CN113492212A - 用于增材制造工艺的高质量粉末形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理原料颗粒的原料粉末的粉末处理装置和方法，包括：将原料粉末导入反应器内的等离子体腔室中；使原料粉末暴露于由等离子体源产生的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；以及，在等离子体腔室的下游提供热气鞘流，该热气鞘流基本围绕经处理粉末。

Description

用于增材制造工艺的高质量粉末形成方法

技术领域

本发明涉及用于增材制造设备和工艺的增材粉末(additive powder)，并进一步涉及形成球形高质量增材粉末的方法和系统。

背景技术

增材制造工艺与一般包括一种或多种材料的积聚以制造净形(net shape)或近净形(NNS，near net shape)的对象，这与减材制造方法不同。尽管“增材制造”是行业标准术语，但增材制造包含各种已知增材制造术语的各种制造和原型技术，包括自由成型制造、3D打印、快速原型/模具等等。增材制造技术能够由多种材料制造复杂的构件。通常，可以利用计算机辅助设计(CAD)模型制造独立对象。

一种常见的粉末床增材制造工艺，称为电子束熔炼(EBM)，通过使用电子束将细粉末烧结、熔融或融合(fuse)来生产三维(3D)对象。激光烧结或熔融也是一种值得注意的增材制造工艺，其使用激光束选择性的融合各种材料系统，例如工程塑料、热塑弹性体、金属、陶瓷等。在EBM和激光烧结/熔融工艺期间，将要熔融的粉末均匀地分散在构建平台的粉末床上，在电子控制单元或发射引导装置的控制下使用能量束烧结或熔融构建对象的横截面层。降低构建平台，再在粉末床和构件对象上分散另一层粉末，然后再相继熔融/烧结粉末。重复该过程，直到零件完全由熔融/烧结的材料制成。

不管粉末床增材制造工艺的类型如何，增材粉末的物理和化学特性都会影响所得对象的质量。即，通过增材制造工艺构建的组件的特性取决于金属粉末本身，质量更高(例如，更致密、更洁净和更球形)的粉末具有更可预期的行为，可获得更好的组件。由此，增材制造技术形成的组件需要高质量粉末材料，特别是当其用于制造燃气轮机和/或医疗植入物或设备应用的部件时。

例如，增材粉末的流动性是极大影响打印工艺的重要特性。具体地，流动性差的增材粉末在粉末分散器的表面、重涂机构或增材制造设备的其他表面上会趋于团聚或粘附在一起。此外，将流动性差的增材粉末均匀地分散成层是较为困难或难以实现的，由此会导致粉末中的空隙，而该空隙会在成品零件中产生相应的空隙或缺陷。

因此，具有改善的物理和化学特性的用于增材制造设备的增材粉末是有益的。更具体地，用于处理增材粉末以大规模改善其物理性质的方法是特别有益的。

发明内容

本发明的方面和有益效果将在以下描述中分别说明，或可从描述中显而易见，或可通过实施本发明而获知。

根据本发明内容的一个实施方式，提供了一种在粉末处理装置中处理原料颗粒的原料粉末的方法。该方法包括：将原料粉末导入粉末处理装置的反应器内的等离子体腔室中；使原料粉末暴露于由等离子体源生成的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕经处理粉末。

进一步地，供给所述热气鞘流包括：

在所述原料排出喷嘴的下游排出所述热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕所述经处理粉末。

进一步地，其中，所述球形度使用ISO 9276-6测定。

进一步地，其中，所述经处理粉末的球形度的平均球形度高于0.85。

进一步地，其中，所述等离子体源包括多个等离子炬。

进一步地，其中，所述多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，所述等离子体射流相对于所述原料粉末的流动方向呈一角度，以在所述原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

进一步地，其中，所述方法还包括：

在所述等离子体腔室中沿垂直方向移动所述原料排出喷嘴。

进一步地，其中，所述方法还包括：

沿限定于所述原料排出喷嘴的壁中的冷却路径提供冷却流体的流，以调节所述原料排出喷嘴的温度。

进一步地，所述焦点位于限定在所述等离子体腔室顶部的腔室入口。

进一步地，其中，所述方法还包括：

将所述热气鞘流分布在限定于所述等离子体腔室周围的分配室内。

进一步地，其中，所述热气鞘流基本为圆柱形。

进一步地，其中，所述等离子体腔室和所述分配室通过位于所述反应器内的中心体限定。

进一步地，其中，所述中心体由石墨形成。

进一步地，其中，所述热气鞘流包括氩气。

进一步地，使原料粉末暴露于等离子体场包括：

将所述原料粉末引入所述等离子体场，使所述原料颗粒表面的至少一部分熔融或蒸发，提升所述原料颗粒的球形度。

进一步地，其中，所述原料颗粒的最大尺寸为约150μm。

进一步地，其中，所述原料颗粒的平均原料尺寸为约10μm至约150μm。

进一步地，其中，所述经处理颗粒的平均粒度小于所述原料颗粒的平均原料尺寸。

进一步地，其中，所述经处理颗粒的平均粒度为所述原料颗粒的平均原料尺寸的约10％至约90％。

进一步地，其中，所述原料粉末包括纯金属、铁合金、钛、铝合金、镍合金、铬合金、镍基高温合金、铁基高温合金、钴基高温合金或它们的混合物。

根据另一个示例性实施方式，提供了一种用于处理原料颗粒的原料粉末的粉末处理装置。粉末处理装置包括：限定等离子体腔室的反应器；原料供仓，用于将原料粉末和载气提供至等离子体腔室；等离子体源，用于将等离子体场导入等离子体腔室以形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；以及，鞘气源，用于在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕经处理粉末。

进一步地，其中，所述等离子体源包括多个等离子炬，所述多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，所述等离子体射流相对于所述原料粉末的流动方向呈一角度，以在所述原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

进一步地，其中，所述粉末处理装置还包括：

位于所述反应器内的中心体，所述中心体限定所述等离子体腔室和用于分配所述热气鞘流的分配室，所述分配室沿所述等离子体腔室周围延伸。

参考以下描述和随附的权利要求可以更好地理解这些和其他特征、方面和有益效果。并入且构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施方式，并与说明书一同解释了本发明的具体原理。

附图说明

参考附图，说明书中阐述了针对本领域技术人员的完整且可实施的本发明内容，包括其最佳实施方式。

图1示出了粉末处理装置的示意图，该粉末处理装置可根据本发明的示例性实施方式使用以处理增材粉末。

图2示出了反应器装置的示意图，根据本发明的示例性实施方式，该反应器装置可与图1中示例性粉末处理装置一起使用。

图3示出了根据本发明示例性实施方式的图2的示例性粉末处理装置的另一示意图。

图4示出了反应器装置的示意图，该反应器装置可与图1的示例性粉末处理装置一起使用，包括关于加热单元的细节，加热单元通过等离子炬或加热气体进行粉末加工，并示出了热气、鞘气、粉末和冷却路径的各种流。

图5示出了图4的示例性反应器装置的工艺热气会聚区(process hot gasconverging zone)的近景示意图。

图6提供了图4的示例性反应器装置的正视图，显示粉末处理工艺中用于生热的等离子炬或加热气的解耦。

图7是根据本发明示例性实施方式使用粉末处理装置处理增材粉末的方法。

图8是在未暴露于添加气体(additive gas)的情况下处理的反应性金属粉末的颗粒的示意图。

图9是根据本文所述的一个或多个示例性实施方式或方面处理的反应性金属粉末的颗粒的示意图。

图10示出了具有半径R的单个颗粒和由相同质量的材料形成的每个具有半径r的多个颗粒的示意图。

本说明书和附图中重复使用的字符旨在指代本发明的相同或类似的特征或元件。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施方式，其一个或多个示例在附图中示出。通过提供每个示例来解释本发明，但本发明不限于此。事实上，对本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对其作出修改和变型。例如，作为一个实施方式的一部分示出或描述的特征可用于其他实施方式，并获得更进一步的实施方式。因此，本发明应当包含落入随附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。

本文中所使用的术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以区分各个组件，并且不旨在表示各个组件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指相对于对象的移动或流体的流动的相对位置。例如，“上游”是指对象从其移动或流体从其流动的方向，“下游”是指对象向其移动或流体向其流动的方向。此外，本文中使用的近似的术语，例如“大约”、“基本上”、“约”是指在误差的百分之十以内。

本发明通常包括由低质量粉末源(即原料粉末)制造高质量粉末材料(即，经处理粉末)的方法，以及使用该方法的装置和获得的颗粒。在一个实施方式中，用于处理原料颗粒的原料粉末的粉末处理装置和方法包括：将原料粉末导入反应器内的等离子体腔室中；使原料粉末暴露于由等离子体源生成的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕经处理粉末。在一个实施方式中，经处理粉末的经处理颗粒与原料粉末的原料颗粒相比可具有更球形的形状(即更高的球形度)，原料粉末的原料颗粒可能是不规则的、非球形的。此外，可移除原料粉末上的氧化层(例如通过化学还原)。在一个实施方式中，经处理粉末的表面上基本不含任何氧化层。本文中使用的术语“基本不含”是指存在不超过微量的痕量并包括完全不含的情况(例如0摩尔％至0.01摩尔％)。

参考图1，粉末处理装置100包括装满待处理原始粉末(例如在本文中称为原料粉末104，其包含多个原料颗粒106)的粉末进料器102。粉末进料器102与反应器装置108流动地连接并将原料粉末104供给至反应器装置108，在反应器装置108中处理原料粉末104以形成经处理粉末110，其包含多个具有改善的物理和化学特性的经处理颗粒112。具体地，如将在以下示例性实施方式更详细地描述，反应器装置108包括等离子炬和/或气体加热器，其产生热量或将热气体聚焦到与原料粉末104和工艺气体会聚的区域中。一旦通过热和工艺气体处理或加工后，经处理粉末110被导入反应器114中冷却，反应器114限定反应器装置108的反应室116，然后收集经处理粉末110并传送至收集漏斗118和过滤系统120。

现整体参照图2和图3，将根据本发明的一个示例性实施方式描述用于处理增材粉末的反应器装置108。具体地，如所示出的，反应器装置108包含用于容纳原料粉末104的容器或反应器114，原料粉末104包含多个原料颗粒106。如本文所解释的，反应器装置108及其相关的操作方法通常用于处理原料粉末104，以形成经处理粉末110，所述经处理粉末110包含多个具有改善的物理和化学特性或性质(例如改善的球形度、密度、流动性等)的经处理颗粒112。当使用这种经处理粉末110作为用于增材制造工艺的增材粉末时，可改善打印工艺并且降低打印零件的缺陷。

如图所示，反应器装置108包括限定反应室116的反应器114，反应室116通常提供用于处理原料粉末104的无污染环境并收集经处理粉末110。反应室116可以为任何合适的尺寸或形状，用于处理任何合适种类或数量的原料粉末104。此外，反应器装置108可包括排出子系统(evacuation subsystem)(未示出)，其与反应室116流动地连接，用于将气体或其他污染物选择性地从反应室116中排出。例如，排出子系统可包含进气口和出气口中的一个或两个，进气口和出气口可用于在反应室116内生成真空、可向反应室116供给吹扫气体、或可保持期望的室内环境以促进原料粉末104的处理和/或经处理粉末110的储存。

如以下更详细描述的，等离子体腔室122可设置于反应器114的内部或通过反应器114限定，用于促进原料粉末104的球化过程。具体地，根据所示的实施方式，反应器装置108包括位于反应室116内的中心体124。中心体124在反应室116的中心限定等离子体腔室122，并可进一步在等离子体腔室122的顶壁限定腔室入口126。根据示例性的实施方式，中心体124可由石墨(例如与陶瓷材料相对)形成，不过根据替代实施方式可以使用任何合适的材料。

如上所述，粉末处理装置100可进一步包括粉末进料器102，其可将原料粉末104的流供给至等离子体腔室122。根据所示的实施方式，粉末进料器102包括原料排出喷嘴132，其用于沿流方向(例如图中虚线134所指)引导原料粉末104的流。在这方面，原料排出喷嘴132被设置为引导原料粉末104的流直接穿过腔室入口126并进入等离子体腔室122。根据所示的实施方式，原料粉末104的流方向134与垂直方向基本平行，不过其他取向、排出装置、喷嘴等也是可能的并且在本发明的范围内。

虽然本文中所述的粉末进料器102用于提供原料粉末104的流，但是应当理解，粉末进料器102还可用于提供载气、多种不同粉末的流或可具有其他不同的特征以促进本文所述的原料粉末104的流和等离子体球化过程。例如，载气可以与原料粉末104混合，或可通过腔室入口126从原料排出喷嘴132周围吸入。通常，载气可以为在不影响球化过程或不负面影响球化过程的情况下改善原料粉末104的流动的惰性气体。

在一个实施方式中，载气(即等离子体气体)包括还原性气体，例如氢、一氧化碳或它们的混合物。还原性气体可与原料颗粒106表面上的任何氧化层反应，氧化层可以为氧化铬、氧化铁等形式。这种还原性气体可与氧化物反应，以将氧化物从获得的经处理粉末110(以获得的多个经处理颗粒112的形式)的表面上移除，由此获得的经处理粉末110的表面上基本不含任何氧化层。

反应器装置108可进一步包括等离子体源140，其用于将等离子体场(通常通过参考数字142标识)导入等离子体腔室122，从而由原料粉末104形成经处理粉末110。具体的，根据示例性实施方式，该工艺将原料粉末104暴露于等离子体场142，使原料颗粒106表面的至少一部分熔融或蒸发，提升原料颗粒106的球形度。

具体地，如图所示，等离子体源140包括朝向等离子体腔室122的多个等离子炬144，例如，三个等离子炬144。更具体地，多个等离子炬144中的每个可生成等离子体射流146，其以一定角度朝向流方向134，从而在原料排出喷嘴132下方的焦点148处(图3)会聚。例如，如图所示，等离子体射流146的焦点148可位于等离子体腔室122的腔室入口126处。在这种方式下，原料粉末104的流和等离子体射流146可在进入等离子体腔室122时相互作用。

在操作反应器装置108期间，原料粉末104可经受(例如暴露于)等离子体球化，以在等离子体腔室122中生产高质量粉末，例如经处理粉末110。具体地，通常将原料粉末104(包括原料颗粒106)与工作气或载气(未示出，也可指等离子体气体，无论其物质形态如何)一同引入等离子体腔室122。可通过将载气(例如通过等离子体射流146)加热至足以使载气从气态转变为等离子态的温度，在等离子体腔室122中形成等离子体场142。

通常，原料粉末104可为任意金属材料。在一个实施方式中，金属材料包含但不限于：纯金属、铁合金、钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金或它们的混合物。在特定实施方式中，合金元素可在原料粉末104暴露于等离子体场142之前或期间加入。由此，可控制获得的经处理粉末110的化学组成。例如，在一个特定实施方式中，可将碳颗粒与原料颗粒106在等离子体场142中混合。

值得注意的是，在引入等离子体腔室122时，原料颗粒106可具有不规则的形状(例如非球形)。当原料粉末104穿过包含等离子态载气的等离子体场142时，原料颗粒106的表面在包括等离子体场142的熔融区(未示出)熔融或蒸发。然而，不受任何特定理论限制，认为原料颗粒106不会整体被熔融和/或蒸发，而是原料颗粒106的表面被熔融/软化，由此重塑成更规则的形状(例如，更球形)同时具有更小的尺寸。因此，原料颗粒106表面的至少一部分在熔融区或等离子体场122内被熔融/软化。

本文所使用的术语“球形度”通常是指粉末球形形状的量度。具体地，颗粒的球形度可为0和1之间的值，完美球形的球形度为1。根据示例性实施方式，球形度可通过任何合适的标准(例如ISO 9276-6:2008，表8.2)来定义。根据该标准，球形度(也称为圆度(C))可使用如下公式计算，其中A为面积，p为粉末颗粒的周长：

根据一个示例性实施方式，经处理颗粒的平均球形度为约0.7至1之间，约0.8至1之间或约0.85至0.99之间，或约0.9。应当理解，本文使用的球形度或“平均球形度”可指一定粉末体积内(例如经处理颗粒112的样品)颗粒的统计平均球形度。可在本发明的范围内使用任何合适的测定平均球形度的方法。在一个实施方式中，获得的经处理颗粒112的平均球形度与原料颗粒106的平均球形度的比值为1.5:1以上，2:1以上，3:1以上或5:1以上。

在特定实施方式中，原料颗粒106的最大尺寸为150微米(μm)。例如，原料颗粒106的平均尺寸可以为约10μm至约150μm(例如约50μm至约100μm)。通过这样的等离子体球化过程，可降低原料颗粒106的尺寸，由此获得的经处理颗粒112的平均颗粒尺寸小于原料颗粒106的平均颗粒尺寸。在一个实施方式中，获得的经处理颗粒112的平均颗粒尺寸为原料颗粒106的平均颗粒尺寸的约10％至约90％。在特定实施方式中，经处理颗粒112的最大尺寸为约150μm(例如平均尺寸为约10μm至150μm)。在特定实施方式中，经处理颗粒112的最大尺寸为约50μm(例如平均尺寸为约10μm至约50μm)。

值得注意的是，在反应室116中包含鞘气的流以促进球化过程是期望的。例如，反应器装置108可包含用于向等离子体腔室122的下游供给热气鞘流162的鞘气源160。具体地，根据实施方式所示，热气鞘流162基本围绕从等离子体腔室122排出的经处理粉末110，例如从而避免经处理粉末110与反应器壁立即接触，以控制经处理颗粒112的冷却速度，并且避免经处理粉末112在完全固化前发生团聚或融合。

具体地，如实施方式所示，中心体124可限定包围或围绕等离子体腔室122的分配室164。在这方面，热气鞘流162可以在沿与原料的流方向134平行的方向向下导入之前围绕等离子体腔室122。以这种方式，例如，热气鞘流162可基本上为圆柱形并且可围绕从等离子体腔室122排出的经处理粉末110。根据示例性实施方式，热气鞘流162包含氩气、另一种合适的惰性气体或任何其他合适的促进球化过程的气体混合物。

反应器装置108可进一步包括一个以上的加热装置166，其通常被配置为在热气鞘流162与经处理粉末110相互作用之前，提升热气鞘流162的温度。具体地，如图2所示，加热装置166包括感应加热元件168，其包裹在鞘气源160和分配室164之间延伸的鞘气供应导管周围。根据可替代的实施方式，加热元件140可包括任意其他合适的替代性加热元件，例如用于加热热气鞘流162的一个以上的气体燃烧器、电阻加热元件、等离子炬、热气供应系统或任何其他合适的设备或设备系统。

如图3所示，反应器装置108可进一步包括任何合适的用于调节反应器装置108的操作的处理器或控制器。具体地，如图所示，反应器装置108进一步包含控制器174，其与粉末进料器102、等离子体源140、鞘气源160和反应器装置108的其他组件可操作地连接。控制器174可包括一个以上的存储器和一个以上的微处理器，例如通用微处理器或专用微处理器，其可操作以执行与增材制造工艺或工艺监控相关的编程指令或微控制代码。存储器可代表随机存取存储器例如DRAM，或只读存储器例如ROM或FLASH。在一个实施方式中，处理器执行存储器内存储的编程指令。存储器可以为与处理器分离的组件，也可包含在处理器内部。或者，控制器174可以不使用微处理器来构建，例如使用离散的模拟和/或数字逻辑电路(例如开关、放大器、积分器、比较器、触发器、与门等等)的组合来实现功能控制，而不是依赖于软件。

现参考图4至6，将描述根据另一示例性实施方式可与粉末处理装置100一起使用的反应器装置180。值得注意的是，应理解，反应器装置108、180在很多方面可以为相同或类似的，每个反应器装置的各方面可互换，并且可在本发明的范围内对反应器装置108、180作出其他改变和修改。由于这种相似性，在提及图4至图6时，相似的附图标记可用于描述与在图1至图3中说明的相同或相似的特征。

图4示出了具有主体182的加热单元或反应器装置180，其中主体182中具有一个以上的等离子炬或气体加热器144的供给，以加热惰性气体(例如氩气、氦气等，通常由参考数字184标识)至高温。例如，根据示例性实施方式，取决于将对原料粉末104进行的具体处理，等离子炬144将惰性气体加热至超过1300℃。将加热气184加速到由主体182和外部体188形成的圆锥形偏转室186中，主体182和外部体188可均为圆锥形。通过这种方式，反应器装置180限定了等离子体腔室122(其包含圆锥形偏转室186)，用于接收导入粉末注入区190的加热气184。

将原料粉末104通过载气运输至系统并通过水冷注入喷嘴132注入以避免原料粉末104由于高温而在注入喷嘴132中烧结。根据示例性实施方式，注入喷嘴132的尖端在垂直方向上是可调节的，以使原料粉末104注入到加热气体或等离子体腔室122的中心。可通过加热装置166加热的鞘气流162(惰性气体层流)避免了经处理粉末110在加热区域的反应器114的外壁团聚。根据示例性实施方式，加热装置166可包含等离子炬144或任意其他合适的加热系统，用于将热气鞘流162加热至任意合适温度，例如高于1000℃的温度。中心体124的下部和反应器114可以使经处理粉末110在高于1000℃的温度下具有足够的停留时间(取决于粉末的种类，例如超过3ms)以进行熔融和/或所需的化学反应。

如图4和图5最佳示出的，反应器装置180可进一步包括冷却系统192，其在反应器装置180的温度敏感区域或高温区域提供水或其他合适的冷却流体(图4中以箭头194标识)，以将温度维持在期望的范围内。冷却系统192包括冷却水路径196，以将冷却流体194通过主体182循环至喷嘴132的尖端、围绕等离子体腔室122的壁面，或循环至反应器装置180的任意其他需要调节温度的部分。处理时，经处理粉末110排放到反应器114的反应室116。根据示例性实施方式，反应器装置180可以在例如反应器部分的外表面上被热冷却或绝热围绕。这些特征可通过传导、对流或辐射传递热量，以确保最佳效率并避免由于蒸发破坏反应器材料。

图5示出了反应器装置180的关键区域，该区域中具有加热气184的圆锥形偏转室186，加热气184通过等离子炬144或气体加热器生成，加热气184被导入限制环198(例如等离子体腔室122的一部分)，限制环198在等离子体腔室122内形成限制并将加热气184推入粉末注入区190。原料粉末104和处理气的注入通过冷却的注入喷嘴132的尖端完成。该注入喷嘴132可调整高度(例如通过高度调节装置或螺纹连接调节)以将原料粉末104释出至粉末注入区190的正确位置。热气鞘流162(例如从鞘气源160)穿过圆柱形分配室164，并通过粉末注入区190下方的圆柱孔199引入。该鞘气162防止了粉末在反应器114的底壁团聚，并在经处理粉末110停留在反应室116中时保持足够的温度。根据示例性实施方式，热气鞘流162是对称、层流且高速的。

图6示出了将多个等离子炬144或气体加热器与反应器装置180的外部体188配对的示例性方式，可使等离子体腔室122达到高于2000℃的温度。每个等离子炬144可以与圆锥形偏转室186可操作地连接，并可达到数百千瓦(kW)的功率或者气体加热器可达到高于1500℃的温度。原料粉末104和处理气的注入通过粉末注入区190的中心完成，鞘气162的进入(例如圆柱孔199)通过进入中心体124和外部体188边侧的入口完成。一旦通过反应器装置180处理，经处理粉末110可具有用于增材制造工艺的适当特性。

现在已经根据本发明的示例性实施方式描述了反应器装置108、180的构建和构造，之后将根据本发明的示例性实施方式描述用于操作粉末处理装置的示例性方法200。方法200可用于操作反应器装置108、180，或任意其他合适的粉末处理装置。在这方面，例如，控制器174可被配置为用于实现方法200中的一些或所有步骤。进一步地，应当理解，本文中讨论的示例性方法200仅描述了本发明的示例性方面，并不旨在对其进行限制。

如图7所示，方法200包括：步骤210，将原料粉末导入粉末处理装置的反应器内的等离子体腔室中。步骤220包括：使原料粉末暴露于由等离子体源生成的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度。例如。如上所述，原料粉末104可以与载气一起排放到等离子体腔室122中，然后进行处理以减小粒径、提升球形度或以其他方式改变原料粉末104的物理或化学特性。

方法200还包括：步骤230，在等离子体腔室的下游供给热气鞘流。步骤240可包括分配限定在等离子体腔室周围的分配室中的热气鞘流，使热气鞘流基本围绕经处理粉末。在这方面，如图所示并如上所述，热气鞘流162可包含氩气且基本上为圆柱形，围绕离开等离子体腔室122的经处理粉末110，以有利于改善球化过程。

图7描绘了示例性的控制方法，出于说明和讨论目的，该控制方法的步骤以特定顺序进行。本领域技术人员通过本文中公开的内容，可以理解本文中任意方法的步骤均可在不偏离本发明公开内容的范围内以多种方式进行调整、重新布置、扩展、省略、或修改。此外，虽然本方法的方面使用反应器装置108举例说明，应理解，这些方法可适用于操作用于处理任意材料、化学组成、粉末等的任何合适的粉末处理装置。

应当理解，根据上文描述的示例性实施方式和方面中的一个或多个来处理粉末可获得由颗粒(例如经处理颗粒112)形成的粉末(例如经处理粉末110)，该颗粒具有增加这种粉末流动性的特性。例如，现在将参考图8至10，根据一种或多种如本文上述的示例性实施方式或方面来解释一种或多种经处理粉末的颗粒的方面。

首先，根据背景对比，图8示出了根据雾化工艺形成的反应性金属粉末的颗粒300的示意图，其中加热的金属源不与添加气体(在本文中的其他位置称为反应性气体)接触。形成的颗粒300通常包含颗粒主体302(例如Ti-6Al-4V颗粒)和表面天然氧化物层304。表面天然氧化物层304通常带负电荷，其给予形成的颗粒300净非零电荷(即，对于颗粒302，Q_净≠0)。这种负电荷可给予颗粒300更大的极化能力。颗粒302在其表面304上还可包含羟基。

相比之下，参考图9，其示出了根据本文描述的一种或多种示例性实施方式和方面的反应性金属粉末的颗粒310的示意图，其中加热的金属源或基线粉末与添加气体接触。第一层312(或层1)在颗粒主体314(例如Ti-6Al-4V颗粒)的外表面上形成。它是由基线粉末与全厚度耗尽的电负性原子和/或分子的混合而产生的。第二层316(或层2)是天然氧化层，其进一步在颗粒主体314的表面形成。第一层312和第二层316可具有基本中性的组合电荷，从而导致形成的颗粒310具有基本净零的电荷(Q_净≈0)和较低的极化能力。

遵循这样的理论：来自添加气体的电负性原子和/或分子成为处理的原始金属粉末颗粒的表面添加剂，可以控制在本文所述的处理步骤期间注入的添加气体的量，因为其随具预设粒度分布的金属粉末的处理速度而近似线性的变化。形成层1所需的添加气体的量与金属颗粒的总表面积相关，总表面积取决于生产率和粒度分布(见图10)。添加气体的浓度和金属颗粒的热条件将决定层1的耗尽层深度。

进一步遵循这样的理论：来自添加气体的电负性原子和/或分子成为形成的原始金属粉末颗粒上的表面添加剂，可以控制在本文所述的处理步骤期间注入的添加气体的量，因为它随所形成的金属粉末颗粒的总面积而变化，如图10所示。

进一步遵循这样的理论：来自添加气体的电负性原子和/或分子成为形成的原始金属粉末颗粒上的表面添加剂，可以控制在本文所述的处理步骤期间注入的添加气体的量，因为它随所形成的金属粉末颗粒的温度而变化。这种化学反应的反应速度Φ和活化能E与温度T符合阿伦尼乌斯关系：

Φ∝e^-E/kT

因此，在高温下注入添加气体更有效，并且生成期望的耗尽深度并形成层1所需的添加气体浓度更少。

图10示出了具有半径R且在颗粒320的表面322的耗尽深度为δ的颗粒320的示意图。颗粒的总表面积为S1＝4πR2。

图10进一步示出了多个颗粒(n个颗粒)340的示意图，各个颗粒的尺寸相同，总质量与颗粒320的质量相同。颗粒340的尺寸小于颗粒320，但它们比颗粒320具有更大的总表面积。每个颗粒340具有半径r，颗粒的总数为n＝R3/r3。颗粒340的表面积组合为S2＝n4πr2＝R/rS1。它随着颗粒半径的减小而线性增加。。

因此，添加的表面添加剂的量是总表面积的函数，因为待处理的体积为总表面积和耗尽深度的乘积。

例如，获得的金属粉末具有小于约100、150、200、300、500、1000或1500ppm的电负性原子和/或分子(例如包含在用于生产粉末的添加气体内的电负性原子和/或分子元素)。

综上所述，本文中描述的粉末处理装置和操作方法促进了增材粉末的球化。该方法包含注入由等离子体流中的载气运载的粉末。等离子体流可通过注入一个或多个等离子体射流生成，等离子体射流可从等离子炬获得，例如直流(DC)、射频、微波或三相交流电弧炬。等离子炬中使用的气体通常为惰性气体，但也可包含非惰性气体。等离子体流和粉末混合物之后被热气鞘流覆盖。

等离子体和热鞘气混合在一起以形成高温介质，其具有足够的停留时间以熔融所注入粉末的绝大多数颗粒。停留时间根据等离子炬的功率、热区中的热损失、鞘气的温度和工艺中气体和粉末的注入量决定。鞘气通过气体加热器或等离子炬加热，并以高速下注入，以有效地限制等离子体硫中注入的粉末，例如避免在固化前与腔室壁接触。

值得注意的是，本发明的方面针对使用超高温气体加热器，其可用于将鞘气加热至非常高的温度。这种气体加热器的使用甚至可代替等离子炬。此外，该加热工艺可更有效，因为鞘气通过非常高效的气体加热器加热并且加热功率可以放大至几兆瓦以上。RF炬内的球化对系统的几何形状、气体成分(例如使用氩气和高功率较困难)、功率和效率都有限制。

此外，本文中描述的系统和方法促进了粉末的大规模处理，以改变表面化学性质或以其他方式处理添加剂粉末以改善球形度并获得增强的流动性(例如增材粉末表现得像液体的能力的度量)、减少结块或团聚，和/或改变增材粉末的二次电子发射。通过在增材制造机中使用之前对增材粉末进行非原位处理，可以低成本且大规模地处理粉末。

本文中描述的系统和工艺通过解耦各种操作参数而获得了改善的效率和可放大性，操作参数例如总工艺功率、流动几何特性、使用的气体成分和处理工艺的其他方面。此外，使用陶瓷反应器或对电磁辐射透明的反应器内衬是非必要的。该工艺也更具通用性，因为可以通过独立控制热气鞘流的流速和温度、载气和增材粉末的流速、输入等离子体源的功率等来更容易地保持和调节停留时间。

本文中描述的球化系统和相应的方法可提供多种技术和商业优势。例如，该系统可在粉末量和温度/功率水平上均以高效率和高规模潜力进行操作。该系统还有利于更自由地选择气体成分，例如与相对更贵的氦气相比，允许使用成本较低的氩气。热鞘气的速度也可高速提供，由此更高效地限制经处理粉末。此外，工艺的灵活性和可变性还使得能够大规模且低成本地处理多种材料。

如上所述，原料粉末104的等离子体球化改善了原料粉末104的性质，由此改善的粉末材料(即经处理粉末110)可更适用于增材制造技术。本文所用的术语“增材地制造”或“增材制造技术或工艺”通常是指这样的制造工艺：其中提供连续的材料层逐层地彼此“堆积”成三维组件。连续层通常融合在一起以形成整体组件，该整体组件可以具有多种整体子组件。

虽然本文中将增材制造技术描述为通过通常在垂直方向上逐点、逐层地构建对象来实现复杂对象的制造，但是其他制造方法也是可能的，并且在本发明的范围内。例如，虽然本文中的讨论是指添加材料以形成连续的层，但是本领域技术人员应当理解，本文中公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本发明的实施方式可使用层-增材工艺、层-减材工艺，或混合工艺。

根据本公开，合适的增材制造技术包括：例如，融合沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(例如通过喷墨、激光喷墨、粘合剂喷墨)、立体光刻(SLA)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔融(EBM)、激光工程净成型(LENS)、激光净形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)和其他已知工艺。

本文中描述的增材制造工艺可使用任意合适材料形成组件。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或其他任意合适的可为固态、液态、粉末、片状材料、线形式的材料，或其他任意合适的形式和它们的组合。更具体地，根据本发明的示例性实施方式，本文中描述的通过增材制造而成的组件可以部分地、整体地或以一些材料的组合形成，材料包含但不限于纯金属、铁合金、铝合金、镍合金、铬合金和镍基、铁基或钴基高温合金(例如，可从特殊金属公司(Special Metals Corporation)获得的名为

的材料)。这些材料是本文中描述的增材制造工艺中使用的合适材料的实例，并通常称为“增材”。

此外，本领域技术人员应当理解，可使用多种材料和将这些材料结合的方法，并且这些材料和方法仍在本发明公开的范围之内。本文所使用的术语“融合(fuse)”可指用于产生由上述任何材料形成的结合层的任何合适工艺。例如，若对象由聚合物制成，则融合可以指在聚合物材料之间生成热固性键合。若对象为环氧树脂，则键合可通过交联工艺形成。若材料为陶瓷，则键合可由烧结工艺形成。若材料为金属粉末，则键合可通过熔融或烧结工艺形成。本领域技术人员应当理解，通过增材制造来融合材料以制造部件的其他方法也是可行的，并且当前公开的发明也可使用这些方法。

此外，本文中公开的增材制造工艺可由多种材料形成单个组件。因此，本文中描述的组件可以由任意合适的上述材料的混合物形成。例如，组件可包括使用不同的材料、工艺和/或在不同的增材制造机上形成的多层、多段或多个零件。以这种方式，可以构建具有不同材料和材料性质的组件，以满足任何特定应用的需求。此外，虽然本文中描述的组件完全通过增材制造工艺构建，但应当理解，在替代性实施方式中，这些部件的全部或一部分可通过铸造、机械加工和/或任何其他合适的制造工艺来形成。实际上，可以使用材料和制造方法的任意合适组合来形成这些组件。

现在描述示例性的增材制造工艺。增材制造工艺使用组件的三维(3D)信息(例如三维计算机模型)来制造组件。因此，在制造之前可先限定组件的三维设计模型。就此而言，可以扫描组件的模型或原型以确定组件的三维信息。作为另一实例，组件的模型可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来限定组件的三维设计模型并进行构建。

设计模型可以包含组件整个配置的3D数字坐标，包括组件的内表面和外表面。例如，设计模型可限定主体、表面和/或内部通道，例如开口、支撑结构等。在一个示例性的实施方式中，三维设计模型例如沿组件的中心轴(例如垂直)轴或任意其他合适的轴被转换成多个切片或片段。对于切片的一个预设高度，每个切片可限定组件的薄截面。连续的横截面切片一起形成3D组件。然后逐片地或逐层地“构建”组件，直至完成。

以这种方式，本文中描述的组件可通过增材工艺制造，或更具体地，例如通过使用激光能量或热量来融合或聚合塑料，或通过烧结或熔融金属粉末，来连续地形成每个层。例如，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束(例如，电子束或电磁辐射，例如激光束)，来烧结或熔融材料粉末。可使用任何合适的激光器和激光器参数，包括关于功率、激光束光板尺寸和扫描速度的考虑。构建材料可以由为了增强强度、耐久性和使用寿命(特别是在高温下)选择的任何合适粉末或材料而形成。

每个连续层可以为例如10μm至200μm之间，但是根据替代性实施方式，厚度可基于任何数量的参数来选择并可为任意合适尺寸。因此，利用上述增材制造方法，本文中描述的组件的截面可具有与增材制造工艺期间使用的相关粉末层一样薄的厚度，例如10μm。

此外，利用增材工艺，组件的表面光洁度和特征可根据应用需要变化。例如，表面光洁度可通过在增材工艺期间选择适当的激光扫描参数(例如激光功率、扫描速度、激光焦点尺寸等)来调节(例如，使其更光滑或更粗糙)，特别是在对应于零件表面的横截面层外围。例如，可通过增加激光扫描速度或降低形成的熔融池大小来获得较粗糙的光洁度，而可通过降低激光扫描速度或增加形成的熔融池大小来获得较光滑的光洁度。还可调整扫描模式和/或激光功率来改变选定区域内的表面光洁度。

如上所述，本发明的方面涉及系统和方法，所述系统和方法用于加工、回收或以其他方式处理通常难以在增材制造(AM)工艺中使用的金属粉末。这些系统和方法旨在将原始或未经处理的粉末转变为可用于3D打印应用的高质量粉末。更具体地，经处理粉末具有恢复的或改善的物理和化学特性。例如，本发明的方面可将不规则粉末改变为球形粉末，使其在AM系统中更好地流动。该系统被设计为容易放大并提供了在不同选项之间的更大自由度，例如等离子体源的类型、气体类型、使用导电材料、不使用陶瓷、有效的热源例如气体加热器、壁面冷却最小化以提高效率等。

根据示例性的实施方式，本发明的方面涉及处理金属粉末，例如来自原始粉末的钛、TiAl、铝、铁镍合金、不锈钢或其他任意金属合金，它们不具有在各种增材制造工艺中正确使用它们所需的特性。具体地，原始粉末可能是不规则的、流动性可能较差、可能具有不合适的尺寸分布或密度，和/或可能具有不足的表面和本体化学性质。反应器装置108可以改变粉末的特性，使其符合多种AM工艺(电子束熔融(EBM)、激光束加工(LBM)、激光沉积技术(LDT)等)。此外，本发明的处理粉末的工艺可用于回收可能被丢弃的粉末。

本发明的其他方面提供如下：

1.在粉末处理装置中处理原料颗粒的原料粉末的方法，其中，该方法包括：将原料粉末导入粉末处理装置的反应器内的等离子体腔室中；使原料粉末暴露于由等离子体源生成的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕经处理粉末。

2.根据前款任一项所述的方法，其中，等离子体源包括多个等离子炬。

3.根据前款任一项所述的方法，其中，多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，所述等离子体射流相对于原料粉末的流动方向呈一角度，以在原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

4.根据前款任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：在等离子体腔室中沿垂直方向移动原料排出喷嘴。

5.根据前款任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：沿限定于原料排出喷嘴的壁中的冷却路径提供冷却流体的流，以调节原料排出喷嘴的温度。

6.根据前款任一项所述的方法，其中，焦点位于等离子体腔室顶部的腔室入口。

7.根据前款任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将热气鞘流分布在限定于等离子体腔室周围的分配室内。

8.根据前款任一项所述的方法，其中，热气鞘流基本为圆柱形。

9.根据前款任一项所述的方法，其中，等离子体腔室和分配室通过位于反应器内的中心体限定。

10.根据前款任一项所述的方法，其中，中心体由石墨形成。

11.根据前款任一项所述的方法，其中，热气鞘流包括氩气。

12.根据前款任一项所述的方法，其中，使原料粉末暴露于等离子体场包括：将原料粉末引入等离子体场，使原料颗粒表面的至少一部分熔融或蒸发，提升原料颗粒的球形度。

13.根据前款任一项所述的方法，其中，原料颗粒的最大尺寸约为150μm。

14.根据前款任一项所述的方法，其中，原料粉末的平均原料尺寸为约10μm至约150μm。

15.根据前款任一项所述的方法，其中，经处理颗粒的平均粒度小于原料颗粒的平均原料尺寸。

16.根据前款任一项所述的方法，其中，经处理颗粒的平均粒度为原料颗粒的平均原料尺寸的约10％至约90％。

17.根据前款任一项所述的方法，其中，原料粉末包括纯金属、铁合金、钛、铝合金、镍合金、铬合金、镍基高温合金、铁基高温合金、钴基高温合金或它们的混合物。

18.用于处理原料颗粒的原料粉末的粉末处理装置，其中，所述粉末处理装置包括：限定等离子体腔室的反应器；原料供仓，用于将原料粉末和载气提供至等离子体腔室；等离子体源，用于将等离子体场导入等离子体腔室以形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的平均球形度；以及，鞘气源，用于在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕经处理粉末。

19.根据前款任一项所述的粉末处理装置，其中，等离子体源包括多个等离子炬，多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，等离子体射流相对于原料粉末的流动方向呈一角度，以在原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

20.根据前款任一项所述的粉末处理装置，其中，粉末处理装置还包括：位于反应器内的中心体，所述中心体限定等离子体腔室和用于分配热气鞘流的分配室，所述分配室沿等离子体腔室周围延伸。

该书面描述使用示例性的实施方式公开本发明，包括其最佳模式，使本领域技术人员足以实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统，以及进行任何结合其中的方法。本发明的可专利范围由权利要求确定，并可包含本领域技术人员想到的其他实例。若这种其他实例包括与权利要求的字面语言无差异的结构单元，或者若它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构单元，则这种其他实例应当包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.在粉末处理装置中处理原料颗粒的原料粉末的方法，其中，所述方法包括：

将所述原料粉末从原料排出喷嘴导入所述粉末处理装置的反应器内的等离子体腔室中；

使所述原料粉末暴露于由等离子体源生成的等离子体场中，形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的球形度；和

供给围绕所述经处理粉末的热气鞘流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，供给所述热气鞘流包括：

在所述原料排出喷嘴的下游排出所述热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕所述经处理粉末。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述球形度使用ISO 9276-6测定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述经处理粉末的球形度的平均球形度高于0.85。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体源包括多个等离子炬。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，所述等离子体射流相对于所述原料粉末的流动方向呈一角度，以在所述原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法还包括：

在所述等离子体腔室中沿垂直方向移动所述原料排出喷嘴。

8.用于处理原料颗粒的原料粉末的粉末处理装置，其中，所述粉末处理装置包括：

限定等离子体腔室的反应器；

原料供仓，用于从原料排出喷嘴提供原料粉末以及提供载气至等离子体腔室；

等离子体源，用于将等离子体场导入等离子体腔室以形成具有经处理颗粒的经处理粉末，所述经处理颗粒与原料颗粒相比具有增加的球形度；和

鞘气源，用于在等离子体腔室的下游供给热气鞘流，所述热气鞘流基本围绕所述经处理粉末。

9.根据权利要求8所述的粉末处理装置，其中，所述等离子体源包括多个等离子炬，所述多个等离子炬中的每个生成等离子体射流，所述等离子体射流相对于所述原料粉末的流动方向呈一角度，以在所述原料排出喷嘴下方的焦点处会聚。

10.根据权利要求8所述的粉末处理装置，其中，所述粉末处理装置还包括：

位于所述反应器内的中心体，所述中心体限定所述等离子体腔室和用于分配所述热气鞘流的分配室，所述分配室沿所述等离子体腔室周围延伸。

Images