TWI314591B - Refractory metal and alloy refining by laser forming and melting - Google Patents

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^ 1314591 九、發明說明： 專利申請案第92101421號 ROC Patent Appln. No. 92101421 f正後無劃線說研書替策頁豕請求項-附件 Amended Spedification & claims in - ΡηΓι (pap 年 4 序:3〇 送 i)~ (Sjubmitted on AprU 3'〇,2008) 【發明所屬之技術領域】 本七月/y及耐火金屬零件的製造與再生’特別是涉 具有文控微結構的網形或近似_的収金屬零件的製 與再生。 【先前技術】 用於生産如纽板和纽合金片（用作濺鍍革巴材、管預步 物(prefbnns)，爐部件預形物等）等高純度耐火金屬， 的當前製程包括粉末冶金和鑄錠冶金。鑄㈣金先是選擇 和混合適當的粉末，壓成條狀並燒結。使用電子束爐或電 漿加熱爐或電弧爐將金屬舰化，並將其冷却成鑄旋。溶 化可分多步完成。電子束熔化和躲化可去雜f，以便 製成基本上純淨的-敎。常規情况下可獲得含组99妙。 的純度。鑄聽销频處理，錢—步根據需要進行冷/ 熱處理（或採时間退火進行冷處理）形成所需的形狀， 如板狀、片狀、桿狀或現成構件（半球、半半球形、圓錐 形、碟形板、杯形、盒形m件也可直接由雜加工而 成。 整個過程相對比較緩慢，且最後良率只能達到大約 僻。〜60%。燒結過絲費了大量的爐内處理時間，伸必須 如此才能触金祕纽充分__度，並且這也是如 组等耐火金屬粉末的初步魏步驟。金屬條通料 的環境下用電子纽化，以去除化學雜質。電子束 程也會消耗大量的爐内處理時間和功率，如三個電子束槍 1314591 以105千瓦的功率工作8〜16小時。通常還需要進行再熔 化，這個過程也極為耗費爐内處理時間和功率，如四個電 子束槍以150千瓦的功率工作8〜16小時。 雷射添加製造（Laser Additive Manufacturing，LAM) 5 是一種直接沈積製程，它利用高功率雷射和粉末加料系 統’以金屬粉末為材料製造複雜的三維零件。高功率雷射 和多軸定位系統直接從CAD文件開始處理，使用適當的金 屬粉末熔造零件。這種製程類似於立體微影術和選擇性雷 射燒結技術以及雷射焊接等傳統的快速成形技術，雷射焊 ίο 接技術是將兩個零件焊接在一起，或將某一物品與某一零 件加工在一起。但是，完全緻密的金屬零件只有通過諸如 鑄造或HIP (熱等靜壓技術）等附加少驟才能製造。這種 雷射製程已用於為航空和航太工業製造近網狀鈦零件。但 是目前還沒有一種製程能夠熔化諸如鋥等具有更高熔點的 15 耐火金屬。 此外，高溫材料的濺鍍靶材，如用於積體電路製造和 其他有關電、電磁和光學産品製造的钽和其他耐火金屬 (Ta、Nb、Ti、Mo、Zr等金屬和合金；氫化物、氮化物以 及其他化合物），通常在濺鍍過程中以不均勻的方式腐蝕， 20 導致在乾材操作側形成類似跑道的溝槽。為了防止基底的 污染或靶材後冷却液的嚴重穿透，靶材一般在耐火濺鍍金 屬被穿透前就被報廢了，因此，少量濺錢金屬消耗後就需 要有新的靶材。濺鍍靶材的主要部分只能按廢料價格轉售 或經過難難的過程被回收使用；除此之外’乾材的托板需 1314591 要拆除，而且為了回收使用也可能會重新焊接一個新的濺 鑛金屬板。 結果’為了消除在僅有少量鈕板被消耗後對整個乾材 回收使用的需要，就需要再生濺鍍靶材的耐火金屬。 【發明内容】 本發明的目的之一是為耐火金屬及其合金提供一種雷 射加工的方法’耐火金屬及其合金會生成十分_的平坦 或彎曲的沈積物，沈積物具有至少相#於傳麟化、組人— 軋製和退火部件的宏觀和微觀機械性能。 、Q、 本發明的另-個目的是藉由網形或近似網形 提尚再生良率，另外降低製造時間和費用。 ， 本發明還有一個目的是降低耐火金屬部 用，如濺鍍靶材所用的鈕板（包括其托板）。 ' 費 15 本發㈣有-個目岐减少拆輯如 金屬部件和重新使狀_週_間。 材切火 本發明涉及-種製造耐火金屬部件的製程， ⑻將金屬粉末顆粒载入一給料斗 =· 室； 仏卄至一雷射添加 (b)將基質載入該雷射添加室； ⑷在-線性掃财，將該金祕末 基質上的連續點之上； j該添加室内的 ⑷以雷射束將該基質和該粉末炫化 的複合Μ ; 構成純微結構 20 1314591 (e)==積物和炫化先朿掃描以暂， 域輕複合層中構成〜二基質上的—個選擇 ⑺自覆層構成1積物，=控微結構的覆層；及 同時本發明也涉及一種‘::火金屬部件。 :㈣餘材的腐餘區經過電:::材的再生方法’包括 並因此使鈕濺鍍靶材再生。 形成全緻密覆層， 本毛明還涉及一種纽滅鑛乾 機鍍乾材的腐麵經過雷射料^生方法，包括使组 使钽濺鍍靶材再生。 、°形成全緻密覆層，因此 本發明還涉^5¾ _ „ _ 纽賤錄材的腐錄材料生枝，包括使 又祀柯的腐蝕區經過熱等靜壓 匕括使 t纽賤鍍乾材的腐餘區，因此 成王材緻^覆層，並 本發明還可包括由此製程製成的産品續乾材再生。另外， 15 用二=:種製程及最終產品。此製程是-種 乃忒猜煉和固結耐火金屬及其合 裡 或近似_加工製 使其成為網形 :且與先前的製程相:生 在給、LAM設備。適當的基質被載入一 L施室， τ,ύ 二；加熱和部分溶化基質，並部分或全部溶化粉末。一 、、且合沈積和㈣光束可以反復掃描基質表面之一選擇區 構成—受控微結構的多層緻密覆層。全緻密沈積構成 所需的形狀。在諸如氬氣之惰性條件下，整個製程在室内 20 1314591 通過近似或低於大氣壓力下完成，但也可在高度真空條件 下完成。 相對較鬲的熱量或功率輸入給粉末晶粒，較短的擴散 距離導致粉末的純化和最終産品的形成。該製程的良率f 為90%或更高，根據最終形狀和最終應用，需要很少的機 械加工以處理沈積邊緣和産品表面。 如在濺鍍靶材製造中所使用的，此製程將産生必要的 (=1 B曰 性 粒純度，並具有柱形晶粒結構以便於形成一致的濺鍍特 〇 10 15 片 出於再生目的，以雷射燒結、電漿沈積或Hip枯結粉/ /1'材料，損壞的Μ麟树表面的執道槽填充，在表面形 成全緻密的覆層。在雷射燒結或電漿沈積 輕讨 =將托板與乾材鬆解即可再生。在ΗΙΡ枯 下，低 的製程。益需梦紐h 便且再生就是-種經濟 用過的乾材可被力匕:根據需要重復使用多次。 或其他腐蝕區，此=加：’以填充靶材表面的軌道槽 電子東燒結燒結或

與鋼分開、⑽粉填 1:的敏腐密的覆層。這樣可 拈、'、。和重新裝配的需要 的腐蝕區、以及HIP 放電結合沈積的情 材了^子束掃插燒結或電漿 材上分離。 倾可再±，^㈣托板從把 20 1314591 的再生生成具有類似於把材的餘料的微 板、、)^2!金4 (如㈣树的再生消除了在僅有少量麟 靶2耗日守對整個靶材回收利用這一需要。這種再生比整個 的回收使用更加經濟。無需分離粘結的托板(例如銅）0 再生可根據需要多次使用。通過下列最佳實施例的具 說明及所附的圖，其他目的、特徵和優點是顯而易見的。 【實施方式】 10 15 一本發明的一個實施例是雷射製程，用耐火金屬粉末生 成尚純度耐火金屬及合金。在此根據第6,269,536號美國專 寿J中所述之應用於沈積設備的纽片基質及组粉（_丨2〇+325 目）整體考量。釋放的雷射能量大約17千瓦。圖j是由雷 射製私形成的5種沈積物。每種沈積物是大約5至7層， 母層厚度大約為0.010英寸。 上述物理性能的差異還表明沈積速率必須遠低於鈦。 與鈦相比，鈕的較高的熔化溫度和導熱性表明钽的熔池可 能較小並且現有的雷射功率熔化的粉末量也較少。 表1是初始粉末和最終沈積的化學分析結果 (GDMS)。一般來說’與初始粉末相比，沈積的耐火金屬 含罝（例如’ Nb和W)變化很小。除了鈦和飢以外，沈積 的金屬雜質有一可量測的減少。鈦和釩的雜質來自以前用 測試设備對Ti-6A1-4V合金進行的測試結果。 •11- 20 1314591 表1 濃度（ppm) 濃度（ppm) 元素 粉末 沈積物 粉末一沈積物的 PPM减少量 B 0.18 0.04 0.14 Mg 35 0.21 34.79 A1 1.4 0.46 0.94 Si 30 4.2 25.80 P 1.1 0.1 1.00 Ti 0.9 30 (-29.10) V 0.1 3.1 (-3.00) Cr 3.8 1.4 2.40 Mn 0.8 0.07 0.73 Fe 50 4.5 45.50 Co 0.47 0.07 0.40 Ni 700 29 671.00 Cu 4.6 0.05 4.55 Nb 91 90 1.00 Mo 1.8 0.44 1.36 W 2.6 2.4 0.20 %Ta 99.908 99.983 — 總計 925 166 759 -12- 1314591 圖2是每種沈積物的典型金相學截面。除沈積物的最 表層外，沒有在被檢查的截面内發現孔隙。越過它們的寬 度’被檢查的沈積物有二至五個晶粒（晶粒的界線用箭頭 標諸）。 5 這些晶粒是由底板内的原始晶粒産生的。在沈積物内 沒有出現㈣親的證據（即裂縫、雜f、外來粒子等）。 表2和表3是機械性能試驗結果。其中三個樣品的維 氏硬度值（VHN，·克）比軋製的退火组片的預期值（vhn 大約為100)稍高。這些沈積物沒有經過退火處理，並且 1〇 VHN表明材料並非是易碎材料。與樣品2和樣品3相比， 樣品1的稍高硬度是其氧含量稍高的結果。表3表明這三 種沈積物的至溫降伏以及極限强度滿足軋製退火鈕片的 ASTM (美國材料實驗協會）規範。儘管延伸率稍低於規範 的最低值，樣品1、2和3還是可接受的（注意樣品3是在 15 接近試棒半徑時斷裂的，而不是的在量規的中心部分斷裂 的’因此被認為是失敗的試驗）。 -13- 1314591 表2 維氏硬度值，500克 樣品1 樣品2 樣品3 121.7 114.0 109.8 120.0 106.6 109.2 125.4 107.4 110.7 125.0 106.6 108.3 124.3 106.6 111.6 123.2 111.5 110.7 121.1 111.7 110.1 121.4 105.4 109.9 121.1 112.1 106.8 123.5 110.0 106.2 平均 122.9±1.8 109.2±3.0 109.3±1.7 表3 室溫拉力試驗結果 樣品ί虎 屈服强 度（ksi) 極限抗拉强度（ksi) 總延伸率 1 29.7 31.7 24.1 2 25.9 31.5 23.5 3 26.4 30.0 12.7 ASTM Β365 (最低值） 15.0 25.0 25.0 1314591 上面顯示的結果表明雷射形成的鈕沈積物具有與乳製 退火麵片相當的化學和機械性能。除在最表層以外，Λ沈積 物是無孔、全緻密的。 在圖3-6中說明了耐火金屬部件的再生。圖3-4顯示了 祐結在銅（Cu)托板上的组（Ta)濺鍍板，銅托板的複雜 ^生可此會更局，比如可此會包括枯結的水冷却管（匚乙）戈 甚至大型冷却液容器的-部分，和/或具有複雜凸緣以及^ 械和電學附屬結構。 10 20 E表示在濺鑛處理中産生的典型執道(贿的⑻腐蝕· 區。 疋不赞明的貫施流程叫-句匕便用的Ta_Cu靶材 ::建立-個真空或惰性氣體區。腐蝕區(E區)以濺: 2 =粉末填，雷射或電子光束（EB)光栅掃描溶化^ 面，而不疋全部晶粒，從而使其枯合）。溶化可在 過程中或在逐層沈_細。 ^ 以預製並放人槽内。 特躺金屬4片還可 材姑Π情訂，都f將填錄燒結使其自齡和叫 材枯附，並且通過加工、 口々一粑 加工將填充物整平。打磨或”他隸和/或預先的賤鍍 下岐再生収料的—聽財法。 延種板可放置於真空室内Γ 〉 ㈡6所不，

的氣體回填設備G抽出’用傳統的泵Ρ和帶閥V 多噴嘴的粉末加料器將多氣體（氬）。具有 &末力°料器可以沿触區掃描或者崎 -_ 1314591

反復地與腐蝕區的底部結合直至其 末晶粒的表面，播曰i b, 彳更日日粒與晶粒結合 加熱。 粉末質量計算和/或光學監控可用於“的完 中止。雷射可以提供填充後的熱量來完成燒結。獨立 ㈣材加熱器可以用於在再生中對㈣預加熱或提供額外 用於耐火金屬製造和再生的一種設備形式是AeroMet 公司的Lasfomi直接金屬沈積系統，具體描述例如Abbott 等所著的“雷射成形鈦零件，，（Laser Forming Titanium

Components ’《Advanced Metals & Processes》1998 年 5 月 15 版）、以及Arcella等所著的“使用雷射成形技術以粉末生成 欽航太零件”（Producing Titanium Aerospace Components From Powder Using Laser Forming，《Journal of Metals》2000 年5月版第28-30頁）。 本發明還適用於其他耐火金屬粉末，如銖、鎢、鉬、 20 嫣合金、麵合金、鍊合金、銳、组合金和銳合金等。 其他實施例、改進、細節和使用可與前述的揭示和在 本發明範圍内的文字與要旨一致，現在這對於熟知此項技 術者來說將是顯而易見的。 -16- 1314591 【圖式簡單說明】 圖1是由本發明製程最佳實施例形成的五種沈積物 (産品）， 圖2是每種沈積物的典型金相學截面； 圖3是典型乾材和托板的橫截面； 圖4是正面視圖（包括普通的腐敍目標）； 圖5是再生製程的方塊圖；以及 圖6是用於實施本發明的真空或惰性氣體室的略圖。 ίο 【主要元件符號說明】 代號 名稱 G 設備 P 泵 V 閥 VC 真空室 C 箱 LB 雷射光束 Ml 光學器件 M2 光學器件 Cu 銅 Ta 钽 CL 冷却管 E 腐蝕區 -17-

Claims (1)

1. ί 1314591 十、申請專利範圍: 專利申請案第92101421號 ROC Patent Appln. No. 92101421 修正後無劃線之中文說明書替換頁及請求項-附件(二) Amended Specification & claims in Chinese - Enel. fTT) (民國97年4月30曰送呈） (Submitted on April 30,200S) 一種製造耐火金屬部件的製程，包括： (a)將金屬粉末顆粒載入一給料斗，以供料至一雷射 添加室； 0)將基質載入該雷射添加室； (c) 在一線性掃描中，將該金屬粉末添加到該添加室 内的基質上的連續點之上； (d) 以雷射束將該基質和該粉末熔化，且構成受控微 結構的複合覆層； 10 (e) =—組合沈積物和熔化光束掃描該基質上的一個 避擇區域，並在複合層中構成一受控微結構的覆 層；及 (0自覆層#成-沈積物，且形成一耐火金屬部件， 及 15 其中該耐火金屬部件是一濺鍍乾材及管預形物或爐部 件預形物。 2‘如申請專利範圍第1?頁之製程，其中由該覆層所構成# 的該沈積物是一種全緻密的沈積物。 20 3.=請專利範圍第i項之製程’其中該製程係在從氮氣 環境及高度真空所組成之群組所選出的惰性條件下執 行0 4. 5. 其中該製程在高度真 其中該雷射光束生成 如申請專利範圍第3項之製程， 空條件下執行。 如申請專利範圍第1項之製程， -18- ，I314591 充足的高熱以建立純化該粉末和該耐火金屬部件的條 件。 6. —種再生钽濺鍍靶材的方法，包括使一钽濺鍍靶材的 一腐蝕區經過申請專利範圍第1至5項中任1項所述 的製程，形成一個全敏密的覆層，從而使钽減鍵革巴材 再生。 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該钽濺鍍靶材具 有' —個托板’並且無需將該托板從該輕材上鬆解’該 革巴材就可再生。

   -19- 1314591 % 量3 量4

   E

   Τα Cu Cl

   惰性氣體 或描或描 射掃射掃 雷柵霄柵 I光及光 射束積束 會光沈光 末子末子 粉電粉電 1?b) /1\ /IV