DE2528999C2

DE2528999C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem Metallpulver mittels Elektronenstrahlbeheizung

Info

Publication number: DE2528999C2
Application number: DE2528999A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Dr. 6450 Hanau Aichert; Joseph 6464 Altenhaßlau Heimerl; Herbert Dr. Phys. Dr. 6451 Bruchköbel Stephan
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1975-06-28
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1984-08-23
Also published as: FR2317040B1; AR213094A1; FR2317040A1; CS193076B2; ATA455576A; DD123932A1; SE406282B; GB1503635A; JPS525659A; CA1077210A; BR7603714A; US4295808A; AT357006B; SU860683A1; SE7605657L; NL7605120A; DE2528999A1

Abstract

Metallpulver werden fuer eine Vielzahl von Verwendungszwecken benoetigt. Nur beispielhaft seien hier Sinterteile aller Art und Oberflaechenbeschichtungen erwaehnt. Eine Reihe von Superlegierungen laesst sich mit hinreichenden Materialeigenschaften nur auf dem Umweg ueber Metallpulver herstellen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Metallpulver durch Elektronenstrahlabschmelzen von stabfoermigem Ausgangsmaterial im Vakuum und voruebergehendes Auffangen der Schmelze des Ausgangsmaterials auf einem mit hoher Drehzahl rotierenden Schleuderteller, von dem Schmelzpartikel abgeschleudert und nachfolgend durch Waermeentzug verfestigt werden. Mit der angegebenen Loesung werden die Vorteile erreicht, dass zunaechst einmal das Volumen der Vakuumkammer und damit die Evakuierungszeit und die Groesse des benoetigten Pumpensatzes erheblich reduziert werden koennen. Weiterhin wird der Vorteil erzielt, dass durch die exakten energetischen Verhaeltnisse auf der Oberflaeche des Schleudertellers kugelfoermige Metallpartikel erzeugt werden, deren Durchmesser innerhalb eines sehr genauen Toleranzfeldes liegt. Der mittlere Kugeldurchmesser kann durch entsprechende Wahl der Drehzahl des Schleudertellers und seines Durchmessers beeinflusst werden. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Metallpulver durch Elektronenstrahlschmelzen von stabförmigem Ausgangsmaterial im Vakuum und vorübergehendes Auffangen der Schmelze des Ausgangsmaterials auf einem mit hoher Drehzahl rotierender Schleuderteller, von dem Schmelzenpartikel abgeschleudert und nachfolgend durch Wärmeentzug verfestigt werden.

Metallpulver werden für eine Vielzahl von Verwendungszwecken benötigt. Nur beispielhaft seien hier Sinterteile aller Art und Oberflächenbeschichtungen erwähnt. Eine Reihe von Superlegierungen läßt sich mit hinreichenden Materialeigenschaften nur auf dem Um-

weg über Metallpulver herstellen. Für die Erzielung optimaler Eigenschaften des fertigen Werkstücks ist es erforderlich, daß das erzeugte Metallpulver ein möglichst präzises Spektrum hinsichtlich der Paitikelgrö-Benverteilung aufweist Darüber hinaus soll das Metallpulver in hochreinem Zustand anfallen und wegen des erforderlichen Sintervorgangs keinerlei Reaktionsprodukte mit dem Luftsauerstoff oder anderen reaktiven Gasen enthalten. Vermieden werden sollen auch Hohlkugeln und Fremdsubstanzen in und zwischen den Partikeln. Insbesondere sollen die Pulverpartikel frei von Oxidüberzügen sein. Für die Erfüllung dieser Bedingung ist insbesondere die Elektronenstrahlbeheizung mit den für den ungehinderten Flug der Elektronen erforderlichen guten Vakua von 10"» bar und darunter eine nahezu ideale Voraussetzung.

Die Anwendung von Vakuum hat jedoch zur Folge, daß der Übergang vom flüssigen in den fester Zustand, d. h. vornehmlich der Entzug der Schmelzwärme, ausschließlich durch Strahlungsverluste während des freien Fluges der Metallpartikel erfolgen kann, wenn nicht andere, gravierende Nachteile in Kauf genommen werden sollen. Die Wärmeabfuhr durch Konvektion und Leitung scheidet von vornherein aus, desgleichen die Anwendung einer Kühl- und Abschreckflüssigkeit innerhalb des evakuierten Raumes. Die Wärmeabfuhr durch Strahlung muß zur Verfestigung der Metallpartikel führen, bevor diese sich gegenseitig oder einen festen Gegenstand berühren. Bei gegenseitiger Berührung würde ein Verbacken der Metallpartikel, beim Berühren einei anderen festen Gegenstandes würde eine Abplattung der Metallpartikel erfolgen, die für die meisten Anwendungsfälle unerwünscht ist. Diese Vorbedingungen erzwingen Flugbahnen von erheblicher Länge. Andererseits sind kurze Flugbahnen wegen der erforderlichen Abmessungen der Vakuumkammern erwünscht, deren Volumina sowohl i.uf die Evakuierungszeiten als auch auf die bereitzustellenden Pumpsätze einen erheblichen Einfluß haben. Allein, die gewünschte Partikelgröße wird in den meisten Fällen vorgeschrieben, so daß hier praktisch keine Beeinflußungsmöglichkeit des Bauvolumens der Pulveranlage gegeben ist.

Durch die DE-AS 12 91 842 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulver mittels Elektronenstrahlen vorbekannt, bei dem der zu Pulver zu verarbeitende Barren selbst auf hohe Umdrehungszahlen gebracht wird. Hierbei wird das Ende des Barrens mit Elektronenstrahlen beschossen, wodurch Schmelzenpartikel unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft abgeschleudert werden. Wegen des Zusammenhanges von Barrenquerschnitt und Partikelabkühlung bzw. Flugbahnlänge und damit Volumen der Vakuumkammer kann der rotierende Barren nur einen begrenzten Durchmesser besitzen. Für eine bestimmte zu erzeugende Pulvermenge muß die Anlage somit entweder mit entsprechend langen oder mit einer Vielzahl kurzer Abschmelzbarren beschickt werden. Das Nachchargieren ist mit Totzeiten der Pulveranlage verbunden; dünne und lange Abschmelzbarren können wegen der unvermeidbaren Instabilitäten nicht auf eine ausreichend hohe Drehzahl gebracht werden, da es unmöglich ist, den Abschmelzbarren über seine Länge zu führen. Die Abkühlung der Metallpartikel erfolgt i'ußerdeni mindestens teilweise durch Aufprall und Wärmeentzug an einer gekühlten Oberfläche, wodurch di^· erstarrten Metallpartikel von der Kugelform abweichen. Schließlich aber werden die Metallpartikcl von dem Stierenden Barren allseitig abgeschleudert, so daß dio gekühlte Wandung rotationssymmetrisch zum Abschmelzbarren angeordnet sein muß. Der Hauptnachteil besteht darin, daß trotz der aufgezeigten Nachteile hinsichtlich der Pulverbeschaffenheit pin beträchtliches Volumen der erforderlichen Vakuumkammer in Kauf genommen werden muß.

Durch die DE-PS 12 80 501 und die DE-AS 15 65 047 sind ferner Verfahren zur Metallpulverherstellung durch Elektronenbeschuß vorbekannt, bei denen das abgeschmolzene Metall auf die schwingende Fläche ei-

to nes mit Ultraschall bzw. mit hoher Frequenz schwingenden Auffängers tropft Die Produktionskapazität einer solchen Anlage ist jedoch sehr begrenzt da der schwingende Auffänger pro Zeiteinheit nur mit einer geringen Schmelzenmenge beaufschlagt werden kann. Auch hierbei entsteht Metallpulver mit einem breiten Spektrum hinsichtlich der Partikelgrößen verteilung. Vor allem aber schleudert der schwingende Auffänger die Metallpartikel in nicht beeinflußbaren Richtungen fort, so daß der Auffänger im wesentlichen in der Mitte der entsprechend zu dimensionierenden Vakuumkammer angeordnet werden muß. Die allseitig auftretenden Flugbahnen der Metallpartikel bestimmen auch hier die Dimensionierung der Vakuumkammer. Ein frühzeitiges Aufeinandertreffen der noch heißen Metallpartikel führt zu einem Zusammensintern bzw. Verbacken der Partikel.

Durch die DE-AS 17 83 089 ist schließlich euch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt, bei dem die Metallschmelze auf einen mit hoher Drehzahl rotierenden Schleuderteller auftrifft. Auch hierbei werden die durch Zentrifugalkraft erzeugten Metallpartikel vom gesamten Umgang des Schleuderlellers abgeschleudert Die Verfestigung durch Wärmeentzug erfolgt hierbei durch einen den Schleuderteller mit sehr engem Abstand umgebenden Kühlmantel, so daß wegen des frühzeitigen Auftreffens der Schmelzepartikel auf diesen Kühlmantel praktisch ausschließlich schuppenförmiges Granulat gebildet wird. Das Volumen der Vakuumkammer kann dennoch nicht in einem erwünschten Umfange reduziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen bei gegebenem Durchsatz Metallpartikel von im wesentlichen kugelförmiger Gestalt erzeugt werden, deren Durchmesser innerhalb eines außerordentlich genauen und beeinflußbaren Toleranzfeldes liegt und bei denen die Vakuumkammer trotz ausschließlicher Abkühlung der Metallpartikel durch Strahlungsverluste während des freien Fluges ein minimales Volumen erhält.

Hinsichtlich des eingangs angegebenen Verfahrens wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das auf dem Schleuderteller befindliche Metall mit einem derart fokussierten und periodisch abgelenkten Elektronenstrahlbündel beaufschlagt wird, daß dessen Brennfleck mehrfach kleiner ist als der Durchmesser des Schleudertellers und daß die Strahlablenkung zwischen dem Mittelpunkt des Schleudertellers und dessen Randbereich in der Weise erfolgt, daß der Schleuderteller in einer im Verhältnis zu seinem Durchmesser schmalen, radial zur Drehachse des Schleudertellers verlaufenden Zone abgetastet wird, und daß der Wärmeentzug bis zur Erstarrung im wesentlichen durch Abstr?hlung bewirkt wird.

Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung zugrunde, daß die Metallpartikel bei Anwendung der

b5 erfindungsgemäßen Maßnahme sich nur innerhalb eines engen, in seiner Lage stabilen Winkelbereich von dem rotierenden Schleuderteller ablösen, während der übrige Teil des Umfangs des Schleudertellers nicht zum Ab-

lösen von Metallpartikeln dient. Dieser Winkelbereich behält seine Lage und Größe unverändert, d. h. stabil bei, wobei die beiden genannten Größen durch On und Intensität der Beaufschlagung sowie durch die Gestaltung des Schleudertellers und seine Drehzahl innterhalb gewisser Grenzen beeinflußt werden können. Dieses Ergebnis war nicht vorhersehbar; es ist auf die örtlich eng begrenzte Beaufschlagung des Schleudertellers bzw. des darauf befindlichen Metalls mit Elektronstrahlenergie zurückzuführen.

Maßnahmen und Mittel zur Fokussierung und zur periodischen Ablenkung eines Elektronenstrahlbündels sind Stand der Technik und sollen daher hier nicht näher erläutert werden. Die Fokussierung erfolgt beispielsweise durch ein elektromagnetisches Linsensystem. Die perodische Ablenkung des Elektronenstrahlbündels wird beispielsweise durch mindestens ein Ablenksystem ermöglicht, welches aus einem Magnetkern mit Wicklung besteht, die periodisch von unterschiedlich hohen Ablenkspannungen beaufschlagt wird. Die heute erreichbare Präzision bei der Fokussierung und Ablenkung von Elektronenstrahlbündeln ist derart groß, daß die angegebene Lösung, nämlich die Beaufschlagung des Schleudertellers innerhalb einer örtlich eng begrenzten Zone im vollen Umfange erreicht werden kann. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die nachfolgende Detailbeschreibung verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden die Vorteile erreicht, daß zunächst einmal das Volumen der Vakuumkammer und damit die Evakuierungszeit und die Größe des benötigten Pumpsatzes erheblich reduziert werden können. Da der Winkelbereich, in dem die Metallpartikel vom Schleuderteller abgeschleudert werden, zwischen etwa 30 Grad und maximal 90 Grad liegt, lassen sich das Kammervolumen, die Pumpsätze und damit die Investitionskosten hinsichtlich der Vakuumkammer auf etwa '/g der ursprünglichen Beträge reduzieren. Bei dem kleineren Kammervolumen entsteht der Vorteil an Konstruktions- und Gewichtsersparnis besonders dadurch, daß die Festigkeit der Kammerwände trotz erheblicher Reduzierung der Wandstärke ausreichend groß gehalten werden kann.

Weiterhin wird der Vorteil erzielt, daß durch die exakten energetischen Verhältnisse auf der Oberfläche des Schleudertellers kugelförmige Metallpartikel erzeugt werden, deren Durchmesser innerhalb eines sehr genauen Toleranzfeldes liegt Der mittlere Kugeldurchmesser gehorcht dabei der nachstehenden Beziehung:

VD

Hierbei ist »c« eine Konstante, die von der Oberflächenspannung des Werkstoffs abhängig und Tabellenwerten zu entnehmen ist »n« ist die Drehzahl des Schleudertellers; »D« dessen Durchmesser. Hieraus ergibt sich, daß der mittlere Kugeldurchmesser durch entsprechende Wahl der Drehzahl des Schleudertellers und seines Durchmessers beeinflußt werden kann. Übliche Durchmesser eines derartigen Schleudertellers liegen zwischen etwa 70 und 150 mm.

Bei derartigen Abmessungen des Schleudertellers hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Schleuderteller mit einer Drehzahl zwischen 3600 und 15 000 U - min-¹ anzutreiben, das Elektronenstrahlenbündel mit einer Frequenz zwischen 30 und 100 Hz periodisch abzulenken und den Brennfleckdurchmesser zwischen Vi₀ und V_)Oo des Durchmessers des Schleudertellers zu wählen. Der Zusammenhang zwischen der Drehzahl und der Ablenkfrequenz ist so zu verstehen, daß der niedrigen Schleudertellerdrehzahl auch die niedrigere Frequenz zuzuordnen ist.
Der zeitliche Verlauf der Ablenkspannung, der die Lage des Brennflecks und dessen Verweildauer an der betreffenden Stelle bestimmt, soll dabei möglichst nach dem Gesichtspunkt gewählt werden, daß der Schleuderteller mit gleicher thermischer Leistung pro Oberflächenelement beaufschlagt wird. Besonders einfache und im Hinblick auf die elektrische Steuerungsanordnung leicht zu realisierende Verhältnisse ergeben sich dann, wenn die Strahlablenkung durch stufenweise Erhöhung der Ablenkspannung in der Weise durchgeführt wird, daß sich die kurzzeitig verweilenden Brennflcckc in radialer Richtung zum Mittelpunkt des Schleudertellers aneinanderreihen und die relativen Verwcils/ciien mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt länger gewählt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung ties erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das von dem stabförmigen Ausgangsmaterial abgeschmolzene Metall dem Schleuderteller über einer elektronenstrahlbeheizten Zwischenbehälter zugeführt wird. Dieser Zwischenbehälter schafft die Möglichkeit, unterschiedliche Abtropfgeschwindigkeiten vom Ausgangsmaterial über ein Speichervolumen auszugleichen, das geschmolzene Metall mindestens örtlich zu überhitzen und die Reinigungswirkung durch längere Verweildauer zu steigern. Der Zwischenbehälter gestattet damit auch eine bessere Regelbarkeit des Verfahrens sowie das Absetzen von nicht schmelzbaren Verunreinigungen.
Ein weiterer Vorteil wird dann erreicht, wenn das

•J5 erstarrte Metallpulver einem Pulverbehälter über eine nach dem Schwingförderprinzip arbeitende Transporteinrichtung zugeführt wird. Als besonders geeignet hat sich hierfür ein sogenannter Wendelförderer erwiesen. Das im freien Flug, d. h. ohne Berührung fester Kühlflächen erstarrte Metall hat immer noch eine nicht unerhebliche Temperatur. Es würde unter dem Einfluß dieser Temperatur und einer beträchtlichen Schütthöhe unter ungünstigen Umständen noch in geringen Ausnahmen zum Verbacken neigen. Der Schwingförderer kann nicht nur durch eine zusätzliche Wärmeabfuhr an die Umgebung zu einer schnelleren Abkühlung des Pulvers beitragen, sondern verhindert durch die schwingende Bewegung des Pulvers auch mit gesteigerter Sicherheit ein oberflächliches Zusammensintern einzelner Partikel.

Sschiießlich isi es ffiii besonderem Vorteil möglich, das stabförmige Ausgangsmaterial dann, wenn es senkrecht von oben zugeführt wird, während des Abschmelzens mit geringer Umdrehungszahl zu drehen. Es handelt sich hierbei um Drehzahlen zwischen etwa 5 und 20 Umdrehungen pro Minute. Hierdurch wird nicht nur ein gleichförmigeres Abschmelzen des Ausgangsmaterials, das die Funktion einer Abschmelzelektrode hat, bewirkt, sondern auch mittels einer einzigen Elektronenkanone das Abschmelzen von Barren ermöglicht, die einen merklich größeren Durchmesser als der Schleuderteller besitzen. Durch die ständige Rotation des Barrens erhält dieser eine Spitze, die bei koaxialer Anordnung von Schleuderteller und Barren unmittelbar über dem Zentrum des Schleudertellers liegt. Die Schmelzetropfen rinnen zunächst über die untere konische Fläche des Barrens bis zur Spitze der Konusfläche, von wo sie sich in Form eines Tropfens oder dünnen Strahls ablö-

sen. Die Verwendung von Ausgangsniaterial in Barrenform mit großem Durchmesser hat den Vorteil, daß die Pulveranlage entsprechend seltener beschickt zu werden braucht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des herkömmlichen Verfahrens ist beispielsweise in der DE-AS 17 83 089 beschrieben. Sie besteht aus einer Vakuumkammer, einer Halte- und Zuführeinrichtung für stabförmiges Ausgangsmaterial, aus mindestens einem Elektronenstrahlerzeuger, einem im Fallweg der Schmelze angeordneten Schleuderteller mit Antrieb sowie aus einem Pulversammelbehälter.

Eine derartige Vorrichtung ist zwecks Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Schieuderteller außermittig in der Vakuumkammer angeordnet ist, daß die Vakuumkammer sich als seitliche Tasche an den Raum um den Schleuderteller anschließt, wobei die Dimensionierung und Gestaltung der Tasche den Flugbahnen der Metallpartikel bis zu ihrer Erstarrung entsprechend gewählt sind, und daß dem Elektronenstrahlerzeuger eine Ablenksteuereinheit zugeordnet ist, durch die die radiale Abtastung des Schleudertellers in einer solchen räumlichen Lage zur Tasche bewirkt wird, daß die Flugbahnen der Metallpartikel sämtlich in der Tasche verlaufen.

Unter Berücksichtigung der obigen Ausführung bezüglich der Lage und Form der Flugbahnen ergibt sich für die seitliche Tasche eine Form, die in etwa derjenigen eines Tortenstücks entspricht Der Schleuderteller befindet sich hie/bei im Bereich der Spitze des Tortenstücks. Hieraus ergibt sich die außerordentlich starke Einsparung an Volumen und Investitionskosten für eine derartige Anlage.

Der Ort der Abtastung des Schleudertellers kann dabei durch Veränderung der Ablenkspannung — bzw. bei zusammengesetzten Ablenksystemen der Ablenkspannungen — beeinflußt und durch einfaches Ausprobieren gefunden werden.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß ein besonders genaues Spektrum hinsichtlich der Partikeldurchmesser dann erreicht wird, wenn der Schleuderteller auf seiner Oberseite eine im wesentlichen kartenförmige, zentrale Ausnehmung besitzt, an deren Umlaufkante sich eine im wesentlichen hohlkegelförmige Randzone mit geringerer Steigung »λ« anschließt als die Steigung der Ausnehmung unmittelbar vor der Umlaufkante. Der Schleuderteller hat auf diese Weise in etwa das Aussehen eines Suppentellers.

Besonders günstige Verhältnisse werden dadurch erreicht, daß der Durchmesser »D'm der umiaufkame zwischen 20 und 60 mm kleiner ist als der Außendurchmesser »Da« des Schleudertellers, daß der Radius »R« der kalottenförmigen Ausnehmung zwischen 0,6 und 1,0 · D-, gewählt wird, und daß die Steigung »λ« der Randzone zwischen 5 Grad und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 10 Grad und 20 Grad liegt Es versteht sich, daß der hierdurch gebildete Hohlkegel nach oben geöffnet ist

Aus Herstellungs- und Reparaturgründen empfiehlt es sich, daß die Ausnehmung in einem auswechselbarem Oberteil des Schleudertellers angeordnet ist und daß die Aufnahme für das Oberteil mit Kühlmittelkanälen versehen ist Es ist dabei besonders zweckmäßig, das Oberteil aus dem gleichen Material herzustellen wie das Pulver.

Durch Unterteilung der Anlage in einzelne Kammern mit Absperrventilen nach Art von Schleusensystemen kann eine einfache Beschickung der Anlage mit neuem Ausgangsmaterial und eine Entleerung des bereits erzeugten Pulvers bewirkt werden, ohne daß hierzu das Vakuum in der eigentlichen Zerstäubungskammer aufgehoben werden muß.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen, deren Wirkungsweise und wesentliche Einzelheiten seien nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt entlang der Achsen von Ausgangsmaterial und Schleuderteller durch eine schematisch dargestellte vollständige Vorrichtung entlang der Linie I-I gemäß F i g. 2,

F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand gemäß F i g. 1 entlang der Linie Ii-Ii,

F ί g. 3 einen Vertikalschnitt analog F i g. 1 jedoch mit einer Vorrichtung, die mit einem Zwischenbehälter zwischen Ausgangsmaterial und Schleuderteller sowie mit einer Transporteinrichtung für das Metallpulver ausgestattet ist,

F i g. 4 einen Vertikalschnitt durch die Drehachse eines Schleudertellers entlang der Linie IV-IV in F i g. 5 in einem gegenüber F i g. 1 wesentlich vergrößertem Maßstab, und

F i g. 5 eine Draufsicht auf den Gegenstand gemäß Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 10 eine Vakuumkammer bezeichnet der eine Halte- und Zuführeinrichtung 11, die als Elektrodenstange ausgebildet ist, für stabförmiges Ausgangsmaterial 12 zugeordnet ist. Dieses Ausgangsmaterial wird wegen der Notwendigkeit seiner Einbeziehung in den Stromkreis des zugehörigen Elektronenstrahlerzeugers auch als Abschmelzelektrode bezeichnet. Eine Druckstufenstrecke für die Durchführung der Elektrodenstange trägt das Bezugszeichen 13. Ihr ist ein Antrieb 14 zugeordnet. Der Vakuumkammer 10 ist ferner ein Aufsatz 15 zugeordnet, der das Ausgangsmaterial 12 umschließt und infolgedessen auch als Elektrodenkammer bezeichnet werden kann. Zwischen der Vakuumkammer 10 und dem Aufsatz 15 befindet sich ein Absperrventil 16, so daß der Aufsatz 15 die Funktion einer Beschickungsschleuse hat

Mittels des Antriebs 14 führt das stabförmige Ausgangsmaterial 12 beim Betrieb eine aus Vorschub und Drehung zusammengesetzte Bewegung aus, wobei sich die Vorschubgeschwindigkeit nach der Abschmelzrate des Ausgangsmaterials richtet. Unterhalb der Drehbzw. Mittenachse des Ausgangsmaterials 12 befindet sich ein Schleuderteller 17, der aus einem auswechselbaren Oberteil 18 aus dem gleichen Werkstoff wie das Äusgangsmateriai sowie aus einem rotierenden Scheibentisch 19 für die Aufnahme des Oberteils 18 besteht. Der Scheibentisch 19 ist auf einer Welle 20 befestigt, die von einem Antrieb 21, der ein Elektromotor ist, auf hohe Drehzahlen gebracht werden kann. Die Durchführung der Welle 20 geschieht über eine Vakuumdichtung 22, eine Wellenlagerung 23 und einen Kühlwasseranschlußkopf 24.

Im Bereich des Ausgangsmaterials 12 und des

ω Schleudertellers 17 sind zwei Elektronenstrahlerzeuger

25 und 26 an sich bekannter Bauart angeordnet die mit nicht näher bezeichneten Einrichtungen zur Fokussierung und Ablenkung je eines Elektronenstrahlbflndels ausgestattet sind. Der Elektronenstrahlerzeuger 25 dient zum Abschmelzen des stabförmigen Ausgangsmaterials 12 und zum Verteilen der Metallschmelze auf dem Schleuderteller 17. Der Elektronenstrahlerzeuger

26 übt dabei die erfindungsgemäße Funktion aus, d. h. er

beaufschlagt das auf dem Schleuderteller befindliche Metall mit einem derart fokussieren und periodisch abgelenkten Elektronenstrahlbündel, daß dessen Brennfleck mehrfach kleiner ist als der Durchmesser des Schleudertellers und daß die Strahlablenkung zwischen dem Mittelpunkt des Schleudertellers und dessen Randbereich in der Weise erfolgt, daß der Schleuderteller in einer im Verhältnis zu seinem Durchmesser schmalen, radial zur Drehachse des Schleudertellers verlaufenden Zone abgetastet wird. Diese radiale Zone erstreckt sich bei dem Gegenstand gemäß F i g. 1 senkrecht zur Zeichenebene, und zwar zwischen der Drehachse und dem zum Betrachter weisenden Randbereich des Schleudertellers.

Zur entsprechenden Steuerung bzw. Regelung der Elektronenstrahlerzeuger 25 und 26 ist ein Elektronenstrahl-Programmiergerät 27 vorgesehen. Die Leistungsversorgung der Elektronenstrahlerzeuger erfolgt über ein Hochspannungsanlage 28. Ein Pumpstand für die Erzeugung des erforderlichen Betriebsvakuums in der Vakuumkammer 10 ist mit 29 bezeichnet.

Derartige Einrichtungen sind ebenfalls Stand der Technik und werden daher nicht näher beschrieben.

Aus den F i g. 1 und 2 ist zu erkennen, daß sich die bisher beschriebenen Vorrichtungsteile und das zu Pulver zu verarbeitende Ausgangsmaterial in einem relativ Ueinen, seitlichen Ansatz der Vakuumkammer 10 befinden, d. h. sie sind außermittig in der Vakuumkammer angeordnet. Der größte Teil der Vakuumkammer 10 ist als Tasche ausgebildet, die sich seitlich an den Raum um den Schleuderteller 17 anschließt, wobei die Dimensionierung und Gestaltung der Tasche den Flugbahnen 30 der Metallpartikel bis zu ihrer Erstarrung entsprechend gewählt sind. Die Flugbahnen 30 sind in den F i g. 1 und 2 deutlich zu erkennen; sie divergieren mit zunehmenden Abstand vom Schleuderteller 17 und füllen einen etwa keilförmigen Raum mit relativ schmalen öffnungswinkel aus. Diesem Raum ist der Querschnitt der Vakuumkammer 10 bzw. seiner seitlichen Tasche angepaßt Die Vakuumkammer 10 setzt sich nach unten hin durch einen in etwa konischen oder pyramidenförmigen Ansatz 31 fort der als Leiteinrichtung für das herabfallende bzw. gleitende Metallpulver 32 dient. Am Tiefstpunkt des Ansatzes 31 befindet sich ein Absperrventil 33 an das sich wiederum ein Pulverbehälter 34 anschließt Das Absperrventil 33 gestattet die Absperrung der Vakuumkammer 10 und das Abnehmen sowie Entleeren des Pulverbehälters 34.

Die Wirkungsweise der dargestellten Vorrichtung ist folgende: Metalhropfen fallen fortlaufend von der Unterseite des Ausgsngsmaterials IZ welches aufgrund der Rotation und des Elektronenbombardements als Kegel ausgebildet ist in die Mitte der Ausnehmung des darunter befindlichen Schleudertellers. Die Metalltropfen werden dabei durch weitere Beaufschlagung mit Elektronenstrahlen in flüssigem Zustand gehalten und werden in zunehmendem Maße von der Oberfläche des Schleudertellers mitgenommen. Adhäsionskräfte und die Schwerkraft verformen den ursprunglich kugeligen Tropfen zu einem flachen Fladen. Dieser Vorgang wird durch die Zentrifugalkraft zunehmend unterstützt, sobald der Fladen aus der Mitte der Ausnehmung in die Randzone wandert Die Fladenteilchen erstarren, wobei das Elektronenstrahlenbflnde! andere, vorher erstarrte Fladenteilchen aufschmilzt Die Zentrifugalkräfte überwiegen die Adhäsionskräfte, so daß zähflüssige Metallteilchen aufgrund der Flüssighaltung durch Elektronenstrahlen zur Randzone der Ausnehmung wandern und diese über den Tellerrand in der in Fig.2 gezeigten Konfiguration verlassen.

In F i g. 3 sind gleiche Teile wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Pulveranlage ist jedoch durch folgende zusätzliche Einbauten erweitert: Das stabförmige Ausgangsmaterial 12 wird im Gegensatz zu Fig. 1 nicht senkrecht von oben, sondern in horizontaler Richtung von links nach rechts zugeführt. Zu diesem Zweck ist es auf einer Vorschubeinrichtung 35 in Form von nach Maßgabe der Abschmelzrate angetriebenen Transportrollen gelagert. Unterhalb des Abschmelzendes des Ausgangsmatcrials ist ein wassergekühlter Zwischenbehälter 36 angeordnet, der als flacher Trog ausgebildet ist und eine Überlaufrinne 37 besitzl. Oberhalb des Zwischenbehälters 36 ist ein Elektronensirahler/.euger 38 angeordnet, der zum Abschmelzen des Ausgangsmaterials 12 und zum Flüssighalten des Schmcl/-sees 39 im Zwischenbehälter 36 dient. Ausgangsmaterial 12, Vorschubeinrichtung 35, Zwischenbehälter 36 und Elektronenstrahlerzeuger 38 sind in einer Schmelzkammer 40 untergebracht, die ein kleinstmögliches Volumen besitzt und sich seitlich an die Vakuumkammer 10 anschließt. Die Überleitung der Metallschmelze in die Vakuumkammer 10 geschieht mittels der Überlaufrinne 37, unterhalb welcher der Schleuderteller 17 angeordnet ist Im Bereich der Überlaufrinne liegt die einzige, enge Verbindung von Schmelzkammer und Vakuumkammer 10, so daß Metallspritzer nicht in den Pulvererzeugungsraum gelangen und das erzeugte Pulver nicht verunreinigen können. Der Überlaufrinne 37 ist ein weiterer Elektronenstrahlerzeuger 41 zugeordnet der zum Flüssighalten des vom Zwischenbehälter 36 auf den Schleuderteller 17 rinnenden Metalls dient Der Ansatz 31 des Vakuumbehälters 10 ist ebenfalls konisch bzw. pyramidenstumpfförmig ausgebildet und mündet im Gegensatz zu Fig. 1 nach unten in eine Transporteinrichtung 42, die als Wcndelförderer ausgebildet ist und aufgrund rotatorischer Oszillationsbewegungen das Metallpulver 32 auf einer schraubenlinienförmigen Bahn nach oben fördert. Durch eine Quertransportrinnc 43 wird das Metallpulver über das Absperrventil 33 in den Pulverbehälter 34 gefördert Einzelheiten des Wendelförderers sind Stand der Technik. Aus den F i g. 4 und 5 gehen Einzelheiten des Schleudertellers 17 hervor. Der Schleuderteller besteht aus dem auswechselbaren Oberteil 18, welches mittels einer Schwabenschwanzverbindung 44 mit dem Scheibentisch 19 verbunden ist Der Scheibentisch 19 besitzt einen Kühlmittelkanal 45, der an die hohle Welle 20 über

so den Wasseranschlußkopf 24 angeschlossen ist Die Unterteilung in Hin- und Rückleitungskanäle erfolgt durch ein konzentrisch eingesetztes Rohr 46.

Im Oberteil 18 ist auf dessen Oberseite eine im wesentlichen kartenförmige, zentrale Ausnehmung 47 angeordnet, an deren Umlaufkante 48 sich nach außen hin eine im wesentlichen hohlkegelförmige Randzone 49 anschließt Das Oberteil 18 ist auf seiner äußeren Umlaufkante angefast und bildet auf diese Weise eine kegelförmige Tellerkante 50.

Der Radius der Ausnehmung ist mit »R« bezeichnet, ihr Durchmesser mit »Dfc Der Außendurchmesser trägt die Bezeichnung »D_a«. Die Steigung »λ« der Randzone 49 ist ebenso angegeben, wie die Steigung »yft< der Tellerkante 50. Bezüglich der Bereiche für die Auslegung sei auf die allgemeine Beschreibung verwiesen. Der Winkel »<*« kann zwischen 5 und 60 Grad gewählt werden, beträgt jedoch vorzugsweise und im vorliegenden Fall 15 Grad. Der Winkel »/&< kann zwischen 45 und

11

90 Grad gewählt werden, beträgt jedoch im vorliegenden Fall vorzugsweise 50 Grad. Allerdings ist es möglich, auf die Anfasung und damit auf die Ausbildung einer besonderen Tellerkante 50 zu verzichten.

Der Wirkungsmechanismus für das gerichtete Abschleudern der Metallpartikel sei anhand der F i g. 5 näher erläutert; Die Strahlablenkung erfolgt durch stufenweise Erhöhung der Ablenkspannung in der Weise, daß sich die kurzzeitig verweilenden Brennflecke in radialer Richtung zum Mittelpunkt des Schleudertellers aneinanderreihen. Die Amplitude bzw. der Weg des Brennflecks ist in F i g. 5 mit dem Doppelpfeil 51 bezeichnet. Die einzelnen, verweilenden Brennflecke sind — in bezug auf den stillstehenden Schleuderteller — von links unten nach rechts oben schraffiert. In bezug auf den rotierenden Schleuderteller ergeben sich die räumlichen Lagen der einzelnen Brennflecke, wie sie von links oben nach rechts unten schraffiert sind. Es ist zu erkennen, daß die relativen Verweilzeiten des Brennflecks mit zunehmendem Abstand von der Drehachse länger gewählt werden. Dies erfolgt zu dem Zwecke, die einzelnen Oberflächeneinheiten des Schleudertellers mit gleichen Energiemengen pro Zeiteinheit zu beaufschlagen. Die Abflugbasen für die einzelnen Metallpartikel sind durch die kleinen Kreise 52 im Bereich der Tellerkante 50 angedeutet. Aufgrund der in F i g. 5 angegebenen Lage für die Oszillation des Elektronenstrahlbündels ergeben sich die in F i g. 2 dargestellten Flugbahnen für die Metallpartikel.

Es ist zu erkennen, daß die Fokussierung des Elektronenstrahlbündels so gewählt ist, daß der Brennfleck mehrfach kleiner ist als der Durchmesser des Schleudertellers.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hochreinem Metallpulver durch Elektronenstrahlschmelzen von stabförmigem Ausgangsmaterial im Vakuum und vorübergehendes Auffangen der Schmelze des Ausgangsmateriales auf einem mit hoher Drehzahl rotierenden Schleuderteller, von dem Schmelzenpartikel abgeschleudert und nachfolgend durch Wärmeentzug verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem Schleuderteller befindliche Metall mit einem derart fokussierten und periodisch abgelenkten Elektronenstrahlbündel beaufschlagt wird, daß dessen Brennfleck mehrfach kleiner ist als der Durchmesser des Schleudertellers und daß die Strahlablenkung zwischen dem Mittelpunkt des Schleuderteliers und dessen Randbereich in der Weise erfolgt, daß der Schleuderteller in einer im Verhältnis zu seinem Durchmesser schmalen, radial zur Drehachse des Schleudertellers verlaufenden Zone abgetastet wird, und daß der Wärmeentzug bis zur Erstarrung im wesentlichen durch Abstrahlung bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleuderteller mit einer Drehzahl zwischen 3600 und 15 000 U · min-¹ angetrieben, daß das Elektronenstrahlenbündel mit einer Frequenz zwischen 30 und 100 Hz periodisch abgelenkt wird und daß der Brennfleckdurchmesser zwischen '/to und Vioo des Durchmessers des Schleudertellers gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkung durch stufenweise Erhöhung der Ablenkspannung in der Weise durchgeführt wird, daß sich die kurzzeitig verweilenden Brennflecke in radialer Richtung zum Mittelpunkt des Schleudertellers aneinanderreihen, und daß die relativen Verweilzeiten mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt langer gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem stabförmige!! Ausgangsmaterial abgeschmolzene Metall dem Schleuderteller über einen elektronenstrahlbeheizten Zwischenbehälter zugeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erstarrte Metallpulver einem Pulverbehälter über eine nach dem Schwingförderprinzip arbeitende Transporteinrichtung zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Ausgangsmaterial während des Abschmelzens mit geringer Umdrehungszahl gedreht wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, einer Halte- und Zuführeinrichtung für stabförmiges Ausgangsmaterial, mindestens einem Elektronenstrahlerzeuger, einem im Fallweg der Schmelze angeordneten Schleuderteller mit Antrieb sowie aus einem Pulversammelbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleuderteller (17) außermittig in der Vakuumkammer (10) angeordnet ist, daß die Vakuumkammer sich als seitliche Tasche an den Raum um den Schleuderteller anschließt, wobei die Dimensionierung und Gestaltung der Tasche den Flugbahnen (30) der Metallpartikel bis zu ihrer Erstarrung entsprechend gewählt sind, und daß dem Elektronenstrahlerzeuger (26) eine Ablenksteuereinheit zugeordnet ist, durch die radiale Abtastung des Schleudertellers in einer solchen räumlichen Lage zur Tasche bewirkt wird, daß die Flugbahnen der Metallpaitikel sämtlich in der Tasche verlaufen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch getennzeichnet, daß der Schleuderteller (17) auf seiner Oberseite eine im wesentlichen kartenförmige, zentrale Ausnehmung (47) besitzt, an deren Umlaufkante (48) sich eine im wesentlichen hohlkegelförmige Randzone (49) mit geringerer Steigung »λ« anschließt als die Steigung der Ausnehmung unmittelbar vor der Umlaufkante.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser »Di« der Umlaufkante (48) zwischen 20 und 60 mm kleiner ist als der Außendurchmesscr »D_a« des Schleudertellers (17), daß der Radius »R« der kartenförmigen Ausnehmung (47) zwischen 0,6 und 1,0 ■ D, gewählt wird, und daß die Steigung »x« der Randzone (49) zwischer 5 Grad und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 10 Grad und 20 Grad, liegt

10. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (47) in einem auswechselbaren Oberteil (18) des Schleuderteliers (17) angeordnet ist und daß die Aufnahme für das Oberteil mit einem Kühlmittelkanal (45) versehen ist

Jl. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Vakuumkammer (10) mit einem Aufsatz (15) versehen ist, der das stabförmige Ausgangsmaterial (12) aufzunehmen imstande ist und mittels eines Absperrventils (16) gegenüber der Vakuumkammer absperrbar ist, und daß zwischen Pulversammelbehälter (34) und Vakuumkammer ebenfalls ein Absperrventil (33) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem stabförmigen Ausgangsmaterial (12) und dem Schleuderteller (17) ein elektronenstrahlbeheizter Zwischenbehälter (36) im Fallweg der Schmelze des Ausgangsmaterials angeordnet ist und daß der Zwischenbehälter oberhalb des Schleuderteliers eine Überlaufrinne (37) besitzt

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Vakuumkammer (10) und Pulversammelbehälter (34) eine nach dem Schwingförderprinzip arbeitende Transporteinrichtung (42) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtung (42) als Wendelförderer ausgebildet ist.