專利名稱：用于清潔、快速固結(jié)合金的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在真空條件下用于熔化和霧化金屬及合金(此處總稱為"合 金")以產(chǎn)生清潔的霧化熔融材料的裝置和方法，該融熔材料能夠快速固結(jié) 為或粉末或預(yù)制件。固態(tài)預(yù)制件可以使用象例如噴射成型和成核鑄造的技術(shù) 由霧化的熔融材料制成。所收集的粉末可以被進(jìn)一步加工成為不同的生產(chǎn) 件。作為一個(gè)實(shí)例，由該裝置和方法制成的粉末可以被收集、集中到容器內(nèi)、 并被進(jìn)一步加工使其固結(jié)為固態(tài)預(yù)制件。
背景技術(shù)：
目前用以生產(chǎn)粉末金屬制品的工藝通常采用常規(guī)的流體霧化技術(shù)來生 產(chǎn)合金粉末。例如，常規(guī)的流體霧化技術(shù)被用來生產(chǎn)合金粉末，以進(jìn)一步生 產(chǎn)一般的壓制件和燒結(jié)件。合金粉末也被用于更為尖端的場(chǎng)合，比如用于制 備用來制造關(guān)鍵的航天構(gòu)件的材料。
在一個(gè)常規(guī)的流體霧化技術(shù)工藝中，高壓氣體被撞擊在熔融材料或合金 流束上，將流束物理粉碎為全部的或部分的微小熔融材料微粒。隨著熔融材 料微粒散發(fā)熱量，它們凝結(jié)，然后被收集為固態(tài)粉末。在特定的關(guān)鍵應(yīng)用中， 比如在某些航天構(gòu)件的制造中，由幾個(gè)少量的霧化流束形成的多批霧化粉末
被混合，然后混合物被細(xì)篩為較小的尺寸(例如，-325網(wǎng)格)，集中到金屬 容器中，并通過沖壓或壓實(shí)容器和其中的粉末物而被固結(jié)成為合適的固態(tài)件 (預(yù)制件)。然后，固態(tài)件能夠通過機(jī)械加工和其它常規(guī)技術(shù)被進(jìn)一步加工 成為預(yù)定的形狀和特征。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)包括清潔；成分可控并一致；及 固態(tài)件具有相對(duì)小的粒度，這對(duì)于用該固態(tài)件制造的構(gòu)件的性能可以是關(guān)鍵 的。
常規(guī)工藝的步驟包括熔化；霧化；混合；細(xì)篩；裝箱；和固結(jié)，其中 存在著幾處缺陷。例如，由幾個(gè)少量的熔化物形成的霧化粉末被用于形成混 合粉末。這是由于在粉末形成期間熔化物必須通過相對(duì)小的孔流束出，并且 流束出率顯著小于鑄造或常規(guī)熔化工藝中的流束出率。因此，在霧化之前，合金必須在一定延長(zhǎng)期內(nèi)保持熔化狀態(tài)，由于元素的揮發(fā)和與熔融容器的陶
瓷(ceramic)襯里的反應(yīng)，這將導(dǎo)致合金的化學(xué)成分的惡化。幾個(gè)少量的熔 化物被霧化以最小化任一個(gè)熔化物的成分的惡化程度。因此，上述粉末形成 工藝通常是費(fèi)時(shí)且耗資巨大。另外，通常在常規(guī)的陶瓷襯里的熔爐內(nèi)生產(chǎn)熔 化物，因此，最終生成的粉末經(jīng)常被氧化物所污染。 一旦形成粉末，將通過 數(shù)個(gè)步驟對(duì)它們進(jìn)行處理，每一個(gè)步驟都具有額外污染的可能性。另外，由 于上述工藝包括數(shù)個(gè)步驟，通常費(fèi)用巨大。
各種技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出以具體針對(duì)通過粉末霧化用熔化物形成固結(jié)件 的工藝中的各個(gè)步驟。幾個(gè)已經(jīng)開發(fā)出的熟知的熔化技術(shù)采用真空環(huán)境，而 不使用常規(guī)的陶乾襯里熔爐。相對(duì)于在常規(guī)的陶瓷襯里熔爐形成的熔化物， 這些技術(shù)形成的熔化物中的氧化物污染顯著減少。例如，電子束(EB)熔化 技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)眾所周知，并在技術(shù)文獻(xiàn)和專利文獻(xiàn)中被廣為討論。另一個(gè)實(shí) 例是真空雙電極重炫(VADER, vacuum double-electrode remelting )工藝， 這已經(jīng)為本領(lǐng)域所知，并在例如美國(guó)專利4,261,412中進(jìn)行了討論。其它已 知的在無陶資熔化裝置中形成熔融合金流束的技術(shù)在例如美國(guó)專利 5,325,906和5,348,566中公開。，906專利公開了一種組合了耦接于冷感應(yīng)引 導(dǎo)(CIG, cold induction guide )的電渣重火容(ESR， electroslag remdting )裝 置的熔化裝置。在，906專利描述的一個(gè)實(shí)施例中，通過在ESR裝置中熔化 自耗電極生產(chǎn)出熔融精煉材料流束。上述熔融流束在緊密耦接的冷感應(yīng)引導(dǎo) (CIG)的保護(hù)下與周圍環(huán)境隔離而向下流束至噴霧形成裝置。，566專利同 樣公開了 一種組合了緊密耦接于CIG的ESR裝置的裝置，但還公開了用以 控制熔融材料通過CIG的流束動(dòng)的技術(shù)。本技術(shù)包括例如，通過冷指(cold finger)裝置本身和通過鄰近的氣冷裝置控制向CIG內(nèi)的合金提供感應(yīng)熱的 速率，并控制CIG中的熔融材料的散熱率。
在常規(guī)的流體撞擊霧化技術(shù)中，或者氣體或者液體被撞擊在熔融材料的 流束上。使用液體或某些氣體的撞擊會(huì)將污染引入霧化材料。另外，假設(shè)在 真空環(huán)境中不發(fā)生流體撞擊，但即使使用惰性氣體的撞擊技術(shù)也能夠?qū)⒋罅?的雜質(zhì)引入霧化材料。為解決這一問題，某些可以在真空環(huán)境中進(jìn)行的非流 體撞擊霧化技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來。這些技術(shù)包括標(biāo)題為"用于噴霧成型、霧 化和熱傳遞的方法和裝置"的美國(guó)專利6，772,961B2 (961專利)中描述的霧 化工藝，其中，由耦接于可控分配裝置的熔化裝置生成的熔融合金熔滴或熔融合金流束通過以高的上升速率(rise rate )對(duì)熔滴施加高壓而一皮快速充電。 充電熔滴內(nèi)的靜電力使熔滴碎裂或霧化成為更小的次級(jí)微粒。在，961專利描 述的一項(xiàng)技術(shù)中，由調(diào)節(jié)裝置的孔口產(chǎn)生的主熔滴受鄰近于孔口下方的環(huán)形 電極的電場(chǎng)的作用。在主熔滴內(nèi)產(chǎn)生的靜電力超過微粒的表面張力，導(dǎo)致了 較小的次級(jí)孩i粒的形成。額外的環(huán)形電場(chǎng)產(chǎn)生電極可以配置在下游，/人而以 同樣的方式作用于次級(jí)微粒，產(chǎn)生更小的熔融微粒。在這里通過參考加 入，961專利的全部公開內(nèi)容。
電子束霧化是另一種在真空中進(jìn)行的用于霧化熔融材料的一一流體撞擊 技術(shù)。大體上，該技術(shù)包括使用電子束將電荷噴射入熔融合金流束的區(qū)域和/ 或連續(xù)的合金熔滴。 一旦該區(qū)域或熔滴聚集足夠的超過瑞利極限(the Rayleigh limit )的電荷，該區(qū)域或熔滴會(huì)變得不穩(wěn)定并斷裂成為細(xì)小顆粒(即， 霧化)。該電子束霧化技術(shù)在，961專利中進(jìn)行了總體描述，并將在下面進(jìn)一 步描述。
另外，，961專利公開了使用靜電場(chǎng)和/或電磁場(chǎng)來控制在生產(chǎn)噴霧形成 預(yù)制件或粉末的工藝中通過霧化形成的熔融合金微粒的加速度、速度、和/ 或方向的特性的技術(shù)。如，961專利描述的，這種技術(shù)提供了對(duì)于霧化材料的 重要的下游控制并能夠減少過噴射和其它的材料浪費(fèi)，提高質(zhì)量，增加了由 噴射成型技術(shù)制成的固態(tài)預(yù)制件的密度，并改善在霧化材料轉(zhuǎn)化為粉末形式 時(shí)的粉末品質(zhì)以及提高產(chǎn)量。
關(guān)于收集霧化粉末，使霧化粉末駐留在霧化腔的底面上的方法已經(jīng)為人
所熟知，并已經(jīng)常規(guī)地用于合金粉末的商業(yè)生產(chǎn)。另外，收集霧化材料制成 單個(gè)預(yù)制件的方法，比如，舉個(gè)例子，噴射成型和有核鑄造，已經(jīng)眾所周知， 并已經(jīng)在許多文章和專利中被描述。關(guān)于成核鑄造，可以具體參考美國(guó)專利 5,381,847， 6,264,717和6,496,529 Bl。大體上，成核鑄造包括霧化熔融合 金流束；然后引導(dǎo)產(chǎn)生的微粒進(jìn)入具有預(yù)定形狀的鑄模。熔滴可以融合并固 結(jié)為單個(gè)具有模的形狀的物件，鑄件可以被進(jìn)一步加工成為預(yù)定的構(gòu)件。噴 射成型包括引導(dǎo)霧化的熔融材料至例如用以形成獨(dú)立預(yù)制件的心軸或圓柱 的表面上。從特性上來講，由于例如無模噴射成型工藝中需要不流束動(dòng)且移 動(dòng)的微粒，因此噴射成型和有核鑄造之間的霧化微粒的典型固態(tài)成分不同。 如上面所提到的，許多已知用于熔化、霧化和形成合金以產(chǎn)生粉末和固 態(tài)預(yù)制件的工藝存在不足。這些不足包括例如，在最終產(chǎn)品中存在氧化物和其它的污染物；由于過噴射導(dǎo)致產(chǎn)率損失；固有的尺寸限制。因此，需要 改進(jìn)用于熔化和霧化合金并從霧化材料形成粉末和固態(tài)預(yù)制件的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及用于形成合金粉末和預(yù)制件的新型裝置。該裝置 包括熔化組件；霧化組件；場(chǎng)產(chǎn)生組件；和收集器。熔化組件被用以產(chǎn)生 熔融合金流束和連續(xù)的熔融合金熔滴中的至少 一種，并在接觸熔融合金的區(qū) 域大體上無陶資。霧化組件將電子撞擊在熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上，從而 霧化熔融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒。場(chǎng)產(chǎn)生組件在霧化組件和收集器之間產(chǎn) 生靜電場(chǎng)和電^f茲場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)。至少一個(gè)場(chǎng)與熔融合金^Ti粒相互作用并 在合金微粒流向收集器時(shí)影響微粒的加速度、速度和方向中的至少 一 個(gè)特 性。該裝置還可以有選擇性地包括:圍繞熔化組件、霧化組件、場(chǎng)產(chǎn)生組件和 收集器組件的至少一部分的腔室；和向腔室提供真空環(huán)境的真空裝置。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面涉及可以用于形成粉末和預(yù)制件中的至少 一種的 裝置。該裝置包括提供熔融合金流束和熔融合金連續(xù)熔滴中的至少一種的 熔化組件，其中，所述熔化組件在接觸熔融合金的區(qū)域大體上無陶瓷。該裝 置的霧化組件將電子撞擊在熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上從而霧化熔融合金 并產(chǎn)生熔融合金微粒。該裝置的場(chǎng)產(chǎn)生組件在霧化組件下游的該裝置的區(qū)域 中產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)。所產(chǎn)生的至少一個(gè)場(chǎng)與熔融合金微
粒相互作用并影響熔融合金微粒。在該裝置的某些非限制性實(shí)施例中，由場(chǎng) 產(chǎn)生組件產(chǎn)生的至少一個(gè)場(chǎng)影響熔融合金微粒的加速度、速度、和方向中的 至少一種特性。在熔化組件、霧化組件、和場(chǎng)產(chǎn)生組件之外，該裝置還可有 選擇地包括收集器，從霧化組件產(chǎn)生的熔融合金在上述的至少一個(gè)場(chǎng)的影 響下被導(dǎo)入收集器；和圍繞熔化組件、霧化組件和場(chǎng)產(chǎn)生組件的至少一部分 的真空腔。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面涉及形成粉末和固態(tài)預(yù)制件中的一種的方法。本方 法包括在熔化組件中產(chǎn)生熔融合金流束和熔融合金連續(xù)熔滴中的至少一 種，熔化組件中與熔融合金接觸的區(qū)域大體上無陶瓷。本方法還包括通過 使電子撞擊在從熔化組件中產(chǎn)生的熔融合金上生成熔融合金微粒，從而霧化 熔融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒。本方法還包括生成靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)，其中，熔融合金微粒與場(chǎng)相互作用并受場(chǎng)的影響。熔融合金微粒 被以粉末和固態(tài)預(yù)制件中的一種形式收集進(jìn)入收集器或被收集到收集器上， 在本方法的某些非限制性實(shí)施例中，熔融合金微粒與場(chǎng)產(chǎn)生組件所產(chǎn)生的至 少一個(gè)場(chǎng)相互作用并受其影響使得熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的 至少 一種特性以預(yù)定的方式被影響。
技術(shù)人員通過對(duì)下面關(guān)于依據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的特定非限制性實(shí) 施例的詳細(xì)描述將明白前述的細(xì)節(jié)，同樣也能明白其它細(xì)節(jié)。技術(shù)人員還可 以通過執(zhí)行或使用這里描述的裝置和方法理解另外的細(xì)節(jié)。


這里描述的裝置和方法的特性和優(yōu)點(diǎn)可以通過參考附圖獲得更好的理 解，在附圖中
圖1是依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖2是依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的一個(gè)非限制性實(shí)施例的各方面的示意 圖，其中，大體塊形電子場(chǎng)被沿熔融材料穿過霧化組件的路徑產(chǎn)生；
圖3是依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的一個(gè)非限制性實(shí)施例的各方面的示意 圖，其中，柵格裝置沿熔融材料穿過霧化組件的路徑產(chǎn)生電子場(chǎng)；
圖4是依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的一個(gè)非限制性實(shí)施例的各方面的示意 圖，其中，用以沿熔融材料穿過霧化組件的路徑產(chǎn)生電子場(chǎng)的電子從燈絲的 外表面產(chǎn)生；
圖5是可以被包括進(jìn)依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置中的電子束霧化組件的一個(gè) 實(shí)施例的示意圖6、 7、 7A、 8和8A是適于噴射形成預(yù)制件的依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置 的不同非限制性實(shí)施例的各個(gè)組件的示意圖9、 9A是適于形成粉末材料的依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的可選的非限制 性實(shí)施例的示意圖10-13示意性地描繪了可以被包括進(jìn)依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置中的熔化 組件的幾個(gè)非限制性實(shí)施例；
圖14-16示意性地描繪了可以被用于收集由依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的實(shí) 施例產(chǎn)生的固態(tài)霧化材料的技術(shù)的幾個(gè)非限制性實(shí)施例；
圖17和17A示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的非限制性實(shí)施例，其中，通過在模具中成核鑄造由電子束霧化產(chǎn)生的霧化熔融合金而生產(chǎn)出鑄件。
具體實(shí)施例方式
在當(dāng)前對(duì)于實(shí)施例的描述中及在權(quán)利要求中，除了在操作實(shí)例或其它的 特別說明之處以外，所有表述成分和產(chǎn)物、工藝條件及諸如此類的質(zhì)量或特
性的數(shù)字在所有情況下都應(yīng)理解為用"大約(about)"進(jìn)行修正。因此，除 非相反地標(biāo)注，任何在下面的描述中和權(quán)利要求中提出的數(shù)字參數(shù)都是近似 的，可以依據(jù)本發(fā)明根據(jù)人們?cè)诤辖鸷椭破分袑で螳@得的預(yù)定的特性而變 化。至少，且不是試圖限制權(quán)利要求的等同性原則，每一個(gè)數(shù)字參數(shù)都應(yīng)依
這里通過參考加入的任何的專利、公開或其它說明材料的全部或部分內(nèi) 容在這里僅以不與已有的定義、聲明或本發(fā)明中所提出的其它公開的材料相 矛盾沖突為準(zhǔn)。這樣，在必需的程度內(nèi)，這里所闡述的說明書替換任何在這 里通過參考加入的相矛盾的材料。這里通過參考將要加入的任何材料或材料 的某些部分，如果與現(xiàn)有定義、聲明或這里公開的其它說明材料相矛盾的， 僅以加入的材料與現(xiàn)有說明材料之間不出現(xiàn)矛盾為準(zhǔn)加入這些材料。
本發(fā)明提出改善通過包括合金霧化的工藝生產(chǎn)粉末和固態(tài)預(yù)制件的方 法和裝置?？傮w上，如圖1中示意圖所示，依據(jù)本發(fā)明的裝置的特定實(shí)施例 (圖1中的100)包括產(chǎn)生熔融合金的流束和連續(xù)熔滴中的至少一種的熔 化組件(這里也稱為"熔化裝置")110;霧化來自熔化組件110的熔融合金 并產(chǎn)生微小熔融合金微粒的電子束霧化組件(這里也稱為"霧化裝置")112; 產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電^t場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)并影響由霧化組件112產(chǎn)生的一個(gè)或多 個(gè)熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一種特性的場(chǎng)產(chǎn)生組件(這 里也稱為"場(chǎng)產(chǎn)生裝置")114;和容納熔融合金^:粒的收集器116。另外， 總體上，依據(jù)本發(fā)明的方法的特定實(shí)施例包括在熔化組件中產(chǎn)生熔融合金 流束和/或連續(xù)的熔融合金熔滴中的一種，其中在接觸熔融合金的熔化組件的 區(qū)域基本上無陶乾；通過將電子束撞擊在來自熔化組件的熔融合金上而在霧 化組件中產(chǎn)生熔融合金微粒；產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)，其中來
金微粒的加速度、速度和方向中的至少一個(gè)特性；并收集熔融合金微粒進(jìn)入收集器，形成粉末和/或預(yù)制件。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)"熔化組件"和"熔化裝置"指代炫融合金的流 束和/或連續(xù)熔滴的來源，合金流束和/或連續(xù)熔滴可以用帶電荷的合金的原 料、小片材料和鑄件或其它合金來源生產(chǎn)出。熔化組件或裝置與霧化組件或 裝置流體相通并向霧化組件或裝置輸送熔融合金。熔化組件在與熔融材料接 觸的區(qū)域大體無陶資。如這里所使用的，短語(yǔ)"大體上無陶覺"及類似短語(yǔ) 意指或者在熔化組件的熔化操作過程中與熔融材料接觸的區(qū)域無陶乾，或者 指在熔化組件中存在正常操作時(shí)不接觸熔融合金的區(qū)域，但所包含的陶瓷并 不會(huì)導(dǎo)致在熔融合金中夾雜可能出現(xiàn)問題的數(shù)量和尺寸的陶資微粒或夾雜 物。在熔化組件中防止或基本上禁止熔融材料與陶瓷材料接觸是很重要的， 因?yàn)樘沾晌⒘Ｄ軌?沖刷"陶瓷襯里并與熔融合金混合。陶瓷微粒將具有高 于熔融材料的熔點(diǎn)，并可以被摻入到鑄件中。
一旦被摻入到最終產(chǎn)品中，陶 瓷微粒能夠在低頻疲勞中引起裂痕，產(chǎn)生裂縫。因此，根據(jù)鑄件材料的預(yù)期 用途，材料中只允許少量或根本不允許出現(xiàn)陶瓷微粒。在常規(guī)的鑄造和鍛造 冶金中，真空感應(yīng)熔煉(VIM， vacuum induction melting )步驟中的陶乾微 粒能夠在后續(xù)的真空電弧重熔(VAR)步驟中或在常規(guī)的三次重熔實(shí)例中的 電渣重熔(ESR)步驟以及VAR步驟中完全去除。使用不同的實(shí)例所獲得 的清潔度能夠使用已知為"EB button"測(cè)試的半定量測(cè)試進(jìn)行評(píng)估，其中， 待評(píng)估材料的取樣電極是在鉗鍋中熔化的電子束，并且測(cè)量生成的氧化物浮 閥中出現(xiàn)的最大氧化物。在常規(guī)的粉末冶金中，粉末熔化后固結(jié)形成產(chǎn)品， 而沒有采取手段來進(jìn)一步精煉產(chǎn)品以除去氧化物。相反地，粉末被細(xì)篩，并定義的最小的缺陷。在最為關(guān)鍵的采用固態(tài)粉末金屬生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件 的設(shè)計(jì)中，例如，最小的模型缺陷可為大約44微米，因此，具有不大于該 尺寸的篩分粒度(sievesize)的粉末被使用。而對(duì)不太重要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件， 最小的模型缺陷可為大約149微米，因此，具有不大于該尺寸的篩分粒度 (sieve size)的4分末^^吏用可以包括在依據(jù)本發(fā)明的裝置中并用于依據(jù)本發(fā)明的方法的不會(huì)引入 陶瓷夾雜物的熔化技術(shù)的實(shí)例包括包括真空雙電極重熔裝置的熔化裝置； 包括真空雙電極重熔裝置或真空電弧重熔裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)(CIG)的熔化裝置；電子束熔化裝置；和電子束冷爐床熔化裝置。但是，應(yīng)記住所使用的特定熔化組件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是防止或在可接受的范圍內(nèi)限制熔融材料與組件 中包含的陶瓷接觸，其它可用于依據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的熔化組件對(duì)于普 通技術(shù)人員將清楚明了。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)"合金"指純金屬和合金。因此，作為非限制性實(shí)例，"合金"包括例如鐵；鈷；鎳；紹；鈦；鈮；鋯；銅；鴒；鉬；鉭； 和任何這些金屬的合金；不銹鋼；和鎳基和鈷基高溫合金?？梢允褂靡罁?jù)本 發(fā)明的方法和裝置加工的鎳基高溫合金的特定非限制性實(shí)例包括IN 100 (UNS 13100); Rene 88; Alloy 720; Alloy 718 (UNS N07718);和718PIus 10 合金(UNS N07818)(可購(gòu)自ATI Allvac， Monroe, North Carolina)。可以采用 依據(jù)本發(fā)明的方法和裝置加工的鈦合金的特定非限制性實(shí)例包括 Ti-6A1-4V; T-17; Ti-5-5-5-3;和TiAl合金。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)"霧化組件"指代將電子流束(即電子束)或電 子場(chǎng)中的至少 一個(gè)撞擊在熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上的裝置。正如這里的用 法，"撞擊"意指接觸。以這種方法，電子向流束的撞擊區(qū)域和/或各個(gè)熔融 合金熔滴的撞擊區(qū)域傳送電荷。如在，961專利和下面所討論的， 一旦熔滴或 流束的特定區(qū)域的電荷達(dá)到足夠的幅值，該區(qū)域或熔滴變得不穩(wěn)定并斷裂 (霧化)成微小的熔融合金微粒。(如這里所使用的，"熔融合金微粒"指代 包括一些熔融材料的內(nèi)容物的微粒，但并不必需完全熔化)。這樣的霧化裝 置可以不同地稱為電子束霧化組件、裝置、設(shè)備或類似構(gòu)件。本質(zhì)上來講，如，961專利中討論的那樣，電子束霧化裝置的基本特性在 于它被設(shè)計(jì)以能夠快速地施加靜電荷到熔融合金流束或熔滴上。該裝置被采 用使得撞擊到熔融合金的靜電荷使流束或熔滴物理斷裂，而從熔融合金產(chǎn)生 出一個(gè)或多個(gè)微小熔融合金微粒，從而霧化熔融材料。使用通過電子撞擊而 快速靜電充電的熔融材料霧化導(dǎo)致材料快速破裂為微小微粒，這是由于在材 料內(nèi)部產(chǎn)生了靜電排斥力。更具體地講，熔融合金的區(qū)域或熔滴被快速靜電 充電并超過"瑞利限度(Rayleigh limit)",使得在該區(qū)域或熔滴內(nèi)的靜電力超 過材料的表面張力，然后材料破裂成為微小微粒。瑞利限度是指在材料內(nèi)部 建立起的靜電排斥超過使材料保持為一個(gè)整體的表面張力之前材料所能夠 承擔(dān)的最大電荷量。使用電子撞擊在材料上以在材料內(nèi)建立靜電電荷排斥力 的霧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括在真空環(huán)境中執(zhí)行這種技術(shù)的能力。采用這種方式，空氣或霧化流體與熔融材料之間的化學(xué)反應(yīng)能夠受到限制或被消除。這種能 力與常規(guī)流體霧化形成對(duì)照，其中，在常規(guī)流體霧化中正被霧化的材料必須 接觸霧化氣體或液體，并且通常是在環(huán)境大氣或在惰性氣體中進(jìn)行以制成鈦 基和鎳基合金。由霧化組件霧化的合金流束或熔滴由上游的熔化組件產(chǎn)生。熔化組件可 以包括例如，用以形成合適的流束或熔滴的分配器。在特定的非限制性實(shí)施例中，比如在，961專利中說明的那些實(shí)施例，本分配器可以包括具有孔 口的熔化腔。流束和/或熔滴被從孔口壓出或流出，并向下游流向霧化組件。 在特定的非限制性實(shí)施例中，受機(jī)械作用或壓力作用，熔融合金流束或熔滴 從熔化腔流出。在一個(gè)可能的實(shí)施例中，向熔化組件的分配器中的熔化合金 施加壓力，壓力大小大于作用在分配器的外部的壓力以在分配器的孔口處產(chǎn) 生熔融合金熔滴。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，壓力可以變化以可選擇地中斷熔 融合金熔滴的流動(dòng)。本熔化組件的特定非限制性實(shí)施例可以被設(shè)計(jì)以用負(fù)電荷對(duì)輸送向霧 化組件的熔融金屬流束或熔滴"預(yù)充電"。對(duì)流束或熔滴預(yù)充電將減小電子 束霧化組件將流束或熔滴霧化成為微小微粒預(yù)定的負(fù)電荷量。 一種用于預(yù)充 電的可能的技術(shù)是使熔化組件相對(duì)于裝置中的其它部件保持較高的負(fù)電勢(shì)。 這能夠通過使熔化組件與裝置的其它部件電氣隔離，然后使用電氣耦接于熔 化組件的電源升高熔化組件的負(fù)電勢(shì)至較高的水平而完成，可選的預(yù)充電技 術(shù)是在霧化組件的上游接近于熔化組件的噴出孔口的位置布置感應(yīng)環(huán)或感 應(yīng)臺(tái)板。臺(tái)板或環(huán)或者可能的其它結(jié)構(gòu)被用以在通過較短的距離流向下游的 霧化組件的熔滴或流束中感應(yīng)出負(fù)電荷。霧化組件然后將電子撞擊在預(yù)充電 的材料上以進(jìn)一步為材料充以負(fù)電荷并霧化材料。其它預(yù)充電技術(shù)根據(jù)本發(fā) 明將清楚明了。在依據(jù)本發(fā)明的特定霧化組件的實(shí)施例中，電荷通過熱離子發(fā)射源或類 似裝置被傳遞給熔融合金流束和/或熔滴。如本領(lǐng)域已知的，熱離子發(fā)射現(xiàn)象， 曾經(jīng)一度被稱為"愛迪生效應(yīng)(Edison effect)",指代當(dāng)熱振動(dòng)能克服了使電 子保持在金屬或金屬氧化物表面的靜電力時(shí)，來自金屬或金屬氧化物表面的 電子流(稱為"熱離子，，)。這種效應(yīng)在溫度升高時(shí)急劇增強(qiáng)，但通常在溫度 高于絕對(duì)零度時(shí)在一定程度上存在。熱電子槍利用了熱離子發(fā)射現(xiàn)象以產(chǎn)生 具有良好的動(dòng)能的電子束。如本領(lǐng)域已知的，熱電子槍通常包括(i)熱電子燈絲；和(ii)由陰極和陽(yáng)極約束的電子加速區(qū)。燈絲通常包括一條耐熔 材料線，由流過燈絲的電流實(shí)現(xiàn)加熱。適合的熱電子槍燈絲材料具有如下的特性低的勢(shì)壘(逸出功)；高熔點(diǎn)；高溫穩(wěn)定性；較低的蒸發(fā)壓力；化學(xué) 穩(wěn)定性。熱電子槍的特定的實(shí)施例包括例如，鎢；六硼化鑭(LaB6);或 六硼化鈰(CeB6)燈絲。通過對(duì)燈絲施加電流產(chǎn)生足夠的熱能使得電子從燈 絲表面"蒸發(fā)"，但是這種方式產(chǎn)生的電子具有非常少的能量。為解決這一 問題，對(duì)陽(yáng)極施加正電勢(shì)。燈絲產(chǎn)生的電子穿過陰極上的小孔漂出，并且陽(yáng) 極和帶正電陰極之間的電場(chǎng)對(duì)電子加速，使其穿過間隙漂向正極，并帶著與 電極間施加的電壓對(duì)應(yīng)的最終能量穿過正極中的孔。熱電子槍已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商 用，并且它們的結(jié)構(gòu)和操作方式已經(jīng)為人所熟知。為了向熔滴或流束充負(fù)電荷至克服表面張力及霧化材料所需預(yù)定的水 平，熔滴或流束必須在有限的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受具有充足能量和強(qiáng)度的電子流或電 場(chǎng)。因此，霧化組件優(yōu)化地產(chǎn)生"線性"電場(chǎng)，它沿熔滴或流束穿過霧化組 件的路徑延伸合適的距離。線性電場(chǎng)中的電子形成空間分布，這與電子束被 集中成為狹窄的流束的點(diǎn)式電子源發(fā)射器形成對(duì)照。假定引入到熔化組件中 的熔融熔滴或熔融流束在重力影響下移動(dòng)穿過該組件，電子的空間分布對(duì)于 本發(fā)明的裝置可以是重要的。不受任何特定的理論限制地，電子束霧化的微?？梢酝ㄟ^下面兩個(gè)機(jī)制 中的一個(gè)或兩個(gè)由熔滴或流束形成。在第一個(gè)可能機(jī)制中，新霧化微粒在負(fù) 電荷被添加到熔滴或流束時(shí)從熔滴或流束的表面順序剝離。另 一個(gè)可能機(jī)制 中的霧化微粒通過級(jí)聯(lián)效應(yīng)形成，在級(jí)聯(lián)效應(yīng)中初始的熔融流束或熔滴破裂 成為微小微粒，微小微粒被重新充電至負(fù)電勢(shì)并破裂成為更小的微粒，本過 程重復(fù)進(jìn)行，期間電子被添加到連續(xù)的更小的霧化微粒。在任一個(gè)機(jī)制中， 熔融材料必須曝露于電場(chǎng)足夠的時(shí)間使得在材料中集累起足夠的負(fù)電荷并 使材料破裂。電子在霧化組件中產(chǎn)生的電場(chǎng)中的 一個(gè)可能的空間分布是形成 電子圓柱。圓柱的長(zhǎng)軸方向指向熔融材料穿過霧化組件的總體方向。完全霧 化預(yù)定的圓柱最小長(zhǎng)度(沿長(zhǎng)軸方向)將依賴于在圓柱內(nèi)的電場(chǎng)能量和電場(chǎng) 強(qiáng)度給定的條件下自由下落的熔融材料由電場(chǎng)霧化所花費(fèi)的時(shí)間。非圓柱形 電場(chǎng)也可以被使用，比如，舉個(gè)例子，具有矩形、三角形、或一些其它的多 邊形或另外的有界的形狀的橫截面(橫切于熔融材料穿過霧化組件時(shí)的總的 方向)的電場(chǎng)。然而更為普遍地，可以使用具有能夠適于霧化熔融的材料的能量、強(qiáng)度和三維形狀的任意組合的電場(chǎng)。在下面描述用于依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造 的裝置的電子束霧化組件的非限制性可能實(shí)施例。
根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的霧化組件的 一個(gè)可能的非限制性實(shí)施例，提供具有足 夠用來霧化熔融熔滴或流束的能量的電子源。所述電子源可以是，例如，加
熱型鴒絲。從鴒絲表面剝離的電子被使用靜電和/或電磁裝置處理以形成具有 大的高寬比(流束寬度與流束長(zhǎng)度的比例)的矩形橫截面的電子束。矩形流 束然后被射入霧化腔，成為熔融材料流動(dòng)路徑上的大體塊狀場(chǎng)。圖2示意性
地描繪了這種布局，其中，霧化組件210包括通過由電源214提供的電流加 熱的鴒絲212。加熱的鴒絲212產(chǎn)生自由電子216。電子可以用這種方式產(chǎn) 生，比如，使用熱電子束發(fā)射器。電子被臺(tái)板220產(chǎn)生的靜電場(chǎng)成形為總體 上為矩形的電子束222。電子束222被射入霧化組件210的內(nèi)部以產(chǎn)生總體 上為塊狀的電子場(chǎng)226。從熔化組件232上游分出的熔融材料熔滴230經(jīng)過 電子場(chǎng)226并通過由負(fù)電荷的聚集引起破裂而形成微小微粒238。霧化微粒 238沿朝向收集器(未示出)的箭頭A的方向流動(dòng)。
圖3示出了依據(jù)本發(fā)明的霧化組件310的另一個(gè)非限制性實(shí)施例。 一個(gè) 或多個(gè)鎢絲312由電源314加熱并產(chǎn)生電子316,所述電子在足夠多的電子 被撞擊到熔融材料上時(shí)具有足夠能量以霧化熔融材料。電子可以采用這種方 法產(chǎn)生，例如，使用熱電子束發(fā)生器。電子316由某些結(jié)構(gòu)處理，比如， 用例如臺(tái)板320處理以形成漫斑322。光柵裝置324在霧化組件的熔融材料 受重力影響通過的區(qū)域內(nèi)以較高的光柵化速率對(duì)電子斑322進(jìn)行光柵化處 理。高的光柵化速率的效果是在霧化組件310的霧化腔內(nèi)提供了形狀可控的 三維電子場(chǎng)326，霧化腔足夠大，以完全地或者基本上完全地將由霧化組件 332引入的熔融金屬熔滴330霧化為更小的霧化微粒338。霧化微粒338沿 箭頭A的方向流向收集器(未示出)。
用于依據(jù)本發(fā)明的裝置的霧化組件的另一個(gè)實(shí)施例如圖4所示。霧化組 件410產(chǎn)生具有大的總體上為矩形橫截面的電子場(chǎng)。電子從由電源414加熱 的直線長(zhǎng)度的燈絲412的表面產(chǎn)生。這種產(chǎn)生電子的方法與從一點(diǎn)源產(chǎn)生電 子(通常由電子束槍實(shí)現(xiàn))的技術(shù)形成對(duì)比。能夠使用靜電場(chǎng)或者電磁場(chǎng)， 舉例來講，由臺(tái)板420產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，對(duì)從燈絲412的表面發(fā)射出的電子416 進(jìn)行操控，以形成具有大體上為矩形的橫截面的電子束422。矩形電子束422 可以由光柵裝置以較高的速率進(jìn)行光柵化處理，后進(jìn)入霧化組件410形成電子場(chǎng)，從熔化組件432產(chǎn)生的熔融材料430穿過該電子場(chǎng)。可選地，如圖4 所示，矩形電子束422可以由噴射裝置424噴射進(jìn)入霧化組件410，以形成
子場(chǎng)426。材料430被聚集的負(fù)電壓破裂為霧化微粒438，霧化微粒438沿 箭頭A的方向流到收集器(未示出)。
為提供充足的電子以合適地霧化熔融材料，任一上述實(shí)施例可以被修改 以在霧化組件內(nèi)的合適位置包括幾個(gè)電子源。多種用以操控和噴射電子的方 法也可以被用于產(chǎn)生適合的電子場(chǎng)。例如，若干熱離子或非熱離子電子束發(fā) 射器或其它電子源可以圍繞霧化腔中的熔融材料的路徑以一定角度取向(例 如彼此相互成120°角的三個(gè)電子源)，并通過從若干電子源噴射電子進(jìn)入路 徑而產(chǎn)生三維電子場(chǎng)。
另外，上述的幾個(gè)霧化組件實(shí)施例的各方面能夠被組合。例如，在圖2 和圖3中示出的實(shí)施例的一個(gè)可選實(shí)施例組合方面，霧化組件210的矩形電 子束222被用霧化組件310中的光柵裝置324進(jìn)行光柵化處理而產(chǎn)生電子場(chǎng) 以霧化熔融材料。相對(duì)于電子漫斑322,對(duì)具有相對(duì)高的長(zhǎng)寬比的矩形電子 束222進(jìn)行光柵化處理可以沿霧化腔中的熔融材料的路徑提供更大的線性覆蓋度。
在包括在依據(jù)本發(fā)明的裝置中的電子束霧化組件的特定實(shí)施例中，第一 電子流被撞擊在從熔化組件產(chǎn)生的材料上，從而霧化材料成為具有第 一平均 尺寸的主熔融合金微粒。然后撞擊第二電子流在主熔融合金微粒上從而進(jìn)一 步霧化主熔融合金微粒至更小的平均微粒尺寸。撞擊另外的電子流在霧化微 粒上可以實(shí)現(xiàn)平均尺寸的進(jìn)一步減小。采用這種辦法，使用通過撞擊電子的 快速靜電充電可以實(shí)現(xiàn)數(shù)次尺寸的精細(xì)化。在特定的實(shí)施例中，通過電子束 進(jìn)行的靜電充電沿路徑施加兩次、三次或更多次，以實(shí)現(xiàn)最終預(yù)定的平均熔 融材料微粒尺寸。采用這種辦法，由熔化組件產(chǎn)生的熔融合金熔滴的初始尺 寸不會(huì)限制霧化組件中產(chǎn)生的最終霧化微粒的尺寸。這種布置的幾個(gè)電子源 可以是例如獨(dú)立的熱電子束發(fā)射器，其中包括線性熱電子束發(fā)射器。
因此，在依據(jù)本發(fā)明的霧化組件的特定的非限制性實(shí)施例中，熔融合金 流束的熔滴或部分經(jīng)歷兩次或多階段霧化，以連續(xù)地減小最終的霧化微粒的 平均尺寸。這可通過例如在霧化組件和收集器之間的區(qū)域沿路徑布置兩個(gè)或 幾個(gè)電子槍或其它電子流源完成。具有這樣的總的結(jié)構(gòu)的霧化組件在圖5中作為組件500進(jìn)行示意性地說明。熔化組件512包括產(chǎn)生熔融合金熔滴523a 的分配器514。分配器514可以-使用例如枳4成工具或壓力以由熔化組件512
523a。主電子束^T524a產(chǎn)生撞擊在熔滴523a上并施加負(fù)電荷至熔滴的電子 束525a。在熔滴523a內(nèi)建立起的靜電力最終超過熔滴的表面張力、使熔滴 破裂并形成主熔融合金微粒523b。第二電子束槍524b將電子束525b集中在 主熔融合金微粒523b，同樣地施加負(fù)電荷至微粒上并使它們破裂成為更小的 次熔融合金微粒523c。第三電子束槍524c將電子束525c集中在次熔融合 金微粒523c上，同樣傳遞負(fù)電荷到微粒并使微粒破裂成為更小的第三級(jí)熔 融合金微粒523d。在這種布置的一個(gè)實(shí)施例中，雖然數(shù)個(gè)電子束槍為熱離子 電子槍，可以使用任何其它適合用以產(chǎn)生適合的電子束的裝置。
如，961專利中討論的，"快速"靜電充電指在大約1微秒到大約500微 秒內(nèi)充電到預(yù)定的幅值。優(yōu)選地為大約1到大約100微秒，更為優(yōu)選地是大 約1到大約50微秒。用以由熔化組件產(chǎn)生的熔融合金的快速靜電充電產(chǎn)生 超過材料的"瑞利限度"的電荷，并由此產(chǎn)生幾個(gè)熔融合金微粒。本微粒， 例如，可以具有大體上一致的大約為5到大約2500微米的直徑，更為優(yōu)選 地是大約5到大約250微米。
因此，霧化組件產(chǎn)生熔融合金微粒，它被在裝置中進(jìn)一步加工形成粉末 或是整塊(即單件)的預(yù)制件。如這里使用的，術(shù)語(yǔ)"預(yù)制件"指代任何鑄 件、工件或其它通過收集熔融合金微粒形成的物件。在本發(fā)明的裝置和方法 中，熔化組件產(chǎn)生的全部或一部分熔融合金微粒在霧化組件的下游被控制并 收集在收集器中。更為具體的說，依據(jù)本發(fā)明的裝置包括產(chǎn)生至少部分出現(xiàn) 在炫化組件的下游區(qū)域的靜電場(chǎng)和/或電;茲場(chǎng)的至少一個(gè)場(chǎng)產(chǎn)生組件。由場(chǎng)產(chǎn) 生組件產(chǎn)生的靜電場(chǎng)和/或電磁場(chǎng)被構(gòu)造或處理以影響與所述場(chǎng)相互作用的 熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一個(gè)特性。
如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)"場(chǎng)產(chǎn)生組件"指產(chǎn)生以及可選地操控可被用于 在熔化組件的下游區(qū)域中控制熔融合金微粒的加速度、速度、方向中的至少 一個(gè)特性的一個(gè)或多個(gè)靜電場(chǎng)和/或電磁場(chǎng)的裝置。場(chǎng)產(chǎn)生組件的實(shí)施例在美 國(guó)專利6,722,961 B2中描述，這里已經(jīng)通過參考加入這一專利。
如這里所使用的，"靜電場(chǎng)"能夠指單個(gè)的靜電場(chǎng)或幾個(gè)(兩個(gè)或更幾 個(gè))靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)可以由例如對(duì)點(diǎn)、臺(tái)板或其它源充電至高的電勢(shì)產(chǎn)生。另外，如這里所使用的，"電磁場(chǎng)，，能夠指單個(gè)電磁場(chǎng)或幾個(gè)電磁場(chǎng)。電磁 場(chǎng)可以通過例如使電流流過導(dǎo)體而產(chǎn)生。
在依據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的特定實(shí)施例中，全部或一部分由熔化組件
或收集在收集器上，成為粉末或預(yù)制件。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)"收集器" 指一種裝置、部件、或者是裝置或部件的部分或區(qū)域、或者是部件的組合， 它被用于接收或收集由霧化組件產(chǎn)生的粉末或預(yù)制件的形式的全部或部分 熔化合金微粒?？梢员患蛇M(jìn)入依據(jù)本發(fā)明的裝置或方法的實(shí)施例的收集器 的非限制性實(shí)例包括腔室、儲(chǔ)料漏斗、模具、心軸或表面的全部或部分或 區(qū)域。通常，收集器處于地電勢(shì)，優(yōu)選地，處于較高的正電勢(shì)以吸引被充負(fù) 電荷的由霧化組件產(chǎn)生的霧化微粒。當(dāng)該裝置被用于形成粉末材料時(shí)，比如， 舉例來講，粉末鋼或其它合金，本收集器可以是例如腔室、儲(chǔ)料漏斗、或一 些其它合適的構(gòu)造的容器。當(dāng)該裝置被用于噴射形成鑄錠或其它預(yù)制件時(shí)，
收集器可以是例如心軸(mandrel)或臺(tái)板(platen )，它們可以被用來轉(zhuǎn)動(dòng)或 平移以形成具有預(yù)定的幾何形狀的固態(tài)件。當(dāng)該裝置被用于固態(tài)件的成核鑄 造時(shí)，收集器通常采用包括具有預(yù)定的鑄件幾何形狀的空腔的模具的形式。 圖1中說明的一般性的布置，即，組合了熔化組件、霧化組件、場(chǎng)產(chǎn)生 組件和收集器的裝置可以被設(shè)計(jì)和操作以生產(chǎn)出被回收在收集器中的合金 粉末。在這種實(shí)例中，收集器可以是例如腔室、儲(chǔ)料漏斗或其它容器。本組 合也可以被采用進(jìn)行噴射成型以在收集器的表面上產(chǎn)生鑄錠或其它固態(tài)預(yù) 制件，在這種實(shí)例中收集器可以是例如心軸或臺(tái)板。本組合還可以被設(shè)計(jì)以 進(jìn)行成核鑄造從而在收集器中或收集器上形成固態(tài)鑄件，在這種實(shí)例中收集 器可以是例如包括一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁的模具。
性實(shí)施例中，例如，定向組件產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)與熔融合金微粒相互作用的靜 電場(chǎng)和/或電磁場(chǎng)，并在形成過程中的不同時(shí)間將熔融合金微粒定向至正在成 型中的預(yù)制件的不同區(qū)域。
另外，靜電場(chǎng)和/或電磁場(chǎng)能夠被用于定向熔融合金微粒至正在成型中的 預(yù)制件的區(qū)域，在那里它需要被加熱或降溫，因此而影響預(yù)制件的宏觀結(jié)構(gòu)。 在進(jìn)行噴射成型或成核鑄造中，例如， 一個(gè)或多個(gè)靜電場(chǎng)和/或電^t場(chǎng)的形狀的預(yù)制件的不同預(yù)定區(qū)域以產(chǎn)生近終形(near-net)預(yù)制件。通過使用場(chǎng)產(chǎn)生 組件產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)靜電場(chǎng)和/或電^f茲場(chǎng)，有可能采用增強(qiáng)成型或鑄造加工的 產(chǎn)率，同時(shí)也能提高(和控制)生成的預(yù)制件的密度。
因此，本發(fā)明描述了包括用以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)靜電場(chǎng)和/電磁場(chǎng)的裝置的 方法和設(shè)備，用以有選擇地控制例如由熔化材料產(chǎn)生的固態(tài)工件(預(yù)制件) 和粉末的產(chǎn)率、質(zhì)量和密度中的一個(gè)或多個(gè)特性。在噴射成型和粉末霧化中， 利用靜電場(chǎng)和/電磁場(chǎng)定向霧化材料的方法被期望提供顯示增強(qiáng)的產(chǎn)率并提 供具有顯著高于常規(guī)成型的預(yù)制件的密度的固態(tài)預(yù)制件。
在依據(jù)本發(fā)明的裝置的 一個(gè)實(shí)施例中，場(chǎng)產(chǎn)生組件在霧化組件和收集器 之間的區(qū)域通過電氣耦接收集器至高壓直流電源并使霧化組件接地而產(chǎn)生 靜電場(chǎng)。若在當(dāng)前的裝置和方法中使用電子束霧化并且霧化微粒將被充以負(fù) 電荷，則使用負(fù)極性。靜電場(chǎng)可以與由霧化組件產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的熔融合金 微粒相互作用并且微粒被影響以沿靜電場(chǎng)線的總的方向移動(dòng)。這種相互作用 能夠被用以控制流向收集器的熔融合金微粒的加速度、速度、方向中的一個(gè) 或多個(gè)特性。
在高壓直流電源之外，在依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的特定實(shí)施例中包括的 場(chǎng)產(chǎn)生組件能夠包括沿合適的方向布置在合適的位置的一個(gè)或多個(gè)電極，以 在霧化組件和收集器之間產(chǎn)生合適的場(chǎng)。電極被布置并定向以便在霧化組件 和收集器之間以需要的形狀形成靜電場(chǎng)。在一個(gè)或多個(gè)電極影響下，提供的 靜電場(chǎng)能夠具有以需要的方式引導(dǎo)熔融合金微粒至收集器的形狀。
場(chǎng)產(chǎn)生組件也能夠包括幾個(gè)高壓直流電源，每一個(gè)高壓直流電源附接至 一個(gè)或多個(gè)在霧化組件和收集器之間的沿合適的方向、合適的位置布置的電 極，并且以與時(shí)間相關(guān)的方式影響通過霧化組件和收集器之間的場(chǎng)產(chǎn)生組件 產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的形狀。采用這種方式，電子場(chǎng)可以被操控，以隨著時(shí)間將由 熔化組件產(chǎn)生的熔融合金微粒合適地定向至收集器上或正在成型的預(yù)制件 上的特定區(qū)域或點(diǎn)。例如，包括幾個(gè)電極的場(chǎng)產(chǎn)生組件和聯(lián)接的電源能夠被 集成到依據(jù)本發(fā)明的適于通過噴射成型產(chǎn)生近終型的固態(tài)件的裝置中。包括 幾個(gè)電極的場(chǎng)產(chǎn)生組件和聯(lián)接的電源也能夠被用于通過噴射成型或成核鑄 造產(chǎn)生固態(tài)預(yù)制件，所產(chǎn)生的預(yù)制件相對(duì)于通過常規(guī)噴射成型或成核鑄造裝 置產(chǎn)生的預(yù)制件具有較高的密度。在這些實(shí)施例中，靜電場(chǎng)可以在場(chǎng)強(qiáng)和/ 或形狀方面變化以合適地定向熔融材料微粒至收集器中，采用的方式類似于在無場(chǎng)產(chǎn)生組件的常規(guī)噴射成型或成核鑄造裝置中的霧化孔口的相對(duì)粗糙 的機(jī)械光4冊(cè)化運(yùn)動(dòng)。在依據(jù)本發(fā)明的裝置的另 一個(gè)實(shí)施例中，電磁場(chǎng)由布置在霧化組件和收 集器之間的一個(gè)或多個(gè)磁線圈在霧化組件和收集器之間產(chǎn)生。磁線圈電連接 于電源，電源為磁線圈提供能量。霧化組件產(chǎn)生的熔融合金微粒被沿電磁場(chǎng) 的場(chǎng)線導(dǎo)向至收集器。優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè);茲線圈的位置和定向能夠被調(diào)整 以定向熔融微粒至收集器或正在成型的預(yù)制件上的特定區(qū)域或點(diǎn)。采用這種 方式，熔融合金微粒能夠被定向以在噴射成型或成核鑄造期間增大預(yù)制件的 密度或甚至產(chǎn)生近終型形狀的預(yù)制件。還是在依據(jù)本發(fā)明的裝置的另 一個(gè)實(shí)施例中，幾個(gè)磁線圏被布置在霧化 i且件和收集器之間。由幾個(gè)磁線圏產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響由霧化組件產(chǎn)生的熔融 合金微粒的運(yùn)動(dòng)方向并定向該微粒至收集器上或正在成型的預(yù)制件上的特 定的預(yù)定區(qū)域或點(diǎn)，所述磁線圏可以是被提供能量至不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度的單個(gè) 或幾個(gè)磁線圈。通過這種布置，熔融合金微粒能夠被以預(yù)定的模式導(dǎo)向以產(chǎn) 生例如具有近終型形狀和/或相應(yīng)高的密度的固態(tài)預(yù)制件。在特定的實(shí)施例 中，由場(chǎng)產(chǎn)生組件產(chǎn)生的場(chǎng)可以被用于提高或精細(xì)通過在常規(guī)的噴射成型和 成核鑄造裝置中使用可平移的霧化孔口已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的定向控制。在特定實(shí)施例 中，僅通過合適地操控電子場(chǎng)形狀、方向和/或強(qiáng)度就可實(shí)現(xiàn)的基本的方向控 制能夠完全替代常規(guī)噴射鑄造裝置中的霧化孔口的移動(dòng)。依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造的裝置的特定實(shí)施例通過合適地為收集器充電解決 了過噴射的可能性。使用電子束霧化熔融流束或熔融微粒導(dǎo)致微粒被充以負(fù) 電荷，這是由于在霧化微粒中有過多的電子。通過合適為收集器充以與霧化 微粒極性相反的電荷，收集器將吸引微粒并從而顯著減少或消除過噴射。過 噴射是常規(guī)噴射成型的未解決的缺陷，它能夠顯著地影響過程產(chǎn)率。在下面的附圖中示出并在下面的文字中描述數(shù)個(gè)依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝 置的預(yù)示性實(shí)施例。這些預(yù)示性的實(shí)例僅是為了說明的目的，不是為限制本 發(fā)明或權(quán)利要求的范圍。本發(fā)明的預(yù)期范圍在權(quán)利要求中有更好的描述。圖6示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明的適于噴射成型固態(tài)預(yù)制件的裝置600 的實(shí)施例的特定部件。電子束霧化組件610產(chǎn)生被充以負(fù)電荷的熔融合金微 粒612。靜電場(chǎng)614被產(chǎn)生在霧化組件610和收集器616之間。霧化組件610 接收熔化組件(未示出)產(chǎn)生的熔融合金的流束和連續(xù)熔滴中的至少一種，熔化組件在接觸熔化材料的區(qū)域無陶乾。被充電的熔融合金微粒與靜電場(chǎng)
614相互作用，靜電場(chǎng)614使熔融合金微粒612加速流向收集器616。熔融 微粒612在收集器616的表面上形成固態(tài)預(yù)制件618。電子場(chǎng)對(duì)于熔融合金 微粒612的速度和/或方向的影響可以被用來減少來自預(yù)制件618的過噴射， 從而增強(qiáng)噴射成型加工的產(chǎn)率，并且相對(duì)于可能未使用這樣的場(chǎng)產(chǎn)生組件的 情況，還可能提高預(yù)制件618的密度。
圖7示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的其它非限制性實(shí)施例700 的特定部件。熔化組件710提供熔融合金流束和連續(xù)熔滴中的至少一種至電 子束霧化組件712，所述電子束霧化組件712產(chǎn)生被充電的熔融合金微粒714 的噴霧。靜電場(chǎng)716由霧化組件712和具有合適形狀的收集器718之間的場(chǎng) 產(chǎn)生組件產(chǎn)生。場(chǎng)716與充電的熔融合金孩i粒714相互作用以使微粒714加 速流向收集器718。如果收集器714保持較高的正電勢(shì)，微粒714可以被在 很大程度上加速。電子場(chǎng)716對(duì)于充電的熔融纟鼓粒714施加的加速力和定向 控制可以被用于增大固態(tài)預(yù)制件720的密度，并且也可以被用于產(chǎn)生近終型 的預(yù)制件720。收集器718可以是靜止的，或可以被適配以轉(zhuǎn)動(dòng)或另外合適 地平移。
如圖7A的可選實(shí)施例所示裝置700可選地可以^皮^f多改以包括用以在 兩個(gè)散熱電極724之間的熔融微粒714的路徑上產(chǎn)生非平衡等離子體 (non-equilibrium plasma) 722的裝置。電極724通過電解液與外部熱質(zhì)726 傳遞熱量，電解液在泵730作用下經(jīng)由導(dǎo)管728流通。散熱電極724和外部 熱質(zhì)726之間通過電解液的熱耦合使得熱量能夠被從熔融微粒714中除去并 傳遞至熱質(zhì)726。散熱電極724之間的非平衡等離子體722可通過例如AC 輝光放電或電暈放電產(chǎn)生。散熱電極724之間的非平衡等離子體722傳遞來 自熔融樣史粒714的熱量至兩個(gè)散熱電極724,散熱電極724傳遞熱量至外部 電質(zhì)726。產(chǎn)生非平衡等離子體并使用等離子體與被霧化的熔融合金微粒相 互傳送熱量的熱量傳遞系統(tǒng)或裝置的描述見美國(guó)專利6,772,961 B2,這里通 過參考加入它的全部說明材料。另外，產(chǎn)生非平衡等離子體并使用等離子體 與正在被用熔融合金鑄造成型的物件相互傳送熱量的熱量傳遞系統(tǒng)或裝置 的描述見2004年12月9日申請(qǐng)的美國(guó)專利11/008,048，這里通過參考加入 它的全部說明材料。
圖8示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的用于噴射成型預(yù)制件的裝置的另一個(gè)非限制性實(shí)施例800的特定部件。熔化組件810提供熔融合金流束和連
續(xù)熔滴中的至少一種至電子束霧化組件812，并大體上在接觸熔融材料的區(qū) 域無陶瓷。熔化組件810可選地可以通過比如可選的電源822保持在較高的 負(fù)電勢(shì)，以在熔融材料經(jīng)過霧化組件812之前為熔化材料"預(yù)充電"負(fù)電荷， 從而減少霧化組件812霧化該材料所必需傳遞到熔融材料的負(fù)電荷量。這種 "預(yù)充電"特性也可以被用于這里描述的其它實(shí)施例，作為例如減少在霧化 組件中霧化材料而必須添加到熔融材料的負(fù)電荷的量。電子束霧化組件812
產(chǎn)生被充電的熔融合金微粒814的噴霧。電磁場(chǎng)816通過電磁線圈818 (如 截面所述)產(chǎn)生。被充電的熔融合金微粒814與場(chǎng)816相互作用，因而被大 體下定向至收集器820。場(chǎng)816對(duì)熔融微粒814施加的定向控制能夠減少過 噴射，從而增加噴射成型過程的產(chǎn)率，另外也能夠提高固態(tài)預(yù)制件822的密度。
如圖8A的可選實(shí)施例中所示，非平衡等離子體842可以沿熔融合金微 粒814在兩個(gè)散熱電極844之間的路徑產(chǎn)生，熔融合金微粒814與外部熱質(zhì) 846通過電解液進(jìn)行熱量傳遞，電解液由泵850作用而經(jīng)由導(dǎo)管848循環(huán)。 在散熱電極844和外部熱質(zhì)846之間保持的熱量傳遞使得熱量被從熔融合金 微粒814中去除。在散熱電極844之間的非平衡等離子體842被通過例如 AC輝光放電或電暈放電產(chǎn)生。另外，非平衡等離子體842也從散熱電極844 延伸至電接地的固態(tài)預(yù)制件822和收集器820,用以從預(yù)制件822和收集器 820除去熱量。因此，在裝置800中，熱量被平衡等離子體842從熔融合金 微粒814、固態(tài)預(yù)制件822和收集器820中傳遞至散熱電極844，然后被傳 遞到外部熱質(zhì)846。
圖9示意性地描述了依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的用于霧化熔融合金并形成合金粉 末的裝置的另一個(gè)非限制性實(shí)施例900的特定部件。熔化組件910提供熔融 合金流束和連續(xù)熔滴中的至少一種至電子束霧化組件912。熔化組件812大 體上在接觸熔融材料的區(qū)域無陶瓷，并產(chǎn)生被充電的熔融合金微粒914。由 磁線圈918 (截面示意)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)916與被充電的熔融合金微粒914, 以散開微粒914并減少它們碰撞的可能性，從而阻止形成較大的熔化微粒并 既而形成更多的粉末微粒920。由磁線圏943 (截面示出)產(chǎn)生的第二電磁
收集器。儲(chǔ)料漏斗944可以由蓋945和蓋關(guān)閉機(jī)構(gòu)946遙控密封。整個(gè)粉末生產(chǎn)過程能夠在真空中進(jìn)行，以減少或消除粉末942由于與空氣的化學(xué)作用 而產(chǎn)生的污染。可選地，如圖9A中所示，裝置900的可選的實(shí)施例可以被_沒計(jì)使得非 平衡等離子體922可以沿熔融合金微粒914在兩個(gè)散熱電極924之間的路徑 產(chǎn)生，散熱電極924與外部熱質(zhì)926通過電解液進(jìn)行熱量傳遞，電解液由泵 930作用而經(jīng)由導(dǎo)管928循環(huán)。散熱電極924與外部熱質(zhì)926傳遞熱量的布 置使得熱量被從熔融微粒914中除去。如所建議的，例如，關(guān)于圖9中的裝置，依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的特定 實(shí)施例可以包括圍繞或包含熔化組件、霧化組件、場(chǎng)產(chǎn)生組件、收集器和 工件(粉末或預(yù)制件，依賴于實(shí)施情況)的全部或一部分的腔室或類似物。 如果，例如采用非平衡等離子的熱傳遞裝置被集成進(jìn)該裝置，則本熱傳遞裝 置和它的相聯(lián)的電極的全部或部分與非平衡等離子一樣，也可以被包括進(jìn)腔 室。這樣的腔室能夠被提供以允許調(diào)節(jié)腔室內(nèi)的空氣，包括腔室內(nèi)現(xiàn)存氣 體的氣體種類和局部壓力和/或總體氣壓。例如，腔室可以抽空以提供真空環(huán) 境(如這里所使用的，"真空，，指完全或局部真空)和/或可以完全或局部用 惰性氣體(例如，氬和/或氮)填充，以限制正在處理的材料被氧化和/或抑 制其它不需要的化學(xué)反應(yīng)，比如氮化作用。在裝置的集成了腔室的一個(gè)實(shí)施 例中，腔室內(nèi)的壓力維持低于大氣壓力，比如從大約0.1到大約0.0001 torr, 或者從大約0.01到大約0.001 torr。因此，如在每一個(gè)上面的預(yù)示性實(shí)例中包括的，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造的裝 置的實(shí)施例包括熔化組件，所述熔化組件在與熔融合金接觸的區(qū)域大體上無 陶乾，從而不會(huì)在裝置的操作期間污染熔融合金。每一個(gè)這樣的裝置還包括 用以霧化熔融材料并產(chǎn)生熔融合金微粒的電子束霧化組件；和在霧化組件和 收集器之間產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電磁場(chǎng)和/靜電場(chǎng)并在微粒經(jīng)過霧化組件和收集 器之間的距離的全部和部分時(shí)影響微粒的加速度、速度和方向中至少一個(gè)特 性的場(chǎng)產(chǎn)生組件?？蛇x地，該裝置還包括用以產(chǎn)生一個(gè)幾個(gè)裝置，用來生成與^:粒之間傳 遞熱量的非平衡等離子體，生成時(shí)間是在熔融合金微粒由霧化組件產(chǎn)生后、 而且在它們被收集成為固態(tài)工作或成為粉末之前。作為可選方案，或另外， 依據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例可以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)非平衡等離子體以在熔融 合金被收集到或收集進(jìn)收集器內(nèi)后與熔融合金之間傳遞熱量，或被應(yīng)用于收集器上或在收集器內(nèi)正在成型的預(yù)制件。
圖10-13示意性地描繪了可以作為依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的部件被包括 的熔化組件的不同非限制性實(shí)施例。每一個(gè)這樣的熔化組件實(shí)施例可以被用 于產(chǎn)生由自耗電極或其它自耗件產(chǎn)生的流束或連續(xù)熔滴中的至少一種。下面
的熔融合金的各實(shí)施例的區(qū)域無陶乾。
圖10描繪了使用真空雙電極重熔裝置作為能產(chǎn)生輸送至電子束霧化組
件的熔融合金的熔化組件的部件。本真空雙電極重熔(VADER)技術(shù)是眾 所周知的并在例如美國(guó)專利(編號(hào)4，261，412)中描述。在VADER裝置中， 通過在兩個(gè)熔化的自耗電極間的真空中撞擊電弧產(chǎn)生熔融材料。VADER技 術(shù)優(yōu)于常規(guī)真空電弧重熔(VAR)之處在于VADER技術(shù)可以更好地控制了 溫度和熔化速率。因?yàn)閂ADER裝置是眾所周知的，這里就不再對(duì)VADER 裝置及其操作方式進(jìn)行詳細(xì)描述。
參考圖10,真空腔壁1010圍繞彼此相對(duì)的自耗電極1014和霧化組件 1016。電流經(jīng)過相對(duì)的自耗電極1014之間，并熔化電極以產(chǎn)生熔融合金熔 滴1018(或流束)。熔融合金熔滴1018從電極1014落下，進(jìn)入霧化組件1016。 由霧化組件1016產(chǎn)生的熔融合金霧化微粒經(jīng)過并受由場(chǎng)產(chǎn)生組件(未示出) 產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)電磁場(chǎng)和/或靜電場(chǎng)作用，然后經(jīng)過收集器(未示出)上或 進(jìn)入收集器(未示出)，下面將描述它的實(shí)例。
圖11描繪了使用電子束熔化裝置作為產(chǎn)生被輸送至電子束霧化組件的 熔融合金的熔化組件。在電子束熔化時(shí)，通過高能量電子撞擊原料使其熔化。 熔融產(chǎn)物的污染可以通過在控制的真空腔中熔化得以避免。電子束熔化的能 效勝于其他同類的過程的原因在于可以控制電子束斑在需熔化區(qū)域的停留 時(shí)間和分布。另外，電子束在槍的內(nèi)部和孔口及目標(biāo)材料之間的能量損失很 小。電子束熔化裝置是眾所周知的，因此不再對(duì)熔化裝置及其操作方式作詳 纟田4葛ii。
如上文所述，這里所描述的熔化裝置，包括圖11的熔化裝置，例如可 用于保持一個(gè)高的負(fù)電勢(shì)從而在負(fù)電荷于下游經(jīng)過該裝置的霧化組件前施 加負(fù)電荷至熔融材料。作為一個(gè)實(shí)例，圖11所示的熔化裝置可用于包括一 個(gè)能導(dǎo)電并保持較高負(fù)電勢(shì)的熔化腔，熔化材料在傳送到霧化組件前接觸所 述熔化腔。參考圖11,真空腔1110圍繞熔化裝置的電子束源1112、正在被熔化
的自4毛電極1114、 一個(gè)電子束霧化組件1116、和一個(gè)收集器(未示出)。電 子束撞擊電極1114,加熱并熔化電極以產(chǎn)生熔融合金熔滴1118 (或流束)。 熔滴1118從電極1114滴入霧化組件1116。由霧化組件1116產(chǎn)生的霧化合 金微粒經(jīng)過并受由場(chǎng)產(chǎn)生組件(未示出)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)電磁和/或靜電場(chǎng) 作用，經(jīng)過收集器(未示出)上或進(jìn)入收集器(未示出)，下文將對(duì)此進(jìn)行 舉例"i兌明。
圖12描繪了使用電子束冷床爐熔化裝置作為產(chǎn)生輸送至電子束霧化組 件的熔融合金的熔化組件。在一個(gè)典型的電子束冷床爐熔化技術(shù)中，第一電 子束槍熔化爐料，爐料能夠具有不同的形式(例如鑄錠，海綿狀物，或碎 片)。熔融材料流入一個(gè)淺的水冷坩堝(冷床爐)， 一個(gè)或多個(gè)電子槍在這里 維持熔融材料的溫度。冷床爐的主要功能是分離出比液體材料輕或重的夾雜 物，同時(shí)增加高熔點(diǎn)的較低密度微粒的保留時(shí)間，從而保證其完全熔解。所 有的操作均在真空環(huán)境中進(jìn)行以確保電子槍的正確操作和避免合金被外界 環(huán)境污染。電子束冷床爐熔化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它能有效地去除揮發(fā)性成分 (如氯化物和氫)(真空環(huán)境造成)及冷床爐中的夾雜物。本技術(shù)對(duì)于進(jìn) 料的形式方面也是可以靈活運(yùn)用的。電子束冷床爐熔化裝置為人們所熟知， 對(duì)本熔化裝置及其操作方式作更詳細(xì)的描述被認(rèn)為是不必要的。
再參考圖12，真空腔1210圍繞熔化組件的電子束源1212和水冷的銅制 冷床爐1216、正在^皮熔化的自庫(kù)毛電才及1214、電子束霧化組件1218、和收集 器(未示出)。處于流束和/或連續(xù)的熔滴形式的熔融材料1220從水冷的銅制 冷床爐1216輸送到霧化組件1218。由霧化組件1218產(chǎn)生的霧化熔融合金微 粒經(jīng)過并受由場(chǎng)產(chǎn)生組件(未示出)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)電磁和/或靜電場(chǎng)作用， 經(jīng)過收集器(未示出)上或進(jìn)入收集器(未示出)，下面描述了它的實(shí)例。
圖13描繪了使用由產(chǎn)生輸送到電子束霧化組件的熔融合金的電渣重熔 (ESR)裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)(CIG)組合而成的熔化組件。可選地，由真空 電弧重熔(VAR)和CIG組成的熔化裝置可用于代替ESR/CIG組合。ESR, VAR， CIG,和包括ESR/CIG及VAR/CIG的組合的熔化組件是已知的。包 括了 ESR或VAR裝置和CIG的裝置的組合已經(jīng)為人所熟知，并在例如美國(guó) 專利5,325,906中進(jìn)行了描述。
在一個(gè)典型的ESR技術(shù)中，電流流經(jīng)自耗電極和布置在精煉爐中并與電極接觸的導(dǎo)電熔渣。從電極熔化而成的熔滴經(jīng)過并通過導(dǎo)電熔渣精煉，然
后可以輸送到下游裝置。ESR裝置的基本組件包括電源；電極輸送裝置； 水冷銅精煉爐；和熔渣。所使用的具體熔渣類型根據(jù)精煉的材料確定。VAR 過程包括通過撞擊真空中的電極產(chǎn)生的電弧來熔化包括合金的自耗電極。 VAR過程除了能減少溶解的氮和氫外，還可以除去電弧等離子體中的很多氧 化物夾雜物。ESR和VAR技術(shù)為人們所熟知并廣泛應(yīng)用，對(duì)于任何特定的 電極類型和規(guī)格預(yù)定的操作參數(shù)，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可以很容易地確 定。因此，不需要再進(jìn)行關(guān)于ESR和VAR裝置的組建方式或操作模式、或 用于特定材料的具體操作參數(shù)和/或電極類型和規(guī)格的進(jìn)一步詳細(xì)討論。
在ESR/CIG和VAR/CIG組合中，CIG (另外也被不同地稱為"冷指" 或"冷感應(yīng)引導(dǎo)")能夠在材料從VAR或ESR裝置向下游通過霧化組件時(shí) 保持熔融材料在熔融。CIG也確保熔融材:扦與大氣的隔絕。CIG優(yōu)選地直接 上游耦接于ESR或VAR裝置并下游耦接至霧化組件，使得能夠更好地使精 煉的熔融材料與大氣隔離，防止氧化物內(nèi)部形成和污染熔融材料。特定的已 知CIG設(shè)計(jì)也可用于控制熔融材料從ESR或VAR裝置到下游霧化組件的輸 送。
CIG的組建和使用方式是已知的，例如在美國(guó)專利(專利號(hào)5,272,718、 5,310,165、 5,348,566以及5,769,151 )中就有描述。CIG通常包括接收熔融 材料的熔化物容器。熔化物容器包括在其中形成有小孔的底壁。CIG的傳 遞區(qū)域配置有通道(例如可能是大致漏斗形狀)結(jié)構(gòu)來接收從熔化物容器小 孔出來的熔融材料。在一個(gè)CIG的常規(guī)設(shè)計(jì)中，漏斗形狀通道的壁由幾個(gè)液 冷金屬段構(gòu)成，并且這些液冷段構(gòu)成通道的內(nèi)部輪廓，所述內(nèi)部輪廓的橫截 面面積可以總體上從該區(qū)域的入口端向開口端減小。 一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電線圈與 漏斗形通道的壁聯(lián)接，電流源可選地連接于導(dǎo)電線圈。在熔融精煉材料穿過 CIG的通道流出CIG的熔化物容器時(shí)，電流流過導(dǎo)電線圈，其強(qiáng)度足以感應(yīng) 加熱熔融材料并保持其在熔融形式。部分熔融材料接觸CIG的漏斗形通道的 冷卻壁并可以固結(jié)形成硬殼，使流過CIG的剩余熔化物無法接觸到壁。壁的 冷卻和硬殼的形成確保熔化物不被形成CIG內(nèi)壁的金屬或其它組分所污染。 如本4支術(shù)領(lǐng)i或已知的和在例如美國(guó)專利5,649,992中7>開的，在CIG漏斗形 部分的區(qū)域的硬殼的厚度可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整冷卻劑溫度、冷卻劑流率、和/ 或?qū)щ娋€圈中的電流強(qiáng)度而被控制，以控制或完全關(guān)閉熔化物穿過CIG的流動(dòng)；隨著硬殼厚度增加，經(jīng)過傳遞區(qū)的流動(dòng)相應(yīng)減少。
盡管CIG裝置可以以不同的方式提供，每一個(gè)通常包括(l)利用重力 引導(dǎo)熔化物的通道；(2 )位于壁的至少一個(gè)區(qū)域用以促進(jìn)在壁上的硬殼的形 成的冷卻裝置；和(3)聯(lián)接于通道的至少一部分的導(dǎo)電線圈，用以感應(yīng)加 熱通道內(nèi)的熔化材料。具有本領(lǐng)域普通技術(shù)的人員可以輕松提供適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì) 的具有其中一個(gè)或全部上迷三個(gè)特性的CIG用于依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置中， 這里不再進(jìn)一步討論。設(shè)定這些裝置在技術(shù)文獻(xiàn)中已經(jīng)眾所周知和已經(jīng)描 述，這里認(rèn)為不必要進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。
再參考圖13，真空腔1310圍繞ESR/CIG熔化組件、電子束霧化組件 1312、和收集器(未示出)。ESR/CIG熔化源包括由預(yù)定的合金制成的自 誄毛電才及1314;和水冷銅4f鍋1316。凈皮加熱的熔渣1318用以炫4匕電才及1314 以形成熔融合金池1320。來自熔融池1320的熔融合金以熔融流束和/或連續(xù) 的熔滴1322的形式流過CIG孔口 1324,并流到霧化組件1312。霧化組件 1312產(chǎn)生的霧化熔融合金微粒穿過并受由場(chǎng)產(chǎn)生組件(未示出)產(chǎn)生的一個(gè) 或多個(gè)電磁場(chǎng)和/或靜電場(chǎng)的作用，并經(jīng)過收集器上或進(jìn)入收集器(未示出)， 關(guān)于它的實(shí)例在下面描述。
圖14-17描繪了可以在依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置和方法的不同非限制性實(shí) 施例中用以收集固態(tài)霧化材料的方法的幾個(gè)非限制性實(shí)例。
圖14示意性地描繪了正被收集到收集器的底部的霧化粉末，本收集器 是簡(jiǎn)單的腔室。真空腔1410圍繞電子束霧化組件1412。由可以是例如以上 討論的不同熔化組件的中的一個(gè)的熔化組件(未示出)產(chǎn)生的熔融的連續(xù)的 熔滴1414流進(jìn)霧化組件1412。霧化組件1412產(chǎn)生霧化熔融合金樣i粒1416, 微粒1416穿過由場(chǎng)產(chǎn)生組件的電磁線圏1417 (示出截面)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和/ 或靜電場(chǎng)1413,并與其相互作用，受其影響。線圈1417被放置以在霧化組 件1412下游的區(qū)域1418中產(chǎn)生場(chǎng)。霧化熔融材料1416被收集在腔室1412 的底部，成為粉末。
圖15示意性地描繪了從使用依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的實(shí)施例進(jìn)行電子 束霧化而產(chǎn)生的霧化熔融合金噴射形成的固態(tài)鑄錠的生產(chǎn)。真空腔1510圍 繞熔化組件(未示出)和電子束霧化組件1512。熔化組件可以是例如上面描 述的不同熔化組件中的一個(gè)。由熔化組件(未示出)產(chǎn)生的熔融合金1514 的熔滴流進(jìn)霧化組件1512。熔融合金1514的熔滴在霧化組件1512內(nèi)被霧化以形成霧化熔融合金微粒1516的噴霧。霧化熔融合金微粒1516穿過由場(chǎng)產(chǎn)生組件的臺(tái)板1218產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)電;茲場(chǎng)和/或靜電場(chǎng)(未示出)，并與其 相互作用，受到它的影響。臺(tái)板1518被穿過腔室1510的壁的線1512連接 至電源(未示出)。霧化熔融合金微粒1516在由場(chǎng)產(chǎn)生組件產(chǎn)生的場(chǎng)的影響 下被定向到轉(zhuǎn)動(dòng)的收集臺(tái)板1524上，以形成固態(tài)預(yù)制件1525。旋轉(zhuǎn)的收集 臺(tái)板1524能夠大體上與霧化組件相距恒定距離并以保持沉積界面的速率向 下退回。為增大產(chǎn)率和提高沉積密度，收集臺(tái)板1524可以通過由穿過腔室 1519的線1526連接至電源(未示出)而被充電至高的正電勢(shì)。圖16示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例，其中，霧化合金粉 末被收集進(jìn)罐或其它布置在該裝置的第一腔室中的合適的容器。填充的容器 被傳遞進(jìn)更小的腔室，而不會(huì)破壞圍繞該裝置的某些或全部部件的真空腔中 的真空環(huán)境。在更小的腔室中，在對(duì)容器和它里面的粉末內(nèi)含物進(jìn)行熱加工 之前可以焊接一蓋至容器以產(chǎn)生固結(jié)的固態(tài)物件。真空腔1610圍繞熔化組 件(未示出)和電子束霧化組件1612。熔化組件可以是例如上面描述的不同 熔化組件中的一個(gè)。由熔化組件(未示出)產(chǎn)生的熔融合金1614的連續(xù)的 熔滴流進(jìn)霧化組件1612。熔融合金1614的熔滴在霧化組件1612內(nèi)被霧化以 形成熔融合金微粒1616。熔融合金微粒1616流過由場(chǎng)產(chǎn)生組件的電磁線圈 1620 (示出截面)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)電-茲場(chǎng)和/或靜電場(chǎng)1618,并與其相互 作用，受它的影響。霧化熔融微粒1616在電子場(chǎng)1618的影響下^皮導(dǎo)入采用 容器1621的形式的收集器中。當(dāng)容器1621被充分地充滿粉末狀霧化熔融材 料1616時(shí)，它被傳遞進(jìn)入腔室1626,然后被真空鎖1628密封。蓋然后可被 固定到充滿的容器1621 ，容器1621可以通過第二真空鎖1630被釋放到大氣 中，用于依據(jù)已知技術(shù)進(jìn)行熱機(jī)加工處理?？蛇x地，圖16的裝置包括用 于從熔融合金微粒1616中除去熱量的熱傳遞裝置，比如上面總體上描述的。 另外，可選地，容器1621由線1622電連接于電源1624并保持為正電勢(shì)， 同時(shí)被充以負(fù)電荷的熔融微粒1616被收集進(jìn)容器1621。線1622在容器1621 移動(dòng)進(jìn)入腔室1626之前被遙控與容器斷開。圖17示意性地描繪了依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置1700的非限制性實(shí)施例， 其中，通過成核鑄造由電子束霧化產(chǎn)生的霧化熔融合金在模具中產(chǎn)生鑄件。 真空腔1710圍繞各部件，部件包括熔化組件(未示出)；和電子束霧化組 件1712。熔化組件可以是例如上面討論的各個(gè)熔化組件中的一個(gè)。由熔化組件產(chǎn)生的熔融合金1714的連續(xù)熔滴進(jìn)入霧化組件1712。熔融合金1714的熔 滴在霧化組件1712中被霧化以形成霧化熔融合金微粒1716的噴霧。霧化熔 融合金微粒1716經(jīng)過由場(chǎng)產(chǎn)生組件的電激勵(lì)線圈1720 (示出截面)產(chǎn)生的 一個(gè)或多個(gè)電磁場(chǎng)和/或靜電場(chǎng)1718,并與其相互作用，受它的影響。霧化 熔融材料1716在由場(chǎng)產(chǎn)生組件產(chǎn)生的場(chǎng)1718的作用下被導(dǎo)入模具1724,并 且最終形成的固態(tài)鑄件1730通過向下移動(dòng)?；?未示出)被從模具1724中 取出?？蛇x地，?；梢杂煤线m的方式旋轉(zhuǎn)或者平移。
在圖17A中示出的裝置1700的可替換的非限制性實(shí)施中，電源1732 被提供并建立電勢(shì)差以形成從電極1734發(fā)射的非平衡等離子體。熱量被等 離子體從固態(tài)鑄錠1730的表面?zhèn)鲗?dǎo)至電極1734,電極1734被循環(huán)流過熱交 換器1736和電極1734的電解液冷卻。
使用上面描述的各個(gè)特性，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易清楚前述的預(yù)示 性實(shí)施例能夠如所提供的那樣實(shí)現(xiàn)。而且，前述實(shí)施例可以被修改以組合這 里描述的不同部件并提供依據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的其它的實(shí)施例。
因此，本發(fā)明的特定方面包括這樣的一種裝置，它包括在與熔融合金 接觸的區(qū)域大體上無陶瓷的熔化組件、電子束霧化組件、場(chǎng)產(chǎn)生組件和收集 器。
盡管前面的描述已經(jīng)必要地只提出了有限數(shù)目的實(shí)施例，相關(guān)領(lǐng)域的普
置和方法及其它細(xì)節(jié)進(jìn)行各種變化，并且所有這些修改將不脫離在這里和權(quán) 利要求中表述的本發(fā)明的原則和范圍。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白在不偏 離總的發(fā)明構(gòu)思的情況下可以對(duì)上面的實(shí)施例進(jìn)行變化。因而可以明白，本 發(fā)明并不限定于特定的所公開的實(shí)施例，但它包括在本發(fā)明的原則和范圍內(nèi) 的修改，范圍定義見權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1、 一種裝置，包括適于產(chǎn)生熔融合金的流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的至少 一種的熔化 組件，其中，所述熔化組件在接觸熔融合金的區(qū)域大體上無陶f;;產(chǎn)生電子并將電子撞擊在從所述熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上以霧化熔 融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒的霧化組件；收集器；和在所述霧化組件和所述收集器之間產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一個(gè) 的場(chǎng)產(chǎn)生組件，其中，場(chǎng)與熔融合金微粒相互作用并影響熔融合金微粒的加 速度、速度和方向中的至少一個(gè)特性。
2、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述熔化組件是無陶瓷熔化裝置。
3、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述熔化組件選自真空雙電極 重熔裝置；組合電渣重熔裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)件的裝置；電子束熔化裝置；和 電子束冷床爐熔化裝置。
4、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述熔化組件適于施加負(fù)電荷至 熔融材料。
5、 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，至少熔化組件的與熔融材料接觸 的部分被維持在負(fù)電勢(shì)，從而施加負(fù)電荷至熔融材料。
6、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，鄰近位于霧化組件上游的熔化組 件的出口布置的帶電構(gòu)件在熔融材料中感應(yīng)出負(fù)電荷。
7、 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述構(gòu)件為環(huán)形或臺(tái)板形中的一種。
8、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，收集器為表面、臺(tái)板、心軸、模 具、腔室和罐中的一種。
9、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，場(chǎng)產(chǎn)生組件包括至少一個(gè)高壓直 流電源，并且所述至少 一個(gè)高壓直流電源的正極和負(fù)極中的 一個(gè)被電連接于 霧化組件，而收集器被電接地。
10、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，場(chǎng)產(chǎn)生組件包括至少一個(gè)高壓直 流電源，并且所述至少 一個(gè)高壓直流電源的正極和負(fù)極中的 一個(gè)被電連接于 收集器，而霧化組件被電接地。
11、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，場(chǎng)產(chǎn)生組件包括電連接于電源的 至少一個(gè)磁線圏，并且所述線圏被布置在霧化裝置和收集器之間并產(chǎn)生電磁場(chǎng)。
12、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述裝置形成合金粉末件。
13、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述裝置形成固態(tài)預(yù)制件。
14、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述裝置通過噴射成型和成核 鑄造中的 一 種方式形成固態(tài)預(yù)制件。
15、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中還包括圍繞所述熔化組件、霧化組件、收集器、和場(chǎng)產(chǎn)生組件的至少一部分的 腔；和向所述腔提供真空的真空裝置。
16、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述收集器被保持在地電勢(shì)和正 電勢(shì)中的一種，從而吸引由霧化組件產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的熔融合金微粒。
17、 一種裝置，包括提供熔融合金的流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的至少一種的熔化裝置， 其中，熔化裝置在接觸所述熔融合金的區(qū)域大體上無陶瓷；產(chǎn)生電子并將電子撞擊在從所述熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上以霧化熔 融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒的霧化組件；和在所述霧化裝置下游產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一種的場(chǎng)產(chǎn)生裝置， 其中，場(chǎng)與相互作用并影響熔融合金微粒。
18、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，熔化裝置包括真空雙電極重熔 裝置、組合電渣重熔裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)件的裝置、電子束熔化裝置和電子束 冷床爐熔化裝置中的至少 一種。
19、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，由場(chǎng)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的場(chǎng)影響熔 融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少 一種特性。
20、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中還包括霧化裝置下游的收集器， 其中場(chǎng)產(chǎn)生裝置包括至少一個(gè)高壓直流電源，所述至少一個(gè)高壓直流電源的 正極和負(fù)極中的一個(gè)被電連接于霧化組件和收集器中的一個(gè)，而霧化組件和 收集器中的另 一個(gè)被電接地。
21、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中，場(chǎng)產(chǎn)生組件包括電連接于電源 的至少 一個(gè)石茲線圈，并且所述磁線圏被布置在霧化裝置下游并產(chǎn)生電；茲場(chǎng)。
22、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中還包括收集器，所述霧化裝置
23、 如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，收集器為表面、臺(tái)板、心軸、 模具、腔室和罐之中的一種。
24、 如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述收集器^皮保持在地電勢(shì)和 正電勢(shì)中的一種，從而吸引由霧化裝置產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的熔融合金微粒。
25、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中
26、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中
27、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中 鑄造中的一種方式形成固態(tài)預(yù)制件。
28、 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中 至熔化材料。
29、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中還包括圍繞熔化組件、霧化組件、收集器和場(chǎng)產(chǎn)生組件中的至少一部分的腔；和向所述腔提供真空的真空裝置。
30、 一種裝置，包括提供熔融合金的流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的至少一種的熔化裝置， 其中，熔化裝置在接觸所述熔融合金的區(qū)域大體上無陶瓷；產(chǎn)生電子并將電子撞擊在從所述熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上以霧化熔 融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒的霧化組件；接收一個(gè)或多個(gè)熔融合金微粒的收集器；至少一個(gè)電線圏或板，在所述霧化組件和所述收集器之間的區(qū)域建立起 影響熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一個(gè)特性的電磁場(chǎng)。
31、 如權(quán)利要求30所述的裝置，其中，熔化裝置包括真空雙電極重熔 裝置、組合電渣重熔裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)件的裝置、電子束熔化裝置、和電子 束冷床爐熔化裝置中的至少 一種。
32、 如權(quán)利要求30所述的裝置，其中，所述熔化裝置施加負(fù)電荷至熔 化合金。
33、 如權(quán)利要求30所述的裝置，其中還包括圍繞熔化組件、霧化組件、至少一個(gè)電線圈或板、和收集器的至少一部所述裝置形成粉末件。 所述裝置形成固態(tài)預(yù)制件。 ，所述裝置通過噴射成型和成核,所述熔化裝置適于施加負(fù)電荷分的腔；和向所述腔提供真空的真空裝置。
34、 一種形成粉末預(yù)制件和固態(tài)預(yù)制件的方法，所述方法包括 在熔化組件中產(chǎn)生熔融合金流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的一種，其中通過將電子撞擊在從所迷熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上以霧化合金并產(chǎn) 生熔融合金微粒而生成熔融合金微粒；產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一種，其中熔融合金的微粒與所述場(chǎng)相互 作用并受其影響；和收集熔融合金微粒使其成為粉末和固態(tài)預(yù)制件中的 一種。
35、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，產(chǎn)生熔融合金流束和熔融合金 的連續(xù)熔滴中的至少一種的步驟包括使用真空雙電極重熔裝置、組合電渣重 熔裝置和冷感應(yīng)引導(dǎo)件的裝置、電子束熔化裝置、和電子束冷床爐熔化裝置 中的至少一種裝置來熔化材料。
36、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，在將電子撞擊在所述熔融合金 上之前，在熔融合金中感生負(fù)電荷。
37、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述熔融合金微粒與所述場(chǎng)相 互作用并受其影響，使得熔融合金微粒的加速度、速度和方法中的至少一種 特性被以預(yù)定方式影響。
38、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述場(chǎng)由包括至少一個(gè)高壓直 流電源的裝置產(chǎn)生，并且所述至少一個(gè)高壓直流電源的正極和負(fù)極的一個(gè)被 電連接于所述霧化組件和收集器中的一個(gè)，而所述霧化組件和收集器中的另 外一個(gè)被電接地。
39、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述場(chǎng)由產(chǎn)生電i茲場(chǎng)的至少一 個(gè)磁線圈產(chǎn)生，并且所述熔融合金微粒穿過所述至少一個(gè)磁線圈。
40、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，收集所述熔融合金微粒的步驟 包括收集所述微粒到表面、臺(tái)板、心軸、模具、腔和罐中的一個(gè)上或其中。
41、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，收集所述熔融合金微粒的步驟 包括保持收集器在地電勢(shì)和正電勢(shì)中的一個(gè)，從而吸引通過將電子撞擊在 所述熔融合金上而形成的帶負(fù)電荷的熔融合金微粒。
42、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述方法形成粉末件和固態(tài)件中的一種。
43、 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述方法包括噴射成型和成核 鑄造中的 一種并產(chǎn)生固態(tài)預(yù)制件作為產(chǎn)品。
44、 一種裝置，包括適于產(chǎn)生熔融合金的流束和熔融合金的連續(xù)的熔滴中的至少 一種的炫 化組件，其中，熔化組件被用于在熔融合金中感應(yīng)出負(fù)電荷；和產(chǎn)生電子并將電子撞擊在從所述熔化組件產(chǎn)生的熔融合金上以霧化熔 融合金并產(chǎn)生熔融合金微粒的霧化組件。
45、 如權(quán)利要求44所述的裝置，其中，所述熔化組件在熔融合金接觸 的熔化組件區(qū)域大體上無陶瓷。
46、 一種霧化合金的方法，所述方法包括在熔化組件中產(chǎn)生熔融合金的流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的至少一 種，其中，熔化組件在熔融合金中感應(yīng)出負(fù)電荷；和通過將電子撞擊在從熔化組件產(chǎn)生熔融合金上以霧化熔融合金并產(chǎn)生 熔融合金微粒從而生成炫融合金微粒。
47、 如權(quán)利要求46所述的方法，其中，在將電子撞擊在熔融合金上之 前，在熔融合金中感應(yīng)出負(fù)電荷。
全文摘要
一種用于形成合金粉末或預(yù)制件的裝置的非限制性實(shí)施例，包括熔化組件、霧化組件、場(chǎng)產(chǎn)生組件和收集器。熔化組件形成熔融合金流束和熔融合金的連續(xù)熔滴中的至少一種，并可以在與熔融合金接觸的區(qū)域大體沒有陶瓷。霧化組件產(chǎn)生電子并將電子撞擊在來自熔化組件中的熔融合金上，從而產(chǎn)生熔融合金微粒。場(chǎng)產(chǎn)生組件在霧化組件和收集器之間產(chǎn)生靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的至少一個(gè)場(chǎng)。熔融合金微粒與至少一個(gè)場(chǎng)相互作用，這影響熔融合金微粒的加速度、速度和方向中的至少一個(gè)特性。另外，還公開了相關(guān)的方法。
文檔編號(hào)B01J2/02GK101312799SQ200680043734
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者理查德·L·肯尼迪, 羅賓·M·福布斯瓊斯 申請(qǐng)人:Ati資產(chǎn)公司