[发明专利]由粗的且有棱角的粉末进料生产细的球状粉末的方法和装置

说明书

提供了高温方法，其可以使粗的有棱角的粉末熔化、雾化和球化成细小且球状的粉末。其使用热等离子体来使颗粒在加热室中熔化以及使用超音速喷嘴来使流加速并使颗粒破裂成更细的颗粒。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月14日提交的目前未决的美国临时申请第62/585,882号的优先权，通过引用将其并入本文。

技术领域

本申请主题涉及由可获得和可负担的粗的且有棱角的原材料制造球状粉末，所述球状粉末可以用于增材制造例如金属注射成型和3D打印中的高要求应用。更具体地，本申请主题涉及可以通过等离子体处理生产细的球状粉末的方法。

背景技术

市场上对细的且球状的粉末具有高的需求。生产这样的粉末的方法倾向于使用昂贵的原料来源例如线材，或者倾向于在期望范围(5微米至45微米)内具有非常低的产率。

球状粉末与其对应的有棱角的物质相比主要由于其更高的密度和更好的流动性以及更好的耐摩损性而表现出对于许多应用的优异的适合性。

106微米至150微米的粗的且有棱角的粉末可以容易地以低成本生产并且容易地在市场上获得。

已经存在能够使粉末球化的方法，但认为当前方法无法同时使颗粒雾化并球化以落入用于增材制造的期望范围(作为实例，5微米至20微米、15微米至45微米和20微米至53微米)内。术语“雾化”意指涉及将熔融颗粒机械破裂成两个或更多个液滴的颗粒尺寸减小。该术语不包括由于仅形状因子的改变(例如，从多孔且有棱角的颗粒变为更致密且球状的颗粒，本文中称为“球化”)或者经过汽化步骤随后是再凝固步骤的颗粒的合成而导致的尺寸减小。

通过使粉末汽化并使其冷凝回固体细粉末来减小颗粒尺寸的方法(例如在纳米颗粒合成的情况下)确实存在，但具有相当多的缺点。首先，所得粉末通常在纳米尺度范围内，这对于增材制造中的现有技术而言通常太细。其次，使粉末汽化需要较高的停留时间和较高的电力负荷，这转化成低的生产率和高的工艺成本。最后，汽化方式仅适用于在汽化之前不降解的纯化合物，这是极其限制性的原因。这意味着合金无法使用该途径来可靠地生产，因为混合物中存在的元素将以不同的速率蒸发和冷凝。其也限制可以处理的化合物，因为一些化合物将由于达到沸点之前的温度而降解。

将有棱角的粉末处理成球状粉末的方法也确实存在。球化通过使颗粒或至少其表面熔化以使边缘平滑，从而达到作为球体的最稳定和紧凑的形状因子来实现。然而，除非粉末原料为高度有棱角且多孔的，否则该方法不显著改变粉末的颗粒尺寸。该方法不涉及颗粒破裂。这意味着如果旨在将细粉末作为最终产品，则进入球化过程的粉末原料必须已经满足期望的颗粒尺寸分布。尽管这对高度化学稳定的化合物例如氧化物陶瓷可以实现，但是对于其他材料例如金属，这通常导致具有比期望应用可容忍的更高的氧含量的粉末。其原因是有棱角的粉末通常经过机械尺寸减小过程以达到目标颗粒尺寸分布，这暗示着高水平的摩擦，从而引起温度的显著升高。即使在受控气氛下，金属粉末如果研磨成非常细的颗粒尺寸也有可能在过程中吸收大量的氧。球化过程也引起氧吸收，这意味着氧吸收的总量可以超过标准规定的最大容限。

此外，先前的球化方法常常包括感应耦合等离子体源的使用，其需要射频感应电源，这是高度专用的并且很少在市场上有售。

还值得指出的是，等离子体雾化目前被认为是生产市场上可获得的最具球状且致密的粉末的方法。该技术还产生更细范围内的窄颗粒尺寸，这是增材制造领域高度期望的。该技术的主要限制之一是其通常仅可以处理作为原料的线材。考虑到一些有价值的有需求的材料例如铝化钛(TiAl)、碳化物和陶瓷由于其机械特性而难以作为线材获得，但容易以粉末形式获得，这是重大的限制。认为当前不存在使用粉末作为原料的等离子体雾化方法。

气体雾化通常使用熔化的锭来雾化。然而，该技术也具有几个限制。第一，其导致由于气体截留而包含孔隙度的颗粒。第二且最重要的是，颗粒尺寸分布通常为宽的。重要的是提到当前无法使用气体雾化来对粗粉末进行再处理。