ES2632210T3 - Proceso para formar productos a partir de metales y aleaciones atomizados - Google Patents

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Abstract

Un proceso que comprende: producir al menos una corriente de aleación fundida y una serie de gotitas de aleación fundida; producir partículas eléctricamente cargadas de la aleación fundida impactando electrones en al menos una de la corriente de aleación fundida y la serie de gotitas de aleación fundida para atomizar (1810) la aleación fundida; acelerar (1815) las partículas de aleación fundida eléctricamente cargadas con al menos uno de un campo electrostático y un campo electromagnético; enfriar (1820) las partículas de aleación fundidas a una temperatura que no es mayor que una temperatura solidus de la aleación de tal manera que las partículas de aleación fundida solidifican al acelerar y se forman partículas de aleación sólidas; impactar (1825) las partículas de aleación sólidas sobre un sustrato, en el que las partículas que impactan se deforman y se unen metalúrgicamente al sustrato para producir una preforma de aleación sólida.

Description

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DESCRIPCION
Proceso para formar productos a partir de metales y aleaciones atomizados Campo tecnico
La presente divulgacion se refiere a fundir, atomizar y procesar metales y aleaciones y a formar productos de metales y aleaciones usando metales y aleaciones atomizados.
Antecedentes
Los metales y las aleaciones, tales como, por ejemplo, hierro, nlquel, titanio, cobalto y aleaciones basadas en estos metales, se usan normalmente en aplicaciones de ingenierla crlticas en las que son ventajosas o necesarias composiciones de microestructuras de grano fino, con homogeneidad y/o sustancialmente libres de defectos. Los problemas tales como el crecimiento indeseado de granos y la segregacion en moldeados y lingotes de metales y aleaciones pueden ser perjudiciales para aplicaciones de uso final y pueden aumentar significativamente los costes asociados a la produccion de aleacion de alta calidad. Las tecnicas convencionales de produccion de aleaciones, tales como fundido de induccion al vaclo, refinado de electroescoria y refundido de arco de vaclo pueden usarse para reducir la cantidad de impurezas y contaminantes en los moldeados de aleaciones. Sin embargo, en diversos casos, los procesos convencionales de produccion de aleaciones de moldeado y forjado no pueden usarse para producir aleaciones que tienen las composiciones de microestructuras de grano fino, con homogeneidad y/o sustancialmente libres de defectos deseadas o requeridas para diversas aplicaciones de ingenierla crltica.
Los procesos de metalurgia en polvo pueden permitir la produccion de metales y aleaciones que tienen microestructuras de grano fino que no pueden lograrse con procesos de produccion de aleaciones de moldeado y forjado. Sin embargo, los procesos de metalurgia en polvo son mas complejos que los procesos de produccion de aleaciones de moldeado y forjado y pueden producir metales y aleaciones que tienen niveles relativamente altos de huecos y porosidad. Los procesos de metalurgia en polvo tambien tienen el potencial de inducir impurezas y contaminantes en productos de metales y aleaciones durante la produccion, el manejo y el procesamiento de los suministros madre en polvo usados para formar los productos. La Patente de EE.UU. numero 7.578.960 desvela un aparato para formar un polvo de aleacion o una preforma que incluye un ensamblaje de fundido, un ensamblaje de atomizado y un ensamblaje de generacion de campo y un colector.
Sumario de la invencion
La invencion proporciona un proceso de acuerdo con la reivindicacion 1 de las reivindicaciones adjuntas.
Se entiende que la invencion desvelada y descrita en la presente memoria descriptiva no se limita a las realizaciones resumidas en este sumario.
Breve descripcion de los dibujos
Diversos rasgos y caracterlsticas de las realizaciones no limitantes y no exhaustivas desveladas y descritas en la presente memoria descriptiva pueden entenderse mejor por referencia a las figuras que acompanan, en las que:
La Figura 1 es una ilustracion esquematica de un sistema de procesamiento de aleacion;
La Figura 2 es un diagrama esquematico de un ensamblaje de atomizado, en el que se produce un campo de electrones de forma generalmente rectangular en la ruta de la aleacion fundida que pasa a traves del ensamblaje de atomizado;
La Figura 3 es un diagrama esquematico de un ensamblaje de atomizado, en el que un aparato de barrido por tramas produce un campo de electrones en la ruta de la aleacion fundida que pasa a traves del ensamblaje de atomizado;
La Figura 4 es un diagrama esquematico de un ensamblaje de atomizado, en el que los electrones usados para producir un campo de electrones en la ruta de una aleacion fundida que pasa a traves del ensamblaje de atomizado se producen desde la superficie externa de un filamento;
La Figura 5 es un diagrama esquematico de la atomizacion de una gotita de aleacion fundida en un ensamblaje de atomizado de haz de electrones;
Las Figuras 6, 7, 7A, 8, 8A, 9 y 9A son diagramas esquematicos de sistemas y aparatos configurados para formar una preforma de aleacion mediante un proceso de formacion de pulverizado solido;
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Las Figuras 10-13 son diagramas esquematicos de ensamblajes de fundido que producen aleacion fundida;
Las Figuras 14-17 y 17A son diagramas esquematicos de sistemas y aparatos configurados para formar una preforma de aleacion mediante un proceso de formacion de pulverizado solido;
La Figura 18 es un diagrama de flujo de un proceso de formacion de pulverizado solido;
Las Figuras 19A-19F son diagramas esquematicos que muestran colectivamente un sistema de formacion de pulverizado solido que implementa un proceso de formacion de pulverizado solido;
La Figura 20 es un diagrama esquematico de diversos componentes de un emisor de plasma ionico de alambre de descarga;
La Figura 21 es un diagrama esquematico de un ensamblaje de fuson por haz de electrones de chimenea frla que incluye emisores de plasma ionicos de alambre de descarga;
La Figura 22 es un diagrama esquematico de diversos componentes de un emisor de plasma ionico de alambre de descarga;
La Figura 23 es un diagrama esquematico de un aparato de fuson por haz de electrones que incluye un emisor de plasma ionico de alambre de descarga;
La Figura 24 es una vista en perspectiva de un emisor de plasma ionico de alambre de descarga;
La Figura 25 es un diagrama esquematico que ilustra el funcionamiento del emisor de plasma ionico de alambre de descarga mostrado en la Figura 24; y
La Figura 26 es un diagrama esquematico de un aparato de fuson por haz de electrones que incluye multiples emisores de plasma ionico de alambre de descarga.
El lector apreciara los anteriores detalles, as! como otros, tras considerar la siguiente descripcion detallada de diversas realizaciones no limitantes y no exhaustivas de acuerdo con la presente divulgacion.
Descripcion
Se describen y se ilustran diversas realizaciones en la presente memoria descriptiva para proporcionar un entendimiento global de la estructura, la funcion, el funcionamiento, la fabrication y el uso de los procesos y los productos desvelados. Se entiende que las diversas realizaciones descritas e ilustradas en la presente memoria descriptiva son no limitantes y no exhaustivas. De esta manera, la invention no se limita por la descripcion de las diversas realizaciones no limitantes y no exhaustivas desveladas en la presente memoria descriptiva. Mas bien, la invencion se define solamente por las reivindicaciones. Los rasgos y las caracterlsticas ilustrados y/o descritos junto con diversas realizaciones pueden combinarse con los rasgos y las caracterlsticas de otras realizaciones. Tales modificaciones y variaciones se destinan a incluirse dentro del alcance de la presente memoria descriptiva. Como tal, las reivindicaciones pueden modificarse para recitar cualquier rasgo o caracterlstica expresa o inherentemente descritos en, o de otra manera expresa o inherentemente soportados por, la presente memoria descriptiva.
Las diversas realizaciones desveladas y descritas en la presente memoria descriptiva pueden comprender, o consistir en los rasgos y las caracterlsticas como se describen diversamente en el presente documento.
La referencia a lo largo de la presente memoria descriptiva a “diversas realizaciones no limitantes” o similares, significa que un rasgo o caracterlstica particulares pueden incluirse en una realization. De esta manera, el uso de la frase “en diversas realizaciones no limitantes” o similares, en la presente memoria descriptiva no se refiere necesariamente a una realizacion comun, y puede referirse a realizaciones diferentes. Ademas, los rasgos o caracterlsticas particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o mas realizaciones. De esta manera, los rasgos o caracterlsticas particulares ilustrados o descritos junto con diversas realizaciones pueden combinarse, por completo o en parte, con los rasgos o las caracterlsticas de una o mas realizaciones distintas sin limitation. Tales modificaciones y variaciones se destinan a incluirse dentro del alcance de la presente memoria descriptiva.
En diversas aplicaciones crlticas, los componentes deben fabricarse a partir de aleaciones, tales como, por ejemplo, superaleaciones basadas en nlquel, en forma de lingotes de gran diametro que carecen de segregation significativa. Tales lingotes deben estar sustancialmente libres de segregacion positiva y negativa. Las “pecas” son una manifestation comun de la segregacion positiva y son metalograficamente observables como regiones grabadas oscuras enriquecidas en elementos solutos. Las pecas resultan del flujo de llquido interdendrltico rico en soluto en la zona blanda de un lingote de moldeado durante la solidification. Las pecas en la Aleacion 718, por ejemplo, estan enriquecidas en niobio en comparacion con la matriz de aleacion global, tienen una alta densidad de carburos y
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normalmente contienen fases de Laves. Como tal, las pecas son particularmente desventajosas en aleaciones a usarse en aplicaciones crlticas.
Las “manchas blancas” son un tipo comun de segregation negativa. Las manchas blancas son metalograficamente observables como regiones grabadas claras, que se agotan de elementos solutos endurecedores, tales como niobio. Las manchas blancas se clasifican normalmente en manchas blancas dendrlticas, discretas y de solidification, las manchas blancas discretas son de mayor importancia debido a que se asocian frecuentemente a un agregado de oxidos y nitruros que pueden actuar como sitios de initiation de grietas en artlculos de aleacion moldeados.
Los lingotes y las preformas que carecen sustancialmente de segregacion positiva y negativa y que tambien estan libres de pecas pueden denominarse lingotes y preformas de “primera calidad”. Los lingotes y preformas de superaleacion a base de nlquel de primera calidad se requieren en diversas aplicaciones crlticas incluyendo, por ejemplo, componentes rotativos en turbinas de generation de potencia aeronauticas o de tierra y en otras aplicaciones en las que los defectos metalurgicos relacionados con la segregacion pueden resultar en el fallo catastrofico del componente durante el funcionamiento. Como se usa en el presente documento, un lingote o preforma “carece sustancialmente” de segregacion positiva y negativa cuando tales tipos de segregacion estan completamente ausentes o estan presentes solamente en un grado que no hace al lingote o a la preforma inadecuados para su uso en aplicaciones crlticas, tales como su uso para la fabrication en componentes rotativos para aplicaciones de turbinas de generacion de potencia aeronauticas o de tierra.
Las superaleaciones a base de nlquel sometidas a segregacion positiva y negativa significativa durante el moldeado incluyen, por ejemplo, la Aleacion 718 (UNS N07718) y la Aleacion 706 (UNS N09706). Para minimizar la segregacion cuando se moldean estas aleaciones para su uso en aplicaciones supercrlticas, y para asegurar mejor que la aleacion moldeada esta libre de inclusiones perjudiciales no metalicas, el material metalico fundido se refina apropiadamente despues de moldearse finalmente. Una tecnica para refinar la Aleacion 718, as! como diversas otras superaleaciones a base de nlquel propensas a la segregacion tales como la Aleacion 706, es la tecnica del “triple fundido”, que combina, secuencialmente, la fusion por induction al vaclo (VIM, por sus siglas en ingles), el refinado/refundido de electroescoria (ESR, por sus siglas en ingles) y el refundido de arco de vaclo (VAR, por sus siglas en ingles). Los lingotes de primera calidad de estos materiales propensos a la segregacion, sin embargo, son diflciles de producir en grandes diametros por fusion VAR, la ultima etapa en la secuencia del triple fundido. En algunos casos, los lingotes de gran diametro se fabrican en componentes sencillos, en cuyo caso las areas de segregacion inaceptable en los lingotes moldeados por VAR no pueden retirarse selectivamente antes de la fabricacion de componentes. En consecuencia, el lingote entero o una portion del lingote pueden necesitar desecharse.
Los lingotes de la Aleacion 718, la Aleacion 706 y otras superaleaciones basadas en nlquel tales como la Aleacion 600 (UNS N06600), la Aleacion 625 (UNS N06625), la Aleacion 720 y Waspaloy® (UNS N07001) se requieren cada vez mas en pesos mas grandes y en consecuencia diametros mas grandes para diversas aplicaciones emergentes. Tales aplicaciones incluyen, por ejemplo, componentes rotativos para turbinas de generacion de potencia aeronauticas o de tierra. Los lingotes mas grandes se necesitan no solamente para lograr economicamente el peso del componente final, sino que tambien facilitan el trabajo termomecanico suficiente para romper adecuadamente la estructura del lingote y lograr todos los requerimientos finales mecanicos y estructurales.
La fundicion y el moldeado de lingotes de superaleacion de gran diametro acentuan un numero de problemas basicos metalurgicos y relacionados con el procesamiento. Por ejemplo, la extraction de calor durante la solidificacion en estado fundido se vuelve mas diflcil aumentando el diametro del lingote, dando como resultado tiempos de solidificacion mas largos y piscinas fundidas mas profundas. Esto aumenta la tendencia hacia la segregacion positiva y negativa. Ademas, lingotes mas grandes y electrodos ESR/VAR pueden generar estreses termicos mas altos durante el calentamiento y el enfriamiento. La Aleacion 718 es particularmente propensa a estos problemas. Para permitir la production de lingotes VAR de diametro mas grande de calidad metalurgica aceptable a partir de la Aleacion 718 y diversas superaleaciones distintas a base de nlquel propensas a la segregacion, se han desarrollado secuencias de fusion y tratamiento de calor especializadas. Una secuencia de tratamiento de fusion y tratamiento de calor especializada se describe en la Patente de Estados Unidos n.° 6.416.564.
No obstante, las tecnicas de metalurgia en polvo pueden usarse para producir productos de aleacion de primera calidad tales como lingotes de superaleacion a base de nlquel de gran diametro. La formation de pulverizador es una tecnica de la metalurgia en polvo para producir lingotes de superaleacion de gran diametro. Durante la formacion del pulverizador, una corriente de aleacion fundida se atomiza para formar un pulverizado de finas gotitas o partlculas de aleacion fundida. Las partlculas fundidas se dirigen despues a un colector donde se juntan y se solidifican en una preforma coherente casi densa. En diversas aplicaciones, el movimiento controlado del colector y el atomizador, junto con el control del proceso de transporte del metal fundido, permite que se produzcan grandes preformas de alta calidad. El proceso de formacion de pulverizador es capaz de producir microestructuras homogeneas de grano fino con granos equiaxicos y mas del 98 por ciento de densidad teorica para un amplio intervalo de aleaciones. Sin embargo, la formacion de pulverizador convencional generalmente emplea tecnicas de atomization de impacto de fluidos, que presentan un numero de inconvenientes.
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En las tecnicas de atomizacion de impacto de fluidos, se impacta bien un gas o bien un llquido en una corriente de un material metalico fundido. El impacto usando llquidos o gases puede introducir contaminantes en el material atomizado. Dado que el impacto de fluidos no se da en un ambiente al vaclo, incluso las tecnicas que usan gases inertes pueden introducir niveles significativos de impurezas al material atomizado. Se han desarrollado diversas tecnicas de atomizacion de no impacto de fluidos que pueden llevarse a cabo en un ambiente al vaclo. Estas tecnicas incluyen, por ejemplo, las tecnicas de atomizacion descritas en la Patente de EE.UU. n.° 6.772.961 (denominada en esta memoria descriptiva “US-6.722.961”).
El documento US-6.722.961 describe tecnicas en la que gotitas de aleacion fundida o una corriente de aleacion fundida producida por un dispositivo de fundicion acoplado a un dispositivo dispensador controlado se cargan electrostaticamente de forma rapida aplicando un alto voltaje a las gotitas a una alta subida de velocidad. Las fuerzas electrostaticas establecidas dentro de las gotitas cargadas provocan que las gotitas se rompan o se atomicen en partlculas secundarias mas pequenas. En una tecnica descrita en el documento US-6.722.961, se tratan gotitas fundidas primarias producidas por la boquilla de un dispositivo dispensador por un campo electrico desde un electrodo con forma de anillo adyacente a y aguas abajo de la boquilla. Las fuerzas electrostaticas desarrolladas dentro de las gotitas primarias exceden las fuerzas de tension superficial de las partlculas y resultan en la formation de partlculas secundarias mas pequenas. Pueden proporcionarse electrodos adicionales productores de campo de forma de anillo aguas abajo para tratar las partlculas secundarias del mismo modo, produciendo partlculas fundidas incluso mas pequenas.
La atomizacion de haz de electrones es otra tecnica de no impacto de fluidos para atomizar material fundido que se lleva a cabo al vaclo. En general, la tecnica implica usar un haz de electrones para inyectar una carga en una region de una corriente de aleacion fundida y/o una serie de gotitas de aleacion fundida. Una vez que la region o la gotita acumula suficiente carga excediendo el llmite de Rayleigh, la region o la gotita se vuelve inestable y se rompe en finas partlculas (es decir, se atomiza). Una tecnica de atomizacion de haz de electrones se describe en las Patentes de EE.UU. n.°: 6,772.961; 7.578.960; 7.803.212; y 7.803.211.
El documento US-6.722.961 tambien desvela tecnicas que usan campos electrostaticos y/o electromagneticos para controlar la aceleracion, la velocidad y/o la direction de las partlculas de aleacion fundida formadas por atomizacion en el proceso de production de preformas o polvos formados en pulverizado. Como se describe en el documento US-6.722.961, tales tecnicas proporcionan sustancial control aguas abajo del material fundido atomizado y pueden reducir el sobre-pulverizado y otro malgasto de material, mejorar la calidad y mejorar la densidad de preformas solidas hechas por tecnicas de formacion de pulverizado.
Los metodos para recoger materiales fundidos atomizados como preformas unitarias incluyen formacion de pulverizado y moldeado nucleado. Con respecto al moldeado nucleado, se extrae una referencia especlfica de las Patentes de EE.UU. n.° 5.381.847; 6.264.717; y 6.496.529. En general, el moldeado nucleado implica atomizar una corriente de aleacion fundida y despues dirigir las partlculas de aleacion fundidas resultantes en un molde de moldeado que tiene una forma deseada. Las gotitas se juntan y solidifican como un artlculo unitario moldeado por el molde y el moldeo puede procesarse adicionalmente en un componente deseado. En general, la formacion de pulverization implica dirigir el material fundido atomizado sobre una superficie de, por ejemplo, una placa o un cilindro para juntarse, solidificar y formar una preforma independiente que puede procesarse adicionalmente en un componente deseado.
Como se indica, muchas de las tecnicas para fundir, atomizar y procesar metales y aleaciones para producir preformas solidas son deficientes en uno o mas respectos. Tales deficiencias incluyen, por ejemplo, la complejidad del proceso y el coste; la existencia de altos estreses residuales, huecos, porosidad, oxidos y otros contaminantes en la preforma; perdidas de rendimiento debido a la sobre-pulverizacion; limitaciones en los metales y las aleaciones aplicables; y limitaciones inherentes al tamano. Estas deficiencias son particularmente problematicas en la produccion de diversas aleaciones tales como superaleaciones a base de nlquel. Las diversas realizaciones no limitantes desveladas y descritas en la presente memoria descriptiva se dirigen, en parte, a procesos, sistemas y aparatos que superen al menos alguna de estas deficiencias, entre otras, y a proporcionar tecnicas mejoradas para la produccion de productos metalicos y de aleaciones tales como, por ejemplo, lingotes de diametro mayor y otras preformas de primera calidad.
Las diversas realizaciones no limitantes desveladas y descritas en la presente memoria descriptiva se dirigen, en parte, a procesos, sistemas y aparatos para fundir y atomizar metales y aleaciones metalicas (es decir, que contienen metales) para producir materiales fundidos atomizados que pueden solidificarse al menos parcialmente en partlculas de aleacion usadas para producir preformas de aleacion unitarias y monollticas y otros artlculos. Como se usa en el presente documento, el termino “aleacion” se refiere tanto a metales como a aleaciones metalicas tales como, por ejemplo, hierro, nlquel, titanio, cobalto y aleaciones basadas en estos metales.
Las diversas realizaciones no limitantes desveladas y descritas en la presente memoria descriptiva pueden emplear equipo y tecnicas que utilizan electrones para fundir aleaciones y/o atomizar aleaciones fundidas para producir partlculas de aleacion fundidas que se solidifican y se forman en pulverizador solido para producir preformas unitarias y monollticas y otros artlculos de aleacion. En diversas realizaciones no limitantes, los procesos, los
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sistemas y los aparatos desvelados en el presente documento pueden ser utiles en la produccion de preformas y artlcuios de superaleacion a base de nlquel, donde las tecnicas de metalurgia de moldeado y forjado, de triple fundido y de metalurgia en polvo tienen desventajas acompanantes como se analiza anteriormente.
En diversas realizaciones no limitantes, un proceso de formacion de pulverizado solido comprende producir al menos uno de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida. Las partlculas electricamente cargadas de la aleacion fundida se producen chocando electrones en al menos una de la corriente de aleacion fundida y la serie de gotitas de aleacion fundida para atomizar la aleacion fundida. Las partlculas de aleacion fundida electricamente cargadas se aceleran con al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico. Las partlculas de aleacion fundida se enfrlan a una temperatura menos de una temperatura solidus de las partlculas de aleacion fundidas de tal manera que las partlculas de aleacion fundidas se impacten sobre un sustrato, en el que las partlculas que impactan se deforman y se unen metalurgicamente al sustrato y entre si para producir una preforma de aleacion solida.
Con referencia a la Figura 1, diversas realizaciones no limitantes de un sistema 100, configurado para preformar un proceso de formacion de pulverizado solido como se describe en la presente memoria descriptiva, incluyen: un ensamblaje de fundicion 110 (tambien denominado en el presente documento un “aparato de fundicion” o “dispositivo de fundicion”) que produce al menos uno de una corriente y una serie de gotitas de aleacion fundida; un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 112 (tambien denominado en el presente documento un “aparato de atomizacion” o “dispositivo de atomizacion”) que atomiza la aleacion fundida recibida del ensamblaje de fundicion 110 y produce partlculas de aleacion fundidas relativamente pequenas; un ensamblaje de produccion de campo 114 (tambien denominado en el presente documento un “aparato de produccion de campo” o “dispositivo de produccion de campo”) que produce al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico que influye al menos en uno de la aceleracion, la velocidad y la direccion de una o mas de las partlculas de aleacion producidas por el ensamblaje de atomizacion 112; y un colector 116 sobre el cual las partlculas de aleacion solidificadas impactan, se deforman y se unen metalurgicamente para formar una preforma.
En diversas realizaciones no limitantes, un proceso de formacion de pulverizado comprende: producir una corriente de aleacion fundida y/o una serie de gotitas de aleacion fundida en un ensamblaje de fundicion, que puede estar sustancialmente libre de ceramica en regiones del ensamblaje de fundicion contactadas por la aleacion fundida; producir al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico, en el que las partlculas de aleacion fundidas del ensamblaje de atomizacion interactuan con el campo y el campo influye al menos en uno de la aceleracion, la velocidad y la direccion de una o mas de las partlculas de aleacion fundidas; enfriar las partlculas de aleacion fundidas durante el transporte de las partlculas desde el ensamblaje de atomizacion para formar partlculas de aleacion fundidas; y recoger las partlculas de aleacion solidas en un colector como una preforma solida.
Como se usa en el presente documento, la frase “ensamblaje de fundicion” y similares se refieren a una fuente de una corriente y/o una serie de gotitas de una aleacion fundida, que puede producirse a partir de una carga de materiales de partida, raspaduras, un lingote, un electrodo consumible y/u otra fuente de la aleacion. El ensamblaje de fundicion esta en comunicacion fluida con y suministra aleacion fundida a un ensamblaje de atomizacion. El ensamblaje de fundicion puede carecer sustancialmente de material ceramico en regiones del ensamblaje que estan conectadas por material fundido. Como se usa en el presente documento, la frase “sustancialmente carece de ceramica” y similares significa que la ceramica bien esta ausente en regiones del ensamblaje de fundicion que el material fundido contacta durante el funcionamiento del ensamblaje, o bien esta presente en regiones del ensamblaje de fundicion que contactan con la aleacion fundida durante el funcionamiento normal pero de una manera que no resulta en la inclusion de cantidades problematicas o tamanos de partlculas o inclusiones ceramicas en la aleacion fundida.
En diversas realizaciones no limitantes, puede ser importante prevenir o limitar sustancialmente el contacto entre el material de aleacion fundida y el material ceramico en el ensamblaje de fundicion y otros componentes de los sistemas y aparatos descritos en el presente documento. Esto puede ser as! debido a que las partlculas ceramicas pueden “lavarse” de los revestimientos ceramicos y mezclarse con la aleacion fundida. Las partlculas ceramicas generalmente tienen una temperatura de punto de fusion mayor que el material de aleacion fundido y pueden incorporarse en preformas posteriormente formadas. Una vez incorporadas en un producto solido, las partlculas ceramicas pueden fracturarse e iniciar griegas en el producto durante la fatiga de ciclo bajo, por ejemplo. Una vez iniciadas, las grietas pueden crecer y resultar en el fallo del producto. De esta manera, dependiendo de la aplicacion destinada al material de preforma, por ejemplo, puede haber poca o nada de permision para la presencia de partlculas ceramicas en el material.
En la metalurgia de moldeado y forjado, las partlculas de ceramica de una etapa de fundicion de induccion al vaclo (VIM) pueden retirarse durante una etapa de refundicion de arco de vaclo (VAR) o, cuando se usa la practica de triple fundido, durante las etapas de refinado/refundido de electroescoria (ESR) mas VAR. Por lo tanto, en diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje de fundicion puede comprender equipo VAR o ESR. La limpieza de oxido de ceramica lograda usando diversas practicas puede evaluarse usando un ensayo semicuantitativo conocido como el ensayo de “boton EB”, en el que un electrodo de muestra del material a evaluarse se funde por haz de electrones en un crisol y la balsa flotante de oxido resultante se mide para el oxido mas grande presente.
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En la metalurgia en polvo, el polvo de aleacion se consolida en el producto despues de la solidificacion final y no hay medio de refinar adicionalmente el producto para retirar oxidos. En su lugar, el polvo se tamiza y la fraccion mas grande de polvo que se hace en el producto es aquella que es equivalente al defecto mas pequeno que los disenadores de partes usas en sus criterios de diseno. En el diseno de las partes de motor de aeronaves mas crlticas a partir de polvos metalicos, por ejemplo, el defecto modelado mas pequeno es aproximadamente de 44 micrometros y, de esta manera, los polvos que tengan un tamano de tamiz no mayor que este se usan. Para partes de motor de aeronaves menos crlticas, el defecto modelado mas pequeno podrla ser tan grande como aproximadamente 149 micrometros y, de esta manera, se usan polvos que tengan un tamano de tamiz no mayor que este.
Los ejemplos de tecnicas de fundicion que no introducen inclusiones ceramicas y que pueden incluirse en un aparato o sistema configurados para realizar un proceso de formacion de pulverizado solido como se describen en la presente memoria descriptiva incluyen, pero no se limitan: dispositivos de fundicion que comprenden dispositivos de refundicion de doble electrodo al vaclo; dispositivos de fundicion que comprenden una combination de una gula de induction frla y bien un dispositivo de refinado/refundicion de electroescoria o bien un dispositivo de refundido de arco al vaclo; dispositivos de fundicion de arco de plasma; dispositivos de fuson por haz de electrones; y dispositivos de fusion en crisol frlo de haz de electrones.
Como se usa en el presente documento, la frase “ensamblaje de atomization” y similares se refiere a un aparato que impacta al menos una corriente de electrones (es decir, un haz de electrones) o un campo de electrones sobre una aleacion fundida recibida del ensamblaje de fundicion. Como se usa en el presente documento, “impacta” significa poner en contacto. De esta manera, los electrones imparten una carga neta negativa a la region impactada de la corriente y/o las gotitas de aleacion fundidas individuales impactadas. Como se analiza en el documento US- 6.722.961, que no pertenece a la presente invention, y a continuation, una vez la carga en una gotita o una region particular de una corriente alcanza una magnitud suficiente, la region o la gotita se vuelve inestable y se rompe (es decir, se atomiza) en partlculas de aleacion fundidas mas pequenas. Como se usa en el presente documento, “partlculas de aleacion fundidas” se refiere a partlculas que incluyen algun contenido de material fundido pero que no estan necesariamente fundidas del todo. Como se usa en el presente documento, “partlculas de aleacion solidas” se refiere a partlculas que estan a una temperatura por debajo de la temperatura solidus del material y, por lo tanto, estan completamente solidas.
En diversas realizaciones, un ensamblaje de atomizacion puede comprender un ensamblaje, aparato, dispositivo o similares de atomizacion de haz de electrones. Como se analiza en el documento US-6.722.961, un aparato de atomizacion de haz de electrones puede aplicar rapidamente una carga electrostatica a una corriente o a gotitas de aleacion fundida. Un aparato de atomizacion de haz de electrones puede configurarse de tal manera que la carga electrostatica impartida a una aleacion fundida y rompe flsicamente la corriente o la gotita y produce una o mas partlculas de aleacion fundida mas pequenas a partir de la aleacion fundida, de esta manera atomizando el material. La atomizacion de material de aleacion fundida usando la carga electrostatica rapida a traves del impacto por los electrones puede dar como resultado la rapida ruptura de la aleacion en partlculas relativamente mas pequenas debido a las fuerzas de repulsion electrostaticas impartidas en el material. Mas especlficamente, una region o gotita de aleacion fundida se carga electrostaticamente de forma rapida mas alla del “llmite de Rayleig”, de tal manera que las fuerzas electrostaticas en la region o gotita exceden la tension superficial de la aleacion fundida y el material se rompe en partlculas mas pequenas.
El llmite de Rayleig se refiere a la carga maxima que un material puede sostener antes de que las fuerzas de repulsion electrostatica dentro del material excedan la tension superficial que mantiene junto al material. Las ventajas de una tecnica de atomizacion que utiliza el impacto de electrones en un material para ajustar repulsion de carga electrostatica con el material incluyen la capacidad de conducir la tecnica dentro de un ambiente al vaclo. De esta manera, las reacciones qulmicas entre el material de aleacion fundida y la atmosfera o un fluido de atomizacion pueden limitarse o eliminarse. Esta capacidad contrasta con la atomizacion de fluidos convencional, en la que el material a atomizarse necesariamente contacta con un gas o llquido de atomizacion y se lleva a cabo normalmente en aire ambiental o una atmosfera de gas inerte.
Una corriente o gotitas de aleacion fundida atomizadas por un ensamblaje de atomizacion se produce por un ensamblaje de fundicion hacia arriba. Un ensamblaje de fundicion puede incluir, por ejemplo, un dispensador que forma una corriente o gotitas adecuadas de aleacion fundida. En diversas realizaciones no limitantes, un dispensador puede incluir una camara de fundicion que tiene un orificio. Un ejemplo de un dispensador tal se muestra en el documento US-6.722.961.
Una corriente y/o gotitas de aleacion fundida se fuerzan o de otra forma emergen de un orificio y se hacen pasar hacia abajo en un ensamblaje de atomizacion. En diversas realizaciones no limitantes, una corriente o gotitas de aleacion fundidas emergen de un orificio de una camara de fundicion bajo la influencia de action mecanica o presion. En diversas realizaciones no limitantes, puede aplicarse presion a la aleacion fundida en un dispensador de un ensamblaje de fundicion a una magnitud mayor que la presion en el exterior del orificio dispensador para producir gotitas de aleacion fundidas en el orificio en el dispensador. La presion puede hacerse clclica o de otra manera variarse de tal manera que se interrumpa selectivamente el flujo de corrientes y/o gotitas de aleacion fundidas.
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Diversas realizaciones no limitantes de un ensamblaje de fundicion pueden disenarse para “pre-cargar” una corriente o gotitas de aleacion fundida que viajan a un ensamblaje de atomizacion con una carga negativa neta. Pre-cargar una corriente o gotitas puede reducir la cantidad de carga negativa requerida de un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones para exceder el llmite de Rayleig y atomizar la corriente o las gotitas en partlculas mas pequenas. Una tecnica no limitante para pre-cargar una corriente o gotitas de aleacion fundida es mantener un ensamblaje de fundicion a un potencial negativo alto con respecto a otros elementos del aparato global. Esto puede lograrse, por ejemplo, aislando electricamente un ensamblaje de fundicion de otros elementos del aparato, y despues elevando el potencial negativo del ensamblaje de fundicion a un alto nivel usando un suministro de potencia electricamente acoplado al ensamblaje de fundicion. Otra tecnica de pre-.carga no limitante es posicionar un anillo o placas de induccion aguas arriba de un ensamblaje de atomizacion en una posicion cercana a un orificio de salida de un ensamblaje de fundicion. El anillo o las placas pueden configurarse para inducir una carga negativa en las gotitas o la corriente que pasan aguas abajo a un ensamblaje de atomizacion. Un ensamblaje de atomizacion puede impactar electrones despues en el material pre-cargado para cargar y atomizar negativamente de forma adicional el material.
En diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje de atomizacion puede comprender un emisor de haz de electrones termo-ionico o un dispositivo similar. El fenomeno de emision termo-ionica, tambien conocido como el “efecto Edison”, se refiere al flujo de electrones (denominado “termiones”) desde una superficie metalica cuando la energla vibracional supera las fuerzas electrostaticas que mantienen a los electrones hacia la superficie. El efecto aumenta dramaticamente con el aumento de temperatura, pero siempre esta presente en algun grado a temperaturas por encima del cero absoluto. Un emisor de haz de electrones termo-ionico utiliza el fenomeno de emision termo-ionica para producir una corriente de electrones con una energla cinetica definida.
Los emisores de haces de electrones termo-ionicos generalmente comprenden: (i) un filamento productor de electrones calentado; y (ii) una region aceleradora de electrones, que esta unida mediante un catodo y un anodo. El filamento consiste normalmente en una longitud de cable de material refractario, que se calienta pasando una corriente electrica a traves del filamento. Los materiales adecuados de filamento emisor de haz de electrones termo- ionico tienen generalmente las siguientes propiedades: barrera de bajo potencial (funcion de trabajo); alto punto de fusion; estabilidad a temperaturas altas; presion de vapor baja; y estabilidad qulmica. Diversas realizaciones no limitantes de emisores de haces de electrones termo-ionicos incluyen, por ejemplo, filamentos de tungsteno, hexaboruro de lantano (LaB6) o hexaboruro de cerio (CeB6).
En un emisor de haz de electrones termo-ionico, los electrones “hierven” desde la superficie del filamento tras la aplicacion de suficiente energla termica producida por la corriente aplicada. Los electrones producidos en el filamento derivan a traves de un agujero en un catodo, y el campo electrico en la region entre el anodo cargado positivamente y el catodo cargado negativamente acelera los electrones a traves de la brecha hacia el anodo, donde los electrones pasan a traves de un agujero en el anodo con una energla final que corresponde al voltaje aplicado entre los electrodos.
Para cargar negativamente una corriente o gotitas de aleacion fundidas a un nivel necesario para superar la tension superficial y atomizar el material, las gotitas o la corriente deben someterse a un flujo o campo de electrones de energla e intensidad suficientes durante un periodo de tiempo finito. Un ensamblaje de atomizacion puede producir un campo de electrones tridimensional, que extiende una distancia adecuada a lo largo del camino viajado por las gotitas o la corriente a traves del ensamblaje de atomizacion. Un campo de electrones tridimensional, en el que los electrones se distribuyen espacialmente, puede contrastarse con un emisor de haz de electrones de fuente puntual, en el que los electrones se centran en un haz bidimensional esencialmente estrecho. Una distribucion espacial tridimensional de impacto de electrones aumenta la eficiencia de impacto y de carga y la eficacia de la aleacion fundida que viaja a traves de un ensamblaje de atomizacion bajo la influencia de la gravedad, por ejemplo.
Sin pretender quedar unidos a cualquier teorla particular, se cree que las partlculas de aleacion atomizadas por haz de electrones pueden formarse a partir de una gotita fundida o una corriente por uno o ambos de los siguientes mecanismos. En un primer mecanismo no limitante, las partlculas atomizadas se forman por un efecto de cascada en el que la corriente o la gotita fundida inicial se rompe en pequenas partlculas, las partlculas se recargan a un potencial negativo y se rompen en partlculas todavla mas pequenas y el proceso se repite durante el tiempo en el que los electrones se anaden a las partlculas atomizadas sucesivamente mas pequenas. Independientemente del mecanismo de atomizacion flsico, la aleacion fundida debe exponerse a un campo de electrones durante un tiempo suficiente de tal manera que se acumule suficiente carga negativa y se rompa el material.
Una distribution espacial no limitante de los electrones dentro de un campo de electrones producido en un ensamblaje de atomizacion esta en forma de un cilindro de electrones. El eje longitudinal del cilindro puede orientarse en la direction general de viaje del material de aleacion fundido a traves del ensamblaje de atomizacion. La longitud minima del cilindro (a lo largo del eje longitudinal) requerida para la atomizacion completa dependera de la velocidad del material de aleacion fundida que viaja a traves del ensamblaje de atomizacion y la energia y la intensidad del campo de electrones dentro del ensamblaje. Las formas del campo de electrones no cilindricos tambien pueden usarse, tales como, por ejemplo, campos que tengan una section transversal (transversal a la direccion general de viaje del material de aleacion fundida a traves del ensamblaje de atomizacion) que sea rectangular, triangular o cualquier otra forma poligonal o unida de otra manera. Mas generalmente, pueden usarse
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campos de cualquier combinacion de energla, intensidad y forma tridimensional capaz de atomizar adecuadamente material de aleacion fundida. Diversas realizaciones no limitantes de un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones para un aparato construido de acuerdo con la presente divulgacion se analizan a continuacion.
En diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje de atomizacion puede comprender una fuente de electrones de filamento de tungsteno calentado. Los electrones termo-ionicamente emitidos desde un filamento de tungsteno calentado pueden manipularse usando campos electrostaticos y/o electromagneticos para formar un haz de electrones de haz con forma rectangular. El haz con forma rectangular puede proyectarse en una camara de atomizacion como un campo generalmente con forma de bloque tridimensional a traves del camino de viaje del material de aleacion fundida a traves del ensamblaje de atomizacion. La Figura 2 ilustra esquematicamente un ensamblaje de atomizacion 210 que incluye un filamento de tungsteno 212 que se calienta por un flujo de corriente desde un suministro de potencia 214. El filamento calentado 212 produce electrones libres 216. Los electrones 216 pueden producirse, por ejemplo, mediante un emisor de haz de electrones termo-ionico.
Los electrones 216 se dan forma mediante un campo electrostatico producido por las placas 220 para formar un haz de electrones tridimensional 222 que tiene una seccion transversal generalmente rectangular. El haz de electrones 222 se proyecta hacia el interior del ensamblaje 210 para producir un campo de electrones tridimensional generalmente con forma de bloque. Las gotitas de aleacion fundidas 230 dispensadas en un ensamblaje de fundicion aguas arriba 232 viajan a traves del campo de electrones 226 y se atomizan a partlculas mas pequenas 238 a traves de la ruptura por acumulacion de carga negativa. Las partlculas atomizadas 238 pasan en la direccion de la flecha A hacia un colector (no mostrado).
En diversas realizaciones, los ensamblajes de atomizacion pueden comprender dispositivos productores de electrones distintos de o ademas de los emisores de haces electronicos termo-ionicos. Por ejemplo, en diversas realizaciones, un ensamblaje de atomizacion puede comprender un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, tambien conocido como un generador de iones de alambre de catodo frlo y/o emisor de iones de plasma. Los emisores de iones de plasma de alambre de descarga producen un campo de electrones que tiene una seccion transversal generalmente rectangular. Una ventaja de un emisor de electrones de plasma ionico es que produce una emision de electrones a temperaturas menores que un emisor de electrones termo-ionico. Los electrones producidos por un dispositivo o dispositivos particulares productores de electrones dentro de un ensamblaje de atomizacion pueden manipularse adecuadamente, por ejemplo, usando campos electromagneticos y/o electrostaticos, para formar un haz de electrones que tiene una seccion transversal adecuada. El haz de electrones puede proyectarse despues hacia una camara de atomizacion a traves del camino de viaje del material de aleacion fundido a atomizarse.
La Figura 3 ilustra otra realizacion no limitante de un ensamblaje de atomizacion 310. Uno o mas filamentos de tungsteno 312 se calientan mediante el suministro de potencia 314 y producen electrones 316 que tienen suficiente energla para atomizar aleacion fundida cuando impactan sobre la aleacion fundida. Los electrones pueden producirse, por ejemplo, mediante un emisor de haz de electrones termo-ionico. Los electrones 316 pueden manipularse mediante estructuras tales como, por ejemplo, placas 320 para formar una mancha difusa 322. Un aparato de barrido por tramas 324 barre por tramas la mancha de electrones 322 a una velocidad de barrido por tramas alta dentro de la region del ensamblaje de atomizacion a traves de la que el material de aleacion viaja, por ejemplo, bajo la influencia de la gravedad. El efecto de la alta velocidad de barrido por tramas es proporcionar un campo de electrones tridimensional 326 que tiene una forma controlada en la camara de atomizacion del ensamblaje de atomizacion 310 que se configura para atomizar las gotitas de aleacion 330 recibidas de un ensamblaje de fundicion 332 a partlculas atomizadas mas pequenas 338. Las partlculas atomizadas 338 pasan en la direccion de la flecha A hacia un colector (no mostrado).
Con referencia a la Figura4, un ensamblaje de atomizacion 410 produce un campo de electrones que tiene una seccion generalmente rectangular. Los electrones se producen a partir de la superficie de una longitud generalmente recta del filamento de tungsteno 412 calentado por el suministro de potencia 414. Este metodo para producir electrones contrasta con la tecnica de producir electrones a partir de una fuente puntual, como se realiza normalmente en pistolas de haces de electrones. Los electrones 416 que emanan desde la superficie del filamento 412 pueden manipularse usando campos electrostaticos y/o electromagneticos, tales como, por ejemplo, un campo producido por las placas 420, para formar un haz 422 que tiene una seccion transversal generalmente rectangular. El haz de electrones rectangular 422 puede barrerse por tramas a una alta velocidad de barrido por tramas mediante un aparato de barrido por tramas en el ensamblaje de atomizacion 410 para formar un campo de electrones a traves del que el material de aleacion fundido 430 viaja cuando se recibe desde un ensamblaje de fundicion 432.
Alternativamente, como se muestra en la Figura 4, el haz de electrones rectangular 422 puede proyectarse hacia el ensamblaje de atomizacion 410 mediante un dispositivo de proyeccion 424 para formar un campo de electrones 426, que tiene una seccion transversal generalmente rectangular, a traves de la cual un material de aleacion fundida 430 viaja cuando se recibe desde el ensamblaje de fundicion 432. El material de aleacion 430 se rompe por acumulacion de carga negativa en partlculas atomizadas 438, que pasan a traves de un colector (no mostrado) en la direccion de la flecha A.
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En diversas realizaciones, un ensamblaje de atomizacion puede comprender multiples fuentes de electrones. Un ensamblaje de atomizacion puede comprender tambien multiples dispositivos de manipulacion y proyeccion/barrido por tramas de electrones para producir y controlar un campo de electrones adecuado. Por ejemplo, un numero de emisores de haz electronico termo-ionico o no termo-ionico puede orientarse en posiciones angulares especlficas (por ejemplo, tres emisores/fuentes a 120 grados entre si) aproximadamente en la ruta del material de aleacion fundida en una camara de atomizacion y producir un campo tridimensional de electrones proyectando los electrones desde las multiples fuentes hacia la ruta.
En diversas realizaciones, los componentes y las caracterlsticas de las varias realizaciones de ensamblaje de atomizacion descritas anteriormente pueden combinarse. Por ejemplo, con referencia a las Figuras 2 y 3, el haz rectangular 222 del ensamblaje de atomizacion 210 pueden barrerse por tramas usando el aparato de barrido por tramas 324 en el ensamblaje de atomizacion 310 para producir un campo de electrones para atomizar el material de aleacion fundida. Con respecto a la mancha de electrones 322, barrer por tramas el haz de electrones rectangular de relativamente alta relacion de aspecto 222 puede proporcionar un campo tridimensional mayor dispuesto a lo largo del camino del material de aleacion fundida en la camara de atomizacion.
En diversas realizaciones no limitantes de un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones, un primer flujo o corriente de electrones puede impactar sobre el material de aleacion fundida que emerge de un ensamblaje de fundicion, por lo tanto atomizando el material de aleacion en partlculas de aleacion fundida primarias que tienen un primer tamano medio. El impacto de un segundo haz de electrones sobre las partlculas primarias puede atomizar adicionalmente las partlculas a un tamano de partlcula medio menor. Las reducciones adicionales en el tamano medio pueden lograrse impactando flujos o corrientes de electrones adicionales en las partlculas sucesivamente atomizadas. De esta manera, son posibles varios refinamientos de tamano usando carga electrostatica rapida mediante el impacto de electrones.
En diversas realizaciones no limitantes, la carga electrostatica rapida mediante un haz de electrones se aplica dos, tres o mas veces a lo largo de una ruta para lograr un tamano de partlcula de aleacion fundida medio final deseado. De esta manera, el tamano original de las gotitas de aleacion fundida producidas por el ensamblaje de fundicion no necesita limitar el tamano de las partlculas atomizadas finales producidas en el ensamblaje de atomizacion. Las multiples fuentes de electrones en tal disposition pueden ser, por ejemplo, emisores de haces de electrones termo- ionicos individuales, generadores de iones de alambre de catodo frlo y/o emisores de iones de plasma.
En diversas realizaciones no limitantes de un ensamblaje de atomizacion, una gotita o una portion de una corriente de aleacion fundida se somete a dos o mas fases de atomizacion para reducir sucesivamente la media del tamano de las partlculas atomizadas resultantes. Esto puede lograrse, por ejemplo, posicionando apropiadamente dos o mas pistolas de electrones u otras fuentes o flujos o corrientes de electrones a lo largo de una ruta en una region entre el ensamblaje de atomizacion y el colector. Un ensamblaje de atomizacion que tiene esta construction general se ilustra esquematicamente como ensamblaje 500 en la Figura 5. Un ensamblaje de fundicion 512 incluye un dispensador 514 que produce una gotita de aleacion fundida 523a. El dispensador 514 puede usar, por ejemplo, dispositivos mecanicos, presion o gravedad para producir la gotita de aleacion fundida 523a a partir del material fundido producido a partir de un lingote, una carga, un raspado y/u otra fuente en el ensamblaje de fundicion 512.
Las pistolas de haces de electrones primarias 524a produce corrientes de electrones 525a que impactan sobre la gotita 523a e imparten una carga negativa a la gotita. Las fuerzas electrostaticas establecidas dentro de la gotita 523a finalmente exceden la tension superficial de la gotita, rompiendo la gotita y formando partlculas de aleacion fundida primarias 523b. Las pistolas de haces de electrones secundarias 524b centran haces de electrones 525b sobre partlculas de aleacion fundida primarias 523b, similarmente imparten carga negativa a las partlculas y las rompen en partlculas de aleacion fundida secundaria mas pequenas 523c. Las pistolas de haces de electrones terciarias 524c centran haces de electrones 525c sobre partlculas de aleacion fundida secundarias 523c, impartiendo tambien carga negativa a las partlculas y rompiendolas en partlculas de aleacion fundida terciaria todavla mas pequenas 523d. En una realization no limitante de esta disposicion, las varias pistolas de haces de electrones son pistolas de haces de electrones termo-ionicos, aunque puede usarse cualquier otro dispositivo adecuado para producir corrientes de electrones adecuadas, tales como, por ejemplo, un generador de ion de alambre de catodo frlo y/o un emisor de iones de plasma.
Como se analiza en el documento US-6.772.961,
carga electrostatica “rapida” se refiere a cargar a una magnitud deseada en 1 a 1000 microsegundos, o cualquier intervalo subsumido en el mismo, tal como, por ejemplo, 1 a 500 microsegundos, 1 a 100 microsegundos o 1 a 50 microsegundos. La carga electrostatica rapida de la aleacion fundida producida por un ensamblaje de fundicion produce cargas que exceden el llmite de Rayleigh del material y por lo tanto produce una pluralidad de partlculas de aleacion fundida mas pequenas. Las partlculas pueden tener un diametro generalmente uniforme de, por ejemplo, 5 a 5000 micrometres, o cualquier intervalo subsumido en el mismo, tal como, por ejemplo 5 a 2500 micrometres o 5 a 250 micrometres.
Un ensamblaje de atomizacion produce partlculas de aleacion fundida, que se procesan adicionalmente para formar una preforma unitaria y monolltica (es decir, de una pieza). Como se usa en el presente documento, el termino
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“preforma” se refiere a una pieza de trabajo, un lingote u otro artlcuio que se ha formado recogiendo juntas partlcuias de aleacion solidas metalurgicamente unidas producidas a partir de partlculas de aleacion fundida atomizadas. En los procesos, sistemas y aparatos descritos en el presente documento, todas o una porcion de las partlculas de aleacion fundida producidas por el ensamblaje de atomizado se controlan y se solidifican aguas abajo del ensamblaje de atomizado y se recogen como preforma en un colector. Por ejemplo, en diversas realizaciones no limitantes, un sistema o aparato puede incluir al menos un ensamblaje que produce un campo que produce un campo electrostatico y/o un campo electromagnetico que esta al menos parcialmente presente en una region aguas abajo del ensamblaje de atomizacion. El campo electrostatico y/o el campo electromagnetico producidos por el ensamblaje que produce un campo pueden estructurarse y/o manipularse de tal forma que se influya en al menos uno de la aceleracion, la velocidad y la direccion de las partlculas de aleacion fundida que interactuan con el campo.
Como se usa en el presente documento, la frase “ensamblaje que produce el campo” se refiere a un sistema o aparto que produce y, opcionalmente, manipula, uno o mas campos electrostaticos y/o electromagneticos que pueden usarse para controlar al menos uno de la aceleracion, la velocidad y la direccion de las partlculas de aleacion fundidas y solidificadas en una region aguas abajo del ensamblaje de atomizacion. Los ejemplos de ensamblajes que producen campos adecuados para su uso en los procesos, sistemas y aparatos descritos en el presente documento se describen en el documento US-6.772.961.
Como se usa en el presente documento, la frase “campo electrostatico” puede referirse a un campo electrostatico unico o una pluralidad de (dos o mas) campos electrostaticos. Un campo electrostatico puede producirse, por ejemplo, cargando un punto, una placa u otra fuente a alto potencial. Tambien como se usa en el presente documento, la frase “campo electromagnetico- puede referirse a un campo electromagnetico unico o una pluralidad de campos electromagneticos. Un campo electromagnetico puede crearse, por ejemplo, pasando corriente electrica a traves de un conductor, tal como, por ejemplo, una bobina conductora.
En diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje que produce un campo produce uno o mas campos electrostaticos y/o electromagneticos que interactuan con y dirigen partlculas de aleacion solidas a diversas regiones de una preforma que se desarrolla en diversos tiempos durante un proceso de formacion. Los campos electrostaticos y/o electromagneticos pueden usarse tambien para dirigir partlculas de aleacion solidas a areas de una preforma en desarrollo donde se desee anadir o retirar calor, por lo tanto influyendo en la macroestructura de la preforma. Al llevar a cabo la formacion de pulverizado solido, la forma del uno o mas campos electrostaticos y/o electromagneticos tambien puede manipularse para producir preformas de forma casi neta dirigiendo partlculas a regiones predeterminadas en la preforma en desarrollo en diversos tiempos durante el proceso de formacion. Empleando uno o mas campos electrostaticos y/o electromagneticos usando el ensamblaje de produccion del campo, es posible potenciar el rendimiento del proceso de formacion, as! como mejorar (y controlar) la densidad de la preforma resultante.
En diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje que produce un campo produce un campo electrostatico en una region entre un ensamblaje de atomizacion y un colector acoplando electricamente el colector a un suministro de potencia de alto voltaje DC y poniendo en tierra el ensamblaje de atomizacion. Dado que la atomizacion de haz de electrones puede usarse en los procesos, sistemas y aparatos descritos en el presente documento, y dado que las partlculas atomizadas estaran cargadas negativamente, se usa una polaridad negativa de tal manera que las partlculas atomizadas y solidificadas cargadas negativamente se repelen del ensamblaje de atomizacion y se atraen hacia el colector. Un campo electrostatico puede interactuar con partlculas de aleacion cargadas negativamente producidas por un ensamblaje de atomizacion y las partlculas pueden dirigirse bajo la influencia del campo a moverse en la direccion general de las llneas del campo electrostatico. Esta interaction puede usarse para controlar una o mas de la aceleracion, la velocidad y la direccion de las partlculas de aleacion fundidas y solidificadas hacia el colector.
Ademas de un suministro de potencia de alto voltaje DC, un ensamblaje que produce un campo puede comprender uno o mas electrodos localizados en posiciones adecuadas y en orientaciones adecuadas de tal manera que se produzcan campo o campos adecuados entre un ensamblaje de atomizacion y un colector. Los electrodos pueden posicionarse y configurase para dar forma a un campo electrostatico entre un ensamblaje de atomizacion y un colector de una manera deseada. Un campo electrostatico proporcionado bajo la influencia del uno o mas electrodos puede tener una forma que dirige las partlculas de aleacion fundidas y solidificadas de una forma deseada a un colector.
Un ensamblaje que produce un campo tambien puede comprender una pluralidad de suministros de potencia de DC de alto voltaje, cada uno conectado funcionalmente a uno o mas electrodos dispuestos en posiciones adecuadas y en orientaciones adecuadas entre un ensamblaje de atomizacion y un colector, y que incluyen en la forma de un campo electrostatico producido por el ensamblaje productor de campo entre el ensamblaje de atomizacion y el colector de una manera dependiente del tiempo. De esta manera, el campo puede manipularse para dirigir adecuadamente las partlculas de aleacion producidas por el ensamblaje de atomizacion a areas o localizaciones especlficas en el colector o en la preforma en desarrollo en el tiempo.
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Por ejemplo, un ensamblaje que produce un campo que incluye una pluralidad de electrodos y suministros de potencia asociados puede incorporarse en un sistema o aparato configurado para formar por pulverizado solido artlculos solidos de forma casi neta que tienen altas densidades con respecto a las preformas producidas por formacion de pulverizador convencional y procesos de moldeado nucleado. En tales realizaciones, el campo electrostatico puede variarse en terminos de resistencia y/o forma para dirigir adecuadamente las partlculas de aleacion solidificadas al colector.
En diversas realizaciones no limitantes, puede producirse un campo electromagnetico entre un ensamblaje de atomizacion y un colector mediante una o mas bobinas magneticas posicionadas entre el ensamblaje de atomizacion y el colector. Las bobinas magneticas pueden estar electricamente conectadas a un suministro de potencia, que energiza las bobinas. Las partlculas de aleacion producidas por un ensamblaje de atomizacion pueden dirigirse a lo largo de las llneas del campo del campo electromagnetico hacia el colector. La posicion y/o la orientacion de la una o mas bobinas magneticas puede configurarse para dirigir las partlculas a areas o localizaciones especlficas en un colector o una preforma en desarrollo. De esta manera, las partlculas de aleacion pueden dirigirse a potenciar la densidad de las preformas o incluso producir preformas de forma casi neta durante la formacion de pulverizado solido.
En diversas realizaciones no limitantes, una pluralidad de bobinas magneticas puede colocarse entre un ensamblaje de atomizacion y un colector. Los campos electromagneticos producidos por la pluralidad de bobinas magneticas, que pueden energizarse unicamente o de forma multiple en diferentes intensidades de campo magnetico, influyen en la direccion de movimiento de las partlculas de aleacion producidas por el ensamblaje de atomizacion, dirigiendo las partlculas a areas o localizaciones especlficas predeterminadas en el colector o una preforma en desarrollo. De esta manera, las partlculas de aleacion pueden dirigirse en patrones predeterminados para producir, por ejemplo, preformas solidas que tienen una forma casi neta y/o densidad relativamente alta.
En diversas realizaciones no limitantes, los campos producidos por un ensamblaje productor de campos pueden usarse para mejorar o refinar el control direccional facilmente disponible a traves del uso de boquillas de atomizacion trasladables en un ensamblaje de atomizacion. En diversas realizaciones no limitantes, el control direccional sustancial obtenible solamente manipulando de forma apropiada la forma, la direccion y/o la intensidad del campo, puede reemplazar el movimiento de las boquillas de atomizacion en un ensamblaje de atomizacion.
En diversas realizaciones no limitantes, todas o una porcion de las partlculas de aleacion fundida producidas por un ensamblaje de atomizacion y que pasan dentro de o a traves de campo o campos producidos por un ensamblaje productor de campos se recogen en un colector como una preforma solida. Como se usa en el presente documento, el termino “colector” se refiere a un sustrato, aparato, elemento o porcion o region de un sustrato, aparato o elemento, o un ensamblaje de elementos, que se configura para recibir todo o una porcion de las partlculas de aleacion solidificadas producidas por un ensamblaje de atomizacion. Los ejemplos no imitantes de un colector que puede incorporarse en realizaciones de un sistema o aparato configurado para preformar un proceso de formacion de pulverizado solido incluyen la totalidad o una porcion o region de una camara, una platina, un mandril u otra superficie.
Un colector puede mantenerse en potencial de tierra o, en diversas realizaciones no limitantes, a un potencial positivo alto de tal manera que atraiga las partlculas negativamente cargadas producidas por el ensamblaje de atomizacion. El sistema ilustrado en la Figura 1, es decir, que comprende un ensamblaje de fundicion, un ensamblaje de atomizacion, un ensamblaje de produccion de campo y un colector, puede configurarse y hacerse funcionar para formar por pulverizado en solido un lingote u otra preforma solida en una superficie del colector, que en tal caso puede ser, por ejemplo, una platina o un mandril. En diversas realizaciones no limitantes, un sistema o aparato configurados para formar por pulverizado en solido un lingote u otra preforma solida pueden comprender un colector que comprende una platina o un mandril, que pueden adaptarse a rotar o de otra manera trasladarse para formar adecuadamente un artlculo solido de la geometrla deseada.
En diversas realizaciones no limitantes, la sobre-pulverizacion de partlculas de aleacion solidas se reduce o se elimina cargando adecuadamente un colector. La atomizacion de una corriente fundida y/o partlculas fundidas usando un haz de electrones produce partlculas que estan cargadas negativamente debido al exceso de electrones dentro de las partlculas atomizadas. Cambiando sustitutivamente un colector a una polaridad positiva, el colector atraera las partlculas y por lo tanto reducira significativamente o eliminara el sobre-pulverizado. El sobre-pulverizado es un inconveniente problematico de la formacion de pulverizado convencional que puede dar como resultado rendimientos de proceso significativamente comprometidos.
La Figura 6 ilustra esquematicamente diversos elementos de una realizacion no limitante de un aparato 600 configurado para formar por pulverizado solido una preforma solida. Un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 610 produce partlculas de aleacion fundidas cargadas negativamente 612. Un campo electrostatico 614 se produce entre el ensamblaje de atomizacion 610 y un colector 616. El ensamblaje de atomizacion 610 recibe al menos uno de una corriente y una serie de gotitas de aleacion fundida desde un ensamblaje de fundicion (no mostrado). Las partlculas de aleacion fundida cargadas interactuan con el campo electrostatico 614, que acelera las partlculas de aleacion 612 hacia el colector 616. Las partlculas de aleacion fundida 612 se solidifican para formar
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partlcuias de aleacion solida mientras viajan desde el ensamblaje de atomizacion 610 hacia el colector 616. Las partlculas de aleacion solida impactan en el colector 616 y forman una preforma solida 618 en una superficie del colector 616. La influencia del campo en la velocidad y/o la direccion de las partlculas de aleacion fundida 612 y, a su vez, las partlculas de aleacion solidificada, pueden usarse para reducir o eliminar el sobre-pulverizado de la preforma 618, potenciando de esta manera el rendimiento de los procesos de formacion por pulverizado solido y posiblemente tambien aumentando la densidad de la preforma 618 con respecto a una densidad posible sin el uso de un ensamblaje de produccion de campo.
La Figura 7 ilustra esquematicamente diversos elementos de una realizacion no limitante de un aparato 700 configurado para realizar un proceso de formacion de pulverizado solido. El ensamblaje de fundicion 710 suministra al menos uno de una corriente y una serie de gotitas de aleacion fundida a un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 712, que produce un pulverizado de partlculas de aleacion fundidas cargadas negativamente 714. Un campo electrostatico y/o electromagnetico 716 se produce por un ensamblaje de produccion de campo entre el ensamblaje de atomizacion 712 y un colector de forma adecuada 718. El campo 716 interactua con las partlculas de aleacion fundidas cargadas 714 para acelerar las partlculas 714 hacia el colector 718. Las partlculas de aleacion fundidas 714 solidifican y forman partlculas de aleacion solidas 715 mientras viajan desde el ensamblaje de atomizacion 712 al colector 718. Las partlculas de aleacion 714/715 pueden acelerarse en un grado mayor si el colector 718 se mantiene en un potencial positivo alto. La fuerza de aceleracion y el control direccional ejercidos por el campo 716 en las partlculas cargadas 714/715 puede usarse para potenciar la densidad de la preforma solida 720 y tambien puede utilizarse para producir una preforma de forma casi neta 720. El colector 718 puede ser estacionario o puede adaptarse a rotar o de otra manera trasladarse adecuadamente. Las partlculas de aleacion solidas 715 impactan en el colector 718 y la preforma en desarrollo 720, se deforma tras el impacto, y se une metalurgicamente para formar la preformar solida 720.
Como se muestra en la Figura 7A, una realizacion alternativa no limitante de un aparato 700 incluye un ensamblaje productor de plasma no equilibrado configurado para producir plasma no equilibrado 722 en el camino de las partlculas fundidas 714 entre dos electrodos disipadores de calor 724. Los electrodos 724 comunican termicamente con una masa termica externa 726 a modo de llquido dielectrico que circula a traves del conducto 728 bajo la influencia de las bombas 730. El acoplamiento termico entre los electrodos disipadores de calor 724 y la masa termica externa 726 a modo del fluido dielectrico permite que el calor se retire de las partlculas fundidas 714 y se comunique a la masa termica 726. El plasma no equilibrado 722 entre los disipadores de calor 724 puede producirse, por ejemplo, por medio de una descarga luminiscente AC o una descarga de corona. El plasma no equilibrado 722 transfiere el calor desde las partlculas fundidas 714 hacia los dos electrodos disipadores de calor 724, que transfieren el calor a la masa termica externa 726. La retirada de calor de las partlculas de aleacion fundidas 714 permite que las partlculas solidifiquen y formen partlculas de aleacion solidas 715.
Los sistemas de transferencia de calor y los dispositivos que producen plasma no equilibrado para transferir el calor a o desde las partlculas de aleacion fundida atomizadas se describen en el documento US-6.772.961. Los sistemas de transferencia de calor y los dispositivos que producen plasma no equilibrado para transferir el calor a o desde los materiales de aleacion tambien se describen en la Patente de EE.UU. n.° 7.114.584.
La Figura 8 ilustra esquematicamente diversos elementos de una realizacion no limitante de un aparato 800 configurado para realizar un proceso de formacion por pulverizado en solido. El ensamblaje de fundicion 810 proporciona al menos uno de un flujo y una serie de gotitas de una aleacion fundida a un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 812. El ensamblaje de fundicion 810 opcionalmente puede mantenerse en un potencial negativo alto, tal como por el suministro de potencia 822 opcional, de tal forma que se “pre-cargue” negativamente el material fundido antes de que pase al ensamblaje de atomizacion 812, reduciendo de esta manera la cantidad de carga negativa que el ensamblaje de atomizacion 812 debe transmitir al material fundido para atomizar el material. Esta caracterlstica de “pre-carga” tambien puede usarse con las otras realizaciones descritas en el presente documento para reducir la cantidad de carga negativa que debe anadirse al material fundido para atomizar el material en el ensamblaje de atomizacion.
El ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 812 produce un pulverizador de partlculas de aleacion fundida cargadas 814. Un campo electromagnetico 816 se produce por una bobina magnetica 818 (mostrada en seccion). Las partlculas de aleacion fundida cargadas 814 interactuan con el campo 816 y se dirigen de esta manera hacia un colector 820. Las partlculas de aleacion fundidas 814 solidifican y forman partlculas de aleacion solidas 815 mientras viajan desde el ensamblaje de atomizacion 812 hacia el colector 820. El control direccional de las partlculas de aleacion 814/815 ejercidas por el campo 816 pueden reducir el sobre-pulverizado, de esta manera potenciando el rendimiento del proceso de formacion por pulverizado en solido, y tambien puede potenciar la densidad de la preforma 822. Las partlculas de aleacion solida 815 impactan en el colector 820 y la preforma en desarrollo 822, se deforma tras el impacto, y se une metalurgicamente para formar la preforma solida 822.
Como se muestra en la Figura 8A, el plasma no equilibrado 842 puede producirse opcionalmente en el camino de las partlculas de aleacion 814/815 entre dos electrodos disipadores de calor 844, que se conectan termicamente a una masa termica externa 846 por un llquido dielectrico que se hace circular a traves de los conductos 848 por bombas 850. La comunicacion termica mantenida entre los electrodos disipadores de calor 844 y la masa termica
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externa 846 permite que el calor se retire de o se anada a las partlcuias de aleacion 814/815. El plasma no equilibrado 842 entre los disipadores de calor 844 puede producirse, por ejemplo, mediante una descarga luminiscente AC o una descarga de corona.
El plasma no equilibrado 842 puede extenderse desde los electrodos disipadores de calor 844 a la preforma solida 822 y el colector 820, proporcionando la retirada de calor de o la adicion de calor a la preforma 822 y el colector 820. En consecuencia, en el aparato 800, el calor puede transferirse desde las partlculas de aleacion fundida 814, las partlculas de aleacion solida 815, la preforma solida 822 y el colector 820 por el plasma no equilibrado 842 a los electrodos disipadores de calor 844 y despues a la masa termica externa 846. La retirada de calor de las partlculas de aleacion fundidas 814 permite que las partlculas solidifiquen y formen las partlculas de aleacion solidas 815.
La Figura 9 ilustra esquematicamente diversos elementos de una realizacion no limitante de un aparato 900 configurado para realizar un proceso de formation por pulverizado en solido. El ensamblaje de fundicion 910 proporciona al menos uno de una corriente y una serie de gotitas de una aleacion fundida a un ensamblaje de atomization de electrones 912. El ensamblaje de atomization 912 produce partlculas de aleacion fundidas cargadas 914. El campo electromagnetico 916 producido por una bobina magnetica 918 (mostrada en section) interactua con las partlculas de aleacion fundidas cargadas 914 para esparcir las partlculas 914 y reducir la probabilidad de su colision, inhibiendo de esta manera la formacion de partlculas fundidas mas grandes y, en consecuencia, partlculas de aleacion solidas mas grandes 942. Un segundo campo electromagnetico 940 producido por una bobina magnetica 943 (mostrada en seccion) interactua con y dirige las partlculas solidificadas 942 hacia un colector 944. Una preforma solida 946 se forma en el colector 944 y hacia la preforma 946, en la que las partlculas de aleacion solidas 942 se deforman tras el impacto y se unen metalurgicamente para formar la preforma solida 946.
Como se muestra en la Figura 9A, una realizacion no limitante de un aparato 900 puede configurarse de tal manera que se crea plasma no equilibrado 922 en el camino de las partlculas fundidas 914, entre dos electrodos disipadores de calor 924 que comunican termicamente con una masa termica externa 926 por un fluido dielectrico que circula a traves del conducto 928 por medio de las bombas 930. La disposition de los electrodos disipadores de calor 924 que comunican termicamente con la masa termica externa 926permite que el calor se retire de las partlculas de aleacion fundida 914 para solidificar las partlculas de aleacion fundida y formar las partlculas de aleacion solida 942.
En diversas realizaciones no limitantes, un aparato o sistema configurado para realizar un proceso de formacion por pulverizado en solido puede incluir una camara o similar que guarde o contenga todo o una portion del ensamblaje de fundicion, el ensamblaje de atomizacion, el ensamblaje de production de campo, el ensamblaje de production de plasma, el colector y/o la pieza de trabajo (por ejemplo, la preforma). Si, por ejemplo, se incorpora un dispositivo de transferencia de calor que emplea plasma no equilibrado en un aparato o sistema, todo o una porcion del dispositivo de transferencia de calor y sus electrodos asociados, as! como el plasma no equilibrado, tambien pueden abarcarse dentro de la camara. Una camara tal puede proporcionarse para permitir regular la atmosfera dentro de la camara, incluyendo las especies y las presiones parciales de los gases presentes y/o la presion global del gas dentro de la camara.
Por ejemplo, la camara puede evacuarse para proporcionar un vaclo (como se usa en el presente documento, “vaclo” se refiere a vaclo completo o parcial) y/o puede estar completa o parcialmente llenado con un gas inerte (por ejemplo, argon y/o nitrogeno) para limitar la oxidation de los materiales que se procesan y/o para inhibir otras reacciones qulmicas indeseadas, tales como nitridacion. En una realizacion no limitante de un aparato que incorpora una camara, la presion dentro de la camara puede mantenerse a menos de presion atmosferica, tal como por ejemplo de 0,013 a 0,000013 kPa (0,1 a 0,0001 torr) o cualquier intervalo subsumido en el mismo, tal como, por ejemplo de 0,0013 a 0,00013 kPa (0,01 a 0,001 torr).
Las partlculas de aleacion fundidas producidas impactando electrones sobre el material fundido, como se describe en la presente memoria descriptiva, generalmente estan cargados negativamente de forma alta. Diversas realizaciones no limitantes descritas en el presente documento tambien incluyen dispositivos para pre-cargar material fundido con una carga negativa, antes de impactar electrones sobre y atomizando el material fundido. Puede existir una tendencia para las partlculas/el material cargados negativamente a acelerar hacia estructuras cercanas mantenidas a potencial de tierra. Tales estructuras pueden incluir paredes de camara y otros componentes de aparatos adyacentes al camino del material fundido de viaje aguas abajo del ensamblaje de fundicion. En diversas realizaciones no limitantes, el ensamblaje de atomizacion del aparato incluye placas u otras estructuras con forma adecuada mantenidas a potencial negativo y dispuestas de tal manera que desvlen las partlculas/el material cargados negativamente e inhiban la aceleracion indeseada de las partlculas/el material hacia las paredes de la camara y/u otras estructuras mantenidas a potencial de tierra.
Diversas realizaciones no limitantes de un aparato o sistema configurados para realizar un proceso de formacion de pulverizado en solido pueden incluir un ensamblaje de fundicion sustancialmente libre de ceramica en regiones que contactarlan, y por lo tanto podrlan contaminar, la aleacion fundida producida por el ensamblaje de fundicion durante el funcionamiento del aparato. Cada aparato tal puede incluir tambien un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones para atomizar el material fundido y producir partlculas de aleacion fundidas. Cada aparato tal puede incluir tambien un ensamblaje para producir campo, que produce uno o mas campos electromagneticos y/o
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electrostaticos entre el ensamblaje de atomizacion y un colector e influye en al menos uno de la aceleracion, la velocidad y la direccion de las particulas conforme pasan toda o una porcion de la distancia entre el ensamblaje de atomizacion y el colector.
Diversas realizaciones no limitantes de un aparato o sistema configurados para realizar un proceso de formation de pulverizado en solido pueden incluir uno o mas ensamblajes de production de plasma no equilibrado que producen plasma no equilibrado para transferir calor a o desde las particulas fundidas y/o solidas despues de que se produzcan por un ensamblaje de atomizacion, pero antes de que las particulas solidas impacten en un colector/pieza de trabajo en desarrollo para formar una preforma solida. Alternativamente, o ademas, las realizaciones no limitantes de un aparato configurado para realizar un proceso de formacion de pulverizado en solido puede producir uno o mas plasmas no equilibrado para transferir calor a o desde el material de aleacion solido despues de que impacte en un colector y pueda aplicarse a una preforma en desarrollo o en el colector.
Las Figuras 10-13 ilustran esquematicamente diversas realizaciones no limitantes de ensamblajes de fundicion que pueden incluirse como un componente de un aparato o sistema configurado para realizar un proceso de formacion de pulverizado en solido. Cada realization de ensamblaje de fundicion puede usarse para producir al menos uno de una corriente y una serie de gotitas de aleacion fundida a partir de un electrodo consumible u otro suministro de aleacion. Cada realizacion de ensamblaje de fundicion tal puede construirse de tal manera que carezca de ceramica en regiones del ensamblaje que estarian en contacto con la aleacion fundida producida en el ensamblaje.
La Figura 10 ilustra el uso de un dispositivo de refundicion de electrodo doble al vacio como un componente de un ensamblaje de fundicion que produce aleacion fundida que se suministra a un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones. La tecnica de refundicion de electrodo doble al vacio, o “VADER” (por sus siglas en ingles), se describe, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. n.° 4.261.412. En un aparato VADER, el material fundido se produce golpeando un arco en un vacio entre dos electrodos consumibles, que se funden. Una ventaja de la tecnica VADER sobre la refundicion de arco de vacio (VAR) convencional es que la tecnica VADER permite un control mas ajustado de la temperatura y la velocidad de fundicion.
Con referencia a la Figura 10, la pared de la camara de vacio 1010 rodea a los electrodos consumibles opuestos 1014 y un ensamblaje de atomizacion 1016. La corriente electrica pasa entre y a traves de los electrodos opuestos 1014, fundiendo los electrodos para producir gotitas 1018 (o alternativamente, una corriente) de aleacion fundida. Las gotitas de aleacion fundidas 1018 caen desde los electrodos 1014 hacia el ensamblaje de atomizacion 1016. Alternativamente, una piscina fundida en comunicacion fluida con una guia de induction fria o un dispositivo de dispensation similar (no mostrado) puede posicionarse entre los electrodos 1014 y el ensamblaje de atomizacion 1016. Las particulas de aleacion fundida atomizadas producidas por el ensamblaje de atomizacion 1016 pasan a traves de y se influyen por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos producidos por un ensamblaje de produccion de campo (no mostrado), se unen metalurgicamente y forman una preforma solida.
La Figura 11 ilustra el uso de un dispositivo de fuson por haz de electrones como un componente de un ensamblaje de fundicion que produce aleacion fundida que se suministra a un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones. En la fuson por haz de electrones, un suministro de materia prima se funde impactando electrones de alta energia sobre el suministro de materia prima. La contamination del producto fundido puede reducirse o eliminarse fundiendo en un vacio controlado. La eficiencia energetica de la fuson por haz de electrones puede exceder aquella de los procesos que compiten debido al control disponible del tiempo de permanencia de mancha del haz de electrones y la distribucion a las areas a fundirse. Ademas, las perdidas de potencia del haz de electrones dentro de la pistola y entre la boquilla de la pistola y el material diana son relativamente pequenas.
Como se analiza anteriormente, los dispositivos de fundicion descritos en el presente documento, incluyendo el dispositivo de fundicion mostrado en la Figura 11, por ejemplo, pueden configurarse para mantenerse a un potencial negativo alto y por lo tanto impartir una carga negativa al material fundido antes de que pase aguas abajo al ensamblaje de atomizacion del aparato. Como un ejemplo, el dispositivo de fundicion mostrado en la Figura 11 puede configurarse para incluir una camara de fundicion que es electricamente conductora y se mantiene a un potencial negativo alto y que el material fundido contacte antes de pasar al ensamblaje de atomizacion.
Con referencia a la Figura 11, la camara de vacio 1110 rodea las fuentes de haces de electrones del dispositivo de fundicion 1112, el electrodo consumible 1114 que se esta fundiendo, un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1116 y un colector (no mostrado). Los haces de electrones impactan en el electrodo 1114, calientan y funden el electrodo para producir gotitas 1118 (o alternativamente, una corriente) de aleacion fundida. Las gotitas 1118 caen desde el electrodo 1114 al ensamblaje de atomizacion 1116. Las particulas de aleacion fundida atomizadas producidas por el ensamblaje 1116 pasan a traves de y estan influidas por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos producidos por un ensamblaje de produccion de campo (no mostrado), se solidifican, impactan sobre un colector o una pieza de trabajo en desarrollo (no mostrada), se unen metalurgicamente y forman una preforma solida.
La Figura 12 ilustra el uso de un dispositivo de fusion en crisol frio de haz de electrones como un componente de un ensamblaje de fundicion que produce aleacion fundida que se suministra a un ensamblaje de atomizacion de haz de
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electrones. En una tecnica tlpica de fusion en crisol frlo de haz de electrones, una primera pistola de haz de electrones funde la carga, que puede tener diversas formas (por ejemplo, lingote, esponja o raspadura). El material fundido fluye hacia un crisol enfriado en agua superficial (la chimenea frla), donde una o mas pistolas de electrones mantienen la temperatura del material fundido. Una funcion principal de la chimenea frla es separar inclusiones mas ligeras o mas pesadas que el material llquido, mientras que al mismo tiempo aumenta el tiempo de residencia de las partlculas de densidad menor que tienen un punto de fusion alto para asegurar su disolucion completa. Todas las funciones pueden llevarse a cabo en un ambiente al vaclo par asegurar el funcionamiento apropiado de las pistolas de electrones y para evitar la contaminacion de la aleacion por el ambiente ambiental. Una ventaja de la tecnica de fusion en crisol frlo de haz de electrones es que puede eliminar eficazmente elementos volatiles, tales como cloruro e hidrogeno (debido en parte al vaclo opcional) e inclusiones en el fundido. La tecnica tambien es flexible con respecto a la forma de los materiales de suministro.
Con referencia a la Figura 12, la camara de vaclo 1210 rodea las fuentes de haces de electrones 1212 y una chimenea frla de cobre enfriada 1216 del ensamblaje de fundicion, el electrodo consumible 1214 que se esta fundiendo, un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1218 y un colector (no mostrado). El material fundido 1220, en forma de una corriente y/o una serie de gotitas, cae desde la chimenea frla de cobre enfriada 1216 hacia el ensamblaje de atomizacion 1218. Las partlculas de aleacion fundidas atomizadas producidas por el ensamblaje de atomizacion 1218 pasan a traves de y estan influidas por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos producidos por un ensamblaje de production de campo (no mostrado), se solidifican, impactan sobre un colector o una pieza de trabajo en desarrollo (no mostrada), se unen metalurgicamente y forman una preforma solida.
La Figura 13 ilustra el uso de un ensamblaje de fundicion que comprende una combination de un dispositivo de refinado/refundido de electroescoria (ESR) y una gula de induction en frlo (CIG, por sus siglas en ingles) para producir aleacion fundida que se suministra a un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones. Alternativamente, puede usarse un dispositivo de fundicion que combina refundido de arco de vaclo (VAR) y una CIG en lugar de una combinacion ESR/CIG. Los dispositivos que combinan dispositivos ESR o VAR y una CIG se describen, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. n.° 5.325.906.
En una tecnica tlpica de ESR, se hace pasar corriente electrica a traves de un electrodo consumible y una escoria electricamente conductora se pone en contacto con el electrodo. Las gotitas fundidas a partir del electrodo pasan a traves de y se refinan por la escoria conductora y pueden pasar despues a un aparato aguas abajo. Los componentes basicos de un aparato ESR incluyen un suministro de potencia, un mecanismo de suministro de electrodo, un recipiente de refinado de cobre enfriado en agua y la escoria. El tipo de escoria especlfico usado dependera del material particular a refinarse. El proceso VAR implica la fundicion de un electrodo consumible compuesto por la aleacion golpeando un arco con el electrodo en un vaclo. Ademas de reducir el nitrogeno y el hidrogeno disueltos, el proceso VAR retira muchas inclusiones de oxido en el plasma de arco.
En las combinaciones ESR/CIG y VAR/CIG, la CIG, que tambien se denomina diversamente un “dedo frlo” o una “gula de induccion de pared frla”, puede mantener el material fundido en forma fundida conforme el material pasa desde el aparato VAR o ESR aguas abajo al ensamblaje de atomizacion. La CIG tambien protege el material fundido de contactar con la atmosfera. La CIG puede acoplarse directamente aguas arriba al aparato ESR o VAR y aguas abajo al ensamblaje de atomizacion para proteger el material fundido refinado de la atmosfera, previniendo que se formen oxidos y que contaminen el fundido. Una CIG tambien puede usarse para controlar el flujo de material fundido desde un aparato ESR o VAR a un ensamblaje de atomizacion aguas abajo.
La construction y la manera de funcionamiento del dispositivo CIG se describe, por ejemplo, en las Pat. de EE.UU. n.° 5.272.718; 5.310.165; 5.348.566; y 5.769.151. Una CIG incluye generalmente un recipiente de fundido para recibir material fundido. El recipiente de fundido incluye una pared inferior que contiene una apretura. Una region de transferencia de la CIG se configura para incluir un pasaje (que puede ser, por ejemplo, generalmente con forma de embudo) construido para recibir material fundido de la abertura en el recipiente de fundido. En un diseno convencional de una CIG, la pared del pasaje con forma de embudo se define por un numero de segmentos metalicos enfriados con fluido y los segmentos enfriados con fluido definen un contorno interno del pasaje que puede disminuir generalmente en el area en section transversal desde un extremo de la entrada a un extremo de salida de la region. Una o mas bobinas electricamente conductoras se asocian a la pared del pasaje con forma de embudo, y una fuente de corriente electrica esta en conexion electrica selectiva con las bobinas conductoras. Durante el tiempo en que el material fundido esta fluyendo desde el recipiente de fundido de la CIG a traves del pasaje de la CIG, la corriente electrica se pasa a traves de las bobinas conductoras a una intensidad suficiente para calentar inductivamente el material fundido y mantenerlo en forma fundida.
Una portion del material fundido contacta con la pared enfriada del pasaje con forma de embudo de la CIG y puede solidificar para formar un craneo que alsla el resto del material fundido que fluye a traves de la CIG de contactar la pared. El enfriamiento de la pared y la formation del craneo aseguran que el material fundido que pasa a traves de la CIG no se contamina por los metales u otros constituyentes de los que estan formadas las paredes de la CIG. Como se desvela, por ejemplo, en la Pat. de EE.UU. n.° 5.649.992, el grosor de la pared en una region de la porcion con forma de embudo de la CIG puede controlarse ajustando apropiadamente la temperatura del enfriante, la velocidad de flujo del enfriante y/o la intensidad de corriente en las bobinas de induccion para controlar o cortar
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totalmente el flujo del fundido a traves de la CIG; conforme el grosor del craneo aumenta, el flujo a traves de la region de transferencia se reduce correspondientemente. Aunque puede proporcionarse un aparato de CIG en diversas formas, cada forma incluye normalmente: (1) un pasaje que utiliza gravedad para guiar un fundido; (2) medio de enfriamiento en al menos una region de la pared para promover la formation del craneo en la pared; y (3) bobinas electricamente conductoras asociadas a al menos una portion del pasaje, para calentar inductivamente el material fundido dentro del pasaje.
Con referencia a la Figura 13, la camara de vaclo 1310 rodea un ensamblaje de fundicion de ESR/CIG, un ensamblaje de atomization de haz de electrones 1312 y un colector (no mostrado). La fuente de fundicion de ESR/CIG incluye un electrodo consumible 1314 de la aleacion deseada y un crisol de cobre enfriado en agua 1316. Una escoria fundida calentada 1318 actua para fundir el electrodo 1314 para formar una piscina de aleacion fundida 1320. La aleacion fundida de la piscina fundida 1320 fluye a traves de la boquilla de CIG 1324, en forma de una corriente fundida y/o una serie de gotitas 1322 y pasas a traves del ensamblaje de atomizacion 1312. Las partlculas de aleacion fundida atomizadas producidas por el ensamblaje de atomizacion 1312 pasan a traves de y estan influidas por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos producidos por un ensamblaje de production de campo (no mostrado), se solidifican, impactan sobre un colector o una pieza de trabajo en desarrollo (no mostrada), se unen metalurgicamente y forman una preforma solida.
Alternativamente las tecnicas para fundir suministro de materia prima en un ensamblaje de fundicion de un aparato o sistema configurado para preformar un proceso de formacion de pulverizado solido incluyen, pero no se limitan a, fundicion por induction, fundicion de arco de plasma y similares. Por ejemplo, en la fundicion de induction, un conductor electrico primario enrollado puede rodear una barra de material de suministro metalico. Haciendo pasar corriente electrica a traves del conductor primario se induce una corriente electrica secundaria dentro de la barra a traves de induccion electromagnetica. La corriente secundaria calienta la barra a una temperatura mayor que su temperatura de fusion.
Las Figuras 14-17 ilustran diversas realizaciones no limitantes de sistemas y aparatos configurados para realizar un proceso de formacion de pulverizado solido.
La Figura 14 ilustra esquematicamente partlculas de aleacion atomizadas y solidificadas que se impactan y se unen metalurgicamente sobre una pieza de trabajo en desarrollo para formar una preforma solida. Una camara de vaclo 1410 aloja un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1412. Una serie de gotitas de aleacion fundida 1414 producidas por un ensamblaje de fundicion (no mostrado), que pueden ser, por ejemplo, uno de los diversos ensamblajes de fundicion analizados anteriormente, pasa a traves del ensamblaje de atomizacion 1412. El ensamblaje de atomizacion 1412 produce partlculas de aleacion atomizadas 1416, que pasan a traves, interactuan con y estan influenciadas por el campo o campos electromagneticos y/o electrostaticos 1413 producidos por la bobina electromagnetica 1417 (mostrada seccionada) de un ensamblaje de produccion de campo. La bobina 1417 se posiciona para producir el campo o campos en la region 1418 aguas abajo del ensamblaje de atomizacion 1412. Las partlculas de aleacion atomizadas 1416 solidifican mientras viajan desde el ensamblaje de atomizacion 1412, impactan y se unen metalurgicamente a la pieza de trabajo en desarrollo para formar una preforma solida.
La Figura 15 ilustra esquematicamente la produccion de un lingote formado por pulverizado en solido a partir de una aleacion atomizada fundida y solidificada producida por atomizacion de haz de electrones. La camara de vaclo 1510 aloja un ensamblaje de fundicion (no mostrado) y un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1512. El ensamblaje de fundicion puede ser, por ejemplo, uno de los diversos ensamblajes de fundicion analizados anteriormente. Las gotitas de aleacion fundida 1514 producidas por el ensamblaje de fundicion (no mostrado) pasan hacia el ensamblaje de atomizacion 1512. Las gotitas de aleacion fundida 1514 se atomizan dentro del ensamblaje de atomizacion 1512 para formar un pulverizado de partlculas de aleacion atomizadas 1516.
Las partlculas de aleacion atomizadas 1516 pasan a traves, interactuan con y estan influenciadas por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos (no indicados) producidos por las placas 1518 de un ensamblaje que produce campos. Las placas 1518 se conectan a una fuente de potencia (no mostrada) mediante cables 1520 que pasan a traves de las paredes de la camara 1510. Las partlculas de aleacion atomizadas 1516 se solidifican y se hacen impactar sobre una placa colectora rotativa 1524 bajo la influencia del campo o campos producidos por el ensamblaje que produce campos produciendo un ensamblaje para formar una preforma solida 1525. La placa colectora rotativa 1524 puede extraerse hacia abajo a una velocidad que mantenga la interfaz de deposition a una distancia sustancialmente constante desde el ensamblaje de atomizacion. Para potenciar el rendimiento y mejorar la densidad de deposicion, la placa colectora 1524 puede cargarse a un potencial positivo alto conectando la placa 1524 a un suministro de potencia (no mostrado) mediante cables 1526 que pasan a traves de la pared de la camara 1510.
La figura 16 ilustra esquematicamente una realization de un aparato o sistema configurados para realizar un proceso de formacion de pulverizado en solido en el que las partlculas de aleacion fundida atomizadas se solidifican y se hacen impactar en un colector/una pieza de trabajo en una primera camara del aparato. La camara de vaclo 1610 abarca un ensamblaje de fundicion (no mostrado) y un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1612. El ensamblaje de fundicion puede ser, por ejemplo, uno de los diversos ensamblajes de fundicion analizados
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anteriormente. Una serie de gotitas de aleacion fundida 1614 producidas por el ensamblaje de fundicion (no mostrado) pasan hacia el ensamblaje de atomizacion 1612. Las gotitas de aleacion fundida 1614 se atomizan dentro del ensamblaje de atomizacion 1612 para formar partlculas de aleacion 1616. Las partlculas de aleacion 1616 pasan a traves de, interaccionan con y estan influenciadas por uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos 1618 producidos por una bobina electromagnetica 1620 (mostrada seccionada) de un ensamblaje que produce campo. Las partlculas atomizadas 1616 solidifican y se dirigen hacia un colector en forma de un recipiente 1621 bajo la influencia del campo 1618.
Las partlculas de aleacion solida impactan en una pieza de trabajo 1625 que se esta formando en el recipiente 1621, se deforman y se unen metalurgicamente a la pieza de trabajo 1625 para formar una preforma solida. Cuando se forma la preforma solida, puede transferirse a una camara 1626, que puede sellarse mediante cierre al vaclo 1628. El recipiente 1621 y la preforma pueden liberarse a la atmosfera a traves de un segundo cierre al vaclo 1630 para el procesamiento termomecanico de acuerdo con tecnicas conocidas. Opcionalmente, el aparto de la Figura 16 puede incluir un dispositivo de transferencia de calor, tal como se describe generalmente de forma anterior, se configura para retirar el calor de las partlculas de aleacion fundidas atomizadas para formar partlculas de aleacion solidas. Ademas, opcionalmente, el recipiente 1621 puede conectarse electricamente a un suministro de potencia 1624 mediante el cable 1622 y se mantiene en un potencial positivo mientras las partlculas solidas cargadas negativamente 1616 estan impactando en el recipiente 1621. El cable 1622 puede desconectarse remotamente del recipiente 1621 antes de que el recipiente se mueva hacia la camara 1626.
La Figura 17 ilustra esquematicamente una realizacion no limitante de un aparato o un sistema 1700 configurado para realizar un proceso de formation de pulverizado en solido. En la Figura 17 un artlculo formado por pulverizado solido se produce en un molde pulverizando partlculas de aleacion solidas producidas solidificando partlculas de aleacion molidas proporcionadas por atomizacion de haz de electrones. La camara de vaclo 1710 abarca elementos incluyendo un ensamblaje de fundicion (no mostrado) y un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones 1712. El ensamblaje de fundicion puede ser, por ejemplo, uno de los diversos ensamblajes de fundicion analizados anteriormente. Una serie de gotitas de aleacion fundidas 1714 producidas por el ensamblaje de fundicion pasan hacia el ensamblaje de atomizacion 1712. Las gotitas de aleacion fundida 1714 se atomizan dentro del ensamblaje de atomizacion 1712 para formar un pulverizador de partlculas de aleacion atomizada 1716. Las partlculas de aleacion atomizadas 1716 pasan a traves de, interactuan con y estan influenciados por el uno o mas campos electromagneticos y/o electrostaticos 1718 producidos por la bobina electricamente energizada 1720 (mostrada seccionada) de un ensamblaje que produce campos. El material atomizado 1716 se solidifica y se dirige hacia el molde 1724 bajo la influencia del campo 1718 producido por el ensamblaje que produce campo, y el artlculo resultante formado por pulverizado solido 1730 se extrae del molde 1724 por movimiento hacia debajo de la base del molde (no mostrado). Opcionalmente, la base del molde puede configurase para rotar o de otra manera trasladarse.
En una realizacion alternativa no limitante del aparato 1700 mostrado en la Figura 17A, se proporcionan suministros de potencia 1732 y crean una diferencia de potencial de tal manera que se forme un plasma no equilibrado entre los electrodos 1734. El calor se conduce por el plasma desde las partlculas de aleacion solidificadas y/o la superficie del artlculo solido 1730 a los electrodos 1734, que se enfrlan con un llquido dielectrico que circula a traves de intercambiadores de calor 1736 y los electrodos 1734.
La Figura ilustra una realizacion no limitante de un proceso de formacion de pulverizado solido que puede realizarse usando los sistemas y aparatos descritos en el presente documento. Un suministro de aleacion 1801 se funde en una etapa de fundicion 1805 para producir al menos una de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida. La etapa de fundicion 1805 puede incluir multiples sub-etapas sucesivas de fundicion, refinado y re-fundicion. Por ejemplo, el suministro de aleacion puede comprender raspadura, esponja, fuentes recicladas y/o vlrgenes de metal basico y elementos de aleacion, segun sea aplicable, que se funden para formar un fundido inicial. El fundido inicial puede producirse usando VAR, fundicion de arco de plasma, fuson por haz de electrones o cualquier otra tecnica de fundicion adecuada.
La qulmica de fundicion inicial puede analizarse y modificarse segun sea necesario para lograr una qulmica predeterminada. Una vez que se logra la qulmica de fundicion aceptable, el fundido puede moldearse en un electrodo consumible para funciones de refinado y/o refundido adicionales o se usan para producir al menos una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida. En diversas realizaciones, el suministro de aleacion puede comprender un electrodo consumible u otro artlculo consumible de qulmica de aleacion aceptable que se funde para producir al menos uno de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida.
Como se indica anteriormente, como se usa en el presente documento, el termino “aleacion” se refiere tanto a metales puros como a aleaciones e incluye, por ejemplo, hierro, cobalto, nlquel, aluminio, titanio, niobio, circonio y aleaciones basadas en cualquiera de estos metales, tales como aceros inoxidables, aluminuros de titanio, aleaciones de titanio-nlquel y similares los ejemplos no limitantes de superaleaciones basadas en nlquel que pueden procesarse de acuerdo con realizaciones descritas en el presente documento incluyen, pero no se limitan a, aleacion IN 100 (UNS 13100), aleacion Rene 88™, Aleacion 720, Aleacion 718 (UNS N07718), y aleacion 718Plus™ (UNS N07818) (disponible de ATI Allvac, Monroe, Carolina del Norte, EE.UU.). Los ejemplos no limitantes de aleaciones
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de titanio que pueden procesarse de acuerdo con realizaciones descritas en el presente documento incluyen, pero no se limitan a, aleacion Ti-6Al-4V, aleacion T-17, aleacion Ti-5-5-5-3, aleacion Ti-Ni y aleaciones Ti-Al.
Al menos uno de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida se atomiza en la etapa 1810 usando atomizacion de haz de electrones. Durante la etapa 1810, los electrones producidos a partir de una fuente de electrones, tales como, por ejemplo, un emisor de haz de electrones termo-ionico y/o un emisor de electrones de plasma ionico de descarga de alambre, se impactan en la al menos una de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida. Los electrones que impactan cargan electrostaticamente de forma rapida la corriente de aleacion fundida y/o la serie de gotitas de aleacion fundida hasta que las fuerzas de repulsion electrostaticas exceden la tension superficial de la corriente de la aleacion fundida y rompen flsicamente la corriente y/o las gotitas de en partlculas de aleacion fundida mas pequenas, de esta manera atomizando la aleacion fundida. Los electrones que impactan tambien producen partlculas atomizadas cargadas electricamente de aleacion fundida. El tamano y la carga de las partlculas de aleacion fundida puede controlarse, por ejemplo, controlando el tamano, la forma y la densidad del campo de electrones que impactan en la aleacion fundida.
Las partlculas atomizadas y electricamente cargadas de aleacion fundida se aceleran en la etapa 1815 a traves de la interaccion con al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico. En diversas realizaciones, un campo electrostatico establecido entre un ensamblaje de atomizacion y un colector interactua con las partlculas de aleacion atomizadas y electricamente cargadas para acelerar las partlculas lejos del ensamblaje de atomizacion y hacia un colector. La magnitud de la aceleracion puede controlarse, por ejemplo, controlando la magnitud de una diferencia de voltaje entre un ensamblaje de atomizacion y un colector, que afecta directamente a la intensidad del campo electrostatico.
Las partlculas de aleacion fundidas aceleradas se solidifican en la etapa 1820 enfriando las partlculas de aleacion fundidas a una temperatura no mayor que la temperatura solidus de la aleacion. Como se usa en el presente documento, la frase “temperatura solidus” se refiere a la temperatura maxima de una aleacion en la que la aleacion esta en un estado completamente solido. Por el contrario, la “temperatura liquidus” de una aleacion es la temperatura maxima en la que los cristales de solido de la aleacion coexisten en equilibrio termodinamico con la aleacion llquida. A temperaturas por encima de la temperatura liquidus, una aleacion es completamente llquida y a temperaturas iguales a o por debajo de la temperatura solidus, una aleacion es completamente 'solida. A temperaturas mayores de la temperatura solidus y hasta e incluyendo la temperatura liquidus, una aleacion existe en un estado bifasico.
El enfriamiento de las partlculas de aleacion aceleradas a una temperatura no mayor de la temperatura solidus de la aleacion asegura que la aleacion cambia desde el estado fundido al estado solido antes de ponerse en contacto con un colector. Por ejemplo, la Aleacion 718, una superaleacion a base de nlquel, tiene una temperatura liquidus de aproximadamente 1358 °C y una temperatura solidus de aproximadamente 1214 °C. Vease Wei-Di Cao, "Solidification and solid state phase transformation of Allvac® 718Plus™ alloy," Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 2005. Por lo tanto, en realizaciones no limitantes en las que la Aleacion 718 se forma por pulverizado en solido, las partlculas de Aleacion 718 fundidas aceleradas pueden enfriarse a una temperatura no mayor de 1214 °C para solidificar las partlculas antes de ponerse en contacto con un colector.
En diversas realizaciones, las partlculas de aleacion fundidas se enfrlan a una temperatura no mayor que la temperatura solidus (Ts) de la aleacion y mas de 0,50 veces la temperatura solidus (0,50*Ts). Enfriar las partlculas de aleacion fundidas a una temperatura en el intervalo de 0,50*Ts a Ts puede asegurar que las partlculas se solidifican sustancialmente pero se mantienen suficientemente blandas para deformarse tras el impacto con un sustrato y unirse metalurgicamente en el estado solido (es decir, soldadura en estado solido) para formar una preforma solida unitaria y monolltica. Por ejemplo, la resistencia ultima, la resistencia de rendimiento del 2 % y la dureza de la Aleacion 718 disminuye (es decir la aleacion se reblandece) a una velocidad mayor a temperaturas por encima de aproximadamente 600 °C, que es aproximadamente 0,50 veces la temperatura solidus de la aleacion.
En diversas realizaciones, las partlculas de aleacion fundidas aceleradas se enfrlan a una temperatura en el intervalo de 0,50*Ts a Ts, o cualquier intervalo subsumido en el mismo, tal como, por ejemplo, 0,50*Ts a 0,99*Ts, 0,50*Ts a 0,95*Ts, 0,60*Ts a 0,95*Ts, 0,70*Ts a 0,95*Ts, 0,80*Ts a 0,95*Ts o 0,90*Ts a 0,99*Ts,
En diversas realizaciones, la distancia entre un ensamblaje de atomizacion y un colector, a traves del que se aceleran las partlculas fundidas, se predetermina de tal manera que las partlculas de aleacion fundidas pierdan suficiente energla calorlfica a traves de la conduccion, la convencion y/o la radiacion para solidificar las partlculas antes de contactar con un colector. En diversas realizaciones, se produce un plasma no equilibrado en la ruta de las partlculas de aleacion fundidas aceleradas para transferir activamente la energla de calor desde las partlculas fundidas para solidificar las partlculas antes de contactar con un colector.
En diversas realizaciones, las partlculas de aleacion fundidas aceleradas viajan a traves de una zona de control termico en una zona de control termico en un aparato o sistema configurado para realizar un proceso de formacion por pulverizado en solido. Una zona de control termico puede comprender dispositivos de transferencia de calor para retirar activamente el calor de las partlculas de aleacion o aumentar la velocidad de perdida de calor a modo de
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conduccion, convencion y/o radiacion al ambiente circundante en la zona de control termico. Por ejemplo, una zona de control termico puede comprender dispositivos como bobinas de enfriamiento para mantener una temperatura sub-ambiental en la zona de control termico, que establece un diferencial de temperatura mayor entre las partlculas de aleacion fundidas y el ambiente circundante. Un diferencial de temperatura mayor puede correlacionarse con una mayor velocidad de perdida de calor de las partlculas de aleacion fundidas, que permite la solidificacion mas eficaz y/o eficiente antes de contactar con el colector.
Las partlculas de aleacion solidas se hacen impactar sobre un sustrato en la etapa 1825 para formar por pulverizado solido una preforma de aleacion 1830. En diversas realizaciones, el sustrato puede comprender un colector tal como, por ejemplo, una platina, un cilindro, un mandril, un recipiente, una camara, un molde u otra superficie. En diversas realizaciones, el sustrato puede comprender una pieza de trabajo o preforma en desarrollo que se formo a partir de partlculas de aleacion solidas que impactaron sobre una superficie del colector inicial. De esta manera, las partlculas de aleacion solidas que impactan desarrollan adicionalmente la pieza de trabajo y forman la preforma.
En diversas realizaciones, las partlculas de aleacion solidas impactan en un sustrato despues de enfriarse a una temperatura no mayor de la temperatura solidus de la aleacion, tal como por ejemplo, una temperatura en el intervalo de 0,50*TS a TS, o cualquier intervalo subsumido en el mismo. Impactar partlculas de aleacion solidas que tienen una temperatura no mayor de la temperatura solidus de la aleacion, por ejemplo una temperatura en el intervalo de 0,50*Ts a Ts, puede asegurar que las partlculas se solidifican sustancialmente pero son suficientemente blandas para deformarse tras el impacto con un sustrato y unirse metalurgicamente en el estado solido (es decir, soldadura en estado solido) para formar una preforma solida unitaria y monolltica.
En diversas realizaciones, el colector inicial puede comprender un artlculo solido formado a partir del mismo o una aleacion similar como la aleacion que forma las partlculas atomizadas y solidas. Esto puede asegurar que las partlculas de aleacion solidas son metalurgicamente compatibles con el colector inicial de tal manera que las partlculas de aleacion solidas se unan metalurgicamente (es decir, soldadura en estado solido) al sustrato, y entre si, para formar una preforma unitaria y monolltica. En diversas realizaciones, el material que forma el colector inicial puede retirarse de una preforma de aleacion formada por pulverizado en estado solido cortando, moliendo o similares.
Las Figuras 19A-19F ilustran colectivamente una realization no limitante de un proceso de formation de pulverizado solido y un sistema 1900. Con referencia a la Figura 19A, un aparato de fundicion de aleacion 1910 produce una serie de gotitas 1915 de aleacion fundida, sin embargo, se entiende que el aparato de fundicion de aleacion 1910 puede producir una corriente de aleacion fundida y/o una serie de gotitas de aleacion fundida. Un aparato de atomization 1920 produce un campo de electrones 1925 que intersecta el camino de las gotitas de aleacion fundidas 1915 que viajan a traves del sistema de formacion de pulverizado solido 1900 desde el aparato de fundicion 1910 hacia un sustrato 1930.
Con referencia a la Figura 19B, los electrones que comprenden el campo de electrones 1925 impactan en las gotitas de aleacion fundidas 1915 y cargan electrostaticamente de forma rapida las gotitas 1915 mas alla del llmite de Rayleigh y las gotitas se atomizan en partlculas de aleacion fundida mas pequenas 1935. Las partlculas de aleacion fundidas atomizadas 1935 tienen una carga negativa electrica neta debido a los electrones que impactan. Las partlculas de aleacion fundidas atomizadas 1935 pueden formarse mediante un efecto de cascada en el que las gotitas de aleacion fundidas 1915 se rompen en partlculas mas pequenas, las partlculas mas pequenas se recargan a potencial negativo impactando electrones y rompiendolas en partlculas aun mas pequenas y el proceso se repite durante el tiempo en que los electrones se anaden a las partlculas atomizadas sucesivamente mas pequenas. Alternativamente, o ademas, las partlculas de aleacion fundidas atomizadas 1935 puede quitarse secuencialmente de la superficie de las gotitas de aleacion 1915. Independientemente del mecanismo de atomizacion flsico, la gotita de aleacion fundida 1915 se expone al campo de electrones que chocan 1925 durante un tiempo suficiente de tal manera que se acumula suficiente carga negativa en y rompe la aleacion en partlculas de aleacion fundidas atomizadas 1935.
Con referencia a la Figura 19C, las partlculas de aleacion fundidas cargadas electricamente y atomizadas 1935 se aceleran con al menos un campo electrostatico y un campo electromagnetico 1940. El campo 1940 se configura para controlar la aceleracion, la velocidad y/o la direction de las partlculas de aleacion fundidas atomizadas y electricamente cargadas 1935 de tal manera que las partlculas viajan a traves del sistema formador de pulverizado solido 1900 desde el aparato de atomizacion 1920 hacia el sustrato 1930 de forma controlada.
Con referencia a la Figura 19D, las partlculas de aleacion fundidas cargadas electricamente y atomizadas 1935 se enfrlan a una temperatura no mayor de la temperatura solidus de la aleacion de tal manera que las partlculas de aleacion fundidas 1935 se solidifican mientras se aceleran y se forman partlculas de aleacion solidas 1945. Las partlculas de aleacion 1935/1945 se enfrlan y se solidifican antes de entran en contacto con el sustrato 1930. La Figura 19D muestra una zona de control termico que establece un diferencial de temperatura mayor entre las partlculas de aleacion fundida 1935 y el ambiente circundante. Un diferencial de temperatura mayor puede correlacionarse con una mayor velocidad de perdida de calor de las partlculas de aleacion fundidas 1935, que permite la solidificacion mas eficaz y/o eficiente en partlculas de aleacion solidas 1945 antes de contactar con el
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sustrato 1930.
Se entiende, sin embargo, que puede utilizarse un medio de enfriamiento diferente en una zona de control termico en el sistema de formacion de pulverizado solido 1900. Por ejemplo, un ensamblaje de produccion de plasma no equilibrado (no mostrado), como se describe en el presente documento, puede usarse para enfriar y solidificar las partlculas de aleacion fundidas 1935. En consecuencia, o ademas, la distancia (d) entre el aparato de atomizacion 1920 y el sustrato 1930 puede configurarse con tamanos de partlculas atomizados y aceleracion de partlculas controlada y para provocar la solidificacion sin calentamiento o enfriamiento variables en una zona de control termico.
Con referencia a la Figura 19E, las partlculas de aleacion solidas 1945 impactan sobre el sustrato 1930, que comprende un colector que tiene una polaridad electrica positiva como se describe en el presente documento. Las partlculas de aleacion solidas que impactan 1945 se deforman y se unen metalurgicamente al sustrato 1930 y producen una pieza de trabajo en desarrollo 1955. Con referencia a la Figura 19F, las partlculas de aleacion solidas 1945 continuan impactando sobre el sustrato 1930, que comprende la pieza de trabajo en desarrollo 1955, se deforman y se unen metalurgicamente al sustrato 1930 y entre si para formar una preforma de aleacion solida unitaria y monolltica.
Uno o mas de los diversos componentes del sistema formador de pulverizado en solido 1900 formado en las Figuras 19A-19F puede alojarse en un recipiente al vaclo o multiples recipientes al vaclo conectados funcionalmente. En diversas realizaciones no limitantes, puede establecerse una gran diferencia de voltaje entre un sustrato positivamente sesgado y un aparato de atomizacion negativamente sesgado, que puede facilitar la aceleracion de partlculas de aleacion fundida atomizadas y las partlculas de aleacion solida enfriadas. La magnitud de la diferencia de voltaje puede correlacionarse con la aceleracion resultante y la velocidad de impacto de las partlculas de aleacion.
En diversas realizaciones, la temperatura de las partlculas de aleacion solidas al impacto y a la velocidad de impacto de las partlculas de aleacion solidas son parametros de funcionamiento importantes que afectan al desarrollo de la pieza de trabajo/preforma. El control de estos parametros de funcionamiento puede lograrse controlando el tamano de partlcula atomizado, el voltaje de aceleracion electrostatica, la distancia de sustrato-aparato y/o el calentamiento o el enfriamiento variables en la zona de control termico entre el aparto de atomizacion y el sustrato.
Ademas, los aspectos del funcionamiento de fundicion de aleacion inicial pueden presentar diversas desventajas a un proceso de formacion de pulverizador solido global. Un funcionamiento de fundicion de aleacion inicial implica preparar una carga de materiales adecuados y despues fundir la carga. La carga fundida o “fundido” puede refinarse despues y/o tratarse para modificar la qulmica del fundido y/o retirar componentes indeseables del fundido. Los hornos de fundicion pueden potenciarse por medios que incluyen electricidad y la combustion de combustibles fosiles y la selection de un aparato adecuado esta altamente influida por los costes relativos y las regulaciones ambientales aplicables, as! como por la identidad del material a prepararse. Las clases generales de tecnicas de fundicion incluyen, por ejemplo, fundicion de induction (incluyendo fundicion de induction al vaclo), fundicion de arco (incluyendo fundicion de craneo de arco de vaclo), fundicion de crisol y fuson por haz de electrones.
Los fundidos producidos en hornos de llneas ceramicas pueden volverse contaminados con oxidos. Se han desarrollado diversas tecnicas de fundicion que emplean un ambiente al vaclo y no usan hornos de llneas ceramicas. Estas tecnicas resultan significativamente en menos contamination con oxido en el fundido con respecto a la formacion del fundido en un horno de llnea ceramica convencional. Los ejemplos de tales tecnicas incluyen, por ejemplo, fuson por haz de electrones (EB), refundido de arco al vaclo (VAR), refundido de doble electrodo al vaclo (VADER) y refinado/refundido de electroescoria (ESR). Las tecnicas VAR, VADER y ESR se describen, por ejemplo, en las Patentes de EE.UU. n.° 4.261.412; 5.325.906; y 5.348.566.
El fuson por haz de electrones implica utilizar pistolas de haces de electrones termo-ionicos para producir corrientes de electrones sustancialmente lineales de alta energla que se usan para calentar los materiales diana. Las pistolas de haces de electores termo-ionicos funcionan pasando corriente por un filamento, calentando de esta manera el filamento a alta temperatura e “hirviendo” electrones fuera del filamento. Los electrones producidos desde el filamento se centran y se aceleran hacia la diana en forma de un haz de electrones muy estrecho (casi bidimensional) sustancialmente lineal. Un tipo de pistola de haz de electrones de plasma ionico tambien se ha usado para preparar fundidos de aleaciones. Especlficamente, una pistola de haz de electrones de “descarga de luminiscencia” descrita en V.A. Chernov, "Powerful High-Voltage Glow Discharge Electron Gun and Power Unit on Its Base," 1994 Intern. Conf. on Electron Beam Melting (Reno, Nevada), pp. 259-267, se ha incorporado en ciertos hornos de fundicion disponibles de Antares, Kiev, Ucrania. Tales dispositivos funcionan produciendo un plasma frlo que incluye cationes que bombardean un catodo y producen electrones que se centran para formar un haz de electrones lineal sustancialmente bidimensional.
Los haces de electrones sustancialmente lineales producidos por los anteriores tipos de pistolas de haces de electrones pueden dirigirse a una camara de fundicion evacuada de un horno de fundicion de haces de electrones y se impactan sobre los materiales a fundirse y/o a mantenerse en un estado fundido. La conduction de los electrones
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a traves de los materiales electricamente conductores los calienta rapidamente a una temperatura en exceso de la temperatura de fundicion particular. Dada la energla de los haces de electrones sustancialmente lineales, que pueden ser, por ejemplo, de aproximadamente 100 kW/cm2, las pistolas de haces de electrones lineales son fuentes de calor de muy alta temperatura y son facilmente capaces de exceder la temperatura de fusion y, en algunos casos, las temperaturas de vaporizacion de los materiales en los que se impactan los haces sustancialmente lineales. Usando la desviacion magnetica o medios direccionales similares, los haces de electrones sustancialmente lineales pueden realizar barrido por tramas a alta frecuencia a traves de materiales diana dentro de una camara de fundicion, permitiendo que el haz se dirija a traves de una amplia area y a traves de dianas que tengan formas multiples y complejas.
Puede usarse una tecnica de fusion en crisol frlo de haz de electrones en los procesos de formation de pulverizado solido, los sistemas y los aparatos descritos en el presente documento. Puede fundirse por goteo una materia prima de suministro impactando un haz de electrones sustancialmente lineal en un extremo de una barra de materia prima de suministro. La materia prima de suministro fundida se funde en una region final de una chimenea de cobre enfriada con agua, formando un craneo protector. Conforme el material fundido se recoge en la chimenea, sobrefluye y cae por gravedad hacia un ensamblaje de atomization. Durante el tiempo de permanencia del material de aleacion fundido dentro de la chimenea, pueden barrerse por tramas rapidamente haces de electrones sustancialmente lineales a traves de la superficie del material, reteniendolo en una forma fundida. Esto tambien tiene los efectos de desgasificar y refinar el material de aleacion fundida a traves de la evaporation de componentes de presion de alto vapor. La chimenea tambien puede darse un tamano para promover la separation de gravedad entre las inclusiones solidas de alta densidad y de baja densidad, en cuyo caso el oxido y otras inclusiones de baja densidad se mantienen en el metal fundido durante un tiempo suficiente para permitir la disolucion, mientras que las partlculas de alta densidad se van al fondo y se quedan atrapadas en el craneo.
Las tecnicas de fundicion que son adecuadas para su uso en los procesos, sistemas y aparatos formadores de pulverizado solido descritos en el presente documento tambien incluyen tecnicas de fusion en crisol frlo de haz de electrones que incorporan emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga. Estas tecnicas se describen, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. N.° 7.803.211 y en las Publicaciones de Patentes de EE.UU. N.° 2008/0237200 y 2010/0012629.
Como se usa en el presente documento, la frase “emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga” se refiere a un aparato que produce un campo de electrones relativamente amplio tridimensional impactando iones cargados positivamente sobre un catodo y por lo tanto liberando electrones del catodo. El haz de electrones producido por un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga no es un haz bidimensional, sino que en su lugar es un campo tridimensional o “inundation” de electrones que, cuando impactan sobre la diana, cubren una region superficial bidimensional en la diana que es muy grande con respecto al pequeno punto cubierto impactando un haz de electrones sustancialmente lineal sobre la diana. Como tal, el campo de electrones producido por el emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga se denomina en el presente documento un campo de electrones de “area amplia”, con referencia al punto te contacto relativamente mucho menor producido por las pistolas de electrones convencionales usadas en los hornos de fundicion de haces de electrones. Los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga se han usado para aplicaciones no relacionadas y se denominan diversamente, por ejemplo, pistolas o emisores de “electrones de plasma ionico de alambre (WIP)”, pistolas o emisores de “electrones WlP” y, de alguna forma confusamente, como “emisores de haces de electrones lineales” (refiriendose a la naturaleza lineal del electrodo o electrodos de alambre que producen el plasma de naturaleza lineal en diversas realizaciones de los dispositivos).
Los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga estan disponibles en diversos disenos, pero todos los emisores tales comparten ciertos atributos de diseno fundamentales. Cada emisor tal incluye una region de plasma o ionization que incluye una fuente de iones positivos en forma de un anodo de alambre alargado para producir cationes que incluyen plasma, y un catodo que esta espaciado de y posicionado para interceptar iones positivos generados por el alambre. Se aplica un voltaje negativo grande al catodo, provocando una fraction de los iones positivos en el plasma generado por la fuente de iones positivos de alambre para acelerarse hacia y chocar contra la superficie del catodo de tal manera que se emiten electrones secundarios desde el catodo (estando presentes los electrones “primarios” dentro del plasma junto con los iones positivos). Los electrones secundarios producidos desde la superficie del catodo forman un campo de electrones que tiene normalmente la forma tridimensional del plasma de iones positivos que impactan contra el catodo. Los electrones secundarios se aceleran despues desde la vecindad del catodo de vuelta al anodo, experimentando unas pocas colisiones en el proceso de pasar a traves del gas a baja presion dentro del emisor.
Configurando apropiadamente los diversos componentes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, un amplio campo de electrones secundarios energeticos puede formarse en el catodo y acelerar desde el emisor hacia una diana. La Figura 20 es una representation simplificada de componentes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, en el que se aplica una corriente a un anodo de alambre fino 12 para generar plasma 14. Los iones positivos 16 con el plasma 14 aceleran hacia y colisionan contra el catodo cargado negativamente 18, que libera una nube de electrones secundarios de amplia area 20, que se acelera en la direction del anodo 12 por action del campo electrico entre los electrodos y hacia la diana.
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En diversas realizaciones no limitantes, un sistema o aparato configurado para realizar un proceso de formation de pulverizado solido puede comprender un ensamblaje de fusion para fundir una aleacion que incluye una camara de presion regulada (camara de fundicion) y una chimenea colocada en la camara de fundicion y configurada para mantener la aleacion fundida. Al menos un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga puede colocarse en o adyacente a la camara de fundicion y puede colocarse para dirigir un campo de electrones tridimensional de amplia area generado por el emisor hacia la camara. El emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga produce un campo de electrones tridimensional que tiene suficiente energla para calentar la aleacion electricamente conductora a su temperatura de fusion.
En diversas realizaciones no limitantes, se configura un ensamblaje de atomization para recibir al menos una de una corriente y una serie de gotitas de aleacion fundida desde la chimenea. El ensamblaje de fundicion puede usarse para fundir cualquier aleacion que pueda fundirse usando un horno de fuson por haz de electrones convencional, tal como, por ejemplo, aleaciones basadas en aluminio, tantalo, titanio, tungsteno, niobio, circonio, nlquel, hierro y cobalto. En diversas realizaciones no limitantes, un ensamblaje de fundicion se configura para fundir una carga que comprende materiales que producen la qulmica de superaleaciones a base de cobalto o aleaciones a base de nlquel. En diversas realizaciones distintas no limitantes, el ensamblaje de fundicion se configura para fundir un lingote de aleacion preformado u otra estructura, que puede haberse producido y procesado previamente por uno mas de VIM, VAR y ESR, por ejemplo.
Un ensamblaje de fundicion puede incluir uno o mas suministradores de material adaptados a introducir metales electricamente conductores u otros aditivos de aleacion en una camara de fundicion. Los tipos de suministradores pueden incluir, por ejemplo, suministradores en barra y suministradores en cable, y el tipo de suministrador dependera de los requerimientos de diseno particulares para un horno. Un suministrador de material y al menos un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga de un ensamblaje de fundicion pueden configurarse de tal manera que el campo de electrones emitido por el emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga impacte al menos parcialmente en el material introducido en la camara por el suministrador. Si el material que se introduce en la camara de fundicion por el suministrador es electricamente conductor, entonces el campo de electrones puede calentar y fundir el material.
Una chimenea incorporada en un ensamblaje de fundicion puede seleccionarse de los diversos tipos de chimeneas conocidas en la tecnica. Por ejemplo, un ensamblaje de fundicion puede ser de la naturaleza de un horno de fusion en crisol frlo de haz de electrones incorporando una chimenea frla o, mas especlficamente, por ejemplo, una chimenea frla de cobre enfriada en agua en la camara de fundicion. Como sabra un experto en la materia, una chimenea enfriada incluye medios de enfriamiento que provocan que el material fundido dentro de la chimenea se congele hacia la superficie de la chimenea y formen una capa protectora o craneo. Como otro ejemplo no limitante, una chimenea puede comprender una chimenea “autogena”, que es una chimenea que se chapa con o se fabrica a partir de la aleacion que se esta fundiendo en el horno, en cuyo caso la superficie inferior de la chimenea tambien puede enfriarse en agua para prevenir el quemado a traves
La chimenea particular incluida en una camara de fundicion puede incluir una region de alojamiento de material fundido, en la que el material fundido reside durante un cierto tiempo de permanencia antes de pasar hacia un dispositivo de atomizacion aguas abajo en comunicacion fluida con la camara de fundicion. Una chimenea y al menos un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga pueden posicionarse en un ensamblaje de fundicion de manera que el campo de electrones emitido por el emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga impacte en la region de alojamiento de material fundido. De esta manera, el campo de electrones puede aplicarse para mantener el material de aleacion dentro de la region de alojamiento de material fundido en un estado fundido.
En diversas realizaciones, un ensamblaje de fundicion incluye una camara de fundicion regulada por presion y una chimenea dispuesta en la camara de fundicion regulada por presion, en la que la chimenea incluye una region de alojamiento de material fundido. El ensamblaje de fundicion puede incluir ademas uno o mas emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga dispuestos en o adyacentes a la camara de fundicion regulada por presion. La chimenea y el al menos un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga se posicionan de tal manera que un campo de electrones producido por el emisor al menos parcialmente impacta contra la region de alojamiento de material fundido. Un ensamblaje de atomizacion en comunicacion fluida con la camara de fundicion regulada por presion puede posicionarse para recibir material fundido de la chimenea. Al menos un suministrador puede incluirse en el horno y puede configurarse para introducir material en la camara de fundicion regulada por presion en una position sobre al menos una region de la chimenea.
Cualquier dispositivo emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga puede usarse en sistemas y aparatos configurados para realizar un proceso de formacion de pulverizado solido. Las realizaciones adecuadas de emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga se describen, por ejemplo, en las Patentes de EE.UU. n.° 4.025.818; 4.642.522; 4.694.222; 4.755.722; y 4.786.844. Los emisores adecuados incluyen aquellos capaces de producir un campo de electrones tridimensional de amplia area que puede dirigirse hacia una camara de fundicion de un horno y que calentara materiales de suministro electricamente conductores colocados en la camara de fundicion de un horno a la temperatura deseada. Los emisores adecuados tambien incluyen aquellos capaces de
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producir un campo de electrones tridimensional de amplia area que puede dirigirse a una camara de atomizacion y un material de aleacion fundido atomizado como se analiza anteriormente.
En diversas realizaciones no limitantes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, el emisor incluye una region de plasma y una region de catodo. La region de plasma incluye al menos un anodo de alambre largo adaptado para producir un plasma que incluye iones positivos. La region del catodo incluye un catodo que se conecta electricamente con un suministro de potencia de alto voltaje adaptado para cargar negativamente el catodo. En el emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, el electrodo usado para producir el plasma puede ser un alambre o multiples alambres posicionados a lo largo de una longitud de la region del plasma. Al menos una porcion del catodo impactado por los iones positivos esta compuesto por un material adecuado para generar electrones. Diversas realizaciones no limitantes del catodo dispuesto en la region del catodo del emisor tambien pueden incluir un inserto, tal como, por ejemplo, un inserto de molibdeno, que tiene una temperatura de fusion alta y una funcion de bajo trabajo de tal manera que facilite la generacion de electrones. El catodo y el anodo se posicionan entre si de tal manera que los iones positivos en el plasma generados por el anodo alambre aceleren hacia e impacten contra el catodo bajo la influencia del campo electrico de electrones secundarios desde el catodo.
Diversas realizaciones no limitantes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga incluyen al menos una ventana transmisora de electrones adecuada, tal como una lamina delgada de titanio o de aluminio transmisora de electrones, que se abra a traves de una pared de una camara de fundicion y/o una camara de atomizacion. Las ventanas adecuadas transmisoras de electrones pueden incluir, por ejemplo, ventanas que comprenden nitruro de boro o materiales de carbono (por ejemplo, diamante). Las ventanas transmisoras de electrones pueden comprender ademas materiales que incluyen elementos de numero atomico bajo conocidos generalmente en la tecnica que son transmisores de electrones. Diversas realizaciones no limitantes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga no incluyen una ventana transmisora de electrones, en cuyo caso la region plasmatica del emisor comunica fluidamente con una camara de fundicion y/o una camara de atomizacion. En cualquier caso, un campo de electrones de amplia area entra en una camara de fundicion y/o una camara de atomizacion y puede impactarse sobre el material dentro de la camara o camaras. En diversas realizaciones no limitantes, un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga puede barrerse por tramas para aumentar el volumen del campo de electrones de amplia area producido por el emisor.
Si una ventana transmisora de electrones separa el interior de un emisor de electrones de una camara de fundicion o una camara de atomizacion, entonces el campo de electrones pasa a traves de la ventana conforme se proyecta desde el emisor de electrones hacia la camara. En diversas realizaciones no limitantes de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, un suministro de potencia de alto voltaje electricamente acoplado al catodo potencia al catodo hasta un voltaje negativo mayor que 20.000 voltios. El voltaje negativo sirve y funciona para acelerar los iones positivos en el plasma hacia el catodo y tambien repele el campo de electrones secundario desde el catodo y hacia el anodo.
Una ventana transmisora de electrones puede ser necesaria si la presion dentro del emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga difiere significativamente de la presion dentro de una camara de fundicion y/o una camara de atomizacion, en cuyo caso la ventana de lamina sirve para aislar las dos regiones adyacentes de presion diferente. Una ventaja de los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga con respecto a los emisores de electrones que no contienen gas, tales como las pistolas de haces de electrones termo-ionicos, es que los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga deben incluir gas dentro de la region de plasma para servir como la fuente de pasma. Aunque los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga puedan funcionar a presiones de gas muy bajas, tales dispositivos pueden funcionar a presiones de gas muy bajas, tales dispositivos pueden funcionar eficazmente a presiones de gas relativamente altas.
La Figura 21 ilustra esquematicamente una realizacion no limitante de un ensamblaje de fuson por haz de electrones. El ensamblaje de fundicion 2210 incluye una camara de fundicion 2214 al menos parcialmente definida por una pared de camara 2215. Los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga 2216 se colocan fuera y adyacentes a la camara 2214. Los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga2216 proyectan campos de electrones de amplia area 2218 hacia el interior de la camara 2214. Una barra de aleacion 2220 se introduce hacia la camara 2214 mediante un suministrador de barra 2219. La aleacion fundida 2226 se produce impactando el campo de electrones de amplia area 2218 de al menos un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga 2216 sobre la barra de aleacion 2220. La aleacion fundida 2226 fundida desde la barra de aleacion 2220 cae en una chimenea de cobre enfriada en agua 2224 y reside en la camara 2224 durante un tiempo de permanencia, donde se calienta, se desgasifica y se refina por uno o mas de los campos de electrones 2218 producidos por los emisores 2216. La aleacion fundida 2226 cae en ultima instancia desde la chimenea 2224 hacia el ensamblaje de atomizacion 2231 donde la aleacion fundida se atomiza en partlculas de aleacion 2232, que estan influidas por un ensamblaje de generacion de campo 2230, se solidifican e impactan sobre un colector 2233.
Como se analiza anteriormente, los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga 2216 del ensamblaje de fundicion 2210 se configuran para generar un campo o “inundacion” de electrones energeticos que cubren una amplia area con respecto al cubrimiento de manchas de un haz sustancialmente lineal producido por una
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pistola de haz de electrones termo-ionicos. Los emisores del campo de electrones 2216 dispersa los electrones en una amplia area e impactan sobre los materiales a fundirse y/o mantenerse en estado fundido dentro del ensamblaje de fundicion 2210. Igualmente, los emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga (no mostrados) pueden establecer un campo de electrones de amplia area en el ensamblaje de atomizacion 2231 que impacta sobre la aleacion fundida recibida desde el ensamblaje de fundicion 2210 y atomiza la aleacion fundida.
Como se indica anteriormente, diversas realizaciones de emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga incluyen generalmente uno o mas anodos de alambre alargado que producen plasma ionico positivo, en el que el plasma se impacta sobre un catodo para generar un campo de electrones secundarios que pueden acelerarse para impactar en una diana a calentarse. Una representacion esquematica de un diseno de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga se muestra en la Figura 22. El emisor 2310 incluye una region de ionizacion o de plasma 2314 en la que se produce un plasma ionico positivo, y una region de catodo 2316 que incluye un catodo 2318. La region de plasma 2314 se llena con un gas ionizable a baja presion y el gas se ioniza en la region de plasma para producir plasma que contiene cationes. Por ejemplo, la region de ionizacion 2314 puede cargarse con gas helio a, por ejemplo, aproximadamente 2,66 Pa (20 mTorr).
Un anodo de alambre alargado de pequeno diametro 2319 pasa a traves de una longitud de la camara de plasma 2314. Se aplica un voltaje positivo a un anodo de alambre 2319 mediante el suministro de potencia 2322 y esto inicia la ionizacion del gas helio en el plasma que comprende cationes helio y electrones libres (los electrones “primarios”). Una vez que la ionizacion del gas helio se ha iniciado, el plasma se sostiene aplicando un voltaje al anodo de alambre delgado 2319. Los iones helio cargados positivamente dentro del plasma se extraen de la camara de ionizacion 2314 a traves de una rejilla de extraccion 2326 mantenidos a un potencial electrico negativo alto y acelerados a traves de un hueco de alto voltaje hacia la region de catodo 2316, donde los cationes en el plasma impactan al catodo de alto voltaje negativo 2318.
El catodo 2318 puede ser, por ejemplo, un metal o una aleacion recubiertos o no recubiertos. El impacto de los iones helio sobre el catodo 2318 libera electrones secundarios del catodo 2318. El hueco de alto voltaje 2328 acelera los electrones secundarios hacia la direccion opuesta a la direccion del movimiento de los cationes helio, a traves de la rejilla de extraccion 2326 y hacia la camara de region de plasma 2314 y despues a traves de una ventana de lamina metalica delgada 2329 hecha de material relativamente transparente a electrones. Como se indica anteriormente, dependiendo de las presiones de gas relativas dentro del emisor de electrones y la camara de fundicion y/o la camara de atomizacion, puede ser posible omitir la ventana de lamina 2329, en cuyo caso los electrones producidos por el emisor entrarlan directamente a la camara. El campo de electrones energeticos tridimensional de amplia area que sale del emisor 2310 puede dirigirse a impactar sobre una ventana de lamina posicionada opuesta diana 2329 y dentro de una camara de fundicion o una camara de atomizacion.
Uno o mas emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga, tales como por ejemplo, el emisor 2310, pueden proporcionarse para suministrar el campo de electrones hacia una camara de fundicion de un horno de fuson por haz de electrones y/o en una camara de atomizacion de un ensamblaje de atomizacion de haz de electrones. Como se muestra en la Figura 6, una realizacion no limitante de un aparato de fuson por haz de electrones incluye uno o mas emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga 2310 posicionados adyacentes a una camara de fundicion 2330. Un campo de electrones de area amplia 2332 existe el emisor 2310 a traves de una ventana de pellcula 2329 e inunda al menos una region de la superficie de una aleacion fundida 2334 en una chimenea 2336, calentando de esta manera la aleacion para mantenerla en un estado fundido.
La ventana de pellcula 2329 puede omitirse si la presion diferencial de funcionamiento entre el emisor 2310 y la camara de fundicion 2330 no es significativa. La camara de fundicion 2330 puede hacerse funcionar a una presion mayor que lo convencional para reducir adicionalmente o eliminar indeseablemente la vaporizacion de elementos y en tal caso la necesidad de una ventana de pellcula que particione el emisor de electrones desde la camara de fundicion que dependera, de nuevo, de la presion diferencial particular usada en la configuracion. Opcionalmente, los componentes 2340 para controlar electrostatica y/o electromagneticamente el campo de electrones de amplia area se proporcionan para permitir un control adicional mejorado del proceso de fundicion dentro de la camara de fundicion 2330.
Aunque la Figura 6 proporciona una vista simplificada de una realizacion de un horno de fundicion de electrones de plasma ionico de alambre de descarga que incluye un emisor de electrones unico, pueden emplearse multiples emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga en diversas realizaciones no limitantes. Uno o mas emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga pueden incorporares en un aparato tal para: (1) fundir los materiales sin tratar introducidos en la camara de fundicion, en forma de, por ejemplo, un lingote, una losa, una barra, un alambre u otra carga; y (2) mantener la aleacion fundida residente en la chimenea del horno a una temperatura por encima de la temperatura de fundicion de la aleacion (y posiblemente desgasificar y/o refinar la aleacion fundida). Ademas, en diversas realizaciones no limitantes, uno o mas emisores de electrones de plasma ionico de alambre de descarga pueden usarse junto con una o mas pistolas de haces de electrones produciendo haces de electrones lineales sustancialmente bidimensionales.
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Las Figuras 24 y 25 proporcionan detalles adicionales de una realizacion no limitante de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga que puede configurarse para su uso como la fuente de electrones energeticos en una realizacion de un aparato de fuson por haz de electrones de acuerdo con la presente divulgacion. La Figura 24 es una vista en perspectiva, parcialmente en seccion, de una realizacion de un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga. La Figura 25 es un diagrama esquematico que ilustra el funcionamiento del emisor 2510 en la Figura 24. El emisor 2510 incluye un recinto con conexion a tierra 2513, que incluye una region de catodo 2511, una region de ionizacion o plasma 2514 y una ventana de lamina transmisora de electrones 2515. Un electrodo de alambre largo 2516 se extiende a traves de una longitud de la region de ionizacion 2514. La ventana de lamina 2515 esta acoplada electricamente a la camara 2513 y forma un anodo que funciona acelerando los electrones dentro de la camara 2513, que sale de la camara 2513 en direccion general de las flechas “A”. La camara 2513 se llena con gas helio a baja presion, tal como 1-10 mTorr y se suministra con el gas mediante un suministro 2517. El suministro de gas 2517 se conecta al recinto 2513 mediante un conducto 2519 que pasa a traves de una valvula 2521. La regulacion de presion en la camara 2513 se controla mediante una bomba 2523 que esta conectada a la camara 2513 mediante el conducto 2519.
La region del catodo 2511 incluye un catodo 2518 que a su vez incluye un inserto 2520 montado sobre una superficie menor del mismo. El inserto 2520 puede comprender, por ejemplo, molibdeno, pero puede comprender cualquier material con un coeficiente de emision de electrones secundario alto adecuado. El catodo 2518 se espacia uniformemente de forma adecuada de las paredes del recinto 2513 para prevenir la ruptura de Paschen. El catodo 2518 se acopla a un suministro de potencia de alto voltaje 2522 mediante un cable 2525 que pasa a traves del aislador 2526 y hacia el resistor 2528. El suministro de potencia 2522 suministra alto potencial negativo, por ejemplo, 200-300 kV al catodo 2518. El catodo 2518 y el inserto 2520 pueden enfriarse adecuadamente, de tal manera que, por ejemplo se circule un fluido de enfriamiento a traves de los conductos 2524.
La region de ionizacion 2514 incluye una pluralidad de costillas metalicas 2530 que se acoplan tanto electrica como mecanicamente. Cada costilla 2530 incluye una region central de corte para permitir que un electrodo de alambre 2516 pase a traves de la camara de ionizacion 2514. Los lados de las costillas 2530 de cara al catodo 2518 forman una rejilla de extraccion 2534. El lado opuesto para todo o una porcion de las costillas 2530 proporciona una rejilla soportada 2536 para una ventana de lamina transmisora de electrones 2515. Los canales de enfriamiento 2540 pueden proporcionarse para circular un fluido de enfriamiento a traves de y en la vecindad de las costillas 2530 para permitir la retirada de calor de la region 2514.
La ventana de lamina transmisora de electrones 2515, que puede comprender, por ejemplo, lamina de aluminio o titanio, se soporta en la rejilla 2534 y se sella al recinto 2513 mediante un toro u otra estructura suficiente para mantener el ambiente de gas helio de alto vaclo dentro del recinto 2513. Un dispositivo de control electrico 2548 se conecta al electrodo de alambre 2516 a traves de un conector 2549. En la activacion del dispositivo de control 2548, el electrodo de alambre 2516 se energiza a un potencial positivo alto y el helio dentro de la region de ionizacion 2514 se ioniza para producir cationes helio que incluyen plasma. Una vez que el plasma ha iniciado en la region de ionizacion 2514, el catodo 2518 se energiza mediante el suministro de potencia 2522. Los cationes helio en la region de ionizacion 2514 se atraen electricamente al catodo 2518 mediante el campo electrico que se extiende desde el catodo 2518 hacia la region el plasma 2514. Los cationes helio viajan a traves de las llneas de suministro, a traves de la rejilla de extraccion 2534 y hacia la region del catodo 2511.
En la region del catodo 2511, los cationes helio aceleran a traves del potencial completo del campo electrico generado mediante el catodo energizado 2518 y a la fuerza impactan sobre el catodo 2518 como un haz colmatado de cationes. Los electrones secundarios libres de cationes impactan desde el inserto 2520. El campo de electrones secundario producido por el inserto 2520 se acelera en una direccion opuesta a la direccion de viaje de los cationes helio, hacia el electrodo de alambre 2516 y a traves de la ventana de lamina 2515.
Se han proporcionado medios para monitorizar la presion de gas dentro de la camara 2513 ya que los cambios de presion pueden afectar a la densidad del plasma de iones helio y, a su vez, la densidad del campo de electrones secundario generado en el catodo 2518. Una presion inicial puede ajustarse dentro del enclave 2513 apropiadamente ajustando la valvula 2521. Una vez que el plasma que contiene cationes se inicia en la region de plasma 2514, un monitor de voltaje 2550 puede proporcionarse para monitorizar directamente la presion quiescente instantanea dentro de la camara 2513. Una elevacion en el voltaje es indicativa de una menor presion de camara. La senal de salida del monitor de voltaje 2550 se usa para controlar la valvula 2521 a traves de un controlador de valvula 2552. La corriente suministrada al electrodo de alambre 2516 por el dispositivo de control 2548 tambien se controla mediante la senal del monitor de voltaje 2550. Utilizar la senal generada por el monitor de voltaje 2550 para controlar la valvula de suministro de gas 2521 y para controlar el dispositivo 2548 permite una salida de campo de electrones estable desde el emisor 2510.
La corriente generada por el emisor 2510 puede determinarse por la densidad de los cationes que impactan en el catodo 2518. La densidad de cationes que impactan en el catodo 2518 puede controlarse ajustando el voltaje en el electrodo de alambre 2516 a traves del dispositivo de control 2548. La energla de los electrones emitidos desde el catodo 2518 puede controlarse ajustando el voltaje en el catodo 2518 a traves del suministro de potencia 2522. Tanmto la corriente como la energla de los electrones emitidos pueden controlarse independientemente y las
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relaciones entre estos parametros y los voltajes aplicados son lineales, haciendo el control del emisor 2510 tanto eficiente como eficaz.
La figura 26 es una ilustracion esquematica de un ensamblaje de fuson por haz de electrones que incorpora dos emisores de electrones de plasma de iones de descarga de alambre 2614 y 2616 que tienen un diseno como se muestra en las Figuras 24 y 25. El ensamblaje de fundicion 2610 incluye una camara de fundicion 2620, un suministrador de material 2622 y esta unido funcionalmente a un ensamblaje de atomizacion 2624. La corriente requerida para el funcionamiento de los emisores 2614 y 2616 se suministra a los emisores mediante llneas de suministro 2626 y la interfaz entre los emisores 2614 y 2616 y la camara de fundicion 2620 incluye ventanas de lamina de transmision de electrones 2634 y 2634, que permiten que los campos de electrones 2638 producidos por los emisores 2614 y 2616 entren en la camara de fundicion 2620. Los dispositivos de control electromagnetico 2639 para dirigir magneticamente los campos de electrones 2638 pueden incluirse dentro de la camara 2620 para proporcionar control de proceso adicional.
Una chimenea 2640, que puede ser, por ejemplo, una chimenea frla, se posiciona en la camara de fundicion 2620. En el funcionamiento, los emisores de electrones de plasma de iones de descarga de alambre 2614 y 2616 se energizan y producen los campos electronicos 2618. Un material de suministro de aleacion 2644 se introduce en la camara de fundicion 2620 mediante el suministrador 2622, se funde por el campo de electrones 2638 emitido desde el emisor 2614 y cae hacia la chimenea 2640. El campo de electrones de amplia area 2638 emitido por el emisor 2616 calienta, desgasifica y refina el material de aleacion fundida 2642 mientras reside en la chimenea 2640. El material de aleacion fundida 2642 avanza a lo largo de la chimenea 2624 y se forma en pulverizado en solido en una preforma solida. El ensamblaje atomizador 2624 puede comprender uno o mas emisores de haces de electrones termo-ionicos o uno o mas emisores de electrones de plasma de iones de descarga de alambre.
La presente solicitud se ha escrito con referencia a diversas realizaciones no limitantes y no exhaustivas. Sin embargo, se reconocera por personas expertas en la materia que pueden realizarse diversas sustituciones, modificaciones o combinaciones de cualquiera de las realizaciones descritas (o porciones de las mismas) dentro del alcance de esta memoria descriptiva. De esta manera, se contempla y se entiende que esta solicitud soporta realizaciones adicionales no expresamente expuestas en el presente documento. Tales realizaciones pueden obtenerse, por ejemplo, combinando, modificando o reorganizando cualquiera de las etapas desveladas, componentes, elementos, rasgos, aspectos, caracterlsticas, limitaciones y similares, de las diversas realizaciones no limitantes descritas en la presente memoria descriptiva. De esta manera, el solicitante se reserva el derecho a las reivindicaciones adjuntas durante el procesamiento para anadir rasgos como se han descrito diversamente en la presente memoria descriptiva.

Claims (19)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un proceso que comprende:
    producir al menos una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de aleacion fundida; producir partlculas electricamente cargadas de la aleacion fundida impactando electrones en al menos una de la corriente de aleacion fundida y la serie de gotitas de aleacion fundida para atomizar (1810) la aleacion fundida; acelerar (1815) las partlculas de aleacion fundida electricamente cargadas con al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico;
    enfriar (1820) las partlculas de aleacion fundidas a una temperatura que no es mayor que una temperatura solidus de la aleacion de tal manera que las partlculas de aleacion fundida solidifican al acelerar y se forman partlculas de aleacion solidas;
    impactar (1825) las partlculas de aleacion solidas sobre un sustrato, en el que las partlculas que impactan se deforman y se unen metalurgicamente al sustrato para producir una preforma de aleacion solida.
  2. 2. El proceso de la reivindicacion 1, en el que las partlculas de aleacion fundida se enfrlan a una temperatura que no es mayor que la temperatura solidus de la aleacion y que es mayor de 0,50 veces la temperatura solidus de la aleacion.
  3. 3. El proceso de la reivindicacion 1, en el que las partlculas de aleacion fundida se enfrlan a una temperatura que no es mayor de 0,95 veces la temperatura solidus de la aleacion y que es mayor de 0,50 veces la temperatura solidus de la aleacion.
  4. 4. El proceso de la reivindicacion 1, en el que enfriar las partlculas de aleacion fundida comprende poner en contacto las partlculas de aleacion fundida con un plasma no equilibrado.
  5. 5. El proceso de la reivindicacion 1, en el que enfriar las partlculas de aleacion fundida comprende dirigir las partlculas de aleacion a traves de una bobina de enfriamiento (1950).
  6. 6. El proceso de la reivindicacion 1, en el que producir al menos uno de una corriente de aleacion fundida y una serie de gotitas de una aleacion fundida comprende fundir un material de aleacion usando al menos uno de fusion por induccion al vaclo, refundido de arco al vaclo, refundido de doble electrodo al vaclo, refinado/refundido de electroescoria, fuson por haz de electrones y fusion en crisol frlo de haz de electrones.
  7. 7. El proceso de la reivindicacion 1, en el que el sustrato se mantiene a un potencial positivo para atraer las partlculas de aleacion cargadas electricamente producidas impactando electrones sobre la aleacion fundida.
  8. 8. El proceso de la reivindicacion 1, en el que el impacto de electrones comprende un campo de electrones tridimensional.
  9. 9. El proceso de la reivindicacion 8, en el que el campo de electrones tridimensional comprende una distribution espacial cillndrica a traves de la que se dirige un paso de flujo de la aleacion fundida.
  10. 10. El proceso de la reivindicacion 9, en el que un eje longitudinal de la distribucion espacial cillndrica de los electrones se orienta en la direction del paso de flujo de la aleacion fundida.
  11. 11. El proceso de la reivindicacion 8, en el que el campo de electrones tridimensional comprende una distribucion espacial rectangular a traves de la que se dirige un paso de flujo de la aleacion fundida.
  12. 12. El proceso de la reivindicacion 11, en el que en un haz de electrones que comprende una section transversal rectangular se realiza un barrido por tramas para proporcionar una distribucion espacial rectangular de los electrones.
  13. 13. El proceso de la reivindicacion 8, en el que los electrones se dirigen para formar una mancha difusa y en la mancha difusa se realiza un barrido por tramas para proporcionar una distribucion espacial tridimensional de los electrones que tiene una forma controlada.
  14. 14. El proceso de la reivindicacion 1, en el que los electrones que impactan los produce al menos uno de un emisor de haz de electrones termo-ionico y un emisor de electrones de plasma ionico de alambre de descarga.
  15. 15. El proceso de la reivindicacion 1, en el que los electrones que impactan se dirigen con al menos uno de un campo electrostatico y un campo electromagnetico para producir un campo de electrones tridimensional en un paso de flujo de la aleacion fundida.
  16. 16. El proceso de la reivindicacion 1, en el que el sustrato comprende una aleacion que es la misma aleacion que la que forma las partlculas de aleacion.
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  17. 17. El proceso de la reivindicacion 1, en el que la aleacion es una superaleacion a base de nlquel.
  18. 18. El proceso de la reivindicacion 1, en el que se induce una carga negativa en la aleacion fundida antes de impactar electrones en la aleacion fundida.
  19. 19. El proceso de la reivindicacion 1, que comprende: producir un campo de electrones tridimensional;
    impactar electrones desde el campo de electrones tridimensional en al menos una de la corriente de aleacion fundida y la serie de gotitas de aleacion fundida para atomizar la aleacion fundida y para producir partlculas cargadas electricamente de la aleacion fundida;
    y
    acelerar las partlculas de aleacion fundida electricamente cargadas con un campo electrostatico.
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