CN114786840A - 由原材料制造球化粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了使用微波等离子体处理对原材料进行处理的方法、装置和组件的实施方案。具体而言，本文公开的原材料涉及废料、脱氢或非氢化进料材料、再循环的经使用粉末、和气体雾化粉末。微波等离子体处理可用于球化处理和去除污染物。有利地，经微波等离子体处理的原料可用于各种应用，例如需要高粉末流动性的增材制造或粉末冶金(PM)应用。

Description

由原材料制造球化粉末的方法

相关申请的引用

依据35 U.S.C. §119(e)，本申请要求2019年12月19日提交的美国临时申请号62/950,778的优先权权益，该临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景

领域

本公开在一些实施方案中大体涉及由包括废料、脱氢或非氢化材料、再循环的经使用粉末、或过大的气体雾化粉末的原材料制造金属球形或球状粉末产品。

相关技术描述

制备一些形式的工业粉末的一个重要方面是球化处理方法，其将通过常规压碎方法制造的不规则形状或有角粉末转变成球形的低孔隙度颗粒。球形粉末是形状均匀的，较致密，孔隙较少，具有高度且一致的流动性和高振实密度。这样的粉末在例如注射成型、热喷涂、增材制造等应用中表现出优异的性质。

制造球形金属粉末，特别是含Ti的金属粉末，可能提出许多挑战。实现所需球形形状、所需孔隙度水平(例如，没有孔隙到非常多孔)以及所需组成和微结构可能是困难的。

常规的球化处理方法采用描述于1978年2月28日颁发的美国专利4,076,640中的热电弧等离子体和描述于2005年7月19日颁发的美国专利6,919,527中的射频产生的等离子体。然而，这两种方法呈现出射频和热电弧等离子体的热不均匀性所固有的局限性。

在热电弧等离子体的情况下，在两个电极之间生成的电弧在等离子体通道内产生等离子体。使用等离子体气体将等离子体吹出等离子体通道。从侧面(垂直或成一定角度)将粉末注入到等离子体羽流中，在此它由等离子体的高温熔融。熔体的表面张力将其拉成球形，然后将其冷却、固化并收集在过滤器中。热电弧等离子体的一个问题是用于点燃等离子体的电极被暴露于高温，导致电极降解，这将污染等离子体羽流和过程物质。另外，热电弧等离子体羽流固有地表现出大的温度梯度。通过将粉末从侧面注入到等离子体羽流中，并非所有的粉末颗粒都暴露于相同的过程温度，从而产生部分球化的、不均匀的、具有非均匀的孔隙度的粉末。

在射频诱导耦合的等离子体球化处理的情况下，等离子体通过变化的磁场生成，变化的磁场在等离子体气体中诱导电场，电场进而驱动等离子体过程，例如电离、激发等，以在圆筒形介电管中维持等离子体。已知诱导耦合的等离子体具有低的将射频能量耦合至等离子体中的效率，和与电弧和微波产生的等离子体相比更低的等离子体温度。负责产生等离子体的磁场表现出不均匀的分布，这导致具有大的温度梯度的等离子体，其中等离子体呈现圆环样形状，其表现出在等离子体的边缘(接近介电管壁)的最高温度和在圆环中央的最低温度。另外，在等离子体和围绕介电管缠绕的射频线圈之间，由于线圈上的RF电压，而有电容性分量产生。这种电容性分量产生大的电场，其驱动离子从等离子体到介电内壁，这进而导致形成电弧和介电管降解及过程物质被管材料污染。

为了可用于要求高粉末流动的增材制造或粉末冶金(PM)应用，金属粉末颗粒应表现出球形，这可以通过球化处理过程实现。这个过程包括在热环境中熔融颗粒，从而液态金属的表面张力将每个颗粒成形为球形几何形状，接着冷却和再固化。此外，球形粉末可以通过各种技术直接制造。在一种这样的技术中，等离子体旋转电极(PRP)制造高度流动和填密的钛和钛合金粉末，但认为其太昂贵。此外，球化钛和钛合金已使用气体雾化生成，其使用相对复杂的装置并且可以将孔隙度引入粉末。不规则形状粉末的球化处理方法包括使用诱导耦合的等离子体(ICP)的TEKNA的(Sherbrook，加拿大魁北克)球化处理过程，其中获自氢化-脱氢(HDH)过程的有角粉末在气体内携带并被注射通过热等离子体环境以熔融粉末颗粒。然而，这种方法遭受等离子体的不均匀性，这导致原料的不完全球化处理。HDH过程涉及数个复杂步骤，包括在粉末进行球化处理之前氢化、脱氢和脱氧。这个过程是费时的多步骤过程，其升高通过这些方法制造的金属粉末的成本。

发明内容

一种由先前由气体雾化过程制造的粉末制造球化粉末的方法，该方法包括将先前由气体雾化过程制造的粉末引入到微波等离子体焰炬中，所述先前由气体雾化过程制造的粉末具有在用于增材制造的范围之外的平均粒度，以及在微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述先前由气体雾化过程制造的粉末，以形成与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的平均粒度和粒度分布相比具有不同的平均粒度和较小的粒度分布的球化粉末颗粒。

在一些实施方案中，熔融和球化处理增大平均粒度。在一些实施方案中，熔融和球化处理减小平均粒度。在一些实施方案中，与先前由气体雾化过程制造的粉末的粒度分布相比，球化颗粒的10%至95%的粒度分布小至少50%。

在一些实施方案中，与先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，球化粉末的第50百分位粒度减小了至少40%。在一些实施方案中，与先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，球化粉末的第50百分位粒度减小了至少50%。

在一些实施方案中，与先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，球化粉末的第50百分位粒度增大了至少40%。在一些实施方案中，与先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，球化粉末的第50百分位粒度增大了至少50%。

在一些实施方案中，先前由气体雾化过程制造的粉末包含选自以下的材料：金属、金属合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铁、铁合金、延展性金属、延展性金属合金和陶瓷。在一些实施方案中，碳和氮在熔融和球化处理期间从先前由气体雾化过程制造的粉末去除。在一些实施方案中，在熔融和球化处理后，球化粉末颗粒保持与先前由气体雾化过程制造的粉末相同的流变学性质。

本文公开了由废金属或经使用金属部件制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括：提供废金属或经使用金属部件，所述废金属或经使用金属部件包含选自金属、金属合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钢和钢合金的材料；铣磨所述废金属或经使用金属部件以制造在预先确定为适合用作微波等离子体过程中的原料的颗粒体积范围内的金属颗粒；以及对在所述确定的颗粒体积范围内的金属颗粒施加所述微波等离子体过程以形成球化粉末。

在一些实施方案中，所述确定的颗粒体积范围可以在15微米和63微米之间。在一些实施方案中，废金属或经使用金属部件可以包含加工硬化的微结构，其在施加微波等离子体过程之后保留在球化粉末中。在一些实施方案中，可以在不使废金属或经使用金属部件脆化的情况下完成对废金属或经使用金属部件的铣磨。

在一些实施方案中，废金属或经使用金属部件可以包含Ti 6Al-4V。在一些实施方案中，废金属或经使用金属部件可以包含合金元素，所述合金元素包括Al、Mg、Ti和/或Cu，并且在施加微波等离子体过程之后，球化粉末仍包含Al、Mg、Ti和/或Cu。在一些实施方案中，废金属或经使用金属部件可以包括尖锐的镟屑、锯屑、磨削屑、磨削细料和/或清洗管路细料。在一些实施方案中，可以选择废金属或经使用金属部件用于铣磨，以具有将在铣磨后产生在预先确定的颗粒体积范围内的金属颗粒的尺寸和/或纵横比。

本文还公开了制造具有约x至约y的所需粒度分布的球化粉末的方法的实施方案，其中x表示粒度分布的低端，且y表示粒度分布的高端，所述方法包括：将通过铣磨或压碎废金属或经使用金属部件获得的金属颗粒引入到微波等离子体焰炬中，大部分的所述引入的金属颗粒具有约4/3 π (x/2)³至约4/3 π (y/2)³的体积，并且其中所述引入的金属颗粒具有2:1至200:1的总体平均或中值纵横比；以及在所述微波等离子体焰炬内熔融和球化处理金属颗粒，以形成具有约x至约y的所需粒度分布的球化粉末。

在一些实施方案中，x可以等于5微米，且y可以等于45微米，并且大部分的所述引入的金属颗粒可以具有约65.45μm³至约47,712.94μm³的体积。在一些实施方案中，总体平均或中值纵横比可以在5:1至20:1之间。在一些实施方案中，总体平均或中值纵横比可以在10:1至100:1之间。在一些实施方案中，将金属颗粒引入到微波等离子体焰炬中可以包括将金属颗粒引入到微波等离子体焰炬的排气中或引入到微波等离子体焰炬的羽流中。

本文还公开了由经使用粉末制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括：将先前经使用粉末颗粒引入到微波等离子体焰炬中，所述先前经使用粉末颗粒包含附属物(satellite)、团聚体或污染物；以及在微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述先前经使用粉末颗粒以形成去除了团聚体、污染物和附属物的球化粉末颗粒。

在一些实施方案中，先前经使用粉末颗粒可以包含附属物、团聚体和污染物。在一些实施方案中，先前经使用粉末颗粒可以包含选自以下的材料：金属、金属合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钢、钢合金、延展性金属、延展性金属合金和陶瓷。在一些实施方案中，碳和氮可以在熔融和球化处理期间从先前经使用粉末颗粒去除。在一些实施方案中，先前经使用粉末颗粒可以由增材制造过程形成，所述增材制造过程选自激光烧结、电子束熔融、熔丝沉积、定向能量沉积、粉末床熔合或粘合剂喷射。在一些实施方案中，在熔融和球化处理之后，球化粉末颗粒可以保持与先前经使用粉末颗粒相同的流变学性质。

本文还公开了由包含脱氢或非氢化钛或钛合金的进料材料制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括：将包含脱氢或非氢化钛或钛合金颗粒的进料材料引入到微波等离子体焰炬中；以及在由所述微波等离子体焰炬产生的等离子体内熔融和球化处理颗粒以形成球化粉末。

在一些实施方案中，进料材料可以包含通过氢化-脱氢(HDH)过程处理的钛或钛合金颗粒。在一些实施方案中，球化粉末可以包含中值球形度为至少0.75的颗粒。在一些实施方案中，球化粉末可以具有在粒度分布范围的低端处在5微米和45微米之间、且在粒度分布范围的高端处在15微米和105微米之间的粒度分布。

在一些实施方案中，可以设定一个或多个处理变量以在球化颗粒中产生马氏体微结构。在一些实施方案中，可以设定一个或多个处理变量以在球化颗粒中产生等轴微结构。在一些实施方案中，可以设定一个或多个处理变量以在球化颗粒中产生至少两个区域，每个区域具有不同的微结构。在一些实施方案中，所述至少两个区域可以包括核部分和皮部分，所述皮部分具有可以不同于进料材料的微结构的微结构。在一些实施方案中，进料材料可以具有不小于1.0微米且不大于300微米的粒度。在一些实施方案中，进料材料可以包含Ti 6Al-4V。

附图说明

图1示出根据本公开的微波等离子体处理之前金属镟屑形式的废金属原料的示例性实施方案。

图2示出根据本公开的微波等离子体处理之后金属镟屑形式的废金属原料的示例性实施方案。

图3示出根据本公开的微波等离子体处理之前金属镟屑样品的L/W (纵横比)图的实例。

图4示出使用根据本公开的微波等离子体处理再使用废金属/合金的方法的示例性实施方案。

图5示出使用根据本公开的微波等离子体处理来处理氢化-脱氢(HDH)生成的原料的方法的示例性实施方案。

图6和图7示出根据本公开的微波等离子体处理之前的经使用粉末CoCr原料的示例性实施方案。

图8和图9示出根据本公开的微波等离子体处理之后的经使用粉末CoCr原料的示例性实施方案。

图10示出根据本公开的制造球形颗粒的方法的示例性实施方案。

图11示出根据本公开的实施方案，可以在球形金属或金属合金粉末的制造中使用的微波等离子体焰炬的实施方案。

图12A-B示出根据本公开的侧进料斗实施方案的可以在球形金属或金属合金粉末的制造中使用的微波等离子体焰炬的实施方案。

图13示出根据本公开的制造具有所需微结构的钛基(例如，钛、钛合金)球形颗粒的方法的示例性实施方案。

图14示出根据本公开的实施方案的将颗粒微结构改性的方法的示例性实施方案。

图15示出根据本公开的实施方案改性的颗粒的实施方案。

图16示出晶粒尺寸计算的实施方案。

图17示出微结构的实施方案。

图18示出先前经使用粉末(左)和根据本公开的实施方案的球化粉末(右)。

图19示出由气体雾化形成的过大颗粒。

图20示出关于由气体雾化形成的过大颗粒的物理性质数据。

图21示出在执行本文公开的方法的实施方案之后的过大气体雾化颗粒。

图22示出关于在进行本文公开的方法的实施方案之后的过大气体雾化颗粒的数据。

图23示出所公开的方法的实施方案的微结构变化。

具体实施方式

本文公开了使用微波等离子体处理对原材料进行球化处理的方法、装置和组件的实施方案。每种不同的原材料对初始原料以及微波等离子体焰炬中的处理具有其自身的关键、专门和独特的要求，以实现所需的球化处理。具体地，本文公开的原材料涉及废料、脱氢或非氢化的进料材料、再循环的经使用粉末和先前由气体雾化过程制造的粉末，所述原料可能需要初始预处理或具体的等离子体处理。如本文所公开，在微波等离子体焰炬中的处理可以包括将原料进料到微波等离子体焰炬、微波等离子体焰炬的等离子体羽流和/或微波等离子体焰炬的排气中。位置可以根据所用原料的类型而变化。此外，可以基于不同的要求选择原料。这些要求的实例有纵横比、粒度分布(PSD)、化学成分、密度、直径、球形度、氧化、硬度和延展性。

废料

本文公开了用于再使用废金属/合金和/或由金属/合金制成的经使用部件(例如，坟墓到摇篮(grave-to-cradle)或报废到溢价(scrap to premium))的方法、装置和组件的实施方案。特别地，本公开的实施方案允许获取金属废料或经使用金属部件，例如镟屑，并且在不脆化(例如通过使用氢化或低温)的情况下产生用于微波等离子体过程的原料。具体地，可以将废料或经使用金属部件铣磨成所需体积的原料或镟屑的颗粒，尽管在一些实施方案中可以不进行铣磨。然后，可以将原料或镟屑用作微波等离子体过程的原料以形成最终球化粉末，然后可以将其用于不同的过程，例如增材制造过程。然而，废料极难处理成用于微波等离子体处理的合适原料。

在一些实施方案中，所述方法可以包括分析1)原料尺寸/纵横比的选择、2)在没有脆化步骤的情况下破碎延展性块料的铣磨方法与3)最终所需的颗粒体积之间的相互关系，以产生用于具体应用的所需的粒度分布。在一些实施方案中，在铣磨之前使原料脆化。使用者可以指定用于铣磨原始废料的所需颗粒体积，这将影响原料尺寸/纵横比的选择和所用的铣磨方法。

最终的具体应用可以是例如具有15-45微米(或约15微米至约45微米)、或15-63微米(或约15微米至约63微米)或20-63微米(或约20微米至约63微米)的粒度分布(PSD)的激光床熔合，可以具有45-105微米(或约45微米至约105微米)或105-150微米(或约105微米至约150微米)的粒度分布的电子束处理，或金属注射成型(MIM)。在一些实施方案中，PSD可以表示为原料中颗粒的D50。在一些实施方案中，通过喷射磨、湿磨或球磨处理原料。在一些实施方案中，原料的PSD为15-15微米、15-45微米、20-63微米、45-105微米或105至150微米。PSD可以根据粉末处理技术如激光粉末床熔合、直接能量沉积、粘合剂喷射印刷、金属注射成型和热等静压来调节。

原始废料或经使用金属部件可以是尖锐的镟屑(例如，具有高纵横比、高表面积、薄或意大利细面条(spaghetti)状的材料、废料聚集料)、锯屑(高纵横比、薄材料)、磨削屑(较小纵横比的粉末状材料)、磨削细料或清洗管路细料(较小纵横比、厚或薄的板状材料)，然后可以将这些材料破碎成特定PSD的原料，例如在铣磨过程中，然后将这种原料微波等离子体处理成球形和致密的粉末。在一些实施方案中，废料可以是3D打印部件(例如，失败的3D打印部件)或铸件(例如，失败的铸件)。在一些实施方案中，输入材料可以是清洗管路细料、锯屑、磨削屑。在一些实施方案中，输入材料可以是由例如但不限于磨削、铣磨、切削或镟制的过程产生的经使用或废部件。图1是等离子体处理之前的金属镟屑原料的说明性实例。图2描绘等离子体处理之后金属镟屑的说明性实例。

在一些实施方案中，来自机械加工过程的高纵横比镟屑用作到微波等离子体熔融过程中的原料以生成球形粉末。在一些实施方案中，镟屑的平均纵横比为2:1 (或约2:1)、3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、10:1 (或约10:1)、20:1 (或约20:1)、100:1 (或约100:1)或200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，镟屑的平均纵横比为大于1:1 (或约1:1)、3:1(或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，镟屑的平均纵横比为小于3:1(或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。

在一些实施方案中，大部分镟屑的纵横比为2:1 (或约2:1)、3:1 (或约3:1)、5:1(或约5:1)、10:1 (或约10:1)、20:1 (或约20:1)、100:1 (或约100:1)或200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大部分镟屑的纵横比为大于1:1 (或约1:1)、3:1 (或约3:1)、5:1(或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大部分镟屑的纵横比为小于3:1 (或约3:1)、5:1(或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。

在一些实施方案中，大于75%的镟屑的纵横比为2:1 (或约2:1)、3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、10:1 (或约10:1)、20:1 (或约20:1)、100:1 (或约100:1)或200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大于75%的镟屑的纵横比为大于1:1 (或约1:1)、3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大于75%的镟屑的纵横比为小于3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。

在一些实施方案中，大于90%的镟屑的纵横比为2:1 (或约2:1)、3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、10:1 (或约10:1)、20:1 (或约20:1)、100:1 (或约100:1)或200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大于90%的镟屑的纵横比为大于1:1 (或约1:1)、3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。在一些实施方案中，大于90%的镟屑的纵横比为小于3:1 (或约3:1)、5:1 (或约5:1)、大于10:1 (或约10:1)、大于20:1 (或约20:1)、大于100:1 (或约100:1)或大于200:1 (或约200:1)。

在一些实施方案中，将原料调整为具有近似等于所处理粉末的所需PSD的体积分布的体积分布。基于4/3*π*r³计算体积，其中‘r’为所处理粉末的半径。在一些实施方案中，大部分的原料颗粒具有在约4/3 π (x/2)³至约4/3 π (y/2)³范围内的体积，其中x是所需粒度分布的低端且y是所需粒度分布的高端。在一些实施方案中，基本上所有的原料颗粒具有在约4/3 π (x/2)³至4/3 π (y/2)³范围内的体积。在一个实例中，预处理和处理过的原料的体积分布可以在约65.45μm³和约47,712.94μm³之间，对应于处理过的粉末的5微米至45微米的所需粒度分布。在一些实施方案中，预处理过的原料总体上的平均或中值纵横比可以在2:1和200:1之间、在3:1和200:1之间、在4:1和200:1之间或在5:1和200:1之间。然而，任何所公开的比率/直径都可以用于体积计算。在处理之后，在一个实例中的粒度分布可以为5微米至45微米。还预期其他粒度分布，包括但不限于在粒度分布范围的低端处在5微米和45微米之间、且在粒度分布范围的高端处在15微米和105微米之间的粒度分布(例如，5微米至15微米，15微米至45微米，45微米至105微米)。

在一些实施方案中，原料的体积分布可以与最终球化粉末相同。在一些实施方案中，原料的总体积可以与最终球化粉末大致相同。在一些实施方案中，原料的总体积可以在最终球化粉末的1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%或20% (或约1%、约2%、约3%、约4%、约5%、约10%、约15%或约20%)内。

在一些实施方案中，原料可以是大体上球形的，或大体上非球形的。例如，原料可以是畸形的原料、立方体、细丝、线等。

这些纵横比仅仅是示例性的，并且也可以使用其他纵横比。图3是高纵横比镟屑的说明性实例。在这个图中，L/W (纵横比)是对高纵横比镟屑的样品中每个单独的颗粒绘制的。纵横比以L/W显示。可以看出，纵横比范围为约1:1至15:1，大多数颗粒落在1:1至7:1之间。然而，这仅仅是一个实例，并且也可以使用其他纵横比。

来自机械加工过程的镟屑，可以首先从机械加工油和其他杂质中收集、清洁出来，然后过筛以将可以直接用作原料的小颗粒/镟屑与需要进一步处理以减小其尺寸的较大颗粒/镟屑分离。将镟屑的尺寸进一步减小至所需尺寸的示例性方法通过铣磨进行。然后将这种铣磨过程的产物再次过筛成不同尺寸，并选择所需尺寸以用作球化处理的原料。待使用的材料可以选自使用金属和金属合金原料来制造部件的任何减材过程。

更具体地，在一些实施方案中，可以在将废料引入到等离子体过程中之前对其进行预处理。例如，可以将废料过筛以去除大的团聚体并选择为要在等离子体中处理的所需尺寸。在一些实施方案中，可以用水、表面活性剂、洗涤剂、溶剂或任何其他化学品(例如酸)清洁废料以去除污染物。在一些实施方案中，如果废料被任何磁性材料污染，则可以对其进行磁性清洁。在一些实施方案中，清洁去除诸如陶瓷和油的污染物。在一些实施方案中，可以预处理废料以使其脱氧。在一些实施方案中，可以添加其他元素或化合物以补偿或改变经使用部件的化学成分。在一些实施方案中，可以将废料除尘以去除细料。在一些实施方案中，可以不执行预处理。所有这些预处理技术也可以用于铣磨后的废料原料。

在一些实施方案中，待铣磨的材料可以是钛或钛合金。可以使用的具体的钛是商业纯的钛(CpTi) (称为CpTi)、TiAl、Ti-6Al-4V (Ti-6-4)，并且特定的钛材料/合金不限制本公开。钛对于铣磨可能特别成问题，因为它是高度可延展的，并且因此将仅仅弯曲或改变形状，并且将不能适当地分解成粉末而不脆化，例如通过氢化或低温。然而，本公开的实施方案可以在没有这样的脆化过程的情况下铣磨钛或钛合金。这可以通过理解和适当选择待铣磨的废料、例如通过仅选择具有特定体积/尺寸/纵横比的材料来完成。

图4是用于再使用废金属/合金的过程100的流程图的说明性实例。在方框102处，可以接收金属/合金废料。在一些实施方案中，金属/合金废料可以是镟屑、清洗管路细料、锯屑、磨削屑。废金属/合金可以是由例如但不限于磨削、铣磨、切削或镟制的过程产生的经使用或废部件。在方框104处，可以清洁金属/合金废料。在一些实施方案中，清洁用水、表面活性剂、洗涤剂、溶剂或任何其他化学品如酸来进行以去除污染物。在一些实施方案中，清洁去除机械加工油和其他杂质。在一些实施方案中，清洁不是必需的。

在方框106/108处，可以将金属/合金废料过筛以在太大的块料和足够小以用作原料的块料之间进行分类。如果块料足够小以用作原料，则可以将它们传送到方框112。如果块料太大，则可以将它们在方框110处铣磨成较小的废金属/合金以调节粒度。在一些实施方案中，铣磨可以是喷射磨、湿磨和/或球磨。可以重复方框106，以便另外将铣磨过的废金属/合金过筛。或者，可以在方框112处决定铣磨过的废金属/合金准备好用作原料。

在方框112/114处，准备好用作原料的铣磨过的废金属/合金可以被微波等离子体处理。微波等离子体处理如下所述，并且还示于图11和图12A-B中。

如上所讨论，废料制备成原料可能极其复杂。

脱氢或非氢化的进料材料

本公开的一个方面涉及使用微波产生的等离子体球化处理金属和金属合金的方法。所述方法使用容易获得的现有预筛选或非预筛选的由金属和/或金属合金制成的原材料作为原料。粉末原料被夹带在惰性和/或还原性和/或氧化性气体环境中，并被注入到微波等离子体环境中。在注入到热等离子体中时，原料被球化并释放到充满惰性气体的室中，并被导入气密密封罐中，在此其被存储。该方法可以在大气压下、在部分真空中或在略高于大气压的压力下进行。在替代实施方案中，所述方法可以在低、中或高真空环境中进行。所述方法可以连续运行，并且当所述罐装满球化金属或金属合金颗粒时更换罐。此外，如果微波等离子体过程具有均匀性，则即使没有完全消除颗粒团聚，也会减少颗粒团聚，从而至少维持原始进料材料的粒度分布。然而，获得适当的原料尺寸可能是具有挑战性的，因为原料尺寸标准可能是严格的。可以使用不同的处理方法来获得不同的原料尺寸标准。

在一些实施方案中，氢化-脱氢(HDH)过程可以用于通过压碎、铣磨和筛选将大的金属或金属合金块料调整大小到更细的粒度分布。金属和合金粉末可以使用HDH过程制造，其中将大块原料如粗金属粉末或金属/金属合金废料等在含氢气氛中在高温(约700℃)下加热几天。这导致形成脆性金属氢化物，其可以容易地被压碎成细粉末并筛分以产生由最终使用者确定的所需尺寸分布。为了在粉末冶金中有用，必须通过在真空中加热金属氢化物粉末一段时间来从金属解离和去除氢。脱氢的粉末然后必须筛分以去除在处理期间由于烧结而产生的大颗粒团聚体。典型的所得粉末颗粒具有不规则或有角形状。对粉末进行脱氧过程以去除在筛分和处理期间被粉末吸收的任何氧。这样的DHD过程仅生成粗糙和不规则形状的颗粒。这样的HDH过程之后必须进行球化处理过程，例如本文关于微波等离子体过程所公开的，以使这些颗粒成球形。

所公开的HDH过程的实施方案主要以固态间歇过程进行。可以将一定体积的金属粉末装载到真空炉内的一个或多个坩埚中。可以将炉抽空到部分真空，并用惰性气体反复吹扫以消除不合宜的氧的存在。惰性气体通过粉末颗粒之间的开放空间的扩散缓慢，使得难以完全消除氧，氧会另外污染最终产物。可以使用机械搅拌来搅动粉末，以允许氧的更完全去除。

在氧吹扫之后，可以开始氢化。将炉充满氢气并在高温下加热达几天以完全形成金属氢化物。金属氢化物的脆性性质允许将大块材料压碎成细粉末，然后将其筛选成所需的尺寸分布。

下一步是脱氢。将筛选的氢化物粉末装载到真空炉中，然后在部分真空下加热，促进氢从金属氢化物中解离以形成H₂气体和脱氢金属。脱氢在颗粒表面上是快速的，在此H₂可以容易地离开颗粒。然而，在粉末的本体内，H₂在到达表面并离开颗粒之前必须扩散通过固体的本体。通过本体的扩散是限速过程“瓶颈”，其需要相对长的反应时间以完全脱氢。脱氢所需的时间和处理温度足以引起颗粒之间的烧结，这导致在最终产物中形成大颗粒团聚体。后处理筛分可以消除团聚体。在粉末可以从炉中取出之前，可以将其充分冷却以维持安全性并限制污染。大炉的热质量可能需要几分钟或几小时来充分冷却。冷却的粉末然后可以在单独的机器中球化处理。在一些实施方案中，原料可以是非氢化材料。在一些实施方案中，所述材料没有经历HDH，而是在没有任何氢化的情况下开始。在一些实施方案中，这可以在所公开的等离子体过程中进行。

图5示出由HDH进料制造球化钛粉末(200)的实施方案。图5左侧的过程流(201)呈现将HDH过程(200)与钛粉末的球化处理组合的示例性过程。所述过程从Ti原料(步骤a，205)开始，将其氢化(步骤b，210)，然后压碎并筛分至一定尺寸(步骤c，215)。通过脱氢回收纯钛(步骤d，220)。然后，针对团聚体和杂质进行筛选，然后筛分至客户指定的尺寸(步骤e，225)。然后，粉末经过脱氧步骤以减少或消除在筛分和筛选过程期间它所吸收的氧。脱氧对于小粒度、例如低于50微米的颗粒尤其有用，其中表面-体积比是显著的(步骤f，230)。然后将钛颗粒球化处理(步骤g，235)并收集(步骤h，240)。类似的过程可以用于产生Ti合金，例如Ti 6-4，而不是纯钛粉末。

在一些实施方案中，粉末夹带在惰性气体中并被注入到微波产生的等离子体环境(235)中，所述等离子体环境表现出在约4,000K和8,000K之间的基本均匀的温度分布且处于部分真空下。该气密密封室过程也可以在大气压力或略高于大气压力下运行，以消除大气氧泄漏到这个过程中的任何可能性。颗粒在等离子体中熔融，由于液体表面张力而球化，在离开等离子体后再固化。然后将颗粒收集在惰性气氛下的密封罐中(140)。在等离子体内，粉末颗粒可以被充分加热至熔融并引起液态金属的对流，从而根据可逆反应引起氢的解离(如果在HDH过程之后还有任何残留物)，其中M=任意金属：

在部分真空中，氢从金属解离以形成氢气是有利的，从而驱动上述反应向右进行。由于对流，氢从液态金属的解离速率是快速的，这连续地将H₂引到液体表面，在此其可以快速地离开颗粒。

如上所述，原料的按大小分级可能难以获得。HDH过程可以有助于获得满足一定尺寸标准的原料的过程。

将经使用粉末再循环

本文公开了用于再循环/再使用/再调节例如来自后处理或产率损失的经使用粉末(例如，废弃副产物)的方法、装置和组件的实施方案。先前经使用粉末可以是已经历制造过程、例如增材制造过程的粉末。在一些实施方案中，先前经使用粉末为先前制造的粉末，其在用于特定过程例如增材制造的粉末的可接受尺寸之外。特别地，本公开的实施方案允许获取经使用粉末并将其转化为用于微波等离子体过程的原料，以形成最终的球化粉末，然后可以将其用于不同的过程，例如增材制造过程、金属注射成型(MIM)或热等静压(HIP)过程。这对于使用气体雾化过程制造的粉末尤其有用，气体雾化过程会产生过度大的颗粒。因此，在一些实施方案中，大的和/或畸形的颗粒可以被再球化处理。经使用粉末可以具有不同的品质，因此利用经使用粉末作为原料可能是具有挑战性的。原料可能被污染或尺寸不当，或者总体难以处理。

在一些实施方案中，可以在将粉末引入到等离子体过程中之前对其进行预处理。例如，可以将粉末过筛以去除大的团聚体并且选择所需尺寸以在等离子体中处理。在一些实施方案中，可以用水、表面活性剂、洗涤剂、溶剂或任何其他化学品(例如酸)清洁粉末以去除污染物。在一些实施方案中，如果粉末被任何磁性材料污染，则可以对其进行磁性清洁。在一些实施方案中，可以预处理粉末以使其脱氧。在一些实施方案中，可以添加其他元素或化合物以补偿或改变粉末的化学成分。在一些实施方案中，可以将粉末除尘以去除细料。在一些实施方案中，可以不执行预处理。

在一些实施方案中，可以将先前经使用粉末改性以使其更适合用作原料，因为先前的处理可能使粉末/颗粒不可用。在一些实施方案中，可以去除可能伤害/减少流动的“附属物”。此外，经使用粉末可能变得团聚，并且所公开的方法可以分离粉末中的颗粒。在一些实施方案中，可以去除污染物，例如有机物。在一些实施方案中，可以通过所公开的方法从先前经使用粉末去除碳、氮、氧和氢。在一些实施方案中，可以去除后生物(artifact)。所公开的方法还可以改进经使用粉末的流动性。在一些实施方案中，可以调节表面纹理以降低经使用粉末的表面粗糙度，从而改进流动性。在一些实施方案中，可以通过吸收附属物来改进流动性。在一些实施方案中，可以改变停留时间和功率水平以吸收附属物或将其蒸发，例如对本体粉末的化学成分影响最小。

通常，所公开的方法的实施方案可以再次使经使用粉末成为球形，例如具有曾为球形且在先前的过程期间已经变成非球形的颗粒的粉末。这些先前的过程可以包括但不限于气体雾化、激光床熔合、电子束熔融和粘合剂喷射。在一些实施方案中，经使用粉末可以是来自电子束过程的较大粉末废物，然后可以将其制成用于激光应用的较小粉末。在一些实施方案中，经使用粉末可以是来自气体雾化过程的较大粉末废物，然后可以将其制成用于激光应用的较小粉末。在一些实施方案中，在使用之后，粉末具有团聚体、超出规范的增加的氧含量、来自烟灰和无机材料的污染和/或使它们非球形化的变形。在这些实施方案中，粉末不经处理就不能被再使用。

在一些实施方案中，PSD的最小直径为1微米(µm)且最大直径为22µm，或最小直径为5µm且最大直径为15µm，或最小直径为15µm且最大直径为45µm，或最小直径为22µm且最大直径为44µm，或最小直径为20µm且最大直径为63µm，或最小直径为44µm且最大直径为70µm，或最小直径为70µm且最大直径为106µm，或最小直径为105µm且最大直径为150µm，或最小直径为106µm且最大直径为300µm。如将了解，仅出于说明性目的而提供这些上限值和下限值，且在其他实施方案中可以使用替代PSD值。在一些实施方案中，所公开的处理方法保留合金元素，尤其是高挥发性元素，例如来自经使用粉末的Al、Mg、Ti和Cu。

本公开描述了上述经使用粉末的更生，以制造具有改进规格的新鲜粉末。由微波产生的等离子体构成的微波等离子体过程用于将上述经使用粉末更生为更好的规格，因此可以将它们再次用作上述粉末冶金过程的原料。图18示出先前经使用粉末1802 (左)与球化粉末1804 (右)的对比。

在一些实施方案中，通过处理经使用粉末，可以维持粒度分布。在一些实施方案中，可以通过吸收附属物来改进/收紧粒度分布。在一些实施方案中，可以通过使大的团聚体再球化来改进/收紧粒度分布。例如，对于具有15-45微米粒度分布的激光粉末床，经使用粉末可以包含a) 5重量%的通过微波等离子体过程吸收或蒸发的附属物，和b)大的畸形团聚体，这两者可以通过所公开方法的实施方案去除。作为一个实例，可以将具有45-106微米的粒度分布的粉末减小到15-45微米，例如用于激光粉末床。在一些实施方案中，粒度分布可以是粉末中颗粒的D50。

在一些实施方案中，通过处理经使用粉末，可以改变粒度直径。在一些实施方案中，可以减小粒度直径。在一些实施方案中，通过部分蒸发大颗粒的表面，可以减小粒度直径以产生较小直径粒度。例如，具有45-106微米粒度直径的来自电子束粉末床的粉末可以用于制造具有15-45微米粒度的粉末，以用于激光床增材制造过程。

图19示出由气体雾化(GA)过程形成的粉末，其在1902处放大100倍、在1904处放大1000倍显示。示出的粉末可具有约2.483g/cc的表观密度、无霍尔流动并具有包含约0.106重量%的氧和约0.016重量%的氮的组成。图20示出图19的粉末的粒度分布图。图21示出由本公开的实施方案形成的粉末，其在2102处放大100倍、在2104处放大1000倍显示。图21中示出的粉末可包含包含约0.076重量%的氧和约0.011重量%的氮的组成。图22示出图21的粉末的粒度分布图。气体雾化过程通常产生宽的粒度范围，平均而言太细或太粗，另外的情况下都无法使用。然而，本公开的实施方案可以将无法使用的尺寸的颗粒转换成可以用于不同过程、例如增材制造过程的粒度。

如附图中所示，本文公开的方法可大大收紧粒度分布，同时还减小粉末的总体尺寸。例如，颗粒的第50百分位为约34微米，而粉末最初颗粒的第50百分位为52微米。因此，平均粒度可以减小(或如果需要，在其他实施方案中增加)。此外，总体粉末分布已变窄，其中原始颗粒跨度为21-101微米(10%至95%)，而在处理后颗粒跨度为23至58微米(10%至95%)。

在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以减小10%、20%、30%、40%、50%、60%或70%(或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以减小大于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以减小小于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。

在一些实施方案中，10%至95%的粒度分布可以减小10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，10%至95%的粒度分布可以减小大于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，10%至95%的粒度分布可以减小小于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。

在一些实施方案中，先前经使用粉末(例如通过气体雾化)可以产生太小而不能用于制造过程(例如增材制造过程)的粉末。因此，本公开的实施方案可以用于增大颗粒的总体尺寸。例如，在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以增大10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以增大大于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。在一些实施方案中，粒度的第50百分位可以增大小于10%、20%、30%、40%、50%、60%或70% (或约10%、约20%、约30%、约40%、约50%、约60%或约70%)。

等离子体气体可以是粉末材料特定的。作为一个实例，在金属和金属合金不容易形成氮化物的情况下，可以使用氮气。一个实例是Inconel 718的处理，其中当其在氮等离子体环境中运行时，处理过的粉末没有化学改变并且没有出现任何氮结合到本体粉末中。

在金属和金属合金容易与氮反应的情况下，可以使用稀有气体，例如氩气、氩气/氦气混合物。也可以将这些稀有气体与氢气混合以增加等离子体的均匀性。易与氮反应的金属合金的一个实例是钛合金Ti 6%Al - 4%V (以重量计)。

在一些情况下，使用稀有气体和混合物(例如氩气和氩气/氢气混合物)来避免粉末和等离子体气体之间的任何反应。在其他情况下，当处理过的粉末不与上述气体反应时，可以使用氮气。

对经使用粉末/颗粒的再调节可以包括去除例如来自激光烧结过程的后生物。此外，可以去除由过热(例如来自装置线外部的激光过程)导致的附属物和团聚材料。形成经使用颗粒的具体过程，例如增材过程、粉末床熔合和粘合剂喷射，不是限制性的，并且可以对原始颗粒执行过其他过程。

在一些实施方案中，对经使用粉末/颗粒的再调节可以允许粉末/颗粒取回其原始流变学性质(例如堆积密度、流动性等)。事实上，在一些实施方案中，经使用粉末/颗粒的再调节也可以改进流变学性质。这可以通过经由附属物的表面熔融去除表面上的任何附属物并将它们结合到颗粒本体中来实现。在一些情况下，颗粒的完全熔融将使颗粒致密化并去除任何孔隙。通过等离子体的较高粉末密度和较长的停留时间可以实现颗粒的完全熔融。球化处理粉末的事实也增加了其流动性。有角形状的粉末非常难以流动，并且当它们的形状变得更为球形时，它们的流动性增加。图6和图7示出处理前的CoCr样品，其包含附属物。图8和图9示出微波等离子体处理之后的CoCr样品，其中附属物被去除，这可以将流动性提高25% (或约25%)。图6和图8分别显示微波等离子体处理之前和之后的相同粉末。类似地，图7和图9分别显示微波等离子体处理之前和之后的相同粉末。在一些实施方案中，附属物可以被吸收到较大颗粒中。

附属物可以是通过烧结或其他物理过程而团聚有小颗粒的主要粉末颗粒，主要粉末颗粒具有在限定的粒度分布内的尺寸，小颗粒具有在所述粒度分布之外的远小于主要颗粒直径的直径。

团聚体可以是聚结形成较大颗粒的两个或更多个颗粒。

此外，再调节可以使再调节期间的氧吸收最小化。这可以通过例如添加氢气或还原剂、在封闭环境中运行或在高温下运行来实现。在一些实施方案中，可以使用大气压力惰性气体。在一些实施方案中，可以使用低氧环境。

在一些实施方案中，成合金组分化学成分或次要组分化学成分可能未改变。在一些实施方案中，可以从粉末去除具有低熔融温度的某些元素。

在一些实施方案中，先前经使用粉末颗粒可以是金属或金属合金。在一些实施方案中，先前经使用粉末颗粒可以是钛或钛合金。可以使用的具体钛是Ti (称为CpTi)、TiAl、Ti-6-4，并且特定的钛材料/合金不限制本公开。也可以使用其他材料，例如其他延展性材料。在一些实施方案中，镍和镍合金、钴和钴合金、钢或不锈钢可以是先前经使用粉末颗粒，并且特定的材料不是限制性的。在一些实施方案中，可以使用镍金属/合金，例如Iconel718和625超合金。在一些实施方案中，可以使用YSZ、MY、CoO、Al₂O₃-TiO₂、不锈钢316L和17-4。

如上所讨论，准备经使用粉末用于原料可能极其复杂。

球形度

在一些实施方案中，通过等离子体处理获得的最终颗粒可以是球形或球状的，这两个术语可以互换使用。有利地，通过使用与所公开的每一种不同原料相关的关键和具体公开内容，所有原料都可以转变成球形粉末。

本公开的实施方案涉及制造基本上球形或球状或已经经历显著球化处理的颗粒。在一些实施方案中，球形、球状或球化颗粒是指球形度大于一定阈值的颗粒。颗粒球形度可以通过如下计算，使用以下等式计算体积与颗粒的体积V匹配的球体的表面积A_s,理想，其中：

A_s,理想=4πr_理想 ²

然后将该理想化表面积与颗粒的测量表面积A_s,实际相比：

。

在一些实施方案中，颗粒可以具有大于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或大于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)的球形度。在一些实施方案中，颗粒可以具有0.75或更大或0.91或更大(或约0.75或更大或约0.91或更大)的球形度。在一些实施方案中，颗粒可以具有小于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或小于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)的球形度。在一些实施方案中，如果颗粒具有处于或高于任何上述球形度值的球形度，则认为这种颗粒是球形、球状或球化的，并且在一些优选的实施方案中，如果颗粒的球形度处于或约为0.75或更大或处于或约为0.91或更大，则认为这种颗粒是球形的。

在一些实施方案中，给定粉末内的所有颗粒的中值球形度可以大于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或大于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，给定粉末内的所有颗粒的中值球形度可以小于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或小于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，如果对给定粉末测量的颗粒的全部或阈值百分比(如由以下任何分数所描述)具有大于或等于任何上述球形度值的中值球形度，则认为粉末是球化的，并且在一些优选的实施方案中，如果颗粒的全部或阈值百分比具有处于或约为0.75或更大或处于或约为0.91或更大的中值球形度，则认为粉末是球化的。

在一些实施方案中，可以高于给定球形度阈值的粉末内的颗粒分数，例如如上所述，可以大于50%、60%、70%、80%、90%、95%或99% (或大于约50%、约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或约99%)。在一些实施方案中，可以高于给定球形度阈值的粉末内的颗粒分数，例如如上所述，可以小于50%、60%、70%、80%、90%、95%或99% (或小于约50%、约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或约99%)。

粒度分布和球形度可以通过任何合适的已知技术来测定，例如通过SEM、光学显微镜、动态光散射、激光衍射、使用图像分析软件的手动尺寸测量，例如在相同材料切片或样品的至少三个图像上每个图像约15-30次测量，以及任何其他技术。

在一些实施方案中，在所公开的方法中仅使用有问题的颗粒(“坏的颗粒”)。例如，可以将有问题的颗粒与可以用作微波等离子体过程的原料而无需任何进一步处理的颗粒(“好的颗粒”)分离。在一些实施方案中，可以将好的颗粒和坏的颗粒都投入该过程中。

粉末冶金过程(例如增材制造、热喷涂和冷喷涂)制造大量的废粉末。在一些情况下，那些粉末的形态与原始新鲜粉末不同，并且可以包含附属物、部分熔融物和/或其他污染物。这些变化会导致粉末流动性、振实密度和堆积密度的劣化，以及有时导致污染如碳和氢，并使得经使用粉末不能用于相同的过程。使那些经使用粉末再循环到它们的原始规格可以提供经济优势和较低的成本。

在涉及经使用部件的一些实施方案中，可以在将经使用部件引入到等离子体过程中之前对其进行预处理。例如，可以将经使用部件过筛以去除大的团聚体并选择为要在等离子体中处理的所需尺寸。在一些实施方案中，可以用水、表面活性剂、洗涤剂、溶剂或任何其他化学品(例如酸)清洁经使用部件以去除污染物。在一些实施方案中，如果经使用部件被任何磁性材料污染，则可以对其进行磁性清洁。在一些实施方案中，可以将经使用部件预处理以使其脱氧。在一些实施方案中，可以添加其他元素或化合物以补偿或改变经使用部件的化学成分。在一些实施方案中，可以将经使用部件除尘以去除细料。在一些实施方案中，可以不执行预处理。所有这些预处理技术也可以用于铣磨后的粉末。

在一些对材料进行铣磨的实施方案中，待铣磨的材料可以是钛或钛合金。可以使用的具体钛是Ti (称为CpTi)、TiAl、Ti-6-4，并且特定的钛材料/合金不限制本公开。钛对于铣磨可能特别成问题，因为它是高度可延展的，并且因此将仅仅弯曲或改变形状，并且将不能适当地分解成粉末而不脆化，例如通过氢化或低温。然而，本公开的实施方案可以在没有这样的脆化过程的情况下铣磨钛或钛合金。这可以通过理解和适当选择待铣磨的废料、例如通过仅选择具有特定体积/尺寸/纵横比的材料来完成。

也可以使用其他材料，例如其他延展性材料。在一些实施方案中，可以使用镍和镍合金、钢、不锈钢、铜、铜合金和哈司特镍合金(Hastealloy)，并且特定的材料不是限制性的。在一些实施方案中，可以使用镍金属/合金，例如Iconel 718和625超合金。在一些实施方案中，在反应性材料的情况下，材料的氧含量需要在几ppm至约2%的范围内，而对于非反应性材料，材料的氧含量需要在几ppm至约1%的范围内。

在一些对材料进行铣磨的实施方案中，材料可以进入具有特别有利的性质(例如加工硬化的微结构)的铣磨程序。本公开的实施方案允许加工硬化的微结构一直持续经过微波等离子体处理，从而形成保留加工硬化材料的最终球化粉末产物。这可以通过仅微波等离子体处理颗粒的外表面来完成，从而保留内部加工硬化的微结构。然而，在一些实施方案中，微波等离子体处理自始至终加热/熔融颗粒以改变其最初的微结构。

可以用半峰全宽(FWHM)使用Scherrer方程来计算晶粒尺寸。这可以显示对于任何上述过程，例如气体雾化粉末的再循环、经使用粉末的再循环或坟墓到摇篮过程，如何从原料的原始微结构到等离子体处理后的微结构实现微结构的至少部分保留。方程可以如下所示：

其中B：在特定2

处以弧度表示的峰宽，

：布拉格角，K：Scherrer常数，值在0.62至2.08之间，λ：所用x-射线的波长，和L：平均微晶尺寸。一个实例如下：

对于2

= 22.230°的峰

K= 假定为0.94 (对于立方对称)

该峰的FWHM (半峰全宽)= 4.0度

该峰的B (22.230°)= 0.06981 rad

λ= 1.5406 Å=0.15406 nm

。

图16示出晶粒尺寸计算，显示了保留的微结构。使用了XRD光谱的各个峰的角度来计算粉末中存在的平均微晶尺寸。如图所示，粉末可以具有各种晶粒尺寸，例如球化粉末中小于200、150、100、50、40、30、20、10或5纳米(或小于约200、150、100、50、40、30、20、10或5纳米)。

图17示出处理前和处理后的不同晶粒结构。如图所示，球化后颗粒的晶粒尺寸可以显著减小到纳米级。例如，GA粉末1702包含可见的微米大小的晶粒。另一方面，球磨原料1704可以包含纳米级结构，使得微米级晶粒不可见。在一些实施方案中，经等离子体处理的球化粉末1706可以包含纳米级结构，使得微米级晶粒不可见。此外，图23示出等离子体处理可如何改善微结构，例如均质化和减少/消除结构2302与结构2304之间的树枝状结构(顶部)或减少结构2306与结构2308之间的析出物(底部)。

因此，加工硬化(或其他微结构)的金属和金属合金原料可以通过高加热速率来球化处理而不影响微结构，所述高加热速率将仅熔融颗粒的表面而不影响本体，因此保持微结构。原材料可以是已在机械加工过程期间硬化的镟屑，或者是由硬化材料构成的大废块料，且其被铣磨至用作球化处理过程的原料的所需尺寸。

在一些对材料进行铣磨的实施方案中，铣磨机可以基于规定的所需体积来确定可以被铣磨的材料的厚度。

因此，在本公开的一些实施方案中，使用者可以执行选择可以被铣磨至所需体积而不使材料脆化的延展性材料的块料，然后铣磨材料而不必首先脆化以制造各自具有所需体积的颗粒作为微波等离子体焰炬的进料材料。然后，使用者可以将颗粒引入到等离子体焰炬中并处理粉末以在其成球形时保留加工硬化的微结构。

在一些涉及废料的实施方案中，在避免材料硬化的过程中铣磨由延展性金属和/或金属合金制成的废料。然后将铣磨过程的延展性产物过筛成不同的尺寸分布，以用作微波等离子体熔融过程中球化处理的原料。为了保持原料颗粒的延展性，可以通过颗粒在等离子体中和在等离子体余辉中的停留时间来控制加热和冷却速率。

所公开的方法的实施方案可以包括使用粉末进料器将粉末进料到微波产生的等离子体中，其中控制功率密度、气体流量和停留时间。过程参数(例如在等离子体中粉末的功率密度、流速和停留时间)可以取决于粉末材料的物理特性，例如熔点和热导率。功率密度可以在20W/cm³至500W/cm³ (或约20W/cm³至约500W/cm³)的范围内。总气体流量可以在0.1cfm至50cfm (或约0.1cfm至约50cfm)的范围内，并且停留时间可以从1ms调至10秒(或约1ms至约10秒)。这个过程参数范围将覆盖具有宽范围的熔点和热导率的材料所需的处理参数。

在一些涉及废料的实施方案中，废料可以是直接来自工厂场地的材料。在一些实施方案中，任何残留的污染物(例如油、油脂或其他材料)可以在所公开的方法之前或期间(在铣磨之前、在铣磨期间或在微波等离子体熔融期间)去除。

在一些实施方案中，控制氧气的能力可以提供优点，例如在钛废料的情况下。

在一些对材料进行铣磨的实施方案中，铣磨可以在水中进行。因此，当钛被剪切分开时，新鲜的钛表面氧化，这增加了氧水平。

不同的环境气体可以用于不同的应用。作为一个实例，在金属和金属合金不容易形成氮化物的情况下，可以使用氮气。一个实例是Inconel 718的处理，其中当其在氮等离子体环境中运行时，处理过的粉末没有化学改变并且没有出现任何氮结合到本体粉末中。

在一些实施方案中，原料可以具有各种形态，例如有角粉末、有角碎片、不规则的粉末和海绵粉末。通过处理(例如但不限于磨削、铣磨、清洁、洗涤、干燥和筛选)可以处理原料以满足尺寸、气体含量、纯度、污染和化学成分的某些标准。清洁包括去除有机物、陶瓷或其他金属污染物。

在一些实施方案中，镍或镍合金、钢或钢合金、钴或钴合金以及钛或钛合金可以用于本公开的实施方案中，并且特定的材料不是限制性的。在一些实施方案中，可以使用陶瓷。

在金属和金属合金容易与氮反应的情况下，可以使用稀有气体，例如氩气、氩气/氦气混合物。也可以将这些稀有气体与氢气混合以增加等离子体的均匀性。易与氮反应的金属合金的一个实例是钛合金Ti 6%Al - 4%V (以重量计)。

微波等离子体处理

可以根据原料初始条件优化过程参数以获得最大球化。对于每种原料特性，可以针对特定结果优化过程参数。美国专利公开号2018/0297122、US 8748785 B2和US 9932673B2公开了可以在所公开的方法中使用的某些处理技术，特别是用于微波等离子体处理。因此，美国专利公开号2018/0297122、US 8748785 B2和9932673 B2通过引用整体并入，并且所述技术应当被认为适用于本文所述的原料。

本公开的一个方面涉及使用微波产生的等离子体球化处理金属和金属合金的方法。粉末原料被夹带在惰性和/或还原性气体环境中，并被注入到微波等离子体环境中。在注入到热等离子体(或等离子体羽流或排气)中时，原料被球化并释放到充满惰性气体的室中，并被导入气密密封罐中，在此其被存储。该方法可以在大气压下、在部分真空中或在略高于大气压的压力下进行。在替代实施方案中，所述方法可以在低、中或高真空环境中进行。所述方法可以连续运行，并且当所述罐装满球化金属或金属合金颗粒时更换罐。

可以控制球化金属和金属合金的冷却速率以策略性地影响粉末的微结构。例如，α相钛合金的快速冷却促进针状(马氏体)结构。中等的冷却速率产生魏氏体微结构，且缓慢的冷却速率形成等轴微结构。通过控制过程参数，例如冷却气体流速、停留时间、冷却气体组成等，可以控制金属和金属合金的微结构。形成这些结构所需的精确冷却速率主要是材料内成合金元素的类型和量的函数。

冷却速率，尤其是当与微波等离子体羽流的一致且均匀的加热能力组合时，允许对最终微结构的控制。结果，可以将上述方法应用到处理金属(例如钛和钛合金，如Ti 6-4)原料。例如，虽然某些方法可以使用金属氢化物原料，但是对微结构的控制不限于此。特别地，本技术产生的方法和粉末包括使用非氢化源。例如，钛金属和各种钛金属合金可以用作原料来源。可以将这些材料压碎或铣磨以产生用于在微波等离子体焰炬内处理的颗粒。

冷却处理参数包括但不限于冷却气体流速、球化颗粒在热区中的停留时间和冷却气体的组成或构成。例如，颗粒的冷却速率或淬火速率可以通过增加冷却气体的流速而增加。冷却气体越快地流过离开等离子体的球化颗粒，淬火速率越高，从而允许锁定某些所需微结构。也可以调节颗粒在等离子体的热区内的停留时间，以提供对所得微结构的控制。也就是说，颗粒暴露于等离子体的时间长度决定了颗粒的熔融程度(即，与颗粒的最内部分或核相比，颗粒的表面熔融)。因此，熔融程度影响固化所需的冷却程度，因此它是冷却过程参数。取决于颗粒熔融的程度，微结构变化可以并入整个颗粒中或仅其一部分中。停留时间可以通过调节热区内的颗粒注入速率和流速(以及状态，例如层流或湍流)的这些操作变量来调节。设备的改变也可以用于调节停留时间。例如，停留时间可以通过改变热区的横截面积来调节。

可以改变或控制的另一冷却处理参数是冷却气体的组成。某些冷却气体比其他冷却气体更导热。例如，氦气被认为是高导热性气体。冷却气体的热导率越高，球化颗粒可以冷却/淬火越快。通过控制冷却气体的组成(例如，控制高导热气体与较低导热气体的量或比率)，可以控制冷却速率。

如冶金学中已知，金属的微结构由金属的组成以及材料的加热和冷却/淬火决定。在本技术中，通过选择(或知道)原材料的组成，然后将原料暴露于如由微波等离子体焰炬提供的具有均匀温度分布且受控制的等离子体，随后选择和控制冷却参数，实现对球化金属颗粒的微结构的控制。另外，金属材料的相取决于原材料的组成(例如纯度、成合金元素的组成等)以及热处理。钛具有两种不同的相，称为α相(其具有六方密堆积晶体结构)和β相(其具有体心立方结构)。钛也可以具有混合的α+β相。不同的晶体结构产生不同的机械响应。因为钛是同素异形的，所以它可以被热处理以产生特定含量的α相和β相。所需微结构不仅是晶粒(例如马氏体相对于等轴)的描述，而且是整体不同相的量和位置的描述。

在一个示例性实施方案中，在粉末状金属进料周围连续地吹扫惰性气体，以去除粉末进料斗内的氧气。然后将连续体积的粉末进料夹带在惰性气体内并进料到微波产生的等离子体中，用于脱氢或用于球化颗粒的组成/维持纯度。在一个实例中，微波产生的等离子体可以使用微波等离子体焰炬产生，如美国专利公开号US 2013/0270261和/或美国专利号8,748,785、9,023,259、9,259,785和9,206,085中所描述，这些专利各自通过引用整体并入本文。在一些实施方案中，将颗粒暴露于微波产生的等离子体内4,000K至8,000K的均匀温度分布。在一些实施方案中，将颗粒暴露于微波产生的等离子体内3,000K至8,000K的均匀温度分布。在等离子体焰炬内，粉末颗粒被快速加热和熔融。液体对流加速了H₂在整个熔融颗粒中的扩散，连续地将氢气(H₂)带到液体金属氢化物的表面，氢气在此离开颗粒，相对于固态过程，减少了每个颗粒需要处于过程环境内的时间。由于过程内的颗粒夹带在惰性气体(例如氩气)内，通常颗粒之间的接触极小，大大减少了颗粒团聚的发生。因此，大大减少或消除了对后处理筛分的需要，并且所得粒度分布实际上可以与输入进料材料的粒度分布相同。在示例性实施方案中，在最终产物中维持进料材料的粒度分布。

在等离子体、等离子体羽流或排气内，熔融金属由于液体表面张力而固有地被球化。由于微波产生的等离子体表现出基本均匀的温度分布，可以实现超过90% (例如91%、93%、95%、97%、99%、100%)的颗粒球化。在离开等离子体之后，颗粒在进入收集仓之前被冷却。当收集仓装满时，可以将它们移除并且根据需要用空仓替换而不停止这个过程。

在一个示例性实施方案中，在粉末状金属进料周围连续地吹扫惰性气体，以去除粉末进料斗内的氧气。然后将连续体积的粉末进料夹带在惰性气体内并进料到微波产生的等离子体中，用于球化颗粒的组成/维持纯度。在一个实例中，微波产生的等离子体可以使用微波等离子体焰炬产生，如美国专利公开号US 2013/0270261和/或美国专利号8,748,785中所描述，这些专利各自通过引用整体并入本文。在一些实施方案中，将颗粒暴露于微波产生的等离子体内4,000K至8,000K的均匀温度分布。在等离子体焰炬内，粉末颗粒被快速加热和熔融。由于过程内的颗粒夹带在惰性气体(例如氩气)内，通常颗粒之间的接触极小，大大减少了颗粒团聚的发生。因此，大大减少或消除了对后处理筛分的需要，并且所得粒度分布实际上可以与输入进料材料的粒度分布相同。在示例性实施方案中，在最终产物中维持进料材料的粒度分布。

在等离子体内，熔融金属由于液体表面张力而固有地被球化。由于微波产生的等离子体表现出基本均匀的温度分布，可以实现超过90% (例如91%、93%、95%、97%、99%、100%)的颗粒球化。在实施方案中，通过用微波产生的等离子体来处理，球化和调整(例如改变、操纵、控制)微结构得到解决，或者在一些情况下部分地得到控制。在离开等离子体之后，颗粒在进入收集仓之前被冷却。当收集仓装满时，可以将它们移除并且根据需要用空仓替换而不停止这个过程。

图10是示出根据本公开的实施方案的用于制造球形粉末的示例性方法(250)的流程图。在这个实施方案中，方法(250)通过将进料材料引入到等离子体焰炬(255)中而开始。在一些实施方案中，等离子体焰炬是微波产生的等离子体焰炬或RF等离子体焰炬。在等离子体焰炬内，将进料材料暴露于等离子体，导致材料熔融，如上所述(260)。如上所讨论，熔融材料通过表面张力而球化(260b)。在离开等离子体之后，产物冷却并固化，锁定为球形，然后被收集(265)。

如上所讨论，等离子体焰炬可以是微波产生的等离子体或RF等离子体焰炬。在一个示例性实施方案中，AT-1200旋转粉末进料器(可从Thermach Inc.获得)允许良好地控制粉末的进料速率。在一个替代实施方案中，可以使用其他合适的装置(例如流化床进料器)将粉末进料到等离子体中。可以恒定的速率引入进料材料，并且可以调节速率使得颗粒在随后的处理步骤期间不团聚。在另一个示例性实施方案中，首先筛分待处理的进料材料并根据其直径分类，其中最小直径为1微米(µm)且最大直径为22µm，或最小直径为5µm且最大直径为15µm，或最小直径为15µm且最大直径为45µm，或最小直径为22µm且最大直径为44µm，或最小直径为20µm且最大直径为63µm，或最小直径为44µm且最大直径为70µm，或最小直径为70µm且最大直径为106µm，或最小直径为105µm且最大直径为150µm，或最小直径为106µm且最大直径为300µm。如将了解，仅出于说明性目的而提供这些上限值和下限值，且在其他实施方案中可以使用替代尺寸分布值。这消除了轻颗粒在等离子体的热区上方的再流通，并且还确保了存在于等离子体中的过程能量足以熔融颗粒而不使其蒸发。预筛选允许有效地分配使颗粒熔融所需的微波功率而不使材料蒸发。

在一些实施方案中，仔细控制对仓的环境和/或密封要求。也就是说，为了防止粉末的污染或潜在氧化，调整仓的环境和/或密封以适应应用。在一个实施方案中，所述仓处于真空下。在一个实施方案中，在用根据本技术产生的粉末装满之后，气密密封仓。在一个实施方案中，将仓用惰性气体(例如氩气)回填。由于这个过程的连续性，一旦仓被装满，则可以将其移除并且据需要用空仓替换而不停止等离子体过程。

根据本公开的方法和过程可以用于制备球形金属粉末或球形金属合金粉末。例如，如果起始进料材料是钛材料，则所得粉末将是球形钛粉末。如果起始进料材料是钛合金材料，则所得粉末将是球形钛合金粉末。在一个以使用起始钛合金材料为特征的实施方案中，所得球形钛合金粉末包含Ti Al6-V4的球化颗粒，其中具有4%至7%铝(例如，5.5%至6.5%Al) (或约4%至约7%，或约5.5%至约6.5%)以及3%至5%重量的钒(例如，3.5%至4.5%钒) (或约3%至约5%，或约3.5%至约4.5%)。在一些实施方案中，材料可以具有在本段中列出的重量%的10% (+/- 10%)内的组成。在一些实施方案中，进料材料可以是Ti Al6-V4 (或Ti-6-4)，并且其中控制熔融和球化处理，使得球化粉末包含如本文所讨论的Ti Al6-V4。例如，在一些实施方案中，初始原料和最终粉末两者都是Ti Al6-V4。在一些实施方案中，起始原料和最终粉末可以具有不同的组成，但仍在本文讨论的Ti Al6-V4内。在一些实施方案中，起始原料和最终粉末可以具有不同的组成。

在一些实施方案中，可以控制本文讨论的处理，例如微波等离子体处理，以防止和/或最小化铝在熔融期间逸出原料，这可以维持所需的组成/微结构。

图11示出根据本公开的实施方案的可以在球形金属或金属合金粉末的制造中使用的示例性微波等离子体焰炬2。如上所讨论，可以将金属进料材料9、10引入到维持微波产生的等离子体11的微波等离子体焰炬3中。在一个示例性实施方案中，夹带气流和鞘流(向下箭头)可以通过入口5注入，以在经由微波辐射源1点燃等离子体11之前在等离子体焰炬内产生流动状态。在一些实施方案中，夹带流和鞘流都是轴对称的和层流的，而在其他实施方案中，气流是旋流的。将进料材料9轴向引入到微波等离子体焰炬中，在此它们被将材料导向等离子体的气流夹带。如上所讨论，气流可以由周期表中的稀有气体列(例如氦气、氖气、氩气等)组成。在微波产生的等离子体内，进料材料被熔融以球化处理材料。可以使用入口5引入过程气体，以沿着轴线12夹带颗粒9、10并加速导向等离子体11。首先，使用通过等离子体焰炬内的环形间隙产生的核层流气流(上部箭头组)通过夹带来加速颗粒9。可以通过第二环形间隙产生第二层流(下部箭头组)，以提供用于介电焰炬3的内壁的层流鞘，从而保护其不因来自热区6和等离子体11的热辐射而熔融。在示例性实施方案中，层流沿着尽可能靠近轴线12的路径将颗粒9、10导向等离子体11，将它们暴露在等离子体内的基本均匀的温度下。在一些实施方案中，存在合适的流动状态以防止颗粒10到达等离子体焰炬3的内壁，在所述内壁处可能发生等离子体附着。由气流导向微波等离子体11的颗粒9、10各自经历均匀的热处理。可以调节微波产生的等离子体的各种参数以及颗粒参数，以实现所需结果。这些参数可以包括微波功率、进料材料尺寸、进料材料插入速率、气体流速、等离子体温度、停留时间和冷却速率。在一些实施方案中，在离开等离子体11时，冷却或淬火速率不小于10⁺³ ℃/秒。如上所讨论，在这个特定实施方案中，气流是层流；然而，在替代实施方案中，可以使用旋流或湍流将进料材料导向等离子体。

图12A-B示出示例性微波等离子体焰炬，其包括侧进料斗而不是图11的实施方案中所示的顶进料斗，从而允许下游进料。因此，在这个实施方式中，原料在微波等离子体焰炬施用器之后注入，以在微波等离子体焰炬的“羽流”或“排气”中处理。因此，微波等离子体焰炬的等离子体在等离子体焰炬的出口端接合，以允许原料的下游进料，与关于图11讨论的顶部进料(或上游进料)相反。这种下游进料可以有利地延长焰炬的寿命，因为热区6被无限地保持，以免任何材料沉积在热区衬里的壁上。此外，其允许通过温度水平和停留时间的精确靶向而在适于粉末最佳熔融的温度下在下游接合等离子体羽流。例如，能够在包含等离子体羽流的淬火容器中使用微波粉末、气流和压力来调节羽流的长度。另外，下游方法可以允许取而代之地使用金属丝原料来制造球化材料，例如可以包括铝、Iconel、钛、钼、钨和铼的金属。这种球化处理方法可以应用于陶瓷和金属两者。

通常，下游球化处理方法可以利用两个主要硬件配置来建立稳定的等离子体羽流，这两个硬件配置是：例如美国专利公开号2018/0297122中描述的环形焰炬，或US8748785 B2和US 9932673 B2中描述的旋流焰炬。图12A和图12B两者显示可以用环形焰炬或旋流焰炬实施的方法的实施方案。在等离子体焰炬出口处与等离子体羽流紧密耦合的进料系统用于轴对称地进料粉末，以保持过程均匀性。其他进料构造可以包括围绕等离子体羽流的一个或若干个单独的进料喷嘴。原料粉末可以从任何方向进入等离子体，并且可以围绕等离子体以360°进料。原料粉末可以沿着等离子体羽流的长度在具体位置进入等离子体，在所述具体位置处已经测量了具体温度并且估计出颗粒充分熔融的停留时间。熔融的颗粒离开等离子体进入密封室，在此它们被淬火，然后收集。

可以将金属进料材料314引入到微波等离子体焰炬302中。可以使用料斗306以在将金属进料材料314进料到微波等离子体焰炬302、羽流或排气中之前储存金属进料材料314。进料材料314可以与等离子体焰炬302的纵向方向成任何角度注入。5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度。在一些实施方案中，原料可以大于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的角度注入。在一些实施方案中，原料可以小于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的角度注入。在替代实施方案中，原料可以沿等离子体焰炬的纵向轴线注入。微波辐射可以通过波导304引入到等离子体焰炬中。将进料材料314进料到等离子体室310中，并放置成与由等离子体焰炬302产生的等离子体接触。当与等离子体、等离子体羽流或等离子体排气接触时，进料材料熔融。当仍在等离子体室310中时，进料材料314在被收集到容器312中之前冷却和固化。或者，进料材料314可以在仍处于熔融相的同时离开等离子体室310，并在等离子体室外冷却和固化。在一些实施方案中，可以使用淬火室，所述淬火室可以使用或可以不使用正压。尽管与图11分开描述，图12A-B的实施方案被理解为使用与图11的实施方案类似的特征和条件。

在一些实施方案中，下游注入方法的实施方式可以使用下游旋流、延长的球化处理或淬火。下游旋流是指可以从等离子体焰炬下游引入以保持粉末不接触管壁的额外旋流分量。延长的球化处理是指延长的等离子体室以给予粉末更长的停留时间。在一些实施方式中，可以不使用下游旋流、延长的球化处理或淬火。在一些实施方案中，可以使用下游旋流、延长的球化处理或淬火中的一种。在一些实施方案中，可以使用下游旋流、延长的球化处理或淬火中的两种。

从下方注入粉末可以导致微波区域中等离子体管涂层的减少或消除。当涂层变得太显著时，微波能量被屏蔽而不能进入等离子体热区，并且等离子体耦合被减少。有时，等离子体甚至可能熄灭并变得不稳定。等离子体强度的降低意味着粉末的球化处理水平降低。因此，通过在微波区域下方进料原料并在等离子体焰炬的出口处接合等离子体羽流，消除了这个区域中的涂层，并且微波粉末与等离子体的耦合在整个过程中保持恒定，从而允许充分的球化处理。

因此，有利地，下游方法可以允许所述方法在减少涂层问题的同时运行长的持续时间。此外，下游方法允许能够注入更多的粉末，因为不需要使涂层最小化。

图13示出制造具有调整过的或所需的微结构的球化钛颗粒的示例性方法(500)。方法500包括处理金属进料材料、例如钛进料材料(例如钛或钛合金)的几个处理步骤，以产生具有所需微结构的球化金属颗粒。在步骤510中，将包含颗粒的金属(例如，钛基)进料材料进料到等离子体焰炬中。颗粒可以由压碎、粉碎或铣磨原材料来制造。通常，原料颗粒具有1微米至300微米的平均粒度。在步骤515中，将原料颗粒暴露于微波产生的等离子体以熔融颗粒的至少表面部分。颗粒的熔融部分允许颗粒的球化处理。在步骤520中，将球化颗粒暴露于惰性气体，例如氦气、氮气、氩气或其组合/混合物。在步骤525中，设定并维持冷却处理变量/条件以实现所需微结构。例如，在其中整个颗粒中都需要马氏体微结构的实施方案中，设定冷却处理条件以快速冷却。结果，选择颗粒在热区中的停留时间以允许整个原料颗粒熔融，将冷却气体流速设定为最快的速率，并将形成冷却气体组成的氦气量设定为可得的最大值。在将球化颗粒暴露于选定的冷却条件后，在步骤530中收集球形粉末。

图14示出将金属原材料改性成具有球化形状和所需微结构的示例性方法(600)。方法600包括处理金属进料材料、例如钛进料材料(例如钛或钛合金)的几个处理步骤，以产生具有所需微结构的球化金属颗粒。在该方法中，原料的化学组成(例如，99.9%纯钛、Ti-6Al-4V等)的知识与对热处理条件的控制组合使用，以获得具有不同于金属原材料的所需微结构的球形颗粒。在步骤610中，选择或分析Ti基原材料的组成以确定其组成。在步骤615中，确定最终产物的所需微结构。例如，可以确定在整个球化颗粒中α相99%纯Ti等轴微结构是所需要的。结果，将需要比用于制造马氏体微结构的冷却速率慢的冷却速率。将选择冷却处理参数(步骤620)，例如冷却气体流速、停留时间和/或冷却气体的组成，以基于原材料的组成实现这种微结构。通常，最终产物的微结构将不同于原始的原材料。这是本发明方法的一个优点，即能够有效地处理进料材料以产生具有所需微结构的球化颗粒。在选择或确定冷却参数之后，在步骤625中，使原料颗粒在微波产生的等离子体中熔融以球化处理颗粒。将球化颗粒暴露于惰性气体(步骤630)，并应用所确定或选择的冷却参数以形成所需微结构。

可以调整球化颗粒(最终产物)的所需微结构以满足其用途的要求和材料特性。例如，所需微结构可以是提供改进的延展性(通常与α-相有关)的微结构。在另一实例中，所需微结构可以与包含α+β相、或α区域具有β相的岛或反之相关。不希望受理论的束缚，认为本公开的方法允许控制球化颗粒的相，因为微波产生的等离子体具有均匀的温度分布，对热区进行精细控制，并且能够选择和调节冷却处理参数。

使用本技术的方法，可以制造各种微结构、晶体结构和不同微结构和/或晶体结构的区域。因此，可以有效地制造新的球形钛颗粒。例如，由于能够控制热区和冷却处理参数，本技术允许操作者在球形颗粒内产生多个区域。图15示出这样的实施方案。这个图示出具有两个不同区域的球形颗粒。外部或壳区域715和内部核710。用于这种颗粒的原始钛进料材料是纯钛α-相粉末。在使得仅颗粒的表面部分熔融的条件(温度、停留时间等)下将进料材料暴露于等离子体，以便球化处理可以发生。所施加的冷却速率允许壳区域转变成β-相的转变，留下核保持α-相。在一些实施方案中，对于Ti-6-4，壳和内核两者都是Ti-6-4。在一些实施方案中，保留了核组成/微结构，例如保持Ti-6-4，并且壳组成/微结构可以改变。

在另一个未示出的实施方案中，可以熔融整个原料颗粒，并且可以选择和应用冷却参数以产生具有与原材料相同的相(例如，保留α-相)或转变成新相或相的混合物的晶体结构。类似地，可以选择和应用冷却处理参数以产生在整个颗粒中具有相同微结构或在两个或更多个区域(例如，壳区、核区)中具有各种微结构的球形颗粒。

另外的编号的实施方案

本公开的某些实施方案涵盖在本说明书结尾处提出的权利要求中，或涵盖在后来日期提出的其他权利要求中。另外的实施方案涵盖在以下一组编号的实施方案中：

实施方案1。一种由废金属或经使用金属部件制造球化粉末的方法，所述方法包括：

将通过铣磨或压碎废金属或经使用金属部件获得的金属颗粒引入到微波等离子体焰炬中；和

在所述微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述金属颗粒以形成球化粉末。

实施方案2。根据实施方案1所述的方法，其中所述铣磨或压碎的颗粒具有所需粒度分布。

实施方案3。根据实施方案2所述的方法，其中所述所需粒度分布为15至63微米。

实施方案4。根据实施方案1所述的方法，其中所述铣磨或压碎的颗粒具有所需范围的颗粒体积。

实施方案5。根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中铣磨或压碎所述颗粒而不使所述废金属或经使用金属部件脆化。

实施方案6。根据前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法还包括铣磨或压碎所述废金属或经使用金属部件以产生金属颗粒。

实施方案7。根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含钛或钛合金。

实施方案8。根据实施方案1-7中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含镍或镍合金。

实施方案9。根据实施方案1-7中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含钴或钴合金。

实施方案10。根据实施方案1-7中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含钢或钢合金。

实施方案11。根据实施方案1-7中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含延展性金属或金属合金。

实施方案12。根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述金属颗粒包括由减材制造产生的铣磨镟屑。

实施方案13。根据实施方案1-11中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包括尖锐的镟屑、锯屑、磨削屑、磨削细料和/或清洗管路细料。

实施方案14。根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述金属颗粒包含加工硬化的微结构，所述微结构在熔融和球化处理之后至少部分保留。

实施方案15。根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述金属颗粒仅部分表面熔融。

实施方案16。一种由废金属或经使用金属部件制造球化粉末的方法，所述方法包括：

提供废金属或经使用金属部件，所述废金属或经使用金属部件包含钛、钛合金或其他延展性金属或延展性金属合金；

铣磨所述废金属或经使用金属部件以制造在预先确定为适合用作微波等离子体过程中的原料的颗粒体积范围内的金属颗粒，其中选择所述废金属或经使用金属部件用于铣磨以具有将在铣磨后产生在预先确定的颗粒体积范围内的金属颗粒的尺寸和/或纵横比，其中所述铣磨在不使所述废金属或经使用金属部件脆化的情况下发生；以及

对在所述确定的颗粒体积范围内的金属颗粒施加所述微波等离子体过程以形成球化粉末。

实施方案17。根据实施方案16所述的方法，所述方法还包括选择废金属或经使用金属部件的具有适合于铣磨至所述确定的颗粒体积范围的尺寸和/或纵横比的部分。

实施方案18。根据实施方案16或17所述的方法，其中所述确定的颗粒体积范围在15微米至63微米之间。

实施方案19。根据实施方案16-18中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含加工硬化的微结构，所述微结构在施加微波等离子体过程之后保留在球化粉末中。

实施方案20。根据实施方案16-19中任一项所述的方法，其中所述铣磨在水中进行。

实施方案21。根据实施方案16-20中任一项所述的方法，所述方法还包括在增材制造过程中处理所述球化粉末。

实施方案22。根据实施方案16-21中任一项所述的方法，所述方法包括铣磨所述废金属或经使用金属部件而不通过氢化或施加低温来使所述废金属或经使用金属部件脆化。

实施方案23。根据实施方案16-22中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包括由减材制造产生的镟屑。

实施方案24。根据实施方案16-23中任一项所述的方法，其中所述废金属或经使用金属部件包含Ti-6-4。

实施方案25。一种增材制造方法，所述方法包括使用由实施方案16-24中任一项产生的球化粉末。

实施方案26。一种激光床熔合方法，所述方法包括使用由实施方案16-24中任一项产生的球化粉末。

实施方案27。一种电子束制造方法，所述方法包括使用由实施方案16-24中任一项产生的球化粉末。

实施方案28。一种金属注射成型方法，所述方法包括使用由实施方案15-23中任一项产生的球化粉末。

实施方案29。一种由废金属或经使用金属部件制造球化粉末的方法，所述方法包括：

提供废金属或经使用金属部件；

铣磨所述废金属或经使用金属部件以制造在预先确定为适合用作微波等离子体过程中的原料的颗粒体积范围内的金属颗粒，其中选择所述废金属或经使用金属部件用于铣磨以具有将在铣磨后产生在预先确定的颗粒体积范围内的金属颗粒的尺寸和/或纵横比，其中所述铣磨在不使所述废金属或经使用金属部件脆化的情况下发生；以及

对在所述确定的颗粒体积范围内的所述金属颗粒施加所述微波等离子体过程以形成球化粉末。

实施方案30。一种球化粉末，所述球化粉末根据实施方案1-24或29中任一项所述的方法制造。

实施方案31。一种由经使用粉末制造球化粉末的方法，所述方法包括：

将先前经使用粉末颗粒引入到微波等离子体焰炬中；以及

在所述微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述先前经使用粉末颗粒以形成球化粉末颗粒。

实施方案32。根据实施方案31所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒具有所需粒度分布。

实施方案33。根据实施方案31-32中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含附属物，其中所述附属物在所述熔融和球化处理期间去除。

实施方案34。根据实施方案31-33中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含团聚体，其中所述团聚体在所述熔融和球化处理期间去除。

实施方案35。根据实施方案31-34中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含污染物，其中所述污染物在所述熔融和球化处理期间去除。

实施方案36。根据实施方案31-35中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含金属或金属合金。

实施方案37。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含钛或钛合金。

实施方案38。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含镍或镍合金。

实施方案39。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含延展性金属或金属合金。

实施方案40。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含钴或钴合金。

实施方案41。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含钢和钢合金。

实施方案42。根据实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含陶瓷。

实施方案43。根据实施方案31-42中任一项所述的方法，其中所述熔融和球化处理改进所述先前经使用粉末颗粒的流动性。

实施方案44。根据实施方案31-43中任一项所述的方法，其中所述熔融和球化处理增大所述先前经使用粉末颗粒的密度。

实施方案45。根据实施方案31-44中任一项所述的方法，其中碳、氮和/或其他污染物在所述熔融和球化处理期间从所述先前经使用粉末颗粒去除。

实施方案46。根据实施方案31-45中任一项所述的方法，其中在所述熔融和球化处理期间使用稀有气体氩气、氩气和氢气的混合物或氮气。

实施方案47。根据实施方案31-46中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒由增材制造过程形成。

实施方案48。根据实施方案47所述的方法，其中所述增材制造过程包括激光烧结、电子束熔融、熔丝沉积、定向能量沉积、粉末床熔合或粘合剂喷射。

实施方案49。根据实施方案31-48中任一项所述的方法，其中在所述熔融和球化处理之后，所述球化粉末颗粒保持与所述先前经使用粉末颗粒相同的流变学性质。

实施方案50。根据实施方案31-49中任一项所述的方法，其中所述球化粉末颗粒中的合金组分化学成分和/或为小于10重量%的次要组分化学成分与所述先前经使用粉末颗粒中的相同。

实施方案51。根据实施方案31-50中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒基本上仅包含非球形的颗粒。

实施方案52。根据实施方案31-50中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒基本上仅包含具有附属物、污染物和/或团聚体的颗粒。

实施方案53。根据实施方案31-50中任一项所述的方法，其中所述先前经使用粉末颗粒包含非球形的颗粒和球形而没有任何附属物、污染物和/或团聚体的颗粒。

实施方案54。一种由包含脱氢或非氢化钛或钛合金的进料材料制造球化粉末的方法，所述方法包括：

将包含脱氢或非氢化钛或钛合金颗粒的进料材料引入到微波等离子体焰炬中；以及

在由所述微波等离子体焰炬产生的等离子体内熔融和球化处理所述颗粒以形成球化粉末。

实施方案55。根据实施方案54所述的方法，其中所述进料材料包含通过氢化-脱氢(HDH)过程处理的钛或钛合金颗粒。

实施方案56。根据实施方案54-55中任一项所述的方法，其中所述球化粉末包含中值球形度为至少0.75的颗粒。

实施方案57。根据实施方案54-56中任一项所述的方法，其中所述球化粉末包含中值球形度为至少0.91的颗粒。

实施方案58。根据实施方案54-57中任一项所述的方法，其中所述球化粉末具有15微米至45微米的粒度分布。

实施方案59。根据实施方案54-58中任一项所述的方法，其中所述球化粉末具有45微米至105微米的粒度分布。

实施方案60。根据实施方案54-59中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述球化颗粒暴露于惰性气体。

实施方案61。根据实施方案54-60中任一项所述的方法，所述方法还包括设定一个或多个冷却处理变量以调整所述球化颗粒的微结构。

实施方案62。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体流速。

实施方案63。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制所述进料材料的颗粒在所述等离子体内的停留时间。

实施方案64。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体组成。

实施方案65。根据实施方案64所述的方法，其中选择冷却气体组成以提供高的热导率。

实施方案66。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化颗粒中产生马氏体微结构。

实施方案67。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化颗粒中产生魏氏体(Widmanstätten)微结构。

实施方案68。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化颗粒中产生等轴微结构。

实施方案69。根据实施方案61所述的方法，其中设定一个或多个冷却处理变量以产生至少两个区域，每个区域具有不同的微结构。

实施方案70。根据实施方案69所述的方法，其中所述至少两个区域包括核部分和皮部分。

实施方案71。根据实施方案70所述的方法，其中所述皮部分具有与所述进料材料的微结构不同的微结构。

实施方案72。根据实施方案54-71中任一项所述的方法，其中所述颗粒的熔融和球化处理在约4,000K和8,000K之间的基本均匀的温度分布内发生。

实施方案73。根据实施方案54-71中任一项所述的方法，其中所述进料材料具有不小于1.0微米且不大于300微米的粒度。

实施方案74。根据实施方案54-71中任一项所述的方法，其中所述进料材料包含Ti-6-4，并且其中控制所述熔融和球化处理使得所述球化粉末包含Ti-6-4。

实施方案75。一种球化粉末，所述球化粉末根据实施方案31-74中任一项所述的方法制造。

从前面的描述中，可以理解公开了用于将独特的原料转化成球化粉末的本发明处理方法。虽然已经以某种程度的特殊性描述了若干组件、技术和方面，但是很显然，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在上文描述的具体设计、构造和方法方面做出许多改变。

在本公开中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合地实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以在上文描述为以某些组合起作用，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中删去，并且该组合可以作为任何子组合或任何子组合的变型而要求保护。

此外，虽然方法可以在附图中描绘或者在说明书中描述为特定顺序，但是这类方法不需要以所示出的特定顺序或按依次顺序执行，并且不需要执行所有方法来实现期望的结果。未描绘或描述的其他方法可以并入示例性方法和过程中。例如，可以在任何所描述的方法之前、之后、同时或之间执行一种或多种另外的方法。另外，这些方法可以在其他实施方式中重新排列或重新排序。而且，上述实施方式中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的组件和系统通常可以一起集成在单一产品中或者封装成多个产品。另外，其他实施方式在本公开的范围内。

除非另外特别说明，或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则例如“可以(can)”、“能够(could)”、“可能(might)”或“可(may)”的条件语言通常旨在表达某些实施方案包括或不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这类条件语言通常并非旨在暗示对于一个或多个实施方案，以任何方式需要该特征、元件和/或步骤。

除非另外特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个(种)”的连接语言伴随通常表达项目、术语等所用的上下文以其他方式理解为可以是X、Y或Z。因此，这样的连接语言通常并非旨在暗示某些实施方案需要存在至少一个(种)的X、至少一个(种)的Y和至少一个(种)的Z。

本文使用的程度的语言，诸如本文所使用的术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”表示接近所述值、量或特性的值、量或特性，这些值、量或特性仍然执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”可以指在所述量的小于或等于10%内、小于或等于5%内、小于或等于1%内、小于或等于0.1%内以及小于或等于0.01%内的量。如果所述量是0 (例如，没有、不具有)，则上述范围可以是具体范围，并且不在所述值的特定百分比内。例如，在所述量的小于或等于10重量/体积%内，小于或等于5重量/体积%内，小于或等于1重量/体积%内，小于或等于0.1重量/体积内%以及小于或等于0.01重量/体积%内。

本文中与各种实施方案关联的任何特定特征、方面、方法、性质、特性、品质、属性、元件等的公开内容可以用于本文阐述的所有其他实施方案中。另外，将认识到，可以使用适合执行所述步骤的任何装置来实践本文中所描述的任何方法。

尽管已经详细描述了许多实施方案及其变型，但是其他修改及其使用方法对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应当理解，在不背离本文的独特和创造性公开内容或权利要求的范围的情况下，可以由等同物构成各种应用、修改、材料和替换。

Claims (20)

1.一种由先前由气体雾化过程制造的粉末制造球化粉末的方法，所述方法包括：

将先前由气体雾化过程制造的粉末引入到微波等离子体焰炬中，所述先前由气体雾化过程制造的粉末具有在用于增材制造的范围之外的平均粒度，以及

在所述微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述先前由气体雾化过程制造的粉末，以形成与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的平均粒度和粒度分布相比具有不同的平均粒度和较小的粒度分布的球化粉末颗粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔融和球化处理增大所述平均粒度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔融和球化处理减小所述平均粒度。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的粒度分布相比，所述球化粉末的颗粒的10%至95%的粒度分布小至少50%。

5.根据权利要求1或3-4中任一项所述的方法，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度减小了至少40%。

6.根据权利要求1或3-5中任一项所述的方法，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度减小了至少50%。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度增大了至少40%。

8.根据权利要求1、2或7中任一项所述的方法，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度增大了至少50%。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述先前由气体雾化过程制造的粉末包含选自以下的材料：钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铁、铁合金、延展性金属、延展性金属合金和陶瓷。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中碳和氮在所述熔融和球化处理期间从所述先前由气体雾化过程制造的粉末去除。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中在所述熔融和球化处理后，所述球化粉末颗粒保持与所述先前由气体雾化过程制造的粉末相同的流变学性质。

12.一种球化粉末，所述球化粉末通过包括以下步骤的方法制造：

将先前由气体雾化过程制造的粉末引入到微波等离子体焰炬中，所述先前由气体雾化过程制造的粉末具有在用于增材制造的范围之外的平均粒度，以及

在所述微波等离子体焰炬内熔融和球化处理所述先前由气体雾化过程制造的粉末，以形成与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的平均粒度和粒度分布相比具有不同的平均粒度和较小的粒度分布的球化粉末颗粒。

13.根据权利要求12所述的球化粉末，其中所述熔融和球化处理增大所述平均粒度。

14.根据权利要求12所述的球化粉末，其中所述熔融和球化处理减小所述平均粒度。

15.根据权利要求12或14所述的球化粉末，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的粒度分布相比，所述球化粉末的颗粒的10%至95%的粒度分布小至少50%。

16.根据权利要求12或14-15中任一项所述的球化粉末，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度减小了至少40%。

17.根据权利要求12或14-16中任一项所述的球化粉末，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度减小了至少50%。

18.根据权利要求12或13所述的球化粉末，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度增大了至少40%。

19.根据权利要求12、13或18中任一项所述的球化粉末，其中与所述先前由气体雾化过程制造的粉末的第50百分位粒度相比，所述球化粉末的第50百分位粒度增大了至少50%。

20.根据权利要求12-19中任一项所述的球化粉末，其中所述先前由气体雾化过程制造的粉末包含选自以下的材料：钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铁、铁合金、延展性金属、延展性金属合金和陶瓷。

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