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JP7571181B2 - High quality spherical powder for additive manufacturing processes and method for forming same - Google Patents

High quality spherical powder for additive manufacturing processes and method for forming same Download PDF

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JP7571181B2 JP2023045898A JP2023045898A JP7571181B2 JP 7571181 B2 JP7571181 B2 JP 7571181B2 JP 2023045898 A JP2023045898 A JP 2023045898A JP 2023045898 A JP2023045898 A JP 2023045898A JP 7571181 B2 JP7571181 B2 JP 7571181B2
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Description

優先権の情報
本出願は、参照により本明細書に取り込まれる、2017年8月30日に出願された「High Quality Spherical Powders for Additive Manufacturing Processes Along with Methods of Their Formation」と題する米国特許仮出願第62/551,981号に基づく優先権を主張するものである。
PRIORITY INFORMATION This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/551,981, entitled "High Quality Spherical Powders for Additive Manufacturing Processes Along with Methods of Their Formation," filed August 30, 2017, which is incorporated herein by reference.

本発明は、一般に金属粉末フィードストックから高品質球状粉末を形成するシステム及び方法に関する。高品質球状粉末は、物体又はパーツの付加製造に特に適している。 The present invention generally relates to a system and method for forming high quality spherical powder from a metal powder feedstock, the high quality spherical powder being particularly suitable for additive manufacturing of objects or parts.

付加製造プロセスは、除去製造法とは対照的に、一般に1又は複数の材料を蓄積させてネットシェイプ又はニアネットシェイプ(NNS)物体を作製することを含む。「付加製造」は工業標準用語であるが、自由形状造形、3D印刷、ラピッドプロトタイピング/ツーリング等を含む種々の付加製造用語で知られる種々の製造及びプロトタイピング技術を包含する。付加製造技術により、多種多様な材料から複雑なコンポーネントを作製することが可能である。一般に、自立型物体はコンピュータ支援設計(CAD)モデルから作製することができる。 Additive manufacturing processes, as opposed to subtractive manufacturing methods, generally involve the accumulation of one or more materials to create a net-shape or near-net-shape (NNS) object. "Additive manufacturing" is an industry standard term, but encompasses a variety of manufacturing and prototyping techniques known under various additive manufacturing terms, including freeform fabrication, 3D printing, rapid prototyping/tooling, etc. Additive manufacturing techniques allow the creation of complex components from a wide variety of materials. Generally, freestanding objects can be created from computer-aided design (CAD) models.

特定のタイプの付加製造プロセスでは、エネルギービーム、例えば電子ビーム又はレーザービーム等の電磁放射線を用いて粉末材料を焼結又は溶融し、粉末材料の粒子同士が接合された固体3次元物体を作製する。異なる材料系、例えばエンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー、金属、及びセラミックが用いられる。レーザー焼結又は溶融は、機能プロトタイプ及びツールの高速作製を行うための注目すべき付加製造プロセスでもある。用途としては、インベストメント鋳造用のパターン、射出成形及びダイキャスティング用の金属モールド、並びにサンドキャスティング用のモールド及びコアが含まれる。設計サイクルにおけるコミュニケーションを促進するためのプロトタイプ物体の作製及びコンセプトの検証が付加製造プロセスの他の一般的用途である。 In a particular type of additive manufacturing process, an energy beam, e.g., electromagnetic radiation such as an electron beam or a laser beam, is used to sinter or melt powder materials to create solid three-dimensional objects in which the particles of the powder material are bonded together. Different material systems are used, e.g., engineering plastics, thermoplastic elastomers, metals, and ceramics. Laser sintering or melting is also a notable additive manufacturing process for the rapid creation of functional prototypes and tools. Applications include patterns for investment casting, metal molds for injection molding and die casting, and molds and cores for sand casting. The creation of prototype objects and proof of concept to facilitate communication in the design cycle are other common applications of additive manufacturing processes.

レーザー焼結は、レーザービームを用いた微細粉末の焼結又は溶融による3次元(3D)物体の製造を指すのに用いられる一般的な工業用語である。より正確には、焼結は、粉末材料の融点未満の温度で粉末の粒子を融合させる(塊にする)ものであり、溶融は、粉末の粒子を完全に溶融させて固体の均質な塊を形成するものである。レーザー焼結又はレーザー溶融に関連する物理的プロセスには、粉末材料への熱移動とそれに続く粉末材料の焼結又は溶融が含まれる。 Laser sintering is a common industrial term used to refer to the production of three-dimensional (3D) objects by sintering or melting fine powder with a laser beam. More precisely, sintering is the fusing (agglomerating) of powder particles at temperatures below the melting point of the powder material, while melting is the complete melting of the powder particles to form a solid homogenous mass. The physical processes involved in laser sintering or laser melting include the transfer of heat to the powder material followed by sintering or melting of the powder material.

このプロセスでは、粉末材料の物理的及び化学的特性が、得られる物体の品質に影響を与えることがある。すなわち、付加製造により構築されたコンポーネントの性質は金属粉末そのものに依存し、粉末の品質が高いほど(例えば、より緻密で、より純粋で、より球形に近いほど)ふるまいが予測しやすくなり、その結果より良好なパーツが得られる。したがって、付加製造技術から形成されるコンポーネントには、とりわけガスタービン用及び/又は医療インプラント若しくは装置用のコンポーネントの製造に使用する場合に、高品質な球状粉末が求められる。 In this process, the physical and chemical properties of the powder material can affect the quality of the resulting object; that is, the properties of components built by additive manufacturing depend on the metal powder itself, and the higher the quality of the powder (e.g., denser, purer, more spherical), the more predictable the behavior and, consequently, the better the part. Therefore, components formed from additive manufacturing techniques require high-quality spherical powders, especially when used to manufacture components for gas turbines and/or medical implants or devices.

金属源からの粉末作製方法には、(水素化物/二水素化物法、ボールミリング法、回転電極法、プラズマアトマイズ法のような他の技術も存在するが)ガスアトマイズ法及び水
アトマイズ法が主に含まれる。一般に、ガスアトマイズ法ではより球状に近く形状の揃った粒子が得られる一方、水アトマイズ法では不規則形状の粒子が得られる。更に、水中に酸素が存在するため、水アトマイズ法により形成された粒子の外側には酸化層が形成されることがある。今日では、水アトマイズ法から形成された粉末よりもガスアトマイズ法からの粉末の方が付加製造に好ましく、その理由はガスアトマイズ法から形成された粉末は形状がより規則的であり(例えば、より球状に近い)、粉末上に限られた酸化層しか存在しないためである。
Powder fabrication methods from metal sources mainly include gas atomization and water atomization (although other techniques such as hydride/dihydride, ball milling, rotating electrode, and plasma atomization exist). In general, gas atomization produces more spherical and uniform particles, while water atomization produces irregularly shaped particles. Furthermore, due to the presence of oxygen in water, particles formed by water atomization may develop an oxide layer on the outside. Today, gas atomized powders are preferred for additive manufacturing over water atomized powders because gas atomized powders are more regular in shape (e.g., more spherical) and have a limited oxide layer on the powder.

しかしながら、ガスアトマイズ法から形成される粉末は、水アトマイズ粉末よりも製造にずっと費用がかかる。従って、ガスアトマイズ粉末から形成されたコンポーネントはコストが高い。このため、粉末材料の物理的及び化学的特性の制御を維持しつつ、付加製造に多用化するために高品質粉末のコストを低減させることが求められている。 However, powders formed from gas atomization are much more expensive to produce than water atomized powders. Thus, components formed from gas atomized powders are expensive. This creates a need to reduce the cost of high quality powders for diversification in additive manufacturing while maintaining control over the physical and chemical properties of the powder material.

態様及び利点が下記記載において部分的に示されるか、本明細書から明白であり得るか、或いは本発明の実施により理解され得る。 Aspects and advantages are set forth in part in the description that follows, or may be obvious from the specification, or may be learned by practice of the invention.

一般に不規則形状を有するフィードストック粒子のフィードストック粉末から高品質粉末を形成する方法が提供される。ある実施形態では、当該方法は、フィードストック粉末をプラズマ場に曝し、フィードストック粒子よりも球形に近い形状を有する処理粒子の処理粉末を形成することを含む。プラズマ場に曝される前、フィードストック粒子は水に曝されていた結果として粒子上に酸化層を有している。プラズマ場に曝された後、処理粒子には実質的に酸化層が存在しない。 A method is provided for forming a high quality powder from a feedstock powder, the feedstock particles generally having irregular shapes. In one embodiment, the method includes exposing the feedstock powder to a plasma field to form a treated powder of treated particles having a shape that is more nearly spherical than the feedstock particles. Prior to exposure to the plasma field, the feedstock particles have an oxide layer on the particles as a result of exposure to water. After exposure to the plasma field, the treated particles are substantially free of the oxide layer.

ある実施形態では、フィードストック粉末は、水アトマイズ法、機械的粉砕若しくは細砕、ガスアトマイズ法、及び/又はプラズマアトマイズ法から形成されてもよい。例えば、フィードストック粒子上の酸化層は、フィードストック粒子を形成した水アトマイズプロセス中に水に曝されていた結果物であってもよいし、機械的細砕中に空気中の水蒸気に曝されていた結果物であってもよい。 In some embodiments, the feedstock powder may be formed from water atomization, mechanical milling or grinding, gas atomization, and/or plasma atomization. For example, the oxide layer on the feedstock particles may be the result of exposure to water during the water atomization process that formed the feedstock particles, or exposure to water vapor in the air during mechanical grinding.

フィードストック粉末をプラズマ場に曝すために、上記方法は、フィードストック粉末を、フィードストック粒子の表面が溶融及び/又は蒸発してより球形に近い形状を形成するように、プラズマ場に導入することを含んでいてもよい。 To expose the feedstock powder to the plasma field, the method may include introducing the feedstock powder into the plasma field such that the surfaces of the feedstock particles melt and/or vaporize to form a more spherical shape.

特定の実施形態では、プラズマ場は、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物など、フィードストック粒子上の酸化層と反応する還元性成分を含む。 In certain embodiments, the plasma field includes a reducing component, such as hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof, that reacts with the oxide layer on the feedstock particles.

このような方法により、処理粒子は、フィードストック粒子の平均粒子サイズ未満の平均粒子サイズを有し得る。例えば、処理粒子は、フィードストック粒子の平均粒子サイズの約10%~約90%の平均粒子サイズを有していてもよい。 In such a manner, the treated particles may have an average particle size that is less than the average particle size of the feedstock particles. For example, the treated particles may have an average particle size that is about 10% to about 90% of the average particle size of the feedstock particles.

フィードストック粒子は、純金属、鉄合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、ニッケル系超合金、鉄系超合金、コバルト系超合金、又はこれらの混合物などの金属材料から形成されていてもよい。ある実施形態では、プラズマ場内で、炭素などの粒子合金化元素(particles an alloying element)がフィードストック粒子と混合されてもよい。 The feedstock particles may be formed from metallic materials such as pure metals, iron alloys, aluminum alloys, nickel alloys, chromium alloys, nickel-based superalloys, iron-based superalloys, cobalt-based superalloys, or mixtures thereof. In some embodiments, particles an alloying element such as carbon may be mixed with the feedstock particles in the plasma field.

ある実施形態では、高品質粉末を形成する方法は:フィードストック粉末を水アトマイ
ズ法によって形成すること、ここで、フィードストック粉末は不規則形状を有するフィードストック粒子を含み、フィードストック粒子は粒子上に酸化層を有する;及び、その後、フィードストック粉末をプラズマ場に曝し、フィードストック粒子の表面を溶融及び/又は蒸発させて、これにより、フィードストック粒子よりも球形に近い形状を有する処理粒子の処理粉末を形成すること、を含んでいてもよい。プラズマ場は、処理粒子に酸化層が実質的に存在しないように、フィードストック粒子上の酸化層と反応する還元性成分(例えば、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物)を含んでいてもよい。ある特定の実施形態では、処理粒子は、フィードストック粒子の平均粒子サイズ未満の平均粒子サイズを有する。
In some embodiments, a method of forming a high quality powder may include: forming a feedstock powder by water atomization, where the feedstock powder includes feedstock particles having an irregular shape, the feedstock particles having an oxide layer thereon; and then exposing the feedstock powder to a plasma field to melt and/or vaporize the surfaces of the feedstock particles, thereby forming a treated powder of treated particles having a shape that is more spherical than the feedstock particles. The plasma field may include a reducing component (e.g., hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof) that reacts with the oxide layer on the feedstock particles such that the treated particles are substantially free of the oxide layer. In some embodiments, the treated particles have an average particle size that is less than the average particle size of the feedstock particles.

上記処理粒子を含む処理粉末はまた、処理粉末からコンポーネントを付加製造する方法と共に本明細書において一般に提供される。 A treated powder comprising the treated particles is also generally provided herein, along with a method for additively manufacturing a component from the treated powder.

これらの及び他の特徴、態様、並びに利点は、下記記載及び添付の特許請求の範囲を参照することにより更に理解が深まるであろう。本明細書に取り込まれ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示すものであり、本明細書と共に本発明のある特定の原理を説明する役割を有する。 These and other features, aspects, and advantages will become better understood with reference to the following description and appended claims. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain certain principles of the invention.

当業者に対する、本発明の最良の形態を含む充分かつ実施可能な程度の開示を添付の図面を参照して以下に示す。 A full and enabling disclosure of the present invention, including the best mode thereof, to one of ordinary skill in the art is set forth below with reference to the accompanying drawings.

図1は、粉末材料の性質を改良し付加製造法により適したものにし得る例示的な粉末材料のプラズマ球状化装置を示す。FIG. 1 illustrates an exemplary powder material plasma spheronization apparatus that can improve the properties of the powder material and make it more suitable for additive manufacturing processes.

図2Aは、実施例に係る例示的なフィードストック粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。FIG. 2A is a scanning electron microscope (SEM) image of an exemplary feedstock powder according to an embodiment.

図2Bは、図2Aの例示的なフィードストック粉末の拡大SEM画像である。FIG. 2B is a magnified SEM image of the exemplary feedstock powder of FIG. 2A.

図3Aは、実施例に係る、図2A及び図2Bに示す洗浄前フィードストック粉末から形成された、例示的な球状化粉末のSEM画像である。FIG. 3A is a SEM image of an exemplary spheroidized powder formed from the pre-washed feedstock powder shown in FIGS. 2A and 2B, according to an embodiment.

図3Bは、図3Aの例示的な球状化粉末の拡大SEM画像である。FIG. 3B is a magnified SEM image of the exemplary spheroidized powder of FIG. 3A.

図4Aは、実施例に係る、図3A及び図3Bに示す例示的な球状化粉末の洗浄後のSEM画像である。FIG. 4A is a SEM image of the exemplary spheroidized powder shown in FIGS. 3A and 3B after washing, in accordance with an embodiment.

図4Bは、図4Aの例示的な洗浄後球状化粉末の拡大SEM画像である。FIG. 4B is a magnified SEM image of the exemplary washed spheroidized powder of FIG. 4A.

本明細書及び図面において繰り返し用いられる符号は、本発明における同様の又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。 Repeated use of reference numbers in the present specification and drawings is intended to represent like or similar features or elements of the present invention.

以下、本発明の実施形態をより具体的に説明する。それらのうち1又は複数の例を図面に示すが、各例は本発明を説明するための手段として示されるものであり、本発明を限定するものではない。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は趣旨から逸脱しない限りにおいて、本発明を種々改変及び変更することができることは明らかである。例えば、ある実施形態の一部として示される又は記載される特徴を別の実施形態と一緒に用いて、更に別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、そのような改変及び変更を
、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に含まれるものとして包含することを意図している。
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in more detail. One or more examples of the present invention will be illustrated in the drawings, each of which is presented as a means of explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention. In fact, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the scope or spirit of the present invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment can be used with another embodiment to obtain yet a further embodiment. It is therefore intended that the present invention encompass such modifications and variations as fall within the scope of the appended claims and their equivalents.

本明細書に記載の「第一の」、「第二の」、及び「第三の」との用語は、あるコンポーネントを別のコンポーネントと区別するために用いられ得る互いに置き換え可能な用語であり、個々のコンポーネントの位置又は重要性を示すことを意図するものではない。 The terms "first," "second," and "third" used herein are interchangeable terms that may be used to distinguish one component from another and are not intended to denote the location or importance of the individual components.

「上流」及び「下流」との用語は、流体経路における流体流に対する相対的方向を意味する。例えば、「上流」とは流体流が流れて来る方向を意味し、「下流」とは流体流が流れて行く方向を意味する。 The terms "upstream" and "downstream" refer to directions relative to fluid flow in a fluid pathway. For example, "upstream" refers to the direction from which the fluid flow is coming, and "downstream" refers to the direction to which the fluid flow is going.

低品質粉末源(すなわち、フィードストック粉末)から高品質粉末材料(すなわち、処理粉末)を作製するための方法が、当該方法を実施するための装置及び得られる粒子と共に一般に提供される。ある実施形態では、水アトマイズ法から形成され不規則形状を有する粉末(水アトマイズ法から形成されたものなど)がより高品質な粉末となる。ある実施形態では、処理粉末の処理粒子は、不規則で非球形の形状であり得るフィードストック粉末のフィードストック粒子よりも球形に近い形状を有することができる。更に、フィードストック粉末上に存在する任意の酸化層は、(例えば、化学的還元によって)除去することができる。ある実施形態では、処理粉末には、その表面上に実質的に酸化層が全く存在しないことがある。本明細書において、「実質的に存在しない」との用語は、無視できるほど微量に存在することを意味し、完全に存在しないことも包含する(例えば、0モル%~0.01モル%)。 Methods for producing high quality powder material (i.e., treated powder) from a low quality powder source (i.e., feedstock powder) are generally provided, along with an apparatus for carrying out the method and the resulting particles. In some embodiments, powders formed from water atomization and having irregular shapes (such as those formed from water atomization) result in higher quality powders. In some embodiments, treated particles of treated powder can have a shape closer to a sphere than feedstock particles of feedstock powder, which can have irregular, non-spherical shapes. Additionally, any oxide layer present on the feedstock powder can be removed (e.g., by chemical reduction). In some embodiments, the treated powder can be substantially free of any oxide layer on its surface. As used herein, the term "substantially absent" means present in negligible amounts, including complete absence (e.g., 0 mol % to 0.01 mol %).

ある実施形態では、処理粉末は、高品質粉末を作製するためにプラズマ球状化される(例えば、曝される)。図1に、プラズマ球状化装置10の概略図を示す。(複数のフィードストック粒子13から構成される)フィードストック粉末12は一般に、処理ガス16(物質の状態に関わらず、プラズマガスとも称される)と共にプラズマチャンバー14に導入される。プラズマ場18は、プラズマガス16をガス状態からプラズマ状態に変化させるのに充分な温度まで加熱することにより、プラズマチャンバー14内に形成してもよい。例えば、誘導コイルなどの加熱素子20がプラズマチャンバー14内に含まれていてもよい。 In one embodiment, the treatment powder is plasma spheronized (e.g., exposed) to produce a high quality powder. A schematic diagram of a plasma spheronization apparatus 10 is shown in FIG. 1. Feedstock powder 12 (comprised of a plurality of feedstock particles 13) is typically introduced into a plasma chamber 14 along with a treatment gas 16 (also referred to as a plasma gas, regardless of the state of matter). A plasma field 18 may be formed within the plasma chamber 14 by heating the plasma gas 16 to a temperature sufficient to change it from a gaseous state to a plasma state. A heating element 20, such as, for example, an induction coil, may be included within the plasma chamber 14.

上述のように、フィードストック粒子13は、プラズマチャンバー14に導入される際に不規則形状(例えば、非球形状)を有していてもよい。ある実施形態では、フィードストック粒子13は、約150マイクロメートル(μm)の最大サイズを有する。例えば、フィードストック粒子13は、約10μm~約150μm(例えば、約50μm~約100μm)の平均サイズを有していてもよい。 As discussed above, the feedstock particles 13 may have an irregular shape (e.g., non-spherical) when introduced into the plasma chamber 14. In some embodiments, the feedstock particles 13 have a maximum size of about 150 micrometers (μm). For example, the feedstock particles 13 may have an average size of about 10 μm to about 150 μm (e.g., about 50 μm to about 100 μm).

一般に、フィードストック粉末12は任意の金属材料であってもよい。ある実施形態では、金属材料は、純金属、鉄合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、鉄系超合金、又はこれらの混合物を含んでいてもよいが、これらに限定されない。特定の実施形態では、プラズマガス16に曝す前又は曝している間に、合金化元素をフィードストック粉末12と混合してもよい。このようにして、得られる処理粉末の化学組成を調節してもよい。例えば、ある特定の実施形態では、プラズマ場内で、炭素粒子をフィードストック粒子と混合してもよい。 In general, the feedstock powder 12 may be any metallic material. In certain embodiments, the metallic material may include, but is not limited to, a pure metal, an iron alloy, an aluminum alloy, a nickel alloy, a chromium alloy, a nickel-based superalloy, a cobalt-based superalloy, an iron-based superalloy, or mixtures thereof. In certain embodiments, alloying elements may be mixed with the feedstock powder 12 prior to or during exposure to the plasma gas 16. In this manner, the chemical composition of the resulting treated powder may be adjusted. For example, in certain embodiments, carbon particles may be mixed with the feedstock particles within the plasma field.

フィードストック粉末12がプラズマ状態のプラズマガス16を含むプラズマ場18を進むにつれて、フィードストック粒子13の表面がプラズマ場18を含む溶融ゾーン22内で溶融又は蒸発する。しかしながら、フィードストック粒子13が完全に溶融及び/又は蒸発するわけではなく、寧ろフィードストック粒子13の表面が溶融/軟化して、より
小さくなりながらより規則的な形状(例えば、より球形に近い形状)に変わっていくものと考えられる;但し、いかなる特定の理論によって拘束されるものではない。このように、フィードストック粒子13の表面が少なくとも部分的に溶融ゾーン22内で溶融/軟化する。
As the feedstock powder 12 travels through the plasma field 18, which contains the plasma gas 16 in a plasma state, the surfaces of the feedstock particles 13 melt or vaporize within the melting zone 22, which contains the plasma field 18. However, it is believed that the feedstock particles 13 do not completely melt and/or vaporize, but rather that the surfaces of the feedstock particles 13 melt/soften and change into smaller and more regular shapes (e.g., more spherical shapes); without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the surfaces of the feedstock particles 13 thus melt/soften at least partially within the melting zone 22.

ある実施形態では、処理ガス16(すなわち、プラズマガス)は、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物などの還元性ガスを含む。還元性ガスは、フィードストック粒子13の表面の、酸化クロム、酸化鉄等の形態であり得る任意の酸化層と反応することが可能である。還元性ガスは、得られる処理粉末24(複数の処理粒子25の形態)の粒子上に酸化層が実質的に存在しないように、酸化物と反応してそれを粒子表面から除去することが可能である。このように、ある特定の実施形態では、還元性成分は、得られる処理粒子上に実質的に酸化層が存在しないように、フィードストック粒子の表面上の任意の酸化層を還元する。 In certain embodiments, the treatment gas 16 (i.e., plasma gas) comprises a reducing gas, such as hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof. The reducing gas can react with any oxide layer, which may be in the form of chromium oxide, iron oxide, etc., on the surface of the feedstock particles 13. The reducing gas can react with and remove the oxide from the particle surface, such that substantially no oxide layer is present on the particles of the resulting treated powder 24 (in the form of a plurality of treated particles 25). Thus, in certain embodiments, the reducing component reduces any oxide layer on the surface of the feedstock particles, such that substantially no oxide layer is present on the resulting treated particles.

プラズマ球状化プロセスにより、フィードストック粒子13のサイズを、得られる処理粒子25がフィードストック粒子13の平均粒子サイズ未満の平均粒子サイズを有するように、小さくすることができる。ある実施形態では、得られる処理粒子25は、フィードストック粒子13の平均粒子サイズの約10%~約90%の平均粒子サイズを有する。ある特定の実施形態では、処理粒子25は、約150μmの最大サイズ(例えば、約10μm~約150μmの平均サイズ)を有する。特定の実施形態では、処理粒子25は、約50μmの最大サイズ(例えば、約10μm~約50μmの平均サイズ)を有する。 The plasma spheronization process can reduce the size of the feedstock particles 13 such that the resulting treated particles 25 have an average particle size that is less than the average particle size of the feedstock particles 13. In some embodiments, the resulting treated particles 25 have an average particle size that is about 10% to about 90% of the average particle size of the feedstock particles 13. In some particular embodiments, the treated particles 25 have a maximum size of about 150 μm (e.g., an average size of about 10 μm to about 150 μm). In some particular embodiments, the treated particles 25 have a maximum size of about 50 μm (e.g., an average size of about 10 μm to about 50 μm).

このような技術は粉末を再コンディショニングするのに用いることもできる。 Such techniques can also be used to recondition powders.

上記のように、フィードストック粉末12のプラズマ球状化によりフィードストック粉末12の性質が改良され、改良粉末材料(すなわち、処理粉末24)は付加製造法に更に適したものとなり得る。本明細書において、「付加製造される」或いは「付加製造技術又はプロセス」という用語は、材料の層がそれぞれの上に連続的に提供されて、3次元コンポーネントを1層ごとに「積層造形」することを一般に指す。連続的な層は通常相互に融合して、種々の一体サブコンポーネントを有することができるモノリシックコンポーネントを形成する。本明細書において、付加製造技術を、ポイントごとに、又は層ごとに、典型的には垂直方向に物体を造形することにより、複雑な物体の製造を可能とするように記載したが、他の製造方法も可能であって、かつ本主題の範囲内である。例えば、本明細書における考察は材料の付加による連続的な層の形成に関するが、当業者であれば、いかなる付加製造法又は製造技術を用いて本明細書に開示の方法及び構造を実施してもよいことが理解される。例えば、本発明の実施形態では、層付加プロセス、層除去プロセス、又はハイブリッドプロセスを用いてもよい。 As described above, plasma spheroidization of the feedstock powder 12 improves the properties of the feedstock powder 12, and the improved powder material (i.e., treated powder 24) may be more suitable for additive manufacturing. As used herein, the term "additively manufactured" or "additive manufacturing technique or process" generally refers to the layer-by-layer "additive manufacturing" of a three-dimensional component, in which layers of material are provided successively on top of each other. Successive layers typically fuse together to form a monolithic component that may have various integral subcomponents. Although additive manufacturing techniques have been described herein as enabling the manufacture of complex objects by building objects point-by-point or layer-by-layer, typically in a vertical direction, other manufacturing methods are possible and are within the scope of the present subject matter. For example, while the discussion herein relates to the formation of successive layers by the addition of material, one of ordinary skill in the art will understand that any additive manufacturing method or technique may be used to implement the methods and structures disclosed herein. For example, embodiments of the present invention may use a layer-additive process, a layer-removal process, or a hybrid process.

本開示に従う適切な付加製造法には、例えば、熱溶解積層法(FDM)、選択的レーザー焼結(SLS)、インクジェット、レーザージェット、及びバインダージェットなどによる3D印刷、ステレオリソグラフィー(SLA)、直接選択的レーザー焼結(DSLS)、電子ビーム焼結(EBS)、電子ビーム溶融(EBM)、レーザー加工ネットシェイピング(LENS)、レーザーネットシェイプ製造(LNSM)、直接金属堆積(DMD)、デジタルライトプロセス(DLP)、直接選択的レーザー溶融(DSLM)、選択的レーザー溶融(SLM)、直接金属レーザー溶融(DMLM)、及び他の既知のプロセスが含まれる。 Suitable additive manufacturing methods according to the present disclosure include, for example, fused deposition modeling (FDM), selective laser sintering (SLS), 3D printing such as inkjet, laser jet, and binder jet, stereolithography (SLA), direct selective laser sintering (DSLS), electron beam sintering (EBS), electron beam melting (EBM), laser engineered net shaping (LENS), laser net shape manufacturing (LNSM), direct metal deposition (DMD), digital light process (DLP), direct selective laser melting (DSLM), selective laser melting (SLM), direct metal laser melting (DMLM), and other known processes.

本明細書に記載の付加製造プロセスは、任意の適切な材料を用いるコンポーネントの形成に使用することが可能である。例えば、材料は、プラスチック、金属、コンクリート、セラミック、ポリマー、エポキシ、フォトポリマー樹脂、又は固体、液体、粉末、シート
材料、ワイヤ又は他の任意の適切な形態であり得る他の任意の適切な材料、或いはこれらの組み合わせであってもよい。より具体的には、本主題の例示的な実施形態によれば、本明細書に記載の付加製造されるコンポーネントは、これらに限るものではないが、純金属、鉄合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、及びニッケル系、鉄系、又はコバルト系の超合金(例えば、Special Metals Corporation社から商品名Inconel(登録商標)として入手可能)を含む材料で、部分的又は全体として、或いはその何らかの組み合わせで形成してもよい。これらの材料は、本明細書に記載の付加製造プロセスでの使用に適する材料の例であり、一般に「付加材料」と称されることがある。
The additive manufacturing processes described herein can be used to form components using any suitable material. For example, the material may be plastic, metal, concrete, ceramic, polymer, epoxy, photopolymer resin, or any other suitable material that may be in a solid, liquid, powder, sheet material, wire, or any other suitable form, or combinations thereof. More specifically, according to exemplary embodiments of the present subject matter, the additively manufactured components described herein may be formed partially or entirely from materials including, but not limited to, pure metals, iron alloys, aluminum alloys, nickel alloys, chromium alloys, and nickel-, iron-, or cobalt-based superalloys (e.g., available under the trade name Inconel® from Special Metals Corporation), or in any combination thereof. These materials are examples of materials suitable for use in the additive manufacturing processes described herein and may be generally referred to as "additive materials."

また、種々の材料及びこれらの材料を接合する方法が使用可能であり、かつ本開示の範囲内にあると考え得ることを当業者は理解するであろう。本明細書において、「融合する(fusing)」ということは、上記材料の任意のものの接合層を作製するための任意の適切なプロセスを指すことが可能である。例えば、物体がポリマーから作製される場合、融合とはポリマー材料間の熱硬化性結合を形成することを指すことが可能である。物体がエポキシの場合、架橋プロセスによって接合が形成されてもよい。材料がセラミックの場合、焼結プロセスによって接合が形成されてもよい。材料が粉末金属の場合、溶融又は焼結プロセスによって接合が形成されてもよい。当業者であれば、付加製造によってコンポーネントを作製するために他の材料融合方法が可能であり、本開示の主題はこれらの方法により実行可能であることを理解するであろう。 Those skilled in the art will also appreciate that a variety of materials and methods of joining these materials may be used and are considered within the scope of the present disclosure. As used herein, "fusing" may refer to any suitable process for creating a bonded layer of any of the above materials. For example, if the object is made of a polymer, fusing may refer to forming a thermosetting bond between the polymeric materials. If the object is an epoxy, the bond may be created by a crosslinking process. If the material is a ceramic, the bond may be created by a sintering process. If the material is a powder metal, the bond may be created by a melting or sintering process. Those skilled in the art will appreciate that other methods of fusing materials are possible for creating components by additive manufacturing and the subject matter of the present disclosure may be practiced by these methods.

また、本明細書に記載の付加製造プロセスは、複数の材料から単一のコンポーネントを形成することを可能とする。したがって、本明細書に記載のコンポーネントは上記材料の任意の適切な混合物から形成されてもよい。例えば、コンポーネントは、異なる材料、プロセス、及び/又は異なる付加製造装置を用いて形成される、複数の層、セグメント、又はパーツを含んでいてもよい。このようにして、任意の特定の用途の要求に応じるための、異なる材料及び材料特性を有するコンポーネントを構築することができる。更に、本明細書に記載のコンポーネントは付加製造プロセスによって全体が構築されるが、別の選択肢としての実施形態では、コンポーネントの全体又は一部が、鋳造、機械加工、及び/又は他の任意の適切な製造プロセスによって形成されてもよいことを理解されたい。実際に、材料及び製造方法の任意の適切な組み合わせによりコンポーネントを形成することが可能である。 Additionally, the additive manufacturing processes described herein allow for the formation of a single component from multiple materials. Thus, the components described herein may be formed from any suitable mixture of the above materials. For example, a component may include multiple layers, segments, or parts formed using different materials, processes, and/or different additive manufacturing equipment. In this manner, components may be constructed having different materials and material properties to meet the needs of any particular application. Additionally, while the components described herein are constructed entirely by additive manufacturing processes, it should be understood that in alternative embodiments, the components may be formed in whole or in part by casting, machining, and/or any other suitable manufacturing process. Indeed, components may be formed from any suitable combination of materials and manufacturing methods.

次に、例示的な付加製造プロセスについて説明する。付加製造プロセスでは、コンポーネントの3次元(3D)情報、例えば3次元コンピュータモデルを用いて、コンポーネントが製造される。したがって、コンポーネントの3次元設計モデルを製造前に画定してもよい。これに関して、コンポーネントのモデル又はプロトタイプをスキャンして、コンポーネントの3次元情報を決定してもよい。別の例として、適切なコンピュータ支援設計(CAD)プログラムを用いてコンポーネントのモデルを構築し、コンポーネントの3次元設計モデルを画定してもよい。 An exemplary additive manufacturing process is now described. In an additive manufacturing process, a component is manufactured using three-dimensional (3D) information of the component, for example a three-dimensional computer model. Thus, a three-dimensional design model of the component may be defined prior to manufacturing. In this regard, a model or prototype of the component may be scanned to determine the three-dimensional information of the component. As another example, a model of the component may be constructed using a suitable computer-aided design (CAD) program to define the three-dimensional design model of the component.

設計モデルには、コンポーネントの外表面及び内表面の両方を含む、コンポーネントの全体構成の3D数値座標が含まれ得る。例えば、設計モデルは、本体、表面、及び/又は開口部、支持構造などの内部経路を定め得る。ある例示的な実施形態では、3次元設計モデルは、例えばコンポーネントの中心軸(例えば、垂直軸)又は他の任意の適切な軸に沿った、複数の切片又はセグメントに変換される。各切片は、所定の高さの切片に対するコンポーネントの薄い断面を画定することが可能である。連続する断面切片が全体として3Dコンポーネントを形成する。次にコンポーネントは、完了するまで切片ごと又は層ごとに「積層造形」される。 The design model may include 3D numerical coordinates of the overall configuration of the component, including both the exterior and interior surfaces of the component. For example, the design model may define the body, surfaces, and/or internal pathways of openings, support structures, etc. In an example embodiment, the three-dimensional design model is converted into multiple slices or segments, for example along a central axis (e.g., vertical axis) of the component or any other suitable axis. Each slice may define a thin cross-section of the component for a slice at a given height. Successive cross-sectional slices collectively form the 3D component. The component is then "additively built" slice by slice or layer by layer until completed.

このようにして、本明細書に記載のコンポーネントが付加プロセス
を用いて製造され、より具体的には、例えばレーザーエネルギー又は熱を用いてプラスチックを融合又は重合することにより、或いは金属粉末を焼結又は溶融することにより、各層が連続的に形成される。例えば、特定のタイプの付加製造プロセスでは、例えば電子ビーム又はレーザービーム等の電磁放射線等のエネルギービームを用いて粉末材料を焼結又は溶融してもよい。任意の適切なレーザー及びレーザーパラメータを、出力、レーザービームのスポットサイズ、及び走査速度に関する事項を考慮しながら、使用してもよい。造形材料は、特に高温下での強度、耐久性、及び耐用寿命の向上のために選択された任意の適切な粉末又は材料によって形成されてもよい。
In this manner, the components described herein are manufactured using additive processes, more specifically, each layer is successively formed, for example, by fusing or polymerizing plastics with laser energy or heat, or sintering or melting metal powders. For example, certain types of additive manufacturing processes may sinter or melt powdered materials using an energy beam, for example, electromagnetic radiation, for example, an electron beam or laser beam. Any suitable laser and laser parameters may be used, taking into consideration considerations related to power, laser beam spot size, and scanning speed. The build material may be formed from any suitable powder or material selected for its strength, durability, and useful life, especially at elevated temperatures.

各連続層は、例えば約10μm~200μmであってよいが、厚さは種々のパラメータに基づいて選択することが可能であり、別の選択肢としての実施形態によれば任意の適切なサイズであってもよい。したがって、上述の付加形成法を用いることで、本明細書に記載のコンポーネントは、付加形成プロセス中に利用される関連する粉末層の1層の厚さ分、例えば10μm程度に薄い断面を有していてもよい。 Each successive layer may be, for example, about 10 μm to 200 μm, although the thickness may be selected based on various parameters and may be any suitable size according to alternative embodiments. Thus, using the additive forming methods described herein, the components described herein may have a cross-section that is as thin as one layer thickness of the associated powder layer utilized during the additive forming process, for example, on the order of 10 μm.

更に、付加プロセスを用いることで、コンポーネントの表面仕上げ及びフィーチャを用途に応じた必要性に従い変化させることができる。例えば、表面仕上げは、付加プロセスの過程において、特にパーツ表面に対応する断面層の外面において適切なレーザースキャンパラメータ(例えば、レーザー出力、スキャン速度、レーザー集光スポットサイズなど)を選択することによって調節(例えば、より平滑に又はより粗く)することができる。例えば、レーザースキャン速度を上昇させる又は形成される溶融プールのサイズを小さくすることによってより粗い仕上げを達成することができ、レーザースキャン速度を低下させる又は形成される溶融プールのサイズの大きくすることによってより平滑な仕上げを達成することができる。また、スキャンパターン及び/又はレーザー出力を変更して選択された領域の表面仕上げを変えてもよい。 Additionally, additive processes can be used to vary the surface finish and features of a component according to application needs. For example, the surface finish can be adjusted (e.g., made smoother or rougher) during the additive process by selecting appropriate laser scanning parameters (e.g., laser power, scanning speed, laser focal spot size, etc.), particularly at the outer surface of the cross-sectional layer corresponding to the part surface. For example, a rougher finish can be achieved by increasing the laser scanning speed or decreasing the size of the melt pool formed, and a smoother finish can be achieved by decreasing the laser scanning speed or increasing the size of the melt pool formed. Additionally, the scan pattern and/or laser power can be altered to change the surface finish of selected areas.

特に、例示的な実施形態において、本明細書に記載のコンポーネントのいくつかの特徴は、製造上の制約のために以前では実現できなかった。しかし、本発明者らは、付加製造技術の今日の進歩を有利に活用して、一般的に本開示に係るコンポーネントの例示的な実施形態を開発した。本開示は、一般的にコンポーネントを形成するための付加製造の使用に限定されるものではないが、付加製造は、製造の容易さ、コストの削減、精度の向上などを含む種々の製造上の利点を提供する。 In particular, in exemplary embodiments, some features of the components described herein were not previously feasible due to manufacturing constraints. However, the inventors have advantageously leveraged current advances in additive manufacturing technology to develop exemplary embodiments of components generally consistent with the present disclosure. Although the present disclosure is not limited to the use of additive manufacturing to form components generally, additive manufacturing offers a variety of manufacturing advantages, including ease of manufacture, reduced cost, improved accuracy, and the like.

これに関して、付加製造法を利用することで、マルチパーツコンポーネントでも単一の連続金属片として形成し得て、既知の設計に比べてサブコンポーネント及び/又は接合部が少なくなり得る。付加製造によってマルチパーツコンポーネントを一体形成することは、全体の組み立てプロセスを有利に改善できる可能性がある。例えば、一体形成により、組み立てを必要とする個別パーツ点数が減り、関連する時間と全体の組み立てコストが削減される。また、例えば、漏洩、個別パーツ間の接合品質、及び全体性能に関する既存の問題点を有利に低減できる可能性がある。 In this regard, by utilizing additive manufacturing techniques, even multi-part components may be formed as a single continuous metal piece, resulting in fewer subcomponents and/or joints than known designs. Forming multi-part components integrally through additive manufacturing may advantageously improve the overall assembly process. For example, integral formation may reduce the number of individual parts that require assembly, reducing the associated time and overall assembly costs. It may also advantageously reduce existing issues related to leakage, joint quality between individual parts, and overall performance, for example.

また、上記の付加製造方法は、本明細書に記載のコンポーネントのはるかに複雑で入り組んだ形状及び輪郭を可能とする。例えば、コンポーネントは、付加製造された薄層及び独自の流体経路を一体装着フィーチャと共に含んでいてもよい。更に、付加製造プロセスにより、コンポーネントの異なる部分が異なる性能特性を示すように、異なる材料を有する単一コンポーネントを製造することも可能となる。連続的な、付加的な性質を有する製造プロセスは、これらの新規フィーチャの構築を可能とする。その結果、本明細書に記載のコンポーネントは、向上した機能性及び信頼性を有し得る。 The additive manufacturing methods described above also allow for much more complex and intricate shapes and contours for the components described herein. For example, a component may include additively manufactured thin layers and unique fluid pathways with integral attachment features. Furthermore, additive manufacturing processes also allow for the production of a single component having different materials such that different portions of the component exhibit different performance characteristics. The manufacturing process is continuous, additive in nature, allowing for the construction of these new features. As a result, the components described herein may have improved functionality and reliability.

実施例として、水アトマイズ粉末は、サイズが-325メッシュ/15ミクロンの品名316粉末のものを購入した。この水アトマイズ粉末は鉄系合金である。水アトマイズ粉末は、2.75(g/cm)の見掛け密度を有し、酸素含有量が0.164%(重量)、窒素含有量が0.047%(重量%)、水素含有量が0.001%(重量%)であることが分かった。任意の処理を行う前の水アトマイズ粉末は、表1に示す粒子サイズ分布を有することが分かった。 As an example, the water atomized powder was purchased as 316 powder with a size of -325 mesh/15 microns. The water atomized powder is an iron-based alloy. The water atomized powder was found to have an apparent density of 2.75 (g/cm 3 ) and an oxygen content of 0.164% (by weight), a nitrogen content of 0.047% (by weight), and a hydrogen content of 0.001% (by weight). The water atomized powder, prior to any processing, was found to have the particle size distribution shown in Table 1.



図2A及び図2Bは、任意の処理を行う前の水アトマイズ粉末のSEM画像を示す。ここに示されるように、水アトマイズ粉末は様々なサイズ及び形状の粒子を含む。 Figures 2A and 2B show SEM images of the water atomized powder before any processing. As can be seen, the water atomized powder contains particles of various sizes and shapes.

次に、一次ガスとしてアルゴン、二次ガスとして水素を用いて水アトマイズ粉末を球状化した。一次ガスとしてアルゴン、二次ガスとしてヘリウム及び窒素を用いて他の実験も行った。球状化の結果、粉末中により均一なサイズ及び形状の粒子が得られたことが分かった。 The water atomized powder was then spheronized using argon as the primary gas and hydrogen as the secondary gas. Other experiments were also conducted using argon as the primary gas and helium and nitrogen as the secondary gases. It was found that spheronization resulted in more uniformly sized and shaped particles in the powder.

図3A及び図3Bは、一次ガスとしてアルゴン、二次ガスとして水素を用いて球状化した後の球状化粉末の画像を示す。 Figures 3A and 3B show images of the spheroidized powder after spheroidization using argon as the primary gas and hydrogen as the secondary gas.

続いて、工業用洗浄ユニットを用いて球状化粉末を洗浄した。図4A及び図4Bは球状化粉末の画像を示す。ここに見られるように、球状化及び洗浄プロセス後の粉末は、比較的純粋(clean)で均一な粒子により構成されている。 The spheronized powder was then washed using an industrial washing unit. Figures 4A and 4B show images of the spheronized powder. As can be seen, after the spheronization and washing process, the powder is composed of relatively clean and uniform particles.

球状化粉末は、酸素含有量が0.057%(重量%)、窒素含有量が0.009%(重量%)、水素含有量が0.0007%(重量%)であることが分かった。したがって、球状化粉末では酸素、窒素、及び水素の含有量が著しく低減されていた。 The spheroidized powder was found to have an oxygen content of 0.057% (wt%), a nitrogen content of 0.009% (wt%), and a hydrogen content of 0.0007% (wt%). Thus, the oxygen, nitrogen, and hydrogen contents of the spheroidized powder were significantly reduced.

表2は、球状化及び洗浄後の粒子サイズ分布を示す。 Table 2 shows the particle size distribution after spheronization and washing.



結論として、水アトマイズ粉末の球状化が奏功し、不規則形状及び高酸素含有量という主要な課題を両方とも解決した。 In conclusion, the spheroidization of water-atomized powder was successful, resolving both of the major challenges of irregular shape and high oxygen content.

この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するための、また当業者に任意のデバイス又はシステムの作製と使用、及び組み込まれた任意の方法の遂行を含む、本発明の実行を可能とさせるための、実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例も含み得る。そのような他の実施例は、もしそれらが請求項の文字通りの言葉に違わない構造要素を有する場合、又は請求項の文字通りの言葉からあまり差異のない、等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
[付記]
<1>
不規則形状を有するフィードストック粒子のフィードストック粉末から高品質粉末を形成する方法であって:
フィードストック粉末をプラズマ場に曝し、フィードストック粒子よりも球形に近い形状を有する処理粒子の処理粉末を形成すること、を含み、
前記フィードストック粒子は水に曝されていた結果として前記粒子上に酸化層を有し、前記処理粒子には実質的に酸化層が存在しない、
方法。
<2>
前記フィードストック粉末は、水アトマイズ法、機械的粉砕若しくは細砕、ガスアトマイズ法、及び/又はプラズマアトマイズ法から形成される、<1>に記載の方法。
<3>
前記フィードストック粒子上の前記酸化層は、前記フィードストック粒子を形成した水アトマイズプロセス中に水に曝されていた結果物である、<1>に記載の方法。
<4>
前記フィードストック粉末を前記プラズマ場に曝すことは、前記フィードストック粉末を、前記フィードストック粒子の表面が少なくとも部分的に溶融又は蒸発してより球形に近い形状を形成するように、前記プラズマ場に導入すること、
を含む、<1>に記載の方法。
<5>
前記プラズマ場は、前記フィードストック粒子上の前記酸化層と反応する還元性成分を含む、<4>に記載の方法。
<6>
前記還元性成分は、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物を含む、<5>に記載の方
法。
<7>
前記フィードストック粒子は、約150μmの最大サイズを有する、<1>に記載の方法。
<8>
前記フィードストック粒子は、約10μm~約150μmの平均サイズを有する、<7>に記載の方法。
<9>
前記フィードストック粒子は、約50μm~約100μmの平均サイズを有する、<8>に記載の方法。
<10>
前記処理粒子は、前記フィードストック粒子の平均粒子サイズ未満の平均粒子サイズを有する、<1>に記載の方法。
<11>
前記処理粒子は、前記フィードストック粒子の平均粒子サイズの約10%~約90%の平均粒子サイズを有する、<1>に記載の方法。
<12>
前記フィードストック粒子は、金属材料を含む、<1>に記載の方法。
<13>
前記金属材料は、純金属、鉄合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、ニッケル系超合金、鉄系超合金、コバルト系超合金、又はこれらの混合物を含む、<12>に記載の方法。
<14>
前記プラズマ場内で、炭素粒子が前記フィードストック粒子と混合される、<1>に記載の方法。
<15>
<1>に記載の方法から形成された前記処理粒子を含む処理粉末。
<16>
<15>に記載の処理粉末からコンポーネントを付加製造する方法。
<17>
高品質粉末を形成する方法であって:
フィードストック粉末を水アトマイズ法によって形成すること、ここで、前記フィードストック粉末は不規則形状を有するフィードストック粒子を含み、前記フィードストック粒子は前記粒子上に酸化層を有する;及び、
その後、前記フィードストック粉末をプラズマ場に曝し、前記フィードストック粒子の表面を少なくとも部分的に溶融又は蒸発させて、これにより、前記フィードストック粒子よりも球形に近い形状を有する処理粒子の処理粉末を形成すること、
を含み、
前記プラズマ場は、前記処理粒子に酸化層が実質的に存在しないように、前記フィードストック粒子上の前記酸化層と反応する還元性成分を含む、
方法。
<18>
前記還元性成分は、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物を含む、<17>に記載の方法。
<19>
前記処理粒子は、前記フィードストック粒子の平均粒子サイズ未満の平均粒子サイズを有する、<17>に記載の方法。
<20>
前記フィードストック粒子は金属材料を含み、前記プラズマ場内で、炭素粒子が前記フィードストック粒子と混合される、<1>に記載の方法。
This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including making and using any devices or systems, and performing any methods incorporated therein. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the literal words of the claims, or if they include equivalent structural elements that differ insignificantly from the literal words of the claims.
[Additional Notes]
<1>
1. A method for forming a high quality powder from a feedstock powder of feedstock particles having irregular shapes, comprising:
exposing the feedstock powder to a plasma field to form a treated powder of treated particles having a shape that is more nearly spherical than the feedstock particles;
the feedstock particles have an oxide layer thereon as a result of exposure to water, and the treated particles are substantially free of an oxide layer;
method.
<2>
The method according to claim 1, wherein the feedstock powder is formed by water atomization, mechanical grinding or pulverization, gas atomization, and/or plasma atomization.
<3>
2. The method of claim 1, wherein the oxide layer on the feedstock particles is the result of exposure to water during a water atomization process that formed the feedstock particles.
<4>
exposing the feedstock powder to the plasma field includes introducing the feedstock powder into the plasma field such that surfaces of the feedstock particles at least partially melt or vaporize to form a more spherical shape;
The method according to <1>, comprising:
<5>
The method according to claim 4, wherein the plasma field contains a reducing component that reacts with the oxide layer on the feedstock particles.
<6>
The method according to <5>, wherein the reducing component comprises hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof.
<7>
The method according to <1>, wherein the feedstock particles have a maximum size of about 150 μm.
<8>
The method according to <7>, wherein the feedstock particles have an average size of about 10 μm to about 150 μm.
<9>
The method according to <8>, wherein the feedstock particles have an average size of about 50 μm to about 100 μm.
<10>
The method according to <1>, wherein the treated particles have an average particle size less than the average particle size of the feedstock particles.
<11>
The method according to <1>, wherein the treated particles have an average particle size that is about 10% to about 90% of the average particle size of the feedstock particles.
<12>
The method according to <1>, wherein the feedstock particles include a metal material.
<13>
The method according to <12>, wherein the metallic material comprises a pure metal, an iron alloy, an aluminum alloy, a nickel alloy, a chromium alloy, a nickel-based superalloy, an iron-based superalloy, a cobalt-based superalloy, or a mixture thereof.
<14>
The method according to claim 1, wherein carbon particles are mixed with the feedstock particles in the plasma field.
<15>
A treated powder comprising the treated particles formed by the method according to <1>.
<16>
A method for additively manufacturing a component from the processed powder according to <15>.
<17>
1. A method of forming a high quality powder, comprising:
forming a feedstock powder by water atomization, wherein the feedstock powder comprises feedstock particles having irregular shapes, the feedstock particles having an oxide layer thereon; and
thereafter, exposing the feedstock powder to a plasma field to at least partially melt or vaporize surfaces of the feedstock particles, thereby forming a treated powder of treated particles having a shape that is more nearly spherical than the feedstock particles;
Including,
the plasma field includes a reducing component that reacts with the oxide layer on the feedstock particles such that the treated particles are substantially free of the oxide layer;
method.
<18>
The method according to <17>, wherein the reducing component comprises hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof.
<19>
The method according to <17>, wherein the treated particles have an average particle size less than the average particle size of the feedstock particles.
<20>
The method according to claim 1, wherein the feedstock particles include a metal material, and carbon particles are mixed with the feedstock particles in the plasma field.

Claims (11)

不規則な非球形の形状を有し粒子上に酸化層(oxidized layer)を有するフィードストック粒子のフィードストック粉末から高品質の球状化粉末を形成する方法であって:
誘導コイルを用いてプラズマチャンバー内にプラズマ場を形成すること、
前記フィードストック粒子が部分的にのみ溶融し前記フィードストック粒子の各表面が軟化して前記フィードストック粒子よりも球形に近い形状を有する処理粒子の処理粉末を形成するように、前記フィードストック粉末に前記プラズマ場を通過させること、ここで、前記プラズマ場は水に曝されていたことによる前記フィードストック粒子の表面上の前記酸化層と反応する一次ガス及び還元性ガスを含前記フィードストック粉末に前記プラズマ場を通過させることは前記フィードストック粒子から前記酸化層を除去する、並びに
前記処理粒子の処理粉末を洗浄すること、を含み、
前記処理粒子には酸素が無視できるほど微量に存在するか完全に存在せず、前記処理粒子は前記フィードストック粒子の平均粒子サイズの10%~90%の平均粒子サイズを有し、前記処理粒子には、酸素が完全に存在しないか又は酸素が0モル%を超え0.01モル%以下の量で存在する、
方法。
1. A method for forming a high quality spheroidized powder from a feedstock powder of feedstock particles having irregular, non-spherical shapes and having an oxidized layer on the particles, comprising:
forming a plasma field within a plasma chamber using an induction coil;
passing the feedstock powder through the plasma field such that the feedstock particles are only partially melted and surfaces of the feedstock particles soften to form a treated powder of treated particles having a shape that is more spherical than the feedstock particles, wherein the plasma field includes a primary gas and a reducing gas that reacts with the oxide layer on the surfaces of the feedstock particles from exposure to water, passing the feedstock powder through the plasma field removes the oxide layer from the feedstock particles, and washing the treated powder of treated particles.
The treated particles are free of oxygen in negligible amounts, the treated particles having an average particle size that is 10% to 90% of the average particle size of the feedstock particles, and the treated particles are free of oxygen or have oxygen in an amount greater than 0 mole % but not greater than 0.01 mole %.
method.
前記フィードストック粉末は、水アトマイズ法、機械的粉砕若しくは細砕、ガスアトマイズ法、及び/又はプラズマアトマイズ法から形成される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the feedstock powder is formed by water atomization, mechanical grinding or pulverization, gas atomization, and/or plasma atomization. 前記フィードストック粒子上の前記酸化層は、前記フィードストック粒子を形成した水アトマイズプロセス中に水に曝されていた結果物である、請求項1又は請求項2に記載の方法。 The method of claim 1 or claim 2, wherein the oxide layer on the feedstock particles is the result of exposure to water during a water atomization process that formed the feedstock particles. 前記フィードストック粉末前記プラズマ場を通過させることは、前記フィードストック粉末を、前記フィードストック粒子の表面が少なくとも部分的に蒸発してより球形に近い形状を形成するように、前記プラズマ場に導入すること、
を含む、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の方法。
passing the feedstock powder through the plasma field includes introducing the feedstock powder into the plasma field such that surfaces of the feedstock particles are at least partially vaporized to form a more spherical shape;
The method according to any one of claims 1 to 3, comprising:
前記還元性ガスは、水素、一酸化炭素、又はこれらの混合物を含む、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the reducing gas comprises hydrogen, carbon monoxide, or a mixture thereof. 前記フィードストック粒子は、150μmの最大サイズを有する、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の方法。 The method of any one of claims 1 to 5, wherein the feedstock particles have a maximum size of 150 μm. 前記フィードストック粒子は、10μm~150μmの平均サイズを有する、請求項6に記載の方法。 The method of claim 6, wherein the feedstock particles have an average size of 10 μm to 150 μm. 前記フィードストック粒子は、金属材料を含む、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the feedstock particles include a metal material. 前記金属材料は、純金属、鉄合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、ニッケル系超合金、鉄系超合金、コバルト系超合金、又はこれらの混合物を含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the metallic material comprises a pure metal, an iron alloy, an aluminum alloy, a nickel alloy, a chromium alloy, a nickel-based superalloy, an iron-based superalloy, a cobalt-based superalloy, or a mixture thereof. 前記プラズマ場内で、炭素粒子が前記フィードストック粒子と混合される、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の方法。 The method of any one of claims 1 to 9, wherein carbon particles are mixed with the feedstock particles in the plasma field. 請求項1~請求項10のいずれか1項に記載の方法により得られた前記洗浄後の処理粉末からコンポーネントを付加製造する方法。 A method for additively manufacturing a component from the washed treated powder obtained by the method according to any one of claims 1 to 10 .
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