基本為球形的金屬粉末的制備
【專利說明】基本為球形的金屬粉末的制備
[0001 ] 相關(guān)專利申請
[0002]本專利申請與2014年5月13日提交的美國臨時專利申請N0.61/992，692、2014年9月2日提交的美國臨時專利申請N0.61/044,781以及2014年12月2日提交的美國臨時專利申請N0.62/086，524相關(guān)，這些專利申請各自以引用方式并入本文。
[0003]政府利益
[0004]無。
【背景技術(shù)】
[0005]粉末冶金通常用于制造由純金屬或金屬合金構(gòu)成的產(chǎn)品。將一種或多種粉末化的金屬混合在一起，壓縮成所需的形式。然后通過加熱粉末化的金屬，直到金屬顆粒粘結(jié)在一起，從而對粉末化的金屬進(jìn)行燒結(jié)。近來，金屬粉末已被用于添加劑制造技術(shù)，諸如使用激光或電子束(EB)技術(shù)的3D打印。
[0006]鈦是一種用于粉末冶金的示例性金屬。鈦具有優(yōu)異的特性，包括高強(qiáng)度、輕重量、出眾的耐腐蝕性以及優(yōu)于大多數(shù)或所有其他金屬的生物相容性。然而，除了航天、醫(yī)療、國防工業(yè)以外，鈦的應(yīng)用并不廣泛。這主要是由于制造鈦零件的成本高。其制造成本可能超過通用鋼的二十倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公開了一種用于制備基本為球形的金屬粉末的方法。該方法可包括提供粒狀源金屬，該粒狀源金屬包含具有平均起始粒度的初級顆粒。該方法還可包括任選地球磨，以及在溶劑中混合粒狀源金屬和粘結(jié)劑以形成漿料。然后，可將漿料制粒以形成基本為球形的顆粒劑，其中每個顆粒劑包含粒狀源金屬在聚合物粘結(jié)劑中的團(tuán)聚體。該方法還可包括在脫脂溫度下將顆粒劑脫脂以降低顆粒劑的粘結(jié)劑含量，形成脫脂的顆粒劑?？稍跓Y(jié)溫度下將脫脂的顆粒劑部分燒結(jié)或完全燒結(jié)，使得各顆粒劑內(nèi)的顆粒融合在一起，形成部分或完全燒結(jié)的顆粒劑。取決于特定的粉末裝填技術(shù)和燒結(jié)溫度，燒結(jié)顆粒可為離散顆粒，或者燒結(jié)顆粒可以互相連接，形成部分或完全燒結(jié)的顆粒劑的易碎主體。完全燒結(jié)被定義為燒結(jié)顆粒的密度大于理論密度的98%?？苫厥諢Y(jié)的顆粒劑以形成基本為球形的金屬粉末。在一些情況下，分離可涉及打破易碎主體，而在許多情況下，可從爐中取出離散的燒結(jié)顆粒劑。
[0008]在另一個實(shí)施例中，基本為球形的金屬顆粒劑的部分燒結(jié)的易碎主體可包括在顆粒劑之間的接觸點(diǎn)處相互粘合的多個基本為球形的金屬顆粒劑。顆粒劑的易碎主體平均還可保留至少30%的未融合表面積。此外，各顆粒劑可包含多個融合的金屬粉末顆粒。
[0009]另一個實(shí)施例可包括用于制備基本為球形的金屬粉末的方法，該方法包括提供如上所述的基本為球形的金屬顆粒劑的部分燒結(jié)的易碎主體，并回收顆粒劑來形成基本為球形的金屬粉末。
[0010]一個另外的實(shí)施例可包括生坯，該生坯包括多個基本為球形的顆粒劑，這些顆粒劑經(jīng)壓縮使其在接觸點(diǎn)處彼此接觸，同時在顆粒劑之間保持至少20 %的空隙體積，其中每個顆粒劑包含多個金屬粉末顆粒以及聚合物粘結(jié)劑。可對生坯進(jìn)行脫脂處理，以去除粘結(jié)劑。
[0011]—個另外的實(shí)施例可包括對顆粒劑進(jìn)行脫氧處理。脫脂的顆粒劑可與脫氧劑混合，諸如鈣(Ca)或氫化鈣(CaH2)。在該混合物中，也可以包含一種鹽或多種鹽的混合物。脫氧劑可在燒結(jié)過程中或在燒結(jié)之后單獨(dú)地從顆粒劑中去除氧。在一個任選方面，在燒結(jié)過程中可借由分離劑將顆粒劑彼此分開。在一個實(shí)例中，通過加入CaO來實(shí)現(xiàn)分離，并通過加入脫氧劑來實(shí)現(xiàn)脫氧。
[0012]因此，已對本發(fā)明的更重要的特征進(jìn)行了廣義的概述，以更好地理解接下來的本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，并且更好地認(rèn)識本發(fā)明對本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。通過本發(fā)明的以下【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征將變得更清晰，或者可通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0013]圖1為流程圖，其概括了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例制備基本為球形的金屬粉末的方法。
[0014]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的生坯，其包括粘結(jié)劑中的粒狀源金屬的基本為球形的顆粒劑。
[0015]圖3示出了脫脂的團(tuán)塊，其包括粘結(jié)劑含量降低的脫脂顆粒劑。
[0016]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個實(shí)施例的基本為球形的金屬顆粒劑的部分燒結(jié)的易碎主體。
[0017]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的脫脂顆粒劑，該脫脂顆粒劑處于脫氧化劑和鹽的混合物中。
[0018]圖6為流程圖，其概括了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例制備基本為球形的金屬粉末的另外方法。
[0019]圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的噴霧干燥的球形TiH2顆粒劑的SEM照片。
[0020]圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的部分燒結(jié)的TiH2顆粒劑的SEM照片。
[0021 ]圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的燒結(jié)的T1-6A1_4V顆粒劑的SEM照片。
[0022]除非受到權(quán)利要求的另外限制，否則這些附圖均用于說明本發(fā)明的各個方面，而并非意圖限制尺寸、材料、構(gòu)造、布置方式或比例的范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0023]雖然充分詳細(xì)地描述了這些示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)其他實(shí)施例，并對本發(fā)明作出各種更改。因此，本發(fā)明的實(shí)施例的以下更詳細(xì)的描述并非意圖限制受權(quán)利要求書保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而僅僅是為了說明而不是限制本發(fā)明的特征和特點(diǎn)，以提出本發(fā)明的最佳操作方式，并使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠充分實(shí)踐本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
[0024]
[0025]在描述本發(fā)明和主張其權(quán)利要求時，將使用以下術(shù)語。如本文所用，“空隙體積”是指生坯、預(yù)燒結(jié)團(tuán)塊或部分燒結(jié)的易碎主體中固體顆粒劑之間的空間體積。因此，空隙體積的百分比是整個團(tuán)塊或部分燒結(jié)的易碎主體中未被固體顆粒劑占據(jù)的體積百分比?？障扼w積可由例如空氣、真空或其他流體占據(jù)。
[0026]如本文所用，“顆粒劑”是指粒狀源金屬顆粒的團(tuán)聚體。顆粒劑可以包括處于粘結(jié)劑中的源金屬顆粒。脫脂的顆?？梢园ㄔ诿撝襟E中去除一些或所有粘結(jié)劑之后的源金屬顆粒。在金屬顆粒劑的部分或完全燒結(jié)的易碎主體內(nèi)，每個顆粒劑可包括在燒結(jié)溫度下已經(jīng)融合在一起的源金屬顆粒，其中所有粘結(jié)劑已被去除。
[0027]如本文所用，“燒結(jié)”通常是指加熱壓縮的金屬粉末以將金屬粉末顆粒融合在一起的方法。通常，“燒結(jié)”是指根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)規(guī)范加熱到充分的溫度，并保持足夠長的時間來實(shí)現(xiàn)完全致密化或幾乎完全致密化。然而，“部分燒結(jié)”是指通過加熱實(shí)現(xiàn)部分致密化，得到比完全燒結(jié)的產(chǎn)品疏松的部分燒結(jié)的產(chǎn)品。
[0028]可以考慮本發(fā)明的一些實(shí)施例中的顆?；蝾w粒劑的性質(zhì)來獲得平均水平。除非另有說明，否則這些性質(zhì)的所有平均值都為基于粉末、預(yù)燒結(jié)團(tuán)塊、部件、或部分燒結(jié)的易碎主體中單個顆粒的平均數(shù)。例如，“平均顆粒尺寸”是指數(shù)均顆粒尺寸，而“平均顆粒劑尺寸”是指數(shù)均顆粒劑尺寸。
[0029]除非上下文另行明確規(guī)定，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括復(fù)數(shù)指代物。因此，舉例來說，提及“粒子”包括提及一個或多個此類材料，而提及“燒結(jié)”是指一個或多個此類步驟。
[0030]如本文所用，對于確定的性質(zhì)或情況，“基本”是指偏差足夠小，小到不會對確定的性質(zhì)或情況產(chǎn)生可測量的減損。在一些情況下，容許的具體偏差度取決于具體情況。
[0031]如本文所用，為方便起見，多個物品、結(jié)構(gòu)元件、組成元件和/或材料可以在相同列表中列出。然而，這些列表應(yīng)理解為列表中的每個構(gòu)件獨(dú)立地被視為單獨(dú)且唯一的構(gòu)件。因此，在沒有相反指示的情況下，不應(yīng)單獨(dú)地基于它們在相同組中的表現(xiàn)，將此類列表的任何單個構(gòu)件理解為相同列表的任何其他構(gòu)件的實(shí)際等同物。
[0032]本文可能以范圍格式表示濃度、含量和其他數(shù)值數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解，此類范圍格式的使用僅僅出于方便和簡潔目的，并且應(yīng)靈活解讀為不僅包括明確引用為范圍限值的數(shù)值，還包括涵蓋在該范圍內(nèi)的所有單個數(shù)值或子范圍，如同明確引用每個數(shù)值和子范圍。例如，約1至約4.5的數(shù)值范圍應(yīng)解讀為不僅包括明確引用的限值1至約4.5，還包括諸如2、3、4的單個數(shù)值，以及諸如1至3、2至4的子范圍等。同樣的原則也適用于僅引用一個數(shù)值的范圍，諸如“小于約4.5”應(yīng)被解讀為包括上述所有值和范圍。另外，無論范圍有多廣或者無論描述的是何種特征，這種解讀都應(yīng)適用。
[0033]任何方法或工藝權(quán)利要求中所引用的任何步驟可以按任何順序執(zhí)行并且不限于權(quán)利要求提供的順序。只有在對于具體的權(quán)利要求限制，所有以下條件均存在于該限制中時，才能使用手段加功能或步驟加功能限制:a)明確引用“手段”或“步驟”；以及b)明確引用對應(yīng)功能。在本文的說明中明確引用了支持手段加功能的結(jié)構(gòu)、材料或行為。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅由所附權(quán)利要求及其合法等同條件確定，而非由本文給定的描述和例子確定。
[0034]基本為球形的金屬粉末的形成
[0035]粉末冶金可以是傳統(tǒng)熔融和鍛造冶金技術(shù)的低成本替代方案。然而，粉末冶金也具有挑戰(zhàn)。對于一些源金屬而言，生產(chǎn)用作源材料的粉末的成本非常高，這極大地削弱了粉末冶金方法的優(yōu)點(diǎn)和競爭力。具體地講，鈦金屬是粉末冶金的優(yōu)良候選材料，但是生產(chǎn)鈦金屬粉末非常昂貴。
[0036]通常，可采用若干不同的方法之一來制造鈦金屬和鈦合金粉末。最常見的方法之一是氫化脫氫法?？梢酝ㄟ^氫化鈦金屬制造氫化鈦粉。在業(yè)內(nèi)，氫化鈦是通過在相對較高的溫度(約700°C)以及流動的氫氣(H2)氛圍下將海綿鈦氫化來制造的。氫化海綿鈦可被破碎成不同大小的粉末，然后脫氫生成鈦金屬粉末，該粉末通常稱為HDH粉末。HDH