ES2862420T3 - Métodos y aparatos para la producción de material en polvo metálico - Google Patents

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Abstract

Un método para producir un material en polvo metálico, el método comprende: suministrar materias primas (240) a una solera de fusión (100, 220); fundir las materias primas en la solera de fusión con una fuente de calor (230), para producir así un material fundido (260); pasar al menos una porción del material fundido (260) desde la solera de fusión (100, 220) directa o indirectamente a una solera de atomización (270); calentar el material fundido (260) en la solera de atomización (270) con una segunda fuente de calor (300); pasar al menos una porción del material fundido (260) desde la solera de atomización (270) en estado fundido a través de una unidad de transferencia (320) hasta una boquilla atomizadora; y formar una pulverización de gotitas del material fundido (260) con la boquilla atomizadora, después de lo cual al menos una porción de la pulverización de gotitas se solidifica para proporcionar un material en polvo metálico que se recibe por un colector (400); y en donde la unidad de transferencia (320) está acoplada y se puede desconectar de la solera de atomización (270), la unidad de transferencia (320) comprende: una entrada (330) adyacente a la solera de atomización (270) y una salida (340) adyacente a la boquilla atomizadora; una región del recipiente de masa fundida (360) que recibe material fundido (260) de la solera de atomización (270), en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la entrada están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro de la región del recipiente de masa fundida; y un paso (370) que comprende paredes enfriadas por fluido que se comunican con la región del recipiente de masa fundida (360) y la boquilla atomizadora, en donde el material fundido (260) pasa desde la región del recipiente de masa fundida a la boquilla atomizadora a través del paso (370), y en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) están colocadas en la salida (340) y están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro del paso.

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos y aparatos para la producción de material en polvo metálico
Campo de tecnología
La presente invención se refiere a métodos y aparatos para producir un material en polvo metálico. En particular, los aspectos de la presente invención se refieren a métodos para producir un material en polvo metálico usando un aparato que incluye una solera de fusión adaptada para recibir material de alimentación y una solera de atomización dispuesta para recibir al menos una porción de material fundido de la solera de fusión. En la presente invención, el método incluye pasar al menos una porción de material fundido desde la solera de atomización en estado fundido a un aparato atomizador, que incluye una boquilla atomizadora de la invención. La presente invención también está dirigida a un material en polvo metálico y artículos producidos mediante los métodos y aparatos de la presente invención.
Descripción de los antecedentes de la tecnología
La atomización de gas y el prensado isostático en caliente (también denominado "HIPing") se utilizan convencionalmente para formar un artículo metálico a partir de material en polvo metálico. En estos procesos, se prepara una masa fundida que tiene la composición química deseada y la composición fundida se pasa a través de un aparato atomizador en el que chorros de gas dispersan la composición fundida en gotitas que se apagan. Las gotitas apagadas forman un polvo suelto. El material en polvo metálico se puede prensar isostáticamente en caliente para formar un artículo metálico.
Otro método convencional para producir un artículo metálico es la colada nucleada. La fundición nucleada utiliza la atomización de gas para producir una pulverización de gotitas semilíquidas que se depositan en un molde. Se ve comúnmente que una porción de la pulverización de gotitas, es decir, el exceso de pulverización, puede acumularse en la superficie superior del molde. De manera similar con respecto a la fundición nucleada, la formación por pulverización es una técnica convencional en la que se forma un artículo metálico a partir de una pulverización de gotitas semilíquidas, pero sin utilizar un molde.
En la fundición nucleada convencional, la formación por pulverización y la secuencia de atomización / HIP de gas, los materiales solidificados que se han fundido previamente a la composición química deseada se vuelven a fundir para presentar material fundido al aparato atomizador. En un ejemplo, el material solidificado que tiene la composición química deseada se trabaja termomecánicamente en un alambre y posteriormente se vuelve a fundir para atomización. En otro ejemplo, se utiliza un horno de inducción de pared fría para fundir y homogeneizar el material previamente solidificado antes del proceso de atomización. Cuando el material se solidifica antes de la refundición y atomización, el material puede contaminarse, como durante el trabajo termomecánico y la manipulación. Los contaminantes en el material sólido pueden ser arrastrados en la corriente de metal fundido presentada al aparato atomizador. La refundición del material solidificado para la atomización también puede limitar la capacidad de controlar los parámetros del proceso, como el recalentamiento del metal fundido y la velocidad de flujo, que puede ser necesario controlar para garantizar una atomización constante. Además, el uso de material solidificado para volver a fundir y atomizar puede aumentar los costos asociados con la fabricación del polvo metálico atomizado.
La memoria descriptiva de la patente EP 0427379 se refiere a un método para producir partículas de titanio adecuadas para aplicaciones de pulvimetalurgia.
La solicitud de patente de EE. UU. de la técnica anterior US 2007057416 se refiere a métodos y aparatos para transportar materiales fundidos y/o atomizar materiales fundidos utilizando los conjuntos de boquillas específicos. El documento de la técnica anterior US 5516081 se refiere a un aparato para producir un flujo de metal fundido que comprende una solera de refinación que tiene una pared enfriada por agua y un canal de flujo de entrada a través de la pared de la solera dispuesta tangencialmente a la pared de manera que se introduce un flujo de metal fundido en la solera a través del canal de flujo de entrada fluye tangencialmente a la pared de la solera.
El documento de la técnica anterior US 5366204 se refiere a un método para la atomización mejorada de metal fundido que tiene un punto de fusión por encima de 1000 °C. Esta atomización se lleva a cabo en un atomizador de acoplamiento cerrado. El documento de la técnica anterior US 2769151 se refiere a métodos para controlar el sobrecalentamiento de la corriente de metal fundido de un aparato de refinado de electroescoria, en donde estos métodos incluyen la introducción de metal sin refinar en un aparato de proceso de refinado de electroescoria en el que el metal no refinado se funde primero en la parte superior de la superficie de la escoria de refino.
El documento de la técnica anterior US 6358466 se refiere a un componente tubular de contención de fundido pulverizado térmicamente para la contención transitoria de metal fundido o aleación, en donde el miembro tubular incluye una capa interior de contacto de fundido pulverizada térmicamente para poner en contacto el metal fundido o la aleación a procesar, una capa generadora de calor por pulverización depositada sobre la capa interior, y una capa de aislamiento térmico exterior por pulverización térmica opcional.
El documento de la técnica anterior US 5272718 se refiere a un método y aparato para formar una corriente de material fundido, en donde el aparato incluye un recipiente de masa fundida que tiene una pared inferior en la que se forma una abertura.
Resumen
La presente invención está dirigida a métodos y aparatos que abordan ciertas limitaciones de los enfoques convencionales para producir un material en polvo metálico. Un aspecto de la presente invención se refiere a un método para producir un material en polvo metálico, el método comprende: suministrar materias primas a una solera de fusión; fundir las materias primas en la solera de fusión con una primera fuente de calor, para producir así un material fundido que tiene la composición deseada; pasar al menos una porción del material fundido a una solera de atomización; calentar el material fundido en la solera de atomización con una segunda fuente de calor; pasar al menos una porción del material fundido desde la solera de atomización en estado fundido directa o indirectamente a un aparato atomizador; y formar una pulverización de gotitas del material fundido con el aparato atomizador. Al menos una porción de la pulverización de gotitas se solidifica para proporcionar un material en polvo metálico. En el método de la presente invención, al menos una porción del material fundido pasa continuamente al aparato atomizador. En el método de la presente invención, el material fundido pasa de la solera de fusión a la solera a través de al menos una solera adicional. En la presente invención, el método para producir un material en polvo metálico se caracteriza en la reivindicación 1 independiente, mientras que un aparato para producir un polvo metálico de la presente invención se caracteriza en la reivindicación 12 independiente.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un aparato para producir un material en polvo metálico. El aparato comprende: una solera de fusión adaptada para recibir materias primas; una primera fuente de calor adaptada para fundir las materias primas en la solera de fusión y producir un material fundido que tiene la composición deseada; una solera de atomización dispuesta para recibir directa o indirectamente al menos una porción del material fundido de la solera de fusión; una segunda fuente de calor adaptada para calentar material fundido en la solera de atomización; un aparato atomizador adaptado para formar una pulverización de gotitas del material fundido; una unidad de transferencia acoplada a la solera de atomización y al aparato atomizador; y un colector adaptado para recibir la pulverización de gotitas del aparato atomizador. La unidad de transferencia está adaptada para hacer pasar material fundido desde la solera de atomización al aparato atomizador en estado fundido.
Breve descripción de los dibujos
Las características y ventajas de los métodos y artículos de aleación descritos en la presente descripción pueden entenderse mejor con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 es un diagrama de flujo de una modalidad no limitativa de un método para producir un material en polvo metálico según la presente invención;
La Figura 2 es una vista lateral esquemática en sección transversal que ilustra una modalidad de un aparato para producir un material en polvo metálico según la presente invención;
La Figura 3 es una vista en planta esquemática del aparato de la Figura 1;
La Figura 4 es una vista en planta esquemática de otra modalidad de un aparato para producir un material en polvo metálico según la presente invención;
La Figura 5 es una vista lateral en sección transversal parcial ampliada del aparato de la Figura 1; y
La Figura 6 es una vista lateral esquemática en sección transversal que ilustra otra modalidad de un aparato para producir un material en polvo metálico según la presente invención.
Debe entenderse que la divulgación no se limita en su aplicación a las modalidades ilustradas en los dibujos descritos anteriormente. El lector apreciará los detalles anteriores, así como otros, al considerar la siguiente descripción detallada de ciertas modalidades de métodos y aparatos de acuerdo con la presente invención. El lector también puede comprender algunos de dichos detalles adicionales al usar los métodos y aparatos descritos en la presente descripción.
Descripción detallada de determinadas modalidades no limitantes
En la presente descripción de modalidades y en las reivindicaciones, excepto en los ejemplos operativos o donde se indique lo contrario, todos los números que expresan cantidades o características de ingredientes y productos, condiciones de procesamiento y similares deben entenderse como modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, cualquier parámetro numérico establecido en la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las características deseadas que se busque obtener en los métodos y aparatos de acuerdo con la presente invención. Como mínimo, cada parámetro numérico debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos informados y aplicando técnicas de redondeo ordinarias.
La presente invención está dirigida a métodos y aparatos que abordan algunas de las limitaciones de los enfoques convencionales para producir un material en polvo metálico. Con referencia a la Figura 1, se ilustra una modalidad de un método para producir un material en polvo metálico. El método incluye: suministrar materias primas a una solera de fusión (bloque 100); fundir las materias primas en una solera de fusión con una primera fuente de calor, para producir así un material fundido (bloque 110) que tiene una composición química deseada; pasar al menos una porción del material fundido directa o indirectamente a una solera de atomización (bloque 120); calentar el material fundido en la solera de atomización con una segunda fuente de calor (bloque 130); pasar al menos una porción del material fundido desde la solera de atomización en estado fundido a un aparato atomizador (bloque 140); y formar una pulverización de gotitas del material fundido con el aparato atomizador (bloque 150). Al menos una porción de la pulverización de gotitas se solidifica para proporcionar un material en polvo metálico que tiene la composición deseada.
Con referencia a las Figuras 2-3, la modalidad ilustrada del aparato 200 para producir un material en polvo metálico comprende una cámara de fusión 210, una solera de fusión 220 y una primera fuente de calor 230 colocada en la cámara de fusión 210. La cámara de fusión 210 está configurada para mantener una atmósfera en ella. La atmósfera puede tener una presión que esté por debajo de la presión atmosférica, exceda la presión atmosférica o esté a la presión atmosférica. Según determinadas modalidades, la atmósfera de gas en la cámara 210 de fusión puede ser químicamente inerte con respecto al material que se calienta en la cámara 210 de fusión. Según determinadas modalidades, la atmósfera de gas dentro de la cámara de fusión 210 puede ser helio, argón, una mezcla de helio y argón u otro gas inerte o mezcla de gases. Según otras modalidades, otros gases o mezclas de gases se encuentran dentro de la atmósfera en la cámara de fusión 210, siempre que los gases o mezclas de gases no contaminen de forma inaceptable el material fundido dentro de la cámara de fusión 210.
La solera 220 de fusión está adaptada para recibir materias primas 240. Según determinadas modalidades, las materias primas 240 son materias primas vírgenes. Según otras modalidades, las materias primas 240 incluyen o consisten en materiales de desecho, revertir, materiales reciclados y/o aleaciones maestras. Según determinadas modalidades, las materias primas 240 incluyen materiales en partículas. Según otras modalidades, las materias primas 240 incluyen o consisten en materiales en forma de electrodo fabricado o fundido previamente como, por ejemplo, materiales previamente fundidos en forma de cilindro o prisma rectangular. En cualquier caso, en el método según la presente invención, la composición química del material fundido producido en la solera 220 de fusión se ajusta a la composición deseada mediante la adición selectiva de materias primas a la solera 210 de fusión.
Según determinadas modalidades, las materias primas 240 comprenden predominantemente materiales de titanio. De acuerdo con ciertas modalidades no limitantes, las materias primas 240 se seleccionan para proporcionar un material fundido que tiene la composición química de un titanio comercialmente puro, una aleación de titanio (por ejemplo, aleación Ti-6AI-4V, que tiene una composición especificada en UNS R56400) y una aleación de aluminuro de titanio (por ejemplo, aleación Ti-48AI-2Nb-2Cr). Según otras modalidades, las materias primas 240 se seleccionan para proporcionar un material fundido que comprende, en peso, aproximadamente un 4 por ciento de vanadio, aproximadamente un 6 por ciento de aluminio y el resto de titanio e impurezas. (Todos los porcentajes en la presente descripción son porcentajes en peso, a menos que se indique lo contrario). Según otra modalidad más, las materias primas 240 se seleccionan para proporcionar un material fundido que tiene la composición química de un níquel comercialmente puro, una aleación de níquel (por ejemplo, Aleación 718, que tiene una composición especificada en UNS N07718), un circonio comercialmente puro, una aleación de circonio (p. ej., aleación Zr 704, que tiene una composición especificada en UNS R60704), un niobio comercialmente puro, una aleación de niobio (p. ej., aleación ATI Nb1Zr ™ (Tipo 3 y Tipo 4), que tiene una composición especificada en UNS R04261), un tantalio comercialmente puro, una aleación de tantalio (por ejemplo, aleación de tantalio-10% tungsteno, que tiene una composición especificada en UNS 20255), un tungsteno comercialmente puro y un aleación de tungsteno (por ejemplo, aleación de tungsteno 90-7-3). Los materiales de partida pueden seleccionarse para proporcionar una composición fundida que tenga la composición química deseada y otras propiedades deseadas. Los materiales fundidos se atomizan en los métodos y aparatos de la presente descripción, proporcionando así un material en polvo metálico que tiene la composición química del material fundido que se atomiza en el polvo.
Según determinadas modalidades, las materias primas 240 se alimentan a la solera de fusión 220 a través de un mecanismo de alimentación tal como, por ejemplo, el conducto de alimentación 250. Según determinadas modalidades, el mecanismo de alimentación incluye al menos uno de entre un alimentador vibratorio, una rampa y un empujador. En otras modalidades, el mecanismo de alimentación incluye cualquier otro mecanismo que pueda introducir adecuadamente materias primas 240 en la solera de fusión 220.
Según determinadas modalidades, la primera fuente de calor 230, que está asociada con la solera de fusión 220, incluye al menos un dispositivo de calentamiento seleccionado de un soplete de plasma, un generador de haz de electrones, otro dispositivo de calentamiento que genera electrones, un láser, un dispositivo de arco eléctrico y una bobina de inducción. En un ejemplo, la primera fuente de calor 230 está adaptada para fundir las materias primas 240 en la solera de fusión 220 usando un soplete de plasma, para producir de ese modo un material fundido 260 que tiene una composición química deseada. La primera fuente de calor 230 está adaptada y posicionada para calentar las materias primas en una solera de fusión 220 a una temperatura al menos tan grande como la temperatura de fusión (liquidus) de los materiales de alimentación 240 y para mantener esos materiales en un estado fundido en la solera de fusión 220. En ciertas modalidades no limitantes, la primera fuente 230 de calor calienta el material fundido formado en la solera 220 de fusión para refinar al menos parcialmente el material fundido. Según determinadas modalidades, la primera fuente 230 de calor puede colocarse de aproximadamente 100 mm a aproximadamente 250 mm por encima de la superficie superior de la solera 220 de fusión. Según otras modalidades, la primera fuente de calor 230 comprende un primer soplete de plasma que se coloca a una altura con respecto a la superficie superior del material fundido en la solera de fusión 220 de modo que un borde de la columna de plasma caliente producido por el primer soplete de plasma calienta adecuadamente el material. Según determinadas modalidades, el nivel de potencia, la posición relativa a la solera de fusión 220 y otros parámetros de la primera fuente de calor 230 se seleccionan para calentar el material fundido 260 en la solera de fusión 220 a un intervalo de temperatura que incluye la liquidus del material hacia arriba a aproximadamente 500 °C por encima del punto de fusión del material. Según modalidades adicionales, el nivel de potencia, la posición y otros parámetros de la primera fuente de calor 230 se optimizan para sobrecalentar el material en la solera de fusión 220 a un intervalo de temperatura que incluye una temperatura de aproximadamente 50 °C por encima del liquidus del material hasta aproximadamente 300 °C por encima del liquidus del material. Según otras modalidades, el nivel de potencia, la posición y otros parámetros de la primera fuente de calor 230 se optimizan para sobrecalentar el material a una temperatura que exceda la liquidus del material en cualquier grado adecuado, siempre que la primera fuente de calor 230 no lo haga. vaporizar el material y/o variar la química del material fundido de una manera no deseada.
Según determinadas modalidades, se dispone una solera de atomización 270 para recibir al menos una porción del material 260 fundido directa o indirectamente de la solera 220 de fusión. Una vez fundido y calentado adecuadamente, el material fundido 260 en la solera de fusión 220 puede drenar de la solera de fusión 220 y pasar directa o indirectamente (por ejemplo, a través de al menos una solera adicional) a la solera de atomización 270. La solera de atomización 270 recoge directa o indirectamente material 260 fundido de la solera de atomización 270, y puede contener al menos una porción del material 260 fundido a medida que el material fundido 260 pasa desde la solera de atomización 270 a la boquilla atomizadora de un aparato atomizador 310, como se explica a continuación. A este respecto, la solera de atomización 270 actúa como un "amortiguador de sobretensión" para el material 260 fundido, regulando el flujo de material 260 fundido al aparato 310 de atomización. Según determinadas modalidades, la solera de atomización 270 está dispuesta en la cámara de fusión 210 con la solera de fusión 220. Según otras modalidades, la solera de atomización 270 no está en una sola cámara con la solera de fusión 220 y, en cambio, puede estar ubicado en otra cámara, tal como una cámara contigua.
De acuerdo con diversas modalidades, al menos una solera adicional está dispuesta entre la solera de fusión 220 y la solera de atomización 260, y el material fundido pasa desde la solera de fusión 260, a través de la al menos una solera adicional y una solera de atomización 270. Esta disposición se describe en la presente descripción como que implica el paso de material fundido desde la solera de fusión indirectamente a la solera de atomización.
Según determinadas modalidades, y con referencia a la Figura 5, tanto la solera de fusión 220 como la solera de atomización 270 son soleras de cobre refrigeradas por agua. Si están presentes, la una o más soleras adicionales presentes en diversas modalidades también pueden ser soleras de cobre enfriadas por agua. Según otras modalidades, al menos una de la solera de fusión 220, la solera de atomización 270 y, si está presente, la una o más soleras adicionales están construidas con cualquier otro material y componente adecuado y se enfrían o se adaptan de otro modo para evitar la fusión de la solera ya que los materiales se calientan en la misma. Según determinadas modalidades, una porción del material fundido 260 entra en contacto con una pared enfriada de la solera de fusión 220 y puede solidificarse para formar un primer cráneo 280 que evita que el resto del material fundido 260 entre en contacto con la pared de la solera de fusión 220, por lo que aislar la pared de la solera de fusión 220 del material fundido 260. Además, en ciertas modalidades, una porción del material fundido 260 entra en contacto con la pared enfriada de la solera de atomización 270 cuando el material fundido 260 fluye hacia la solera de atomización 270 desde la solera de fusión 220, y puede solidificarse en la pared para formar un segundo cráneo 290 que evita que el resto del material fundido 260 entre en contacto con la pared de la solera de atomización 270, aislando la pared de la solera de atomización 270 del material fundido 260. En determinadas modalidades, la una o más soleras adicionales, si están presentes, pueden funcionar de manera similar para evitar el contacto indeseable de los materiales fundidos con las paredes de la solera.
Dependiendo de los requisitos de uso o preferencias para el método o aparato particular 200, el material en la solera de fusión 220, la solera de atomización 270 y, si está presente, la una o más soleras adicionales, puede refinarse y/u homogeneizarse tal como está calentado. Por ejemplo, al refinar el material fundido, las inclusiones sólidas de alta densidad y otros contaminantes sólidos en el material fundido pueden hundirse hasta el fondo del material fundido en la solera particular y quedar atrapados en el cráneo de la pared de la solera. Algunas inclusiones sólidas de baja densidad u otros contaminantes sólidos pueden flotar sobre la superficie del material fundido en la solera particular y ser vaporizados por la fuente de calor asociada. Otras inclusiones sólidas de baja densidad u otros contaminantes sólidos pueden flotar de forma neutra y estar suspendidas ligeramente por debajo de la superficie del material fundido y disolverse en el material fundido en la solera. De esta manera, el material fundido 260 se refina a medida que las inclusiones sólidas y otros contaminantes sólidos se eliminan o se disuelven en el material fundido 260.
Con referencia también a la Figura 4, según la modalidad ilustrada, al menos una solera adicional 292 está colocada entre la solera de fusión 220 y la solera de atomización 270. Al menos una porción del material 260 fundido en la solera 220 de fusión pasa a través de la una o más solera(s) 292 adicional (es) antes de pasar a la solera de atomización 270. En determinadas modalidades, la(las) solera(s) adicional(es) 292 pueden usarse para al menos refinar y homogeneizar el material fundido 260. "Refinar" y "homogeneizar" son términos de la técnica y los entenderán fácilmente los expertos en la producción de materiales en polvo metálico. En general, en relación con los componentes de la solera, el refinado puede implicar eliminar, disolver o atrapar impurezas o constituyentes indeseables de un material fundido en una solera, y evitar que las impurezas o constituyentes indeseables progresen corriente abajo. La homogeneización puede implicar mezclar o combinar un material fundido de modo que el material tenga una composición más uniforme. Según determinadas modalidades, la una o más soleras adicionales 292 se colocan en serie con las soleras de fusión y atomización 220, 270 para proporcionar una ruta de flujo para el material fundido 260 en una línea generalmente recta o en una forma alternativa seleccionada de un camino generalmente en forma de zig-zag, un camino generalmente en forma de L y un camino generalmente en forma de C. Según determinadas modalidades, una fuente de calor adicional (no mostrada) está asociada con una o más de las soleras adicionales 292. Según determinadas modalidades, la fuente de calor adicional incluye uno o más dispositivos de calentamiento seleccionados de un soplete de plasma, un generador de haz de electrones, otro dispositivo de calentamiento que genera electrones, un láser, un dispositivo de arco eléctrico y una bobina de inducción.
Según determinadas modalidades, una segunda fuente de calor 300 está adaptada para calentar el material fundido 260 en la solera de atomización 270. Según determinadas modalidades, la segunda fuente de calor 300 incluye al menos una fuente de calor seleccionada entre un soplete de plasma, una pistola de electrones, un dispositivo de calentamiento que genera electrones, un láser, un arco eléctrico y una bobina de inducción. La segunda fuente de calor 300 está posicionada para calentar la superficie superior del material fundido en la solera de atomización 270 a una temperatura por lo menos tan grande como la temperatura de fusión (liquidus) del material. Según determinadas modalidades, la segunda fuente de calor 300 se puede colocar de aproximadamente 100 mm a aproximadamente 250 mm por encima de la solera de atomización 270. Según determinadas modalidades, la segunda fuente de calor 300 comprende un soplete de plasma que se coloca a una altura con respecto a la superficie superior del material fundido en la solera de atomización 270 de modo que un borde de la columna de plasma caliente calienta adecuadamente el material. Según determinadas modalidades, el nivel de potencia, la posición relativa a la solera de atomización 270 y otros parámetros de la segunda fuente de calor 300 se seleccionan para sobrecalentar los materiales en la solera de atomización 270 a un intervalo de temperatura de aproximadamente 50 °C por encima del liquidus del material a unos 400 °C por encima de la liquidus del material. Según otras modalidades, el nivel de potencia, la posición y otros parámetros de la segunda fuente de calor 300 se optimizan para sobrecalentar el material en la solera de atomización 270 a un intervalo de temperatura de aproximadamente 100 °C por encima del liquidus del material hasta aproximadamente 200 °C. por encima del liquidus del material. Según otras modalidades, el nivel de potencia, la posición y otros parámetros de la segunda fuente de calor 300 se optimizan para sobrecalentar el material a una temperatura que exceda la del liquidus en cualquier grado adecuado, siempre que la segunda fuente de calor 300 no vaporice el material. y/o variar la química del material fundido de una manera no deseada.
Según determinadas modalidades, un aparato atomizador 310 incluye una boquilla atomizadora adaptada para formar una pulverización de gotitas del material fundido 260, y una unidad de transferencia 320 está aguas arriba del aparato atomizador 310. Por ejemplo, la unidad de transferencia 320 puede pasar material fundido directamente a la boquilla atomizadora. La unidad de transferencia 320 está acoplada a la solera de atomización 270 y al aparato atomizador 310. La segunda fuente de calor 300 está diseñada para mantener el material fundido 260 que fluye hacia la unidad de transferencia 320 en un estado fundido, y la unidad de transferencia 320 está adaptada para pasar al menos una porción del material fundido 260 desde la solera de atomización 270 al aparato de átomos 310 en estado fundido. Aunque sólo se incluye una combinación de una única unidad de transferencia y un único aparato atomizador en el aparato ilustrado 200, se contempla que las modalidades que incluyen múltiples aparatos atomizadores, tales como múltiples boquillas atomizadoras, pueden ser ventajosas. Por ejemplo, las velocidades del proceso pueden aumentarse y los costos de producción de material pueden reducirse en un aparato que emplee múltiples unidades de transferencia 320 y una o más boquillas atomizadoras u otros aparatos atomizadores 310 aguas abajo de la solera de atomización 270.
Con referencia a la Figura 5, según la modalidad ilustrada, la unidad de transferencia 320 es una guía de inducción en frío (CIG). La Figura 6 ilustra un aparato 200' según otra modalidad de la presente invención. La unidad de transferencia 320 del aparato 200' incluye una guía de inducción 382 que opcionalmente incluye una cubeta de vertido 384 y un molde de inducción segmentado 386 además del CIG 388. En la modalidad ilustrada del aparato 200', una fuente de calor adicional 390 está asociada con la cubeta de vertido 384 y el molde de inducción segmentado 386.
La unidad de transferencia 320 mantiene la pureza del material fundido 260 producido en la solera de fusión 220 y que pasa desde la solera de atomización 270 al aparato atomizador 310 protegiendo el material fundido 260 de la atmósfera externa. La unidad de transferencia también se puede construir para proteger el material fundido de la contaminación por óxidos que pueden resultar del uso de una boquilla atomizadora convencional. La unidad de transferencia 320 también puede usarse para medir el flujo del material fundido 260 desde la solera de atomización 270 al aparato atomizador 310, como se explica más adelante. Aquellos que tengan conocimientos ordinarios, al considerar la presente descripción, podrán proporcionar varios diseños alternativos posibles para las unidades de transferencia y el equipo asociado capaz de transferir de manera controlada el material fundido 260, mantenido en un estado fundido, entre una solera de atomización y un aparato atomizador según se emplee en modalidades de los presentes aparatos y métodos. Todos estos diseños de unidades de transferencia que pueden incorporarse en métodos y aparatos de la presente invención están incluidos en la presente descripción.
Según determinadas modalidades, la unidad de transferencia 320 incluye una entrada 330 adyacente a la solera de atomización 270 y una salida 340 adyacente al aparato atomizador 310, y una o más bobinas 350 conductoras de electricidad están colocadas en la entrada 330. Una fuente de corriente eléctrica (no mostrada) está en conexión eléctrica selectiva con las bobinas conductoras 350 para calentar el material fundido 260 e iniciar el flujo de al menos una porción del material fundido 260 al aparato atomizador 310. Según determinadas modalidades, las bobinas 350 conductoras de electricidad están adaptadas para calentar el material fundido 260 a una temperatura en el intervalo del liquidus del material hasta 500 °C por encima del liquidus.
Según determinadas modalidades, la unidad de transferencia 320 incluye un recipiente de fusión 360 para recibir el material fundido 260, y una región de transferencia de la unidad de transferencia 320 está configurada para incluir un paso 370 construido para recibir material fundido 260 del recipiente de fusión 360. La pared del paso 370 está definida por varios segmentos metálicos refrigerados por fluido. Según determinadas modalidades, la unidad de transferencia 320 incluye una o más bobinas conductoras de electricidad 380 colocadas en la salida 340. Las bobinas 380 se enfrían haciendo circular un refrigerante adecuado, como agua u otro fluido conductor de calor, a través de conductos asociados con la salida 340. Una porción del material 260 fundido entra en contacto con la pared enfriada del paso 370 de la unidad 320 de transferencia y puede solidificarse para formar un cráneo que aísla la pared del contacto con el resto del material 260 fundido. El enfriamiento de la pared de la solera y la formación del cráneo asegura que la masa fundida no se contamine con materiales a partir de los cuales se forman las paredes internas de la unidad de transferencia 320.
Durante el tiempo que el material fundido 260 fluye desde el recipiente de fusión 360 de la unidad de transferencia 320 a través del paso 370, la corriente eléctrica pasa a través de las bobinas conductoras 380 a una intensidad suficiente para calentar inductivamente el material fundido 260 y mantenerlo en estado fundido. Las bobinas 380 sirven como bobinas de calentamiento por inducción y calientan de manera ajustable el material fundido 260 que pasa a través de la salida 340 de la unidad de transferencia 320. Según determinadas modalidades, las bobinas 380 conductoras de electricidad están adaptadas para calentar el material 260 fundido a una temperatura en el intervalo de 50 °C por encima del liquidus del material hasta 400 °C por encima del liquidus. En modalidades adicionales, las bobinas 380 conductoras de electricidad están adaptadas para calentar el material fundido 260 a una temperatura en el intervalo de la temperatura de liquidus del material hasta 500 °C por encima del liquidus. Según algunas otras modalidades, las bobinas 380 conductoras de electricidad están adaptadas para evitar selectivamente el paso del material 260 fundido al aparato 310 de atomización.
Según determinadas modalidades, al menos una porción del material fundido 260 pasa al aparato atomizador 310 de forma continua. En tales modalidades, el material fundido 260 fluye continuamente desde la solera de fusión 220 hasta la solera de atomización 270, a través de la unidad de transferencia 320, sale por la salida 340 de la unidad de transferencia 320 y pasa al aparato atomizador 310. En ciertas modalidades, el flujo de material fundido 260 a la solera de atomización 270 puede ser discontinuo, es decir, con arranques y paradas. En varias modalidades, el material fundido 260 fluye desde la solera de fusión 220, a través de al menos una solera adicional, y a la solera de atomización 270, a través de la unidad de transferencia 320, sale de la salida 340 de la unidad de transferencia 320 y pasa al aparato atomizador 310. Según determinadas modalidades, el aparato atomizador 310 comprende una boquilla atomizadora que incluye una pluralidad de sopletes atomizadores de plasma que convergen en un punto y forman una pulverización de gotitas del material fundido 260. Según modalidades adicionales, la boquilla atomizadora incluye tres sopletes de plasma que están distribuidos por igual para definir ángulos de aproximadamente 120° entre sí. En tales modalidades, cada uno de los sopletes de plasma también puede colocarse para formar un ángulo de 30 ° con respecto al eje de la boquilla atomizadora. Según determinadas modalidades, el aparato atomizador 310 incluye una boquilla atomizadora que incluye chorros de plasma generados por pistolas de CC que operan en el intervalo de potencia de 20 a 40 kW. Según determinadas modalidades, el aparato atomizador 310 comprende una boquilla atomizadora que forma al menos un chorro de gas que dispersa el material fundido 260 para formar la pulverización de gotitas.
La pulverización de gotitas resultante se dirige a un colector 400. Según determinadas modalidades, la posición del colector 400 con respecto a la boquilla atomizadora u otro aparato atomizador 310 es ajustable. La distancia entre el punto de atomización y el colector 400 puede controlar la fracción de sólidos en el material depositado en el colector 400. Por lo tanto, a medida que se deposita el material, la posición del colector 400 con respecto a la boquilla atomizadora u otro aparato atomizador 310 puede ajustarse de modo que la distancia entre la superficie del material recolectado en el colector 400 y la boquilla atomizadora u otro aparato atomizador. 310 se mantiene adecuadamente. Según determinadas modalidades, el colector 400 se selecciona de una cámara, un molde y un mandril giratorio. Por ejemplo, en ciertas modalidades, cuando el material se deposita en el colector 400, el colector 400 puede girar para asegurar mejor la deposición uniforme de las gotas sobre una superficie del colector 400.
Aunque la descripción anterior del aparato 200 se refiere a la solera de fusión 220, la solera de atomización 270, el aparato atomizador 310, la unidad de transferencia 320 y el colector 400 como unidades o componentes relativamente discretos del aparato asociado en serie, será entendido que el aparato 200 no necesita estar construido de esa manera. En lugar de estar construido con unidades de fusión (y/o fusión/refinado), de transferencia, atomización y colector discretas y desconectables, un aparato de acuerdo con la presente invención, como el aparato 200, puede incorporar elementos o regiones que proporcionan las características esenciales de cada uno de esas unidades, pero sin ser capaz de deconstruirse en aparatos o unidades discretos e individualmente operables. Por tanto, la referencia en las reivindicaciones adjuntas a una solera de fusión, una solera de atomización, un aparato atomizador, una unidad de transferencia y un colector no debe interpretarse en el sentido de que tales unidades distintas pueden disociarse del aparato reivindicado sin pérdida de operatividad.
En determinadas modalidades, un material en polvo metálico producido de acuerdo con diversas modalidades de los métodos, o mediante las diversas modalidades de los aparatos, descritos en la presente descripción, comprende un tamaño medio de partícula de 10 a 150 micrómetros. En ciertas modalidades, un material en polvo metálico producido de acuerdo con diversas modalidades de los métodos, o mediante las diversas modalidades de aparatos, descritos en la presente descripción tiene una distribución de tamaño de partículas de 40 a 120 micrones. (es decir, el tamaño de partícula de sustancialmente todas las partículas de polvo se encuentra en el intervalo de 40 a 120 micrómetros). Un material en polvo metálico que tiene una distribución de tamaño de partículas de 40 a 120 micrómetros es particularmente útil en aplicaciones de fabricación de aditivos por haz de electrones. En ciertas modalidades, un material en polvo metálico producido de acuerdo con varias modalidades de los métodos, o mediante las diversas modalidades de aparatos, descritos en la presente descripción tiene una distribución de tamaño de partículas de 15 a 45 micrones. (es decir, el tamaño de partícula de sustancialmente todas las partículas de polvo cae en el intervalo de 15 a 45 micrómetros). Un material en polvo metálico que tiene una distribución de tamaño de partículas de 15 a 45 micrómetros es particularmente útil en aplicaciones de fabricación aditiva por láser. Según determinadas modalidades, el material en polvo metálico comprende partículas esféricas. En otras determinadas modalidades, al menos una porción del material en polvo metálico tiene otras formas geométricas, que incluyen, pero no se limitan a, escamas, astillas, agujas y combinaciones de los mismos.
Según determinadas modalidades, el material en polvo metálico tiene una composición que no se puede producir fácilmente mediante la metalurgia convencional de lingotes, por ejemplo, tecnologías de fundición y fundición. Es decir, los métodos que se han descrito en la presente descripción pueden producir un material en polvo metálico con una composición que sea demasiado propensa a la segregación o que tenga propiedades que eviten que se lance mediante metalurgia convencional de lingotes. Según determinadas modalidades, el contenido de boro del material en polvo metálico es superior a 10 ppm, basado en el peso total del material en polvo. En la fundición y colada de lingotes convencionales, los niveles de boro superiores a 10 ppm pueden producir boruros perjudiciales. Por el contrario, varias modalidades de los métodos descritos en la presente descripción permiten producir un material en polvo metálico que tiene un contenido de boro superior a 10 ppm sin exhibir fases o propiedades perjudiciales inaceptables. Esto amplía las posibilidades de las composiciones de material en polvo metálico que se pueden producir.
Los materiales en polvo metálico fabricados de acuerdo con los métodos y aparatos de la presente invención pueden tener cualquier composición adecuadamente fabricada utilizando los presentes métodos y aparatos. Según determinadas modalidades, los materiales en polvo metálico tienen la composición química de un titanio comercialmente puro, una aleación de titanio (por ejemplo, aleación Ti-6AI-4V, que tiene una composición especificada en UNS R56400) y una aleación de aluminuro de titanio (por ejemplo, Aleación de Ti-48AI-2Nb-2Cr). Según otra modalidad, los materiales en polvo metálico tienen un material de composición química que comprende, en peso, aproximadamente un 4 por ciento de vanadio, aproximadamente un 6 por ciento de aluminio y el resto de titanio e impurezas. (Todos los porcentajes en la presente descripción son porcentajes en peso, a menos que se indique lo contrario). Según otra modalidad más, los materiales en polvo metálico tienen la composición química de un níquel comercialmente puro, una aleación de níquel (por ejemplo, Aleación 718, que tiene una composición especificada en UNS N07718), un circonio comercialmente puro, una aleación de circonio (por ejemplo., Aleación Zr 704, que tiene una composición especificada en UNS R60704), un niobio comercialmente puro, una aleación de niobio (por ejemplo, Aleación ATI Nb1Zr ™ (Tipo 3 y Tipo 4), que tiene una composición especificada en UNS R04261), un tantalio comercialmente puro, una aleación de tantalio (por ejemplo., Aleación de tantalio-10% tungsteno, que tiene una composición especificada en UNS 20255), un tungsteno puro y una aleación de tungsteno (por ejemplo, 90-7-3 aleación de tungsteno). Se entenderá que los métodos y aparatos descritos en la presente descripción no se limitan a producir materiales en polvo metálico que tengan las composiciones químicas anteriores. En cambio, los materiales de partida pueden seleccionarse para proporcionar un material en polvo metálico que tenga la composición química deseada y otras propiedades deseadas.
Los materiales en polvo metálico fabricados de acuerdo con los métodos presentes y/o usando los aparatos presentes se pueden convertir en artículos metálicos (por ejemplo, metal y aleación de metal) mediante técnicas de prensado isostático en caliente y otras técnicas convencionales adecuadas para formar artículos a partir de polvos metalúrgicos. Estas otras técnicas adecuadas resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la materia al considerar la presente invención.
Aunque la descripción anterior ha presentado necesariamente sólo un número limitado de modalidades, los expertos en la técnica relevante apreciarán que los diversos cambios en los métodos y aparatos y otros detalles de los ejemplos que se han descrito e ilustrado en la presente descripción pueden realizarse por los expertos en la técnica, y todas estas modificaciones permanecerán dentro del principio y alcance de la presente invención como se expresa en la presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir un material en polvo metálico, el método comprende:
suministrar materias primas (240) a una solera de fusión (100, 220);
fundir las materias primas en la solera de fusión con una fuente de calor (230), para producir así un material fundido (260);
pasar al menos una porción del material fundido (260) desde la solera de fusión (100, 220) directa o indirectamente a una solera de atomización (270);
calentar el material fundido (260) en la solera de atomización (270) con una segunda fuente de calor (300);
pasar al menos una porción del material fundido (260) desde la solera de atomización (270) en estado fundido a través de una unidad de transferencia (320) hasta una boquilla atomizadora; y
formar una pulverización de gotitas del material fundido (260) con la boquilla atomizadora, después de lo cual al menos una porción de la pulverización de gotitas se solidifica para proporcionar un material en polvo metálico que se recibe por un colector (400); y en donde la unidad de transferencia (320) está acoplada y se puede desconectar de la solera de atomización (270), la unidad de transferencia (320) comprende:
una entrada (330) adyacente a la solera de atomización (270) y una salida (340) adyacente a la boquilla atomizadora;
una región del recipiente de masa fundida (360) que recibe material fundido (260) de la solera de atomización (270), en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la entrada están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro de la región del recipiente de masa fundida; y
un paso (370) que comprende paredes enfriadas por fluido que se comunican con la región del recipiente de masa fundida (360) y la boquilla atomizadora, en donde el material fundido (260) pasa desde la región del recipiente de masa fundida a la boquilla atomizadora a través del paso (370), y en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) están colocadas en la salida (340) y están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro del paso.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la al menos una porción del material fundido pasa desde la solera de fusión (270) a través de al menos una solera adicional antes de entrar en la solera de atomización.
3. El método de la reivindicación 1, en donde la primera fuente de calor (230) y la segunda fuente de calor (300) comprenden cada una independientemente al menos una de un soplete de plasma, un generador de haz de electrones, un dispositivo de calentamiento que genera electrones, un láser, un dispositivo de arco eléctrico y una bobina de inducción.
4. El método de la reivindicación 1, en donde el material fundido (260) es al menos uno de refinado y homogeneizado antes de pasar a la boquilla atomizadora.
5. El método de la reivindicación 1, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la entrada (330) están adaptadas para calentar el material fundido (260) para iniciar el paso de la al menos una porción del material fundido (260) desde la solera de atomización (270) a la boquilla atomizadora a través de la unidad de transferencia (320).
6. El método de la reivindicación 5, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la entrada están adaptadas para calentar el material fundido (260) en un intervalo de un liquidus del material a 500 °C por encima del liquidus.
7. El método de la reivindicación 1, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la salida (340) están adaptadas para calentar de forma ajustable el material fundido (260).
8. El método de la reivindicación 7, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la salida (340) están adaptadas para calentar el material fundido (260) en un intervalo de un liquidus del material a 500 °C por encima del liquidus.
9. El método de la reivindicación 1, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la salida (340) están adaptadas para detener el paso del material fundido (260) a la boquilla atomizadora.
10. El método de la reivindicación 1, en donde la boquilla atomizadora incluye una pluralidad de sopletes atomizadores de plasma que forman chorros de plasma que convergen en un punto y forman la pulverización de gotitas del material fundido o forman al menos un chorro de gas que dispersa el material fundido en la pulverización de gotitas.
11. El método de la reivindicación 1, en donde una composición del material en polvo metálico se selecciona de titanio comercialmente puro, aleaciones de titanio, aleaciones de aluminuro de titanio, níquel comercialmente puro, aleaciones de níquel, circonio comercialmente puro, aleaciones de circonio, niobio comercialmente puro, aleaciones de niobio, tantalio puro, aleaciones de tantalio, tungsteno comercialmente puro y aleaciones de tungsteno.
12. Un aparato (200) para producir un material en polvo metálico, el aparato comprende:
una solera de fusión (220) adaptada para recibir materias primas;
una primera fuente de calor (230) adaptada para fundir las materias primas para proporcionar un material fundido (260) en la solera de fusión (220);
una solera de atomización (270) dispuesta para recibir directa o indirectamente al menos una porción del material fundido (260) de la solera de fusión (220); una segunda fuente de calor (300) adaptada para calentar material fundido (260) en la solera de atomización (270); una boquilla atomizadora adaptada para formar una pulverización de gotitas a partir del material fundido (260);
un colector (400) adaptado para recibir la pulverización de gotitas como un material en polvo metálico; y una unidad de transferencia (320) acoplada y que se puede desconectar de la solera de atomización, en donde el material fundido (260) pasa desde la solera de atomización (270) a la boquilla atomizadora en estado fundido a través de la unidad de transferencia, en donde la unidad de transferencia comprende: una entrada (330) adyacente a la solera de atomización (270) y una salida (340) adyacente a la boquilla atomizadora;
una región del recipiente de masa fundida (360) adaptada para recibir material fundido (260) de la solera de atomización(270), en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la entrada están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro de la región del recipiente de masa fundida (360); y
un paso (370) que comprende paredes enfriadas por fluido que se comunican con la región del recipiente de masa fundida y la boquilla atomizadora, en donde el material fundido (260) pasa desde la región del recipiente de masa fundida (360) a la boquilla atomizadora a través del paso (370) y en donde una o más bobinas conductoras de electricidad (350) colocadas en la salida (340) están adaptadas para calentar selectivamente el material dentro del paso (370).
13. El aparato de la reivindicación 12, en donde una primera fuente de calor está asociada con la solera de fusión y una segunda fuente de calor está asociada con la solera de atomización (270), en donde la primera fuente de calor (230) y la segunda fuente de calor (300) comprenden cada una independientemente al menos uno de un soplete de plasma, un generador de haz de electrones, un dispositivo de calentamiento que genera electrones, un láser, un dispositivo de arco eléctrico y una bobina de inducción.
14. El aparato de la reivindicación 12, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) situadas en la entrada (330) está adaptada para calentar el material fundido (260) para iniciar el paso de al menos una porción del material fundido (260) a la boquilla de atomización.
15. El aparato de la reivindicación 14, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) situadas en la entrada está adaptada para calentar el material fundido (260) en un intervalo de un liquidus del material a 500°C por encima del liquidus.
16. El aparato de la reivindicación 12, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) situadas en la salida (340) está adaptada para calentar de forma ajustable el material fundido (260).
17. El aparato de la reivindicación 16, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) situadas en la salida (340) está adaptada para calentar el material fundido (260) en un intervalo de un liquidus del material a 500°C por encima del liquidus.
18. El aparato de la reivindicación 16, en donde la una o más bobinas conductoras de electricidad (350) situadas en la salida (340) está adaptada para detener el paso del material fundido (260) a la boquilla de atomización.
19. El aparato de la reivindicación 12, en donde la boquilla de atomización o incluye una pluralidad de sopletes de atomización de plasma que forman chorros de plasma que convergen en un punto y forman la pulverización de gotas del material fundido, o forman al menos un chorro de gas que dispersa el material fundido (260) en la pulverización de gotas.
20. El aparato de la reivindicación 12, en donde el colector (400) se selecciona entre una cámara, un molde y un mandril giratorio.
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