CN105142830B - 用于脱气和热处理粉末的流化床 - Google Patents

Abstract

一种方法包括将金属粉末引入流化床反应器的流化室中。流化气体流入所述流化室中。所述金属粉末变成夹带在所述流化气体的流动中。通过在一段持续时间内和处理温度下将所述金属粉末暴露于所述流化气体来从所述金属粉末中除去吸附的水分，所述持续时间和处理温度引起所述吸附的水分从所述金属粉末中除去。

Description

用于脱气和热处理粉末的流化床

背景

本发明涉及增材制造，并且具体地说，涉及用在增材制造中的粉末的热处理。

在制备用于增材制造的金属粉末中，粉末的表面可非常迅速地氧化。当粉末的氧化的表面暴露在环境中时，水分可吸附到表面中并吸附到氧化物上。一旦在增材制造过程期间使用所述粉末，吸附到粉末中的水分可导致所形成的最终材料中的空洞。从增材制造的材料中除去水分的方法可导致最终材料中氢气的形成，这可导致最终材料更脆。

在增材制造期间从金属粉末中除去吸附的水分的先前方法包括各种脱气的方法。传统的脱气方法涉及使用非常低的压力真空和高温。维持脱气期间非常低的压力真空可发生复杂性。另外，传统的高温热处理方法可导致金属粉末的不希望的烧结。

概述

一种方法包括将金属粉末引入流化床反应器的流化室中。流化气体流入流化室中。金属粉末变成被夹带在流化气体的流动中。通过在一段持续时间内和处理温度下将金属粉末暴露于流化气体来从金属粉末中除去吸附的水分，所述持续时间和处理温度引起吸附的水分从金属粉末中除去。

一种系统包括具有接收金属粉末的流化室的流化床反应器。连接到流化室的流化气体源提供流化供应气体。流化供应气体流入流化室中引起金属粉末变成悬浮在流化供应气体中。加热器维持流化室内足以引起吸附的水分从金属粉末中除去的温度。金属粉末随后被增材制造装置使用以形成物体。

附图说明

图1是结合本发明的方法的示意性框图。

图2A是根据本发明的流化床反应器的示例性实施方案的示意性截面正视图。

图2B是根据本发明的流化床反应器的示例性实施方案的示意性截面正视图。

图3是根据本发明的一系列流化床反应器的示例性实施方案的示意性截面图。

详述

图1示出用于在增材制造装置14中使用粉末供应12之前从粉末供应12中除去水分的循环10的流程图。循环10包括将新粉末16与回收粉末18结合以形成粉末供应12。粉末供应12移入流化床反应器20中以制备用于增材制造装置14的粉末供应12。在增材制造装置14执行完增材制造过程之后，部分24从残余粉末26中分离22。残余粉末26被增材制造装置14回收并变成回收粉末18。回收粉末18随后与粉末供应12重新混合以便在循环10中重新使用。

流化床反应器20被用来在增材制造装置14中制备粉末供应12。流化床反应器20通过流化粉末供应12并对粉末供应12应用热处理来制备粉末供应12。将流化粉末供应12与热处理粉末供应12相结合允许有效过程从粉末供应12中除去吸附的水分。流化粉末供应12使颗粒悬浮在流化气体34中并将粉末供应12的单个颗粒从彼此中分离。在应用热处理期间，防止引起粉末供应12的颗粒烧结，因为粉末供应12的颗粒并不彼此紧密接近。由于粉末供应12的未流化颗粒的静态特性以及它们对其他颗粒的紧密接近，流化床反应器20的使用提供对传统脱气方法的改进。利用传统方法，粉末供应12的颗粒的紧密接近可引起粉末供应12在粉末供应12被热处理时烧结。

图2A示出根据本发明的流化床反应器20的示例性实施方案的示意性截面正视图。流化床反应器20包括流化室28。未流化粉末30被引入流化室28中。在流化过程开始前，未流化粉末30搁置在流化室28的底部。

图2B示出根据本发明的流化床反应器20的示例性实施方案的示意性截面正视图。当流化气体34被引入流化室28中时，图2A的未流化粉末30变成流化粉末32。当流化气体34被引导穿过流化室28时，流化粉末32变成悬浮在流化气体34中。流化气体34穿过流化床反应器20底部的进料管线36进入流化室28。热电偶38位于流化室28中。热电偶38控制流化室28内的温度以提供足以引起任何吸附的水分从流化粉末32中除去的反应温度。流化气体34在流速40下被引入流化室28中。流化气体34的存在还有助于从流化粉末32中吸收吸附的水分。流化气体34可包括氮气或任何其他干燥气体。流化气体34穿过排出管线41排出流化室28。

从流化粉末32中除去吸附的水分防止在增材制造过程期间产生的最终材料中的空洞。使用流化床反应器20还防止未流化粉末30的烧结。当流化粉末32的颗粒在未流化粉末30中时，它们在静态位置并不彼此接触。当未流化粉末30被加热时，由于未流化粉末30的颗粒彼此间的相对接近以及流化室28中的高温热量，未流化粉末30的颗粒可烧结。流化粉末32的颗粒并不紧密接近流化粉末32的其他颗粒而搁置，因此减少流化室28的温度升高时烧结流化粉末32的发生。本发明的流化床反应器20可用于高温退火以允许加热到相当高的温度而不烧结流化粉末32。流化床反应器20的使用也省却用于传统脱气方法的维持非常低的压力真空涉及的复杂性。

图3是根据本发明的流化床反应器20的示例性实施方案的示意性截面图。流化床反应器20包括第一流化室28A、第二流化室28B和第三流化室28C。第一流化室28A通过第一连接管线44流体连接到第二流化室28B。第二流化室28B通过第二连接管线46流体连接到第三流化室28C。第一热电偶38A位于第一流化室28A中，第二热电偶38B位于第二流化室28B中，并且第三热电偶38C位于第三流化室28C中。流化气体34穿过排出管线41排出流化室28C。

在流化过程期间，在第一流化室28A、第二流化室28B和第三流化室28C的每个中控制流化气体34的流速，以便对流化粉末32的特定尺寸进行分类。在第一流化室28A、第二流化室28B和第三流化室28C的每个中选择流化气体34的第一流速40A、第二流速40B和第三流速40C，以便分别夹带第一粉末颗粒50A、第二粉末颗粒50B和第三粉末颗粒50C。流化气体34的大的第一流速50A被引入第一流化室28A中，使得较大的第一粉末颗粒50A变成悬浮在流化气体34中。第一流速40A由第一流动控制器48A控制。两者尺寸均小于第一粉末颗粒50A的第二粉末颗粒50B和第三粉末颗粒50C在流化气体16的第一流速40A下穿过第一连接管线44被携带出第一流化室28A并进入第二流化室28B中。悬浮在第一流化室28A中的第一粉末颗粒50A的尺寸的实例为大于100微米的尺寸。

流化气体34的第二流速40B被引入第二流化室28B中，所述流化气体34的第二流速40B慢于对应于第一流化室28A的流化气体34的第一流速40A。在第二流化室28B中，第二粉末颗粒50B变成悬浮在流化气体34中。小于第二粉末颗粒50B的第三粉末颗粒50C穿过第二连接管线46被携带出第二流化室28B并进入第三流化室28C中。第二流动控制器48B控制流化气体34进入第二流化室28B的第二流速40B。悬浮在第二流化室28B中的第二粉末颗粒50B的尺寸的实例在100微米与50微米的尺寸之间变化。

流化气体34的第三流速40C被引入第三流化室28C中，所述流化气体34的第三流速40C慢于对应于第二流化室28B的流化气体34的第二流速40B。在第三流化室28C中，第三粉末颗粒50C变成悬浮在流化气体34中。第三流动控制器48C控制流化气体34进入第三流化室28C的第三流速40C。悬浮在第三流化室28C中的第三粉末颗粒50C的尺寸的实例在50微米与15微米的尺寸之间变化。

针对不同的流化室选择性地控制粉末颗粒尺寸使得能够基于引入每个流化室中的流化气体流速和每个流化室的直径对粉末的尺寸进行分类。取决于粉末颗粒尺寸，选择特定流速来在流化床反应器的每个内漂浮不同尺寸的颗粒。

虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并可使用等效物来取代其元件。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可做出许多修改来使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

可能实施方案的讨论

以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。

一种方法包括将金属粉末引入流化床反应器的流化室中。流化气体流入流化室中。金属粉末被夹带在流化气体的流动中。通过在一段持续时间内和处理温度下将金属粉末暴露于流化气体来从金属粉末中除去吸附的水分，所述持续时间和处理温度足以引起吸附的水分从金属粉末中除去。

另外和/或替代地，上一段的方法可任选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

流化气体包括具有所需特性的气体或气体混合物；

流化气体包括氮气；

所述方法还包括在增材制造工艺中使用金属粉末；

通过将流化室加热到低于金属粉末的烧结温度的温度来从金属粉末中除去吸附的水分；

所述方法还包括选择性的流化系统，所述选择性的流化系统能够基于金属粉末的颗粒尺寸将不同颗粒尺寸的金属粉末漂浮在流化床反应器内；

所述方法还包括选择流化气体流速来将所需尺寸的金属粉末颗粒漂浮在流化室内；

所述方法还包括多个流化室；

所述多个流化室将不同颗粒尺寸的金属粉末分离到不同的流化床反应器中；

所述多个流化室使用流化气体的选择性流速来分离开具有与每个流化室相关联的特定尺寸的金属粉末；并且

所述方法被用在包括冷喷涂金属粉末的增材制造工艺中。

一种系统包括流化床反应器、流化气体源、加热器和增材制造装置。流化床反应器具有接收金属粉末的流化室。流化气体源连接到流化室以提供流化供应气体，所述流化供应气体流入流化室中，引起金属粉末变成悬浮在流化供应气体中。加热器维持流化室中足以引起吸附的水分从金属粉末中除去的温度。增材制造装置使用金属粉末来形成物体。

另外和/或替代地，上一段的系统可任选地包括以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：

流化供应气体包括具有所需特性的气体或气体混合物；

流化供应气体包括干燥的氮气；

流化床反应器通过将流化室加热到低于金属粉末的烧结温度的温度来将吸附的水分从粉末中除去；

流化床反应器包括多个流化室，所述流化室能够基于粉末的颗粒尺寸将不同颗粒尺寸的金属粉末漂浮在流化床反应器内；

流化床反应器包括流速控制器，所述流速控制器用于选择流化供应气体流速来将所需颗粒尺寸的金属粉末漂浮在每个流化室内；并且

所述系统执行包括冷喷涂金属粉末的增材制造工艺。

Claims (13)

1.一种用于热处理金属粉末的方法，其包括：

将金属粉末引入流化床反应器的流化室中；

将流化气体流入所述流化室中，以使得所述金属粉末的颗粒从彼此中分离，从而防止引起所述金属粉末的颗粒的烧结；

在所述流化气体的流动中夹带所述金属粉末；以及

通过在一段持续时间内和处理温度下将所述金属粉末暴露于所述流化气体来将吸附的水分从所述金属粉末中除去，所述持续时间和处理温度足以引起所述吸附的水分从所述金属粉末中除去，

其中，所述流化床反应器包括多个流化室，所述方法还包括选择流化气体流速来分离开具有与每个流化室相关联的特定尺寸的金属粉末。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述流化气体包括气体。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述流化气体包括气体混合物。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述流化气体包括氮气。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括在增材制造工艺中使用所述金属粉末。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：通过将所述流化室加热到低于所述金属粉末的烧结温度的温度来将所述吸附的水分从所述金属粉末中除去。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法被用在包括冷喷涂所述金属粉末的增材制造工艺中。

8.一种用于热处理金属粉末的系统，其包括：

流化床反应器，其具有接收金属粉末的流化室；

流化气体源，其连接到所述流化室以提供流化供应气体，所述流化供应气体流入所述流化室中，引起所述金属粉末变成悬浮在所述流化供应气体中，以使得所述金属粉末的颗粒从彼此中分离，从而防止引起所述金属粉末的颗粒的烧结；

加热器，其维持所述流化室中足以引起吸附的水分从所述金属粉末中除去的温度；以及

增材制造装置，其使用所述金属粉末来形成物体，

其中，所述流化床反应器包括多个流化室和流速控制器，所述多个流化室能够基于所述粉末的颗粒尺寸将不同颗粒尺寸的金属粉末漂浮在所述流化床反应器内，所述流速控制器用于选择流化供应气体流速来将所需颗粒尺寸的金属粉末漂浮在每个流化室内。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述流化供应气体包括气体。

10.如权利要求8所述的系统，其中，所述流化供应气体包括气体混合物。

11.如权利要求9所述的系统，其中，所述流化供应气体包括干燥的氮气。

12.如权利要求8所述的系统，其中，所述流化床反应器通过将所述流化室加热到低于所述金属粉末的烧结温度的温度来将所述吸附的水分从所述粉末中除去。

13.如权利要求8所述的系统，其中，所述系统执行包括冷喷涂所述金属粉末的一种增材制造工艺。