CN110191776A - 用于雾化技术的熔体的处理 - Google Patents
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Abstract
提供了一种通过水、气体、等离子体或旋转盘雾化制造粉末金属材料的改进的方法。该方法包括，在雾化过程之前或期间将至少一种添加剂添加到熔融金属材料中。所述至少一种添加剂形成围绕熔融金属材料的保护气氛，其是待处理熔体体积的至少三倍。保护气氛可防止污染物(如硫(S)和氧气(O2))被引入或重新引入材料中。所产生的雾化颗粒包括以下优点中的至少一者：中值圆形度为至少0.60，中值圆度为至少0.60，内部孔隙较少，内部氧化物较少，并且微结构相和/或组分的球形度增加。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月17日提交的序列号为No.15/295,733的美国实用专利申请的权益，该申请的全部公开内容被视为本申请的公开内容的一部分并且通过引用结合于本文中。
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及粉末金属材料，以及通过水或气体雾化或任何其它雾化工艺形成粉末金属材料的方法，所述工艺要求待雾化的材料经历液态金属熔池的形成。
2.相关技术
粉末金属材料可以通过各种方法形成，例如通过水雾化，气体雾化，等离子体雾化或旋转盘。常见的雾化工艺包括，将流体(水，气体，油或等离子体)施加到熔融金属材料上以形成多个颗粒。熔融金属在水雾化过程中的冷却速度比在气体雾化中的冷却速度快得多，这导致不规则形状的颗粒通常不适用于金属注射成型，热喷涂，增材制造工艺如选择性激光烧结，电子束熔化，三维打印和其它制造技术，其中更优选球形颗粒。因此，通过水雾化形成的粉末金属材料经常用于典型的压制和烧结过程中。已知的是，气体雾化形成具有更具球形的颗粒。然而，气体雾化比水雾化贵三到九倍。在大多数雾化粉末中遇到的另一个常见问题是内部孔隙和内部氧化物的存在。这些缺陷将对由粉末制成的部件的机械性能产生负面影响。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种制造粉末金属材料的改进方法。该方法包括，将至少一种添加剂添加到熔融金属材料中，该熔融金属材料将形成围绕熔体的保护气态气氛。该保护气氛充当屏障以防止诸如硫(S)和/或氧(O2)的杂质进入或重新进入熔融金属材料中；在添加至少一些添加剂之后，雾化熔融金属材料，以产生多个颗粒。与待雾化的合金的化学组成相关联的所选择的添加剂的化学性质可以产生这些改进中的至少一种：圆形度中值为至少0.6且圆度中值为至少0.6的颗粒，和/或较少的内部孔隙，和/或较少的内部氧化物。
附图的简要说明
本发明的其它优点将是容易理解的，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本发明的优点，其中：
图1是作为对比的水雾化的钢粉的光学显微照片，其含有约1.3％的碳(C)和1.1％的Si(FGP1210)，没有添加在-200目(74微米和更小)下筛分的镁，其中红色箭头指向内部孔隙；
图2是根据一个示例性实施例的水雾化的钢粉的光学显微照片，其含有约1.4％的C和1.1％的Si(FGP 1210Mg，其中“FGP”代表游离石墨粉)，添加的镁在-200目(74微米及更小)下被筛分，其中红色箭头指向与图1的内部孔隙相比更少和更小的内部孔隙；
图3是作为对比的水雾化的铸铁粉末的背散射电子显微照片，其含有约4.0％的C和2.3％的Si(FGP4025)，没有添加在-200目(74微米或更小)下筛分的镁，其中一个红色箭头指向一个孔隙率；
图4是根据一个示例性实施例的含有约4.1％C和2.4％的Si(FGP4025Mg)的水雾化的铸铁粉末的背散射电子显微照片，其中添加的镁在-200目(74微米和更小)下筛分，其中与图3相比观察不到孔隙率；
图5是作为对比的水雾化的不锈钢粉末(SS304)的背散射电子显微照片，其中没有添加在-200目(74微米和更小)下筛分的镁；
图6是根据一个示例性实施例的水雾化的不锈钢粉末(SS304Mg)的背散射电子显微照片，其中添加的镁是在-200目(74微米和更小)下筛分的；
图7包含列出并对经受水雾化工艺的组合物进行评估的表格；
图8图示了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7所示FGP1210组合物的粉末的圆形度频度分布；
图9图示了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7的FGP1210组合物的粉末的圆度频度分布；
图10示出了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7的FGP4025组合物的粉末的圆形度频度分布；
图11图示了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7的FGP4025组合物的粉末的圆度频度分布；
图12图示了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7的SS304组合物的粉末的圆形度频度分布；
图13图示了具有在-200目(74微米和更小)下筛分的图7的SS304组合物的粉末的圆度频度分布；
图14是表示图7中所列组合物的圆形度的数值数据的表格；
图15是图示图7中列出的组合物的圆度的数值数据的表格；
图16是水雾化的不锈钢粉末(SS304)的背散射电子显微照片，其中没有添加在-80/+200目(在177和74微米之间)筛分的镁，其中红色箭头指向内部孔隙；
图17是另一种水雾化的不锈钢粉末(SS304Mg)的背散射电子显微照片，其中添加的镁是在-80/+200目(在177和74微米之间)下筛分的，其中，与图16中的那些相比，一个红色箭头指向仅仅一个较小的内部孔隙；
图18是没有添加镁的水雾化的铸铁粉末(FGP4025)的背散射电子显微照片，其中，许多不规则的初生石墨球(graphite nodule)沉淀在内部氧化硅上，该内部氧化硅在雾化工艺的浇注步骤中被引入熔体中；
图19是另一种水雾化的铸铁粉末(FGP4025Mg)的背散射电子显微照片，其中添加了镁，其中，一个球形初生石墨球沉淀在雾化工艺过程中在含有镁的非均质氧化物核上；
图20是水雾化的铸铁粉末的背散射电子显微照片，其含有约4.0％C和2.3％的Si(FGP4025)而没有添加镁，其中存在有在后续热处理工艺过程中以固态生长的石墨球；
图21是根据一示例性实施例的另一种具有添加的镁的水雾化的铸铁粉末(FGP4025Mg)的显微照片，其中与图20中呈现的那些相比具有更多的在后续热处理工艺期间以固态生长存在的球形石墨球；
图22图示了热处理后的具有图7的FGP4025组合物的粉末中的石墨球的圆形度频度分布；
图23图示了在热处理后具有图7的FGP4025组合物的粉末中的石墨球的圆度频度分布；
图24是显示了对于两种粉末在固态下生长的石墨球的圆形度的数值数据的表，其中组合物列于图7中；
图25是显示了对于两种粉末在固态下生长的石墨球的圆度的数值数据的表，其中组合物列于图7中；
图26是曲线图，显示了每100克熔体获得的计算的气体总体积与图7的组合物示例中的添加剂的量之间的关系；
图27是曲线图，显示了在图26中描述的粉末雾化工艺过程中暴露于中间包(tundish)上面的气氛之前和之后在抛光的纯铁上实验获得的EDS光谱；
图28是曲线图，显示了在不同温度(800和900摄氏度)下由铝中的钠和钾添加剂所产生的气体的计算体积，其中虚线表示气体的下限；
图29是曲线图，显示了在1800摄氏度的温度下由钛中的不同添加剂产生的气体的计算体积，其中虚线表示气体的下限；
图30是曲线图，显示了在1600摄氏度的温度下由钴中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图31是曲线图，显示了在2000摄氏度的温度下由铬中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图32是曲线图，显示了在1200摄氏度的温度下由铜中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图33是曲线图，显示了在1650摄氏度的温度下由铁中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图34是曲线图，显示了在1400摄氏度的温度下由锰中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图35是曲线图，显示了在1600摄氏度的温度下由镍中的不同添加剂产生的计算的气体体积，其中虚线表示气体的下限；
图36是曲线图，显示了在1600摄氏度的温度下每100克复合钴合金熔体获得的气体总体积与添加剂(K和Li)的量之间的关系；
图37是表格，呈现了为各化学体系(铝，铜，锰，镍，钴，铁，钛和铬)产生保护气氛的添加剂；
图38是表格，呈现了为各化学体系(铝，铜，锰，镍，钴，铁，钛和铬)与溶解硫反应的添加剂；
图39是表格，呈现了与各化学体系的自然氧化物(Al中的Al2O3,Cu中的CuO,Mn中的MnO2,Ni中的NiO,Co中的CoO,Fe中的Fe2O3,Ti中的TiO2,和Cr中的Cr2O3)发生反应的添加剂。
具体实施方式
本发明的一个方面包括通过水或气体雾化或任何其它雾化工艺制造粉末金属材料的改进方法，该方法要求待雾化的材料经历产生液体金属浴，比如等离子体雾化或旋转盘雾化，这是通过在雾化工艺之前和/或期间向熔融金属材料中添加至少一种添加剂来进行的。所述至少一种添加剂形成围绕熔融金属材料的保护气氛，该保护气氛是待处理的熔体体积的至少三倍。
添加到熔融材料中的至少一种添加剂将产生保护气氛，该保护气氛将充当屏障以防止诸如硫(S)和/或氧气(O 2)等杂质进入或重新进入熔融金属材料，当保护气体从熔体中流出时，将杂质从熔化的材料中推开。形成保护气体气氛的添加剂还可以在引入添加剂之前与熔体中溶解的硫和/或熔体中的悬浮的氧化物反应。添加剂与熔体中溶解的硫之间的反应将增加颗粒和/或微结构相和组分的球形度。在添加剂引入之前，添加剂与在熔体中悬浮的氧化物的反应将降低内部孔隙的量和尺寸。在引入添加剂之前添加剂与熔体中的氧化物和溶解的硫发生的反应，将降低内部孔的量和尺寸并增加颗粒和/或微结构相和组分的球形度。在一些情况下，添加剂和溶解的硫之间的反应也将降低内部孔的量和尺寸。通过改进方法形成的颗粒要么更清洁，和/或含有更少的内部孔，和/或更具球形，和/或包括更多球形的微结构组分和/或相。
当采用水雾化时，将添加剂添加到熔融金属材料中可以将雾化颗粒的球形度增加到接近由气体雾化形成的颗粒的球形度的水平，但是与气体雾化相比具有降低的成本。将添加剂添加到熔融金属材料中，这还可以通过限制由熔体表面形成和夹带新氧化物并通过添加剂与在被引入之前在熔体中已存在的那些氧化物反应来产生更清洁的颗粒。这些氧化物可以形成双膜(bifilms)，其中氧化物膜叠加，在氧化物膜之间留下弱界面。添加剂还可以降低内部孔隙的量和尺寸，这是雾化粉末中遇到的问题。添加剂还可以增加在雾化颗粒中和/或在随后的热处理过程中形成的微结构组分和/或相的球形度。例如，如果雾化颗粒由铸铁材料形成，则至少50％的在后续热处理过程中形成的石墨沉淀物将具有至少0.6的圆形度和至少0.6的圆度。
根据一个示例实施例，该方法始于熔化基本金属材料(base metal material)。许多不同的金属组合物可用作基本金属材料。然而，为了产生足够的气体作为保护气氛并因此获得所需的球形粉末和/或更多球形微结构组分和/或更清洁的颗粒和/或具有更少的内部孔，添加剂必须在金属材料中具有低溶解度。应这样选择基本材料和添加剂，使得当引入添加剂时，产生的保护气体的体积是待处理的熔体体积的至少三倍。例如，如果将0.22重量百分比(重量％)的镁添加到具有与图7的FGP4025Mg相似组分的熔体中，则产生的气体体积被计算为体积下限的大约20倍。
基本金属材料通常包括铝(Al)，铜(Cu)，锰(Mn)，镍(Ni)，钴(Co)，铁(Fe)，钛(Ti)和铬(Cr)中的至少一种。基本材料可包括纯的铝，铜，锰，镍，钴，铁，钛或铬。富铝，富铜，富锰，富镍，富钴，富铁，富钛和富铬的合金，或者包含至少50重量％的Al，Cu，Mn，Ni，Co，Fe，Ti和/或Cr的合金，也非常适合用作起始基本金属材料。这些不同比例的基本金属材料的混合物也非常适合用作起始材料，例如但不限于Al-Cu，Fe-Ni，Fe-Co，Fe-Ni-Co，Ni-Cr，Ti-Cu和Co-Cr合金。这些合金还可以包括下列中的至少一种以作为合金化元素，只要它们将保持固溶于目标合金的熔体中：银(Ag)，硼(B)，钡(Ba)，(Be)，碳(C)，钙(Ca)，铈(Ce)，镓(Ga)，锗(Ge)，钾(K)，镧(La)，锂(Li)，镁(Mg)，钼(Mo)，氮(N)，钠(Na)，(Nb)，磷(P)，硫(S)，钪(Sc)，硅(Si)，锡(Sn)，锶(Sr)，钽(Ta)，钒(V)，钨(W)，钇(Y)，锌(Zn)，以及锆(Zr)。根据一个示例性实施例，为了在Al-Mg系合金中产生气态保护气氛，应使用K和/或Na作为添加剂，并且应根据所选择的添加剂选择熔融温度，参见图28。Mg用作铝合金(Al-5000系列)中的合金化元素，并且不会产生保护气体气氛。
但是，起始金属材料不限于上述组合物。可以使用其它金属组合物，只要该添加剂在所选材料中具有低溶解度并产生足够量的保护性气体气氛即可。而且，为了使添加剂处理能够有效地改变粉末和微观结构组分和/或相的形状，添加剂必须与杂质(例如熔融金属材料中存在的硫)反应以减少在熔体中的溶体中的硫的量，从而增加表面张力。当组分采用球形时，高表面张力液体或暴露于周围环境的固体组分的表面积是最小化的，这反过来使表面与体积之比最小化。一些用于产生气态保护气氛的添加剂将自然地与熔体中溶解的硫反应，以产生更稳定的化合物，从而增加表面张力。对于在富含Fe的体系中的Mg而言就是这种情况，其中固体MgS将沉淀。然而，一些添加剂会产生保护性气氛，但不会与溶解的硫反应，比如Na在富含Fe的体系中的情况那样。在这些情形下，必须使用不同添加剂的组合来增加表面张力。
硫可以用作不同化学系统中的合金化元素，以在雾化的粉末(称为具有预合金化硫化物的粉末)中产生固体硫化物。通常希望这些硫化物改善用这些粉末制成的部件的机械加工性。为了产生更多含有预合金化硫化物的球形颗粒，应当根据所需要的硫化物的量，来增加产生保护性气体气氛并与溶解硫反应以增加颗粒和/或微结构相和组分的球形度的添加剂的量。例如，根据计算可确定，添加0.70重量％的Mg到含有1.4重量％的C、1.1重量％的Si和0.50重量％的S的富含Fe的合金中，将产生约18倍气体下限的气体，将产生约0.90重量％的硫化物(MgS)，并且将降低熔体中溶解的硫的量以增加颗粒的球形度。
如上所述，可以向熔融金属材料中添加各种不同的添加剂，以实现增强的保护气氛和上述其它优点。选择的添加剂取决于基本金属材料的组成。例如，该至少一种添加剂可包括钾，钠，锌，镁，锂，钙，锶和钡中的至少一种。由添加剂产生的保护气体气氛防止杂质进入或重新进入熔融金属材料中。
上面列出的添加剂产生不同量的保护气氛，这取决于使用它们的化学系统。一些添加剂比其它添加剂更适合于一些系统。例如，在铝合金中，通常优选K和Na。在铜合金中，K和Na通常是优选的。在锰合金中，通常优选K，Na，Zn，Mg和Li。在镍合金中，K和Na通常是优选的。在钴合金中，通常优选K，Na，Li和Ca。在铁合金中，通常优选钾，钠，锌，镁，锂，锶和钙。在钛合金中，通常优选Zn，Mg，Li，Ca和Ba。在铬合金中，通常优选K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba。在图37中提供了示例。
除了产生保护气氛之外，如果需要更多的球形颗粒和微结构相和/或组分，添加剂还必须与溶解的硫反应。某些添加剂在某些系统中比其它添加剂更有效。根据一个实施例，相同的添加剂可以形成保护气氛并与硫反应。根据另一个实施例，添加另外的添加剂，以便与作为杂质存在并已溶解在熔融的基本金属材料中的硫发生反应。这种另外的添加剂可能有助于保护性气体环境，但不一定会产生保护性气体气氛，在这种情况下，它必须与另一可以产生保护气体气氛的添加剂结配合。
当熔化的基材是铁基并且包含作为杂质的硫时，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。在铁基材料或富铁合金中添加这种添加剂的组合以产生更多球形颗粒和/或相和组分的示例，可以是Na和Ba的混合物。Na会产生保护气氛，Ba会与S反应。当熔融的基本金属材料是钛合金或钛基材料并且含有作为杂质的硫时，K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是钴合金或钴基并且包含作为杂质的硫时，Na，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是铬合金或铬基材料并且包含作为杂质的硫时，K，Na，Zn，Mg，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是铝合金或铝基材料并且包含作为杂质的硫时，钾，钠，镁，锂，锶，钙和钡优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是镍合金或镍基材料并且包含作为杂质的硫时，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是铜合金或铜基材料并且包含作为杂质的硫时，K，Na，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。当熔融的基本金属材料是锰合金或锰基材料并且包含作为杂质的硫时，K，Na，Mg，Li，Sr，Ca和Ba优选与硫反应。在图38中提供了示例。
根据一个具体的示例性实施例，金属基本材料是富铁的，并且包括Mg，Mg产生保护气体并且还与硫杂质反应。或者，基本金属材料是纯铁，添加剂是Mg。根据另一具体示例，金属基本材料是富铁的，添加剂包括K和钡的混合物。预料钾(K)会产生保护性气体气氛，预料钡(Ba)会与硫反应。
保护气氛限制了雾化颗粒中氧化物的量，并且还限制了内部孔隙的大小和数量。用于产生气态保护气氛的一些添加剂将自然地与在熔体中悬浮的氧化物反应以产生更稳定的化合物并且还将在化学反应过程中改变它们的形态，例如在富含Fe的系统中的Mg添加剂，其含有Si作为合金化元素。在这些材料中，可以是双膜形式的SiC氧化物在熔体中悬浮。解释观察到较少量孔隙的原因之一在于，由于Mg和氧化物之间的化学反应，使得Mg密封了双膜的界面，从而产生更强的不能进一步膨胀以形成孔隙的界面。参见通过图16和17中的Mg处理而在小于177微米的不锈钢颗粒中具有较少的孔隙量的示例。自生成的Mg气态气氛将限制熔体表面的进一步氧化，这将限制颗粒中的内部氧化物的量。然而，一些添加剂将产生保护性气氛，但不会与熔体中悬浮液中的氧化物反应，如在富含Ti的体系中的Zn的情况。在这些情况下，必须使用不同添加剂的组合来限制内部孔隙的量和尺寸。例如，可以添加至少一种添加剂以产生保护性气体气氛，该气氛将防止杂质进入或重新进入熔融金属材料，并且可以添加至少一种添加剂以便与已存在于熔体中的氧化物发生反应，但是不必一定会产生保护性气体气氛。在富钛合金中添加这种添加剂组合以产生更多球形颗粒和/或具有更少内部孔隙的相和组分的示例可以是Zn和Sr的混合物，其中Zn产生保护性气氛，Sr与S反应并且与TiO2反应但未参与保护气氛的产生。
换句话说，取决于所形成的氧化物的类型，一些添加剂在一些系统中比在其它系统中更有效。如上所述，如果需要较小尺寸的较小内部孔隙，则添加剂必须与熔体中悬浮的氧化物反应。这些氧化物也被认为是熔融的基本金属材料中的杂质，例如，在铝基材料中的Al2O3，或在铁基材料中的Fe2O3。当熔融的基本金属材料是铝合金或铝基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，镁，锂和钙。当熔融的基本金属材料是铁合金或铁基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是钛合金或钛基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是铬合金或铬基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是钴合金或钴基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是铜合金或铜基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是锰合金或锰基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是镍合金或镍基材料时，与氧化物反应的优选的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锂，锶，钙和钡。在图39中提供了示例。
此外，某些添加剂将成功地产生保护性气体气氛，并且还与熔融的基本金属材料中作为杂质存在的硫和氧化物反应。例如，当熔融的基本金属材料是铁合金或铁基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括锌，镁，锂，锶和钙。当熔融的基本金属材料是钛合金或钛基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钙和钡。当熔融的基本金属材料是铬合金或铬基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钾，钠，锌，镁，锶，钙和钡。当熔融的基本金属材料是钴合金或钴基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钠，锂和钙。当熔融的基本金属材料是铝合金或铝基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钾和钠。当熔融的基本金属材料是铜合金或铜基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钾和钠。当熔融的基本金属材料是锰合金或锰基材料时，将产生保护气体气氛并与硫和氧化物杂质反应的添加剂包括钾，钠，镁和锂。
如上所述，粉末金属材料可以通过水雾化或气体雾化来制造。此外，一些金属材料不太适合水雾化，并且优选其它雾化方法如气体雾化和等离子体雾化。例如，钛容易与氧反应并可形成氧化钛，一种非常稳定的化合物，因此钛合金的水雾化不是优选的。钛合金粉末更常见地通过气体雾化和等离子体雾化产生。在这种情况下，将使用的至少一种添加剂例如是钙(Ca)，其也将与溶解的硫反应。这可以提供有利于更具侵略性的雾化参数的条件，以降低粉末的尺寸分布，并且提高小球形粉末的产量。钙(Ca)还会与过程中存在的任何残余氧反应，从而降低内部孔隙的数量和尺寸。
如上所述，所选择的起始基本金属材料通常包括基于添加添加剂之前的金属材料的总重量计为至少50.0重量％的铁。例如，可以使用铸铁，高合金铸铁，不锈钢，非合金钢和合金钢，工具钢，马氏体时效钢或哈德菲尔德高锰钢。根据一个示例性实施例，金属材料是包含1.3重量％碳和1.1重量％硅的钢粉末。根据另一个示例性实施例，金属材料是包括4.0重量％碳和2.3重量％硅的铸铁粉末。根据另一示例实施例，金属材料是不锈钢粉末，其包含1.2％Mn，0.30％Si，0.44％Cu，0.23％Mo，17.3％Cr，9.5％Ni和其它微量元素。如上所述，铝合金(例如指定为2024,3003,3004,6061,7075,7475,5080和5082的合金)，铜合金(例如铝青铜，硅青铜和黄铜)，锰合金，镍合金(例如指定为625的合金)，钴合金(例如tribaloy系合金和Haynesl 88)，钴铬合金(例如CoCrMo合金和钴铬钨硬质合金)，钛合金(例如指定为Ti-6Al-4V的合金)，铬合金(例如Kh65NVFT合金)和由这些化学体系制成的任何混合合金，也可用作起始粉末金属材料(例如，称为殷钢，蒙乃尔合金，镍铬合金，铝镍钴和Nitinol60的合金)。这些示例不是穷举的，并且可以使用其它金属组合物，只要至少一种添加剂如(钾(K)，钠(Na)，锌(Zn)，镁(Mg)，锂(Li)，锶(Sr)，钙(Ca)和钡(Ba)在所选材料中具有低溶解度，使得在熔融材料上面形成保护性气体气氛，以形成为待处理熔体的初始体积的至少三倍的总量。图26-36表示进行的计算和实验的结果，其显示了当根据本发明的示例性实施例将添加剂添加到熔融金属材料中时，所产生的保护性气体气氛的体积会增加。图26显示了获得的总气体体积与示例性组合物的添加剂的量之间的关系的曲线(在这里，添加剂是90重量％镁和10重量％Na的混合物)。合金是铸铁材料(富铁)，其含有4.0％的C，1.5％的Si，0.02％的S和2.0％的Cu。使用水雾化的一种粉末的化学组成来计算该曲线，在该实验中使用的添加剂的量为0.11重量％，其导致对于每100克熔体而产生大约0.40升的保护气体(MG和Na)。虚线表示为获得保护气氛而应获得的气体总量的下限，该保护气氛的体积是待处理的熔体的初始体积的三倍。在该具体示例中，计算的气体量为该下限的约五倍。
图27显示了能量色散X射线光谱(EDS)光谱，它是在如图26所示的粉末的雾化过程中暴露于中间包顶部的气态气氛之前和之后在抛光的纯铁表面上获得的。这证实了添加剂(在这种情况下为Mg和Na)形成了在熔体顶部产生的气态保护气氛，并且这些元素沉积在暴露的抛光铁表面上。
图28显示了在不同温度下不同添加剂的铝合金中可产生的不同量的气体的示例。计算的基本系统是Al+0.02％S+0.02％A12O3。虚线表示应该获得的气体量的下限，以提供保护气氛，该保护气氛被限定为待处理的熔体的初始体积的三倍。在这些示例中，添加剂的最小量根据添加剂的性质和熔体的温度而变化。例如，如果熔体处于约800摄氏度的温度，则Na不能产生足够的气体，而无论添加的量如何。然而，如果熔体的温度升高到约900摄氏度，则Na的最小量约为0.32重量％以产生至少三倍于待处理的熔体初始体积。对于钾(K)，如果熔体为800摄氏度则最小量为0.36重量％。如果熔体处于约900摄氏度则最小量为0.26重量％。如果在900℃的铝熔体中使用一半Na和一半K的混合物，则Na+K的最小量将为约0.29重量％(0.16重量％Na和0.13重量％K)。图29显示了在1800摄氏度下添加到钛熔体中的不同添加剂的最小量的示例。例如，添加0.11重量％Ca将提供与添加0.48重量％Zn大致相同的最小量的气体保护。类似地，图30-35显示了不同系统(Co,Cr,Cu,Fe,Mn,和Ni)中的不同添加剂的最小量。图36显示了复合钴合金中的添加剂(K+Li))的计算的最小量。
在将至少一种添加剂添加到熔融的基本金属材料中之后，该方法接下来包括雾化熔融金属材料。可以使用气体雾化，水雾化，等离子体雾化或旋转盘雾化。然而，水雾化通常是优选的，因为它比气体雾化便宜三到九倍，甚至比其它雾化过程便宜。然而，对于一些易氧化的合金，气体雾化是优选的。在气体雾化之前的添加剂处理可以改善雾化条件，例如更大的气体压力，并且仍然可以获得圆形颗粒，并且还可以限制内部氧化物和孔隙的量。另外，添加的添加剂可以增加水雾化颗粒的球形度，使得该球形度接近气体雾化颗粒的球形度。
水雾化步骤通常包括在给定压力下将水施加到熔融金属材料上。在一个示例性实施例中，压力范围为2.6至7.5MPa，因为雾化是用实验室规模的雾化器和有限的可用压力范围进行的。但是，根据所用的组成和工艺参数，可以使用其它压力水平。例如，雾化步骤的压力可以为约2MPa至约150MPa及以上。外部保护气氛或真空系统也可与本文所述的自生保护气氛一起使用，例如但不限于：氮气流(N2)在熔体顶部的投射，或者氩气流在熔体顶部的投射。熔体也可以被封闭在具有真空系统的腔室中。这些系统可以提高工艺处理的有效性。
在雾化步骤期间或之前，该方法包括将添加剂添加到熔融金属材料中。换句话说，该方法包括在添加至少一些添加剂之后雾化熔融金属材料。如上所述，添加剂的添加量使得添加剂引入后的气体总体积是待处理熔体初始体积的至少三倍。在一个示例性实施例中，特别是在图7的合金FGP1210Mg中，添加剂(在这种情况下为Mg)在单次操作中作为纯Mg块被添加进来，其添加的量基于熔融的基本金属材料和添加的镁的总重量计为0.05-1.0重量％，例如0.18重量％。因此，所得的雾化粉末金属材料包括非常少量的残余镁和与不含添加剂的粉末类似的总硫含量，但是对于此情形，现在硫(S)与添加剂(作为MgS的固体沉淀物)化学结合并且不溶于其中，这导致更大的表面张力，从而产生更具球形的颗粒。热力学计算表明，即使两种粉末的总硫含量相似，经过镁处理的粉末中的游离硫含量也比未处理的粉末低10倍以上。
添加剂可以在单个连续步骤中添加，例如在单个连续步骤中添加至多1.0重量％，或者在多个彼此间隔开一段时间内的步骤中、例如三个或四个步骤中添加，其中每个步骤包括最多0.2重量％的添加剂。如果仅对熔融的基本金属材料施加一次连续的镁处理，则雾化步骤通常持续10至30分钟。然而，如果进行更大熔体的雾化，则雾化步骤可以进行更长的时间。当对铁基材料进行水雾化时，通常在水雾化过程之前添加添加剂，使得雾化步骤在添加剂与液态铁的剧烈反应之后发生。添加剂可以加入炉子或钢包中，它们可以是纯金属的形式，或者是包括添加剂的合金或化合物。可以使用已经可得到的不同技术将添加剂引入熔融金属材料中，例如但不限于，含有添加剂的材料的团/块可以直接沉积在熔体的顶部，或者使用芯线技术或使用柱塞工艺。
雾化步骤还可包括产生多个具有球形的颗粒。粒子的球形度可以根据以下公式，并通过两个图像分析指标、特别是圆形度和圆度，二计算得出：
圆形度(C)＝4π×([面积]/[周长]2)
圆度(R)＝4×([面积]/(π×[长轴]2))＝1/AR
其中AR＝[长轴]/[短轴]。
可以使用开源软件ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)，来计算图像分析指标。1.0的球形指数值表示正圆。
当添加剂与溶解的硫反应时，通过上述方法形成的粉末金属材料的圆形度的中值为至少0.60，并且通过上述方法形成的粉末金属材料的圆度的中值也是至少0.60。更优选地，通过所述方法形成的粉末金属材料的圆形度和圆度的中值为至少0.64，甚至更优选地，粉末金属材料的圆形度的中值和圆度的中值为至少0.68。
如上所述，通过将添加剂添加到熔融金属材料中(在镁添加到富铁合金中的情况下)，与没有添加剂的相同的水雾化的材料相比，具有0.6以上的圆形度和圆度值的水雾化颗粒的数量增加了至少8％。添加剂(例如镁)也导致更少的内部氧化物，并且可以密封熔融金属材料中存在的残留氧化物双膜的界面，这又产生具有更少且更小内部孔隙的更清洁的雾化颗粒。
图1-6是显微照片，显示了通过在水雾化工艺之前或期间添加镁实现的改善的球形度。每幅图都显示了在-200目(74微米和更小)下筛分的Si合金钢、铸铁粉和不锈钢(304型)。图1和2中所示的材料是水雾化的，并包括1.3重量％的碳和1.1重量％的硅。根据本发明的一个示例性实施例，图1的材料在没有添加镁的情况下进行雾化，而图2的材料带有添加的镁而进行雾化。图2中所示的本发明的添加有镁的粉末金属颗粒的圆形度的中值被计算出为0.81。图1中所示的没有镁的对比金属颗粒的圆形度的中值被计算为0.71。图2中所示的本发明的添加有镁的粉末金属颗粒的圆度的中值被计算出为0.72。图1中所示的没有镁的对比金属颗粒的圆度的中值被计算为0.63。如图14和15所示，对于其它通过实验测试的粉末，也观察到圆形度的中值和圆度的中值得到改善。总之，添加至少一种添加剂，例如形成保护性气氛并与溶解的硫发生反应的镁，将使水雾化颗粒的球形度(圆形度和圆度)增加到接近气体雾化粉末的球形度的水平。
在雾化步骤之后，该方法可以包括后续热处理工艺。热处理步骤可包括退火或通常应用于粉末金属材料的另一加热工艺。热处理在惰性或还原性气氛中进行，例如但不限于包括氮气、氩气和/或氢气的气氛或真空。例如，水雾化后在还原气氛中退火，可以减少表面氧化物。热处理步骤还可包括在雾化颗粒中形成微结构相和/或组分，例如石墨沉淀物或球、碳化物或氮化物。取决于金属材料的组成，可以存在其它的微结构相和/或组分。在一个示例性实施例中，金属材料是过共晶铸铁合金，并且存在于铸铁合金中的渗碳体在热处理步骤过程中转变成铁素体和球状石墨球。在高合金钢的热处理过程中也应形成球形的碳化物。
添加剂还可以增加后续热处理期间在雾化颗粒中形成的微结构组分和/或相的球形度。然而，直接在雾化之后并且不仅在热处理之后，更圆的相和/或组分可以存在于粉末金属材料中。微结构相可包括石墨沉淀物，碳化物和/或氮化物。取决于金属材料的组成，可以存在其它微结构相和/或组分。通常，微结构组分和/或相具有至少0.6的圆形度的中值或者圆度的中值。而且，与相同合金但没有添加剂处理的那些相比，在镁处理的材料中形成的具有大于0.6的圆形度和圆度值的成分和/或相要多至少10％，优选多至少15％。
根据一个示例性实施例，粉末金属材料包括铁，例如铸铁，其量为至少50重量％，并且雾化颗粒包括石墨沉淀物，其中至少50％的石墨沉淀物具有0.6或更大的圆形度和圆度值。在其中金属材料是铁基的另一个实施例中，例如图7的合金FGP4025和FGP4025Mg，退火步骤包括产生石墨沉淀物或球，并且石墨沉淀物或球具有至少0.6的圆形度中值和圆度中值。在一个示例性实施例中，金属材料是过共晶铸铁合金，并且在热处理过程中形成球状石墨球。
图20和21是显微照片，图示了通过在水雾化过程之前或期间和在热处理之后添加添加剂(在这种情况下为镁)而实现的微结构相和/或组分、特别是石墨球的改善的球形度。每种材料是铸铁粉末，包括约4.0重量％碳和2.3重量％硅。然而，图20的材料在没有添加镁的情况下进行雾化，而图21的材料在有添加的镁的情形下进行雾化。图20中所示的没有添加镁的石墨球的圆度的中值被计算为0.56。图21中所示的具有镁的石墨球的圆度的中值被计算为0.73。在图24和25中显示了通过添加剂处理的球的球形度改善的其它结果。
如果雾化颗粒在雾化工艺之后不包含所需的颗粒尺寸或形态，则该方法可包括研磨雾化颗粒。例如，可以研磨雾化的颗粒以将形态从球形改变为不规则，并提高生坯强度。
预料添加的镁也会降低颗粒的内部孔隙率。例如，图16显示了不含任何添加剂(见图7中的化学物)的不锈钢粉末(SS304，在-80和+200目筛网下筛分)的大量的更大内部孔隙。但是，通过将0.15重量％的Mg添加到熔体中，雾化粉末中的内部孔隙的数量和尺寸得以显著减小，如图17所示。对每种粉末(SS304和SS304Mg)观察到约260个颗粒表明，含有内部孔隙的颗粒的数量从17％降低到8％，因此有超过50％的改善。还测量了内部氧化物的数量，其从15％降低到约10％，因此改善了约33％。
如上所述，在引入添加剂后产生的自生保护气氛将抑制熔体表面的氧化，并将限制粉末中内部氧化物的量。图18显示了在从坩埚倾倒到中间包期间形成的氧化硅上沉淀的初生石墨球，并且在FGP4025粉末雾化之前悬浮在熔体中。在含有高含量碳的富铁系统中，碳提供了防止坩埚中熔体氧化(由于高温)的保护，这防止了坩埚中氧化物的形成。在没有添加剂的粉末中，可以观察到在这些在不同氧化物上生长的许多石墨球。相比之下，图19显示了在用添加剂(图7所示FGP4025Mg合金中的Mg)处理的合金中可以观察到的少数初生石墨球之一。由于由Mg气体形成的保护气氛限制了熔体直接来自坩埚中和整个浇注的氧化，因此在引入添加剂之前存在于熔体中的氧化物的量显著小于不含添加剂的熔体中的氧化物的量。因此，在FGP4025Mg粉末的雾化期间，很少有基质可用于石墨沉淀。
如上所述，由于添加剂对保护气氛的产生和与溶解的硫之间发生反应的组合作用，雾化的颗粒即使在通过水雾化产生时也具有球形形状。雾化颗粒的圆形度中值和圆度中值为至少0.6。雾化颗粒的粒度可以变化。根据一个实施例，雾化颗粒的粒度或直径不大于2.5mm。例如，当FPG4025(Mg)组合物在2.6MPa的水压下雾化时，获得最大直径约2mm的颗粒。根据另一个实施例，雾化颗粒的粒度不大于500微米。例如，雾化的颗粒可以在-200目(74微米和更小)下筛分。根据另一个实施例，当SS304(Mg)的组合物用为7.5MPa的水压进行雾化时，获得最大直径约400微米的颗粒，粒径中值为约72微米。还可以进一步改变水压，和/或将雾化粉末筛分成不同的尺寸并获得匹配包含添加剂制造在内的目标工艺的尺寸分布。
粉末金属材料通常通过水或气体雾化形成。然而，另一种雾化方法可用于各种不同的汽车或非汽车应用中。例如，雾化颗粒可用于典型的压制和烧结工艺。雾化颗粒还可用于金属注射成型，热喷涂和增材制造应用，例如三维打印和选择性激光烧结。
实验
在水雾化过程之后测量具有图7的表中所示组成的粉末金属材料的球形度、内部孔隙和内部氧化物的观察结果。其中的四种组合物包括在雾化步骤之前添加到熔融金属材料中的镁，并且其中的三种与没有添加镁的相同材料进行比较。对于这些粉末中的每一种粉末，在感应炉中熔化了约15至25千克的原料。在整个雾化过程中，氩气流投射在熔体顶部。然后，Mg作为纯Mg添加至指定为FGP1210Mg的硅钢和指定为FGP4025Mg的铸铁，作为FeSiMg(3.65重量％)加上约0.01重量％钠添加至指定为S4-FGP#1的铸铁，以及作为NiMg(15重量％Mg)添加至不锈钢粉末(SS304Mg)。硅钢的雾化温度为约1550摄氏度，铸铁FGP4025Mg的雾化温度为约1500摄氏度，铸铁S4-FGP#1的雾化温度为约1620摄氏度，不锈钢的雾化温度为约1640摄氏度。硅钢的水压力为4.5MPa，铸铁FGP4025Mg的水压力为2.6MPa，铸铁S4-FGP#1的水压力为5.0MPa，不锈钢的水压力为7.5MPa。对于用Mg处理的四种粉末，在Mg添加后约10至20分钟内完成雾化。虽然上述细节是在实验室中进行的，但类似的机制和趋势将转化为工业环境。
图8图示了在-200目下筛分的FGP1210和FGP1210Mg粉末的圆形度频度分布。图9显示了在-200目下筛分的FGP1210和FGP1210Mg粉末的圆度频度分布。图10显示了在-200目筛分的FGP4025和FGP4025Mg粉末的圆度频度分布。图11显示了在-200目筛分的FGP4025和FGP4025Mg粉末的圆度频度分布。图12显示了在-200目筛分的SS304和SS304Mg粉末的圆度频度分布。图13显示了在-200目筛分的SS304和SS304Mg粉末的圆度频度分布。图14是表示图7的表中列出的每种组合物的圆形度的数值数表的图。图15是表示图7的表中列出的每种组合物的圆度的数值数据的表。由于Mg与所有这些体系中溶解的硫反应，因此观察到用该添加剂处理的所有粉末的圆形度和圆度得以改善。
图20表示在没有添加镁的铸铁粉末FGP4025的后续热处理工艺过程中以固态生长的石墨球。相比之下，图21显示了更多的球形石墨球，其在铸铁粉末FGP4025Mg(添加Mg)的后续热处理工艺过程中以固态生长。这两种粉末在相同的炉子中以相同的热处理曲线进行处理。图22示出了在铸铁粉末FGP4025和FGP4025Mg中以固态生长的石墨球的圆度频度分布。图23示出了在铸铁粉末FGP4025和FGP4025Mg中以固态生长的石墨球的圆度频度分布。图24是表示在铸铁粉末FGP4025和FGP4025Mg中以固态生长的石墨球的圆形度的数值数据的表。图25是表示在铸铁粉末FGP4025和FGP4025Mg中以固态生长的石墨球的圆度的数值数据的表。由于镁与FGP4025Mg粉末中溶解的硫反应，因此，与未用Mg(FGP4025)处理的粉末中存在的石墨球相比，可以观察到在后续热处理过程中在固态下生长的石墨球的圆度和圆度得以改善。
图16显示了没有添加剂的SS304中的大量内部孔隙。图17显示了，与图16的那些相比，通过在雾化之前在熔体中引入Mg来降低内部孔隙的量。对每种粉末(SS304)和SS304Mg)观察到约260个颗粒，这表明含有内部孔隙的颗粒数量从17％变化到8％，因此改善了超过50％。还测量了内部氧化物的数量，从15％变化到约10％，因此改善了约33％。注意，内部氧化物量和内部孔隙率的改善的确定值取决于合金、雾化工艺和工艺参数。图18显示了在雾化过程的浇注步骤中引入熔体中的内部氧化硅上沉淀的铸铁粉末FGP4025(不添加镁)中的许多不规则的初生石墨球。相比之下，图19显示了在铸铁粉末FGP4025Mg(添加了Mg)中可以观察到的少数原生石墨球之一。Mg的保护气体限制了直接来自坩埚和在整个浇注过程中熔体的氧化，并且在引入添加剂之前存在于熔体中的氧化物的量显著小于没有添加剂的熔体中的氧化物的量。这可以通过在FGP4025Mg粉末雾化期间可用于石墨沉淀的非常有限量的底物来表明。
图27显示了在浇注粉末S4-FGP#1的熔体之后，在抛光的纯铁表面暴露于中间包顶部的气氛之前和之后通过实验获得的EDS光谱。在这种情况下，添加剂是Mg和Na。图27的光谱证明在熔体顶部形成由Mg和Na制得的保护性气态气氛。图26显示了为每100克熔体形成的保护气体的计算体积，该熔体具有与S4-FGP#1合金类似的成分。对于加入0.11重量％的Mg+Na而形成的保护气体的量，是体积下限的大约5倍。
图28至35显示了对于每100克不同纯金属(Al，Ti，Co，Cr，Cu，Fe，Mn和Ni)的熔体和不同量的各种添加剂形成的保护气体的计算体积。这些数字表明，对于一种特定的化学体系，必须加入以产生保护性气体气氛的最小量的添加剂根据添加剂的性质而变化。例如，在1650摄氏度的铁中，产生由Zn制成的保护气体气氛的Zn的最小量为约0.20重量％。但是，产生由Li制成的保护气体气氛的Li的最小量为约0.06重量％。图28至35还显示，产生保护性气体气氛的一种特定添加剂的最小量根据其使用的化学系统而变化。例如，在1650摄氏度的铁中，产生由锌(Zn)制成的保护气体气氛的Zn的最小量为约0.20重量％，但是，在1800摄氏度的钛中，产生由Zn制成的保护气体气氛的最小量的Zn是约0.50重量％。
图36显示了每100克复合钴合金熔体形成的保护气体的计算体积，该复合钴合金熔体含有各种合金化元素(28％的Cr，6％的Mo，0.5％的Si，0.5％的Fe，0.5％的Mn和0.02％S)以及在1600摄氏度下熔体中的0.02重量％的铬氧化物(Cr2O3)。形成保护性气体气氛的添加剂是由60重量％K和40重量％Li制成的混合物。对于该系统，产生为待处理的熔体体积至少3倍的气体体积的添加剂的最小量为约0.025重量％的K+Li(0.015重量％的K和0.010重量％的Li)。例如，如果添加了0.10重量％的K+Li，则计算表明，保护气体的体积为下限的约5倍，并且保护气体的组成为约66体积％的K和27体积％的Li。计算还表明，添加剂Li与溶解的硫和铬氧化物反应。图26至36中给出的例子并非穷举性的，也非包含性的。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，对于圆形度和圆度二值区间(bin)在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比通常为30％。更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比为40％。甚至更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比为50％。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比为0.8％。更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比为20％。甚至更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比为25％。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，与没有添加剂的粉末相比，对于圆形度和圆度二值区间在]0.6-1.0]的颗粒的最小百分比通常为8％。更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.6-1.0]的颗粒的最小百分比为10％。甚至更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.6-1.0]的颗粒的最小百分比是12％。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，与没有粉末的情况相比，对于圆形度和圆度二值区间在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比通常为15％。更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比为20％。甚至更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.7-1.0]的颗粒的最小百分比是25％。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，与没有添加剂的粉末相比，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比通常为20％。更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比为25％。甚至更优选地，对于圆形度和圆度二值区间在]0.8-1.0]的颗粒的最小百分比是30％。
基于该实验，当添加剂与溶解的硫反应时，可以得出结论，与不含添加剂的粉末的微观结构相和组分相比，对于圆形度和圆度，二值区间在]0.6-1.0]的微观结构相和/或组分的量的最小相对百分比通常为10％。更优选地，二值区间在]0.6-1.0]的微观结构相和/或组分的量的最小相对百分比通常为15％。甚至更优选地，二值区间在]0.6-1.0]的微观结构相和/或组分的量的最小相对百分比通常为20％。
该实验说明，与没有添加镁的相同材料相比，在水雾化工艺过程之前或期间向富含铁的熔融金属材料中添加镁，获得了雾化的粉末金属材料的球形度的增加。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式实施。可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会彼此矛盾。
Claims (25)
1.一种制造粉末金属材料的方法，包括步骤：
将至少一种添加剂添加到熔融的基本金属材料中，所述至少一种添加剂形成围绕所述熔融金属材料的保护气体气氛，所述保护气体气氛具有为待处理的熔融的基本金属材料的体积至少三倍大的体积；和
在添加所述至少一种添加剂的至少一些之后，将所述熔融金属材料雾化，以产生多个颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒的中值圆形度为至少0.60。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒的中值圆度为至少0.60。
4.根据权利要求1的方法，还包括在所述雾化步骤之后热处理所述颗粒的步骤以形成微结构组分或相，微结构组分或相的中值圆形度为至少0.60，中值圆度为至少0.60。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属材料是铁基材料，所述至少一种添加剂包括镁，所述微结构组分或相是石墨沉淀物和/或碳化物和/或氮化物，并且所述相和/或组分具有至少0.60的中值圆形度和至少0.60的中值圆度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述雾化步骤包括水雾化，气体雾化，等离子体雾化或旋转盘雾化。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述雾化步骤包括水雾化，并且所述水雾化步骤包括，将2MPa至150MPa及以上的压力的水施加到所述熔融金属材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基本金属材料包括铝(Al)，铜(Cu)，锰(Mn)，镍(Ni)，钴(Co)，铁(Fe)，钛(Ti)和铬(Cr)中的至少一种；并且所述基本金属材料可选地包含选自银(Ag)，硼(B)，钡(Ba)，铍(Be)，碳(C)，钙(Ca)，铈(Ce)，镓(Ga)，锗(Ge)，钾(K)，镧(La)，锂(Li)，镁(Mg)，钼(Mo)，氮(N)，钠(Na)，铌(Nb)，磷(P)，硫(S)，钪(Sc)，硅(Si)，锡(Sn)，锶(Sr)，钽(Ta)，钒(V)，钨(W)，钇(Y)，锌(Zn)和锆(Zr)组成的组中的至少一种合金化元素。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，添加到所述基本金属材料中的所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铁基材料，并且形成所述保护气体气氛的所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr和Ca中的至少一种。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铁基的，并且包括作为杂质存在的硫，并且所述至少一种添加剂包括Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba中的至少一种以与所述硫反应。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铁基的并且包含作为杂质存在的至少一种氧化物，并且所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba中的至少一种，以与所述至少一种氧化物反应。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铁基的并包括作为杂质存在的硫和至少一种氧化物；形成所述保护气体气氛的所述至少一种添加剂包括Zn,Mg,Li,Sr,和Ca中的至少一种；并且所述至少一种添加剂也与所述硫和所述至少一种氧化物反应。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铝合金，并且包括作为杂质存在的硫和/或至少一种氧化物；形成所述保护气氛的所述至少一种添加剂包括钾和钠中的至少一种；并且所述至少一种添加剂包括K,Na,Mg,Li,Sr,Ca和Ba中的至少一种以与所述硫反应，并且/或者所述至少一种添加剂包括K,Na,Mg,Li,Ca中的至少一种以与所述至少一种氧化物反应。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是钛基的并且包括作为杂质存在的硫和/或至少一种氧化物；形成所述保护气氛的所述至少一种添加剂包括Zn,Mg,Li,Ca和Ba中的至少一种；并且所述至少一种添加剂包括K,Na,Zn,Mg,Li,Sr,Ca和Ba中的至少一种以与所述硫反应，并且/或者所述至少一种添加剂包括Sr，Ca和Ba中的至少一种以与所述至少一种氧化物反应。
16.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是钴合金，并且包括作为杂质存在的硫和/或至少一种氧化物；形成所述保护气氛的所述至少一种添加剂包括K,Na,Li和Ca中的至少一种；并且所述至少一种添加剂包括Na,Mg,Li,Sr,Ca和Ba中的至少一种以与所述硫反应，并且/或者所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca，Ba中的至少一种以与所述至少一种氧化物反应。
17.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本金属材料是铬合金，并且包括作为杂质存在的硫和/或至少一种氧化物；形成所述保护气氛的所述至少一种添加剂包括K,Na,Zn,Mg,Li,Sr,Ca和Ba中的至少一种；并且所述至少一种添加剂包括K,Na,Zn,Mg,Sr,Ca和Ba中的至少一种以与所述硫反应，并且/或者所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba中的至少一种以与所述至少一种氧化物反应。
18.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一种添加剂包括镁。
19.一种水雾化粉末金属材料，包括：
由基本金属材料和至少一种添加剂形成的多个雾化颗粒，其中所述雾化颗粒具有至少0.60的中值圆形度和至少0.60的中值圆度。
20.根据权利要求19所述的粉末金属材料，其中，所述基本金属材料包括铝(Al)，铜(Cu)，锰(Mn)，镍(Ni)，钴(Co)，铁(Fe)，钛(Ti)和铬(Cr)中的至少一种；并且所述基本金属材料可选地包含选自银(Ag)，硼(B)，钡(Ba)，铍(Be)，碳(C)，钙(Ca)，铈(Ce)，镓(Ga)，锗(Ge)，钾(K)，镧(La)，锂(Li)，镁(Mg)，钼(Mo)，氮(N)，钠(Na)，铌(Nb)，磷(P)，硫(S)，钪(Sc)，硅(Si)，锡(Sn)，锶(Sr)，钽(Ta)，钒(V)，钨(W)，钇(Y)，锌(Zn)和锆(Zr)组成的组中的至少一种合金化元素。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一种添加剂包括K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba中的至少一种。
22.一种水雾化粉末金属材料，包括：
由基本金属材料和至少一种添加剂形成的多个雾化颗粒，其中所述雾化颗粒包括微结构组分或相，并且所述微观结构组分或相中具有至少0.60的中值圆形度和至少0.60的中值圆度。
23.根据权利要求22所述的粉末金属材料，其中，所述基本金属材料包括铝(Al)，铜(Cu)，锰(Mn)，镍(Ni)，钴(Co)，铁(Fe)，钛(Ti)和铬(Cr)；并且所述基本金属材料可选地包含选自银(Ag)，硼(B)，钡(Ba)，铍(Be)，碳(C)，钙(Ca)，铈(Ce)，镓(Ga)，锗(Ge)，钾(K)，镧(La)，锂(Li)，镁(Mg)，钼(Mo)，氮(N)，钠(Na)，铌(Nb)，磷(P)，硫(S)，钪(Sc)，硅(Si)，锡(Sn)，锶(Sr)，钽(Ta)，钒(V)，钨(W)，钇(Y)，锌(Zn)和锆(Zr)组成的组中的至少一种合金化元素。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一种添加剂包括以下中的至少一种：K，Na，Zn，Mg，Li，Sr，Ca和Ba。
25.根据权利要求23所述的粉末金属材料，其中，所述基本金属材料是铁基材料，并且所述至少一种添加剂包括镁，所述微结构组分或相是石墨沉淀物，并且所述石墨沉淀物具有0.60的中值圆形度和0.60的中值圆度。
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