机械合金化的粉末原料的制作方法

本申请要求2019年4月30日提交的题为“机械合金化的粉末原料”的美国临时专利申请系列号62/840,607的权益，其内容通过引用整体并入本文中。

技术领域

本公开在一些实施方案中一般涉及生产包括通过机械合金化实现的性质的金属球形或类球形粉末产品。

背景技术

金属粉末在工业上用于某些应用。最近，对用于增材制造的金属粉末的关注增加。金属合金粉末通常通过各种雾化技术——水雾化、气体雾化或热化学方法制造。所生产的粉末的形态可以取决于制造粉末的方法。此外，不同的形态可以适合不同的固结方法或粉末用途。例如，增材制造(AM)，尤其是基于激光的AM系统如粉末床熔化，可以受益于球形粉末，这是由于它们优良的流动性、铺展性和堆积密度。

技术实现要素：

本文公开了用于由机械合金化的原料制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括通过机械研磨至少五种元素粉末以机械合金化所述至少五种元素粉末来制备机械合金化的粉末原料，将所述机械合金化的粉末原料引入微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气中，和在所述微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气内至少部分地熔融和球化所述机械合金化的粉末原料以形成球化粉末。

本文还公开了用于由机械合金化的原料制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括通过机械研磨一种或多种前体以形成高熵合金来制备机械合金化的粉末原料，将所述机械合金化的粉末原料引入微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气中，和在所述微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气内至少部分地熔融和球化所述机械合金化的粉末原料以形成球化粉末。

本文还公开了用于由机械合金化的原料制造球化粉末的方法的实施方案，所述方法包括将机械合金化的粉末原料引入微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气中，其中所述机械合金化的粉末原料通过机械研磨至少五种元素粉末以机械合金化所述至少五种元素粉末，和在所述微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气内熔融和球化所述机械合金化的粉末原料以形成球化粉末来制备。

在一些实施方案中，可以将所述球化粉末熔融和球化以用于金属注射成型过程。在一些实施方案中，可以将球化粉末熔融和球化以用于热等静压加工。在一些实施方案中，可以将球化粉末熔融和球化以用于增材制造。

在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以通过球磨机械研磨。在一些实施方案中，熔融机械合金化的粉末原料可以在小于1秒内进行。在一些实施方案中，熔融机械合金化的粉末原料可以在小于500毫秒内进行。

在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以包含TiZrNbTaFe。在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以包含AlFeVSi。在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以包含FeCoNiCrTi。在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以包含FeCoNiCrAl。在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以包含FeCoNiCrCu。在一些实施方案中，机械合金化的粉末原料可以具有微结构，并且其中球化粉末保持所述微结构。

一种由本公开的实施方案的方法形成的球化粉末。

附图说明

图1示出任意原料粉末随时间的转变。

图2示出在微波等离子体加工之前和之后粉末的XRD光谱。

图3示出根据本公开的生产粉末的方法的一个示例性实施方案。

图4示出根据本公开的实施方案的可以在粉末生产中使用的微波等离子体炬的实施方案。

图5A-5B示出根据本公开的侧面进料斗实施方案可以在粉末生产中使用的微波等离子体炬的实施方案。

图6示出机械合金化过程的实施方案。

具体实施方式

本文公开了利用机械合金化材料(如粉末)作为原料，特别是用于微波等离子体加工的原料的方法、装置和组件的实施方案，以及由其生产的粉末和产品。由机械合金化的原料制备这样的粉末是极其困难的，基于本公开的实施方案已经实现了出乎意料的性质。

在一些实施方案中，可以将材料一起研磨以形成所需组成的粉末颗粒，由此产生机械研磨的合金。也可以使用其他合金化方法，并且本公开不限于机械研磨。

在一些实施方案中，机械研磨的合金可以是高熵合金(HEA)或者可以是复杂浓缩合金(CCA)，或者可以是自现有合金改性的合金。HEA是主要含有以等原子或非等原子百分比的5种或更多种元素的合金。然后，可以将粉末或其他组分用作微波等离子体过程的原料(如粉末原料)以形成最终的球化粉末，然后可以将其用于不同的过程，如增材制造过程。

需要开发新型合金，如高熵合金(HEA)，其在用增材制造方法加工时产生优异的性质。

此外，随着增材制造(AM)的出现，对开发可以用AM加工并且可以推动由常规或现有合金获得的性质的包络的新型合金的需求不断增加。

在一些实施方案中，HEA可以是通过混合相等或相对大比例的相对大数量的元素而形成的合金。在一些实施方案中，HEA内元素的数量可以是3种或更多种、4种或更多种、5种或更多种、或6种或更多种、7种或更多种、8种或更多种。在一些实施方案中，以原子百分比计的相对比例可以是相等的或接近相等的。在一些实施方案中，HEA可以是具有例如大于1.67R (或大于约1.67R)的高混合熵的合金，例如在JOM中由Z. Li和D, Raabe, 2017, DOES: 10.1007/s11837-017-2540-2中描述，所述文献通过引用并入本文。

HEA可以具有有利的性质或性质的组合，例如与使用中的常规合金相比，高的高温强度、抗高温氧化性、高耐腐蚀性和高的强度-重量比。由于元素彼此之间的溶解性有限，HEA(尤其是非等原子HEA)的大多数组成难以或不可能通过传统方法如电弧熔融和感应熔融来制造。此外，HEA中合金化元素的熔点的巨大差异限制了其通过常规方法的加工。

这类元素可以通过机械合金化技术以固态合金化，例如其中球磨元素粉末、预合金化粉末或母合金粉末直至形成均匀合金。在球磨中，合金被机械地强迫组合成合金。然后，这种合金化可以随着研磨时间而均匀化。合金的均匀化通常通过x射线衍射(XRD)来监测，其中合金化元素的初始个体元素峰逐渐消失，并且出现合金化相(一个或多个)的新峰。

在适当的球磨机参数如球-金属比、旋转速度和/或球尺寸下，在合金化期间可以发生不同的过程。例如，所得粉末可以已经经历附聚、机械合金化、混合、共混或研磨。其中的一些或全部可以在所述过程期间发生。

然而，所得粉末具有不规则和薄片样形态，从而限制了进一步的加工/固结技术，例如放电等离子体烧结。本公开的实施方案描述了通过机械合金化加工且用微波等离子体球化处理的球形HEA粉末的制造。然后，可以将球形粉末用于一系列工业粉末固结过程，例如增材制造、金属注射成型、热等静压加工和粉末锻造。

机械合金化是固态粉末冶金过程，其中元素或预合金化粉末颗粒用高能球磨机研磨。在这一过程期间，粉末颗粒经受反复的冷焊、破裂和再焊。机械能向粉末颗粒的转移通过产生位错而将应变引入粉末中，所述位错充当快速扩散路径。图6示出这种方法的实例。如所示，可以将元素粉末(左)机械研磨(中间)以生产原料(右)。

此外，扩散距离由于粒子细化而减小。因此，通过这一过程可以制造具有与基础粉末不同的相和不同的微结构的合金。实际的研磨时间可以根据进料和合金而变化。例如，大于1、2、3、4、5、6、7、8、9或10小时(或约1、约2、约3、约4、约5、约6、约7、约8、约9或约10小时)。在一些实施方案中，研磨可以持续小于1、2、3、4、5、6、7、8、9或10小时(或约1、约2、约3、约4、约5、约6、约7、约8、约9或约10小时)。在一些实施方案中，研磨可以继续直至实现部分或完全的均匀化，例如通过监测XRD图案和跟踪个体元素峰的消失。

有利地，因为元素被机械地强迫进入彼此，减少了合金化元素之间的扩散路径，所以机械合金化可以增加颗粒的均匀化。这种均匀化也可以随研磨时间的增加而增强。

微波辅助的等离子体技术可以提供温度达到6000K量级的连续和可持续的等离子体羽流。通过调节等离子体羽流特性，例如羽流长度和羽流密度，可以使机械合金化的高度不规则或薄片状HEA或机械合金化的粉末球化和均匀化。此外，通过调节原料进入等离子体羽流的位置，可以使用微波等离子体炬的等离子体余辉或等离子体排气来调节原料经受的温度。

不规则或薄片状粉末可以将加工方法限制在放电等离子烧结，因此将它们球化对于粉末固结方法的更广泛应用可以是有利的。例如，HIP可以受益于粉末的振实密度大于合金理论密度的～60%，以便在HIP之后实现全密度。其他粉末加工方法可以受益于粉末的高流动性和/或铺展性，例如在增材制造期间。不规则和薄片状的粉末具有差的流动性质，使得它们难以或不可能加工。因此，微波等离子体加工可以将不规则和薄片状的粉末转变成球形粉末，其可以用于各种制造过程。

由于在微波等离子体过程中停留时间较短，估计在高温下至多几百毫秒，粉末部分熔融，这将增加机械合金化粉末的均匀化。

通过利用热的机械合金化颗粒的微波等离子体加工的加速加工增加了合金化元素扩散到颗粒本体中，因此增加了均匀性。在等离子体加工之后，球形HEA粉末则可以用各种工业粉末固结方法加工以使HEA进入主流工业加工，所述工业粉末固结方法例如但不限于增材制造(AM)、金属注射成型(MIM)、粉末锻造和热等静压(HIP)。

在原料由机械合金化产生之后，原料包含特定的材料组成。用于微波等离子体加工的过程参数组可以基于材料组成来选择。可以修整过程参数以允许改变均匀合金化和/或球化。

这组过程参数可以包括微波功率、等离子体气体流量、气体类型、等离子体羽流长度、等离子体羽流直径、等离子体射流速度、排气室压力、淬火气体、排气气体速度、相对于等离子体射流速度的原料速度、进料气体流量和原料进料速率或其组合。这组过程参数还可以包括等离子体、等离子体羽流和/或等离子体排气中原料进入的部分。例如，如果期望较冷的温度，则可以将原料进料到等离子体排气的较冷区域。

如本文所公开，熔融可以包括完全熔融、部分熔融或熔融特定原料的表面。

原料

用于微波等离子体加工的原料可以通过机械合金化来开发。有利地，机械合金化可以开发通过其他合金化方法如电弧熔融和感应熔融以其他方式难以或不可能制造的合金。可以用机械合金化形成的独特合金包括HEA，已经证明HEA在实验室规模上具有优于常规合金的独特性质。

在机械合金化中，可以机械研磨原料以实现均匀化，这可以使用XRD技术测量/监测。随着机械合金化时间的增加，在XRD光谱上出现不同的峰，表明形成了合金化相。继续研磨，直至获得稳定的XRD光谱，所述稳定的XRD光谱是不随研磨时间增加而改变的光谱，由此表明是化学上稳定的合金。

由于强烈的机械研磨，所得粉末高度不规则和为薄片状。例如，不规则粉末可以是具有不规则或有角形态的颗粒，例如为水雾化粉末。另一方面，薄片状粉末可以具有相对大的纵横比并且薄，具有非常低的表观密度和堆积密度，这使得它们难以流动、铺展和加工。不规则和薄片状的粉末都不适合工业粉末固结方法。

然而，已经证明由机械研磨得到的粉末是用于微波等离子体加工的理想原料。微波等离子体加工可以使不规则或薄片形式的经机械加工的粉末球化。图1描绘了在研磨过程期间示例性原料粉末随时间的转变。示出了对已经机械研磨1小时、4小时、8小时和17小时的粉末进行的XRD扫描。如所示，随着时间的增加，XRD扫描中的若干峰衰减或基本上消失。此外，新的峰增强或出现，表明合金化相的形成或增加。

HEA由于其非凡的特性而受到若干应用的关注。例如，对于医疗植入物，与目前使用的Ti-6Al-4V合金相比，TiZrNbTaFe HEA已经显示大大改进的耐腐蚀性。AlFeVSi合金可以具有高强度和高热稳定性，通过潜在的结构重量减轻使其在航空航天工业中受到关注。类似地，已经显示FeCoNiCrTi或FeCoNiCrAl HEA在室温下实现了非凡的拉伸性质，使得它们对于许多工业应用具有吸引力。在一些实施方案中，可以使用FeCoCrNiCu HEA。

当用微波等离子体加工进行球化时，机械合金化的粉末产生高度球形的粉末。然后，这种球形粉末可以用作各种工业固结方法的原料材料，所述工业固结方法如增材制造、金属注射成型、粉末锻造和热等静压。有利地，机械研磨的粉末的微结构(或纳米结构)可以在整个加工中、例如在等离子体加工之后保持。

图2显示示例性粉末(具有包括25Fe-17Co-17Cr-17Ni-16Cu的示例性组成)在微波等离子体加工球化之前和之后的XRD光谱。其他示例性组成包括Fe-25、Ni-19、Cr-13、Co-0.45、Ti-2.5、Mo-2.4、Nb-.4、Cu-0.2、Re。线202示出粉末原料在17小时的机械合金化之后但在微波等离子体加工之前的XRD曲线。线204示出粉末原料在微波等离子体加工之后的XRD曲线。

如所示，合金在球化过程之后更加均匀化。均匀化是指由起始的个体元素粉末形成合金。这可以从XRD光谱中看出，其中代表元素的个体峰消失，并且合金峰出现。球化之后，合金峰更明确，消除了剩余的背景峰，表明机械合金化粉末的均匀化增强。因此，微波等离子体加工不仅使粉末原料球化，而且使原料进一步均匀化。

通过适当的优化，可以减少机械合金化的研磨时间，原因是可以使用微波等离子体加工球化完成均匀化。不受单一理论的限制，由于研磨产生细化的粒子，机械合金化大大降低了粉末内的扩散距离。因此，在机械合金化之后，在微波等离子体加工期间，扩散可以在高温下迅速发生，由此增强通过机械合金化产生的合金的均匀化。因此，微波等离子体加工可以产生与用于机械合金化的长时间研磨类似的均匀化。当原料被微波等离子体加工时，可以缩短研磨时间。

机械合金化也可以用于除HEA以外的合金。任何现有的合金都可以通过机械合金化来制造，例如，不锈钢如316和17-4型不锈钢，或Ni基Inconel如718、625、738等。本公开的实施方案可以有效且经济地用于开发新合金或改性现有合金以用于新兴固结技术如增材制造。

机械合金化是固态过程。因此在技术上任何合金都可以通过机械合金化来制造。然而，对于常规合金或可以在液态如熔融下制造的合金，这些过程比机械合金化快得多且经济得多。因此它们很少用于这类合金。然而，机械合金化也可以用于生产可以在液态如熔融下制造的合金。

球化

在一些实施方案中，通过等离子体加工获得的最终颗粒可以是球形或类球形的，这些术语可以互换使用。有利地，通过使用与所公开的每一种不同原料相关的关键和具体公开内容，所有原料都可以转化为球形粉末。

本公开的实施方案涉及生产基本上球形或类球形的或已经经历显著球化的颗粒。在一些实施方案中，球形、类球形或球化颗粒是指球形度大于特定阈值的颗粒。颗粒球形度可以通过使用以下等式计算体积与颗粒体积V相匹配的球体的表面积As,理想来计算：

γ理想=

As,理想= 4πγ理想²

然后将理想化表面积与颗粒的测量表面积As,实际相比：

球形度 = 。

在一些实施方案中，颗粒可以具有大于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)的球形度。在一些实施方案中，颗粒可以具有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)的球形度。在一些实施方案中，颗粒可以具有小于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)的球形度。在一些实施方案中，如果颗粒具有处于或高于任何上述球形度值的球形度，则认为这种颗粒是球形、类球形或球化的，并且在一些优选的实施方案中，如果颗粒的球形度处于或约为0.75或更大或处于或约为0.91或更大，则认为这种颗粒是球形的。

在一些实施方案中，给定粉末内的所有颗粒的中值球形度可以大于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形度可以小于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全部或阈值百分比(如由以下任何分数所描述)的颗粒具有大于或等于任何上述球形度值的中值球形度，则认为粉末被球化，并且在一些优选的实施方案中，如果全部或阈值百分比的颗粒具有处于或约为0.75或更大或处于或约为0.91或更大的中值球形度，则认为粉末被球化。

在一些实施方案中，粉末内可以高于给定球形度阈值(例如如上所述)的颗粒的分数可以大于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，粉末内可以高于给定球形度阈值(例如如上所述)的颗粒的分数可以小于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%)。

粒度分布和球形度可以通过任何合适的已知技术来测定，例如通过SEM，光学显微镜，动态光散射，激光衍射，使用图像分析软件手动测量尺寸，例如在相同材料切片或样品的至少三个图像上每个图像测量约15-30次，以及任何其他技术。

微波等离子体加工

可以根据粉末初始条件优化过程参数以获得最大球化。对于各原料粉末特性，可以优化过程参数以获得特定的结果。美国专利公开号2018/0297122、美国专利号8,748,785和美国专利号9,932,673公开了可以在所公开的方法中使用，尤其是用于微波等离子体加工的某些加工技术。因此，美国专利公开号2018/0297122、美国专利号8,748,785和美国专利号9,932,673通过引用整体并入，并且所述技术应当被认为适用于本文所述的原料。

本公开的一个方面涉及一种使用微波产生的等离子体球化金属和金属合金的方法。粉末原料被夹带在惰性和/或还原性和/或氧化性气体环境中，并被注入微波等离子体环境中。在注入热等离子体中时，原料被球化并释放到充满惰性气体的室中，并被导入气密密封桶中，在此其被存储。这种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，并且当所述桶充满球化金属或金属合金颗粒时更换桶。

可以控制球化金属和金属合金的冷却速率以策略性地影响粉末的微结构。通过控制过程参数，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结构。形成这些结构所需的精确冷却速率主要是材料内合金化元素的类型和量的函数。

冷却速率，尤其是当与微波等离子体羽流的一致且均匀的加热能力组合时，允许对最终微结构的控制。结果，上述方法可以应用于加工金属(例如，机械合金化和/或HEA)原料。

冷却加工参数包括但不限于冷却气体流速、球化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颗粒，淬火速率越高，由此允许锁定某些期望的微结构。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了颗粒的熔融程度(即，与颗粒的最内部分或核相比，颗粒的表面熔融)。

因此，熔融程度影响凝固所需的冷却程度，因此其是冷却过程参数。取决于颗粒熔融的程度，微结构变化可以并入整个颗粒中或仅其一部分中。停留时间可以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)的这类操作变量来调节。也可以使用设备改变来调节停留时间。例如，可以通过改变热区的横截面积来调节停留时间。

可以改变或控制的另一冷却加工参数是冷却气体的组成。某些冷却气体比其他冷却气体更导热。例如，认为氦是高导热性气体。冷却气体的导热性越高，球化颗粒可以越快地冷却/淬火。通过控制冷却气体的组成(例如，控制高导热性气体相比较低导热性气体的量或比率)，可以控制冷却速率。

如冶金学中已知，金属的微结构由金属的组成以及材料的加热和冷却/淬火决定。在本技术中，通过选择(或知道)原料材料的组成，然后将原料暴露于如由微波等离子体炬提供的具有均匀温度分布且在那里控制的等离子体中，随后选择和控制冷却参数，实现对球化金属颗粒的微结构的控制。另外，金属材料的相取决于原料材料的组成(例如，纯度、合金化元素的组成等)以及热加工。

在一个示例性实施方案中，在粉末状金属进料周围连续地吹扫惰性气体，以去除粉末进料斗内的氧气。然后将连续体积的粉末进料夹带在惰性气体内并进料到微波产生的等离子体中，用于脱氢或用于球化颗粒的组成/保持纯度。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，如美国专利公开号US 2013/0270261和/或美国专利号8,748,785、9,023,259、9,206,085、9,242,224和10,477,665中所述，其各自通过引用整体并入本文。

在一些实施方案中，将颗粒暴露于微波产生的等离子体内4,000 K至8,000 K的均匀温度分布。在一些实施方案中，将颗粒暴露于微波产生的等离子体内3,000 K至8,000 K的均匀温度分布。在等离子体炬内，粉末颗粒被快速加热和熔融。液体对流加速了H2在整个熔融颗粒中的扩散，使氢气(H2)连续地到达液体金属氢化物的表面，在此处它离开颗粒，相对于固态过程减少了每个颗粒需要处于过程环境内的时间。由于过程内的颗粒夹带在惰性气体如氩气内，所以颗粒之间的接触通常是最小的，从而大大减少了颗粒团聚的发生。因此，大大减少或消除了对后加工筛分的需要，并且所得粒度分布实际上可以与输入进料材料的粒度分布相同。在示例性实施方案中，在最终产品中保持进料材料的粒度分布。

在等离子体内，熔融金属由于液体表面张力而被固有地球化。由于微波产生的等离子体表现出基本均匀的温度分布，可以实现超过90%(例如，91%、93%、95%、97%、99%、100%)的颗粒球化。在离开等离子体之后，颗粒在进入收集仓之前被冷却。当收集仓充满时，可以将它们移走并且根据需要用空仓替换而不停止所述过程。

图3是示出根据本公开的一个实施方案的用于生产球形粉末的示例性方法(250)的流程图。在这个实施方案中，方法(250)通过将进料材料引入等离子体炬(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，导致材料熔融，如上所述(260)。如上所讨论，通过表面张力球化熔融材料(260b)。在离开等离子体之后，产品冷却并凝固，锁定为球形，然后被收集(265)。

在一些实施方案中，仔细控制对于仓的环境和/或密封要求。也就是说，为了防止粉末的污染或潜在氧化，对于应用修整仓的环境和/或密封。在一个实施方案中，所述仓处于真空下。在一个实施方案中，在用根据本技术产生的粉末充满之后，将仓气密密封。在一个实施方案中，将仓用惰性气体如氩气回填。由于所述过程的连续性质，一旦仓被充满，则可以将其移走并且根据需要用空仓替换而不停止等离子体过程。

根据本公开的方法和过程可以用于制备粉末，例如球形粉末。

在一些实施方案中，可以控制本文讨论的加工如微波等离子体加工，以防止和/或最少化某些元素在熔融期间逸出原料，这可以保持所需的组成/微结构。

图4示出根据本公开的实施方案的可以在粉末生产中使用的示例性微波等离子体炬。如上所讨论，可以将进料材料9、10引入微波等离子体炬3，其维持微波产生的等离子体11。在一个示例性实施方案中，夹带气流和鞘流(向下箭头)可以通过入口5注入，以在经由微波辐射源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，夹带流和鞘流都是轴对称的和层流的，而在其他实施方案中，所述气流是涡流的。将进料材料9轴向引入微波等离子体炬中，在此它们被将材料引向等离子体的气流夹带。如上所讨论，所述气流可以由周期表中的惰性气体例如氦、氖、氩等组成。在微波产生的等离子体内，为了使材料球化，将进料材料熔融。可以使用入口5引入过程气体，以沿着轴线12将颗粒9、10向等离子体11夹带并加速。首先，通过使用通过等离子体炬内的环形间隙产生的核层流气流(上部箭头组)夹带来加速颗粒9。第二层流(下部箭头组)可以通过第二环形间隙产生，以对于介电炬3的内壁提供层流鞘，从而保护其不因来自等离子体11的热辐射而熔融。在示例性实施方案中，层流将颗粒9、10沿着尽可能靠近轴线12的路径引向等离子体11，从而将它们暴露于等离子体内的基本上均匀的温度。

在一些实施方案中，存在合适的流动条件以防止颗粒10到达等离子体炬3的内壁，在此可能发生等离子体附着。颗粒9、10由气流导向微波等离子体11，在此各自经历均匀的热处理。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 ³℃/秒。如上所讨论，在这个特定的实施方案中，气流是层流；然而，在替代实施方案中，可以使用涡流或湍流将进料材料引向等离子体。

图5A-B示出示例性微波等离子体炬，其包括侧面进料斗而不是图4的实施方案中所示的顶部进料斗，从而允许下游进料。因此，在这个实施方式中，原料在微波等离子体炬施放器之后注入，以在微波等离子体炬的“羽流”或“排气”中加工。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，与关于图4讨论的顶部进料(或上游进料)相反。这种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，避免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粉末的最佳熔融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。

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，例如美国专利公开号2018/0297122中描述，或涡流炬，在US 8,748,785 B2和US 9,932,673 B2中描述。图5A和图5B两者显示可以用环形炬或涡流炬实施的方法的实施方案。使用在等离子体炬出口处与等离子羽流紧密耦合的进料系统来轴对称地进料粉末以保持过程均匀性。

其他进料配置可以包括围绕等离子体羽流的一个或若干个个体进料喷嘴。原料粉末可以从任何方向进入等离子体在一个点处，并且可以从围绕等离子体360°的任何方向进料到等离子体内的该点中。原料粉末可以沿着等离子体羽流的长度在具体位置进入等离子体，在此已经测量了具体温度并且估计出颗粒充分熔融的停留时间。熔融的颗粒离开等离子体进入密封室，它们在此淬火，然后收集。

可以将进料材料314引入微波等离子体炬302中。可以使用料斗306以在将进料材料314进料到微波等离子体炬302、羽流或排气中之前储存进料材料314。进料材料314可以以与等离子体炬302的纵向方向呈5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的任何角度注入。在一些实施方案中，原料可以大于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的角度注入。在一些实施方案中，原料可以小于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50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向轴线注入。

微波辐射可以通过波导304引入等离子体炬。将进料材料314进料到等离子体室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，进料材料熔融。当仍在等离子体室310中时，进料材料314在被收集到容器312中之前冷却并凝固。或者，进料材料314可以在仍处于熔融相时离开等离子体室310，并在等离子体室外冷却和凝固。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，但图5A-5B的实施方案应理解为使用与图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方式可以使用下游涡流、延长的球化或淬火。下游涡流是指可以从等离子体炬下游引入以保持粉末不接触管壁的额外涡流分量。延长的球化是指延长等离子体室以给予粉末更长的停留时间。在一些实施方式中，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，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，可以使用下游涡流、延长的球化或淬火中的两种。

从下方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。当涂层变得过于显著时，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少。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，消除了这个区域中的涂层，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，由于涂层问题减小，下游途径可以允许所述方法运行较长的持续时间。此外，下游途径允许注入更多粉末的能力，因为不需要使涂层最小化。

从前面的描述中，将理解的是，公开了用于机械合金化的和/或HEA粉末的本发明加工方法。虽然已经以一定程度的特定性描述了若干组件、技术和方面，但显而易见的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文上面描述的具体设计、构造和方法进行许多改变。

在本公开中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合地实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以在上文描述为以某些组合起作用，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从这个组合中去除，并且这个组合可以作为任何子组合或任何子组合的变型而要求保护。

此外，虽然方法可以以特定顺序在附图中描绘或者在说明书中描述，但是这类方法不需要以所示出的特定顺序或按依次顺序执行，并且不需要执行所有方法来实现期望的结果。未描绘或描述的其他方法可以并入示例性方法和过程中。例如，可以在任何所描述的方法之前、之后、同时或之间执行一种或多种另外的方法。另外，这些方法可以在其他实施方式中重新布置或重新排序。而且，上述实施方式中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的组件和系统通常可以一起集成在单一产品中或者包装成多个产品。另外，其他实施方式在本公开的范围内。

除非另外特别说明，或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则例如“可以(can)”、“能够(could)”、“可能(might)”或“可(may)”的条件语言通常旨在表达某些实施方案包括或不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这类条件语言通常并非旨在暗示一个或多个实施方案以任何方式需要特征、元件和/或步骤。

除非另外特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个(种)”的连接语言连同通常所用的上下文以其他方式理解为表达项目、术语等可为X、Y或Z。因此，这样的连接语言通常并非旨在暗示某些实施方案需要存在X中的至少一个(种)、Y中的至少一个(种)和Z中的至少一个(种)。

本文使用的程度的语言，诸如本文所使用的术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”表示接近所述值、量或特性的值、量或特性，这些值、量或特性仍然执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”可指在所述量的小于或等于10%内、小于或等于5%内、小于或小于1%内、小于或等于0.1%内以及小于或等于0.01%内的量。如果所述量是0(例如，没有、不具有)，则上述范围可为具体范围，并且不在所述值的特定百分比内。例如，在小于或等于所述量的10重量/体积%内，在小于或等于5重量/体积%内，在小于或等于1重量/体积%内，在小于或等于0.1重量/体积%内以及在小于或等于0.01重量/体积%内。

本文中与各种实施方案有关的任何特定特征、方面、方法、性质、特性、品质、属性、元素等的公开内容可用于本文阐述的所有其他实施方案中。另外，将认识到，可使用适合执行所述步骤的任何装置来实践本文中所描述的任何方法。

虽然已经详细描述了众多实施方案及其变型，但是使用其的其他修改和方法将对本领域技术人员显而易见。因此，应该理解，在不脱离本文的独特且发明性的公开内容或权利要求的范围的情况下，各种应用、修改、材料和替代物可由等同物构成。