具有定制微观结构的球状钛金属粉末

本申请是2018年6月19日提交的美国专利申请号16/012,370的部分继续。前述申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开一般性涉及生产金属球状粉末产品。更具体地，本公开涉及使用微波产生的等离子体用于生产金属球状粉末产品(例如，Ti粉末、Ti合金粉末、Ti化合物粉末)的技术。

制备一些形式的工业粉末的一个重要方面是球化方法，其将通过常规粉碎方法生产的不规则形状或有角的粉末转化成球形低孔隙率颗粒。球形粉末形状均匀、更致密、较少多孔、具有高且一致的流动性和高振实密度。这样的粉末在应用(例如注塑、热喷涂、增材制造等)中表现出优异的性质。

产生球状金属粉末(特别是含Ti的金属粉末)可能造成许多挑战。实现期望的球状形状、期望的孔隙率水平(例如，没有孔隙率到非常多孔)以及期望的组成和微观结构可能是困难的。

传统的球化方法采用1978年2月28日授权的美国专利4,076,640中描述的热电弧等离子体和2005年7月19日授权的美国专利6,919,527中描述的射频产生的等离子体。然而，这两种方法存在射频和热电弧等离子体的热非均匀性所固有的局限性。

在热电弧等离子体的情况下，在两个电极之间产生的电弧在等离子体通道内产生等离子体。使用等离子体气体将等离子体吹出等离子体通道。粉末从侧面垂直地或以一定角度注入等离子体羽流中，在那里粉末被等离子体的高温熔化。熔体的表面张力将其拉成球形形状，然后将其冷却、固化并在过滤器中收集。热电弧等离子体的问题在于，用于点燃等离子体的电极暴露于高温，引起电极的劣化，这污染等离子体羽流和方法材料。此外，热电弧等离子体羽流固有地表现出大的温度梯度。通过将粉末从侧面注入等离子体羽流中，并非所有粉末颗粒都暴露于相同的方法温度，导致粉末部分球化的、不均匀的、具有不均匀的孔隙率。

在射频感应耦合等离子体球化的情况下，通过变化的磁场产生等离子体，该变化的磁场在等离子体气体中感应电场，其进而驱动等离子体过程，例如电离、激发等，以在圆柱形介电管中维持等离子体。与电弧和微波产生的等离子体相比，已知感应耦合等离子体具有射频能量进入等离子体的低耦合效率和更低的等离子体温度。负责产生等离子体的磁场表现出不均匀的分布，这导致具有大的温度梯度的等离子体，其中等离子体采用环形形状，其在等离子体的边缘处(靠近介电管壁)表现出最高温度，而在环形的中心表现出最低温度。此外，由于线圈上的RF电压，在等离子体和围绕介电管缠绕的射频线圈之间产生电容分量。该电容分量产生大的电场，该电场将离子从等离子体驱动朝向介电内壁，这进而导致电弧放电和介电管劣化以及由管的材料引起的方法材料污染。

为了在需要高粉末流的增材制造或粉末冶金(PM)应用中有用，金属粉末颗粒应当表现出球形形状，这可以通过球化的方法来实现。该方法涉及在热环境中熔化颗粒，由此液体金属的表面张力使每个颗粒成形为球形几何形状，接着冷却并再固化。此外，球形粉末可以通过各种技术直接生产。在一种这样的技术中，等离子体旋转电极(PRP)产生高流动性和填充钛和钛合金粉末，但被认为太昂贵。而且，球化的钛和钛合金已经使用气体雾化来生产，其使用相对复杂的装置并且可能向粉末引入孔隙率。不规则形状粉末的球化方法包括使用感应耦合等离子体(ICP)的TEKNA (Sherbrook, Quebec, Canada)球化方法，其中由氢化物-去氢化物(HDH)方法获得的有角的粉末被夹带在气体内并通过热的等离子体环境注入以熔化粉末颗粒。然而，该方法遭受等离子体的不均匀性，这导致原料的不完全球化。HDH方法涉及几个复杂的步骤，包括氢化脱氢，以及在粉末进行球化之前脱氧。该方法是耗时的多步骤方法，其抬高了通过这些方法制备的金属粉末的成本。

从以上讨论中因此看出，在本领域中存在克服在此和以上描述的缺陷和限制的需要。

通过使用微波产生的等离子体炬并选择和控制冷却处理参数以产生具有期望的微观结构的球化的金属颗粒，克服了现有技术的缺点并提供了另外的优点。本发明的技术的示例性实施方案涉及球状钛(例如，钛和钛合金)颗粒和用于制备这样的颗粒的方法。

在一个方面，本公开涉及包括钛的球化的颗粒。所述球化的颗粒通过包括以下的方法制备：将包括颗粒的钛基进料材料(例如，进料材料包括钛，例如钛颗粒或钛合金粉末)引入微波等离子体炬中；在由所述微波等离子体炬产生的等离子体内熔化和球化所述进料材料；将所述球化的颗粒暴露于惰性气体；和设定一个或多个冷却处理变量以定制所述包括钛的球化的颗粒的微观结构。以上方面包括一个或多个以下特征。在一个实施方案中，所述钛基进料材料包括钛合金。在另一个实施方案中，所述球化的颗粒为Ti Al6-V4(即，Ti6-4)。在另一个实施方案中，熔化和球化所述进料材料发生在约4,000K至8,000K之间的基本上均匀的温度分布内。在另一个实施方案中，所述进料材料的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生马氏体微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生魏氏体微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生等轴微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以产生至少两个区域，每个区域具有不同的微观结构。在另一个实施方案中，所述至少两个区域包括核部分和表皮部分。在另一个实施方案中，所述表皮部分具有与所述进料材料的微观结构不同的微观结构。

在另一个方面，本公开涉及定制球化的金属颗粒的微观结构的方法。所述方法包括将包括颗粒的金属进料材料引入微波等离子体炬中。所述方法还包括在由所述微波等离子体炬产生的等离子体内熔化和球化所述进料材料；将所述球化的颗粒暴露于惰性气体；和设定一个或多个冷却处理变量以定制所述球化的金属颗粒的微观结构。以上方面包括一个或多个以下特征。在一个实施方案中，所述金属进料材料包括钛基进料材料。在另一个实施方案中，熔化和球化所述进料材料发生在约4,000K至8,000K之间的基本上均匀的温度分布内。在另一个实施方案中，所述进料材料的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体流速。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制所述进料材料的颗粒在所述等离子体内的停留时间。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体组成。在另一个实施方案中，选择所述冷却气体组成以提供高热导率。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生马氏体微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生魏氏体微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以在所述球化的颗粒中产生等轴微观结构。在另一个实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量以产生至少两个区域，每个区域具有不同的微观结构。在另一个实施方案中，所述至少两个区域包括核部分和表皮部分。在另一个实施方案中，所述表皮部分具有与所述进料材料的微观结构不同的微观结构。

在另一个方面，本公开涉及改变钛基原料的颗粒形状或微观结构中的至少一种的方法。所述方法包括选择所述钛基金属原料的组成；确定最终产品的期望的微观结构；基于所述钛基金属原料的期望的微观结构和组成选择冷却方法参数；在等离子体中熔化所述钛基金属原料的颗粒的至少表面部分以球化所述原料，所述等离子体具有在4,000K至8,000K之间的基本上均匀的温度分布；将所述球化的颗粒暴露于惰性气体；和设定并应用所选择的冷却处理参数以产生具有期望的微观结构的球化的颗粒。以上方面包括一个或多个以下特征。在一个实施方案中，选择所述钛基金属进料材料的组成包括确定钛基原料源的成合金组成。在另一个实施方案中，所述钛基金属原料的颗粒的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。在另一个实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制冷却气体流速。在另一个实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制所述钛基金属原料的颗粒在所述等离子体中的停留时间。在另一个实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制冷却气体组成。在另一个实施方案中，选择所述冷却气体组成以提供高热导率。在另一个实施方案中，选择所述冷却处理参数以在所述球化的颗粒中产生马氏体微观结构。在另一个实施方案中，选择所述冷却处理参数以在所述球化的颗粒中产生魏氏体的微观结构。在另一个实施方案中，选择所述冷却处理参数以在所述球化的颗粒中产生等轴微观结构。在另一个实施方案中，选择所述冷却处理参数以产生至少两个区域，每个区域具有不同的微观结构或晶体结构。在另一个实施方案中，所述至少两个区域可以包括核部分和表皮部分。在另一个实施方案中，所述表皮部分具有与所述原料的微观结构不同的微观结构。在另一个实施方案中，所述钛基金属原料具有α相晶体结构，并且所述球化的颗粒包括β相晶体结构的一个或多个区域。在另一个实施方案中，所述钛基金属原料具有单相结构，并且所述球化的颗粒具有多相结构。

上述方面的实施方案可以包括一个或多个以下特征。根据本发明的技术的各种球化的颗粒、用于产生所述球化的颗粒的方法以及生产金属或金属合金粉末的方法可以提供许多优点。例如，本文公开的颗粒、用于形成所述颗粒的过程和方法可以用于球化的连续方法中，并允许对所述颗粒的最终微观结构的控制。这样的实施方案可以通过减少处理步骤的数量而降低球化金属粉末的成本，这进而降低了每单位体积处理的材料的能量并可以增加最终产品的一致性。减少处理步骤的数量还降低了被氧气和其它污染物污染的可能性。另外，本文公开的连续方法通过减少或消除与颗粒的典型的基于分批的处理相关的变化来改进终端产品的一致性。由于能量源(即，等离子体方法)的均匀性和控制，本发明的技术可以实现一致性的另外的改进。具体地，如果良好地控制等离子体条件，可以减少颗粒凝聚，即使没有完全消除凝聚，因此导致更好的粒度分布(在与原始进料材料相同的规模上)。

除了一致的终端产品的优点之外，本发明的方法和所得粉末具有控制和定制终端产品的微观结构的能力的优点。虽然不希望受理论的束缚，但据信本文公开的方法提供对加热和冷却处理条件的控制。结果是，通过控制和(在一些实施方案中)监测至少一个冷却处理变量(例如，冷却气体流速、在冷却气体中的停留时间和冷却气体的组成)，可以获得与原始微观结构不同的期望的微观结构。进一步地，可以产生新颖的多相微观结构。也就是说，通过控制加热和/或冷却条件可以处理球状颗粒，以产生具有一种微观结构的核和具有不同的微观结构的壳。一些实施方案具有能够将原料材料的微观结构改变或变化为期望的微观结构的优点，所述材料可以是单相或多相材料。

通过本发明的技术的各种技术实现了另外的特征和优点。本文对本发明的技术的各种实施方案所满足的期望的目标或方面的叙述不意味着暗示或建议这些目标或方面中的任何或全部在本发明的技术的最一般的实施方案中或在其更具体的实施方案中的任何一个中单独地或共同地作为基本特征而存在。

本文公开了包含钛的球化的颗粒，其通过包括以下的方法制备：将包含颗粒的钛基进料材料引入微波等离子体炬中；在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料，将所述球化的颗粒暴露于惰性气体，和设定一个或多个冷却处理变量以定制所述包含钛的球化的颗粒的微观结构，所述球化的颗粒包括至少第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域具有不同的微观结构。

在一些实施方案中，所述钛基进料材料包含钛合金。在一些实施方案中，所述球化的颗粒为Ti Al6-V4。在一些实施方案中，熔化和球化所述进料材料发生在约4,000K至8,000K之间的基本上均匀的温度分布内。在一些实施方案中，所述进料材料的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。

在一些实施方案中，引入所述微波等离子体炬中包括引入所述微波等离子体炬的羽流中，并且其中在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料包括在所述微波等离子体炬的羽流中熔化和球化所述进料材料。在一些实施方案中，引入所述微波等离子体炬中包括引入所述微波等离子体炬的排气中，并且其中在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料包括在所述微波等离子体炬的排气中熔化和球化所述进料材料。

在一些实施方案中，所述钛基进料材料具有α相晶体结构，并且所述球化的颗粒包括β相晶体结构的一个或多个区域。在一些实施方案中，所述至少两个区域包括核部分和表皮部分。在一些实施方案中，所述表皮部分具有与所述进料材料的微观结构不同的微观结构。

本文还公开了定制球化的金属颗粒的微观结构的方法，所述方法包括将包含颗粒的钛进料材料引入微波等离子体炬中；在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料，将所述球化的颗粒暴露于惰性气体，和设定一个或多个冷却处理变量以定制所述球化的金属颗粒的微观结构，所述球化的金属颗粒包括至少第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域具有不同的微观结构。

在一些实施方案中，熔化和球化所述进料材料发生在约4,000K至8,000K之间的温度分布内。在一些实施方案中，所述进料材料的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。

在一些实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体流速。在一些实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制所述进料材料的颗粒在所述等离子体内的停留时间。在一些实施方案中，设定一个或多个冷却处理变量包括选择和控制冷却气体组成。在一些实施方案中，选择所述冷却气体组成以提供高热导率。

在一些实施方案中，引入所述微波等离子体炬中包括引入所述微波等离子体炬的羽流中，并且其中在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料包括在所述微波等离子体炬的羽流中熔化和球化所述进料材料。在一些实施方案中，引入所述微波等离子体炬中包括引入所述微波等离子体炬的排气中，并且其中在所述微波等离子体炬中熔化和球化所述进料材料包括在所述微波等离子体炬的排气中熔化和球化所述进料材料。

在一些实施方案中，所述钛基进料材料具有α相晶体结构，并且所述球化的颗粒包括β相晶体结构的一个或多个区域。在一些实施方案中，所述至少两个区域包括核部分和表皮部分。在一些实施方案中，所述表皮部分具有与所述进料材料的微观结构不同的微观结构。

本文还公开了改变钛基原料的颗粒形状或微观结构中的至少一种的方法，所述方法包括选择所述钛基金属原料的组成，确定最终产品的期望的微观结构，基于所述钛基金属原料的期望的微观结构和组成选择冷却方法参数，在等离子体中熔化所述钛基金属原料的颗粒的至少表面部分以球化所述原料，所述等离子体具有在4,000K至8,000K之间的基本上均匀的温度分布，将所述球化的颗粒暴露于惰性气体，和设定并应用所选择的冷却处理参数以产生具有期望的微观结构的球化的颗粒，所述球化的颗粒包括至少第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域具有不同的微观结构。

在一些实施方案中，选择所述钛基金属进料材料的组成包括确定钛基原料源的成合金组成。在一些实施方案中，所述钛基金属原料的颗粒的粒度不小于1.0微米且不大于300微米。

在一些实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制冷却气体流速。在一些实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制所述钛基金属原料的颗粒在所述等离子体中的停留时间。在一些实施方案中，设定并应用所选择的冷却处理参数包括控制冷却气体组成。在一些实施方案中，选择所述冷却气体组成以提供高热导率。

在一些实施方案中，所述钛基进料材料具有α相晶体结构，并且所述球化的颗粒包括β相晶体结构的一个或多个区域。在一些实施方案中，所述至少两个区域包括核部分和表皮部分。在一些实施方案中，所述表皮部分具有与所述原料的微观结构不同的微观结构。在一些实施方案中，所述钛基金属原料具有单相结构，并且所述球化的颗粒具有多相结构。

在一些实施方案中，在所述等离子体中熔化包括在所述等离子体的羽流中熔化。在一些实施方案中，在所述等离子体中熔化包括在所述等离子体的排气中熔化。在一些实施方案中，所述等离子体包含微波等离子体。

附图说明

当与附图一起阅读时，从示例性实施方案的以下描述将更全面地理解本公开的特征和优点，在附图中：

图1说明与用于生产类似颗粒的常规方法相比，根据本公开的生产球状金属和金属合金颗粒的实例方法。

图2说明根据本公开的生产脱氢的球状颗粒的另一实例方法。

图3说明根据本公开的由金属氢化物材料生产脱氢的球状颗粒的另一实例方法。

图4说明根据本公开的实施方案的可以用于生产球状且脱氢的金属或金属合金粉末的示例性微波等离子体炬。

图5A-B说明根据本公开的侧进料料斗实施方案的可以用于生产球状金属或金属合金粉末的微波等离子体炬的实施方案。

图6说明生产具有期望的微观结构的钛基(例如钛、钛合金)球状颗粒的示例性方法。

图7说明根据本公开的实施方案的改变颗粒微观结构的示例性方法。

图8说明根据本公开的实施方案改变的示例性颗粒。

本公开的一个方面涉及使用微波产生的等离子体球化金属和金属合金氢化物的方法。所述方法使用容易获得的现有的预筛分的或非预筛分的由金属氢化物制成的原始材料作为原料。所述原料可以是单相或多相的。粉末原料被夹带在惰性和/或还原和/或氧化气体环境中，并被注入微波等离子体环境中。在注入热的等离子体(其包括等离子体本身、等离子体羽流或等离子体排气)中时，原料同时脱氢和球化，并释放到填充惰性气体的室中，并引导至储存其的气密密封的鼓中。该方法可以在大气压下、在部分真空中或在略高于大气压的压力下进行。在替代实施方案中，所述方法可以在低、中或高真空环境中进行。所述方法可以连续运行，并且当鼓充满球化的脱氢的且脱氧的金属或金属合金颗粒时替换鼓。所述方法不仅球化粉末，而且从使用氢化物-去氢化物(HDH)方法制造金属和金属合金粉末的传统方法中消除脱氢步骤，这导致成本降低。通过减少处理步骤的数量和提供连续方法，降低材料被氧气和其它污染物污染的可能性。此外，提供微波等离子体方法的均匀性，也减少颗粒凝聚，即使没有完全消除凝聚，因此导致至少保持原始氢化物进料材料的粒度分布。

在粉末冶金工业中，氢化物-去氢化物(HDH)方法用于通过粉碎、碾磨和筛分将大的金属或金属合金片调整尺寸至更细的粒度分布。金属和合金粉末使用HDH方法制造，其中将本体原料(例如粗金属粉末或金属/金属合金废料等)在含氢气氛中在高温(约700℃)下加热几天。这导致形成脆性金属氢化物，其可以容易地粉碎成细粉末并筛选以产生由最终用户确定的期望的尺寸分布。为了在粉末冶金中有用，必须通过在真空中加热金属氢化物粉末一段时间，将氢从金属中解离和去除。然后必须筛选脱氢的粉末以去除在该过程期间由于烧结而产生的大的颗粒凝聚物。典型的所得粉末颗粒具有不规则或有角的形状。对粉末进行脱氧过程以去除在筛选和处理期间粉末吸收的任何氧。常规HDH方法仅生产粗且不规则形状的颗粒。这样的HDH方法必须接着球化方法以使这些颗粒成球状。

常规HDH方法主要以固态分批方法进行。通常，将一定体积的金属粉末负载到真空炉内的一个或多个坩埚中。将炉用泵抽至部分真空，并用惰性气体反复吹扫以消除不期望的氧的存在。惰性气体通过粉末颗粒之间的开放空间的扩散缓慢，使其难以完全消除氧，否则氧污染最终产品。可以使用机械搅动来搅拌粉末，以允许更完全地去除氧。然而，这增加了系统的复杂性，并且机械部件需要定期维护，最终增加成本。

在氧吹扫之后，可以开始氢化。将炉填充氢气并在高温下加热多达几天以完全形成金属氢化物。金属氢化物的脆性性质允许将本体材料粉碎成细粉末，然后将其筛分成期望的尺寸分布。

下一步是脱氢。将筛分的氢化物粉末负载到真空炉中，然后在部分真空下加热，促进氢从金属氢化物解离以形成H

本文公开了用于在同时脱氢和球化进料材料的连续方法中制造球状金属和金属合金粉末产品的技术。根据示例性实施方案，HDH方法的脱氢和球化步骤可以简化为使用微波产生的等离子体的单个处理步骤。这样的实施方案可以通过减少处理步骤的数量、减少每单位体积处理的材料的能量和增加最终产品的一致性来降低球化金属粉末的成本。处理步骤数量的减少也降低了粉末被氧气和其它污染物污染的可能性。另外，本文公开的连续脱氢方法通过减少或消除与典型的基于分批的脱氢方法相关的变化而改进终端产品的一致性。

可以控制脱氢的、脱氧的且球化的金属和金属合金的冷却速率，以策略性地影响粉末的微观结构。例如，α相钛合金的快速冷却促进针状(马氏体)结构。中等冷却速率生产魏氏体微观结构，而缓慢的冷却速率形成等轴微观结构。通过控制方法参数(例如冷却气体流速、停留时间、冷却气体组成等)，可以控制金属和金属合金的微观结构。通常，方法参数(例如功率密度、流速和粉末在等离子体中的停留时间)取决于粉末材料的物理特性(例如熔点、热导率和粒度分布)。在一些实施方案中，功率密度可以在约20 W/cm

冷却速率，特别是当与微波等离子体羽流的一致且均匀的加热能力结合时，允许对最终微观结构的控制。结果是，上述方法可以应用于处理金属(例如钛和钛合金，如Ti 6-4)原料。特别地，尽管本文的某些方法已经描述了使用金属氢化物原料，但对微观结构的控制不限于此。特别地，本发明的技术的方法和通过本发明的技术产生的粉末包括使用非氢化的来源。例如，钛金属和各种钛金属合金可以用作原料源。可以将这些材料粉碎或碾磨以产生用于在微波等离子体炬内处理的颗粒。

冷却处理参数包括但不限于冷却气体流速、球化的颗粒在热区中的停留时间和冷却气体的组成或构成。例如，通过增加冷却气体的流速，可以增加颗粒的冷却速率或淬火速率。冷却气体越快地流过离开等离子体的球化的颗粒，则淬火速率越高，从而允许锁定某些期望的微观结构。也可以调节颗粒在等离子体的热区内的停留时间，以提供对所得微观结构的控制。也就是说，颗粒暴露于等离子体的时间长度决定颗粒的熔化程度(即，与颗粒的最内部分或核相比，颗粒的表面熔化)。因此，熔化程度影响固化所需的冷却程度，并因此它是冷却方法参数。取决于颗粒熔化的程度，微观结构变化可以掺入整个颗粒中或仅其一部分中。通过调节热区内的颗粒注入速率和流速(以及条件，例如层流或湍流)的这样的操作变量，可以调节停留时间。设备变化也可以用于调节停留时间。例如，通过改变热区的横截面积可以调节停留时间。例如，对于相同的气体流速，等离子体炬和/或延长管在余辉区域(例如，图4中围绕等离子体11的区域，该横截面积至少部分地由内壁限定)中的较大截面面积将导致较低的颗粒速度，而较小的截面面积将导致较高的速度，因此降低在热区中的停留时间。

可以改变或控制的另一个冷却处理参数是冷却气体的组成。某些冷却气体比其它冷却气体更导热。例如，氦被认为是高导热气体。冷却气体的热导率越高，则球化的颗粒可以被冷却/淬火得越快。通过控制冷却气体的组成(例如，控制高导热气体(例如氦气)与较低导热气体(例如氩气)的量或比率)，可以控制冷却速率。

如冶金学已知的，金属的微观结构由金属的组成以及材料的加热和冷却/淬火决定。在本发明的技术中，通过选择(或知道)原料材料的组成，然后将原料暴露于具有温度分布(例如均匀或基本上均匀的温度分布)的等离子体中并如微波等离子体炬所提供的那样对其进行控制，接着选择和控制冷却参数，实现对球化的金属颗粒的微观结构的控制。作为一个实例，温度分布可以在3,000K至8,000K之间(或在约3,000K至约8,000K之间)。此外，金属材料的相取决于原料材料的组成(例如纯度、成合金元素的组成等)以及热处理。钛具有两种不同的相，称为α相(其具有六方密堆晶体结构)和β相(其具有体心立方结构)。钛也可以具有混合的α+β相。不同的晶体结构产生不同的机械响应。因为钛是同素异形的，可以将其热处理以产生特定含量的α相和β相。期望的微观结构不仅是晶粒(例如马氏体相对于等轴)的描述，而且是整个过程中不同相的量和位置的描述。

在一个示例性实施方案中，惰性气体在粉末状金属进料周围连续吹扫，以去除粉末进料料斗内的氧气。然后将连续体积的粉末进料夹带在惰性气体内，并进料至微波产生的等离子体中，用于脱氢或用于球化的颗粒的组成/保持球化的颗粒的纯度。在一个实例中，微波产生的等离子体可以使用微波等离子体炬产生，如在美国专利公开号US 2013/0270261和/或美国专利公开号US 2008/0173641 (作为美国专利8,748,785授权)中所述，其每一个通过引用以其整体并入本文。在一些实施方案中，将颗粒在4,000-8,000K之间的均匀的温度分布暴露于微波产生的等离子体内。在等离子体炬内，粉末颗粒被快速加热和熔化。液体对流加速H

在等离子体内，由于液体表面张力，熔化的金属固有地球化。由于微波产生的等离子体表现出基本上均匀的温度分布，尽管其它实施方案可能不是基本上均匀的，可以实现大于90%的颗粒球化(例如91%、93%、95%、97%、99%、100%)，消除对单独的脱氢步骤的需要。在不包括脱氢的实施方案中，通过用微波产生的等离子体处理，解决或者(在一些情况下)部分控制球化和定制(例如改变、操纵、控制)微观结构两者。在离开等离子体之后，颗粒在进入收集箱之前被冷却。当收集箱装满时，可以将其移除并且根据需要用空箱替换而无需停止该过程。

本公开的实施方案涉及生产基本上球形或球状或已经经历显著球化的颗粒。在一些实施方案中，球形、球状或球化的颗粒是指球度大于某一阈值的颗粒。颗粒球度可以通过使用以下等式用与颗粒匹配的体积V来计算球体表面积A

然后将该理想化的表面积与颗粒的测量的表面积A

球度=

在一些实施方案中，颗粒的球度可以大于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或大于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，颗粒的球度可以是0.75或更大或0.91或更大(或约0.75或更大或约0.91或更大)。在一些实施方案中，颗粒的球度可以小于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或小于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，如果颗粒的球度等于或高于任何上述球度值，则认为该颗粒是球形、球状或球化的，并且在一些优选的实施方案中，如果颗粒的球度等于或为约0.75或更大或等于或为约0.91或更大，则认为该颗粒是球形的。

在一些实施方案中，给定粉末内的所有颗粒的中值球度可以大于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或大于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，给定粉末内的所有颗粒的中值球度可以小于0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、0.91、0.95或0.99 (或小于约0.5、约0.6、约0.7、约0.75、约0.8、约0.8、约0.91、约0.95或约0.99)。在一些实施方案中，如果对给定粉末测量的颗粒的全部或阈值百分比(如由以下任何部分所描述的)的中值球度大于或等于任何上述球度值，则认为粉末被球化，并且在一些优选实施方案中，如果颗粒的全部或阈值百分比的中值球度等于或为约0.75或更大或等于或为约0.91或更大，则认为粉末被球化。

在一些实施方案中，粉末内可能高于给定球度阈值(例如如上所述)的颗粒分数可以大于50%、60%、70%、80%、90%、95%或99% (或大于约50%、约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或约99%)。在一些实施方案中，粉末内可能高于给定球度阈值(例如如上所述)的颗粒分数可以小于50%、60%、70%、80%、90%、95%或99% (或小于约50%、约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或约99%)。

粒度分布和球度可以通过任何合适的已知技术来确定，例如通过SEM、光学显微镜、动态光散射、激光衍射、使用图像分析软件的手动尺寸测量，例如在相同材料切片或样品的至少三个图像上每个图像约15-30次测量，以及任何其它技术。

参考图1，显示用于生产球化的钛粉末的常规方法(100)相对于根据本发明的技术的方法(200)的比较。图1左侧的方法流程(101)表示将HDH方法(100)与钛粉末的球化相结合的实例方法。该方法从氢化(步骤b，110)的Ti原始材料(步骤a，105)开始，然后粉碎并筛选至一定尺寸(步骤c，115)。通过脱氢回收纯钛(步骤d，120)。然后，筛分凝聚物和杂质，然后筛选至客户指定的尺寸(步骤e，125)。然后，粉末经过脱氧步骤以减少或消除在筛选和筛分过程期间其所吸收的氧。需要脱氧，特别是对于小粒度，例如低于50微米的颗粒，其中表面与体积的比率是相当大的(步骤f，130)。然后将钛颗粒球化(步骤g，135)并收集(步骤h，140)。类似的方法可以用于产生Ti合金，例如Ti 6-4，而不是纯钛粉末。

如上所述，本公开的一些实施方案结合图1左侧所示的脱氢和球化步骤(101、130、135)，以有利于由相应的氢化物原料生产球化的金属和/或金属合金的单个步骤。该技术的一个实例在图1右侧所示的方法流程(201)中说明。该方法从粉碎且筛选的金属氢化物进料材料开始(即步骤c，115，没有进行去氢化物步骤)。在该特定实施方案中，进料材料是钛氢化物粉末，并且由方法200得到的粉末是球形钛粉末。(注意到，方法200也可以使用粉碎和筛选的金属合金氢化物进料材料，例如钛合金氢化物进料材料，并且由方法200的完成得到的粉末是球形金属合金粉末，例如球形钛合金粉末) 。粉末被夹带在惰性气体内并被注入到表现出基本上均匀的温度分布的微波产生的等离子体环境中，尽管其它实施方案可能不是基本上均匀的，在大约3,000或4,000K至8,000K之间(或约3,000或4,000K和8,000K)和在部分真空下。气密密封的室方法也可以在大气压或略高于大气压下运行，以消除大气氧泄漏到方法中的任何可能性。颗粒在等离子体中同时熔化和脱氢，由于液体表面张力而球化，在离开等离子体之后重新固化(200)。然后在惰性气氛中在密封的鼓中收集颗粒(140)。在等离子体内，粉末颗粒被充分加热以熔化并引起液体金属的对流，根据可逆反应引起氢的解离，其中M=任意金属：

在部分真空中，氢从金属解离以形成氢气是有利的，驱动上述反应向右进行。由于对流，氢从液体金属的解离速率是快速的，这连续地将H

图2是说明根据本公开的实施方案的用于生产球形粉末的示例性方法(250)的流程图。在该实施方案中，方法(250)通过将进料材料引入等离子体炬中(255)而开始。在一些实施方案中，等离子体炬是微波产生的等离子体炬或RF等离子体炬。在等离子体炬内，将进料材料暴露于等离子体，引起材料熔化，如上所述(260)。在相同时间(即，将进料材料暴露于等离子体的时间)期间，进料材料内的氢从金属解离，导致脱氢(260a)。同时，通过表面张力使熔化的材料球化(260b)，如上所述。注意到，步骤260包括260a和260b。也就是说，通过将进料材料暴露于等离子体，实现脱氢和球化两者；不需要单独或不同的处理步骤来实现脱氢和球化。在离开等离子体之后，将产品冷却并固化，锁定为球形形状，然后收集(265)。

图3是说明根据本公开的另一实施方案的用于生产球形粉末的另一示例性方法(300)的流程图。在该实例中，方法(300)通过将基本连续体积的过滤的金属氢化物进料材料引入等离子体炬中而开始。如以上讨论的，等离子体炬可以是微波产生的等离子体或RF等离子体炬(310)。在一个实例实施方案中，AT-1200旋转粉末进料器(可从Thermach Inc.获得)允许良好地控制粉末的进料速率。在替代实施方案中，可以使用其它合适的方式(如流化床进料器)将粉末进料至等离子体中。进料材料可以以恒定的速率引入，并且可以调节该速率使得在随后的处理步骤期间颗粒不凝聚。在另一示例性实施方案中，首先根据待处理的进料材料的直径筛选和分类待处理的进料材料，其中最小直径为1微米(μm)且最大直径为22 μm，或最小直径为22 μm且最大直径为44 μm，或最小直径为44 μm且最大直径为70μm，或最小直径为70 μm且最大直径为106 μm，或最小直径为106 μm且最大直径为300 μm。如将理解的，提供这些上限值和下限值仅用于说明的目的，并且在其它实施方案中可以使用替代的尺寸分布值。这消除了轻颗粒在等离子体的热区上方的再循环，并且还确保存在于等离子体中的方法能量足以熔化颗粒而不蒸发。预筛分允许有效地分配熔化颗粒而不蒸发材料所需的微波功率。

一旦引入微波等离子体炬中，进料材料可以在轴对称层流和/或湍流内被夹带朝向微波或RF产生的等离子体(320)。在示例性实施方案中，该方法内的每个颗粒被夹带在惰性气体(如氩气)内。在一些实施方案中，将金属氢化物材料暴露于等离子体内的部分真空(330)。

在等离子体内，将进料材料暴露于基本上均匀的温度分布，尽管其它实施方案可能不是基本上均匀的，并被熔化(340)。在一个实例中，将进料材料暴露于等离子体内约4,000至8,000K之间的均匀的温度分布。在等离子体内熔化进料材料将氢带到液体金属氢化物的表面，在那里它可以离开颗粒，因此使颗粒快速脱氢(350)。H

根据本发明的方法和过程(例如200、250、300)可以用于制造球形金属粉末或球形金属合金粉末。例如，如果起始进料材料是钛氢化物材料，则所得粉末将是球形钛粉末。如果起始进料材料是钛合金氢化物材料，则所得粉末将是球形钛合金粉末。在一个以使用起始钛合金氢化物材料为特征的实施方案中，所得球形钛合金粉末包含Ti Al6-V4的球化的颗粒，具有4重量%至7重量%之间的铝(例如5.5-6.5%的Al)和3重量%至5重量%的钒(例如3.5-4.5%的钒)。

图4说明根据本公开的实施方案的可以用于生产球状和脱氢的金属或金属合金粉末的示例性微波等离子体炬。如以上讨论的，可以将金属氢化物进料材料9、10引入维持微波产生的等离子体11的微波等离子体炬3中。在一个实例实施方案中，夹带气流和鞘流(向下箭头)可以通过入口5注入，以在通过微波辐射源1点燃等离子体11之前在等离子体炬内产生流动条件。在一些实施方案中，夹带流和鞘流两者是轴对称的和层流的，而在其它实施方案中，气流是涡流的。将进料材料9轴向引入微波等离子体炬中，在那里它们被气流夹带，该气流引导材料朝向等离子体。如以上讨论的，气流可以由周期表中的稀有气体列组成，例如氦、氖、氩等。在微波产生的等离子体内，如以上讨论的，进料材料熔化，以使材料脱氢和球化。入口5可以用于引入方法气体，以沿轴12将颗粒9、10夹带并加速朝向等离子体11。首先，通过夹带，使用通过等离子体炬内的环形间隙产生的核层流气流(上方一组箭头)来加速颗粒9。通过第二环形间隙可以产生第二层流(下方一组箭头)，以提供用于介电炬3的内壁的层状鞘，以保护其免于由于来自等离子体11的热辐射而熔化。在示例性实施方案中，层流将颗粒9、10沿尽可能靠近轴12的路径朝向等离子体11引导，将它们暴露于等离子体内的基本上均匀的温度，尽管其它实施方案可能不是基本上均匀的。在一些实施方案中，存在合适的流动条件以保持颗粒10免于到达等离子体炬3的内壁，在该内壁处可能发生等离子体附着。颗粒9、10由气流引导朝向微波等离子体11，每个颗粒都经历均匀的热处理。可以调节微波产生的等离子体的各种参数以及颗粒参数，以实现期望的结果。这些参数可以包括微波功率、进料材料尺寸、进料材料插入速率、气体流速、等离子体温度、停留时间和冷却速率。在一些实施方案中，在离开等离子体11时，冷却或淬火速率不小于10

图5A-B说明示例性微波等离子体炬，其包括侧进料料斗而不是图4的实施方案中所示的顶进料料斗，因此允许下游进料。因此，在该实施中，原料在微波等离子体炬施用器之后注入，用于在微波等离子体炬的“羽流”或“排气”中处理。因此，微波等离子体炬的等离子体在等离子体炬的出口端接合，以允许原料的下游进料，这与关于图4讨论的顶进料(或上游进料)相反。该下游进料可以有利地延长炬的寿命，因为热区被无限地保持免于任何材料沉积在热区衬里的壁上。此外，其允许通过温度水平和停留时间的精确靶向而在适于最佳熔化粉末的温度下在下游接合等离子体羽流。例如，能够在含有等离子体羽流的淬火容器中使用微波粉末、气流和压力来调节羽流的长度。另外，下游方法可以允许使用金属丝原料代替以生产球化的材料，例如可以包括铝、铬镍铁合金、钛、钼、钨和铼的金属。该球状化方法可以适用于陶瓷和金属两者。

通常，下游球化方法可以利用两个主要硬件配置来建立稳定的等离子体羽流，这两个硬件配置是：环形炬，例如在美国专利公开号2018/0297122中描述的，其全部内容通过引用以其整体并入本文，或涡流炬，例如在美国专利号8,748,785和美国专利号9,932,673中描述的，两者通过引用以其整体并入本文。在等离子体炬的出口处与等离子体羽流紧密耦合的进料系统用于轴对称地进料粉末以保持方法均匀性。其它进料配置可以包括围绕等离子体羽流的一个或若干个单独的进料喷嘴。原料粉末可以在沿等离子体羽流的长度的特定位置处进入等离子体，在该特定位置处已经测量了特定温度并估计颗粒充分熔化的停留时间。熔化的颗粒离开等离子体进入密封的室，在那里将它们淬火然后收集。在一些实施方案中，原料可以是循环进料系统，其中原料以180度或360度进料。

可以将金属进料材料314引入微波等离子体炬302中。料斗306可以用于在将金属进料材料314进料至微波等离子体炬302、羽流或排气中之前储存金属进料材料314。进料材料314可以以与等离子体炬302的纵向方向呈5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度或55度的任何角度注入。在一些实施方案中，原料可以以大于5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度或55度的角度注入。在一些实施方案中，原料可以以小于5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度或55度的角度注入。在替代实施方案中，原料可以沿等离子体炬的纵轴注入。微波辐射可以通过波导管304引入等离子体炬。将进料材料314进料至等离子体室310中，并放置成与由等离子体炬302产生的等离子体接触。当与等离子体、等离子体羽流或等离子体排气接触时，进料材料熔化。当仍在等离子体室310中时，在收集到容器312中之前将进料材料314冷却并固化。或者，进料材料314可以在仍处于熔化相的同时离开等离子体室310，并在等离子体室外部冷却和固化。在一些实施方案中，可以使用淬火室，其可以使用或可以不使用正压。虽然与图4分开描述，但是图5A-B的实施方案被理解为使用与图4的实施方案类似的特征和条件。

在一些实施方案中，下游注入方法的实施可以使用下游涡流、延长的球化或淬火。在一些实施方案中，可以在等离子体炬的下游引入另外的涡旋分量，其可以保持粉末免于管路径的壁。管路径是可以给予粉末更长的停留时间(例如延长的球化)的延长管。在一些实施方案中，其可以不使用下游涡流、延长的球化或淬火。在一些实施方案中，其可以使用下游涡流、延长的球化或淬火中的一种。在一些实施方案中，其可以使用下游涡流、延长球化或淬火中的两种。

从下面注入粉末可以导致微波区域中等离子体管涂层的减少或消除。当涂层变得太相当大时，微波能量被屏蔽而不能进入等离子体热区，并且等离子体耦合减小。有时，等离子体甚至可能熄灭并变得不稳定。等离子体强度的降低意味着粉末的球化水平降低。因此，通过在微波区域下方进料原料并在等离子体炬的出口处接合等离子体羽流，消除该区域中的涂层，并且微波粉末与等离子体的耦合在整个过程中保持恒定，允许充分球化。

因此，有利地，下游方法可以允许该方法在减少涂层问题的同时运行长的持续时间。此外，下游方法允许能够注入更多的粉末，因为不需要使涂层最小化。

图6说明生产具有定制的或期望的微观结构的球化的钛颗粒的示例性方法(500)。方法500包括几个处理步骤来处理金属进料材料(例如钛进料材料，例如钛或钛合金)，以产生具有期望的微观结构的球化的金属颗粒。在步骤510中，将包含颗粒的金属(例如，钛基)进料材料进料至等离子体炬中。颗粒可以通过粉碎、磨碎或碾磨原料材料来生产。通常，原料颗粒的平均粒度在1微米至300微米之间。在步骤515中，将原料颗粒暴露于微波产生的等离子体以熔化颗粒的至少表面部分。颗粒的熔化的部分允许颗粒的球化。在步骤520中，将球化的颗粒暴露于惰性气体，例如氦气、氮气、氩气或其组合/混合物。在步骤525中，设定并保持冷却处理变量/条件以实现期望的微观结构。例如，在其中整个颗粒中都期望马氏体微观结构的实施方案中，设定冷却处理条件用于快速冷却。结果是，选择颗粒在热区中的停留时间以允许整个原料颗粒熔化，将冷却气体流速设定为最快的速率，并将形成冷却气体组成的氦气量设定为最大可用。在将球化的颗粒暴露于所选择的冷却条件后，在步骤530中收集球形粉末。

图7说明改变金属原料材料以具有球化的形状和期望的微观结构的示例性方法(600)。600的方法包括几个处理步骤以处理金属进料材料(例如钛进料材料，例如钛或钛合金)，以产生具有期望的微观结构的球化的金属颗粒。在该方法中，原料的化学组成(例如，99.9%纯钛、Ti-6Al-4V等)的知识与对热处理条件的控制结合使用，以实现具有与金属原料材料不同的期望的微观结构的球状颗粒。在步骤610中，选择或分析Ti基原料材料的组成以确定其组成。在步骤615中，确定最终产品的期望的微观结构。例如，可以确定在整个球化的颗粒中α相99%纯Ti等轴微观结构是期望的。结果是，需要比用于生产马氏体微观结构的冷却速率较慢的冷却速率。将选择冷却处理参数(步骤620)，例如冷却气体流速、停留时间和/或冷却气体的组成，以基于原料材料的组成实现这样的微观结构。通常，最终产品的微观结构将与原始原料材料不同。这是本发明方法的一个优点，以能够有效地处理进料材料以产生具有期望的微观结构的球化的颗粒。在选择或确定冷却参数之后，在步骤625中，将原料颗粒在微波产生的等离子体中熔化以球化颗粒。将球化的颗粒暴露于惰性气体(步骤630)，并应用确定的或所选择的冷却参数以形成期望的微观结构。

可以定制球化的颗粒(终端产品)的期望的微观结构以满足其应用的要求和材料特性。例如，期望的微观结构可以是提供改进的延展性(通常与α相有关)的微观结构。在另一个实例中，期望的微观结构可以与α+β相或α区域与β相的岛的包含相关，反之亦然。不希望受理论的束缚，但据信本公开的方法允许控制球化的颗粒的相，因为微波产生的等离子体具有均匀的温度分布，对热区精细控制，并且能够选择和调节冷却处理参数。

使用本发明的技术的方法，可以生产各种微观结构、晶体结构和不同微观结构和/或晶体结构的区域。因此，可以有效地生产新的球状钛颗粒。例如，由于控制热区和冷却处理参数的能力，本发明的技术允许操作者在球状颗粒内产生多个区域。图8显示这样的实施方案。该图说明具有两个不同区域的球状颗粒。外部或壳区域715和内部核710。用于该颗粒的原始钛进料材料是纯钛α相粉末。在使得仅颗粒的表面部分熔化的条件(温度、停留时间等)下将进料材料暴露于等离子体，使得可以发生球化。所施加的冷却速率允许壳区域转变以转变成β相，留下核保持α相。

在另一个未显示的实施方案中，可以熔化整个原料颗粒，并且可以选择并应用冷却参数以产生具有与原料材料相同的相(例如，保持α相)或转变成新相或相的混合物的晶体结构。类似地，可以选择并应用冷却处理参数以产生在整个颗粒中具有相同微观结构或在两个或更多个区域(例如，壳区域、核区域)中具有各种微观结构的球状颗粒。

在描述示例性实施方案时，为了清楚起见并且在一些情况下参考附图，使用了特定术语。为了描述的目的，每个特定术语旨在至少包括以类似方式操作以完成类似目的所有技术和功能等同物。另外，在特定示例性实施方案包括多个系统元件、装置部件或方法步骤的一些情况下，那些元件、部件或步骤可以用单个元件、部件或步骤来代替。同样，单个元件、部件或步骤可以用服务于相同目的多个元件、部件或步骤来替换。此外，尽管已经参考其特定实施方案显示和描述了示例性实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种替代和更改。再进一步，其它功能和优点也在本发明的范围内。