[发明专利]用于合成球化金属粉末的系统和方法

说明书

本文公开了使用微波等离子体处理来处理原料材料的系统和方法的实施方案。具体而言，本文公开的原料材料属于金属粉末。微波等离子体处理可用于将金属粉末球化并形成金属氮化物或金属碳化物粉末。金属氮化物或金属碳化物粉末的化学计量可通过改变等离子体气体的组成和等离子体处理过程中原料材料的停留时间来控制。

通过引用任何优先权申请而并入

根据35 U.S.C.§119(e)，本申请要求2020年10月30日提交的美国临时申请号63/108118的优先权权益，其全部公开通过引用并入本文。

背景

领域

本公开的一些实施方案涉及用于从原料材料生产金属球形或类球体粉末产品的系统和方法。

描述

制备一些形式的工业粉末的一个重要方面是球化过程，其将通过常规粉末碎方法产生的不规则形状或有棱角的粉末转变成球形低孔隙率颗粒。球形粉末形状均匀、致密、孔隙少、具有高且一致的流动性和高振实密度。这样的粉末在诸如注塑成型、热喷涂和增材制造等的应用中表现出优异的性能。

产生球状金属粉末，尤其是含有材料如钛(Ti)的金属粉末，可能会带来许多挑战。实现所需的球体形状、所需水平的孔隙率(例如，无孔隙率到非常多孔)以及所需的组成和微观结构可能是困难的。

氮化钛粉末是特别受关注的。氮化钛已用于多种应用，包括在医疗植入物中作为保护性耐磨涂层。目前许多由例如CoCr或钛合金(例如Ti-64)制成的骨科植入物耐磨性差，且需要氮化钛涂层以防止体内植入物最终失效。氮化钛是一种具有优异的耐磨和耐腐蚀性的陶瓷且与人体相容。该涂层通常通过化学气相沉积(CVD)施加于植入物，其中Ti蒸气与氮气反应以形成氮化钛涂层。这个过程形成了非常薄的、一致的氮化钛层。

然而，随着增材制造(AM)的出现，植入物的设计也发生了变化。现在可以设计具有内腔的植入物，以减轻植入物的重量，并为植入物内部的组织生长提供位置。然而，对于复杂的内腔，在植入物内部的表面上均匀地涂覆氮化钛层变得具有挑战性。

因此，需要生产用于增材制造和其它应用的含金属球形粉末的新颖系统和方法。

概述

出于该概述的目的，本文描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任何特定实施方案，并非所有这样的优点都必然可以实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，可以以实现如本文中教导的一个优点或一组优点的方式实施或进行本发明，而不必实现如本文中教导或建议的其它优点。

本文的一些实施方案涉及制造球化金属氮化物粉末的方法，所述方法包括：提供金属粉末作为微波等离子体焰炬的原料；将原料引入由微波等离子体焰炬产生的微波等离子体中，所述微波等离子体通过使含氮气体经受来自微波电源的微波而产生；以及形成球化金属氮化物粉末，所述球化金属氮化物粉末通过至少部分熔融原料并在微波等离子体焰炬内引发原料和含氮气体之间的化学反应而形成。