EP0308933B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen Stoffs, vorzugsweise geschmolzenen Metalls - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen Stoffs, vorzugsweise geschmolzenen Metalls Download PDF

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EP0308933B1
EP0308933B1 EP88115595A EP88115595A EP0308933B1 EP 0308933 B1 EP0308933 B1 EP 0308933B1 EP 88115595 A EP88115595 A EP 88115595A EP 88115595 A EP88115595 A EP 88115595A EP 0308933 B1 EP0308933 B1 EP 0308933B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
ultrasonic
container
pressure
ultrasonic actuators
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EP88115595A
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EP0308933A1 (de
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Klaus Prof. Dr.-Ing. Bauckhage
Norbert Kunert
Peter Dipl.-Ing. Schreckenberg
Hermann Dr. Phil. Vetters
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Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH and Co OHG
Original Assignee
Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH and Co OHG
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
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    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F3/02—Compacting only
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a device for atomizing at least one jet of a liquid substance, in particular molten metal, according to the preamble of claim 1 and to a method using the device according to claim 4.
  • the low ultrasound power when atomizing liquid metals means that the associated cooling of the melt to temperatures below the solidus point cannot take place quickly enough. This results in an uncontrolled cooling of the atomized particles and the associated unfavorable grain sizes and properties.
  • the object of the invention is to create a device of the type mentioned at the outset, as a result of which an increased atomization performance and better atomization of the atomized metal particles is ensured when atomizing liquid metal, and the method also additionally increases the atomization performance.
  • a particularly high-energy ultrasound field is created by using at least two active transducers, that is, a pair of transducers.
  • further pairs of transducers can be provided, which expediently have the same data and also superpositionable parameters with regard to power, frequency and amplitude of the transducers and are arranged such that their standing ultrasonic field has one or more common pressure node areas.
  • the melt jet generated in the crucible By passing the melt jet generated in the crucible through this pressure node region, the atomization takes place where the ultrasound fields are superpositioned, that is to say the greatest energy density is present.
  • the device according to the invention enables a considerably larger flow of melt mass to be atomized and a more economical use associated therewith.
  • the superposition of several ultrasound fields also achieves a rapid quenching required to form a microstructure.
  • the use of two active transducers also effectively prevents atomized particles from sticking to the transducer surface.
  • the position of the ultrasonic transducers is changed jointly in such a way that the (horizontal) transducer axis is given any inclinations. This makes it possible to specifically deflect the atomized particles from a vertical path. It is thus advantageously possible to compact complex workpieces.
  • a nozzle is arranged downstream of the melt exit from the crucible, which is preferably designed like a Laval nozzle.
  • the oscillators are assigned to the nozzle in such a way that the node area of the superpositioned ultrasonic fields is slightly offset towards the crucible compared to the narrowest cross section of the nozzle. This not only accelerates the substances due to atomization in the node area of the ultrasonic fields, but also assigns a direction through the nozzle, which narrows after the node area.
  • the pressure vessel can be used to hold an application surface or application form for compacting the atomized and quenched micro-metal particles.
  • the entire device can also be accommodated in a pressure vessel. This results in particular in pressure relief in the crucible.
  • Such a device is also particularly suitable for carrying out the method described at the outset, because it enables the gaseous carrier medium for the ultrasonic wave to be compressed in a simple manner both in the region of the nozzle and in the region of the pressure vessel.
  • the energy density in the ultrasound node area serving for atomization is thus optimally designed by a combination of several narrow-casting measures, namely the superposition of several ultrasound fields and the increase in energy transmission in the compressed medium.
  • the atomization capacity increased by the method according to the invention also results in better quenching of the atomized metal particles, since these receive a greater momentum from the high-energy ultrasound field, which leads to an increased "slip" of the metal particles in the pressurized medium in which the atomization takes place. This prevents a veil of heated gas from forming around the metal particles; rather, the metal particles can be brought into constant contact with fresh, not yet preheated, ambient gas due to their action by a higher impulse.
  • the method it is proposed to compact the atomized metal particles immediately after quenching and atomizing to form a semi-finished product or a desired molded part.
  • the quenched metal particles are preferably "shot" onto a corresponding base using their superplastic properties with the aid of pressure, the individual metal particles being welded together.
  • the compacting is expediently carried out when the atomized metal particles have reached a solid phase and have cooled to such an extent that, on the one hand, a structural change no longer takes place and, on the other hand, the metal particles are still warm enough to be welded.
  • the material produced by the process according to the invention with the aid of the device described above has particularly favorable properties, since this produces a particularly homogeneous crystalline or amorphous structure with globular grains, which can be ⁇ 0.1 ⁇ m.
  • Such a material has superplastic properties that enable isotropic deformability.
  • the rapid cooling also leads to the integration of the Impurities in the globular microgranules formed from the atomized metal particles.
  • the device shown here is used to atomize a jet of liquid metal for the production of a metallic powder, tools, semi-finished products and finished parts.
  • the device is composed of a crucible 10, an adjoining nozzle 11 and, in the present exemplary embodiment, two ultrasonic vibrators 12 and a pressure vessel 13 arranged downstream of the latter.
  • the crucible 10 at the upper region of the device is bottle-shaped here with a downwardly tapering outlet opening 14.
  • the crucible 10 is filled to the level 15 with the raw material to be melted and atomized from powdered or granular metallic Granules 16.
  • the outlet opening 14 of the crucible 10 arranged in the middle with respect to an upright longitudinal central axis 18 of the device opens into an upright inlet funnel 19 of the nozzle 11.
  • This is designed here in a laval nozzle-like manner, namely has an upper acceleration section 20 tapering along a circumferential arc adjoining tapering section 21 and a lower frustoconical outlet section 22.
  • a gas supply channel opens from the side, which in the present exemplary embodiment is designed as a radially circumferential annular channel 23.
  • a gaseous process medium preferably an inert or reaction gas cooled to a temperature below room temperature, can be fed through this under pressure of the device.
  • the two ultrasonic oscillators 12 are arranged opposite the central tapering section 21 of the nozzle 11, in such a way that they lie on a common, horizontal oscillator axis 24 which intersects the longitudinal central axis 18 of the device.
  • the front sections of the ultrasonic vibrators 12 are inserted into the tapering section 21 of the nozzle through corresponding through openings 25.
  • the through openings 25 each provided with a corresponding, circumferential collar 26.
  • the ultrasound transducers 12 are fixed separately in a suitable manner, not shown, outside the front heads of the ultrasound transducers 12, and are decoupled in terms of vibrations.
  • the relative position of the oscillator axis 24 with respect to the individual sections of the nozzle 11 is here such that the oscillator axis 24 is located approximately in the tapering section 21, that is to say approximately in the end region of the acceleration section 20.
  • the two ultrasonic vibrators 12 are of identical design, in particular they have the same powers, frequencies and amplitudes, namely they produce the same, superimposed ultrasonic fields 27 of approximately 20 kHz with a vibrating power of 250 to 3000 W.
  • the two ultrasonic vibrators 12 a distance of six quarter waves, whereby they form three pressure note areas 28 and 29, of which the middle, lying on the oscillator axis 24 and the longitudinal central axis 18 node region 29 is used to atomize the jet emerging from the crucible 10 of the melt to be atomized.
  • the nozzle 11 has at its lower edge an annular flange 30 to which the pressure vessel 13 can be fastened with a corresponding connecting flange 31, preferably releasably by means of screws, not shown.
  • the pressure vessel can consist, as shown, of a cylindrical jacket 32 and a flat, horizontal bottom 33.
  • the bottom 33 can serve to accommodate a carrier plate 34 shown in FIG. 1, onto which the atomized Metal particles can be applied, preferably for compacting.
  • FIG. 2 shows a negative mold 35 arranged on the bottom 33 of the pressure vessel 13.
  • finished workpieces of any shape can be produced in the pressure vessel by compacting in the superplastic state of the metal particles.
  • rotationally symmetrical parts can preferably be produced. So that they get an almost uniform wall thickness, the negative mold 35 in the pressure vessel 13 can be rotated continuously about its (vertical) axis of rotation by a suitable drive.
  • Fig. 3 shows an alternative arrangement of a plurality of ultrasonic transducers 12, such that a plurality of pairs of transducers from opposing ultrasonic transducers 12 are provided to further increase performance.
  • the pair of transducers from the two ultrasonic transducers 12 are assigned three further pairs of transducers, shown in dash-dotted lines, whose transducer axes 24 lie in a common horizontal plane for generating further ultrasound fields, all of which lie in the (central) knot region 29 on the longitudinal central axis 18 of the device.
  • the device shown enables a particularly high atomization performance and high quenching rates by a plurality of ultrasonic vibrators 12, each of which generates the same ultrasonic field 27, results in a high energy density in the node region 29 and, moreover, the ultrasonic wave 27 is passed through a compressed gaseous medium with high energy transmission properties.
  • the device shown in FIG. 1 works as follows:
  • the acceleration of the metal particles by atomization causes the metal particles to "slip" in the gaseous medium. This results in a rapid quenching of the atomized metal particles.
  • the rapid quenching is further increased according to the invention in that, on the one hand, the atomization takes place in a compressed gaseous medium, which means that a higher energy can be applied by the ultrasonic wave 27 and, on the other hand, the nozzle 11 through the ring channel 23 with excess pressure of inert gas (nitrogen) or reaction gas (hydrogen ) that can be cooled down to _200 ° C.
  • the metal particles atomized and rapidly quenched in the manner described above have very small, predominantly globular grains ( ⁇ 0.1 ⁇ m) which have cooled to such an extent that no structural change takes place, but the grains are welded using the superplastic properties, if they are compacted, that is to say applied to the carrier plate 34 or the negative mold 35 on the bottom 33 of the pressure vessel 13 in a pressure-assisted manner.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the device according to the invention, which differs from that of FIGS. 1 to 3 in that the ultrasonic vibrators 12 are assigned to the nozzle 11 in a variable position.
  • the position of the ultrasonic transducers can be changed equally, but in opposite directions in relation to the nozzle 11 or with part of it, in such a way that the oscillator axis 24 can be pivoted out of the (normal) horizontal.
  • the atomized metal particles can be compared after reaching the node area 29 deflect the longitudinal central axis 18 in a direction deviating from the vertical.
  • the cone formed by the atomized metal particles and originating in the node 29 can thus be pivoted out of the longitudinal central axis 18 as a whole.
  • the ultrasonic vibrators 12 are arranged wholly or partially in a section of the nozzle 11 designed as a bellows 36.
  • Exemplary embodiment is assigned to the upper half of the ultrasonic vibrators 12 of the bellows 36, so that it forms the acceleration section 20 or the tapering section 21 of the nozzle 11.
  • the lower half of the ultrasonic oscillators 12 is assigned to a fixed section of the nozzle 11, namely approximately to the outlet section 22, which can be pivoted together with the ultrasonic oscillators 12.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the device.
  • This device enables a particularly high atomization capacity, in which all pressure node areas 28 and 29 of the ultrasonic field 27 serve to atomize the jets of liquid metal.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben min­destens eines Strahls eines flüssigen Stoffs, insbesondere geschmolzenen Metalls nach dem Oberbegriff des Patentan­spruchs 1 sowie ein Verfahren unter erwendung der Vorrich­tung nach Anspruch 4.
  • Verfahren und Vorrichtungen zum Zerstäuben flüssiger Stoffe bzw. geschmolzenen Metalls sind grundsätzlich be­kannt. In zunehmendem Maße finden solche Verfahren auch auf dem Werkstoffsektor zur Herstellung bestimmter Werk­stoffe, insbesondere solcher mit spezifischen Eigen­schaften Verwendung. Das Zerstäuben des aus einem Tiegel austretenden Strahls mit bis auf Temperaturen oberhalb des Liquiduspunktes erhitzten Metallpartikeln, also der Schmelze, erfolgt dabei durch ein stehendes Ultraschall­feld, das zwischen einem Schwinger und einem (nicht ak­tiven) Reflector gebildet wird, (DE-26 5633002). Nachteiling hieran ist die begrenzte Ultraschall-Leistung. Das führt dazu, daß bekannte Vorrichtungen und Verfahren zum Ultraschall-Zer­stäuben geschmolzener Metalle bisher nur in geringem Um­fange eingesetzt worden sind, und zwar meist das Labor­stadium nicht überschritten haben. Auch im Zusammenhang mit anderen Einsatzzwecken, beispielsweise beim Zerstäu­ben von Flüssigkeitsstrahlen mit Ultraschall, hat sich die nur begrenzt verfügbare Ultraschall-Leistung als Hemmnis für eine gewerbsmäßige Anwendung herausge­stellt.
  • Des weiteren führt die geringe Ultraschall-Leistung beim Zerstäuben von flüssigen Metallen dazu, daß die damit gleichzeitig einhergehende Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen unterhalb des Soliduspunktes nicht rasch genug erfolgen kann. Das hat ein unkontrolliertes Abkühlen der zerstäubten Teilpartikelchen und damit verbundenen ungünstigen Korngrößen und -eigenschaften zur Folge.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­de, eine Vorrichtung der eingangs ge­nannten Art zu schaffen, wodurch eine erhöhte Zerstäu­bungsleistung und beim Zerstäuben von flüssigem Metall eine bessere Abschreckung der zerstäubten Metallpartikel gewährleistet ist und mit einem Verfahren zusätzlich die Zerstäubungsleistung zu steigern.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung mindestens zweier aktiver Schwinger, also eines Schwingerpaares, entsteht ein besonders energiereiches Ultraschallfeld. Zur weiteren Leistungssteigerung können weitere Schwin­gerpaare vorgesehen werden, die zweckmäßigerweise gleiche Daten sowie auch superpositionsfähige Parameter hinsichtlich Leistung, Frequenz sowie Amplitude der Schwinger aufweisen und derart angeordnet sind, daß ihr stehendes Ultraschallfeld einen oder auch mehrere gemein­same Druck Knotenbereiche aufweist. Durch Hindurchleiten des im Tiegel erzeugten Schmelzstrahls durch diesen Druck Knotenbe­reich findet die Zerstäubung dort statt, wo eine Super­position der Ultraschallfelder erfolgt, das heißt die größte Engergiedichte vorhanden ist. Verglichen zu her­kömmlichen Vorrichtungen ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen erheblich größeren Durchfluß an zu zerstäubender Schmelzmasse und einem damit verbundenen wirtschaftlicheren Einsatz. Gleichzeitig wird durch die Superposition mehrerer Ultraschallfelder trotz eines erhöhten Durchsatzes zu zerstäubender Schmelze auch noch eine geforderte Schnellabschreckung zur Bildung eines Feinstgefüges erreicht. Auch wird durch die Verwendung zweier aktiver Schwinger ein Ankleben zerstäubter Par­tikel an die Schwingerfläche wirksam vermieden.
  • Nach einer besonder vorteilhaften Weiterbildung der Vor­richtung ist vorgesehen, die Ultraschallschwinger in ihrer Lage derart gemeinsam zu verändern, daß die (hori­zontale) Schwingerachse beliebige Neigungen erhält. Da­mit ist es möglich, die zerstäubten Partikel aus einer vertikalen Bahn gezielt abzulenken. Es ist so ein Kom­paktieren komplexer Werkstücke vorteilhaft durchführbar.
  • Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist dem Aus­tritt der Schmelze aus dem Tiegel eine Düse nachgeord­net, die vorzugsweise lavaldüsenartig ausgebildet ist.
  • Die Schwinger sind dabei derart der Düse zugeordnet, daß der knotenbereich der superpositionierten Ultraschall­felder gegenüber dem engsten Querschnitt der Düse gering­fügig zum Tiegel hin versetzt ist. Dadurch erfolgt nicht nur eine Beschleunigung der Stoffe durch die Zerstäubung im Knotenbereich der Ultraschallfelder, sondern zusätz­lich auch eine Richtungszuweisung durch die sich nach dem Knotenbereich noch verengende Düse.
  • Schließlich wird vorgeschlagen, der Düse einen (Druck-)Behälter nachzuordnen. Weiterhin kann der Druckbehälter genutzt werden zur Aufnahme einer Auftragfläche bzw. Auftragform zur Kompaktierung der zerstäubten und abgeschreckten Mikro-Metallpartikel. Alternativ kann auch die gesamte Vorrichtung in einem Druckbehälter untergebracht sein. Dies hat insbesondere eine Druckentlastung im Tiegel zur Folge. Eine solche Vorrichtung eignet sich besonders auch zur Durchführung des eingangs geschilderten Verfahrens, weil dadurch sowohl im Bereich der Düse als auch im Bereich des Druck­behälters in einfacher Weise eine Verdichtung des gas­förmigen Trägermediums für die Ultraschallwelle möglich ist. Die Energiedichte im zur Zerstäubung dienenden Ultraschall-Knotenbereich wird somit durch eine Kombina­tion mehrerer engergiesteigernder Maßnahmen, nämlich die Superposition mehrerer Ultraschallfelder und die Erhö­gung der Energieübertragung im verdichteten Medium opti­mal gestaltet.
  • Aus der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhöhten zerstäubungsleistung resultiert darüber hinaus eine bessere Abschreckung der zerstäubten Metallpartikel, da diese durch das energiereichere Ultraschallfeld einen Größeren Impuls erhalten, der zu einem vergrößerten "Schlupf" der Metallpartikel im druckbeaufschlagten Medium, in der die Zerstäubung stattfindet, führt. Hier­durch wird verhindert, daß sich um die Metallpartikel herum jeweils ein Schleier angewärmten Gases bildet; vielmehr können die Metallpartikel aufgrund ihrer Beauf­schlagung durch einen höheren Impuls in ständigen Kon­takt mit frischem, noch nicht vorgewärmten Umgebungsgas gebracht werden.
  • Des weiteren wird vorgeschlagen, das druckbeaufschlagte gasförmige Medium auf eine Temperatur unterhalb des Liquiduspunktes der Metallpartikel abzukühlen, vozugs­weise auf Temperaturen bis minimal _200°C., wodurch Abkühlraten von > 10⁷K/s erreicht werden können. Diese Maßnahme führt ohne einen nennenswerten zusätzlichen Aufwand zu einer Schnellabschreckung.
  • Des weiteren wird verfahrensgemäß vorgeschlagen, die zer­stäubten Metallpartikel zur Bildung eines Halbzeuges oder eines gewünschten Formteiles unmittelbar nach dem Abschrecken und Zerstäuben zu kompaktieren. Hierdurch werden die abgeschreckten Metallpartikel unter Ausnut­zung ihrer superplastischen Eigenschaften vorzugsweise druckunterstützt auf eine entsprechende Unterlage "auf­geschossen", wobei eine Verschweißung der einzelnen Me­talpartikel erfolgt. Das Kompaktieren wird zweckmäßiger­weise dann vorgenommen, wenn die zerstäubten Metallparti­kel eine feste Phase erlangt haben und soweit abgekühlt sind, daß einerseits eine Gefügeumwandlung nicht mehr stattfindet und andererseits die Metallpartikel noch warm genug zum Verschweißen sind.
  • Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Zuhilfe­nahme der vorstehend beschriebenen Vorrichtung entstehen­de Werkstoff verfügt über besonders günstige Eigen­schaften, da hierdurch ein besonders homogenes kristallines bzw. amorphes Gefüge mit globularen Kör­nern, die < 0,1 µm sein können, entsteht. Ein solches Material verfügt über superplastische Eigenschaften, die eine isotrope Verformbarkeit ermöglichen. Das schnelle Abkühlen führt auch zu einer Einbindung der Verunreinigungen in die aus den zerstäubten Metallpartikel ent­stehenden globularen Mikrokörnern.
  • Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • In diesen Zeigen :
    • Fig 1 einen vereinfacht dargestellten Vertikal­schnitt durch die Vorrichtung,
    • Fig. 2 einen unteren Abschnitt eines Druckbe­hälters mit einem darin angeordneten Formenträger,
    • Fig. 3 einen horizontalen Querschnitt III-III durch die Vorrichtung gemäß der Fig. 1 im Bereich zweier Schwinger,
    • Fig. 4 einen teilweisen vertikalschnitt gemäß der Fig. 1 durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, und
    • Fig. 5 einen teilweise dargestellten Vertikal­schnitt gemäß der Fig. 1 durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
  • Die hier gezeigte Vorrichtung dient zur Zerstäubung eines Strahls flüssigen Metalls für die Herstellung eines metallischen Pulvers, von Werkzeugen, Halbzeugen und Fertigteilen.
  • Wie insbesondere aus der Fig. 1 entnehmbar, setzt sich die Vorrichtung zusammen aus einem Tiegel 10, einer sich daran anschließenden Düse 11 und im vorliegenden Aus­führungsbeispiel zwei Ultraschallschwingern 12 sowie einem letzteren nachgeordneten Druckbehälter 13.
  • Der Tiegel 10 am oberen Bereich der Vorrichtung ist hier flaschenförmig ausgebildet mit einer nach unten weisenden, sich verjüngenden Austitts Offnung 14. Gefüllt ist der Tiegel 10 im vorliegenden Falle bis zum Pegelstand 15 mit dem zu schmelzenden und verdüsenden Rohmaterial aus pulver- bzw. körnchenförmigem metallischen Granulat 16. Durch eine in der Fig 1 punktstrichliniert dargestellte Heizspirale 17 um den Tiegel 10 erfolgt ein Schmelzen des darin enthaltenen Granulats 16 auf eine Temperatur oberhalb des Liquiduspunktes.
  • Die mitting in bezug auf eine aufrechte Längsmittelachse 18 der vorrichtung angeordnete Austritts Offnung 14 des Tiegels 10 mündet in einen aufrechten Eintrittstrichter 19 der Düse 11. Diese ist hier etwa lavaldüsenartig ausgebildet, verfügt nämlich über einen oberen längs eines umlaufen­den Bogens sich verjüngenden Beschleunigungsabschnitt 20, einen sich daran anschlïeßenden Verjüngungsabschnitt 21 und einen unteren kegelstumpfartigen Austrittsab­schnitt 22.
  • Im oberen Bereich des Beschleunigungsabschnitts 20 mün­det von der Seite her ein Gaszufuhrkanal, der im vorlie­genden Ausführungsbeispiel als radial umlaufender Ring­kanal 23 ausgebildet ist. Durch diesen ist ein gasförmi­ges Prozeßmedium, vorzugsweise ein auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur abgekühltes Inert- oder Re­aktionsgas, unter Druck der Vorrichtung zuführbar.
  • Dem mittleren Verjängungsabschnitt 21 der Düse 11 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beiden Ultraschall­schwinger 12 gegenüberliegend angeordnet, und zwar der­art, daß sie auf einer gemeinsamen, horizontalen Schwin­gerachse 24 liegen, die die Längsmittelachse 18 der Vorrichtung schneidet. Die Ultraschallschwinger 12 sind mit ihren vorderen Abschnitten durch entsprechende Durch­führungsöffnungen 25 in den Verjängungsabschnitt 21 der Düse eingeführt. Dazu sind die Durchführungsöffnungen 25 mit jeweils einem Korrespondierenden, umlaufenden Kragen 26 versehen. Die Fixierung der Ultraschallschwinger 12 erfolgt separat in geeigneter, nicht dargestellter weise außerhalb der vorderen köpfe der Ultraschallschwinger 12, und zwar schwingungsmäßig entkoppelt.
  • Die Relativlage der Schwingerachse 24 in bezug auf die einzelnen Abschnitte der Düse 11 ist hier derart ge­troffen, daß sich die Schwingerachse 24 etwa im Verjängungsabschnitt 21 befindet, also etwa im End­bereich des Beschleunigungsabschnitts 20.
  • Die beiden Ultraschallschwinger 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleich ausgebildet, verfügen insbe­sondere über gleiche Leistungen, Frequenzen und Amplitu­den, erzeugen nämlich gleiche, einander überlagerte Ultraschallfelder 27 von etwa 20 KHz bei einer Schwinger­leistung von 250 bis zu 3000 W. Im gezeigten Ausführungs­beispiel haben die beiden Ultraschallschwinger 12 einen Abstand von sechs Viertelwellen, wobei sie drei Druck noten­bereiche 28 bzw. 29 bilden, von denen der mittlere, auf der Schwingerachse 24 und der Längsmittelachse 18 liegende knotenbereich 29 zur Zerstäubung des aus dem Tiegel 10 austretenden Strahls der zu zerstäubenden Schmelze dient.
  • Wie weiterhin der Fig 1 entnommen werden kann, verfügt die Düse 11 an ihrem unteren Rand über einen kreisring­förmigen Flansch 30, an den der Druckbehälter 13 mit einem korrespondierenden Anschlußflansch 31 befestigbar ist, vorzugsweise lösbar durch nicht dargestellte Schrau­ben.
  • Der Druckbehälter kann im einfachsten Falle _ wie ge­zeigt _ aus einem zylindrischen Mantel 32 und einem ebenen, horizontalen Boden 33 bestehen. In diesem Falle kann der Boden 33 zur Aufnahme einer in der Fig 1 ge­zeigten Trägerplatte 34 dienen, auf die die zerstäubten Metallpartikel aufbringbar sind, und zwar vorzugsweise zum Kompaktieren.
  • Die Fig. 2 zeigt eine auf dem Boden 33 des Druckbehäl­ters 13 angeordnete Negativform 35. Dadurch können im Druckbehälter bereits fertige Werkstücke beliebiger Ge­stalt durch Kompaktieren im superplastischen Zustand der Metallpartikel hergestellt werden. Vorzugsweise lassen sich so rotationssymmetrische Teile herstellen. Damit diese eine nahezu gleichmäßige Wandstärke erhalten, kann die Negativform 35 im Druckbehälter 13 um ihre (senk­rechte) Rotationsachse durch einen geeigneten Antrieb kontinuierlich gedreht werden.
  • Alternativ ist es auch denkbar, abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel den Druckbehälter so groß auszubil­den, daß in diesem der Tiegel 10 mit der Düse 11 und den Ultraschallschwingern 12 vollständig eingesetzt werden kann, beispielsweise hängend unter einem den Druckbehäl­ter verschließenden Deckel. Diese alternative Ausbildung des Druckbehälters ist in der Fig. 1 strichpunktiert an­gedeutet.
  • Die Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung einer Viel­zahl von Ultraschallschwinger 12, derart, daß zur weiteren Leistungssteigerung mehrere Schwingerpaare aus einander gegenüberliegenden Ultraschallschwingern 12 vorgesehen sind. Dementsprechend sind in der Fig 3 dem Schwingerpaar aus den beiden Ultraschallschwingern 12 drei weitere strichpunktiert dargestellte Schwingerpaare zugeordnet, deren Schwingerachsen 24 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen zur Erzeugung weiterer Ultraschallfelder, die allesamt im (mittigen) knotenbereich 29 auf der Längsmittelachse 18 der Vorrichtung liegen.
  • Die gezeigte Vorrichtung ermöglicht eine besonders hohe Zerstäubungsleistung und hohe Abschreckraten, indem durch mehrere Ultraschallschwinger 12, die jeweils ein gleiches Ultraschallfeld 27 erzeugen, eine hohe Energie­dichte im Knotenbereich 29 entsteht und darüber hinaus die Ultraschallwelle 27 durch ein verdichtetes gas­förmiges Medium mit hohen Energieübertragungseigen­schaften hindurchgeleitet wird. Es ist aber auch mög­lich, eine Verbesserung der Zerstäubungsleistung bekannter Vorrichtungen bzw. Verfahren dieser Art schon dadurch zu erreichen, daß entweder (wie beim Stand der Technik) mit nur einem Ultraschallschwinger die Zerstäu­bung in einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium, also im Druckbehälter 13 erfolgt, oder mit einer Mehr­zahl von Ultraschallschwingern in einem unter (normalen) atmosphärischen Druck stehenden gasförmigen Medium das Zerstäuben des geschmolzenen Metalls erfolgt. In diesem Fall kann der Druckbehälter 13 oder der strichpunktiert dargestellte Druckbehälter entfallen.
  • Die in der Fig 1 gezeigte Vorrichtung arbeitet wie folgt : Das im Tiegel 10 durch die Heizspirale 17 er­hitzte Granulat oder dergleichen aus metallischem Werk­stoff gelangt durch die Öffnung 14 des Tiegels 10 in Form eines flüssigen Strahls in den Beschleunigungs­abschnitt 20 der Düse 11, wo es vor Erreichen des Verjän­gungsabschnitts 21 im Knotenbereich 29 durch die Ultra­schallwelle 27 zerstäubt wird. Die durch das Zerstäuben erfolgende, Beschleunigung der Metallpartikel bewirkt einen "Schlupf" desselben im gas­förmigen Medium. Das hat eine Schnellabschreckung der zerstäubten Metallpartikel zur Folge. Die Schnellab­schreckung wird erfindungsgemäß dadurch noch erhöht, daß zum einen das Zerstäuben in einem verdichteten gasförmi­gen Medium stattfindet, woduch eine höhere Energie von der Ultraschallwelle 27 aufbringbar ist und zum anderen der Düse 11 durch den Ringkanal 23 mit Überdruck Inert­gas (Stickstoff) oder Reaktionsgas (Wasserstoff) zuführ­bar ist, welches bis auf _200°C abgekühlt sein kann.
  • Die in der vorstehend beschriebenen Weise zerstäubten und schnell abgeschreckten Metallpartikel verfügen über sehr kleine, überwiegend globulare körner (< 0,1 µm), die soweit abgekühlt sind, daß keine Gefügeumwandlung mehr stattfindet, aber unter Ausnutzung der super­plastischen Eigenschaften eine Verschweißung der Körner erfolgt, wenn diese kompaktiert werden, also auf die Trä­gerplatte 34 oder die Negativform 35 auf dem Boden 33 des Druckbehälters 13 druckunterstützt aufgebracht wer­den.
  • Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der er­findungsgemäßen Vorrichtung, welches sich von demjenigen der Fig. 1 bis 3 dadurch unterscheidet, daß die Ultra schallschwinger 12 lageveränderlich der Düse 11 zugeord­net sind. Dazu sind die Ultraschallschwinger gleicher­maßen, aber in entgegengesetzten Richtungen derart gegen­über der Düse 11 bzw. mit einem Teil derselben in ihrer Lage veränderlich, daß die Schwingerachse 24 aus der (normalen) Horizontalen herausschwenkbar ist Dadurch lassen sich die zerstäubten Metallpartikel nach Errei­chen des Knotenbereichs 29 gegenüber der Längsmittel­achse 18 ablenken in eine aus der Vertikalen abweichende Richtung. Der von den zerstäubten Metallpartikeln gebil­dete Kegel mit Ursprung im Knotenpunkt 29 ist damit als Ganzes aus der Längsmittelachse 18 herausschwenkbar.
  • Darüber hinaus ist es denkbar, die Ultraschallschwinger 12 bei gleichbleibendem Abstand in Richtung längs zur Schwingerachse 24 zu verschieben, wodurch der Knotenbe­reich 29 sich exakt mit der Längsmittelachse 18 zur Deckung bringen laßt, bzw. bei einem von der Längsmittel­achse 18 abweichenden Knotenbereich 29 mit dem aus dem Tiegel 10 austretenden Strahl flüssigen Metalls wieder zur Deckung bringen läßt. Auch sind so abweichungen der Lage des Knotenbereichs 29 zwischen den Ultraschall­schwingern 12 so ausgleichbar, daß der Knotenbereich 29 wiederum vom strahl getroffen wird.
  • Bei dieser Vorrichtung sind die Ultraschallschwinger 12 ganz oder teilweise in einem als Faltenbalg 36 ausgebil­deten Abschnitt der Düse 11 angeordnet. Im vorliegenden. Ausführungsbeispiel ist nur der oberen Hälfte der Ultra­schallschwinger 12 der Faltenbalg 36 zugeordnet, so daß dieser den Beschleunigungsabschnitt 20 bzw. den Ver­jängungsabschnitt 21 der Düse 11 bildet. Die untere Hälfte der Ultraschallschwinger 12 ist einem festen Ab­schnitt der Düse 11, nämlich etwa dem Austrittsabschnitt 22 zugeordnet, der zusammen mit den Ultraschallschwin­gern 12 Verschwenkbar ist.
  • Schließlich zeigt die Fig. 5 ein drittes Ausführungsbei­spiel der Vorrichtung. Diese weicht dadurch von den vor­stehenden Ausführungsbeispielen der Vorrichtung ab, daß drei vorzugsweise in einer gemeinsamen vertikalen Ebene nebeneinanderliegende Tiegel 10 der Düse 11 zugeordnet sind. Der Abstand diese drei Tiegel 10 ist derart ge­wählt, daß die drei aus denselben austretenden Strahlen geschmolzenen Metalls auf jeweils einen der drei Druck Knoten­bereiche 28 bzw. 29 des Ultraschallfeldes 27 gerichtet sind. Diese Vorrichtung ermöglicht eine besonders hohe Zerstäubungsleistung, in dem sämtliche Druck Knotenbereiche 28 und 29 des Ultraschallfeldes 27 zur Zerstäubung der Strahlen flüssigen Metalls dienen.
  • Die Arbeitsweisen dieser alternativen Ausführungsbei­spiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Fig. 1 sind prinzipiell mit der weiter oben beschriebenen Ar­beitsweise der in der Fig 1 gezeigten Vorrichtung ver­gleichbar.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen Stoffs insbesondere geschmolzenen Metalls, in einem stehenden Ultraschallfeld mit einem Tiegel zum Schmelzen des zu zerstäubenden Stoffs, dadurch gekenn­zeichnet, daß zwei auf einer gemeinsamen Schwingerachse (24) einander mit Abstand gegenüberliegende aktive Ultraschall­schwinger (12) zum Erzeugen des stehenden Ultraschallfeldes vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß beide Ultraschallschwinger (12) über die gleichen Kenngrößen, insbesondere die gleiche Leistung verfügen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwinger (12) derart relativ zum Tiegel (10) angeordnet sind, daß das von den Ul­traschallschwingern (12) erzeugte stehende Ultraschallfeld (27) sowohl rechtwinklig als auch unter einem einstellbaren Winkel zur Längsmittelachse (18) der Vorrichtung verläuft.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Austrittsöffnung (14) der Schmelze aus dem Tiegel (10) eine an eine Gaszu­fuhrleitung angeschlossene Düse (11) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net, daß im Bereich des engsten Querschnitts der Düse (11) die Ultraschallschwinger (12) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (11) lavaldüsenartig ausgebil­det ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhrleitung über einen Ringkanal (23) in die Düse (11) mündet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­net, daß der Tiegel (10) von dem Ringkanal (23) umgeben ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Düse (11) ein Druckbehälter (13) nachgeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­net, daß wenigstens die Ultraschallschwinger (12), die Düse (11) und der Tiegel (10) innerhalb des Druckbehälters (13) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckbehälter (13) Einrichtungen zum Formen der zerstäubten Metallpartikel angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare von jeweils auf einer gemeinsamen Schwingerachse mit Abstand gegenüberlie­gende angeordnete aktive Ultraschallschwinger (12) vorgese­hen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­net, daß sämtliche Paare gegenüberliegender Ultraschall­schwinger (12) ein festgelegtes Ultraschallfeld (27) bilden, in dem sich ein oder mehrere Druckknotenbereiche (28, 29) ausbilden, wobei sich die Schwingerachsen in einem gemeinsa­men Druckknotenbereich (23) kreuzen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens einem Druckkknotenbe­ reich (28, 29) mindestens ein Tiegel (10) und eine Düse (11) zum gleichzeitigen Zerstäuben mehrerer Strahlen zugeordnet sind.
15. Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inertgas oder ein Reaktionsgas unter Druck durch die Düse zugeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­net, daß das Gas auf eine Temperatur unterhalb des Liquidus­punktes des zu zerstäubenden Metalls zu dessen Schnellab­schreckung gebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Zerstäuben die Stoffpartikel in dem zur Zerstäubung dienenden verdichteten Gas kompaktiert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompaktieren unter Ausnutzung der superplastischen Eigenschaften der Metallpartikel durchgeführt wird.
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