功能化非球形粉末原料及其制备方法技术

本披露通过教导低成本的方法提供对现有技术的改进，该方法用于由工业上相关的锻造的合金生产原料粉末而不经历相变，这些合金可以低成本广泛获得。非球形颗粒的表面用具有与这些颗粒不同的尺寸和组成的微粒进行功能化，以控制原料的凝固响应。一些变型提供了一种含金属的功能化材料，其包含：多个包含金属或金属合金的非球形颗粒；以及多个含金属或陶瓷的微粒，其组装在这些非球形颗粒的表面上，其中这些微粒在组成上不同于非球形颗粒。描述了制造和使用含金属的功能化材料的方法。与传统的气体雾化或水雾化金属粉末原料相比，本发明专利技术为基于粉末的金属增材制造或其他粉末冶金工艺提供了经济优势。供了经济优势。供了经济优势。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】功能化非球形粉末原料及其制备方法
优先权数据
[0001]本国际专利申请要求于2019年11月18日提交的美国临时专利申请号62/936,713和2020年9月19日提交的美国专利申请号17/026,218的优先权，这些专利中的每一个特此通过引用并入本文。
专利

[0002]本专利技术总体上涉及基于粉末的增材制造工艺和其他基于粉末的冶金工艺，以及可以在这些工艺中使用的含金属的功能化材料。专利技术背景
[0003]基于金属的增材制造或三维(3D)打印在许多工业(包括航空航天工业和汽车工业)中具有应用。逐层构建金属部件增加了设计自由度和制造灵活性，从而实现了复杂的几何形状，同时消除了传统的规模经济约束。在基于金属的增材制造中，施加直接能量源(如激光或电子束)以熔化合金粉末局部导致了在0.01m/s与5m/s之间的凝固速率，这相比于常规铸造工艺增加了一个数量级。
[0004]增材制造允许一步法制造任意设计的复杂零件。增材制造消除了组装多个部件的需要，同时最大限度地减少了制造时间以及通常与传统制造(例如机加工或锻造)相关的材料和能源的浪费。虽然增材制造正在迅速增长以生产金属、聚合物和陶瓷部件，但金属零件的生产是其增长最快的领域。
[0005]商业粉末冶金工艺典型地采用气体雾化或水雾化熔融粉末，其中在雾化过程期间控制颗粒形态以呈现球形或接近球形的几何形状。例如，在粉末床金属增材制造工艺中，使用球形、雾化的、单分散的粉末原料以控制粉末的流动。将多个薄粉末层铺展在表面上，熔融并凝固。
[0006]气体雾化或水雾化金属合金原料粉末的使用是众所周知的。参见Liu等人,“Preparation of superfine
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grained high entropy alloy by spark plasma sintering gas atomized powder[通过放电等离子烧结气体雾化粉末制备超细晶高熵合金]”，Intermetallics[金属间化合物]68(2016)16
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22；和Murr等人,“Characterization of titanium aluminide alloy components fabricated by additive manufacturing using electron beam melting[通过使用电子束熔化增材制造而制造的钛铝合金部件的表征]”，Acta Materialia[材料学报]58(2010)1887
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1894，将这些通过引用特此并入。这些原料是通过从熔体开始并通过专门设计的喷嘴将液化材料喷射到受控流体流中形成的。当暴露于第二流体时，液化金属经历相变并凝固，收集在腔室底部或二级安全壳中。然后，将以这种方式形成的粉末筛分，以去除任何尺寸过大或尺寸过小的材料，导致基于输入材料约25％
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35％的低产率。
[0007]尽管增材制造或其他粉末冶金工艺具有独特的热化学加工条件，但原料粉末通常选自传统的铸造或锻造合金。气体雾化历来是以粉末形式获得这些合金原料的唯一方式。
[0008]然而，众所周知，与传统的减材制造工艺相比，从本体锭中熔融雾化精细(小于65
微米)和单分散(15
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60微米)的球形粉末非常昂贵。作为实例，铝合金的成本典型地为2
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5美元/kg，这取决于组成，而雾化铝粉只能在工业上以45
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300美元/kg的高成本获得。迄今为止，原材料与雾化粉末之间的显著价格差异限制了金属增材制造的实用性和实施，并将其归入其中制造成本不是重要设计驱动因素的原型或高利润部件(例如卫星或航天器结构)。
[0009]然而，在许多商业应用中，性能和成本被认为是等效或接近等效的设计驱动因素。为了打破目前在基于粉末的增材制造和其他粉末冶金工艺中涉及材料成本与部件性能的折衷，确实需要进行范式转移。专利技术概述
[0010]本专利技术解决本领域中的上述需求，如现在将进行概述的以及然后在下文中详细地进一步描述的。
[0011]一些变型提供了一种含金属的功能化材料，其包含：(a)多个包含金属或金属合金的非球形颗粒；以及(b)在非球形颗粒的表面上物理和/或化学组装的多个微粒(即，功能化微粒)，其中微粒选自由金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氢化物、金属氧化物、金属硫化物、陶瓷及其组合组成的组，其中微粒在组成上不同于非球形颗粒，并且其中微粒具有不同于非球形颗粒的平均非球形颗粒尺寸的平均微粒尺寸。
[0012]在一些实施例中，非球形颗粒选自晶须、针状体、棒、纤维、碎屑、变形带、扁球体、长球体、平行六面体、菱形体、矩形棱柱、薄片、多面体颗粒、随机形状的颗粒和/或其组合。
[0013]在含金属的功能化材料的一些实施例中，非球形颗粒的特征在于堆积效率为从40％至65％，如40％
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49％、49％
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55％、55％
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60％或60％
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65％。在某些实施例中，堆积效率小于64％。在某些随机形状的情况下，堆积效率小于40％。在某些实施例中，形状和尺寸的组合导致堆积效率>65％。
[0014]非球形颗粒的特征可以在于中值颗粒尺寸(D50)为从5微米(μm)至10毫米(mm)，如对于最大的颗粒轴。例如，中值颗粒尺寸例如可以在15
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45μm、40
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70μm、70
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125μm、125
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300μm、300
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600μm或600
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10000μm的范围内。
[0015]平均功能化微粒尺寸可以是例如从5纳米(nm)至100μm。典型地，平均微粒尺寸小于平均非球形颗粒尺寸。在一些实施例中，平均微粒尺寸至少比平均非球形颗粒尺寸小一个数量级。在其他实施例中，平均微粒尺寸等于或大于平均非球形颗粒尺寸。
[0016]在一些实施例中，微粒在非球形颗粒上形成连续涂层。在其他实施例中，微粒在非球形颗粒上形成不连续的涂层。
[0017]在一些实施例中，非球形颗粒含有选自由以下组成的组的金属：铝、钛、钴、铬、铁、铜、钨、镁、铌、镍、钽、硅、钒、金、银、铂、钯、铱、铼、锌、铈、钼、锆、铪、以及其合金或组合。还可以存在另外的合金化元素。
[0018]在一些实施例中，微粒含有选自由以下组成的组的金属：铝、钛、钴、锌、锡、铬、铋、钕、镝、铒、钐、镨、钆、镱、镧、硼、锂、钙、锶、钪、钇、锰、铼、铱、铅、碳、铟、镓、铁、铜、钨、镁、铌、镍、钽、硅、钒、金、银、钯、铂、铈、锆、铪；其碳化物、氮化物、硼化物、氢化物、金属间化合物、氧化物、或硫化物；及前述物质的组合。
[0019]在一些实施例中，含金属的功能化材料进一步包含球形金属或金属合金粉末。
[0020]含金属的功能化材料不一定只含有非球形颗粒和微粒。可以存在其他材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种含金属的功能化材料，其包含：(a)多个包含金属或金属合金的非球形颗粒；以及(b)在所述非球形颗粒的表面上物理和/或化学组装的多个微粒，其中所述微粒选自由金属、金属合金、金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氢化物、金属氧化物、金属硫化物、陶瓷及其组合组成的组，其中所述微粒在组成上不同于所述非球形颗粒，并且其中所述微粒具有不同于所述非球形颗粒的平均非球形颗粒尺寸的平均微粒尺寸。2.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒选自晶须、针状体、碎屑、变形带、棒、纤维、扁球体、长球体、平行六面体、菱形体、矩形棱柱、薄片、多面体颗粒、随机形状的颗粒和/或其组合。3.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒的特征在于堆积效率为从40％至65％。4.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒的特征在于堆积效率为大于65％。5.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒的特征在于中值颗粒尺寸(D50)为从10微米至10毫米。6.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述平均微粒尺寸小于所述平均非球形颗粒尺寸。7.如权利要求6所述的含金属的功能化材料，其中，所述平均微粒尺寸至少比所述平均非球形颗粒尺寸小一个数量级。8.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述平均微粒尺寸为从5纳米至100微米。9.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述微粒在所述非球形颗粒上形成连续涂层。10.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述微粒在所述非球形颗粒上形成不连续的涂层。11.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒含有选自由以下组成的组的金属：铝、钛、钴、铬、铁、铜、钨、镁、铌、镍、钽、硅、钒、金、银、铂、钯、铱、铼、锌、铈、钼、锆、铪、及其合金或组合。12.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述微粒含有选自由以下组成的组的金属：铝、钛、钴、锌、锡、铬、铋、钕、镝、铒、钐、镨、钆、镱、镧、硼、锂、钙、锶、钪、钇、锰、铼、铱、铅、碳、铟、镓、铁、铜、钨、镁、铌、镍、钽、硅、钒、金、银、钯、铂、铈、锆、铪；其碳化物、氮化物、硼化物、氢化物、金属间化合物、氧化物、或硫化物；及前述物质的组合。13.如权利要求1所述的含金属的功能化材料，其中，所述非球形颗粒和所述微粒的组合浓度为所述含金属的功能化材料的从50vol％至100vol％。14.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅各布，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：