产生可冷压实的金属粉末的方法与流程

本发明涉及一种通过以下来产生可冷压实的金属粉末(cold compactiblemetallic powder)的方法：将包含大金属颗粒的第一金属粉末和包含小金属颗粒的第二金属粉末组合以提供前体粉末；以及将组合的粉末冲击共混(impact blend)以使小金属颗粒附着到大颗粒，从而产生包含非球形颗粒的可冷压实的金属粉末。非球形颗粒包含作为核的一个大金属颗粒和作为从核中的突起物(protrusion)的多于一个小金属颗粒。本发明还涉及一种通过以下来产生多孔金属物品的方法：在足以使可冷压实的金属粉末固结(consolidate)的压力使可冷压实的金属粉末经历冷压实工艺。

背景技术：

0、发明背景

1、金属粉末的冷压实，包括诸如直接粉末轧制(direct powder rolling)、冷模压制(cold die pressing)、冷等静压(cold isostatic pressing)和金属注射模制(metalinjection moulding)的技术，在多种冶金制造工艺中提供了优于传统热加工技术的显著益处。这样的冷压实方法共同具有的是，在有或没有粘合剂的情况下，在低于烧结温度的温度，在压力下使金属粉末固结，以产生具有足够的结构完整性以承受经由烧结或其他技术的进一步加工的多孔金属物体(压实物)，以产生最终的金属产品。

2、冷压实技术通常需要施加相当大的压力以使金属颗粒彼此结合并且将压实物的密度增加到可接受的水平(通常大于理论密度的70%)。可能需要非常高的压力，特别是对于高屈服强度和低延展性金属和/或相对球形颗粒形态的粉末可能需要非常高的压力。粘合剂的使用可以降低固结所需的压力，但这可能是不合意的，因为可能将污染物引入到金属组合物。

3、高屈服强度的金属组合物(诸如钛、钽、铌、钒、钼、铪、锆、钨、铬、铼、镍、钴，包括其合金和金属基质复合物，和铁、锌、镁、铝和铜的某些低延展性合金)的冷压实特别具有挑战性。事实上，对于一些可商购的金属粉末原料，例如雾化的钛预合金化的粉末(atomizedtitanium pre-alloyed powder)和类似球形的高屈服强度的金属粉末，在实际可达到的压实压力，在没有粘合剂的情况下，成功的粉末固结可能是不可能的。这些问题不合意地限制了可以用于涉及冷压实工艺步骤的冶金制造工艺中的原料的范围。

4、因此，合意的是开发升级金属粉末原料的方法，该方法允许其在冷压实工艺中使用，降低在冷压实工艺中的固结所需的压力，或者改善在冷压实工艺中生产的压实物的性质(诸如强度或密度)。

5、对于产生可冷压实的金属粉末的方法和通过冷压实产生多孔金属物品的方法存在持续的需求，这些方法至少部分地解决了上文提及的缺点中的一个或更多个，或者提供了有用的替代方案。

6、本文中对作为现有技术给出的专利文件或其他事项的引用不被视为承认该文件或事项如在任何权利要求的优先权日是已知的，或者其包含的信息是公知常识的一部分。

技术实现思路

0、发明概述

1、发明人现在已经发现，通过将金属粉末与包含较小尺寸的颗粒的第二金属粉末组合并且使组合的粉末经历冲击共混工艺，可以改善该金属粉末的冷压实性质。通过选择合适的冲击共混条件，(第二金属粉末的)小颗粒附着到(第一金属粉末的)较大颗粒的表面，产生具有作为核的一个大金属颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒的非球形颗粒。

2、具有这种“核-冠(core-corona)”型形态的非球形颗粒可以在冷压实工艺中固结以形成具有期望的机械性质(例如高强度)的压实物，或者可以在与未改性的起始材料相比显著降低的压力下成功地固结以形成压实物。实际上，通过本公开内容的方法，可以将原本不适合于冷压实的某些金属粉末原料升级以成为用于无粘合剂的冷压实工艺的合意的原料。不希望受任何理论的束缚，提出了非球形颗粒的突起物促进在压实期间的颗粒连结(interlocking)并且增加在压实物中相邻颗粒之间的界面处的接触面积。因此，获得了具有优良机械性质的压实物。

3、本文公开的方法对于升级以其他方式难以冷压实的、具有高屈服强度金属组合物和/或相对球形颗粒形态的粉末是特别有用的。

4、冲击共混先前已被用于通过将小客体颗粒(guest particle)嵌入核颗粒的表面，从而产生非球形形态来使粉末改性。然而，在这样的工艺中，如例如美国专利4,915,987中描述的，核颗粒包含软的或非金属的组合物，以促进硬的客体颗粒在表面中的机械嵌入。

5、两种金属粉末的冲击共混可以产生核-冠型形态被认为是令人惊讶的，特别是当成为核的大颗粒包含高屈服强度的金属组合物诸如钛合金时。不希望受任何理论的束缚，据信当在足够强度的条件下冲击共混时，在小金属颗粒和大金属颗粒之间的碰撞导致至少一定程度的冶金结合，这与单纯的机械嵌入相反。因此，大颗粒和小颗粒分别作为核和突起物被有效地整合到单个非球形金属颗粒中。

6、根据第一方面，本发明提供了一种产生可冷压实的金属粉末的方法，该方法包括：提供(i)包含大金属颗粒的第一金属粉末和(ii)包含小金属颗粒的第二金属粉末，其中第二金属粉末的d50粒度小于第一金属粉末的d50粒度；将至少第一金属粉末和第二金属粉末组合以提供包含大金属颗粒和小金属颗粒的前体粉末；以及使前体粉末经历冲击共混工艺以使小金属颗粒附着到大颗粒，从而产生包含非球形颗粒的可冷压实的金属粉末，其中非球形颗粒包含作为核的一个大金属颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒。

7、在至少一些实施方案中，附着到大金属颗粒的小金属颗粒中的至少一部分被冶金结合到大金属颗粒。

8、在一些实施方案中，前体粉末具有多模态粒度分布(multimodal particle sizedistribution)，该多模态粒度分布至少包括对应于第一金属粉末的第一模态峰(modalpeak)和对应于第二金属粉末的第二模态峰。

9、在一些实施方案中，第二金属粉末的d50粒度不大于第一金属粉末的d50粒度的40%，或不大于30%，或不大于25%，诸如在10%至25%的范围内。

10、在一些实施方案中，第二金属粉末的d50粒度小于第一金属粉末的d10粒度。在一些实施方案中，第二金属粉末的d90粒度小于第一金属粉末的d10粒度。

11、在一些实施方案中，大金属颗粒的硬度大于或约等于小金属颗粒的硬度。

12、在一些实施方案中，大金属颗粒和小金属颗粒具有基本上相同的金属组合物。在其他实施方案中，大金属颗粒和小金属颗粒具有不同的金属组合物。

13、在一些实施方案中，第一金属粉末中的大金属颗粒是基本上球形的。大金属颗粒的球形度(sphericity)可以大于0.7或大于0.75。

14、在一些实施方案中，使前体粉末经历冲击共混工艺包括在设备的冲击共混室中将前体粉末冲击共混，该设备包括(i)界定冲击共混室的圆柱形外壁的固定器(stator)，和(ii)可操作以在冲击共混室中旋转的转子，转子包括多于一个冲击叶片，该多于一个冲击叶片具有冲击面和在转子的周边处的外边缘。该设备还可以包括再循环导管，该再循环导管在位于冲击共混室的圆柱形外壁中的入口端口和指向冲击共混室的中心部分的出口端口之间，其中前体粉末在冲击共混期间通过再循环导管连续地再循环。每个冲击叶片的外边缘可以与圆柱形外壁间隔开在1 mm至5 mm的范围内的间隙距离，诸如在2 mm至4 mm的范围内的间隙距离。转子可以旋转，使得每个冲击叶片的外边缘在冲击共混期间具有高于35m/s或高于40 m/s的周边速度(peripheral velocity)。

15、在一些实施方案中，将前体粉末冲击共混持续1秒和10分钟之间或30秒和5分钟之间的时间。

16、在一些实施方案中，在干燥的惰性气体气氛中将前体粉末冲击共混。

17、在一些实施方案中，大金属颗粒包含具有至少400 mpa或至少600 mpa、诸如至少1000 mpa的屈服应力的金属组合物。

18、在一些实施方案中，大金属颗粒包含具有至少1%、诸如至少3%、例如在5%至30%的范围内的断裂伸长率的金属组合物。

19、在一些实施方案中，大金属颗粒以及任选地还有小金属颗粒包含选自由以下组成的组的金属组合物：钛、钽、铌、钒、钼、铪、锆、钨、铬、铼、镍、钴、其合金、其金属基质复合物、铁的合金、锌的合金、镁的合金以及包含铝和铜两者的合金。

20、在一些实施方案中，大金属颗粒以及任选地还有小金属颗粒包含选自由以下组成的组的金属组合物：钛、钽、铌及其合金。

21、在一些实施方案中，大金属颗粒以及任选地还有小金属颗粒包含钛或钛合金。在一些实施方案中，大金属颗粒包含钛合金。在一些实施方案中，大金属颗粒包含钛合金，并且小金属颗粒包含选自由以下组成的组的金属组合物：商业纯钛(commercially puretitanium)、钛合金、用于钛的母合金(master alloy)及其混合物。

22、在一些实施方案中，提供第一金属粉末包括在冲击共混工艺中将前体金属颗粒粉碎和/或球化以产生大金属颗粒。

23、在一些实施方案中，第一金属粉末具有在1 μm和500 μm之间、或在80 μm和500 μm之间、诸如在100 μm和250 μm之间、例如在110 μm和180 μm之间的d50粒度。

24、在一些实施方案中，第二金属粉末具有在0.1 μm和100 μm之间、或在5 μm和100 μm之间、诸如在5 μm和60 μm之间、例如在10 μm和40 μm之间的d50粒度。

25、在一些实施方案中，第一金属粉末构成前体粉末的至少70 wt.%，或前体粉末的至少80 wt.%，诸如前体粉末的约80 wt.%和约90 wt.%之间。

26、在一些实施方案中，可冷压实的金属粉末包含至少20 wt.%或至少50 wt.%的非球形颗粒，该非球形颗粒包含作为核的一个大金属颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒。

27、根据第二方面，本发明提供了一种通过根据第一方面的任何实施方案的方法产生的可冷压实的金属粉末。

28、根据第三方面，本发明提供了一种可冷压实的金属粉末，该可冷压实的金属粉末包含非球形颗粒，该非球形颗粒包含作为核的大的钛颗粒或钛合金颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒，其中小金属颗粒的至少一部分被冶金结合到大的钛颗粒或钛合金颗粒。

29、在一些实施方案中，非球形颗粒包含作为核的大的钛合金颗粒，并且小金属颗粒包含选自由以下组成的组的金属组合物：商业纯钛、钛合金、用于钛的母合金及其混合物。

30、根据第四方面，本发明提供了一种产生多孔金属物品的方法，该方法包括：提供(i)包含非球形颗粒的可冷压实的金属粉末，其中非球形颗粒包含作为核的大金属颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒，优选地其中小金属颗粒的至少一部分被冶金结合到大金属颗粒，或(ii)通过根据第一方面的任何实施方案的方法产生的可冷压实的金属粉末，或(iii)根据第三方面的任何实施方案的可冷压实的金属粉末；以及在足以使可冷压实的金属粉末固结的压力使可冷压实的金属粉末经历冷压实工艺，从而产生多孔金属物品。

31、根据第五方面，本发明提供了一种产生多孔金属物品的方法，该方法包括：提供(i)包含大金属颗粒的第一金属粉末和(ii)包含小金属颗粒的第二金属粉末，其中第二金属粉末的d50粒度小于第一金属粉末的d50粒度；将至少第一金属粉末和第二金属粉末组合以提供包含大金属颗粒和小金属颗粒的前体粉末；使前体粉末经历冲击共混工艺以使小金属颗粒附着到大颗粒，从而产生包含非球形颗粒的可冷压实的金属粉末，其中非球形颗粒包含作为核的一个大金属颗粒和作为从核中的突起物的多于一个小金属颗粒；以及在足以使可冷压实的金属粉末固结的压力使可冷压实的金属粉末经历冷压实工艺，从而产生多孔金属物品。

32、在第四方面和第五方面的一些实施方案中，多孔金属物品具有理论密度的至少70%的密度。

33、在第四方面和第五方面的一些实施方案中，压力低于450 mpa，诸如低于400 mpa，例如低于350 mpa。

34、在第四方面和第五方面的一些实施方案中，可冷压实的金属粉末在不存在粘合剂的情况下经历冷压实工艺。

35、在第四方面和第五方面的一些实施方案中，冷压实工艺选自冷等静压、冷模压制和直接粉末轧制。在一些实施方案中，冷压实工艺是冷等静压工艺。

36、在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”的情况下，它们应被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或组分，但不排除一种或更多种其他特征、整数、步骤、组分或其组的存在。

37、如本文使用的，与所公开的装置的多种特征相关的术语“第一”、“第二”、“第三”等被任意指定，并且仅仅旨在区分装置可以并入在多种实施方案中的两个或更多个这样的特征。术语本身并不指示任何特定的方向或顺序。此外，应理解，“第一”特征的存在并不意味着“第二”特征存在，“第二”特征的存在并不意味着“第一”特征存在，等等。

38、本发明的另外的方面在下文在本发明的详细描述中呈现。