DE3246154A1 - Verfahren zum herstellen feiner troepfchen aus fluessigem metall und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

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8971-RD-13092

General Electric Company Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall, wobei die erwünschte durchschnittliche Größe und dimensiona-Ie Abweichung von der Durchschnittsgröße der Tröpfchen kontrolliert werden kann.

Idealerweise wären eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Tröpfchen aus flüssigem Metall in der Lage, feine oder kleine Metalltröpfchen herzustellen, z.B. solche mit 40 um Durchmesser, wobei eine kontinuierliche Kontrolle über die Teilchengröße besteht und gleichmäßig große Tröpfchen entstehen. Es ist auch erwünscht, eine solche Menge an Tröpfchen herstellen zu können, daß eine kommerzielle oder industrielle Auswertung des Verfahrens möglich ist.

Die Eigenschaften vieler neuer Legierungen hängen von der Geschwindigkeit ab, mit der das Metall abgekühlt wird. Ein bekanntes Verfahren zur Erzielung hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten umfaßt das Erzeugen von Tröpfchen aus dem flüssigen Metall und ihr Aussetzen gegenüber einem kalten Gasstrom. Ein anderes bekanntes Verfahren zum Erzielen großer Abkühlgeschwindigkeiten, das als Spratz-Kühlen bekannt ist, umfaßt das Erzeugen von Tröpfchen aus geschmolzenem Metall, die man dann auf einer gekühlten Oberfläche aufschlagen läßt. Die erhaltenen abgekühlten Tropfen jedes dieser Verfahren bilden ein Pulver, das zu geformten Gegenständen gesintert oder heiß gepreßt werden kann.

Es wurde festgestellt, daß die kleineren, feinen Tröpfchen hervorragende Eigenschaften haben, wenn sie rasch genug abgekühlt werden

können, um eine Segregation der einzelnen Bestandteile des Tröpfchens zu verhindern, da dann eine im wesentlichen homogene Struktur erhalten wird* Eine solche Homogenität sorgt für eine dem fertigen Artikel innewohnende Festigkeit, Die Tröpfchen dürfen jedoch nicht so klein sein, daß sie eine zu große Oberfläche pro Volumeneinheit aufweisen, da dann eine starke Oxidation stattfinden kann, die zu einer zu starken Oberflächenverunreinigung führt, wie Oxiden, die Stellen für die Metallermüdung sein können= Auch dürfen die Tröpfchen nicht su groß sein, da es dann zu schwierig ist, sie rasch abzukühlen oder abzuschrecken und sich auch wieder Ermüdungsstellen in einer ansonsten relativ homogenen Struktur bilden.

Die Herstellung kleiner Tröpfchen ist auf einer Reihe von Gebieten versucht worden. So beschreibt A.D. Moore in "Electrostatics", Scientific American, Band 226, vom März 1972 eine Vorrichtung zum Herstellen von Farbtröpfchen, die ein rotierendes, glockenförmiges Teil benutzt, das eine elektrische Ladung aufweist. Dem Zentrum der Glocke werden Farbe bei Zimmertemperatur und Druck zugeführt, und die Farbe fließt als Film zur Kante der Glocke, wo sie einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, und gleichmäßig beabstandete Stromfäden bildet. Farbe hat üblicherweise eine Wasseroder ölgrundlage. Die Oberflächenspannung, d.h. die Kraft, die überwunden werden muß, um feine Metal!tröpfchen aus einem flüssigen oder geschmolzenen Metall zu bilden, ist beträchtlich größer als die von Farbe, und deshalb ist die Stärke des elektrischen Feldes, die erforderlich ist, diese Kraft zu überwinden, um feine Metalltröpfchen zu bilden, so groß, daß sie einen elektrischen Bogen oder einen dielektrischen Durchbruch durch das Gas bei Zimmertemperatur und Normaldruck verursachen würde. Da außerdem Farbe bei Zimmertemperatur gehandhabt werden kann„ sind die auftretenden Spannungen kaum in der Lage, das rotierende Teil wesentlich zu beschädigen oder zu deformieren.

In dem Artikel "Rapid Solidification Effects on Micron-Size Droplets" von M.R. Glickstein et al, veröffentlicht in "Rapid

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Solidification Processing", herausgegeben von R. Mehrabian et al, Claitor's Publishing Division, Baton Rouge, (1978), ist eine mit einer Geschwindigkeit von 24.000 U/min rotierende Scheibe beschrieben, die in Helium von Atmosphärendruck angeordnet ist und zur Herstellung von Tröpfchen aus flüssigem Metall benutzt, wird.Die Tröpfchen weisen eine relativ starke Teilchengrößenverteilung auf, wie in Figur 3 des letztgenannten Artikels gezeigt ist, wonach weniger als 20% der hergestellten Tröpfchen einen Durchmesser von weniger als 50 μιη haben.

In dem Artikel "Electrohydrodynamic Generation of Submicron Particles for Rapid Solidification" von J. Perel et al, veröffentlicht in "Rapid Solidification Processing", (1978), ist ein in einer Vakuumkammer angeordnetes Kapillarrohr beschrieben, bei dem ein elektrisches Feld an einem Ende angelegt ist und das benutzt wird zur Erzeugung von Tröpfchen aus flüssigem Metall. Die Vorrichtung soll für eine laboratoriumsmäßige Herstellung von Metalltröpfchen dienen, die einem analytischen Test unterworfen werden. Von einem kommerziellen Standpunkt aus könnte die Abgabeöffnung der Kapillare, die mit 75 um einen relativ geringen Durchmesser hat, unpraktisch sein, da die Quelle flüssigen Metalles im wesentlichen frei von Verunreinigungen sein müßte, um ein Verschmutzen der öffnung zu verhindern. Außerdem würde die Abgabemenge von 20 g pro Tag, die nach dem genannten Artikel erwünscht ist, für eine kommerzielle Ausnutzung im allgemeinen nicht angemessen sein.

Ein anderes Verfahren zum Herstellen von Tröpfchen aus flüssigem Metall benutzt Gasstrahlen hoher Geschwindigkeit, um einen Strom flüssigen Metalles zu zerstäuben. Die gebildeten Tröpfchen sind jedoch im allgemeinen größer und haben auch eine größere Teilchengrößenverteilung als die nach den anderen oben beschriebenen Verfahren hergestellten.

Da die vorstehend beschriebenen Verfahren eine relativ weite Verteilung von Teilchengrößen hervorbringen, wird üblicherweise eine

Siebstufe benutzt, um die unerwünschten Größen auszusortieren. Eine solche zusätzliche Handhabung kann zur Verunreinigung der Tröpfchen führen. Könnten kleinere Tröpfchen mit einer gleichmäßigen Größe hergestellt werden, dann könnte man die Siebstufe vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen feiner Metalltröpfchen zu schaffen, bei dem die Teilchengröße kontinuierlich gesteuert werden kann. Dabei soll die Abweichung von einer mittleren Größe relativ gering sein. Die Tröpfchen sollen insbesondere aus einer hochschmelsenden Legierung herstellbar sein, und das Verfahren soll die Herstellung einer solchen Tröpfchenmenge gestatten, daß eine kommerzielle oder industrielle Auswertung möglich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung s:am Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall eine Kammer, in der sich der Druck von dem der umgebenden Atmosphäre unterscheidet, ein Teil, das drehbar innerhalb der Kammer montiert ist und eine Oberfläche zur Aufnahme des flüssigen Metalles aufweist, eine Einrichtung, um flüssiges Metall der Oberfläche des Teiles zuzuführen,, eine Einrichtung, um ein elektrisches Feld zumindest an der Kante der Oberfläche zu bilden, sowie eine Einrichtung, um das Teil mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit zu drehen„

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall umfaßt die Schaffung eines Teiles mit einer Oberfläche zur Aufnahme,des flüssigen Metalles, das Anordnen des Teiles in einer Umgebung, deren Druck anders ist als der der umgebenden Atmosphäre, das Erzeugen eines elektrischen Feldes zumindest an der Kante der Oberfläche, das Richten flüssigen Metalles auf die Oberfläche, das Einstellen der Stärke des Feldes, um die Oberflächenspannung des Metalles zu überwinden, das Drehen des Teiles mit einer solchen Geschwindigkeit, daß zumindest ein Teil des flüssigen Metalles unter Tröpfchenbildung abgeschert

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wird und das Abschrecken der Tröpfchen unter die Schmelztemperatur des Metalles.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine schematische Teil-Seitenschnittansicht

einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall.

Figur 2 eine Seitenschnittansicht eines drehbar mon

tierten Teiles gemäß der vorliegenden Erfindung und

Figuren 3A und 3B schematische Teil-Draufsichten einer Strömung

flüssigen Metalles von der Kante eines Teiles mit bzw. ohne elektrisches Feld.

In Figur 1 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Herstellen feiner Tröpfchen 16 aus flüssigem Metall, ausgehend von einer schematisch gezeigten Quelle 11 für flüssiges Metall gezeigt, die erfindungsgemäß konstruiert ist.

Die Vorrichtung 1 umfaßt eine Kammer 18, in deren Raum 17 sich ein anderer als der umgebende atmosphärische Druck befindet, d.h. diese Kammer 18 steht entweder unter einem höheren oder einem geringeren als Atmosphärendruck. Die Vorrichtung 1 weist weiter ein Teil 2, wie eine Scheibe, auf, die drehbar innerhalb der Kammer 18 montiert ist und die eine Oberfläche 3 zur Aufnahme flüssigen Metalles aufweist. Weiter umfaßt die Vorrichtung 1 eine Einrichtung 14 zur Abgabe des flüssigen Metalles 12 von der Quelle 11 auf die Oberfläche 3 des Teiles 2, eine Einrichtung 5 zum Bilden eines elektrischen Feldes zumindest an der Kante 4 der Oberfläche 3, sowie eine Einrichtung 10, um das Teil 2 zu drehen. In der vorliegenden Anmeldung wird unter umgebendem atmosphärischem Druck ein Druck im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,5 Atmosphären verstanden.

Das Teil 2 ist an einem Ende eines Schaftes 8 befestigt, dessen anderes Ende an einer Einrichtung 10 zum Antreiben oder Drehen,, wie einem Motor,, befestigt ist« Ein Lager 9 ist vorhanden„ um den Schaft 8 abzustützen und eine hermetisch abgedichtete Grenzfläche mit der Wandung der Kammer 18 zu schaffen, da der Schaft § durch diese Wandung hindurchgeht* Die Antriebseinrichtung 10 köante auch innerhalb der Kammer 18 angeordnet sein, wobei man dann die Notwendigkeit vermeiden idSrde, den Schaft durch die Wandung der" Kammer 18 hindurchragen zu lassen=

Die Einrichtung 5 sum Bilden eines elektrischen Feldes' kann typischerweise zumindest eine Ringelektrode umfassen^ die um die Rotationsachse des Teiles 2 herum angeordnet ist, und diese Ringelektrode 5 wird von einer Energiequelle 6 hoher Spannung über die elektrische Verbindungseinrichtung 7 mit Energie versorgt. Im allgemeinen befinden sich der Schaft 8 und das Teil 2 in elektrischer Verbindung und befinden sich an Erdpotential» und die Energiequelle 6 hoher Spannung versieht die Ringelektrode 5 mit einem negativen Potential mit Bezug auf das Erdpotential« Vorzugsweise ist die Ringelektrode 5 konzentrisch zu der Scheibe 2 angeordnet, so daß an der Kante 4 der Scheibe 2 ein gleichförmiges elektrisches Feld erzeugt ist« Sine nicht dargestellte weitere Ringelektrode kann oberhalb und konzentrisch su der Scheibe 2 angeordnet und ebenfalls von der Energiequelle β hoher Spannung mit Energie versehen werden. Auf diese Weise vjürde ein Paar zusammenarbeitender Ringelektroden vorgesehen werden, um die Form des elektrischen Feldes festzulegen und damit die gewünschten Eigenschaften der Tröpfchen su schaffen» Weiter kann zumindest ein Teil der Kammer 18, z,B,_ deren Wandabschnitt 31, von der übrigen Wand der Kammer 18 und dem Lager 9 elektrisch isoliert i^erden,, Um das Lager 9 herum gibt es einen elektrisch isolierenden Abschnitt 35, so daß das Lager 9 elektrisch von dem Abschnitt 31 der Kammerwandung isoliert ist„ Typischerweise kann eine Isolation 34 vorgesehen werden, um aus dem Wandabschnitt 31 eine ringförmige Elektrode 33 su machen» Der Abschnitt 31 der Wandung kann von einer

zweiten Energiequelle 30 hoher Spannung über die elektrische Verbindungseinrichtung 32 mit Energie versehen werden, und so eine Elektrode 33 aus dem Abschnitt 31 der Kammerwandung machen. Diese Elektrode 33 kann entweder in Zusammenarbeit mit der Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes oder unabhängig davon zur Bildung eines elektrischen Feldes, zumindest an der Kante 4 der Oberfläche 3, benutzt werden.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform liegt die Elektrode auf Grundpotential, das Teil 2 ist elektrisch vom Schaft 8 isoliert und die Energiequelle 6 hoher Spannung ist elektrisch mit dem Teil 2 verbunden, um das Teil 2 auf ein mit Bezug auf das Grundpotential positives Potential zu bringen. In den vorgenannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann jedes dieser Potentiale mit Bezug auf das Grundpotential benutzt werden.

Das flüssige Metall 12 kann von einer schematisch gezeigten Quelle 11 aus auf die Oberfläche 3 des Teiles 2 aufgebracht werden. Eine Einrichtung 14 zum Zuführen von Flüssigkeit, wie ein hohles Rohr, befindet sich in Strömungsverbindung mit dem flüssigen Metall Eine Ausgabeöffnung 19 des hohlen Rohres 14 weist im allgemeinen einen geringeren Durchmesser als das Rohr 14 selbst auf, um das Fliessen des flüssigen Metalles 12 durch die öffnung 19 besser zu steuern. Die öffnung 19 ist so orientiert, daß sie das aus ihr herausfließende flüssige Metall 12 auf die Oberfläche 3 richtet. Eine nicht gezeigte konventionelle Ventil- und Steuereinrichtung kann mit der öffnung 19 zusammenarbeiten, um die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalles 12 durch diese öffnung weiter zu steuern. Die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalles 12 durch die öffnung 19 kann auch gesteuert werden, indem man den Druck des flüssigen Metalles von der Quelle 11 variiert.

Im Betrieb wird das flüssige Metall, wie in Figur 1 gezeigt, von der Quelle 11 des flüssigen Metalles 11 mittels der Einrichtung 14 zum Abgeben der Flüssigkeit zu der öffnung 19 gerichtet.

Von der öffnung 19 wird das flüssige Metall auf die Oberfläche des drehbar montierten Teiles 2 gerichtet» Das Teil 2 ist in der Kammer 18 angeordnet, in der sich die Umgebung 17 auf ein.em an-(äex-en als dem umgebenden atmosphärischen Druck befindet= Das bedeutet, daß die Kammer 18 entweder unter Druck steht oder evakuiert ist ο

Unter Druck setzen oder evakuieren der Kammer 18 ist erforderlich,, um die erforderliche hohe Spannung an die Hingelektrode 5 anzubiegen , ohne daß ein elektrischer Bogen oder ein dielektrischer Ourchbruch durch das Gas auftritt. Vorzugsweise hat das zwischen der Elektrode 5 und der Scheibe 2 erzeugte elektrische Feld eine

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Stärke im Bereich von etwa 10 bis 10 Volt/m, Die Elektrodenspannung kann typischenveise etwa 60.000 Volt betragen. In dem elektrischen Feld muß ausreichend Energie erzeugt werden, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalles zu überwinden, üie Charakteristika des dielektrischen Durchbruches spezifischer Gase können aus den Paschen-Kurven bestimmt werden, wie sie z.B. auf der Seite 4-133 des "Standard Handbook for Electrical Engineers", herausgegeben von Fink, McGrawHill, (1978), zu finden sind. Ein Gas, wie SF_g, Helium,, Stickstoff, Neon oder Argon, das mit dem flüssigen Metall nicht reagiert, sollte angewendet werden. Es kann auch eine Kombination dieser oder anderer inerter Gase benutzt werden.

Das flüssige Metall 12 wird auf die Oberfläche 3. des Teiles 2 gerichtet, während dieses vom Motor-10 gedreht wird. Die Rotation des Teiles 2 zwingt das flüssige Metall 12„ von der Rotationsachse des Teiles 2 aus längs der Oberfläche 3 zu der Kante 4 zentrifugal nach außen zu fließen. Um eine relativ gleichmäßige Strömung längs der Oberfläche 3 zu bilden, so daß die Menge des flüssigen Metalles 12 in der Strömung leicht kontrolliert werden kann, wird bevorzugt, daß die Oberfläche 3 des Teiles 2 aus einem Material besteht, das das flüssige Metall 12 benetzen kann oder für das es einige Affinität hat. Die erregte Ringelektrode ist so orientiert, daß sie ein derartiges elektrisches Feld an

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der Kante 4 des Teiles 2 erzeugt, daß das von der Oberfläche 3 herunterfließende Metall sich innerhalb des elektrischen Feldes befindet.

Bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes, wie in Figur 3 A gezeigt, bildet das flüssige Metall 12, wenn es die Kante 4 der Oberfläche 3 erreicht, Klümpchen, wie A und B, von denen aus Tröpfchen 31 abgeschleudert werden. Für eine gegebene Rotationsgeschwindigkeit sind diese Tröpfchen größer und weniger gleichförmig, als Tröpfchen, die in Gegenwart eines elektrischen Feldes gebildet werden, das eine ausreichende Stärke hat, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalles zu überwinden.

In Figur 3B ist die Bildung der Tröpfchen aus flüssigem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die von dem flüssigen Metall 12, das über die Oberfläche 3 des Teiles 2 zur Kante 4 fließt, gebildeten Klümpchen C, D sind für eine gegebene Rotationsgeschwindigkeit feiner als die, die in Abwesenheit eines elektrischen Feldes gebildet werden. Die Größe der von den Spitzen 32 bzw. 33 der Klümpchen C bzw. D abgeschleuderten Tröpfchen ist eine Funktion des Größe des Teiles 2, der Rotationsgeschwindigkeit des Teiles 2, der Massenströmungsgeschwindigkeit des zur Kante 4 des Teiles 2 fließenden flüssigen Metalles 12 und der Stärke des elektrischen Feldes. Durch Ändern der elektrischen Feldstärke kann daher die Größe der gebildeten Teilchen geändert werden. Das elektrische Feld muß eine ausreichende Stärke haben, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalles in den Klümpchen C, D zu überwinden, so daß Tröpfchen 16 gewünschter Größe gebildet werden. Für eine gewünschte Tröpfchengröße können bei der vorliegenden Erfindung geringere Rotationsgeschwindigkeiten benutzt werden, als bei einer Vorrichtung zum Bilden von Tröpfchen aus flüssigen Metall ohne ein elektrisches Feld, und die geringere Geschwindigkeit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert wiederum die sich auf das Rotationsteil 2 auswirkenden Spannungen.

In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die anstelle des Teiles 2 nach Figur 1 ein

Teil 20 benutzt» Das Teil 20 ist becherartig ausgebildet und hat einen querverlaufenden Grundabschnitt 21 und einen zylindrischen Abschnitt 22, der die Seite des Teiles 20 bildet. Das Teil 20 kann auf dem Schaft 8 montiert sein ^ wie es oben in bezug aaf das Teil 2 beschrieben ist»Natürlich können auch noch andere Konfigurationen drehbarer Teile benutzt werden, z.B. ein becherartiges Teil mit schrägen Seiten, bei dem der innere Durchmesser an der Basis größer ist als die öffnung oben»

Auch bei der Vorrichtung nach Figur 2 wird das flüssige Metall durch eine Einrichtung 14 zur öffnung 19 geführt. Diese öffnung

19 ist so orientiert, daß sie das flüssige Metall 12 auf die innere Oberfläche 23 des Teiles 20 richtet« Die Rotation des Teiles

20 bewirkt, daß das flüssige Metall 12 längs der Oberfläche 23 und dann längs der inneren Oberfläche 24 der Seite 22 entlangfließt. Erreicht das flüssige Metall 12 die Kante 25, dann bilden sich abrupt Tröpfchen 16 daraus, deren Größe durch die Stärke des elektrischen Feldes kontrolliert werden kann, das <?Drt_E wie oben in bezug auf Figur 1 beschrieben, durch die Ringelektrode 5 erzeugt wird.

Der Sand 26 des Teiles 20 ist abgeschrägt, so daß sich die innere Oberfläche 24 des zylindrischen Abschnittes weiter nach oben erstreckt, als die äußere Oberfläche 27. Dieser abgeschrägte Abschnitt erhöht die Intensität des elektrischen Feldes in dem Bereich, in dem die Tröpfchen des flüssigen Metalles gebildet werden. Die Intensität bzw. Stärke des elektrischen Feldes kann daher durch Ändern des Neigungswinkels verändert werden. Die Neigung hindert das Metall auch^leichter an dem Rand zu haften, und längs der äußeren Oberfläche 27 nach unten gesogen zu werden. Es ist auch möglich, daß sich die äußere Oberfläche 27 weiter nach oben erstreckt als die innere Oberfläche 24.

Ein dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Mfetalltröpfchen innewohnender Vorteil besteht darin, daß die gebildeten Tröpfchen aufgrund des elektrischen Feldes elektrisch geladen sind. Wegen der gleichen Polarität stoßen die Tröpfchen einander

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ab. Dieses Abstoßen hindert die Tröpfchen, sich mit anderen Tröpfchen zu vereinigen, bevor sie abgeschreckt werden und verhindert so die Bildung zu großer Tröpfchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z.B. feine Tröpfchen aus flüssigem Metall mit einem mittleren Durchmesser von 40 um bilden, wobei im wesentlichen alle Tröpfchen einen kleineren Durchmesser als 80 μΐη haben. Die Rotationsgeschwindigkeit sollte im Bereich von etwa 500 bis etwa 30.000 Umdrehungen/m liegen und die Feldstärke im bereits oben genannten Bereich von etwa 10 bis etwa

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10 Volt/m. Eine bevorzugte Rotationsgeschwindigkeit beträgt etwa 5000 U/min.

Die Verfahren zum Herstellen von Tröpfchen aus flüssigem Metall nach dem Stande der Technik haben verschiedene Probleme. In dem oben genannten Artikel von M.R. Glickstein et al wird eine mit einer Geschwindigkeit von 24.000 U/min, rotierende Scheibe in Helium von Atmosphärendruck zur Herstellen von Tröpfchen aus flüssigem Metall benutzt. In dieser Konfiguration ist die mittlere Größe der erzeugten Tröpfchen proportional der Geschwindigkeit, mit der die Scheibe rotiert. Die Streuung der Größe der erzeugten Tröpfchen um den Mittelwert herum ist jedoch relativ groß und nicht leicht zu kontrollieren, so daß Teilchenmengen anfielen, die größer oder kleiner als erwünscht waren. Tröpfchen, die entweder zu groß oder zu klein sind, sind jedoch unerwünscht, da sie Ermüdungsstellen in dem fertigen Gegenstand bilden können, wenn sie vor dem weiteren Verarbeiten nicht entfernt werden.

Es gibt noch weitere Probleme, wenn man das in dem Artikel von Glickstein et al beschriebene Verfahren benutzt. Um eine geringe Teilchengröße zu erhalten, muß die Scheibe bei einer relativ hohen Geschwindigkeit rotieren, z.B. bei den dort genannten 24.000 ü/min. Wenn man versucht, Tröpfchen aus einem geschmolzenen Metall zu bilden, insbesondere einer Superlegierung, die häufig Nickel als Grundbestandteil enthält und typischerweise einen Schmelzpunkt von etwa 1500⁰C hat, dann ist es schwieirg, ein Material für die

Scheibe zu finden, das ein nicht zu starkes Kriechen und Deformieren bei den während des Betriebes auftretenden Temperaturen und Kräften zeigt» Die auf eine rotierende Scheibe wirkende Spannung ist etwa proportional dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit«

Da Vorrichtung und Verfahren aach der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von Teilchen der Größe, wie sie im Glicksteiiv* Artikel genannt sind, bereits bei einer Geschwindigkeit von etwa 5000 Ό/min, gestatten, sind die Belastungen bzw„ Spannungen, die sich auf das rotierende Teil der erfindungsgentäßen Vorrichtung auswirken,, nur

etwa -J₅ der , die auf die rotierende Scheibe bei dem Verfahren nach Glickstein wirken.

Es ist auch nützlich für die Kontrolle des über die Oberfläche der Scheibe fließenden Metalles, daß diese Oberfläche durch das geschmolzene Metall benetzt wird. Mit dieser zusätzlichen Bedingung, zusammen mit der Forderung, daß die Superlegierungen den hohen Temperaturen und den Belastungen einer rasch rotierenden Scheibe widerstehen müssen, ist es schwierig, ein Material zu erhalten, das für die Scheibenherstellung praktisch unwirtschaftlich ist. Die geringeren Rotationsgeschwindigkeiten, die die vorliegende Erfindung erlaubt,, vermindern nicht nur die Belastungen des. rotierenden Teiles, sondern sie erhöhen auch die Zahl der Materialien, die ausgewählt werden können, weil sie in der Lage sind, der Belastung zu ttfiderstehen und von dem flüssigen Metall benetzt zu werden.

Obwohl die Gaszerstäubung des geschmolzenen Metalles ein anderes Verfahren darstellt, das zum Herstellen von Tröpfchen flüssigen Metalles benutzt werden kann, ist die dabei erhaltene Größenverteilung oder Abweichung der Tröpfchengröße von dem Mittelwert im allgemeinen groß und das nachfolgende Weiterverarbeiten, wie das Sieben, das erforderlich ist, um die erwünschten Größen zu erhalten, kann in nachteiliger Weise zu einer Verunreinigung führen„

Zusammenfassend sind vorstehend Vorrichtung und Verfahren zum Bilden feiner Metalltröpfchen beschrieben, wobei die Größe der Tröpfchen kontinuierlich durch ein angelegtes elektrisches Feld kontrolliert werden können. Das elektrische Feld sorgt für die Bildung gleichförmigerer Tröpfchen und gestattet eine geringere Rotationsgeschwindigkeit für das drehbare Teil, von dem die
Tröpfchen abgeschleudert werden, als eine Vorrichtung, die ohne elektrisches Feld zur Herstellung gleich großer Tröpfchen benutzt wird. Diese geringeren Rotationsgeschwindigkexten gestatten eine wirtschaftlichere und wirksamere Handhabung einer hochschmelzenden oder Superlegierung. Weiter sind mit der vorliegenden Erfindung relativ große Massenströmungsgeschwindigkeiten des geschmolzenen Metalles erhältlich, was die Erfindung für die Erfüllung wirtschaftlicher Anforderungen brauchbar macht.

Claims (26)

Verfahren zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Herstellen feiner Tröpfchen aus flüssigem Metall aus einer Metallschmelze,
gekennzeichnet durchs

a) eine Kammer (18), in der der Druck ein anderer ist als der der umgebenden Atmosphäre,

b) ein drehbar montiertes Teil (2), das innerhalb dieser Kammer montiert ist und eine Oberfläche (3) zur Aufnahme des flüssigen Metalles (12) aufifeist,

c) eine Einrichtung (14) zur Abgabe flüssigen Metalles auf die Oberfläche des genannten Teiles,

d) eine Einrichtung (5) zum Bilden eines elektrischen Feldes zumindest an der Kante (4) der Oberfläche (3) und

e) eine Einrichtung (10), um das Teil (2) mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit zu drehen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Bilden eines elektrischen Feldes mindestens eine Ringelektrode (5) umfaßt, die um die Rotationsachse des genannten Teiles (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck innerhalb der Kammer (18) größer ist als der der umgebenden Atmosphäre.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck innerhalb der Kammer (18) geringer ist, als der der umgebenden Atmosphäre.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum (17) innerhalb der Kammer (18) im wesentlichen mit Stickstoff gefüllt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum (17) innerhalb der Kammer (18) im wesentlichen mit Argon gefüllt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum (17) innerhalb der Kammer (18)im wesentlichen mit Helium gefüllt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das drehbare Teil eine Scheibe (2) umfaßt und die Ringelektrode (5) konzentrisch zu dieser Scheibe angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1_# dadurch gekennzeichnet , daß das drehbare Teil (20) einen quer verlaufenden Basisabschnitt (21) und einen zylindrischen Abschnitt (22) umfaßt, der an dem Basisabschnitt befestigt ist und so eine becherartige Konfiguration bildet.

ΙΟ» Vorrichtung nach Anspruch 8„ dadurch gekennzeichnet,, daß der Rand (26) des zylindrischen Abschnittes (22) geneigt ist, so daß sich die innere Oberfläche (24) dieses zylindrischen Abschnittes weiter nach oben erstreckt als die äußere Oberfläche (27) des zylindrischen Abschnittes»

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Bilden eines elektrischen Feldes, das zumindest einen Abschnitt (311 einer Wand der Kammer (18) umfaßt.

12« Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (5) zum Bilden eines elektrischen Feldes, zumindest an der Kante (4)- der Oberfläche (3).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung zum Bilden eines elektrischen Feldes zumindest einen Abschnitt (31) einer Wand der Kammer (18) umfaßt.

14. Verfahren zum Herstellen feiner Tröpfchen flüssigen Metalles aus einem geschmolzenem Metall, gekennzeichnet durch die folgenden Stufens

a) Schaffen eines Teiles (2) mit einer Oberfläche (3) zur Aufnahme des geschmolzenen Metalles (12),

b) Anordnen dieses Teiles (2) in einer Umgebung (17) mit einem Druck, der anders ist als der der umgebenden Atmosphäre,

c) Erzeugen eines elektrischen Feldes zumindest an der Kante (4) der Oberfläche (3).-, das stark genug ist, um die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalles (12) zu überwinden,

d) Richten des geschmolzen Metalles (12) auf die Oberfläche (3) und

e) Drehen des Teiles (2) mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit/ so daß zumindest ein Teil des flüssigen Metalles unter Bildung der Tröpfchen (16) abgeschert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung (17) ein Gas enthält, das sich nicht mit dem flüssigen Metall (12) umsetzt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gas Stickstoff umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß dieses Gas Argon umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß dieses Gas Helium umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Erzeugens des elektrischen Feldes das Einstellen der Stärke des Feldes einschließt, so daß die mittlere Größe der gebildeten Tröpfchen etwa 40 μπι Durchmesser beträgt und im wesentlichen alle Tröpfchen einen kleineren Durchmesser als etwa 80 μΐη haben.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Winkelgeschwindigkeit des Teiles (2) im Bereich von etwa 500 bis etwa 30.000 U/min, liegt.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des elektrischen Feldes im Bereich von etwa 10 bis etwa 10 Volt/m liegt.

22. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß in der Umgebung (17) im wesentlichen ein Vakuum herrscht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Umgebung (17) innerhalb der Kammer (18) im wesentlichen SF, vorhanden ist.

24. Verfahren nach Anspruch 15/ dadurch ge kenn zeichnet , daß das Gas SF_g umfaßt.

ο Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge kenn zeichnet, daß das Gas eine Mischung inerter Gase umfaßt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kenn zeichnet, daß die Umgebung (17) innerhalb der
Kammer (18) eine Mischung inerter Gase enthält.