CN111465460A - 球形金属粉末掺合物及其制造方法 - Google Patents

球形金属粉末掺合物及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种使用金属原料制造球形金属粉末掺合物的方法，该方法包括以下步骤：研磨金属原料以产生中间粉末；将中间粉末球化以产生第一球形粉末组分；以及将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分和第二球形粉末组分具有基本相同的化学成分。

Description

球形金属粉末掺合物及其制造方法
技术领域
本申请涉及球形金属粉末掺合物(blend)，更具体地说，涉及具有目标氧浓度的球形金属粉末的掺合物。
背景技术
钛基合金通常表现出高的强度重量比、优异的耐腐蚀性和高温性能。因此，钛基合金(例如Ti-6Al-4V)通常用于航空航天工业，例如用于制造各种飞行器部件等。
钛基合金相对昂贵，并且可能难以加工成符合航空航天规格的复杂零件。这已致使航空航天工业开发出网状(或近网状)技术，包括可减少所需机加工量的增材制造工艺。
尽管与传统的减材制造工艺相比，增材制造可能每个部件消耗更少的材料，但增材制造的特定原料要求往往会增加成本，这可能抵消了与增材制造相关的成本节省。例如，由于对流动性的要求以及对均匀性和高密度填充的需求，球形金属粉末通常用于增材制造。在钛基合金的情况下，一些氧气可以有益地改善机械性能，但是过量的氧气可能具有不利的影响，例如在给定强度下延展性的降低(脆化)和韧性的降低。因此，工业规格通常要求球形钛粉末具有阈值/最大氧浓度，例如对于Ti-6Al-4V最多为2000ppm(重量的0.2％)的氧气。截至2017年，氧气含量约为2000ppm的高质量球形Ti-6Al-4V粉末的单位成本可能超过每磅100美元。
因此，本领域技术人员继续进行球形金属粉末领域的研究和开发工作，包括适用于增材制造工艺的球形金属粉末。
发明内容
一方面，所公开的用于制造球形金属粉末的方法包括：(1)研磨金属原料以产生中间粉末；(2)球化该中间粉末以产生第一球形粉末组分；以及(3)将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分和第二球形粉末组分具有基本相同的化学成分。
在另一方面，所公开的用于制造球形金属粉末的方法包括将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分包括钛并且具有在约2100ppm至约4000ppm范围内的氧浓度，并且其中，第二球形粉末组分包括钛并且具有至多约1800ppm的氧浓度。
一方面，所公开的球形金属粉末掺合物是以下方法的产物，其包括：(1)研磨金属原料以产生中间粉末；(2)球化该中间粉末以产生第一球形粉末组分；以及(3)将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分和第二球形粉末组分具有基本相同的化学成分。
在另一方面，所公开的球形金属粉末掺合物包括第一球形粉末组分和第二球形粉末组分的混合物(mixture)，其中，第一球形粉末组分包括钛并且具有在约2100ppm至约4000ppm范围内的氧浓度，并且其中，第二球形粉末组分包括钛并且具有至多约1800ppm的氧浓度。
根据以下详细描述、附图和所附权利要求，所公开的球形金属粉末掺合物的其他方面及其制造方法将变得显而易见。
附图说明
图1是描绘所公开的用于制造球形金属粉末掺合物的方法的一个方面的流程图；
图2是飞行器制造和维修方法的流程图；以及
图3是飞行器的框图。
具体实施方式
公开了球形金属粉末掺合物及其制造方法。通过公开的方法生产的球形金属粉末掺合物可以具有处于或低于阈值的氧浓度(例如，对于Ti-6Al-4V最高为2000ppm)，但比市售的低氧球形金属粉末更便宜。
图1描绘了所公开的用于制造球形金属粉末掺合物的方法10的一方面。通常，方法10包括处理12金属原料14以生产第一球形粉末组分16，然后将第一球形粉末组分16与第二球形粉末组分20混合18以生产球形金属粉末掺合物22。第二球形粉末组分20的化学成分可以与第一球形粉末组分16的化学成分基本相同。但是，第二球形粉末组分20的氧浓度可以基本上不同于(例如，小于)第一球形粉末组分16的氧浓度。因此，可以将第一球形粉末组分16与第二球形粉末组分20以适当的比例进行混合18，以生产氧浓度处于或低于阈值的球形金属粉末掺合物22。通过适当选择氧浓度阈值，球形金属粉末掺合物22可以用于例如通过增材制造或其他粉末冶金技术来制造零件，而无需牺牲延展性和韧性/强度。
在成分上，金属原料14(进而第二球形粉末组分20以及所得的球形金属粉末掺合物)可以是钛或钛合金。作为一个具体的非限制性示例，金属原料14可以是Ti-6Al-4V。尽管本发明关注于钛合金，特别是Ti-6Al-4V，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，其他金属或金属合金(例如锆合金、镁合金、镍合金等)也可以用作所公开的方法10的金属原料14。
金属原料14可以具有相对较高的氧浓度(相对于第二球形粉末组分20的氧浓度高)，例如氧浓度超过了针对特定化学成分的最大氧浓度阈值，如由工业标准(例如AMS4911和AMS 4998)指定/设立的。例如，在Ti-6Al-4V的情况下，金属原料14的氧浓度可以大于2000ppm，当关注制造所得的零件/制品的机械性能(延展性和韧性/强度)时，该氧浓度超过了可接受/阈值水平。在一种表达方式中，金属原料14的氧浓度可以在约2100ppm至约4000ppm的范围内。在另一种表达方式中，金属原料14的氧浓度可以在约2100ppm至约2300ppm的范围内。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用各种技术来测量氧浓度，例如金属原料14、第一球形粉末组分16、第二球形粉末组分20和/或球形金属粉末掺合物22的氧浓度。作为一个具体的非限制性示例，可以根据ASTM E1409-13(“通过惰性气体熔融法测定钛和钛合金中的氧和氮的标准测试方法Standard Test Method for Determination ofOxygen and Nitrogen in Titanium and Titanium Alloys by Inert Gas Fusion”)来测量氧浓度。
在一个特定实施方式中，金属原料14可以是切屑。这样，产生切屑的过程(例如，机加工、车削、磨削等)可能导致较高的氧浓度，不过导致金属原料14的较高氧浓度的原因不受限制。本领域技术人员将理解，回收切屑作为所公开的方法10的金属原料14可以抵消对更昂贵的具有低氧浓度的原料的需求，从而为节省大量成本提供了机会，尤其是当切屑在内部产生或者以低成本(或无成本)获得时。
仍然参照图1，对金属原料14的处理12可以包括研磨24金属原料14以产生中间粉末26。研磨24可以将金属原料14转化为具有期望的物理性质(例如，期望的平均粒度(particle size)和分布)的粉末(中间粉末26)，这可能取决于许多因素，例如球形金属粉末掺合物22的预期用途。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用各种研磨24技术。作为一个非限制性示例，研磨24可以在行星式磨机中进行。作为另一非限制性示例，研磨24可以在辊磨机中进行。作为又一非限制性示例，研磨24可以在球磨机中进行。行星式磨机、辊磨机和球磨机能够产生具有尤其适合于增材制造的粒度分布的中间粉末26。
当球形金属粉末掺合物22打算用于增材制造工艺时，可以进行研磨24，以使得中间粉末26具有有助于高填密的粒度分布。在一种表达方式中，可以进行研磨24，以使得中间粉末26具有在约5μm至约500μm之间的平均粒度。在另一种表达方式中，可以进行研磨24，以使得中间粉末26具有在约10μm至约100μm之间的平均粒度。
可选地，可以对通过研磨24产生的粉末进行筛分28以获得期望的粒度分布。例如，筛分28可以产生具有较窄粒度分布的中间粉末26，其可增加所得增材制造的零件/制品的密度并改善其表面质量和机械性能。在一种表达方式中，筛分28可以产生具有如下粒度分布的中间粉末26，其中至少40％的中间粉末26的颗粒的粒度在平均粒度的(+/-)20％之内。在另一种表达方式中，筛分28可以产生具有如下粒度分布的中间粉末26，其中至少60％的中间粉末26的颗粒的粒度在平均粒度的(+/-)20％之内。在又一种表达方式中，筛分28可以产生具有如下粒度分布的中间粉末26，其中至少80％的中间粉末26的颗粒的粒度在平均粒度的(+/-)20％之内。
可选地，例如在钛合金(例如Ti-6Al-4V)的情况下，金属原料14可以在研磨24之前的氢化步骤30中进行氢化，从而使金属原料14更脆并且更易受研磨24的影响。例如，可以在氢化步骤30中通过在氢气存在下(例如，在管式炉中)将金属原料14加热到高温(例如，600-700℃)达一段时间(例如24小时)来进行氢化。
如果执行氢化步骤30，那么也可以执行相应的脱氢步骤32。脱氢32可以在研磨24之后进行，也可以在可选的筛分28之前或之后进行，从而产生中间粉末26。例如，可以在真空下于高温(例如，550-700℃)下持续一段时间(例如72小时)来执行脱氢32。
仍然参照图1，对金属原料14的处理12可以进一步包括将中间粉末26球化34以产生第一球形粉末组分16。因此，第一球形粉末组分16的颗粒可以是基本上球形的。如本文所使用的，“球形”不需要完美的球形度，而是意味着“基本上球形”。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用各种技术将中间粉末26球化34。在一特定实施方式中，球化34可以包括将中间粉末26的颗粒引入到等离子体(例如感应等离子体)中，以快速加热并熔化颗粒，然后进行冷却。例如，可以从加拿大魁北克的Tekna PlasmaSystems Inc.商购的TEKSPHERO 200TM可用于使用感应等离子体(induction plasma)将中间粉末26球化34。
通过对金属原料14进行处理12而产生的第一球形粉末组分16将保持金属原料14的化学成分，或者可以具有甚至更高的氧浓度(例如，由于研磨24)。此外，像金属原料14，第一球形粉末组分16可以具有相对较高的氧浓度。因此，将第一球形粉末组分16与第二球形粉末组分20混合18以产生球形金属粉末掺合物22。
第二球形粉末组分20可以与第一球形粉末组分16在成分上相同，并且可以包括与第一球形粉末组分16类似的基本上球形的颗粒。然而，第二球形粉末组分20可以具有相对较低的氧浓度(相对于第一球形粉末组分16的氧浓度低)，例如具有处于或低于特定化学成分的(如由工业标准(例如AMS 4911和AMS 4998)指定/设立的)最大氧浓度阈值的氧浓度。例如，在Ti-6Al-4V的情况下，第二球形粉末组分20可以具有小于2000ppm的氧浓度，这可以在给定强度下有助于增加延展性和更高的韧性。在一种表达方式中，第二球形粉末组分20的氧浓度可以至多约1900ppm。在一种表达方式中，第二球形粉末组分20的氧浓度可以至多约1800ppm。在另一种表达方式中，第二球形粉末组分20的氧浓度可以在约800ppm至约1800ppm的范围内。在又一种表达方式中，第二球形粉末组分20的氧浓度可以在约900ppm至约1100ppm的范围内。
第二球形粉末组分20可以从各种来源获得。作为一个示例，第二球形粉末组分20可以作为原始材料从供应商或商业渠道购买。作为另一示例，可以使用传统的气体雾化技术来制造第二球形粉末组分20。作为又一个示例，可以使用传统的等离子体旋转电极工艺来制造第二球形粉末组分20。
可以以产生具有期望氧浓度的球形金属粉末掺合物22的第一球形粉末组分与第二球形粉末组分之比(例如1:1、2:1等)进行混合18。换句话说，球形金属粉末掺合物22可以包括第一数量的第一球形粉末组分16和第二数量的第二球形粉末组分20，并且第一数量和第二数量可以相同也可以不同。在Ti-6Al-4V的情况下，可以选择第一数量和第二数量，以使所得的球形金属粉末掺合物22的氧浓度至多为约2000ppm。
理论示例
可以通过根据所公开的方法10的处理12由Ti-6Al-4V切屑制备两种“第一球形粉末组分”(组分1A和组分1B)。例如，组分1A具有约为4000ppm的氧浓度，产生成本约为每磅48美元，而组分1B具有约为2200ppm的氧浓度，产生成本约为每磅50美元。
可以从各种商业渠道获得两种“第二球形粉末组分”(组分2A和组分2B)。例如，组分2A可以是纯净的Ti-6Al-4V，具有约为1800ppm的氧浓度，每磅成本约为100美元，而成分2B可以是纯净的Ti-6Al-4V，具有约为1000ppm的氧浓度，每磅成本约为105美元。
可以制备各种混合物，包括(1)组分1A与组分2A的各种混合物(见表1)；(2)组分1B与组分2A的各种混合物(见表2)；组分1A与组分2B的各种混合物(参见表3)；(4)组分1B与组分2B的各种混合物(见表4)。以下各表中的计算遵循混合规则方法。
表1
Figure BDA0002536309540000061
表2
Figure BDA0002536309540000062
Figure BDA0002536309540000071
表3
Figure BDA0002536309540000072
表4
Figure BDA0002536309540000073
因此，这些理论示例表明，各种混合物可以产生具有至多约2000ppm的氧浓度的Ti-6Al-4V球形金属粉末掺合物，这可以产出在给定的强度下呈现出更高的延展性和更高的韧性的零件/制品，如与使用氧浓度远高于2000ppm的Ti-6Al-4V球形金属粉末制造出的类似零件/制品相比。此外，这些理论示例表明，与仅使用原始粉末相比，各种混合物可以降低成本。
可以在如图2所示的飞行器制造和维修方法100以及如图3所示的飞行器102的背景下来描述本公开的示例。在预生产期间，飞行器制造和维修方法100可以包括飞行器102的规格和设计104以及材料采购106。在生产期间，进行飞行器102的部件/分总成制造108和系统集成110。此后，飞行器102可以经历认证和交付112以便被投入服务114。在客户服务期间，飞行器102被安排进行例行维护和保养116，这也可以包括修改、重新配置、翻新等。
方法100的各个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)来执行或实施。出于描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主要系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供应商、分包商和供货商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图3所示，通过示例方法100生产的飞行器102可以包括具有多个系统120和内部122的机身118。所述多个系统120的示例可以包括推进系统124、电气系统126、液压系统128和环境系统130中的一个或更多个。可以包括任何数量的其他系统。
所公开的球形金属粉末掺合物及其制造方法可以在飞行器制造和维修方法100的任何一个或更多个阶段中采用。作为一个示例，与部件/分总成制造108、系统集成110或者维护和保养116相对应的部件或分总成可以使用所公开的球形金属粉末掺合物来制配或制造。作为另一示例，可以使用所公开的球形金属粉末掺合物来构造机身118。而且，可以在部件/分总成制造108和/或系统集成110期间利用一个或更多个装置示例、方法示例或它们的组合，以例如实质上加快飞行器102(例如机身118和/或内部122)的组装或降低其成本。类似地，在飞行器102服务期间，可以利用系统示例、方法示例或它们的组合中的一个或更多个来进行例如但不限于维护和保养116。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种使用金属原料制造球形金属粉末掺合物的方法，该方法包括以下步骤：研磨金属原料以产生中间粉末；将该中间粉末球化以产生第一球形粉末组分；以及将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分和第二球形粉末组分具有基本相同的化学成分。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，金属原料包括钛。
条款3.根据条款2所述的方法，其中，金属原料具有在约2100ppm至约4000ppm的范围内的氧浓度。
条款4.根据条款2或3所述的方法，其中，金属原料包括切屑。
条款5.根据条款1至4中任一项所述的方法，其中，金属原料包括Ti-6Al-4V。
条款6.根据条款1至5中任一项所述的方法，其中，研磨金属原料以产生中间粉末包括研磨以实现在约10μm至约100μm之间的平均粒度。
条款7.根据条款6所述的方法，其中，中间粉末的至少80％的粉末颗粒的粒度在平均粒度的20％之内。
条款8.根据条款1至7中任一项所述的方法，其中，所述研磨是在行星式磨机、球磨机或辊磨机中进行的。
条款9.根据条款1至8中任一项所述的方法，所述还包括以下步骤：在研磨之前使金属原料氢化。
条款10.根据条款9所述的方法，所述方法还包括以下步骤：在球化之前使中间粉末脱氢。
条款11.根据条款1至10中任一项所述的方法，其中，使中间粉末球化包括将中间粉末引入感应等离子体。
条款12.根据条款1至11中任一项所述的方法，其中，第二球形粉末组分包括钛，并且其中，第二球形粉末组分具有至多约1800ppm的氧浓度。
条款13.根据条款1至12中任一项所述的方法，其中，将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合的步骤包括：以至少1:1的第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比进行混合。
条款14.根据条款13所述的方法，其中，第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比为至少2:1。
条款15.根据条款1至14中任一项所述的方法，其中，金属原料和第二球形粉末组分包括Ti-6Al-4V，并且其中，将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合包括以产生具有至多约2000ppm的氧浓度的混合物的第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比进行混合。
条款16.一种球形金属粉末掺合物，该球形金属粉末掺合物是根据条款1至15中任一项所述的方法制造的。
条款17.一种制造球形金属粉末掺合物的方法，所述方法包括以下步骤：将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，第一球形粉末组分包括钛并且具有在约2100ppm至约4000ppm的范围内的氧浓度，并且其中，第二球形粉末组分包括钛并且具有至多约1800ppm的氧浓度。
条款18.根据条款17所述的方法，其中，第二球形粉末组分的氧浓度在约800ppm至约1800ppm的范围内。
条款19.根据条款17所述的方法，其中：第一球形粉末组分的氧浓度在约2100ppm至约2300ppm的范围内，并且第二球形粉末组分的氧浓度在约900ppm至约1100ppm的范围内。
条款20.一种球形金属粉末掺合物，所述球形金属粉末掺合物是根据条款17至19中任一项所述的方法制造的。
所公开的球形金属粉末掺合物及其制造方法是在飞行器的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，所公开的球形金属粉末掺合物及其制造方法可用于多种应用。例如，所公开的球形金属粉末掺合物可以在各种类型的交通工具中实施，包括例如直升机、客船、汽车、海用产品(船、马达等)等。还考虑了各种非交通工具应用，例如医学应用。
尽管已经示出和描述了所公开的球形金属粉末掺合物的各个方面及其制造方法，但是本领域技术人员在阅读说明书后可以进行修改。本申请包括这样的修改并且仅受权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种使用金属原料制造球形金属粉末掺合物的方法，所述方法包括以下步骤：
研磨所述金属原料以产生中间粉末；
将所述中间粉末球化以产生第一球形粉末组分；以及
将所述第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，其中，所述第一球形粉末组分和所述第二球形粉末组分具有基本相同的化学成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属原料包括钛。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述金属原料具有在约2100ppm至约4000ppm的范围内的氧浓度。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述金属原料包括切屑。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述金属原料包括Ti-6Al-4V。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，研磨所述金属原料以产生所述中间粉末的步骤包括：研磨以实现在约10μm至约100μm之间的平均粒度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述中间粉末的至少80％的粉末颗粒的粒度在所述平均粒度的20％之内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述研磨是在行星式磨机、球磨机或辊磨机中进行的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：在所述研磨之前使所述金属原料氢化。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括以下步骤：在所述球化之前使所述中间粉末脱氢。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，使所述中间粉末球化的步骤包括：将所述中间粉末引入感应等离子体。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述第二球形粉末组分包括钛，并且其中，所述第二球形粉末组分具有至多约1800ppm的氧浓度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，将所述第一球形粉末组分与所述第二球形粉末组分混合的步骤包括：以至少1:1的第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比进行混合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比为至少2:1。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述金属原料和所述第二球形粉末组分包括Ti-6Al-4V，并且其中，将所述第一球形粉末组分与所述第二球形粉末组分混合的步骤包括：以产生具有至多约为2000ppm的氧浓度的混合物的第一球形粉末组分与第二球形粉末组分比进行混合。
16.一种球形金属粉末掺合物，该球形金属粉末掺合物是根据权利要求1至15中任一项所述的方法制造的。
17.一种制造球形金属粉末掺合物的方法，所述方法包括以下步骤：
将第一球形粉末组分与第二球形粉末组分混合，
其中，所述第一球形粉末组分包括钛并且具有在约2100ppm至约4000ppm的范围内的氧浓度，并且
其中，所述第二球形粉末组分包括钛并且具有至多约1800ppm的氧浓度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二球形粉末组分的氧浓度在约800ppm至约1800ppm的范围内。
19.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述第一球形粉末组分的氧浓度在约2100ppm至约2300ppm的范围内，并且
所述第二球形粉末组分的氧浓度在约900ppm至约1100ppm的范围内。
20.一种球形金属粉末掺合物，该球形金属粉末掺合物是根据权利要求17至19中任一项所述的方法制造的。
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