JP2021123745A - Method for producing powder material - Google Patents

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夕羽貴 伊藤
Yuki Ito
夕羽貴 伊藤
利文 山中
Toshifumi Yamanaka
利文 山中
和成 名取
Kazunari Natori
和成 名取
純平 山口
Jumpei Yamaguchi
純平 山口
佳彦 相川
Yoshihiko Aikawa
佳彦 相川
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Takuya Sakai
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Abstract

To provide a method for producing a powder material capable of suppressing the inclusion of excessively generated fine particles when producing a powder material having fine particles adhered on the surface of the metal particle through a thermal plasma treatment.SOLUTION: There is provided a method for producing a powder material, including: a plasma treatment step of performing thermal plasma treatment to raw material particles M consisting of metal to produce metal particles P1 having a higher circularity than the raw material particles M and fine particles P2 and P3 which comprise at least a part of metal elements constituting the metal particles P1 and have a particle size smaller than that of the metal particles P1, and then producing plasma-treated particles P' in which at least a part of the fine particles P2 is attached to the surface of the metal particles P1; and a grain cracking step of separating and removing a part of the fine particles P3 from the surface of the metal particles P1 of the plasma-treated particles P' using shearing by an air flow to fractionate the composite particles in which the remaining fine particles P2 are attached to the surface of the metal particles P1, in this order.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、粉末材料の製造方法に関し、さらに詳しくは、積層造形法において原料として用いることができる粉末材料を製造するための方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a powder material, and more particularly to a method for producing a powder material that can be used as a raw material in a laminated molding method.

三次元造形物を製造する新しい技術として、付加製造技術(Additive Manufacturing;AM)の発展が近年著しい。付加製造技術の一種として、粉末材料のエネルギー線照射による固化を利用した積層造形法がある。金属粉末材料を用いた積層造形法としては、粉末積層溶融法と、粉末堆積法の2種が代表的である。 In recent years, the development of additive manufacturing technology (AM) has been remarkable as a new technology for manufacturing three-dimensional shaped objects. As a kind of additional manufacturing technology, there is a laminated molding method using solidification of a powder material by irradiation with energy rays. Two typical methods of additive manufacturing using a metal powder material are the powder additive manufacturing method and the powder deposition method.

粉末積層溶融法の具体例として、選択的レーザー溶融法(Selective Laser Melting;SLM)、電子線溶融法(Electron Beam Melting;EBM)等の方法を挙げることができる。これらの方法においては、金属よりなる粉末材料を、ベースとなる基材上に供給して粉末床を形成し、三次元設計データをもとに、粉末床の所定の位置に、レーザービーム、電子線等のエネルギー線を照射する。すると、照射を受けた部位の粉末材料が、溶融と再凝固によって固化し、造形物が形成される。粉末床への粉末材料の供給とエネルギー線照射による造形を繰り返し、造形物を層状に順次積層して形成していくことで、三次元造形物が得られる。 Specific examples of the powder laminating melting method include a selective laser melting method (SLM) and an electron beam melting method (EBM). In these methods, a powder material made of metal is supplied onto a base material to form a powder bed, and based on three-dimensional design data, a laser beam and electrons are placed at a predetermined position on the powder bed. Irradiate energy rays such as lines. Then, the powder material of the irradiated portion is solidified by melting and re-solidification, and a modeled object is formed. A three-dimensional model can be obtained by repeating the supply of the powder material to the powder bed and the modeling by irradiation with energy rays, and sequentially laminating the model in layers.

一方、粉末堆積法の具体例としては、レーザー金属堆積法(Laser Metal Deposition;LMD)を挙げることができる。この方法においては、三次元造形物を形成したい位置に、ノズルを用いて金属粉末を噴射しながら、同時に、レーザービームの照射を行い、所望の形状を有する三次元造形物を形成する。 On the other hand, as a specific example of the powder deposition method, a laser metal deposition method (LMD) can be mentioned. In this method, a three-dimensional model having a desired shape is formed by injecting a metal powder at a position where a three-dimensional model is desired to be formed and at the same time irradiating a laser beam.

上記のような積層造形法を用いて、金属材料よりなる三次元造形物を製造する際に、得られる三次元造形物に、空隙や欠陥等、構成材料の分布が不均一になった構造が生じる場合がある。そのような不均一構造の生成は、極力抑制することが望ましい。金属材料を用いた積層造形法において、製造される三次元造形物の内部に、構成材料の不均一な分布が生じる原因は、複数考えられるが、要因の1つとして、エネルギー線照射前の粉末材料の状態が、得られる三次元造形物の状態に、大きな影響を与えうる。 When a three-dimensional model made of a metal material is manufactured using the above-mentioned laminated modeling method, the resulting three-dimensional model has a structure in which the distribution of constituent materials such as voids and defects is uneven. May occur. It is desirable to suppress the formation of such a non-uniform structure as much as possible. In the laminated modeling method using a metal material, there are multiple possible causes for uneven distribution of the constituent materials inside the three-dimensional model to be manufactured, but one of the factors is the powder before irradiation with energy rays. The state of the material can have a great influence on the state of the resulting three-dimensional model.

例えば、粉末積層溶融法において、粉末床に粉末材料を円滑に供給し、粉末材料が均一に敷き詰められた粉末床を安定に形成することができれば、また、粉末床において、粉末材料を高密度で充填することができれば、粉末床へのエネルギー線の照射を経て、均質性の高い三次元造形物が得られやすい。粉末堆積法においても、ノズルを閉塞させることなく粉末材料を円滑に供給することで、三次元造形物を安定に形成することができる。このように、積層造形法によって三次元造形物を製造する際に、原料として用いる粉末材料が高い流動性を有するほど、粉末材料の円滑な供給や、高密度での充填を促進することができ、エネルギー線の照射を経て、均一性の高い造形物を得ることができる。 For example, in the powder laminating and melting method, if the powder material can be smoothly supplied to the powder bed and a powder bed in which the powder material is uniformly spread can be stably formed, and in the powder bed, the powder material can be produced at a high density. If it can be filled, it is easy to obtain a highly homogeneous three-dimensional model by irradiating the powder bed with energy rays. Even in the powder deposition method, a three-dimensional model can be stably formed by smoothly supplying the powder material without blocking the nozzle. In this way, when a three-dimensional model is manufactured by the laminated modeling method, the higher the fluidity of the powder material used as a raw material, the smoother the supply of the powder material and the higher the density of filling can be promoted. , A highly uniform model can be obtained through irradiation with energy rays.

発明者らは、そのように、積層造形の原料として用いるのに適した、高い流動性を有する粉末材料や、そのような粉末材料を製造することができる方法についての検討を行っている。例えば、特許文献1に、金属よりなる原料粒子を熱プラズマ処理によって加熱することで、原料粒子よりも円形度が高くなった金属粒子の表面に、金属粒子を構成する金属元素の少なくとも一部より構成される金属または金属化合物のナノ粒子が付着した金属粉末材料を製造する、という製造方法が開示されている。金属粒子の円形度の向上とナノ粒子の形成により、得られる粉末材料の流動性を高め、また充填性を高めることができる。その結果として、得られる粉末材料を、積層造形に好適に用いることが可能となる。 The inventors are studying a powder material having high fluidity suitable for use as a raw material for laminated molding, and a method capable of producing such a powder material. For example, in Patent Document 1, by heating raw material particles made of metal by thermal plasma treatment, the surface of the metal particles having a higher circularity than the raw material particles is more than at least a part of the metal elements constituting the metal particles. A manufacturing method is disclosed in which a metal powder material to which nanoparticles of a constituent metal or a metal compound are attached is manufactured. By improving the circularity of the metal particles and forming the nanoparticles, the fluidity of the obtained powder material can be increased and the filling property can be improved. As a result, the obtained powder material can be suitably used for laminated modeling.

特開2019−112700号公報JP-A-2019-112700

特許文献1に記載されるように、金属粒子に熱プラズマ処理を施すことにより、金属粒子の円形度が向上されるともに、金属粒子の表面に微粒子が生成し、その微粒子が、金属粒子間に距離を確保し、粉末材料の流動性を向上させる役割を果たす。しかし、プラズマ処理においては、微粒子が過剰に生成しやすい。例えば、過剰に生成する微粒子として、金属酸化物を主成分とする煤塵状微粒子を挙げることができる。製造された粉末材料に多量の金属酸化物が含有されると、粉末材料を積層造形の原料として用いた際に、得られる三次元造形物の品質に影響を与える可能性がある。よって、プラズマ処理を経て製造される粉末材料において、煤塵状微粒子等、過剰量の微粒子の含有は、なるべく低減されることが好ましい。 As described in Patent Document 1, by subjecting the metal particles to thermal plasma treatment, the circularity of the metal particles is improved, and fine particles are generated on the surface of the metal particles, and the fine particles are formed between the metal particles. It plays a role in securing a distance and improving the fluidity of the powder material. However, in plasma treatment, fine particles are likely to be excessively generated. For example, as the fine particles generated excessively, dust-like fine particles containing a metal oxide as a main component can be mentioned. If the produced powder material contains a large amount of metal oxide, it may affect the quality of the obtained three-dimensional model when the powder material is used as a raw material for laminated modeling. Therefore, in the powder material produced through the plasma treatment, it is preferable that the content of an excessive amount of fine particles such as soot-like fine particles is reduced as much as possible.

本発明が解決しようとする課題は、熱プラズマ処理を経て、金属粒子の表面に微粒子が付着した粉末材料を製造するに際し、過剰に生成した微粒子の含有を抑制することができる粉末材料の製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is a method for producing a powder material capable of suppressing the content of excessively generated fine particles when producing a powder material in which fine particles are adhered to the surface of metal particles through thermal plasma treatment. Is to provide.

上記課題を解決するため、本発明にかかる粉末材料の製造方法は、金属よりなる原料粒子に対して熱プラズマ処理を行うことで、前記原料粒子よりも円形度が高くなった金属粒子と、前記金属粒子を構成する金属元素の少なくとも一部を含み、前記金属粒子よりも小さい粒径を有する微粒子と、を生成させ、前記金属粒子の表面に、前記微粒子の少なくとも一部が付着したプラズマ処理粒子を作製するプラズマ処理工程と、気流によるせん断を利用して、前記プラズマ処理粒子の前記金属粒子の表面から、前記微粒子の一部を分離して除去し、前記金属粒子の表面に残りの前記微粒子が付着した複合粒子を分取する解粒工程と、をこの順に実施する。 In order to solve the above problems, the method for producing a powder material according to the present invention includes metal particles having a higher circularity than the raw material particles by subjecting the raw material particles made of metal to thermal plasma treatment, and the above-mentioned metal particles having a higher circularity than the raw material particles. Plasma-treated particles containing at least a part of metal elements constituting the metal particles and having a particle size smaller than that of the metal particles, and having at least a part of the fine particles adhered to the surface of the metal particles. A part of the fine particles is separated and removed from the surface of the metal particles of the plasma-treated particles by utilizing the plasma treatment step of producing the above and the shearing by the air flow, and the remaining fine particles are left on the surface of the metal particles. The pulverization step of separating the composite particles to which the particles are attached is carried out in this order.

ここで、前記解粒工程を、気流分級機を用いて行うとよい。この場合に、前記解粒工程において、前記複合粒子の分級も同時に行うとよい。 Here, it is preferable to perform the pulverization step using an air flow classifier. In this case, it is advisable to classify the composite particles at the same time in the pulverization step.

前記複合粒子において、前記金属粒子の粒径は、平均粒径で、10μm以上、500μm以下であり、前記金属粒子の表面に残っている前記微粒子は、ナノ粒子となっているとよい。なお、平均粒径とは、質量基準分布における篩下積算分率が50%となる粒子径(d50)を指す。 In the composite particles, the average particle size of the metal particles is 10 μm or more and 500 μm or less, and the fine particles remaining on the surface of the metal particles are preferably nanoparticles. The average particle size refers to the particle size (d50) at which the integrated fraction under the sieve in the mass reference distribution is 50%.

前記複合粒子は、前記原料粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力、および内部摩擦角が減少しているとともに、前記プラズマ処理粒子と比較して、酸素濃度が減少しているとよい。さらに、前記複合粒子は、前記プラズマ処理粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力が小さくなっているとよい。 The composite particles have a reduced shear adhesion force standardized by bulk density and an internal friction angle as compared with the raw material particles, and have a reduced oxygen concentration as compared with the plasma-treated particles. It is good. Further, it is preferable that the composite particles have a smaller shear adhesion force standardized by bulk density than the plasma-treated particles.

前記原料粒子として、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかの粒子を用いるとよい。この場合に、前記原料粒子は、アルミニウム、マグネシウム、銅、スズの少なくとも1種より選択される添加金属元素を含む合金よりなり、前記複合粒子を構成する前記金属粒子および前記微粒子に前記添加金属元素が含有されるとよい。 As the raw material particles, any of titanium alloy, nickel alloy, cobalt alloy, and iron alloy particles may be used. In this case, the raw material particles are made of an alloy containing an additive metal element selected from at least one of aluminum, magnesium, copper, and tin, and the metal particles constituting the composite particles and the additive metal elements are added to the fine particles. May be contained.

上記発明にかかる粉末材料の製造方法においては、プラズマ処理工程において、原料粒子を熱プラズマ処理することで、円形度が向上した金属粒子の表面に、微粒子が付着した複合粒子として、プラズマ処理粒子が得られるが、プラズマ処理工程においては、微粒子が過剰に生成し、過剰量の微粒子が金属粒子の表面に付着しやすい。金属粒子の表面に付着した微粒子は、粉末材料の流動性および充填性を向上させるものとなるが、過剰に生成した微粒子は、粉末材料の流動性の向上に高い効果を示さない一方で、粉末材料の酸素濃度を増大させ、積層造形法によって製造される三次元造形物等、粉末材料を用いて製造される製品の品質に、影響を与える可能性がある。 In the method for producing a powder material according to the above invention, in the plasma treatment step, the plasma-treated particles are formed as composite particles in which the fine particles are adhered to the surface of the metal particles whose circularity is improved by subjecting the raw material particles to thermal plasma treatment. However, in the plasma treatment step, fine particles are excessively generated, and the excess fine particles tend to adhere to the surface of the metal particles. The fine particles adhering to the surface of the metal particles improve the fluidity and filling property of the powder material, but the excessively generated fine particles do not show a high effect on improving the fluidity of the powder material, while the powder. It may increase the oxygen concentration of the material and affect the quality of products manufactured using powdered materials, such as three-dimensional shaped objects produced by the laminated molding method.

しかし、プラズマ処理工程の後に、解粒工程を実施し、一部の微粒子のみを金属粒子の表面に付着した状態で残し、その他の微粒子を分離・除去することで、煤塵状微粒子をはじめとする過剰な微粒子を含有しない粉末材料を製造することができる。この粉末材料を構成する複合粒子は、円形度が高められた金属粒子の表面に微粒子が付着されたものとなっており、円形度の高さと、微粒子による金属粒子間の距離の確保の効果により、高い流動性を示す。そして、煤塵状微粒子等、過剰量の微粒子の含有が低減されていることにより、粉末材料の酸素濃度が小さく抑えられ、粉末材料を用いて製造される製品の品質低下等、多量の酸素の含有による影響を抑制することができる。よって、製造された粉末材料を、積層造形の原料等として、好適に用いることができる。 However, after the plasma treatment step, a pulverization step is carried out, leaving only some of the fine particles in a state of being attached to the surface of the metal particles, and separating and removing the other fine particles to start with soot-like fine particles. A powder material that does not contain excess fine particles can be produced. The composite particles constituting this powder material have fine particles adhered to the surface of the metal particles having an increased circularity, and due to the high circularity and the effect of securing the distance between the metal particles by the fine particles. , Shows high fluidity. Since the content of excess fine particles such as soot-like fine particles is reduced, the oxygen concentration of the powder material is suppressed to a small value, and the quality of products manufactured using the powder material is deteriorated. It is possible to suppress the influence of. Therefore, the produced powder material can be suitably used as a raw material for laminated modeling and the like.

また、本製造方法においては、過剰な微粒子の分離・除去を、気流によるせん断を利用した解粒工程によって行うことで、得られる複合粒子において、金属粒子の破砕や変形等が起こりにくく、プラズマ処理工程で得られた、円形度の高い金属粒子の表面に微粒子が付着した複合粒子の構造を、解粒工程を経ても、維持しやすい。また、過剰な微粒子の分離・除去を、気体以外の物質を用いずに、簡便な工程として実行することができる。 Further, in this production method, by separating and removing excess fine particles by a pulverization step using shearing by an air flow, the obtained composite particles are less likely to be crushed or deformed, and plasma treatment is performed. It is easy to maintain the structure of the composite particles in which the fine particles are attached to the surface of the metal particles having a high circularity obtained in the step even after the pulverization step. Further, the separation / removal of excess fine particles can be carried out as a simple process without using a substance other than gas.

ここで、解粒工程を、気流分級機を用いて行う場合には、金属粒子表面に過剰に生成した微粒子の分離、および分離された微粒子の除去を、効果的に、また簡便に実施することができる。 Here, when the pulverization step is performed using an air flow classifier, the separation of the fine particles excessively generated on the surface of the metal particles and the removal of the separated fine particles should be carried out effectively and easily. Can be done.

この場合に、解粒工程において、複合粒子の分級も同時に行うことができる。すると、粒度分布の制御された粉末材料を、簡便に製造することができる。 In this case, in the pulverization step, the classification of the composite particles can be performed at the same time. Then, a powder material having a controlled particle size distribution can be easily produced.

複合粒子において、金属粒子の粒径が、平均粒径で、10μm以上、500μm以下であり、金属粒子の表面に残っている微粒子が、ナノ粒子となっている場合には、プラズマ処理工程と解粒工程によって、金属粒子の表面に微粒子が付着した複合粒子を、効率的に製造することができる。また、製造された粉末材料を、積層造形法による三次元造形物の製造に、好適に利用することができる。 In the composite particles, when the average particle size of the metal particles is 10 μm or more and 500 μm or less and the fine particles remaining on the surface of the metal particles are nanoparticles, it is considered as a plasma treatment step. By the grain process, composite particles in which fine particles are attached to the surface of metal particles can be efficiently produced. In addition, the produced powder material can be suitably used for producing a three-dimensional model by a laminated modeling method.

複合粒子において、原料粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力、および内部摩擦角が減少しているとともに、プラズマ処理粒子と比較して、酸素濃度が減少している場合には、粉末材料が、プラズマ処理工程と解粒工程を経て、円形度の向上と微粒子の生成によって高い流動性を獲得し、かつ過剰な微粒子の分離・除去によって酸素濃度が低減されたものとなっていることが、粉末材料の物性として示されており、製造された粉末材料を、積層造形法による三次元造形物の製造等に、好適に利用することができる。 When the shear adhesion force standardized by bulk density and the internal friction angle are reduced in the composite particles as compared with the raw material particles, and the oxygen concentration is reduced as compared with the plasma-treated particles. , The powder material has acquired high fluidity by improving the circularity and generating fine particles through the plasma treatment step and the pulverization step, and the oxygen concentration has been reduced by separating and removing excess fine particles. This is shown as the physical characteristics of the powder material, and the produced powder material can be suitably used for the production of a three-dimensional modeled product by a laminated modeling method or the like.

さらに、複合粒子において、プラズマ処理粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力が小さくなっている場合には、解粒工程による過剰な微粒子の分離・除去により、粉末材料の流動性が一層高められていることが、粉末材料の物性として示されており、製造された粉末材料を、積層造形法による三次元造形物の製造等に、特に好適に利用することができる。 Furthermore, in the case of composite particles, when the shear adhesion force standardized by bulk density is smaller than that of plasma-treated particles, the fluidity of the powder material is due to the separation and removal of excess fine particles by the pulverization step. It is shown as the physical characteristics of the powder material that the powder material is further enhanced, and the produced powder material can be particularly preferably used for the production of a three-dimensional modeled product by the laminated modeling method.

原料粒子として、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかの粒子を用いる場合には、製造される粉末材料を、積層造形法を利用した製造の需要が大きいそれらの合金よりなる三次元造形物の原料として、好適に用いることができる。 When any of titanium alloy, nickel alloy, cobalt alloy, and iron alloy particles is used as the raw material particles, the powder material to be produced is a tertiary material composed of those alloys that are in great demand for production using the laminated molding method. It can be suitably used as a raw material for the original model.

この場合に、原料粒子が、アルミニウム、マグネシウム、銅、スズの少なくとも1種より選択される添加金属元素を含む合金よりなれば、プラズマ処理工程において、原料粒子に含有される上記添加金属元素の昇華を経て、金属粒子および微粒子に上記添加金属元素が含有された複合粒子が形成されやすい。 In this case, if the raw material particles are made of an alloy containing an additive metal element selected from at least one of aluminum, magnesium, copper, and tin, the sublimation of the additive metal element contained in the raw material particles in the plasma treatment step. Then, composite particles containing the above-mentioned additive metal element are likely to be formed in the metal particles and the fine particles.

本発明の一実施形態にかかる粉末材料の製造方法におけるプラズマ処理工程を説明する図である。It is a figure explaining the plasma processing process in the manufacturing method of the powder material which concerns on one Embodiment of this invention. 上記粉末材料の製造方法における解粒工程を説明する図である。It is a figure explaining the pulverization process in the manufacturing method of the said powder material. 上記製造方法によって得られる粉末材料を示す模式図であり、(a)はプラズマ処理工程で得られるプラズマ処理粒子を示し、(b)はさらに解粒工程を経て得られる複合粒子を示している。It is a schematic diagram which shows the powder material obtained by the said manufacturing method, (a) shows the plasma-treated particle obtained by the plasma processing step, and (b) shows the composite particle further obtained through a pulverization step. 粉末材料の粒度分布および円形度の測定結果を示す図である。試料#1は原料粒子、試料#2はプラズマ処理工程を経たプラズマ処理粒子、試料#3はさらに解粒工程を経た複合粒子である。It is a figure which shows the measurement result of the particle size distribution and the circularity of a powder material. Sample # 1 is a raw material particle, sample # 2 is a plasma-treated particle that has undergone a plasma treatment step, and sample # 3 is a composite particle that has undergone a further pulverization step. 試料#1〜#3について、粒径20±2μmの範囲で、粒子形状の評価に用いた粒子画像を示している。For samples # 1 to # 3, particle images used for evaluating the particle shape are shown in the range of particle size 20 ± 2 μm. 試料#1について、SEM観察像を示している。An SEM observation image is shown for sample # 1. 試料#2について、SEM観察像を示している。(a),(b),(c)の順に、高倍率像となっている。An SEM observation image is shown for sample # 2. The images are high-magnification in the order of (a), (b), and (c). 試料#3について、SEM観察像を示している。(a),(b),(c)の順に、高倍率像となっている。An SEM observation image is shown for sample # 3. The images are high-magnification in the order of (a), (b), and (c). 試料#1〜#3について、嵩密度規格化せん断付着力の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the bulk density standardized shear adhesion force about samples # 1 to # 3. 試料#1〜#3について、内部摩擦角の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the internal friction angle about samples # 1 to # 3. 試料#1〜#3について、酸素値の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the oxygen value about samples # 1 to # 3. 試料#1〜#3について、比表面積の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the specific surface area about samples # 1 to # 3.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態にかかる粉末材料の製造方法について、詳細に説明する。本製造方法は、金属よりなる原料粒子Mから、所定の構造を有する複合粒子Pを含有する粉末材料を製造するものである。 Hereinafter, a method for producing a powder material according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this production method, a powder material containing composite particles P having a predetermined structure is produced from raw material particles M made of metal.

本製造方法によって製造される粉末材料は、図3(b)に示すように、金属粒子P1の表面に、その金属粒子P1より粒径の小さい微粒子P2が付着した複合粒子Pを含んでいる。そのような粉末材料は、積層造形法において、エネルギー線の照射によって三次元造形物を製造するための原料等として、好適に用いることができる。 As shown in FIG. 3B, the powder material produced by this production method contains composite particles P in which fine particles P2 having a particle size smaller than that of the metal particles P1 are attached to the surface of the metal particles P1. Such a powder material can be suitably used as a raw material or the like for producing a three-dimensional model by irradiating an energy ray in a laminated modeling method.

[粉末材料の製造方法]
本発明の一実施形態にかかる粉末材料の製造方法においては、原料準備工程、プラズマ処理工程、解粒工程を、この順に実施する。以下、各工程について順に説明する。
[Manufacturing method of powder material]
In the method for producing a powder material according to an embodiment of the present invention, the raw material preparation step, the plasma treatment step, and the granulation step are carried out in this order. Hereinafter, each step will be described in order.

(1)原料準備工程
原料準備工程においては、粉末材料を製造するための原料粒子Mを準備する。原料粒子Mは、金属よりなっている。原料粒子Mは、ミクロンオーダーの粒径を有していることが好ましい。
(1) Raw material preparation step In the raw material preparation step, raw material particles M for producing a powder material are prepared. The raw material particles M are made of metal. The raw material particles M preferably have a particle size on the order of microns.

原料粒子Mを構成する金属材料は、合金組成をほぼ保ったまま、製造される粉末材料、さらには三次元造形物等、その粉末材料を用いて製造される製品を構成する金属材料となるため、粉末材料を用いて製造される製品に所望される合金組成を有する金属粒子として、原料粒子Mを準備すればよい。合金組成は特に限定されるものではないが、原料粒子Mを構成する合金の好適な例として、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金を例示することができる。これらの合金を原料とする三次元造形物を積層造形法によって製造する需要が大きいからである。また、原料粒子Mを構成する合金は、アルミニウム、マグネシウム、銅、スズ等の昇華しやすい金属元素(添加金属元素)を含有していることが好ましい。これらの元素は、昇華を起こしやすい金属であり、続くプラズマ処理工程において、昇華によって、微粒子P2を金属粒子P1の表面に形成しやすいからである。原料粒子Mの好適な組成の例として、Ti−6Al−4V合金に代表される、Ti−Al系合金を挙げることができる。 Since the metal material constituting the raw material particles M is a powder material produced while maintaining the alloy composition substantially, and further, a metal material constituting a product manufactured using the powder material such as a three-dimensional modeled product. , Raw material particles M may be prepared as metal particles having a desired alloy composition in a product manufactured by using a powder material. The alloy composition is not particularly limited, but titanium alloys, nickel alloys, cobalt alloys, and iron alloys can be exemplified as suitable examples of the alloys constituting the raw material particles M. This is because there is a great demand for producing three-dimensional shaped objects using these alloys as raw materials by the laminated molding method. Further, the alloy constituting the raw material particles M preferably contains a metal element (added metal element) that easily sublimates, such as aluminum, magnesium, copper, and tin. This is because these elements are metals that easily cause sublimation, and in the subsequent plasma treatment step, fine particles P2 are easily formed on the surface of the metal particles P1 by sublimation. As an example of a suitable composition of the raw material particles M, a Ti-Al alloy represented by a Ti-6Al-4V alloy can be mentioned.

原料粒子Mは、実質的に、表面に微粒子を有さない。微粒子を有するものであってもよいが、その場合にも、微粒子の量は、プラズマ処理工程を経て得られる金属粒子P1に付着した微粒子P2の量に比べて、無視できる程度に抑えられる。また、原料粒子Mは、金属酸化物等の金属化合物や、有機成分を、組成の一部として含んでいてもよいが、それらの成分の含有が、続く製造工程や、得られる複合粒子Pの特性に影響を与えないように、原料残渣や雰囲気中の成分、製造工程等に由来して、不可避的に含有される成分を除いて、原料粒子Mは、金属のみよりなることが好ましい。 The raw material particles M have substantially no fine particles on the surface. It may have fine particles, but even in that case, the amount of the fine particles is suppressed to a negligible level as compared with the amount of the fine particles P2 adhering to the metal particles P1 obtained through the plasma treatment step. Further, the raw material particles M may contain a metal compound such as a metal oxide or an organic component as a part of the composition, but the content of these components is included in the subsequent production process or the obtained composite particle P. The raw material particles M are preferably made of only metal, except for the raw material residue, the components in the atmosphere, the components unavoidably contained due to the manufacturing process, and the like so as not to affect the characteristics.

原料粒子Mを製造する方法は、特に限定されないが、アトマイズ法を用いることが好ましい。アトマイズ法は、合金溶湯を微小な液滴とした状態で凝固させることで、金属粒子を得るものである。合金溶湯を真空中に噴射し、噴射された合金溶湯に不活性ガスを吹き付けることによって、微小な液滴を生成するガスアトマイズ法や、高速回転するディスクに液滴を滴下して、遠心力によって微小な液滴を生成するディスクアトマイズ法を適用することができる。アトマイズ法においては、ミクロンオーダーの粒径を有する金属粒子を効率的に得ることができる。アトマイズ法は、種々の合金組成に対して適用することができる。また、ミクロンオーダーの粒径を有し、ある程度円形度の高い金属粒子を得やすいので、本実施形態にかかる製造方法において、原料粒子Mの製造に用いるのに適している。特に、ガスアトマイズ法は、金属粒子の製造効率や簡便性等の観点で好適である。 The method for producing the raw material particles M is not particularly limited, but it is preferable to use the atomizing method. The atomizing method obtains metal particles by solidifying the molten alloy in the form of minute droplets. A gas atomization method that generates minute droplets by injecting molten alloy into a vacuum and spraying an inert gas onto the injected molten alloy, or dropping droplets on a disk that rotates at high speed and using centrifugal force to create minute particles. A disk atomizing method that produces various droplets can be applied. In the atomizing method, metal particles having a particle size on the order of microns can be efficiently obtained. The atomizing method can be applied to various alloy compositions. Further, since it has a particle size on the order of microns and it is easy to obtain metal particles having a high degree of circularity to some extent, it is suitable for use in the production of raw material particles M in the production method according to the present embodiment. In particular, the gas atomizing method is suitable from the viewpoint of production efficiency and convenience of metal particles.

アトマイズ法等によって製造された原料粒子Mに対して、適宜分級等を行い、粒度分布を調整しておいてもよい。続くプラズマ処理工程および解粒工程を経て得られる複合粒子Pは、原料粒子Mと同程度の平均粒径を有するものとなるので、積層造形等、粉末材料の用途に応じて、複合粒子Pにおいて所望される平均粒径に基づいて、原料粒子Mの粒度分布を調整しておけばよい。原料粒子Mの分級は、例えば、後の解粒工程に用いるのと同様の気流分級機を用いて行うことができる。 The raw material particles M produced by the atomizing method or the like may be appropriately classified to adjust the particle size distribution. The composite particles P obtained through the subsequent plasma treatment step and the pulverization step have an average particle size similar to that of the raw material particles M. The particle size distribution of the raw material particles M may be adjusted based on the desired average particle size. The classification of the raw material particles M can be performed, for example, by using an air flow classifier similar to that used in the subsequent pulverization step.

(2)プラズマ処理工程
次のプラズマ処理工程においては、原料準備工程で準備した原料粒子Mに、熱プラズマ処理を行う。
(2) Plasma treatment step In the next plasma treatment step, the raw material particles M prepared in the raw material preparation step are subjected to thermal plasma treatment.

図1に示すように、熱プラズマ処理は、プラズマ処理装置10によって行うことができる。プラズマ処理装置10においては、プラズマ用ガスGに高周波誘導コイル11から高周波を印加することで、プラズマアークPLを発生させる。プラズマアークPLの出力を大きくすることで、熱プラズマを発生させることができ、その中を通過する物質を瞬時に高温まで加熱することができる。 As shown in FIG. 1, the thermal plasma treatment can be performed by the plasma processing apparatus 10. In the plasma processing apparatus 10, a plasma arc PL is generated by applying a high frequency from the high frequency induction coil 11 to the plasma gas G. By increasing the output of the plasma arc PL, thermal plasma can be generated, and the substance passing through the plasma can be instantly heated to a high temperature.

プラズマ処理工程においては、プラズマ処理装置10にて発生させたプラズマアークPLの中に、原料粒子Mを通過させる。原料粒子Mは、プラズマアークPLによって、瞬時に高温まで加熱され、金属粒子間の凝集が解消されるとともに、金属粒子P1の表面において、溶融または昇華を起こす。そして、プラズマアークPLを抜けた位置で急冷を受け、図3(a)に示すように、金属粒子の表面に微粒子P2を有するプラズマ処理粒子P’となる。 In the plasma processing step, the raw material particles M are passed through the plasma arc PL generated by the plasma processing apparatus 10. The raw material particles M are instantly heated to a high temperature by the plasma arc PL to eliminate agglutination between the metal particles and cause melting or sublimation on the surface of the metal particles P1. Then, it is rapidly cooled at a position where it has passed through the plasma arc PL, and as shown in FIG. 3A, it becomes plasma-treated particles P'having fine particles P2 on the surface of the metal particles.

アトマイズ法によって得られた原料粒子Mは、凝集を起こしている場合も多い。しかし、熱プラズマ処理等によって原料粒子Mを加熱することで、その凝集が解消される。これにより、得られる金属粒子P1は、原料粒子Mよりも円形度が向上したものとなる。 The raw material particles M obtained by the atomizing method often cause agglomeration. However, by heating the raw material particles M by thermal plasma treatment or the like, the agglutination is eliminated. As a result, the obtained metal particles P1 have an improved circularity as compared with the raw material particles M.

原料粒子Mがさらに加熱されると、原料粒子Mの少なくとも表面近傍の組織が、溶融または昇華する。溶融または昇華を起こすことで、原料粒子Mが当初有していた粒子形状および表面構造は、一旦解消される。その原料粒子Mが急冷されると、溶融または昇華した材料が再凝固するが、その際に、表面自由エネルギーの効果により、比表面積の低減と表面の平滑化が起こる。これにより、原料粒子Mよりも円形度を高められた金属粒子P1が生成する。 When the raw material particles M are further heated, the structure at least near the surface of the raw material particles M is melted or sublimated. By causing melting or sublimation, the particle shape and surface structure initially possessed by the raw material particles M are temporarily eliminated. When the raw material particles M are rapidly cooled, the melted or sublimated material is re-solidified, and at that time, the specific surface area is reduced and the surface is smoothed by the effect of the surface free energy. As a result, metal particles P1 having a higher circularity than the raw material particles M are generated.

さらに、原料粒子Mの表面近傍の組織が溶融または昇華し、原料粒子Mの表面で急冷凝固される際に、再凝固によって得られる金属粒子P1の表面に、その溶融または昇華した材料を原料として、微粒子P2が生成される。微粒子P2は、金属粒子P1を構成する金属元素のうち、少なくとも一部の金属元素を含有し、金属粒子P1よりも小さな粒径を有する粒子として形成される。生成した微粒子P2は、金属粒子P1の表面に付着したものとなる。 Further, when the structure near the surface of the raw material particles M is melted or sublimated and rapidly cooled and solidified on the surface of the raw material particles M, the melted or sublimated material is used as a raw material on the surface of the metal particles P1 obtained by recoagulation. , Fine particles P2 are generated. The fine particles P2 are formed as particles containing at least a part of the metal elements constituting the metal particles P1 and having a particle size smaller than that of the metal particles P1. The generated fine particles P2 are attached to the surface of the metal particles P1.

特に、原料粒子Mの成分組成の中に、Al,Mg,Cu,Sn等、他の成分金属元素よりも昇華しやすい金属元素が含まれる場合には、その昇華しやすい金属、またはもとの原料粒子Mの成分組成よりもその昇華しやすい金属の濃度が高くなった合金が、優先的に、原料粒子Mから昇華する。そして、円形度を高められた金属粒子P1の表面で再凝固する際に、他の成分金属との再凝固に関する挙動の差によって、金属粒子P1の表面に微粒子P2を形成しやすい。この場合には、製造される複合粒子Pにおいて、その昇華しやすい元素が、金属粒子P1にも、生成する微粒子P2にも含有されることになる。上で原料粒子Mを構成する金属種の例として列挙したチタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金としては、Al,Mg,Cu,Sn等の昇華しやすい金属元素を含有するものが、公知である。 In particular, when the component composition of the raw material particles M contains a metal element such as Al, Mg, Cu, Sn, which is more easily sublimated than other component metal elements, the metal that is easily sublimated or the original The alloy having a higher concentration of the metal that easily sublimates than the component composition of the raw material particles M preferentially sublimates from the raw material particles M. Then, when resolidifying on the surface of the metal particles P1 having an increased circularity, fine particles P2 are likely to be formed on the surface of the metal particles P1 due to the difference in behavior regarding resolidification with other component metals. In this case, in the produced composite particle P, the element that easily sublimates is contained in both the metal particle P1 and the generated fine particles P2. As the titanium alloys, nickel alloys, cobalt alloys, and iron alloys listed above as examples of the metal species constituting the raw material particles M, those containing easily sublimable metal elements such as Al, Mg, Cu, and Sn are known. Is.

プラズマ処理工程によって、原料粒子Mを構成する金属材料が表面から昇華して形成される微粒子P2において、金属元素がとる状態は、特に限定されるものではなく、金属状態にあっても、少なくとも一部が金属化合物の状態にあってもよい。プラズマアークPL中では、生成した金属微粒子が、即座に酸化され、微粒子P2の少なくとも表面部分は、金属酸化物となりやすい。 In the fine particles P2 formed by sublimating the metal material constituting the raw material particles M from the surface by the plasma treatment step, the state taken by the metal element is not particularly limited, and even if it is in the metal state, at least one state is taken. The part may be in the state of a metal compound. In the plasma arc PL, the generated metal fine particles are immediately oxidized, and at least the surface portion of the fine particles P2 tends to become a metal oxide.

プラズマ処理工程を経て得られるプラズマ処理粒子P’においては、上記のように、微粒子P2が金属粒子P1の表面に付着して生成し、後に詳しく説明するように、金属粒子P1間に働く引力相互作用を低減し、粉末材料の流動性を向上させる役割を果たすが、プラズマ処理工程においては、そのような役割を果たすのに十分な量を超えて、過剰量の微粒子(過剰微粒子)P3が生成する場合がある。それら過剰微粒子P3も、金属粒子P1の表面に付着した微粒子(付着微粒子)P2と同様に、原料粒子Mを構成する金属元素の少なくとも一部が、プラズマアークPL中で昇華し、再凝固して生成される微粒子であり、金属粒子P1よりも小さな粒径を有し、少なくとも一部が金属酸化物の状態にある。 In the plasma-treated particles P'obtained through the plasma treatment step, as described above, the fine particles P2 are generated by adhering to the surface of the metal particles P1, and as will be described in detail later, the attractive forces acting between the metal particles P1 are mutual. It plays a role in reducing the action and improving the fluidity of the powder material, but in the plasma treatment process, an excess amount of fine particles (excess fine particles) P3 is generated in excess of the amount sufficient to play such a role. May be done. Similar to the fine particles (adhered fine particles) P2 attached to the surface of the metal particles P1, at least a part of the metal elements constituting the raw material particles M is sublimated and resolidified in the plasma arc PL in the excess fine particles P3. It is a fine particle to be produced, has a particle size smaller than that of the metal particle P1, and is in a state of at least a part of a metal oxide.

金属粒子P1の表面の付着微粒子P2と、過剰微粒子P3との間に、成分組成や形状、大きさ、金属粒子P1との相互作用等の各種特性において、明確な差が存在しない場合もある。しかし、付着微粒子P2が、金属粒子P1の表面に、強固に付着した状態で生成するのに対し、過剰微粒子P3は、付着微粒子P2に比べて、金属粒子P1に対する付着力の弱い、煤塵状微粒子として生成することも多い。この場合に、過剰微粒子P3は、後の実施例に示されるように、金属粒子P1の表面に強固に付着した付着微粒子P2の外側に堆積するようにして、金属粒子P1に弱く結合された状態で生成しやすい。また、過剰粒子P3の一部が、金属粒子P1の表面に付着または堆積することなく、金属粒子P1に微粒子P2が付着した複合粒子Pと混ざり合う形で、プラズマ処理粒子P’に含有される場合もある。 In some cases, there is no clear difference between the adhered fine particles P2 on the surface of the metal particles P1 and the excess fine particles P3 in various properties such as component composition, shape, size, and interaction with the metal particles P1. However, while the adhered fine particles P2 are generated in a state of being firmly adhered to the surface of the metal particles P1, the excess fine particles P3 have a weaker adhesive force to the metal particles P1 than the adhered fine particles P2, and are dust-like fine particles. Often generated as. In this case, as shown in a later example, the excess fine particles P3 are weakly bound to the metal particles P1 so as to be deposited on the outside of the adhered fine particles P2 firmly attached to the surface of the metal particles P1. Easy to generate with. Further, a part of the excess particles P3 is contained in the plasma-treated particles P'in a form of being mixed with the composite particles P to which the fine particles P2 are attached to the metal particles P1 without adhering or accumulating on the surface of the metal particles P1. In some cases.

以上のように、原料粒子Mに対して熱プラズマ処理を行うことで、円形度の高い金属粒子P1と、金属粒子P1よりも小さい粒径を有する微粒子P2,P3とが生成し、プラズマ処理粒子P’が得られる。プラズマ処理粒子P’は、プラズマアークPLによる加熱で生成した微粒子の少なくとも一部が、付着微粒子P2として、金属粒子P1の表面に強固に付着しているとともに、過剰に生成した微粒子である過剰微粒子P3も含有するものとなる。 As described above, by performing the thermal plasma treatment on the raw material particles M, the metal particles P1 having a high circularity and the fine particles P2 and P3 having a particle size smaller than the metal particles P1 are generated, and the plasma-treated particles. P'is obtained. In the plasma-treated particles P', at least a part of the fine particles generated by heating by the plasma arc PL is firmly adhered to the surface of the metal particles P1 as the adhered fine particles P2, and the excess fine particles are excessively generated fine particles. It also contains P3.

(3)解粒工程
プラズマ処理工程で得られたプラズマ処理粒子P’は、次に解粒工程に供される。解粒工程においては、気流によるせん断を利用して、過剰微粒子P3の分離・除去を行う。
(3) Dissolution Step The plasma-treated particles P'obtained in the plasma treatment step are then subjected to the granulation step. In the pulverization step, excess fine particles P3 are separated and removed by utilizing shearing due to an air flow.

解粒工程は、気流によるせん断を利用して、過剰微粒子P3を、金属粒子P1の表面から、解粒によって分離し、除去することができれば、具体的な方法は、特に限定されるものではない。しかし、図2に示すように、気流分級機20を用いて、解粒工程を実施することが好ましい。 In the pulverization step, the specific method is not particularly limited as long as the excess fine particles P3 can be separated from the surface of the metal particles P1 by pulverization and removed by utilizing shearing by an air flow. .. However, as shown in FIG. 2, it is preferable to carry out the pulverization step using the air flow classifier 20.

気流分級機20は、本来、気流を用いて、粉末材料の分級、つまり粒径の選別を行うのに用いられる装置であるが、運転条件の選択等により、粒子の集合体のせん断、つまり集合構造の解消を行うことができる。気流分級機20としては、特開2003−145052号公報に開示されるもののように、強制渦式気流分級機を用いることが好ましい。 The airflow classifier 20 is originally a device used for classifying powder materials, that is, selecting particle sizes using airflow, but depending on the selection of operating conditions or the like, shearing of aggregates of particles, that is, aggregation The structure can be eliminated. As the airflow classifier 20, it is preferable to use a forced vortex type airflow classifier as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145502.

この種の気流分級装置には、高速回転する分級ロータ24と、分散羽根22が設けられており、分級ロータ24を回転させると、ケーシング21と分散羽根22の間の空隙23に、せん断流れが発生する。そのせん断流れの中に、供給口21aから、粉末材料を投入すると、粉末材料が、その空隙23を通過する間に、せん断力による解粒を受ける。解粒後の粒子は、分級ロータ24による遠心力と、分級羽根55からの気流による抗力を受ける。この際、粒子に、粒径に応じた遠心力および抗力が働くことにより、粗粉と微粉が分離される。遠心力が大きく働く大径の粒子(粗粉)は、粗粉領域26に移動する一方、抗力が大きく働く小径の粒子(微粉)は、微粉領域27に移動する。 This type of airflow classification device is provided with a classification rotor 24 that rotates at high speed and a dispersion blade 22, and when the classification rotor 24 is rotated, a shear flow is generated in the gap 23 between the casing 21 and the dispersion blade 22. appear. When the powder material is put into the shear flow from the supply port 21a, the powder material is pulverized by the shearing force while passing through the void 23. The particles after pulverization receive the centrifugal force of the classification rotor 24 and the drag force of the air flow from the classification blade 55. At this time, the coarse powder and the fine powder are separated by the centrifugal force and the drag force acting on the particles according to the particle size. Large-diameter particles (coarse powder) having a large centrifugal force move to the coarse powder region 26, while small-diameter particles (fine powder) having a large drag force move to the fine powder region 27.

本実施形態にかかる製造方法の解粒工程においては、上記のプラズマ処理工程を経て、プラズマ処理装置10から放出されたプラズマ処理粒子P’を含む粉体を、空気とともに、気流分級機20に投入する。気流分級機20に供給口21aから投入されたプラズマ処理粒子P’は、分散羽根22とケーシング21の間の空隙23を通過する間に、気流によるせん断力を受けて、解粒を起こす。その結果、過剰微粒子P3が、金属粒子P1の表面から解粒分離され、微粉領域27に移動する。一方、付着微粒子P2は、図3(b)のように、金属粒子P1の表面に付着した状態を維持し、金属粒子P1とともに、複合粒子Pを構成した状態を維持する。その複合粒子Pは、粗粉領域26に移動する。このようにして、過剰粒子P3を、金属粒子P1の表面から分離・除去して、複合粒子Pを、粗粉領域から分取することができる。 In the granulation step of the manufacturing method according to the present embodiment, the powder containing the plasma-treated particles P'released from the plasma treatment apparatus 10 through the above-mentioned plasma treatment step is charged into the airflow classifier 20 together with air. do. The plasma-treated particles P'injected into the airflow classifier 20 from the supply port 21a receive shearing force due to the airflow while passing through the gap 23 between the dispersion blade 22 and the casing 21, and cause granulation. As a result, the excess fine particles P3 are pulverized and separated from the surface of the metal particles P1 and move to the fine powder region 27. On the other hand, the adhered fine particles P2 maintain the state of being adhered to the surface of the metal particles P1 as shown in FIG. 3B, and maintain the state of forming the composite particles P together with the metal particles P1. The composite particle P moves to the coarse powder region 26. In this way, the excess particles P3 can be separated / removed from the surface of the metal particles P1 and the composite particles P can be separated from the coarse powder region.

上記のように、過剰微粒子P3は、煤塵状微粒子等の状態をとり、付着微粒子P2と比較して、金属粒子P1に対する付着力が弱くなっている場合が多いが、そのような場合には、付着微粒子P2は、金属粒子P1の表面に付着した状態に維持しながら、過剰微粒子P3を、金属粒子P1の表面から分離して除去しやすい。金属粒子P1との相互作用において、付着微粒子P2と過剰微粒子P3の間に大きな差が存在しない場合でも、分級ロータ24の回転速度等、気流分級機20の運転条件を調整することで、製造される粉末材料の流動性の向上に必要な量の微粒子を、付着微粒子P2として金属粒子P1の表面に残しながら、残りの微粒子を、過剰微粒子P3として、金属粒子P1の表面から除去することができる。金属粒子P1は、粉砕や変形等、気流による影響をほぼ受けず、プラズマ処理粒子P’でとっていた構造を、実質的に維持する。 As described above, the excess fine particles P3 are in the state of soot-like fine particles and the like, and in many cases, the adhesive force to the metal particles P1 is weaker than that of the adhered fine particles P2. The adhered fine particles P2 can easily separate and remove excess fine particles P3 from the surface of the metal particles P1 while maintaining the state of being attached to the surface of the metal particles P1. Even if there is no large difference between the adhered fine particles P2 and the excess fine particles P3 in the interaction with the metal particles P1, it is manufactured by adjusting the operating conditions of the airflow classifying machine 20 such as the rotation speed of the classifying rotor 24. The remaining fine particles can be removed from the surface of the metal particles P1 as excess fine particles P3 while leaving an amount of fine particles necessary for improving the fluidity of the powder material as attached fine particles P2 on the surface of the metal particles P1. .. The metal particles P1 are substantially unaffected by airflow such as crushing and deformation, and substantially maintain the structure taken by the plasma-treated particles P'.

解粒工程は、本来の用途として、粒子の粒径の選別が想定されている気流分級機20を用いて行って実施されるため、気流によるせん断を利用した過剰微粒子P3の分離・除去と同時に、付着微粒子P2が金属粒子P1に付着した複合粒子Pの分級、つまり粒度分布の調整も、同時に行うことができる。具体的には、分級ロータ24の回転速度等、気流分級機20の運転条件を選択することで、プラズマ処理粉末P’から過剰微粒子P3を解粒分離して、複合粒子Pを生成させるとともに、生成した複合粒子Pのうち、所望の粒径を有するものを選別して粗粉領域26に導き、分取することができる。 Since the pulverization step is carried out by using the airflow classifier 20 which is supposed to sort the particle size of the particles as the original use, it is performed at the same time as the separation / removal of the excess fine particles P3 using shearing by the airflow. The classification of the composite particles P in which the adhered fine particles P2 are attached to the metal particles P1, that is, the adjustment of the particle size distribution can be performed at the same time. Specifically, by selecting the operating conditions of the airflow classifier 20 such as the rotation speed of the classifying rotor 24, the excess fine particles P3 are pulverized and separated from the plasma-treated powder P'to generate composite particles P, and the composite particles P are generated. Among the produced composite particles P, those having a desired particle size can be selected, guided to the coarse powder region 26, and sorted.

以上のように、解粒工程においては、気流によるせん断を利用して、プラズマ処理粒子P’を構成する金属粒子P1の表面から、微粒子の一部に相当する過剰微粒子P3を分離して除去し、金属粒子P1の表面に残りの微粒子である付着微粒子P2が付着した複合粒子Pを、分取することができる。また、同時に、複合粒子Pの分級も行うことができる。 As described above, in the pulverization step, excess fine particles P3 corresponding to a part of fine particles are separated and removed from the surface of the metal particles P1 constituting the plasma-treated particles P'by utilizing shearing by the air flow. The composite particles P to which the adhered fine particles P2, which are the remaining fine particles, are attached to the surface of the metal particles P1 can be separated. At the same time, the composite particles P can be classified.

以上に説明した形態では、解粒工程は、気流分級機20を用いて行っているが、気流分級機20の代わりに、あるいは気流分級機20と合わせて、気流分散装置を用いる形態としてもよい。気流分散装置は、リングノズル等を用いて、高速気流を発生させ、粉体に衝突させるものである。粉体は、気流による加速を受け、粒子間衝突、装置壁面との衝突、またせん断力の印加により、粒子間の凝集状態を解消され、分散される。このような気流分散装置を用いても、プラズマ処理粒子P’において、過剰微粒子P3を金属粒子P1の表面から分離・除去することができる。 In the form described above, the pulverization step is performed by using the airflow classifying machine 20, but the airflow classifying machine 20 may be used instead of the airflow classifying machine 20 or in combination with the airflow classifying machine 20. .. The airflow disperser uses a ring nozzle or the like to generate a high-speed airflow and collide with the powder. The powder is accelerated by the air flow, and the agglomerated state between the particles is eliminated and dispersed by the collision between the particles, the collision with the wall surface of the device, and the application of the shearing force. Even if such an air flow disperser is used, the excess fine particles P3 can be separated and removed from the surface of the metal particles P1 in the plasma-treated particles P'.

解粒工程を、気流分散装置のみを用いて行ってもよいが、気流分級機20の前段に気流分散装置を配置して行うことが好ましい。つまり、プラズマ処理粒子P’を、まず気流分散装置に通し、気流分散装置から放出された粉体を、気流分級機20に導入すればよい。気流分散装置によって、プラズマ処理粒子P’を構成する金属粒子P1の表面から、過剰微粒子P3が解粒分離される。そして、分離された過剰微粒子P3を複合粒子Pとともに含む粉体が、気流分散装置から放出される。この気流分散装置から放出された粉体を気流分級機20に導入することで、過剰微粒子P3の金属粒子P1表面からの解粒分離をさらに進めるとともに、過剰微粒子P3を除去された複合粒子Pを、過剰微粒子P3と空間的に隔離し、複合粒子Pを分取することができる。また、複合粒子Pに対して分級を行うことができる。気流分級機20の前段に気流分散装置を設ける場合に、気流分散装置から処理済の粉末材料が放出される放出口と、気流分級機20に粉末材料を投入する供給口21aとを、直接接続しておくとよい。すると、気流分散装置から、気流とともに放出される粉体が、直接、つまり外部の環境に接触することなく、気流分級機20に導入されるようになり、気流分散装置による処理と、気流分級機20による処理を、連続して行うことができる。 The pulverization step may be performed using only the airflow disperser, but it is preferable to arrange the airflow disperser in front of the airflow classifier 20. That is, the plasma-treated particles P'may be first passed through the airflow disperser, and the powder released from the airflow disperser may be introduced into the airflow classifier 20. The air flow disperser separates the excess fine particles P3 from the surface of the metal particles P1 constituting the plasma-treated particles P'. Then, the powder containing the separated excess fine particles P3 together with the composite particles P is released from the air flow disperser. By introducing the powder released from this air flow disperser into the air flow classifier 20, the separation of the excess fine particles P3 from the surface of the metal particles P1 is further promoted, and the composite particles P from which the excess fine particles P3 have been removed are produced. , The composite particle P can be separated by spatially separating it from the excess fine particle P3. Further, the composite particle P can be classified. When the airflow disperser is provided in front of the airflow classifier 20, the discharge port from which the processed powder material is discharged from the airflow disperser and the supply port 21a for charging the powder material into the airflow classifier 20 are directly connected. It is good to do it. Then, the powder discharged from the airflow disperser together with the airflow is introduced into the airflow classifier 20 directly, that is, without coming into contact with the external environment. The processing according to 20 can be continuously performed.

[製造される粉末材料]
本実施形態にかかる製造方法によって製造される粉末材料は、図3(b)に示すように、球形に近い形状を有する金属粒子P1の表面に、微粒子P2が付着した複合粒子Pを含んでいる。粉末材料は、過剰微粒子P3を、解粒工程で除去しきれなかった不可避的成分を除いて、含有していない。
[Powder material to be manufactured]
As shown in FIG. 3B, the powder material produced by the production method according to the present embodiment contains composite particles P to which fine particles P2 are attached to the surface of metal particles P1 having a shape close to a sphere. .. The powder material does not contain excess fine particles P3 except for unavoidable components that could not be completely removed in the granulation step.

複合粒子Pを構成する金属粒子P1は、原料粒子Mの一次粒径とほぼ同じ粒径を有し、原料粒子Mとほぼ同じ成分組成を有している。金属粒子P1の粒径は、複合粒子P全体としての粒径と実質的に等しく、積層造形の原料としての好適性の観点から、平均粒径で、10μm以上であることが好ましい。また、500μm以下、特に100μm以下であることが好ましい。なお、平均粒径とは、質量基準分布における篩下積算分率が50%となる粒子径(d50)を指す。 The metal particles P1 constituting the composite particles P have substantially the same particle size as the primary particle size of the raw material particles M, and have substantially the same component composition as the raw material particles M. The particle size of the metal particles P1 is substantially equal to the particle size of the composite particles P as a whole, and the average particle size is preferably 10 μm or more from the viewpoint of suitability as a raw material for laminated molding. Further, it is preferably 500 μm or less, particularly preferably 100 μm or less. The average particle size refers to the particle size (d50) at which the integrated fraction under the sieve in the mass reference distribution is 50%.

金属粒子P1は、プラズマ処理工程による表面部の溶融と再凝固を経て、原料粒子Mよりも円形度が高く、対称性の高い形状と平滑な表面を有している。金属粒子P1が高い円形度を有していることで、その形状の効果により、粉末材料における内部摩擦角(φ)が小さくなる。すると、粉末材料の集合体の崩れやすさが向上し、粉末材料の流動性が高くなる。また、粉末床等として、金属粒子P1を敷き詰めた際に、粉末材料を密に充填することが可能となり、充填性が向上する。好ましくは、複合粒子Pとしての円形度が、平均粒径において、0.90以上、さらには0.95以上であることが好ましい。 The metal particles P1 have a higher circularity than the raw material particles M, have a highly symmetric shape, and have a smooth surface after being melted and resolidified on the surface portion by a plasma treatment step. Since the metal particles P1 have a high circularity, the internal friction angle (φ) in the powder material becomes small due to the effect of the shape. Then, the easiness of collapsing of the aggregate of the powder material is improved, and the fluidity of the powder material is increased. Further, when the metal particles P1 are spread as a powder bed or the like, the powder material can be densely filled, and the filling property is improved. Preferably, the circularity of the composite particles P is 0.90 or more, more preferably 0.95 or more, in terms of average particle size.

ミクロンオーダーの粒径を有する原料粒子Mを用いてプラズマ処理工程を実施した場合に、ミクロンオーダーの粒径を有する金属粒子P1の表面に、付着微粒子P2として、ナノ粒子が形成されやすい。具体的には、付着微粒子P2として、1nm以上、また、200nm以下の平均粒径を有するものが形成されやすい。 When the plasma treatment step is carried out using the raw material particles M having a particle size on the order of micron, nanoparticles are likely to be formed as adhered fine particles P2 on the surface of the metal particles P1 having a particle size on the order of micron. Specifically, the adhered fine particles P2 having an average particle size of 1 nm or more and 200 nm or less are likely to be formed.

上記のように、付着微粒子P2を構成する金属元素は、原料粒子M、また熱プラズマ処理を経た金属粒子P1を構成する金属元素の、少なくとも1種よりなっている。付着微粒子P2に含有される金属元素が、金属粒子P1に含有される金属元素の少なくとも一部と同じであることで、三次元造形物等、粉末材料を用いて製造される製品において、金属粒子P1を構成する以外の金属元素が含有されないことになる。付着微粒子P2の形状は特に限定されないが、原料粒子Mの構成材料の溶融または昇華と再凝固を経て形成されるため、不規則形状をとりやすい。 As described above, the metal element constituting the adhered fine particles P2 is composed of at least one of the raw material particles M and the metal elements constituting the metal particles P1 that have undergone thermal plasma treatment. Since the metal element contained in the adhered fine particles P2 is the same as at least a part of the metal element contained in the metal particles P1, the metal particles are produced in a product manufactured by using a powder material such as a three-dimensional model. It does not contain any metal elements other than those constituting P1. The shape of the adhered fine particles P2 is not particularly limited, but it is likely to take an irregular shape because it is formed through melting or sublimation and resolidification of the constituent materials of the raw material particles M.

金属粒子P1の表面に付着微粒子P2が存在していることにより、付着微粒子P2が金属粒子P1の間に介在され、金属粒子P1の間に、微粒子P2の粒径以上の距離が保たれることになる。ファンデルワールス力、静電引力等、金属粒子P1間に働く引力は、金属粒子P1間の距離が大きくなると、小さくなる。つまり、付着微粒子P2の存在によって、金属粒子P1間の距離を確保することにより、金属粒子P1の相互間における引力が低減される。これにより、金属粒子P1間に働くせん断付着力(τ)を低減し、その結果として、粉末材料の流動性を高めることができる。 Due to the presence of the adhered fine particles P2 on the surface of the metal particles P1, the adhered fine particles P2 are interposed between the metal particles P1 and a distance equal to or larger than the particle size of the fine particles P2 is maintained between the metal particles P1. become. The attractive force acting between the metal particles P1 such as van der Waals force and electrostatic attractive force becomes smaller as the distance between the metal particles P1 increases. That is, due to the presence of the adhered fine particles P2, the attractive force between the metal particles P1 is reduced by securing the distance between the metal particles P1. As a result, the shear adhesion force (τ s ) acting between the metal particles P1 can be reduced, and as a result, the fluidity of the powder material can be increased.

このように、本実施形態にかかる製造方法において、原料粒子Mを熱プラズマ処理によって加熱して、円形度の向上した金属粒子P1の表面に微粒子P2が付着した複合粒子Pとすることで、円形度の向上と微粒子P2の付着の両方の効果により、もとの原料粒子Mと比べて、金属粒子P1の間に働くせん断付着力(τ)が低減される。また、内部摩擦角(φ)も小さくなる。それらの結果、粉末材料の流動性が向上する。また、粉末材料の充填性も向上する。例えば、プラズマ処理工程を経て得られる複合粒子P(解粒工程実施後)において、原料粒子Mと比較して、せん断付着力を嵩密度で規格化した値である嵩密度規格化せん断付着力(τ/ρ)を、60%以下、さらには55%以下に低減することができる。また、内部摩擦角(φ)を、tanφで、原料粒子Mの90%以下に低減することができる。 As described above, in the production method according to the present embodiment, the raw material particles M are heated by thermal plasma treatment to form composite particles P in which fine particles P2 are attached to the surface of the metal particles P1 having improved circularity, thereby forming a circular shape. Due to the effects of both the improvement of the degree and the adhesion of the fine particles P2, the shear adhesion force (τ s ) acting between the metal particles P1 is reduced as compared with the original raw material particles M. In addition, the internal friction angle (φ) is also reduced. As a result, the fluidity of the powder material is improved. In addition, the filling property of the powder material is also improved. For example, in the composite particles P (after the granulation step is performed) obtained through the plasma treatment step, the bulk density standardized shear adhesion force (bulk density standardized shear adhesion force), which is a value obtained by standardizing the shear adhesion force by the bulk density as compared with the raw material particles M. τ s / ρ) can be reduced to 60% or less, and further to 55% or less. Further, the internal friction angle (φ) can be reduced to 90% or less of the raw material particles M with tanφ.

粉末材料の流動性と充填性が向上されることで、粉末材料を、積層造形の原料として、好適に用いることが可能となる。例えば、積層造形法のうち、SLM法やEBM法等の粉末積層溶融法を実施する場合には、ホッパーから粉末材料を供給し、基材の上に敷き詰めて、粉末床を形成する。この際、粉末材料が高い流動性を有することにより、ホッパーから安定して粉末材料を流出させることができる。また、リコーター等を用いて、粉末材料を敷き詰めて、粉末床とする際に、粉末材料が高い流動性と充填性を有していることにより、粉末材料の敷き詰めを、高密度に、また均質に行いやすくなる。粉末床の充填密度が高められることで、得られる三次元造形物の均質性も向上される。LMD法をはじめとする粉末堆積法による積層造形においても、流動性に優れた粉末材料を用いることで、ノズルに粉末材料を安定して供給することができる。また、ノズルから造形を行う箇所に向かって、気流とともに粉末材料を噴射する際に、ノズルの閉塞を抑制し、造形を安定して進めることができる。 By improving the fluidity and filling property of the powder material, the powder material can be suitably used as a raw material for laminated modeling. For example, in the additive manufacturing method, when the powder layered melting method such as the SLM method or the EBM method is carried out, the powder material is supplied from the hopper and spread on the base material to form a powder bed. At this time, since the powder material has high fluidity, the powder material can be stably discharged from the hopper. Further, when the powder material is spread using a recorder or the like to form a powder bed, the powder material has high fluidity and filling property, so that the powder material can be spread with high density and homogeneity. It will be easier to do. By increasing the packing density of the powder bed, the homogeneity of the obtained three-dimensional model is also improved. Even in the laminated molding by the powder deposition method such as the LMD method, the powder material can be stably supplied to the nozzle by using the powder material having excellent fluidity. Further, when the powder material is injected together with the air flow from the nozzle to the portion to be modeled, the nozzle can be suppressed from being blocked and the modeling can be stably advanced.

さらに、本実施形態にかかる製造方法によって得られる粉末材料においては、気流によるせん断を利用した解粒工程を経ることで、プラズマ処理工程で発生した過剰微粒子P3が、複合粒子Pから解粒分離され、除去されている。金属よりなる原料粒子Mを熱プラズマ処理した際には、不可避的に、煤塵状微粒子等の過剰微粒子P3が発生するが、解粒工程を経ることで、金属粒子P1に微粒子P2が付着した複合粒子Pの構造を維持しながら、それら過剰微粒子P3の分離・除去を行うことができる。 Further, in the powder material obtained by the production method according to the present embodiment, the excess fine particles P3 generated in the plasma treatment step are pulverized and separated from the composite particles P by undergoing the pulverization step utilizing shearing by the air flow. , Has been removed. When the raw material particles M made of metal are subjected to thermal plasma treatment, excess fine particles P3 such as soot-like fine particles are inevitably generated. The excess fine particles P3 can be separated and removed while maintaining the structure of the particles P.

上記のように、微粒子P2が金属粒子P1の間に介在されることで、金属粒子P1間の引力が低減され、粉末材料の流動性が向上するが、微粒子が過剰に含有されても、流動性向上の効果は飽和する。むしろ、酸化物等の金属化合物を含む微粒子が過剰に存在することで、積層造形等によって粉末材料から製造される金属製品の品質に、不純物の生成等を通して、影響を与える可能性がある。しかし、本製造方法によって得られる粉末材料においては、過剰微粒子P3が分離・除去されており、煤塵状微粒子等の過剰微粒子P3を、不可避的成分を除いて含有しないことで、粉末材料における酸化物等の金属化合物の含有量が抑えられ、金属化合物の過剰な含有による製品の品質への影響を、低減することができる。 As described above, by interposing the fine particles P2 between the metal particles P1, the attractive force between the metal particles P1 is reduced and the fluidity of the powder material is improved. The effect of improving sex is saturated. Rather, the excessive presence of fine particles containing a metal compound such as an oxide may affect the quality of a metal product produced from a powder material by laminated molding or the like through the generation of impurities or the like. However, in the powder material obtained by this production method, excess fine particles P3 are separated and removed, and the excess fine particles P3 such as soot-like fine particles are not contained except for unavoidable components, so that the oxide in the powder material is not contained. The content of the metal compound such as the above can be suppressed, and the influence on the quality of the product due to the excessive content of the metal compound can be reduced.

例えば、プラズマ処理工程の後、解粒工程を経て得られる複合粒子Pにおいて、解粒工程を経る前の過剰微粒子P3を含んだプラズマ処理粒子P’と比較して、粉末材料中の酸素濃度(酸素値)を、90%以下に低減することができる。過剰微粒子P3の除去は、粉末材料の比表面積によっても評価することができ、過剰微粒子P3を含んだプラズマ処理粒子P’に対して、解粒工程を実施することで、比表面積を、70%以下に低減することができる。 For example, in the composite particles P obtained through the pulverization step after the plasma treatment step, the oxygen concentration in the powder material (as compared with the plasma-treated particles P'containing the excess fine particles P3 before the pulverization step, Oxygen value) can be reduced to 90% or less. The removal of the excess fine particles P3 can also be evaluated by the specific surface area of the powder material, and the specific surface area can be reduced to 70% by performing the pulverization step on the plasma-treated particles P'containing the excess fine particles P3. It can be reduced to:

本製造方法においては、解粒工程を、気流によるせん断を用いて実施しているため、製造される粉末材料において、過剰微粒子P3の分離・除去が十分に達成される一方、付着微粒子P2が円形度の高い金属粒子P1の表面に付着した複合粒子Pの構造は、解粒工程を経ても、ほぼ影響を受けずに保持される。過剰微粒子P3の分離・除去は、例えば、ジェットミルや回転体等、機械的手段を用いても行える可能性があるが、そのような場合には、金属粒子P1の表面に残存させるべき付着微粒子P2まで除去してしまう可能性や、さらには、金属粒子P1にまで破砕や変形等の影響を与える可能性があり、複合粒子Pの構造を維持することが困難である。気流によるせん断であれば、激しい力学的な刺激を複合粒子Pに印加することはないため、それらの事態を避け、円形度の高い金属粒子P1の表面に微粒子P2が付着した複合粒子Pを与えるものとなる。また、複合粒子Pからの過剰微粒子P3の分離は、超音波振動等、湿式法でも行うことが可能であるが、その場合には、媒質を用いる必要があり、複合粒子Pから分離された過剰微粒子P3を含む媒質を、濾過等によって除去しなければ、複合粒子Pを粉末状で得ることができない。しかし、過剰微粒子P3の分離を、気流によるせん断によって行うことで、過剰微粒子P3の分離・除去のために、液体の媒質等、プラズマ処理粒子P’とともに気流分級機20に導入する気体以外の物質を用いる必要がなく、過剰微粒子P3の分離の後に、ろ過や精製等の工程を実施しなくても、複合粒子Pを高純度で含んだ粉末材料を得ることができる。 In this production method, since the pulverization step is carried out by using shearing by an air flow, separation / removal of excess fine particles P3 is sufficiently achieved in the produced powder material, while the adhered fine particles P2 are circular. The structure of the composite particles P adhering to the surface of the metal particles P1 having a high degree of degree is maintained almost unaffected even after the pulverization step. The excess fine particles P3 may be separated / removed by using mechanical means such as a jet mill or a rotating body. In such a case, the adhered fine particles to be left on the surface of the metal particles P1. It is difficult to maintain the structure of the composite particle P because there is a possibility that the metal particles P2 may be removed, and further, the metal particles P1 may be affected by crushing or deformation. In the case of shearing due to an air flow, a violent mechanical stimulus is not applied to the composite particles P, so avoid these situations and provide the composite particles P in which the fine particles P2 are attached to the surface of the metal particles P1 having a high circularity. It becomes a thing. Further, the excess fine particles P3 separated from the composite particles P can be separated by a wet method such as ultrasonic vibration, but in that case, it is necessary to use a medium, and the excess fine particles P3 separated from the composite particles P need to be used. Unless the medium containing the fine particles P3 is removed by filtration or the like, the composite particles P cannot be obtained in the form of powder. However, by separating the excess fine particles P3 by shearing with an air flow, a substance other than a gas to be introduced into the air flow classifier 20 together with the plasma-treated particles P', such as a liquid medium, for separating and removing the excess fine particles P3. It is not necessary to use the above, and a powder material containing the composite particles P in high purity can be obtained without performing steps such as filtration and purification after the separation of the excess fine particles P3.

解粒工程に由来して、複合粒子Pの構造の変化、また他の物質の混在等が起こらないことで、プラズマ処理工程を経て向上された複合粒子Pの流動性および充填性が、解粒工程を経ても、高度に維持されることになる。つまり、プラズマ処理工程において、金属粒子P1の円形度の向上と付着微粒子P2の生成が起こることで、粉末材料のせん断付着力(τ)および内部摩擦角(φ)が小さくなるが、解粒工程を経ても、せん断付着力(τ)および内部摩擦角(φ)は、プラズマ処理工程を経て原料粒子Mよりも低減された状態を、維持する。さらには、嵩密度規格化せん断付着力(τ/ρ)の値が、解粒工程を経ることで、プラズマ処理工程のみを経た場合と比較して、さらに小さくなる場合もある。これは、プラズマ処理工程で生じた微粒子のうち、せん断付着力の向上に実質的に寄与せず、むしろ高い付着力を示すものが、除去されるためであると考えられる。 Due to the fact that the structure of the composite particle P does not change or the mixture of other substances does not occur due to the pulverization step, the fluidity and filling property of the composite particle P improved through the plasma treatment step are pulverized. It will be maintained at a high level even after going through the process. That is, in the plasma treatment step, the circularity of the metal particles P1 is improved and the adhered fine particles P2 are generated, so that the shear adhesive force (τ s ) and the internal friction angle (φ) of the powder material are reduced, but the particles are pulverized. Even after the step, the shear adhesion force (τ s ) and the internal friction angle (φ) are maintained in a state of being reduced as compared with the raw material particles M through the plasma treatment step. Further, the value of the bulk density normalized shear adhesion force (τ s / ρ) may be further reduced by passing through the pulverization step as compared with the case where only the plasma treatment step is passed. It is considered that this is because among the fine particles generated in the plasma treatment step, those that do not substantially contribute to the improvement of the shear adhesion force but rather show a high adhesion force are removed.

以上のように、本実施形態にかかる製造方法によって製造される粉末材料は、プラズマ処理工程を経て円形度を高められた金属粒子P1と、その金属粒子P1に付着した微粒子P2とからなる複合粒子Pを含むことにより、流動性と充填性に優れる。さらに、解粒工程を経ることにより、そのような複合粒子Pの構造を維持しながら、プラズマ処理工程で生じた過剰量の微粒子P3が分離・除去されているため、酸素含有量の増大が抑制されている。そのため、製造した粉末材料を、積層造形法による三次元造形物の製造に、好適に用いることができる。 As described above, the powder material produced by the production method according to the present embodiment is a composite particle composed of metal particles P1 whose circularity has been increased through a plasma treatment step and fine particles P2 adhering to the metal particles P1. By containing P, it is excellent in fluidity and filling property. Further, by passing through the pulverization step, the excess amount of fine particles P3 generated in the plasma treatment step is separated and removed while maintaining the structure of such composite particles P, so that the increase in oxygen content is suppressed. Has been done. Therefore, the produced powder material can be suitably used for producing a three-dimensional model by the laminated modeling method.

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。ここでは、上記で説明した各製造工程を経ることで、粉末材料の状態や特性がどのように変化するかを調べた。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Here, it was investigated how the state and properties of the powder material change by going through each of the manufacturing processes described above.

(試料の作製)
Ti−6Al−4V合金(6質量%のAlと4質量%のVを含有し、残部がTiと不可避的不純物よりなる合金)よりなる金属粒子を、ガスアトマイズ法にて作製した。そして、15/45μmにて分級を行った。得られた金属粉末を、試料#1とした。
(Preparation of sample)
Metal particles made of a Ti-6Al-4V alloy (an alloy containing 6% by mass of Al and 4% by mass of V and the balance of Ti and unavoidable impurities) were produced by a gas atomization method. Then, classification was performed at 15/45 μm. The obtained metal powder was used as sample # 1.

試料#1の金属粉末に対して、プラズマ処理装置を用いて、熱プラズマ処理を行い、得られたプラズマ処理粒子を、試料#2とした。さらに、試料#2に対して、気流分級機を用いて、解粒処理を実施し、解粒と分級を行った。微粒子が金属粒子に付着した複合粒子を分取して、試料#3とした。 The metal powder of sample # 1 was subjected to thermal plasma treatment using a plasma treatment device, and the obtained plasma-treated particles were used as sample # 2. Further, the sample # 2 was subjected to a pulverization treatment using an air flow classifier, and the pulverization and the classification were performed. The composite particles in which the fine particles were attached to the metal particles were separated and used as sample # 3.

(粉末材料の評価)
まず、各試料における金属粒子の状態を確認するために、試料#1〜#3に対して、粒度分布を評価した。この際、粒子画像分析装置を用いて、粒子形状の評価を行った。粒子形状に基づいて、粒度分布を評価するとともに、粒子の円形度を計測した。さらに、各試料について、粒子の状態を、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて、観察した。
(Evaluation of powder material)
First, in order to confirm the state of the metal particles in each sample, the particle size distribution was evaluated for the samples # 1 to # 3. At this time, the particle shape was evaluated using a particle image analyzer. Based on the particle shape, the particle size distribution was evaluated and the circularity of the particles was measured. Furthermore, for each sample, the state of the particles was observed using a scanning electron microscope (SEM).

さらに、試料#1〜#3に対して、特性および化学状態の評価を行った。各評価は、気温24℃、相対湿度RH23%の条件で行った。各試料の特性として、まず、嵩密度規格化せん断付着力(τ/ρ)と内部摩擦角(φ)を評価した。計測に際しては、JIS Z 8835に準拠し、回転セル型のせん断試験装置を用いて、粉末材料に圧力(σ)を印加した際に発生するせん断応力(τ)を計測した。そして、σを横軸に、τを縦軸にプロットした際の縦軸切片として、せん断付着力(τ)を求めた。また、嵩密度(ρ)は、JIS Z 2504に準拠し、金属粉末用嵩比重測定器を用いて、計測した。さらに、内部摩擦角(φ)は、せん断付着力(τ)の計測に利用した、σを横軸に、τを縦軸にとったプロットを用い、近似直線の傾きをtanφとして算出した。 Furthermore, the characteristics and chemical state of samples # 1 to # 3 were evaluated. Each evaluation was performed under the conditions of a temperature of 24 ° C. and a relative humidity of 23%. As the characteristics of each sample, first, the bulk density normalized shear adhesion force (τ s / ρ) and the internal friction angle (φ) were evaluated. In the measurement, the shear stress (τ) generated when pressure (σ) was applied to the powder material was measured using a rotary cell type shear test device in accordance with JIS Z 8835. Then, the shear adhesion force (τ s ) was obtained as the vertical intercept when σ was plotted on the horizontal axis and τ was plotted on the vertical axis. The bulk density (ρ) was measured using a bulk specific gravity measuring device for metal powder in accordance with JIS Z 2504. Further, the internal friction angle (φ) was calculated by using a plot with σ on the horizontal axis and τ on the vertical axis, which was used for measuring the shear adhesion force (τ s), and the slope of the approximate straight line as tanφ.

化学状態の評価としては、酸素値を計測した。この際、ガス分析法により、各試料における酸素濃度(試料の全質量に占める酸素原子の質量の割合)を計測し、酸素値とした。さらに、各試料に対して、比表面積を計測した。比表面積の計測は、吸着ガスとしてKrを用い、BET吸着法によって行った。 As an evaluation of the chemical state, the oxygen value was measured. At this time, the oxygen concentration in each sample (the ratio of the mass of oxygen atoms to the total mass of the sample) was measured by the gas analysis method and used as the oxygen value. Furthermore, the specific surface area was measured for each sample. The specific surface area was measured by the BET adsorption method using Kr as the adsorption gas.

(評価結果)
(1)粒度分布および円形度
図4に、原料粒子よりなる試料#1、原料粒子に対して熱プラズマ処理を施した試料#2、さらに気流分級機を用いた解粒処理を行った試料#3について、粒度分布、および粒径ごとの円形度の評価結果を示す。また、下の表1に、粒度分布にかかるパラメータと、平均粒径に対応する粒径20μm±2μmにおける円形度の値をまとめる。さらに、図5に、図4に示した円形度を得る際に用いた粒子画像の例として、粒径20μm±2μmにおける粒子画像の代表例を、各試料について示す。
(Evaluation results)
(1) Particle size distribution and circularity Figure 4 shows a sample # 1 composed of raw material particles, a sample # 2 in which the raw material particles were subjected to thermal plasma treatment, and a sample # in which the raw material particles were further pulverized using an air flow classifier. For No. 3, the particle size distribution and the evaluation result of the circularity for each particle size are shown. In addition, Table 1 below summarizes the parameters related to the particle size distribution and the values of circularity at a particle size of 20 μm ± 2 μm corresponding to the average particle size. Further, FIG. 5 shows, as an example of the particle image used for obtaining the circularity shown in FIG. 4, a representative example of the particle image having a particle size of 20 μm ± 2 μm for each sample.

Figure 2021123745
Figure 2021123745

図4の粒度分布および表1の粒径値によると、原料粒子に相当する試料#1と、熱プラズマ処理を施した試料#2で、粒度分布は、中央値や幅において、類似したものとなっている。一方で、円形度は、熱プラズマ処理を経て、向上が見られている。特に、粒径が大きい領域で、円形度の向上が顕著である。図5の粒子画像を見ても、試料#1では、左から3番目の像のように、同程度の径を有する2つの粒子が相互に付着したものや、左から6番目の像のように、直径10μmオーダーの大径の粒子に、直径数μm程度の小径の粒子が付着したもの等、いびつな形状を有する粒子が比較的多く見られる。これに対し、試料#2では、粒子形状のいびつさが軽減されている。これらの結果から、熱プラズマ処理により、金属粒子の円形度が向上していることが確認される。 According to the particle size distribution in FIG. 4 and the particle size values in Table 1, the particle size distributions of the sample # 1 corresponding to the raw material particles and the sample # 2 subjected to the thermal plasma treatment are similar in terms of median value and width. It has become. On the other hand, the circularity has been improved through thermal plasma treatment. In particular, the improvement in circularity is remarkable in a region where the particle size is large. Looking at the particle image of FIG. 5, in sample # 1, two particles having the same diameter are attached to each other like the third image from the left, or the sixth image from the left. In addition, relatively many particles having a distorted shape are observed, such as particles having a diameter of about 10 μm and small particles having a diameter of about several μm attached to the particles. On the other hand, in sample # 2, the irregularity of the particle shape is reduced. From these results, it is confirmed that the circularity of the metal particles is improved by the thermal plasma treatment.

さらに、試料#2と、解粒処理を経た試料#3を比較すると、図4の粒度分布において、試料#3の方で、小径側の分布が減少し、分布がやや大径側にシフトしているのが分かる。分布幅も小さくなっている。表1の粒径値も、試料#3において、d10値が増大しており、図4で見られた傾向に合致するものとなっている。円形度は、わずかな向上を示している。これらの結果は、プラズマ処理工程を経た試料#2の金属粉末中には、余剰な微粒子として形成された微粉が多く含まれていたのに対し、気流分級機を用いた解粒処理を経ることで、試料#3では、それらの微粉が除去されたことによるものと解釈される。 Further, when the sample # 2 and the sample # 3 that has undergone the pulverization treatment are compared, in the particle size distribution of FIG. 4, the distribution on the small diameter side decreases and the distribution shifts to the slightly larger diameter side in the sample # 3. You can see that. The distribution width is also small. The particle size values in Table 1 also have an increased d10 value in sample # 3, which is consistent with the tendency seen in FIG. The roundness shows a slight improvement. As a result of these results, the metal powder of sample # 2 that had undergone the plasma treatment step contained a large amount of fine powder formed as excess fine particles, whereas the metal powder was pulverized using an airflow classifier. Therefore, in sample # 3, it is interpreted that these fine particles have been removed.

(2)金属粒子の構造
図6〜8に、それぞれ試料#1〜#3の粒子に対するSEM観察の結果を示す。観察倍率は、図6および図7(a)、図8(a)で5,000倍である。また、図7および図8の(b)で10,000倍、(c)で100,000倍である。
(2) Structure of metal particles Figures 6 to 8 show the results of SEM observation of the particles of samples # 1 to # 3, respectively. The observation magnification is 5,000 times in FIGS. 6 and 7 (a) and 8 (a). Further, (b) of FIGS. 7 and 8 is 10,000 times, and (c) is 100,000 times.

まず、図6の試料#1と図7の試料#2のSEM像を比較すると、試料#1では、粒子がややいびつな形状をとっているのに対し、試料#2では、粒子の全体形状が、球形に近づいている。これは、上記の円形度評価において得られた結果とも合致している。そして、試料#2では、粒子の表面に、多数のナノオーダーの凸構造が分布しており、熱プラズマ処理を経て、金属粒子の表面で、微粒子の生成が起こったことが確認される。 First, comparing the SEM images of sample # 1 in FIG. 6 and sample # 2 in FIG. 7, the particles in sample # 1 have a slightly distorted shape, whereas in sample # 2, the overall shape of the particles. However, it is approaching a sphere. This is also in agreement with the results obtained in the above circularity evaluation. Then, in sample # 2, a large number of nano-order convex structures are distributed on the surface of the particles, and it is confirmed that the formation of fine particles has occurred on the surface of the metal particles through the thermal plasma treatment.

さらに、図7の試料#2と図8の試料#3のSEM像を比較すると、試料#3において、試料#2よりも、金属粒子の表面における微粒子の密度が減少しているのが分かる。特に、(c)の高倍率像を比較すると、試料#2では、金属粒子の表面に微粒子が付着した外側に、さらに別の微粒子が積み上がっているような構造が多く形成されているのに対し、試料#3では、そのように、微粒子が積み上がった構造がほぼ解消されており、残っている大半の微粒子が、金属粒子の表面に直接付着した状態となっている。このことから、気流分級機を用いた解粒工程を経ることで、熱プラズマ処理によって生じた微粒子の一部が、金属粒子の表面から除去されていることが確認される。特に、金属粒子の表面に強固に付着していない微粒子が、優先的に除去されていると言える。 Further, when the SEM images of the sample # 2 of FIG. 7 and the sample # 3 of FIG. 8 are compared, it can be seen that the density of the fine particles on the surface of the metal particles in the sample # 3 is lower than that in the sample # 2. In particular, when comparing the high-magnification image of (c), in sample # 2, many structures are formed such that other fine particles are piled up on the outside where the fine particles are attached to the surface of the metal particles. On the other hand, in sample # 3, the structure in which the fine particles are piled up is almost eliminated, and most of the remaining fine particles are in a state of being directly attached to the surface of the metal particles. From this, it is confirmed that a part of the fine particles generated by the thermal plasma treatment is removed from the surface of the metal particles through the pulverization step using the air flow classifier. In particular, it can be said that the fine particles that are not firmly adhered to the surface of the metal particles are preferentially removed.

(3)粉末材料の特性と化学状態
図9に、試料#1〜#3について、嵩密度規格化せん断付着力(τ/ρ)の計測結果を示す。単位は、(m/s)である。これによると、試料#1から試料#2へと、熱プラズマ処理を経て、嵩密度規格化せん断付着力の値が、53%程度にまで小さくなっている。これは、熱プラズマ処理を経て、微粒子が金属粒子の表面に生成することによって、金属粒子間の引力が低減されたことに対応付けられる。
(3) Characteristics and chemical state of powder material Fig. 9 shows the measurement results of bulk density normalized shear adhesion force (τ s / ρ) for samples # 1 to # 3. The unit is (m / s) 2 . According to this, the value of the bulk density normalized shear adhesion force is reduced to about 53% from sample # 1 to sample # 2 through thermal plasma treatment. This is associated with the fact that the attractive force between the metal particles is reduced by forming fine particles on the surface of the metal particles through the thermal plasma treatment.

試料#2から試料#3へと、解粒工程を経ても、嵩密度規格化せん断付着力の値は上昇していない。このことは、気流分級機を用いた解粒工程を経ても、微粒子が金属粒子の表面に付着した複合粒子の構造が維持されていることを示唆している。むしろ、試料#3において、試料#2を基準として、5%程度ではあるが、嵩密度規格化せん断付着力がさらに減少している。これは、気流分級機を用いた解粒工程によって、付着力の高い微粉末が除去されたことによるものと推測される。 Even after the pulverization step from sample # 2 to sample # 3, the value of bulk density normalized shear adhesion did not increase. This suggests that the structure of the composite particles in which the fine particles are attached to the surface of the metal particles is maintained even after the pulverization step using the air flow classifier. Rather, in sample # 3, the bulk density standardized shear adhesion force is further reduced, although it is about 5% with respect to sample # 2. It is presumed that this is because the fine powder with high adhesive force was removed by the pulverization process using the air flow classifier.

さらに、図10に、試料#1〜#3について、内部摩擦角(φ)の計測結果を示す。これによると、試料#1から試料#2へと、熱プラズマ処理を経て、内部摩擦角が、tanφで86%程度にまで小さくなっている。これは、熱プラズマ処理によって金属粒子の円形度が向上したことの結果であると解釈される。 Further, FIG. 10 shows the measurement results of the internal friction angle (φ) for the samples # 1 to # 3. According to this, the internal friction angle is reduced to about 86% in tanφ from sample # 1 to sample # 2 through thermal plasma treatment. This is interpreted as a result of the improvement in the circularity of the metal particles by the thermal plasma treatment.

試料#2から試料#3へと、解粒工程を経ても、内部摩擦角の値は上昇していない。このことは、気流分級機を用いた解粒工程を経ても、金属粒子が、破砕や変形等の変化を起こしていないことを示唆している。 The value of the internal friction angle did not increase even after the pulverization step from sample # 2 to sample # 3. This suggests that the metal particles do not undergo changes such as crushing and deformation even after undergoing the pulverization step using the air flow classifier.

図11に、試料#1〜#3について、酸素値の計測結果を示す。これによると、試料#1から試料#2へと、熱プラズマ処理を経た際に、粉末の酸素値が大きく上昇している。これは、熱プラズマ処理によって、金属酸化物よりなる微粒子が、多量に生成したことを意味している。 FIG. 11 shows the measurement results of oxygen values for samples # 1 to # 3. According to this, when the sample # 1 to the sample # 2 are subjected to the thermal plasma treatment, the oxygen value of the powder is greatly increased. This means that a large amount of fine particles made of metal oxides were generated by the thermal plasma treatment.

試料#2から試料#3へと、気流分級機を用いた解粒工程を経ると、酸素値は、約87%に減少している。これは、熱プラズマ処理によって生じた酸化物を含む微粒子の一部が、解粒工程において除去されたことに対応するものであり、上記のSEM観察の結果とも合致している。 After undergoing the pulverization step using the air flow classifier from sample # 2 to sample # 3, the oxygen value is reduced to about 87%. This corresponds to the fact that some of the oxide-containing fine particles generated by the thermal plasma treatment were removed in the granulation step, which is in agreement with the above SEM observation results.

さらに、図12に、試料#1〜#3について、比表面積の計測結果を示す。これによると、試料#1から試料#2へと、熱プラズマ処理を経た際に、粒子の比表面積が大きく上昇している。図4の粒度分布によると、粒径がほぼ変化していないにもかかわらず、粒子の比表面積が増大していることになり、これは、熱プラズマ処理によって、金属粒子の表面に、多量の微粒子が生成し、粒子表面に微細な凹凸形状が形成されたことに起因すると解釈される。 Further, FIG. 12 shows the measurement results of the specific surface area of the samples # 1 to # 3. According to this, the specific surface area of the particles is greatly increased from the sample # 1 to the sample # 2 when the thermal plasma treatment is performed. According to the particle size distribution of FIG. 4, the specific surface area of the particles is increased even though the particle size is almost unchanged, which is caused by a large amount on the surface of the metal particles by the thermal plasma treatment. It is interpreted that this is due to the formation of fine particles and the formation of fine uneven shapes on the surface of the particles.

試料#2から試料#3へと、気流分級機を用いた解粒工程を経ると、比表面積は、65%以下に減少している。これは、熱プラズマ処理によって生じた微粒子の一部が、解粒工程において除去され、粒子表面の凹凸が低減されたものと解釈される。この結果は、上記のSEM観察結果、および酸素値の計測結果とも合致するものである。比表面積を指標とすることで、酸素値を指標とする場合よりもさらに明確に、過剰な微粒子が除去されたことを、確認することができる。 When the sample # 2 to the sample # 3 are subjected to the pulverization step using the air flow classifier, the specific surface area is reduced to 65% or less. It is interpreted that a part of the fine particles generated by the thermal plasma treatment is removed in the pulverization step to reduce the unevenness of the particle surface. This result is also in agreement with the above-mentioned SEM observation result and oxygen value measurement result. By using the specific surface area as an index, it can be confirmed that the excess fine particles have been removed more clearly than when the oxygen value is used as an index.

以上の試験結果を総合して、金属よりなる原料粒子に熱プラズマ処理を施すことで、円形度の向上した金属粒子の表面に微粒子が付着した複合粒子が形成されることが確認された。この際、過剰量の微粒子が生成するが、気流分級機を用いた解粒処理を施すことで、過剰に生成した微粒子を、金属粒子の表面から分離し、除去することができる。この際、円形度の高い金属粒子の表面に、微粒子が付着した複合粒子の構造は、維持される。金属粒子の円形度の向上、およびその表面への微粒子の付着により、金属粒子のせん断付着力および内部摩擦角が低減され、製造される粉末材料において、高い流動性と充填性が得られる。さらに、酸素値および比表面積の低減として確認される過剰な微粒子の除去によって、製造される粉末材料において、酸化物含有の影響を低減することができる。 Based on the above test results, it was confirmed that by subjecting the raw material particles made of metal to thermal plasma treatment, composite particles having fine particles adhered to the surface of the metal particles having improved circularity were formed. At this time, an excess amount of fine particles is generated, but by performing a pulverization treatment using an air flow classifier, the excessively generated fine particles can be separated from the surface of the metal particles and removed. At this time, the structure of the composite particles in which the fine particles are attached to the surface of the metal particles having a high circularity is maintained. By improving the circularity of the metal particles and adhering the fine particles to the surface thereof, the shear adhesion force and the internal friction angle of the metal particles are reduced, and high fluidity and filling property can be obtained in the produced powder material. In addition, the removal of excess particulates, which is identified as a reduction in oxygen levels and specific surface area, can reduce the effects of oxide content in the powder material produced.

以上、本発明の実施形態および実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態および実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。 The embodiments and examples of the present invention have been described above. The present invention is not particularly limited to these embodiments and examples, and various modifications can be made.

10 プラズマ処理装置
20 気流分級機
M 原料粒子
P 複合粒子
P’ プラズマ処理粒子
P1 金属粒子
P2 (付着)微粒子
P3 過剰微粒子

10 Plasma processing device 20 Air flow classifier M Raw material particles P Composite particles P'Plasma processing particles P1 Metal particles P2 (Adhesion) Fine particles P3 Excess fine particles

Claims (8)

金属よりなる原料粒子に対して熱プラズマ処理を行うことで、前記原料粒子よりも円形度が高くなった金属粒子と、前記金属粒子を構成する金属元素の少なくとも一部を含み、前記金属粒子よりも小さい粒径を有する微粒子と、を生成させ、前記金属粒子の表面に、前記微粒子の少なくとも一部が付着したプラズマ処理粒子を作製するプラズマ処理工程と、
気流によるせん断を利用して、前記プラズマ処理粒子の前記金属粒子の表面から、前記微粒子の一部を分離して除去し、前記金属粒子の表面に残りの前記微粒子が付着した複合粒子を分取する解粒工程と、をこの順に実施する、粉末材料の製造方法。
By performing thermal plasma treatment on the raw material particles made of metal, the metal particles having a higher circularity than the raw material particles and at least a part of the metal elements constituting the metal particles are contained, and the raw material particles are more than the metal particles. A plasma treatment step of producing fine particles having a small particle size and producing plasma-treated particles in which at least a part of the fine particles is attached to the surface of the metal particles.
A part of the fine particles is separated and removed from the surface of the metal particles of the plasma-treated particles by utilizing shearing by an air flow, and the composite particles in which the remaining fine particles are attached to the surface of the metal particles are separated. A method for producing a powder material, in which the pulverization step is carried out in this order.
前記解粒工程を、気流分級機を用いて行う、請求項1に記載の粉末材料の製造方法。 The method for producing a powder material according to claim 1, wherein the pulverization step is performed using an air flow classifier. 前記解粒工程において、前記複合粒子の分級も同時に行う、請求項2に記載の粉末材料の製造方法。 The method for producing a powder material according to claim 2, wherein in the pulverization step, classification of the composite particles is also performed at the same time. 前記複合粒子において、前記金属粒子の粒径は、平均粒径で、10μm以上、500μm以下であり、前記金属粒子の表面に残っている前記微粒子は、ナノ粒子となっている、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の粉末材料の製造方法。 In the composite particles, the average particle size of the metal particles is 10 μm or more and 500 μm or less, and the fine particles remaining on the surface of the metal particles are nanoparticles, according to claim 1. The method for producing a powder material according to any one of claims 3. 前記複合粒子は、前記原料粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力、および内部摩擦角が減少しているとともに、
前記プラズマ処理粒子と比較して、酸素濃度が減少している、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の粉末材料の製造方法。
Compared with the raw material particles, the composite particles have a reduced shear adhesion force standardized by bulk density and an internal friction angle, and also have a reduced internal friction angle.
The method for producing a powder material according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen concentration is reduced as compared with the plasma-treated particles.
前記複合粒子は、前記プラズマ処理粒子と比較して、嵩密度で規格化したせん断付着力が小さくなっている、請求項5に記載の粉末材料の製造方法。 The method for producing a powder material according to claim 5, wherein the composite particles have a smaller shear adhesion force standardized by bulk density as compared with the plasma-treated particles. 前記原料粒子として、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかの粒子を用いる、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の粉末材料の製造方法。 The method for producing a powder material according to any one of claims 1 to 6, wherein particles of a titanium alloy, a nickel alloy, a cobalt alloy, or an iron alloy are used as the raw material particles. 前記原料粒子は、アルミニウム、マグネシウム、銅、スズの少なくとも1種より選択される添加金属元素を含む合金よりなり、
前記複合粒子を構成する前記金属粒子および前記微粒子に前記添加金属元素が含有される、請求項7に記載の粉末材料の製造方法。
The raw material particles are made of an alloy containing an additive metal element selected from at least one of aluminum, magnesium, copper and tin.
The method for producing a powder material according to claim 7, wherein the metal particles constituting the composite particles and the fine particles contain the additive metal element.
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