TWI677387B - 製造金屬粉末材料之方法及裝置 - Google Patents

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Matthew J. Arnold
雷米許Ｓ 密尼莎德朗
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亞瑟Ａ 卡克
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Abstract

一種製造金屬粉末材料之方法包括：將進給材料供應至熔化爐床；及利用第一熱源熔化該熔化爐床上之該等進給材料以提供具有所要化學組合物之熔化材料。將該熔化材料之至少一部分自該熔化爐床直接或間接地傳遞至霧化爐床，在該霧化爐床中使用第二熱源加熱該熔化材料。將該熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至霧化裝置，該霧化裝置由該熔化材料形成小滴噴霧。將該小滴噴霧之至少一部分凝固以提供金屬粉末材料。

Description

製造金屬粉末材料之方法及裝置
本發明係關於製造金屬粉末材料之方法及裝置。特定而言，本發明之某些非限制性態樣係關於使用包含以下各項之裝置來製造金屬粉末材料之方法：熔化爐床，其經調適以接納進給材料；及霧化爐床，其經安置以自該熔化爐床接納熔化材料之至少一部分。在本發明之方法之某些非限制性實施例中，該方法包含：將熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至霧化裝置，該霧化裝置可包含霧化噴嘴。本發明亦針對於一種藉由本發明之方法及裝置製造之金屬粉末材料及物件。
習用地，氣體霧化及熱均壓(亦稱為「HIP」)用於由金屬粉末材料形成金屬物件。在此等製程中，製備具有所要化學組合物之熔體，且使熔化組合物傳遞穿過霧化裝置，在該霧化裝置中氣體噴流將該熔化組合物分散成經淬火之小滴。該等經淬火小滴形成鬆散粉末。可對金屬粉末材料進行熱均壓以形成金屬物件。
製造金屬物件之另一習用方法係成核鑄造。成核鑄造利用氣體霧化來製造沈積至模具中之半液態小滴之噴霧。常見的係，小滴噴霧之某一部分(亦即，過量噴霧)可累積於模具之頂部表面上。在若干方面類似於成核鑄造，噴霧成型係其中由半液態小滴噴霧形成金屬物 件、但不使用模具之習用技術。
在習用成核鑄造、噴霧成型及氣體霧化/HIP序列中，重新熔化先前已熔化成所要化學組合物之經凝固材料以將熔化材料提供至霧化裝置。在一項實例中，具有所要化學組合物之經凝固材料以熱機械方式加工成線且隨後重新熔化以用於霧化。在另一實例中，冷壁感應爐用於在霧化製程之前熔化且均質化先前經凝固之材料。當材料在重新熔化及霧化之前凝固時，材料可(諸如)在熱機械加工及處理期間被污染。固體材料中之污染物可變得挾帶於提供至霧化裝置之熔化金屬流中。重新熔化經凝固材料以用於霧化亦可限制控制製程參數(諸如熔化金屬過熱及流率)之能力，可需要控制該等製程參數以確保一致霧化。另外，使用經凝固材料以進行重新熔化及霧化可增加與經霧化金屬粉末之製造相關聯之成本。
本發明部分地針對於解決製造金屬粉末材料之習用方法之某些限制之方法及裝置。本發明之一項非限制性態樣針對於一種製造金屬粉末材料之方法，該方法包括：將進給材料供應至熔化爐床；利用第一熱源熔化該熔化爐床中之該等進給材料，藉此製造具有所要組合物之熔化材料；將該熔化材料之至少一部分傳遞至霧化爐床；利用第二熱源加熱該霧化爐床中之該熔化材料；將該熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床直接或間接地傳遞至霧化裝置；及利用該霧化裝置形成該熔化材料之小滴噴霧。將該小滴噴霧之至少一部分凝固以提供金屬粉末材料。在該方法之某些非限制性實施例中，該熔化材料之至少一部分連續地傳遞至該霧化裝置。在該方法之某些非限制性實施例中，該熔化材料透過至少一個額外爐床自該熔化爐床傳遞至該霧化爐床。
本發明之另一非限制性態樣針對於製造金屬粉末材料之裝置。 該裝置包括：熔化爐床，其經調適以接納進給材料；第一熱源，其經調適以熔化該熔化爐床中之該等進給材料且製造具有所要組合物之熔化材料；霧化爐床，其經安置以自該熔化爐床直接或間接地接納該熔化材料之至少一部分；第二熱源，其經調適以加熱該霧化爐床中之熔化材料；霧化裝置，其經調適以形成該熔化材料之小滴噴霧；傳送單元，其耦合至該霧化爐床及該霧化裝置；及收集器，其經調適以自該霧化裝置接納該小滴噴霧。該傳送單元經調適以將熔化材料以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至該霧化裝置。
200‧‧‧裝置
200’‧‧‧裝置
210‧‧‧熔體室
220‧‧‧熔化爐床
230‧‧‧第一熱源
240‧‧‧進給材料
250‧‧‧進給滑槽
260‧‧‧熔化材料
270‧‧‧霧化爐床
280‧‧‧第一凝殼
290‧‧‧第二凝殼
292‧‧‧額外爐床
300‧‧‧第二熱源
310‧‧‧霧化裝置
320‧‧‧傳送單元
330‧‧‧入口
340‧‧‧出口
350‧‧‧導電線圈
360‧‧‧熔體容器
370‧‧‧通路
380‧‧‧導電線圈/線圈
382‧‧‧感應導引件
384‧‧‧傾注凹槽
386‧‧‧分段感應模具
388‧‧‧冷感應導引件
390‧‧‧額外熱源
400‧‧‧收集器
可藉由參考附圖來較佳地理解本文中所闡述之方法及合金物件之特徵及優勢，在該等附圖中：圖1係根據本發明之製造金屬粉末材料之方法之非限制性實施例之流程圖；圖2係根據本發明之圖解說明製造金屬粉末材料之裝置之非限制性實施例之示意性剖面側視圖；圖3係圖1之裝置之示意性平面圖；圖4係根據本發明之製造金屬粉末材料之裝置之另一非限制性實施例之示意性平面圖；圖5係圖1之裝置之經放大部分剖面側視圖；及圖6係根據本發明之圖解說明製造金屬粉末材料之裝置之另一非限制性實施例之示意性剖面側視圖。
應理解，本發明在其應用上並不限於上文所闡述之圖式中所圖解說明之實施例。讀者將在考量根據本發明之方法及裝置之某些非限制性實施例之以下詳細說明之後旋即瞭解前述細節以及其他細節。讀者亦可在使用本文中所闡述之方法及裝置之後旋即理解此等額外細節中之某些細節。
除了在操作實例中或在另有指示之情況下，亦在非限制性實施例之本說明中且在申請專利範圍中，所有表達成分及產品之數量或特性、處理條件及諸如此類之數字皆應被理解為在所有例項中皆由術語「約」修飾。因此，除非指示相反情況，否則以下說明及隨附申請專利範圍中所陳述之任何數字參數皆係可取決於在根據本發明之方法及裝置中力圖獲得之所要特性而變化之近似值。最低限度地，且並非試圖將等效原則之應用限制於申請專利範圍之範疇，每一數字參數皆應依據所報告之有效數位之數目且藉由應用普通舍入技術來解釋。
本發明部分地針對於解決製造金屬粉末材料之習用方法之限制中之某些限制之方法及裝置。參考圖1，圖解說明製造金屬粉末材料之方法之非限制性實施例。該方法包含：將進給材料供應至熔化爐床(方塊100)；利用第一熱源熔化熔化爐床中之進給材料，藉此製造具有所要化學組合物之熔化材料(方塊110)；將熔化材料之至少一部分直接或間接地傳遞至霧化爐床(方塊120)；利用第二熱源加熱霧化爐床中之熔化材料(方塊130)；將熔化材料之至少一部分以熔化狀態自霧化爐床傳遞至霧化裝置(方塊140)；及利用霧化裝置形成熔化材料之小滴噴霧(方塊150)。將小滴噴霧之至少一部分凝固以提供具有所要組合物之金屬粉末材料。
參考圖2至圖3，製造金屬粉末材料之裝置200之所圖解說明非限制性實施例包括熔體室210及熔化爐床220及定位於熔體室210中之第一熱源230。熔體室210經組態以維持其中之氛圍。該氛圍可具有低於大氣壓力、超過大氣壓力或處於大氣壓力之壓力。根據某些非限制性實施例，熔體室210中之氣體氛圍可相對於在熔體室210中加熱之材料而係化學惰性的。根據某些非限制性實施例，熔體室210內之氣體氛圍可係氦氣、氬氣、氦氣與氬氣之摻合物或者另一惰性氣體或氣體混 合物。根據其他非限制性實施例，其他氣體或氣體摻合物在熔體室210中之氛圍內，倘若氣體或氣體摻合物並未不可接受地污染熔體室210內之熔化材料。
熔化爐床220經調適以接納進給材料240。根據某些非限制性實施例，進給材料240係純淨原材料。根據其他非限制性實施例，進給材料240包含以下各項或由以下各項組成：廢料、返回、回收材料及/或母合金。根據某些非限制性實施例，進給材料240包含微粒材料。根據其他非限制性實施例，進給材料240包含呈經製作或先前經熔化之電極之形式之材料(舉例而言，諸如呈圓柱體或矩形稜柱之形狀的先前經熔化之材料)或由該等材料組成。在任何情形中，在根據本發明之方法中，藉由將進給材料選擇性地添加至熔化爐床210而將在熔化爐床220中製造之熔化材料之化學組合物調整至所要組合物。
根據某些非限制性實施例，進給材料240主要包括鈦材料。根據某些非限制性實施例，進給材料240經選擇以提供具有以下各項中之一者之化學組合物之熔化材料：商業純鈦、鈦合金(例如，Ti-6Al-4V合金，其具有UNS R56400中所規定之組合物)及鈦鋁合金(例如，Ti-48Al-2Nb-2Cr合金)。根據另一非限制性實施例，進給材料240經選擇以提供按重量包括約4%之釩、約6%之鋁且其餘為鈦及雜質之熔化材料。(除非另有指示，否則本文中所有百分比皆係重量百分比。)根據再一非限制性實施例，進給材料240經選擇以提供具有以下各項中之一者之化學物組合物之熔化材料：商業純鎳、鎳合金(例如，合金718，其具有UNS N07718中所規定之組合物)、商業純鋯、鋯合金(例如，Zr 704合金，其具有UNS R60704中所規定之組合物)、商業純鈮、鈮合金(例如，ATI Nb1ZrTM合金(類型3及類型4)，其具有UNS R04261中所規定之組合物)、商業純鉭、鉭合金(例如，鉭-10%鎢合金，其具有UNS 20255中所規定之組合物)、商業純鎢及鎢合金(例 如，90-7-3鎢合金)。將理解，本文中所闡述之方法及裝置並不限於製造具有前述化學組合物之材料。而是，可選擇起始材料以便提供具有所要化學組合物及其他所要性質之熔化組合物。在本文中之方法及裝置中霧化熔化材料，藉此提供霧化成粉末的具有熔化材料之化學組合物之金屬粉末材料。
根據某些非限制性實施例，進給材料240經由進給機構(舉例而言，諸如進給滑槽250)而進給至熔化爐床220中。根據某些非限制性實施例，進給機構包含振動進給器、滑槽及推送器中之至少一者。在其他非限制性實施例中，進給機構包含可將進給材料240適合地引入至熔化爐床220上之任何其他機構。
根據某些非限制性實施例，與熔化爐床220相關聯之第一熱源230包含選自以下各項之至少一個加熱器件：電漿火炬、電子束產生器、產生電子之另一加熱器件、雷射、電弧器件及感應線圈。在一項實例中，第一熱源230經調適以使用電漿火炬來熔化熔化爐床220中之進給材料240，以藉此製造具有所要化學組合物之熔化材料260。第一熱源230經調適且經定位以將熔化爐床220中之進給材料加熱至與進給材料240之熔化溫度(液相線)至少同樣大之溫度且將彼等材料以熔化狀態維持在熔化爐床220中。在某些非限制性實施例中，第一熱源230加熱形成於熔化爐床220中之熔化材料以至少部分地精煉該熔化材料。根據某些非限制性實施例，第一熱源230可定位於熔化爐床220之上表面以上約100mm至約250mm處。根據其他非限制性實施例，第一熱源230包括第一電漿火炬，該第一電漿火炬相對於熔化爐床220中之熔化材料之頂部表面定位於一高度處使得由該第一電漿火炬製造之熱電漿之羽狀部之邊緣適合地加熱該材料。根據某些非限制性實施例，第一熱源230之功率位準、相對於熔化爐床220之位置及其他參數經選擇以將熔化爐床220中之熔化材料260加熱至包含該材料之液相線 直至該材料之熔點以上約500℃之溫度範圍。根據其他實施例，第一熱源230之功率位準、位置及其他參數經最佳化以將熔化爐床220中之材料過熱至包含該材料之液相線以上約50℃直至該材料之該液相線以上約300℃之溫度之溫度範圍。根據其他實施例，第一熱源230之功率位準、位置及其他參數經最佳化以使材料過熱至超出該材料之液相線任何適合度數之溫度，只要第一熱源230不使該材料蒸發及/或使該熔化材料之化學性質以非所要方式變化即可。
根據某些非限制性實施例，霧化爐床270經安置以自熔化爐床220直接或間接地接納熔化材料260之至少一部分。一旦熔化且適合地加熱，熔化爐床220中之熔化材料260便可自熔化爐床220排洩且直接或間接地傳遞(例如，透過至少一個額外爐床)至霧化爐床270。霧化爐床270自霧化爐床270直接或間接地收集熔化材料260，且可在熔化材料260自霧化爐床270傳遞且傳遞至霧化裝置310之霧化噴嘴上時盛放熔化材料260之至少一部分，如在下文中進一步地闡釋。就此而言，霧化爐床270充當調節熔化材料260至霧化裝置310之流動的用於熔化材料260之「喘振緩衝器」。根據某些非限制性實施例，霧化爐床270與熔化爐床220一起安置於熔體室210中。根據其他實施例，霧化爐床270不與熔化爐床220一起在單個室中且替代地可位於另一室(諸如鄰接室)中。
根據各種非限制性實施例，至少一個額外爐床安置於熔化爐床220與霧化爐床270中間，且熔化材料自熔化爐床260傳遞，穿過該至少一個額外爐床且進入霧化爐床270中。此配置在本文中經闡述為涉及熔化材料自熔化爐床間接地至霧化爐床之通過。
根據某些非限制性實施例且參考圖5，熔化爐床220及霧化爐床270兩者皆係水冷式銅爐床。若存在，則存在於各種非限制性實施例中之一或多個額外爐床亦可係水冷式銅爐床。根據其他非限制性實施 例，熔化爐床220、霧化爐床270及一或多個額外爐床(若存在)中之至少一者係由任何其他適合材料及組件構造且經冷卻或以其他方式經調適以防止爐床在於其中加熱材料時熔化。根據某些非限制性實施例，熔化材料260之一部分接觸熔化爐床220之經冷卻壁且可凝固以形成第一凝殼280，該第一凝殼防止熔化材料260之剩餘部分接觸熔化爐床220之壁，藉此將熔化爐床220之壁與熔化材料260隔離。此外，在某些實施例中，熔化材料260之一部分在熔化材料260自熔化爐床220流動至霧化爐床270中時接觸霧化爐床270之經冷卻壁且可在該壁上凝固以形成第二凝殼290，該第二凝殼防止熔化材料260之剩餘部分接觸霧化爐床270之壁，藉此將霧化爐床270之壁與熔化材料260隔離。在某些非限制性實施例中，一或多個額外爐床(若存在)可以類似方式操作以防止熔化材料與爐床壁之不合意接觸。
取決於特定方法或裝置200之使用要求或偏好，可在加熱熔化爐床220、霧化爐床270及一或多個額外爐床(若存在)上之材料時精煉及/或均質化該材料。舉例而言，在精煉熔化材料中，熔化材料中之高密度固體夾雜物及其他固體污染物可下沉至特定爐床中之熔化材料之底部且變得挾帶於爐床壁上之凝殼中。某些低密度固體夾雜物或其他固體污染物可漂浮於特定爐床中之熔化材料之表面上且藉由相關聯之熱源蒸發。其他低密度固體夾雜物或其他固體污染物可係具平衡浮力的並稍微低於熔化材料之表面而懸浮，且溶解於爐床中之熔化材料中。以此方式，精煉熔化材料260，此乃因固體夾雜物及其他固體污染物自熔化材料260移除或溶解於熔化材料260中。
亦參考圖4，根據所圖解說明之非限制性實施例，至少一個額外爐床292定位於熔化爐床220與霧化爐床270之間。熔化爐床220上之熔化材料260之至少一部分在傳遞至霧化爐床270中之前傳遞穿過一或多個額外爐床292。在某些非限制性實施例中，額外爐床292可用於以下 操作中之至少一者：精煉熔化材料260及均質化熔化材料260。「精煉」及「均質化」係技術術語且將被金屬粉末材料製造領域之一般技術者容易地理解。一般而言，與爐床組件有關，精煉可涉及移除、溶解或捕獲來自爐床中之熔化材料之雜質或不合意成分及防止雜質或不合意成分向下游前進。均質化可涉及混合或摻合熔化材料使得該材料具有較均勻組合物。根據某些非限制性實施例，一或多個額外爐床292與熔化爐床220及霧化爐床270串聯定位以提供呈大體直線或呈選自大體鋸齒形路徑、大體L形路徑及大體C形路徑之替代形狀的熔化材料260之流動路徑。根據某些非限制性實施例，額外熱源(未展示)與額外爐床292中之一或多者相關聯。根據某些非限制性實施例，額外熱源包含選自以下各項之一或多個加熱器件：電漿火炬、電子束產生器、產生電子之另一加熱器件、雷射、電弧器件及感應線圈。
根據某些非限制性實施例，第二熱源300經調適以加熱霧化爐床270中之熔化材料260。根據某些非限制性實施例，第二熱源300包含選自以下各項之至少一個熱源：電漿火炬、電子槍、產生電子之加熱器件、雷射、電弧及感應線圈。第二熱源300經定位以將霧化爐床270中之熔化材料之頂部表面加熱至與該材料之熔化溫度(液相線)至少同樣大之溫度。根據某些非限制性實施例，第二熱源300可定位於霧化爐床270以上約100mm至約250mm處。根據某些非限制性實施例，第二熱源300包括電漿火炬，該電漿火炬相對於霧化爐床270上之熔化材料之頂部表面定位於一高度處使得熱電漿之羽狀部之邊緣適合地加熱該材料。根據某些非限制性實施例，第二熱源300之功率位準、相對於霧化爐床270之位置及其他參數經選擇以使霧化爐床270上之材料過熱至該材料之液相線以上約50℃至該材料之液相線以上約400℃之溫度範圍。根據其他實施例，第二熱源300之功率位準、位置及其他參數經最佳化以使霧化爐床270上之材料過熱至該材料之液相線以上約 100℃至該材料之該液相線以上約200℃之溫度範圍。根據其他實施例，第二熱源300之功率位準、位置及其他參數經最佳化以使材料過熱至超過液相線任何適合度數之溫度，只要第二熱源300不使該材料蒸發及/或使該熔化材料之化學性質以非所要方式變化即可。
根據某些非限制性實施例，霧化裝置310包含經調適以形成熔化材料260之小滴噴霧之霧化噴嘴，且傳送單元320在霧化裝置310上游。舉例而言，傳送單元320可將熔化材料直接地傳遞至霧化噴嘴。傳送單元320耦合至霧化爐床270及霧化裝置310。第二熱源300經設計以使流動至傳送單元320中之熔化材料260保持處於熔化狀態中，且傳送單元320經調適以將熔化材料260之至少一部分以熔化狀態自霧化爐床270傳遞至霧化裝置310。雖然在所圖解說明之裝置200中僅包含單個傳送單元與單個霧化裝置之組合，但預期，包含多個霧化裝置(諸如多個霧化噴嘴)之實施例可係有利的。舉例而言，在採用在霧化爐床270下游之多個傳送單元320及一或多個霧化噴嘴或其他霧化裝置310之裝置中，可增加製程速率且可減少材料製造成本。
參考圖5，根據所圖解說明之非限制性實施例，傳送單元320係冷感應導引件(CIG)。圖6圖解說明根據本發明之另一非限制性實施例之裝置200’。裝置200’之傳送單元320包含感應導引件382，該感應導引件視情況包含除CIG 388之外的傾注凹槽384及分段感應模具386。在裝置200’之所圖解說明之非限制性實施例中，額外熱源390與傾注凹槽384及分段感應模具386相關聯。
傳送單元320藉由保護熔化材料260免受外部氛圍影響而維持在熔化爐床220中製造且自霧化爐床270傳遞至霧化裝置310之熔化材料260之純度。傳送單元亦可經構造以保護熔化材料免受可由於使用習用霧化噴嘴而導致之氧化物之污染。傳送單元320亦可用於計量熔化材料260自霧化爐床270至霧化裝置310之流動，如在下文中進一步闡 釋。一般技術者將在考量本說明書之後旋即能夠提供能夠在霧化爐床與霧化裝置之間可控制地傳送熔化材料260(經維持處於熔化狀態中)之傳送單元及相關聯之裝備之各種可能替代設計，如在本發明裝置及方法之實施例中所採用。可併入至本發明之方法及裝置中之所有此等傳送單元設計囊括於本發明內。
根據某些非限制性實施例，傳送單元320包含毗鄰霧化爐床270之入口330及毗鄰霧化裝置310之出口340，且一或多個導電線圈350定位於入口330處。電流源(未展示)與導電線圈350選擇性地電連接以加熱熔化材料260且起始熔化材料260之至少一部分至霧化裝置310之流動。根據某些非限制性實施例，導電線圈350經調適以將熔化材料260加熱至在該材料之液相線高達該液相線以上500℃之範圍內之溫度。
根據某些非限制性實施例，傳送單元320包含用於接納熔化材料260之熔體容器360，且傳送單元320之傳送區域經組態以包含經構造以自熔體容器360接納熔化材料260之通路370。通路370之壁由若干個液冷式金屬分段界定。根據某些非限制性實施例，傳送單元320包含定位於出口340處之一或多個導電線圈380。線圈380藉由使適合冷卻劑(諸如水或另一導熱流體)循環穿過與出口340相關聯之導管而冷卻。熔化材料260之一部分接觸傳送單元320之通路370之經冷卻壁且可凝固以形成凝殼，該凝殼將該壁與熔化材料260之剩餘部分的接觸隔離。爐床壁之冷卻及凝殼之形成保證熔體不被形成傳送單元320之內壁之材料污染。
在熔化材料260正自傳送單元320之熔體容器360流動穿過通路370之時間期間，電流以足以感應地加熱熔化材料260且以熔化形式維持熔化材料260之強度傳遞穿過導電線圈380。線圈380充當感應加熱線圈且可調整地加熱傳遞穿過傳送單元320之出口340之熔化材料260。根據某些非限制性實施例，導電線圈380經調適以將熔化材料 260加熱至在該材料之液相線以上50℃高達該液相線以上400℃之範圍內之溫度。在其他實施例中，導電線圈380經調適以將熔化材料260加熱至在該材料之液相線溫度高達該液相線以上500℃之範圍內之溫度。根據某些其他非限制性實施例，導電線圈380經調適以選擇性地防止熔化材料260至霧化裝置310之通過。
根據某些非限制性實施例，熔化材料260之至少一部分連續地傳遞至霧化裝置310。在此等非限制性實施例中，熔化材料260自熔化爐床220連續地流動至霧化爐床270，穿過傳送單元320，離開傳送單元320之出口340，且傳遞至霧化裝置310中。在某些非限制性實施例中，熔化材料260至霧化爐床270之流動可係不連續的(亦即，具有開始及停止)。在各種非限制性實施例中，熔化材料260自熔化爐床220流動穿過至少一個額外爐床，且流動至霧化爐床270，穿過傳送單元320，離開傳送單元320之出口340，且傳遞至霧化裝置310中。根據某些非限制性實施例，霧化裝置310包括包含會聚於一點處且形成熔化材料260之小滴噴霧之複數個電漿霧化火炬之霧化噴嘴。根據其他非限制性實施例，霧化噴嘴包含經相等地分佈以界定彼此之間的約120°之角度之三個電漿火炬。在此等實施例中，電漿火炬中之每一者亦可經定位以關於霧化噴嘴之軸形成30°之角度。根據某些非限制性實施例，霧化裝置310包含霧化噴嘴，該霧化噴嘴包含由在20kW至40kW之功率範圍內操作之D.C.槍產生之電漿噴流。根據某些非限制性實施例，霧化裝置310包括霧化噴嘴，該霧化噴嘴形成將熔化材料260分散以形成小滴噴霧之至少一個氣體噴流。
所得小滴噴霧引導至收集器400中。根據某些非限制性實施例，收集器400相對於霧化噴嘴或其他霧化裝置310之位置係可調整的。霧化點與收集器400之間的距離可控制沈積於收集器400中之材料中之固體分數。因此，當沈積材料時，可調整收集器400相對於霧化噴嘴或 其他霧化裝置310之位置，使得適合地維持收集器400中之所收集材料之表面與該霧化噴嘴或其他霧化裝置310之間的距離。根據某些非限制性實施例，收集器400係選自室、模具及旋轉心軸。舉例而言，在某些非限制性實施例中，當將材料沈積至收集器400中時，收集器400可旋轉以較佳地確保小滴均勻地沈積於收集器400之表面上方。
雖然對裝置200之前述說明將熔化爐床220、霧化爐床270、霧化裝置310、傳送單元320及收集器400稱為串聯地相關聯之裝置之相對離散單元或組件，但將理解，裝置200不必以彼方式構造。並非係由離散、可斷開連接之熔化(及/或熔化/精煉)單元、傳送單元、霧化單元及收集器單元構造，根據本發明之裝置(諸如裝置200)可併入提供彼等單元中之每一者之基本特徵、但不能夠解構成離散及個別可操作裝置或單元之元件或區域。因此，隨附申請專利範圍中對熔化爐床、霧化爐床、霧化裝置、傳送單元及收集器之提及不應被解釋為意味著此等不同單元可在不損失可操作性之情況下與所主張之裝置取消關聯。
在某些非限制性實施例中，本文中所揭示的根據方法之各種非限制性實施例或藉由裝置之各種非限制性實施例而製造之金屬粉末材料包括10微米至150微米之平均粒子大小。在某些非限制性實施例中，本文中所揭示的根據方法之各種非限制性實施例或藉由裝置之各種非限制性實施例而製造之金屬粉末材料具有40微米至120微米之粒子大小分佈(亦即，實質上所有粉末粒子之粒子大小皆在40微米至120微米之範圍內)。具有40微米至120微米之粒子大小分佈之金屬粉末材料在電子束增材製造應用中係尤其有用的。在某些非限制性實施例中，本文中所揭示的根據方法之各種非限制性實施例或藉由裝置之各種非限制性實施例而製造之金屬粉末材料具有15微米至45微米之粒子大小分佈(亦即，實質上所有粉末粒子之粒子大小皆在15微米至45微 米之範圍內)。具有15微米至45微米之粒子大小分佈之金屬粉末材料在雷射增材製造應用中係尤其有用的。根據某些非限制性實施例，金屬粉末材料包括球形粒子。在某些其他非限制性實施例中，金屬粉末材料之至少一部分具有其他幾何形式，包含(但不限於)薄片、碎屑、針狀物及其組合。
根據某些非限制性實施例，金屬粉末材料具有無法藉由習用鑄錠冶金(例如，熔化及鑄造技術)而容易地製造之組合物。亦即，本文中已闡述之方法可能夠利用將係極易於離析的或者具有防止其藉由習用鑄錠冶金而鑄造之性質之組合物製造金屬粉末材料。根據某些非限制性實施例，基於總粉末材料重量，金屬粉末材料之硼含量大於10ppm。在習用鑄錠熔化及鑄造中，10ppm以上之硼位準可製造有害硼化物。相比而言，本文中所闡述之方法之各種非限制性實施例准許在不展現不可接受之有害相位或性質之情況下製造具有大於10ppm之硼含量之金屬粉末材料。此擴展可經製造之金屬粉末材料之組合物之可能性。
根據本發明之方法及裝置製成之金屬粉末材料可具有使用本發明方法及裝置適合地製成之任何組合物。根據某些非限制性實施例，金屬粉末材料具有以下各項中之一者之化學組合物：商業純鈦、鈦合金(例如，Ti-6Al-4V合金，其具有UNS R56400中所規定之組合物)及鈦鋁合金(例如，Ti-48Al-2Nb-2Cr合金)。根據另一非限制性實施例，金屬粉末材料具有按重量包括約4%之釩、約6%之鋁且其餘為鈦及雜質之化學組合物材料。(除非另有指示，否則本文中所有百分比係重量百分比。)根據再一非限制性實施例，金屬粉末材料具有以下各項中之一者之化學組合物：商業純鎳、鎳合金(例如，合金718，其具有UNS N07718中所規定之組合物)、商業純鋯、鋯合金(例如，Zr 704合金，其具有UNS R60704中所規定之組合物)、商業純鈮、鈮合金(例 如，ATI Nb1ZrTM合金(類型3及類型4)，其具有UNS R04261中所規定之組合物)、商業純鉭、鉭合金(例如，鉭-10%鎢合金，其具有UNS 20255中所規定之組合物)、商業純鎢及鎢合金(例如，90-7-3鎢合金)。將理解，本文中所闡述之方法及裝置並不限於製造具有前述化學組合物之金屬粉末材料。而是，可選擇起始材料以便提供具有所要化學組合物及其他所要性質之金屬粉末材料。
可藉由用於由冶金粉末形成物件之熱均壓技術及其他適合習用技術而將根據本發明方法及/或使用本發明裝置製成之金屬粉末材料製成金屬(例如，金屬及金屬合金)物件。一般技術者將在考量本發明之後旋即容易地明瞭此等其他適合技術。
雖然前述說明已必要地提供僅有限數目項實施例，但相關技術領域之一般技術者將瞭解，可由熟習此項技術者對已在本文中闡述並圖解說明之實例之方法及裝置及其他細節作出各種改變，且所有此等修改將保持處於如在本文中且在隨附申請專利範圍中所表達之本發明之原則及範疇內。因此，應理解，本發明並不限於本文中所揭示或併入之特定實施例，而是意欲涵蓋在如由申請專利範圍所界定之本發明之原則及範疇內之修改。熟習此項技術者亦將瞭解，可在不背離本發明之寬廣發明性概念之情況下對以上實施例作出改變。

Claims (44)

  1. 一種製造金屬粉末材料之方法，該方法包括：將進給材料供應至熔化爐床；利用第一熱源熔化該熔化爐床中之該等進給材料，藉此製造熔化材料；將該熔化材料之至少一部分自該熔化爐床直接或間接地傳遞至霧化爐床；利用第二熱源加熱該霧化爐床中之該熔化材料；將該熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床傳遞穿過冷感應導引件至霧化噴嘴，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，且其中導電線圈定位於該入口處且經調適以加熱該熔化材料以起始將該熔化材料之該至少一部分自該霧化爐床傳遞至該霧化噴嘴；及利用該霧化噴嘴形成該熔化材料之小滴噴霧，隨後將該小滴噴霧之至少一部分凝固以提供金屬粉末材料。
  2. 如請求項1之方法，其中該熔化材料之該至少一部分在進入該霧化爐床之前自該熔化爐床傳遞穿過至少一個額外爐床。
  3. 如請求項1之方法，其中該第一熱源及該第二熱源各自獨立地包括以下各項中之至少一者：電漿火炬、電子束產生器、產生電子之加熱器件、雷射、電弧器件及感應線圈。
  4. 如請求項1之方法，其中在該熔化材料傳遞至該霧化噴嘴中之前對該熔化材料進行以下操作中之至少一者：精煉及均質化。
  5. 如請求項1之方法，其中該導電線圈經調適以在該材料之液相線至該液相線以上500℃之範圍內加熱該熔化材料。
  6. 如請求項1之方法，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，且其中導電線圈定位於該出口處且經調適以可調整地加熱該熔化材料。
  7. 如請求項6之方法，其中該導電線圈經調適以在該材料之液相線至該液相線以上500℃之範圍內加熱該熔化材料。
  8. 如請求項1之方法，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，其中導電線圈定位於該出口處且經調適以停止該熔化材料至該霧化噴嘴之通過。
  9. 如請求項1之方法，其中該霧化噴嘴包含形成會聚於一點處且使該小滴噴霧由該熔化材料形成之電漿噴流之複數個電漿霧化火炬。
  10. 如請求項1之方法，其中該霧化噴嘴形成將該熔化材料分散成該小滴噴霧之至少一個氣體噴流。
  11. 如請求項1之方法，其中該熔化材料之該至少一部分連續地傳遞至該霧化噴嘴。
  12. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之組合物係選自商業純鈦、鈦合金、鈦鋁合金、商業純鎳、鎳合金、商業純鋯、鋯合金、商業純鈮、鈮合金、商業純鉭、鉭合金、商業純鎢及鎢合金。
  13. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之組合物包括大於10ppm之硼。
  14. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之組合物按重量包括約4%之釩、約6%之鋁且其餘為鈦及雜質。
  15. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之平均粒子大小在10微米至150微米之範圍內。
  16. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之粒子大小分佈係40微米至120微米。
  17. 如請求項1之方法，其中該金屬粉末材料之粒子大小分佈係15微米至45微米。
  18. 一種金屬粉末材料，其係藉由請求項1之方法製造，其中該金屬粉末材料之組合物按重量包括約4%之釩、約6%之鋁且其餘為鈦及雜質。
  19. 如請求項18之金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之組合物係選自商業純鈦、鈦合金、鈦鋁合金、商業純鎳、鎳合金、商業純鋯、鋯合金、商業純鈮、鈮合金、商業純鉭、鉭合金、商業純鎢及鎢合金。
  20. 如請求項18之金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之平均粒子大小係10微米至150微米。
  21. 如請求項18之金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之粒子大小分佈係40微米至120微米。
  22. 如請求項18之金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之粒子大小分佈係15微米至45微米。
  23. 如請求項18之金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料包括大於10ppm之硼。
  24. 一種製造金屬粉末材料之裝置，該裝置包括：熔化爐床，其經調適以接納進給材料；第一熱源，其經調適以熔化該等進給材料以提供熔化材料；霧化爐床，其經安置以自該熔化爐床直接或間接地接納該熔化材料之至少一部分；第二熱源，其經調適以加熱該霧化爐床中之熔化材料；霧化噴嘴，其經調適以使小滴噴霧由該熔化材料形成；傳送單元，其耦合至該霧化爐床及該霧化噴嘴，其中該傳送單元經調適以將熔化材料以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至該霧化噴嘴；及收集器，其經調適以接納該小滴噴霧。
  25. 如請求項24之裝置，其進一步包括在該熔化爐床與該霧化爐床中間且與該熔化爐床及該霧化爐床連通之至少一個額外爐床。
  26. 如請求項25之裝置，其中該熔化爐床、該霧化爐床及該至少一個額外爐床定位在一條線上。
  27. 如請求項25之裝置，其中該熔化爐床、該霧化爐床及該至少一個額外爐床以選自鋸齒形配置、L形配置及C形配置之圖案以偏移配置定位。
  28. 如請求項25之裝置，其中該熔化爐床、該霧化爐床及該至少一個額外爐床中之至少一者經調適以進行以下操作中之至少一者：精煉該熔化材料及均質化該熔化材料。
  29. 如請求項24之裝置，其中該第一熱源與該熔化爐床相關聯且該第二熱源與該霧化爐床相關聯。
  30. 如請求項29之裝置，其中該第一熱源及該第二熱源各自獨立地包括電漿火炬、電子束產生器、產生電子之加熱器件、雷射、電弧器件及感應線圈中之至少一者。
  31. 如請求項25之裝置，其中額外熱源與該至少一個額外爐床相關聯，且其中該額外熱源包括以下各項中之至少一者：電漿火炬、電子束產生器、產生電子之加熱器件、雷射、電弧器件及感應線圈。
  32. 如請求項24之裝置，其中該傳送單元包括冷感應導引件。
  33. 如請求項32之裝置，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，且其中導電線圈定位於該入口處且經調適以加熱該熔化材料以起始將該熔化材料之該至少一部分傳遞至該霧化噴嘴。
  34. 如請求項33之裝置，其中該導電線圈經調適以在該材料之液相線至該液相線以上500℃之範圍內加熱該熔化材料。
  35. 如請求項32之裝置，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，且其中導電線圈定位於該出口處且經調適以可調整地加熱該熔化材料。
  36. 如請求項35之裝置，其中該導電線圈經調適以在該材料之液相線至該液相線以上500℃之範圍內加熱該熔化材料。
  37. 如請求項35之裝置，其中該冷感應導引件包括毗鄰該霧化爐床之入口及毗鄰該霧化噴嘴之出口，且其中導電線圈定位於該出口處且經調適以停止該熔化材料至該霧化噴嘴之通過。
  38. 如請求項24之裝置，其中該霧化噴嘴包含形成會聚於一點處且形成該熔化材料之該小滴噴霧之電漿噴流之複數個電漿霧化火炬。
  39. 如請求項24之裝置，其中該霧化噴嘴形成將該熔化材料分散成該小滴噴霧之至少一個氣體噴流。
  40. 如請求項24之裝置，其中該收集器相對於該霧化噴嘴之位置係可調整的。
  41. 如請求項24之裝置，其中該收集器係選自室、模具及旋轉心軸。
  42. 一種製造金屬粉末材料之方法，該方法包括：將進給材料供應至熔化爐床；利用第一熱源熔化該熔化爐床中之該等進給材料，藉此製造熔化材料；將該熔化材料之至少一部分自該熔化爐床直接或間接地傳遞至霧化爐床；利用第二熱源加熱該霧化爐床中之該熔化材料；將該熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至霧化噴嘴；及利用該霧化噴嘴形成該熔化材料之小滴噴霧，隨後將該小滴噴霧之至少一部分凝固以提供金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之組合物包括大於10ppm之硼。
  43. 一種製造金屬粉末材料之方法，該方法包括：將進給材料供應至熔化爐床；利用第一熱源熔化該熔化爐床中之該等進給材料，藉此製造熔化材料；將該熔化材料之至少一部分自該熔化爐床直接或間接地傳遞至霧化爐床；利用第二熱源加熱該霧化爐床中之該熔化材料；將該熔化材料之至少一部分以熔化狀態自該霧化爐床傳遞至霧化噴嘴；及利用該霧化噴嘴形成該熔化材料之小滴噴霧，隨後將該小滴噴霧之至少一部分凝固以提供金屬粉末材料，其中該金屬粉末材料之組合物按重量包括約4%之釩、約6%之鋁且其餘為鈦及雜質。
  44. 一種金屬粉末材料，其係藉由請求項1之方法製造，其中該金屬粉末材料包括大於10ppm之硼。
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