供来供应电子场到电子束熔炼炉的熔化腔室中和/或到电子束雾化组件的雾化腔室中。如图6中所示，电子束熔化设备的非限制性实施方案包括邻近熔化腔室2330放置的一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体2310。广域电子场2332通过膜窗口2329离开发射体2310且涌进炉床2336中的熔融合金2334表面的至少一个区域处，从而对所述合金进行加热以使它维持处于熔融状态。
如果发射体2310与熔化腔室2330之间的操作压力差不显著，那么可忽略膜窗口2329。熔化腔室2330可在比常规更大的压力下操作，以便进一步减少或消除不希望的元素蒸发，且在所述情况下，对将电子发射体与熔化腔室分隔的膜窗口的需要将再一次取决于所述构造中所使用的特定压力差。可选地，用于静电地和/或电磁地控制广域电子场的部件2340被提供以允许进一步改善对熔化腔室2330内的熔化方法的控制。
尽管图6提供了包括单个电子发射体的金属丝放电离子等离子体电子熔炼炉的实施方案的简化视图，但在各种非限制性实施方案中可采用多个金属丝放电离子等离子体电子发射体。一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体可结合在这样一种设备中以：(1)熔化以(例如)合金铸锭、扁锭、棒、金属丝或其它炉料的形式引入到熔化腔室中的原材料；以及(2)维持驻留在炉床中的熔融合金处于高于合金熔化温度的温度下(且可能对熔融合金脱气和/或精炼)。此外，在各种非限制性实施方案中，可连同产生大致二维、线性电子束的一个或多个电子束枪一起使用一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体。
图24和图25提供根据本公开的在电子束熔化设备的实施方案中可被构造成用作高能电子的金属丝放电离子等离子体电子发射体的非限制性实施方案的额外细节。图24是金属丝放电离子等离子体电子发射体的部分截面透视图。图25是示出图24中的发射体2510的操作的示意图。发射体2510包括电接地外壳2513，所述电接地外壳2513包括阴极区域2511、电离或等离子体区域2514以及电子透射箔窗口2515。狭长金属丝电极2516延伸穿过一段电离区域2514。箔窗口2515被电耦合至腔室2513且形成阳极，所述阳极操作来加速腔室2513内的电子，所述电子在箭头“A”的总体方向上离开腔室2513。腔室2513在低压下填充有氦气(如1-10mTorr毫托)且由供气装置2517提供气体。供气装置2517由导管2519连接到外壳2513上，所述导管2519穿过阀2521。腔室2513中的压力调节受泵2523控制，所述泵2523由导管2519连接到腔室2513。
阴极区域2511包括阴极2518，所述阴极2518进而包括安装在其较低表面上的衬垫2520。衬垫2520可包括(例如)钼，但可包括任何具有适当高的次级电子发射系数的材料。阴极2518与外壳2513的比适当均匀地间隔开，以防止帕邢击穿。阴极2518由缆线2525耦合到高压电源2522，所述缆线2525穿过绝缘子2526且进入电阻器2528。电源2522供应高的负电势(例如，200-300kV)给阴极2518。阴极2518和衬垫2520可通过例如像使冷却流体流通穿过导管2524而适当地冷却。
电离区域2514包括多个薄的金属肋状物2530，所述金属肋状物2530既电耦合又机械耦合。每个肋状物2530都包括中央切出区域，以允许金属丝电极2516穿过电离腔室2514。肋状物2530的面向阴极2518的边形成引出栅极2534。肋状物2530的全部或部分的相对边提供用于电子透射箔窗口2515的支撑栅极2536。冷却通道2540可被提供来使冷却流体流通穿过肋状物2530或在肋状物2530附近流通，以允许从电离区域2514除去热量。
电子透射箔窗口2515(其可包括，例如，铝箔或钛箔)被支撑在栅极2534上且由O形环或其它足以在外壳2513内维持高真空氦气环境的结构密封到外壳2513。电气控制装置2548通过连接器2549连接到金属丝电极2516。在控制装置2548启动时，金属丝电极2516被通电至高的正电势，且电离区域2514内的氦被电离以产生包含氦阳离子的等离子体。一旦等离子体在电离区域2514内被引发，阴极2518就由电源2522通电。电离区域2514中的氦阳离子由从阴极2518延伸到等离子体区域2514中的电场电吸引至阴极2518。氦阳离子沿场线行进，穿过吸引栅极2534，且进入阴极区域2511。
在阴极区域2511中，氦阳离子加速穿过由通电阴极2518产生的电场的全电势且强有力地撞击在阴极2518上作为准直的阳离子光束。冲击阳离子使次级电子从衬垫2520中释放。由衬垫2520产生的次级电子场在与氦阳离子的行进方向相反的方向上加速，朝向金属丝电极2516且穿过箔窗口2515
可提供用于监测腔室2513内的气压的装置，由于压力变化可能会影响氦离子等离子体的密度以及进而在阴极2518处产生的次级电子场的密度。可通过适当地调整阀2521来在外壳2513内设置初始压力。一旦含阳离子的等离子体在等离子体区域2514内被引发，就可提供电压监测器2550来间接地监测腔室2513内的瞬时静态压力。电压上升表明腔室压力较低。电压监测器2550的输出信号用于通过阀控制器2552控制阀2521。由控制装置2548供应给金属丝电极2516的电流也受到电压监测器2550的信号的控制。使用由电压监测器2550产生的信号来控制供气阀2521且控制装置2548允许从发射体2510输出稳定的电子场。
由发射体2510产生的电流可通过冲击阴极2518的阳离子的密度来确定。冲击阴极2518的阳离子的密度可通过经由控制装置2548调整金属丝电极2516上的电压来控制。从阴极2518发射的电子能可通过经由电源2522调整阴极2518上的电压来控制。所发射的电子的电流和能量两者均可独立控制，并且这些参数与所施加的电压之间的关系是线性的，从而使得对发射体2510的控制既高效又有效。
图26是结合有具有如图24和图25中所示的设计的两个金属丝放电离子等离子体电子发射体2614和2616的电子束熔化组件2610的示意性图示。熔化组件2610包括熔化腔室2620、进料器2622且操作性地连接到雾化组件2624上。操作发射体2614和2616所需的电流由电力线2626输送至所述发射体，且发射体2614和2616与熔化腔室2620之间的界面包括电子透射箔窗口2634和2636，所述电子透射箔窗口允许由发射体2614和2616产生的电子场2638进入熔化腔室2620。用于使电子场2638电磁地转向的电磁控制装置2639可包含在熔化腔室2620内以提供额外的方法控制。
炉床2640(其可为(例如)冷炉床)被放置在熔化腔室2620中。在操作中，金属丝放电离子等离子体电子发射体2614和2616被通电且产生电子场2618。合金进料2644由进料器2622引入熔化腔室2620中、由从发射体2614发射的电子场2638熔化且落到炉床2640上。由发射体2616发射的广域电子场2638在驻留在炉床2640上时，对熔融合金材料2642进行加热、除气和精炼。熔融材料2642沿炉床2640前进并落到雾化组件2624上并且固体喷雾成形为固体预制件。雾化组件2624可包括一个或多个热离子电子束发射体和/或一个或多个金属丝放电离子等离子体电子发射体。
本说明书已参照各种非限制性和非穷举性实施方案进行编写。然而，本领域技术人员将认识到，可在本说明书的范围内做出对所公开实施方案(或其部分)中的任一个的各种替换、修改或组合。因此，应考虑到且应理解，本说明书支持本文没有明确阐述的额外的实施方案。所述实施方案可(例如)通过结合、修改或重组本说明书中所述的各种非限制性实施方案的所公开步骤、部件、元件、特征、方面、特性、限制等中的任一个而获得。以此方式，申请人保留在起诉期间修改权利要求以添加本说明书中不同地描述的特征的权利，且此类修改符合美国法典第35篇112条第一段和美国法典第35篇132条(a)款的要求。

Claims (37)

1.一种用于产生固体合金预制件的方法，其包括：
产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种；
通过使电子撞击在所述熔融合金流束和所述熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化所述熔融合金来产生所述熔融合金的带电颗粒；
通过静电场和电磁场中的至少一个来加速所述带电的熔融合金颗粒；
将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化并且形成固体合金颗粒；
将所述固体合金颗粒冲击到衬底上，其中冲击颗粒变形且冶金接合到所述衬底上以产生所述固体合金预制件。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度并且大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.50倍的温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.95倍并且大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.50倍的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其中冷却所述熔融合金颗粒包括使所述熔融合金颗粒与非平衡等离子体接触。
5.如权利要求1所述的方法，其中冷却所述熔融合金颗粒包括引导所述合金颗粒穿过冷却线圈。
6.如权利要求1所述的方法，其中产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种包括使用真空感应熔化、真空电弧再熔、真空双电极再熔、电渣精炼/再熔、电子束熔化和电子束冷炉床熔化中的至少一种来熔化合金材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底保持在正电势下以吸引通过使电子撞击在所述熔融合金上而产生的所述带电的合金颗粒。
8.如权利要求1所述的方法，其中撞击电子包括三维电子场。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述三维电子场包括圆柱形空间分布，引导所述熔融合金的流动路径穿过所述圆柱形空间分布。
10.如权利要求9所述的方法，其中电子的所述圆柱形空间分布的纵轴线在所述熔融合金的所述流动路径的方向上取向。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述三维电子场包括矩形空间分布，引导所述熔融合金的流动路径穿过所述矩形空间分布。
12.如权利要求11所述的方法，其中将包括矩形横截面的电子束进行光栅化处理以提供电子的矩形空间分布。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述电子被引导来形成漫斑并且对所述漫斑进行光栅化处理以提供具有受控形状的电子的三维空间分布。
14.如权利要求1所述的方法，其中撞击电子是由热离子电子束发射体和金属丝放电离子等离子体电子发射体中的至少一种产生。
15.如权利要求1所述的方法，其中撞击电子通过静电场和电磁场中的至少一个来引导以便在所述熔融合金的流动路径中产生三维电子场。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底包含合金，所述合金为与形成所述合金颗粒的合金相同的合金。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述熔融合金为镍基超合金。
18.如权利要求1所述的方法，其中在使电子撞击在所述熔融合金上之前，在所述熔融合金中感应出负电荷。
19.一种用于产生固体合金预制件的方法，其包括：
产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种；
产生三维电子场；
使来自所述三维电子场的电子撞击在所述熔融合金流束和所述熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化所述熔融合金并产生所述熔融合金的带电颗粒；
通过静电场来加速所述带电的熔融合金颗粒；
将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化并且形成固体合金颗粒；
将所述固体合金颗粒冲击到衬底上，其中冲击颗粒变形且冶金接合到所述衬底上以产生所述固体合金预制件。
20.一种用于产生固体合金预制件的系统，其包括：
熔化组件，所述熔化组件被构造来产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种；
雾化组件，所述雾化组件被构造来通过使电子撞击在所述熔融合金流束和所述熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化所述熔融合金来产生所述熔融合金的带电颗粒；
场产生组件，所述场产生组件被构造来产生静电场和电磁场中的至少一个以加速所述带电的熔融合金颗粒；
热控制区，所述热控制区被构造来将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在加速时固化且形成固体合金颗粒；以及
收集器，其中所述固体合金颗粒冲击、变形和冶金接合到所述收集器且产生所述固体合金预制件。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述熔化组件包括真空电弧再熔装置、电渣精炼装置、感应熔化装置、等离子体电弧熔化装置、电子束熔化装置或冷炉床熔化装置中的至少一种。
22.如权利要求20所述的系统，其中所述熔化组件包括冷感应引导件。
23.如权利要求20所述的系统，其中所述熔化组件基本上缺乏陶瓷材料。
24.如权利要求20所述的系统，其中所述熔化组件被构造来在熔融合金进入所述雾化组件之前为所述熔融合金预充电负电荷。
25.如权利要求20所述的系统，其中所述雾化组件包括热离子电子束发射体和金属丝放电离子等离子体电子发射体中的至少一种。
26.如权利要求20所述的系统，其中所述雾化组件被构造来产生三维电子场。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述雾化组件被构造来对电子束进行光栅化处理以提供电子的三维空间分布。
28.如权利要求20所述的系统，其中所述雾化组件被构造来产生静电场和电磁场中的至少一个，所述静电场和电磁场中的至少一个引导电子以便在所述熔融合金经过所述雾化组件的流动路径中产生三维电子场。
29.如权利要求20所述的系统，其中所述热控制区被构造来将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度并且大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.50倍的温度。
30.如权利要求20所述的系统，其中所述热控制区被构造来将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.95倍并且大于所述熔融合金颗粒的所述固相线温度的0.50倍的温度。
31.如权利要求20所述的系统，其中所述热控制区包括非平衡等离子体产生组件，所述非平衡等离子体产生组件被构造来产生通过经所述热控制区传导接触熔融合金颗粒的非平衡等离子体。
32.如权利要求20所述的系统，其中所述热控制区包括冷却线圈，其中引导所述熔融合金颗粒穿过所述冷却线圈。
33.如权利要求20所述的系统，其中所述收集器包括模具、像板、板、心轴和衬底中的至少一种。
34.如权利要求20所述的系统，其中所述收集器包括与形成所述合金颗粒的合金相同的合金。
35.如权利要求20所述的系统，其中所述收集器保持在正电势下以吸引在所述雾化组件上产生的所述带电的合金颗粒。
36.一种用于产生固体合金预制件的系统，其包括：
熔化组件，所述熔化组件被构造来产生熔融合金流束和熔融合金连续熔滴中的至少一种；
雾化组件，所述雾化组件被构造来通过使电子撞击在所述熔融合金流束和所述熔融合金连续熔滴中的至少一种上以雾化所述熔融合金来产生所述熔融合金的带电颗粒；
热控制区，所述热控制区被构造来将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在经过所述热控制区传导时固化并且形成固体合金颗粒；以及
收集器，其中所述固体合金颗粒冲击、变形和冶金接合到所述收集器且产生所述固体合金预制件。
37.一种用于产生固体合金预制件的方法，其包括：
雾化熔融合金颗粒；
传导所述熔融合金颗粒；
将所述熔融合金颗粒冷却至不大于所述熔融合金颗粒的固相线温度的温度，以使得所述熔融合金颗粒在传导时固化以形成固体合金颗粒；以及
将所述固体合金颗粒冲击到收集器上，其中冲击颗粒变形和冶金接合到所述收集器且产生所述固体合金预制件。
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