[发明专利]加工金属粉末的方法

说明书

本发明涉及加工金属粉末的方法，特别是用于在冶金粉末工艺或生成性制造工艺(generative production processes)中进一步加工金属粉末的方法。

有很多制造金属粉末的方法。这包括固态金属的机械粉碎，盐溶液沉淀，化合物的热分解，化合物，通常是固相中氧化物的还原，电解沉积，以及熔融金属的雾化。上述最后三种方法是实际中最常用的制造金属粉末的方法。

在雾化法中，熔融金属碎裂为小液滴，在熔体液滴互相接触或者与固体表面接触之前迅速固化。此方法的原理是基于熔融金属的细流通过高速的气体或者液体流发生碎裂。空气、氮气和氩气是最常用的气体，而使用的液体主要是水。

其它碎裂熔体的方法也正越来越广泛地使用，例如离心雾化，其中熔体液滴被从旋转源向外甩出。

而水雾化被用于由铁、钢、铜和特别是铜合金制造粉末，铝和锌的雾化是主要使用的工艺，铜的雾化在有些情况下是在空气中进行的。

对于压缩空气雾化，首先生产待雾化的金属或待雾化的合金的熔体，然后相应进行过热。该过热的熔体通常再流过第二个更小的坩埚或者注料口，在此处形成熔体流经过喷嘴结构垂直下落。该熔体流被气体(载气)雾化，所得的液滴在运动过程中在雾化室内固化。金属粉末在雾化室和/或下游的气体净化线(旋风分离器，过滤器)中和载气分离。

通过LD方法制造的碳化程度低的钢熔体优选用于通过在水中雾化工业化生产粉末钢。另一种制造粉末钢的方法是使用分类的废钢并将其在电弧炉中熔化。

可以通过用惰性气体雾化有利地制造特种钢、超级合金和其它高度合金化和/或对氧化敏感材料的高纯度粉末。该工艺通常得到球形粉末，其基本不适于通过等静压加工和/或非常适合于该加工以及粉末喷射浇铸。

用于雾化快加工钢熔体的ASEA-STORA方法通常在工业上大规模应用。通过使用纯化的惰性气体如氮气和氩气，并在封闭系统中操作，可以制造出具有约100ppm氧的粉末。为了提高金属液滴的冷却速度，从外部冷却雾化室，并使用水冷却的底部收集粉末。

另一种方法包括根据NANOVAL在Laval喷嘴中用气体雾化。为了生产活性金属如钛或锆的球形金属粉末，使熔融金属不接触陶瓷坩埚材料的方法具有优势，因为陶瓷坩埚材料可能造成熔体氧化以及可能会毁坏坩埚。因此，活性金属在冷却的铜坩埚中感应熔化或通过等离子体熔化。然后在铜坩埚和熔体之间形成待雾化金属的薄固化层，有效地防止熔体与坩埚材料反应。

另一种特别适用于反应性材料，并用于制造钛粉的金属无陶瓷雾化的可选方法为EIGA法。在该方法中，待雾化的金属和/或待雾化的合金被做成垂直于环形感应线圈的棒状电极，并且在表面上熔化。为了确保均匀熔化，该棒在该方法中进行旋转运动。由此得到的熔体最终通过环形喷嘴自由落体落下，在其中被雾化并固化。接着，粉末沉积在雾化容器中。

类似地，等离子雾化被用于制造纯的球形钛粉末和钛合金粉末。将由待雾化的合金制得的直径约为3mm的线放到三个等离子体燃烧器的装置中，在那里一步完成熔化和雾化。由于原材料的纯度高，没有任何坩埚材料，以及在惰性气氛下熔化，因而得到最高纯度的最终产物。

在真空中熔体的分布，从原理上来说也可以认为是一种雾化，可以借助惰性气体或氢气实现。在压力下富集了气体的熔体被压成细流进入真空室。溶解在熔体中的气体的膨胀将其分成细小的液滴。

制得金属粉末后通常将其进行退火处理。例如由于存储时间过长或者存储条件不利(湿度和温度高)而或多或少造成粉末粒子在表面氧化时，需要对粉末进行还原。还原以传统方式同样在用于烧结的炉子中进行。最常使用纯氢气和氨裂解气体作为还原气氛。

对于已知的加工金属粉末的方法，特别是在生成性制造方法以及所谓的“增材制造(AM)”中，金属粉末必须具有反应性尽可能高的表面，并且特别是金属粉末不应该存在任何表面氧化。

在增材制造的范畴内的方法之一通常是粉末床技术，该技术中将粉末放置在容器内，且容器内充满保护气体，同时激光对粉末具有熔化或烧结效果，由此制得组件然后相应地将其进行逐层激光处理。

整体而言，选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)以及电子束熔融(EBM)都是已知的方法。电子束熔融、选择性激光烧结以及选择性激光熔融都是相似的方法，例如在选择性激光熔融中，将金属粉末以薄层形式施加在基板表面，然后利用激光束将其完全再熔融，从而形成材料的固体层。然后将基板降低一个层厚度并再次施加金属粉末，不断重复该循环直至所有的层都按照需求的方式再熔融。