基本为球形的金属粉末的制备
【专利说明】基本为球形的金属粉末的制备
[0001 ] 相关专利申请
[0002]本专利申请与2014年5月13日提交的美国临时专利申请N0.61/992，692、2014年9月2日提交的美国临时专利申请N0.61/044,781以及2014年12月2日提交的美国临时专利申请N0.62/086，524相关，这些专利申请各自以引用方式并入本文。
[0003]政府利益
[0004]无。
【背景技术】
[0005]粉末冶金通常用于制造由纯金属或金属合金构成的产品。将一种或多种粉末化的金属混合在一起，压缩成所需的形式。然后通过加热粉末化的金属，直到金属颗粒粘结在一起，从而对粉末化的金属进行烧结。近来，金属粉末已被用于添加剂制造技术，诸如使用激光或电子束(EB)技术的3D打印。
[0006]钛是一种用于粉末冶金的示例性金属。钛具有优异的特性，包括高强度、轻重量、出众的耐腐蚀性以及优于大多数或所有其他金属的生物相容性。然而，除了航天、医疗、国防工业以外，钛的应用并不广泛。这主要是由于制造钛零件的成本高。其制造成本可能超过通用钢的二十倍。
【发明内容】
[0007]本发明公开了一种用于制备基本为球形的金属粉末的方法。该方法可包括提供粒状源金属，该粒状源金属包含具有平均起始粒度的初级颗粒。该方法还可包括任选地球磨，以及在溶剂中混合粒状源金属和粘结剂以形成浆料。然后，可将浆料制粒以形成基本为球形的颗粒剂，其中每个颗粒剂包含粒状源金属在聚合物粘结剂中的团聚体。该方法还可包括在脱脂温度下将颗粒剂脱脂以降低颗粒剂的粘结剂含量，形成脱脂的颗粒剂。可在烧结温度下将脱脂的颗粒剂部分烧结或完全烧结，使得各颗粒剂内的颗粒融合在一起，形成部分或完全烧结的颗粒剂。取决于特定的粉末装填技术和烧结温度，烧结颗粒可为离散颗粒，或者烧结颗粒可以互相连接，形成部分或完全烧结的颗粒剂的易碎主体。完全烧结被定义为烧结颗粒的密度大于理论密度的98%。可回收烧结的颗粒剂以形成基本为球形的金属粉末。在一些情况下，分离可涉及打破易碎主体，而在许多情况下，可从炉中取出离散的烧结颗粒剂。
[0008]在另一个实施例中，基本为球形的金属颗粒剂的部分烧结的易碎主体可包括在颗粒剂之间的接触点处相互粘合的多个基本为球形的金属颗粒剂。颗粒剂的易碎主体平均还可保留至少30%的未融合表面积。此外，各颗粒剂可包含多个融合的金属粉末颗粒。
[0009]另一个实施例可包括用于制备基本为球形的金属粉末的方法，该方法包括提供如上所述的基本为球形的金属颗粒剂的部分烧结的易碎主体，并回收颗粒剂来形成基本为球形的金属粉末。
[0010]一个另外的实施例可包括生坯，该生坯包括多个基本为球形的颗粒剂，这些颗粒剂经压缩使其在接触点处彼此接触，同时在颗粒剂之间保持至少20 %的空隙体积，其中每个颗粒剂包含多个金属粉末颗粒以及聚合物粘结剂。可对生坯进行脱脂处理，以去除粘结剂。
[0011]—个另外的实施例可包括对颗粒剂进行脱氧处理。脱脂的颗粒剂可与脱氧剂混合，诸如钙(Ca)或氢化钙(CaH2)。在该混合物中，也可以包含一种盐或多种盐的混合物。脱氧剂可在烧结过程中或在烧结之后单独地从颗粒剂中去除氧。在一个任选方面，在烧结过程中可借由分离剂将颗粒剂彼此分开。在一个实例中，通过加入CaO来实现分离，并通过加入脱氧剂来实现脱氧。
[0012]因此，已对本发明的更重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本发明的【具体实施方式】，并且更好地认识本发明对本领域的贡献。通过本发明的以下【具体实施方式】结合附图和权利要求，本发明的其他特征将变得更清晰，或者可通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0013]图1为流程图，其概括了根据本发明的一个实施例制备基本为球形的金属粉末的方法。
[0014]图2示出了根据本发明的一个实施例的生坯，其包括粘结剂中的粒状源金属的基本为球形的颗粒剂。
[0015]图3示出了脱脂的团块，其包括粘结剂含量降低的脱脂颗粒剂。
[0016]图4示出了根据本发明的又一个实施例的基本为球形的金属颗粒剂的部分烧结的易碎主体。
[0017]图5示出了根据本发明的另一个实施例的脱脂颗粒剂，该脱脂颗粒剂处于脱氧化剂和盐的混合物中。
[0018]图6为流程图，其概括了根据本发明的一个实施例制备基本为球形的金属粉末的另外方法。
[0019]图7为根据本发明的一个实施例的喷雾干燥的球形TiH2颗粒剂的SEM照片。
[0020]图8为根据本发明的一个实施例的部分烧结的TiH2颗粒剂的SEM照片。
[0021 ]图9为根据本发明的一个实施例的烧结的T1-6A1_4V颗粒剂的SEM照片。
[0022]除非受到权利要求的另外限制，否则这些附图均用于说明本发明的各个方面，而并非意图限制尺寸、材料、构造、布置方式或比例的范围。
【具体实施方式】
[0023]虽然充分详细地描述了这些示例性实施例，使本领域技术人员能够实践本发明，但应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，也可以实现其他实施例，并对本发明作出各种更改。因此，本发明的实施例的以下更详细的描述并非意图限制受权利要求书保护的本发明的范围，而仅仅是为了说明而不是限制本发明的特征和特点，以提出本发明的最佳操作方式，并使本领域技术人员能够充分实践本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
[0024]
[0025]在描述本发明和主张其权利要求时，将使用以下术语。如本文所用，“空隙体积”是指生坯、预烧结团块或部分烧结的易碎主体中固体颗粒剂之间的空间体积。因此，空隙体积的百分比是整个团块或部分烧结的易碎主体中未被固体颗粒剂占据的体积百分比。空隙体积可由例如空气、真空或其他流体占据。
[0026]如本文所用，“颗粒剂”是指粒状源金属颗粒的团聚体。颗粒剂可以包括处于粘结剂中的源金属颗粒。脱脂的颗粒可以包括在脱脂步骤中去除一些或所有粘结剂之后的源金属颗粒。在金属颗粒剂的部分或完全烧结的易碎主体内，每个颗粒剂可包括在烧结温度下已经融合在一起的源金属颗粒，其中所有粘结剂已被去除。
[0027]如本文所用，“烧结”通常是指加热压缩的金属粉末以将金属粉末颗粒融合在一起的方法。通常，“烧结”是指根据标准商业规范加热到充分的温度，并保持足够长的时间来实现完全致密化或几乎完全致密化。然而，“部分烧结”是指通过加热实现部分致密化，得到比完全烧结的产品疏松的部分烧结的产品。
[0028]可以考虑本发明的一些实施例中的颗粒或颗粒剂的性质来获得平均水平。除非另有说明，否则这些性质的所有平均值都为基于粉末、预烧结团块、部件、或部分烧结的易碎主体中单个颗粒的平均数。例如，“平均颗粒尺寸”是指数均颗粒尺寸，而“平均颗粒剂尺寸”是指数均颗粒剂尺寸。
[0029]除非上下文另行明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物。因此，举例来说，提及“粒子”包括提及一个或多个此类材料，而提及“烧结”是指一个或多个此类步骤。
[0030]如本文所用，对于确定的性质或情况，“基本”是指偏差足够小，小到不会对确定的性质或情况产生可测量的减损。在一些情况下，容许的具体偏差度取决于具体情况。
[0031]如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中列出。然而，这些列表应理解为列表中的每个构件独立地被视为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。
[0032]本文可能以范围格式表示浓度、含量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。例如，约1至约4.5的数值范围应解读为不仅包括明确引用的限值1至约4.5，还包括诸如2、3、4的单个数值，以及诸如1至3、2至4的子范围等。同样的原则也适用于仅引用一个数值的范围，诸如“小于约4.5”应被解读为包括上述所有值和范围。另外，无论范围有多广或者无论描述的是何种特征，这种解读都应适用。
[0033]任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求提供的顺序。只有在对于具体的权利要求限制，所有以下条件均存在于该限制中时，才能使用手段加功能或步骤加功能限制:a)明确引用“手段”或“步骤”；以及b)明确引用对应功能。在本文的说明中明确引用了支持手段加功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。
[0034]基本为球形的金属粉末的形成
[0035]粉末冶金可以是传统熔融和锻造冶金技术的低成本替代方案。然而，粉末冶金也具有挑战。对于一些源金属而言，生产用作源材料的粉末的成本非常高，这极大地削弱了粉末冶金方法的优点和竞争力。具体地讲，钛金属是粉末冶金的优良候选材料，但是生产钛金属粉末非常昂贵。
[0036]通常，可采用若干不同的方法之一来制造钛金属和钛合金粉末。最常见的方法之一是氢化脱氢法。可以通过氢化钛金属制造氢化钛粉。在业内，氢化钛是通过在相对较高的温度(约700°C)以及流动的氢气(H2)氛围下将海绵钛氢化来制造的。氢化海绵钛可被破碎成不同大小的粉末，然后脱氢生成钛金属粉末，该粉末通常称为HDH粉末。HDH