[發明專利]加工金屬粉末的方法

在審

• 申請號: 201710888527.6
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107878811A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: J·肖爾茨;E·米克洛茲;J·菲萊特;P·福雷特
• 申請（專利權）人: 林德股份公司
• 主分類號: B65B31/04
• 分類號: B65B31/04;B22F1/00;G01M3/20
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 彭麗丹,過曉東

本發明涉及加工金屬粉末的方法，特別是用于在冶金粉末工藝或生成性制造工藝(generative production processes)中進一步加工金屬粉末的方法。

有很多制造金屬粉末的方法。這包括固態金屬的機械粉碎，鹽溶液沉淀，化合物的熱分解，化合物，通常是固相中氧化物的還原，電解沉積，以及熔融金屬的霧化。上述最后三種方法是實際中最常用的制造金屬粉末的方法。

在霧化法中，熔融金屬碎裂為小液滴，在熔體液滴互相接觸或者與固體表面接觸之前迅速固化。此方法的原理是基于熔融金屬的細流通過高速的氣體或者液體流發生碎裂。空氣、氮氣和氬氣是最常用的氣體，而使用的液體主要是水。

其它碎裂熔體的方法也正越來越廣泛地使用，例如離心霧化，其中熔體液滴被從旋轉源向外甩出。

而水霧化被用于由鐵、鋼、銅和特別是銅合金制造粉末，鋁和鋅的霧化是主要使用的工藝，銅的霧化在有些情況下是在空氣中進行的。

對于壓縮空氣霧化，首先生產待霧化的金屬或待霧化的合金的熔體，然后相應進行過熱。該過熱的熔體通常再流過第二個更小的坩堝或者注料口，在此處形成熔體流經過噴嘴結構垂直下落。該熔體流被氣體(載氣)霧化，所得的液滴在運動過程中在霧化室內固化。金屬粉末在霧化室和/或下游的氣體凈化線(旋風分離器，過濾器)中和載氣分離。

通過LD方法制造的碳化程度低的鋼熔體優選用于通過在水中霧化工業化生產粉末鋼。另一種制造粉末鋼的方法是使用分類的廢鋼并將其在電弧爐中熔化。

可以通過用惰性氣體霧化有利地制造特種鋼、超級合金和其它高度合金化和/或對氧化敏感材料的高純度粉末。該工藝通常得到球形粉末，其基本不適于通過等靜壓加工和/或非常適合于該加工以及粉末噴射澆鑄。

用于霧化快加工鋼熔體的ASEA-STORA方法通常在工業上大規模應用。通過使用純化的惰性氣體如氮氣和氬氣，并在封閉系統中操作，可以制造出具有約100ppm氧的粉末。為了提高金屬液滴的冷卻速度，從外部冷卻霧化室，并使用水冷卻的底部收集粉末。

另一種方法包括根據NANOVAL在Laval噴嘴中用氣體霧化。為了生產活性金屬如鈦或鋯的球形金屬粉末，使熔融金屬不接觸陶瓷坩堝材料的方法具有優勢，因為陶瓷坩堝材料可能造成熔體氧化以及可能會毀壞坩堝。因此，活性金屬在冷卻的銅坩堝中感應熔化或通過等離子體熔化。然后在銅坩堝和熔體之間形成待霧化金屬的薄固化層，有效地防止熔體與坩堝材料反應。

另一種特別適用于反應性材料，并用于制造鈦粉的金屬無陶瓷霧化的可選方法為EIGA法。在該方法中，待霧化的金屬和/或待霧化的合金被做成垂直于環形感應線圈的棒狀電極，并且在表面上熔化。為了確保均勻熔化，該棒在該方法中進行旋轉運動。由此得到的熔體最終通過環形噴嘴自由落體落下，在其中被霧化并固化。接著，粉末沉積在霧化容器中。

類似地，等離子霧化被用于制造純的球形鈦粉末和鈦合金粉末。將由待霧化的合金制得的直徑約為3mm的線放到三個等離子體燃燒器的裝置中，在那里一步完成熔化和霧化。由于原材料的純度高，沒有任何坩堝材料，以及在惰性氣氛下熔化，因而得到最高純度的最終產物。

在真空中熔體的分布，從原理上來說也可以認為是一種霧化，可以借助惰性氣體或氫氣實現。在壓力下富集了氣體的熔體被壓成細流進入真空室。溶解在熔體中的氣體的膨脹將其分成細小的液滴。

制得金屬粉末后通常將其進行退火處理。例如由于存儲時間過長或者存儲條件不利(濕度和溫度高)而或多或少造成粉末粒子在表面氧化時，需要對粉末進行還原。還原以傳統方式同樣在用于燒結的爐子中進行。最常使用純氫氣和氨裂解氣體作為還原氣氛。

對于已知的加工金屬粉末的方法，特別是在生成性制造方法以及所謂的“增材制造(AM)”中，金屬粉末必須具有反應性盡可能高的表面，并且特別是金屬粉末不應該存在任何表面氧化。

在增材制造的范疇內的方法之一通常是粉末床技術，該技術中將粉末放置在容器內，且容器內充滿保護氣體，同時激光對粉末具有熔化或燒結效果，由此制得組件然后相應地將其進行逐層激光處理。

整體而言，選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)、選擇性熱燒結(SHS)以及電子束熔融(EBM)都是已知的方法。電子束熔融、選擇性激光燒結以及選擇性激光熔融都是相似的方法，例如在選擇性激光熔融中，將金屬粉末以薄層形式施加在基板表面，然后利用激光束將其完全再熔融，從而形成材料的固體層。然后將基板降低一個層厚度并再次施加金屬粉末，不斷重復該循環直至所有的層都按照需求的方式再熔融。