[发明专利]用于球形粉末的独特原料及制造方法

说明书

本文公开了使用微波等离子体加工来加工原料材料的方法、装置和组件的实施方案。具体地，本文公开的原料材料属于独特的粉末原料，比如钽、钇稳定的氧化锆、铝、水雾化合金、铼、钨和钼。微波等离子体加工可以用于球化和去除污染物。有利地，微波等离子体加工的原料可以用于需要高粉末流动性的各种应用中，比如增材制造或粉末冶金(PM)应用。

相关申请的引用

本申请在35 U.S.C. §119(e)下要求于2019年11月18日提交的美国临时申请号62/937054的优先权益，其全部公开内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开在一些实施方案中一般涉及由独特的原料材料生产球形或球状粉末产品。

背景技术

制备一些形式的工业粉末的重要方面是球化工艺，其将通过常规粉碎方法生产的不规则形状或有棱角的粉末转化成球形低孔隙率颗粒。球形粉末形状均匀、较致密、孔隙较少、具有高且一致的流动性和高振实密度。这种粉末在诸如注射成型、热喷涂、增材制造等应用中展示出优异的性能。

传统的球化方法采用1978年2月28日颁发的美国专利4,076,640中描述的热电弧等离子体和2005年7月19日颁发的美国专利6,919,527中描述的射频产生的等离子体。然而，这两种方法存在射频和热电弧等离子体的热非均匀性所固有的局限。

在热电弧等离子体的情况下，在两个电极之间产生电弧，在等离子体通道内产生等离子体。使用等离子气体将等离子体吹出等离子体通道。粉末从侧面要么垂直地要么以一定角度注入等离子体羽流中，在此粉末被等离子体的高温熔融。熔体的表面张力将其拉成球形形状，然后其冷却、凝固并收集在过滤器中。热电弧等离子体的问题在于，用于点燃等离子体的电极暴露于高温，导致电极的劣化，这会污染等离子体羽流和工艺材料。另外，热电弧等离子体羽流固有地展现大的温度梯度。通过将粉末从侧面注入等离子体羽流中，并非所有粉末颗粒都暴露于相同的工艺温度，产生部分球化的、非均匀的、具有不均一的孔隙率的粉末。

在射频感应耦合等离子体球化的情况下，等离子体通过变化的磁场产生，其在等离子气体中感应出电场，继而驱动诸如电离、激发等的等离子体过程以维持圆柱形介电管中的等离子体。已知电感耦合等离子体具有射频能量进入等离子体的低耦合效率和与电弧和微波产生的等离子体相比更低的等离子体温度。负责产生等离子体的磁场展现出非均匀的分布，这导致了具有大的温度梯度的等离子体，其中等离子体呈现类环形形状，其在等离子体的边缘处(靠近介电管壁)展现最高温度，而在环形的中心呈现最低温度。另外，在等离子体和围绕介电管缠绕的射频线圈之间由于线圈上的RF电压而产生电容分量。该电容分量产生大的电场，其将离子从等离子体驱向介电内壁，这继而导致电弧作用和介电管劣化以及由管的材料引起的工艺材料污染。

发明内容

本文公开了使用微波等离子体加工来球化独特原料材料的实施方案。在一个方面，提供了一种由包含钇稳定的氧化锆(YSZ)的进料材料生产球化粉末的方法。所述方法包括：将包含YSZ颗粒的进料材料引入微波等离子体炬；以及在微波等离子体炬产生的等离子体中熔融和球化颗粒以形成球化粉末。

在另一方面，提供了一种由包含铝(Al)或铝合金的进料材料生产球化粉末的方法。所述方法包括：将包含Al或Al合金颗粒的进料材料引入微波等离子体炬中；以及在微波等离子体炬产生的等离子体中熔融和球化颗粒以形成球化粉末。在一些实施方案中，Al或Al合金包括Al 6000系列或铝硅镁(AlSiMg)。AlSiMg可以是AlSi10Mg。

在另一方面，提供了一种由包含水雾化合金的进料材料生产球化粉末的方法。所述方法包括：将包含水雾化合金的进料材料引入微波等离子体炬中；以及在微波等离子体炬产生的等离子体中熔融和球化颗粒以形成球化粉末。在一些实施方案中，所述水雾化合金包括金属注射成型的(MIM) 17-4不锈钢。在一些实施方案中，所述水雾化合金包括Inconel合金625 (IN625)。