DE69229707T2

DE69229707T2 - Kontrolliertes Verfahren zur Erzeugung eines pulverisierten Metalltropfenstrahls

Info

Publication number: DE69229707T2
Application number: DE69229707T
Authority: DE
Inventors: Roy Walter Christensen; David Paul Mourer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-11-03
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2012-11-04
Also published as: EP0541327B1; CA2080184A1; EP0541327A3; EP0541327A2; JPH05214411A; US5176874A; DE69229707D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Gegenständen aus zerstäubten (atomisiserten) Metallen und insbesondere auf die Bildung und Steuerung von einem Sprühkegel von zerstäubten Metalltröpfchen und auf eine Einrichtung zur Herstellung von Gegenständen auf diese Weise.
Bei einem üblichen Verfahren zum Formen metallischer Gegenstände wird eine Metallegierung geschmolzen und dann in eine Form gegossen. Die Formkammer kann die Form von dem fertigen Gegenstand haben, wobei ein gegossener Gegenstand erzeugt wird. Alternativ kann die Formkammer eine Zwischenform haben, und der daraus resultierende Körper oder Gußblock wird weiter bearbeitet, um einen geschmiedeten fertigen Gegenstand zu erzeugen. In jedem Falle ändert sich die Erstarrungsgeschwindigkeit des Metalles über breiten Bereichen und erzeugt breite Änderungen in der Struktur, insbesondere wo der Gegenstand eine große Größe hat. Darüber hinaus hat die innere metallurgische Mikrostruktur des Gegenstandes häufig Unregelmäßigkeiten, die seine Verwendung stören. Derartige Inhomogenitäten, wie beispielsweise chemische Segregation und Änderungen in der Korngröße, und Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise Fehlstellen, Porösität und nicht-metallische Einschlüsse, können häufig nach erheblichen Bemühungen, sie zu beseitigen, fortbestehen.
Gegenstände können auch durch die Verwendung von Zerstäubungstechniken einer Schmelze erzeugt werden. Bei dieser Lösung wird Metall geschmolzen und zu kleinen Tröpfchen zerstäubt bzw. atomisiert. Die Tröpfchen kann man dann in dieser Form als Pulver erstarren lassen, und das Pulver wird zu dem Gegenstand geformt. Obwohl diese Lösung als ziemlich indirekt erscheinen könnte, hat sie wichtige Vorteile bei der Erzielung größerer und gleichförmigererer Erstarrungsraten der Struktur, regelmäßigerere metallurgische Strukturen und weniger Abfall im Vergleich zu maschinell bearbeiteten Produkten. Eine damit in Beziehung stehende Technik besteht darin, den Sprühkegel von geschmolzenen Tröpfchen auf einer Form oder einem Substrat abzuscheiden, wobei die Masse des Metalls graduell aufgebaut wird, bis der Gegenstand geformt ist. Der Gegenstand kann die erforderliche endgültige Form haben oder eine Bramme sein, die zu der endgültigen Form weiter bearbeitet wird. Diese Lösung wird verwendet, um rasch erstarrte Strukturen mit homogenen metallurgischen Mikrostrukturen zu erzielen, und diese benötigen meistens nur wenig nachfolgende Bearbeitung bis zu der endgültigen Form. Beispiele dieser Lösung sind in US-A-5,004,153 und in EP-A-0,225,080 beschrieben.
Obwohl die Metallsprühlösung die Struktur des Gegenstandes wesentlich verbessert, kann das Verfahren verbessert werden, indem eine bessere Steuerung des Metallsprühkegels erzielt wird. Beispielsweise können die Charakteristiken des fertigen Gegenstandes von dem Weg abhängen, auf dem der Sprühkegel von geschmolzenen Metalltröpfchen gebildet wird. Oder bei der Lösung, wo der Sprühkegel von Gegenständen auf einem Substrat abgeschieden wird, selbst wenn eine relativ regelmäßige Form, wie beispielsweise eine zylindrische Bramme, durch Metall gebildet wird, das auf ein Ende von dem Körper gesprüht wird, ist die Mikrostruktur nahe dem äußeren Umfang der Bramme relativ feiner in der Größe als diejenige nahe der Mittellinie von der Bramme. Der äußere Umfang kühlt sich schneller ab als die Mittellinie, was eine Schwierigkeit der Anhaftung der gesprühten Partikel an den Flächen auf dem Umfang zur Folge haben kann, wodurch die Verfahrensausbeute verkleinert wird, und es kann eine Porösität, Rißbildung und Verformung an der Mittellinie zur Folge haben. Zusätzlich sind einige geschmolzene Materialien, einschließlich der reaktiven Metalle, wie beispielsweise Titan, extrem reaktiv mit den keramischen Materialien, die zur Erzeugung metallischer und metallisch-basierter Produkte durch konventionelle Techniken erforderlich sind. Prozesse für die Produktion derartiger Materialien, wie beispielsweise Sprühzer stäubung, um Metalltröpfchen und Pulver (nach der Erstarrung) zu erzeugen, sind unökonomisch aufgrund der kurzen erzielbaren Produktionsläufe. Alternativ werden bei längeren Läufen die Kontaminationswerte unakzeptabel vom Standpunkt mechanischer Eigenschaften, weil Eigenschaften, wie beispielsweise Langzeitermüdung, stark beeinflußt werden durch Feststoffkontamination der Schmelze, insbesondere aufgrund der Kontamination von nicht-metallischen Einschlüssen.
Ferner kann die Düse mit einem Kaltherd-Schmelzsystem verbunden sein, wobei das geschmolzene Material nur eine Schale aus der gleichen Zusammensetzung wie die Schmelze kontaktiert, wobei eine Kontamination aus den Einschlußbehältern der Schmelze oder der Strömungssteuerungsdüse verhindert wird. Die Verbindung eines halb-kontinuierlichen Zufuhrsystems mit einem Kaltherd-Schmelzsystem und die hier offenbarte Erfindung ermöglichen eine ausgedehnte ökonomische Erzeugung von einem Sprühkegel von zerstäubten Metalltröpfchen.
Es besteht deshalb ein Bedarf für eine verbesserte Technik zum Erzeugen eines Sprühkegels von geschmolzenem Metall und zum Abscheiden gesprühter Metallteilchen auf Substraten, um regelmäßigerere Makrostukturen und Mikrostrukturen zu erzielen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und sorgt weiterhin für damit in Beziehung stehende Vorteile.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 5 und 6 mit bevorzugten Ausführungsbeispielen in den Ansprüchen 2-4 und eine Einrichtung gemäß Anspruch 7 zum Verbessern der Makrostruktur und Mikrostruktur von Gegenständen, die durch eine Metallsprühlösung gebildet sind. Die Lösung gestattet, daß das Metallsprühverfahren besser gleichförmige, steuerbare Strukturen erzielt, als es bisher möglich war. Sie sorgt auch für eine verbesserte Steuerung der Metallsprüheinrichtung und für Stabilität gegen Fluktuationen in der Leistungsfähigkeit. Sie kann implementiert werden unter Verwendung bestehender Metallsprüheinrichtungen mit relativ geringfügigen zusätzlichen Kosten.
Gemäß der Erfindung enthält ein Verfahren zum Erzeugen eines Sprühkegels von zerstäubten Metalltröpfchen die Schritte, daß eine Einrichtung bereitgestellt wird, die einen Sprühkegel aus geschmolzenen Metalltröpfchen bildet, wobei die Einrichtung eine Metallquelle und einen Metallstromzerstäuber aufweist, ein Strom aus flüssigem Metall aus der Metallquelle erzeugt wird, und der Strom von flüssigem Metall mit dem Metallstromzerstäuber dadurch zerstäubt wird, daß ein Strom von Zerstäubungsgas auf den Metallstrom aufprallt, um den Sprühkegel vom geschmolzenen Metalltröpfchen zu bilden. Eine Steuerung wird durch selektives Verändern der Temperatur oder des Wärmegehaltes der Tröpfchen in dem Sprühkegel der geschmolzenen Metalltröpfchen erzielt, wobei der Schritt des selektiven Veränderns der Temperatur den Schritt enthält, daß die Strömungsrate des Metalls, die durch die Metallquelle erzeugt wird, als Antwort auf ein Befehlssignal verändert wird, und die Aufprallstelle des Sprühkegels von Metalltröpfchen auf ein massives Substrat abgetastet und ein Befehlssignal erzeugt wird, das die Aufprallstelle des Sprühkegels auf das Substrat angibt, so daß Tröpfchen, die eine vorgewählte Temperatur haben, auf eine vorgewählte Stelle auf dem Substrat gerichtet werden.
Gemäß einem anderen Aspekt enthält ein Verfahren zum Bilden eines massiven Gegenstandes aus Metall die Schritte, daß ein Strom von flüssigem Metall aus einer Quelle von flüssigem Metall erzeugt wird, selektiv die Strömungsrate des Stroms von flüssigem Metall als Antwort auf ein erstes Befehlssignal und ein zweites Befehlssignal verändert wird, und der Metallstrom zerstäubt wird, um einen Sprühkegel von zerstäubten Metalltröpfchen zu bilden, die auf ein massives Substrat gerichtet sind, das so angeordnet ist, daß die Metalltröpfchen an dem Substrat anhaften. Das erste Befehlssignal gibt die Stelle des Aufpralls des Sprühkegels von Metalltröpfchen auf dem massiven Substrat an, und das zweite Befehlssignal gibt den Betrieb der Quelle des flüssigen Metalls an.
Die Zerstäubung wird häufig durch den Aufprall von einem Gasstrom auf den Metallstrom herbeigeführt. Der Sprühkegel der zerstäubten Tröpfchen kann durch das Verhältnis (Verhältnis G/M) der Masseströmungsrate des Zerstäubungsgases G zu der Metallmasse-Strömungsrate M charakterisiert werden. Je höher dieses Verhältnis ist, desto kälter ist das Metall in dem Sprühkegel. Unterschiedliche Bereiche auf einem Substrat können unterschiedliche G/M Verhältnisse des gesprühten Metalls erfordern, um eine Optimierung der Struktur zu erzielen. Beispielsweise kühlt sich Metall, das auf einen äußeren Abschnitt von einem zylindrischen Brammengegenstandssubstrat nahe dessen Umfang gesprüht ist, nach dem Aufprall schneller ab, als es Metall tut, das auf den inneren Abschnitt nahe der Mittellinie der Bramme gesprüht ist. Um also eine gleichförmigere abgeschiedene Struktur über dem Brammengegenstand zu erzielen, ist es wünschenswert, daß der Metallsprühkegel heißer (kleines G/M) ist, wenn er auf den äußeren Bereich gerichtet ist, und kälter (großes G/M) ist, wenn er auf den inneren Abschnitt von der Bramme oder dem Gegenstand gerichtet ist.
Im Prinzip kann entweder der Gehalt an Gas (G) oder der Gehalt an Metall (M) des Sprühkegels verändert werden, um das G/M Verhältnis zu steuern. Da das Metall eine viel höhere Wärmekapazität hat als das Gas und von der Kühlung des Gases erstarrt, haben erzielbare Änderungen in der Metallströmungsrate eine viel größere Wirkung auf das G/M Verhältnis als es Änderungen in dem Gasgehalt haben. Darüber hinaus kann der Gasgehalt nicht einfach über breite Bereiche verändert werden aufgrund der Notwendigkeit, eine volle Zerstäubung des Stroms zu erzielen. Die gegenwärtige bevorzugte Lösung ist deshalb auf die Steuerung der Strömungsrate des Metalls in dem zerstäubten Metallsprühkegel gerichtet.
Die Metallsprüheinrichtung ist mit einer steuerbaren Sprühdüse oder einer anderen Vorrichtung versehen, die selektiv die Strömungsrate des Stroms aus flüssigem Metall verändert. Die gewählte Strömungsrate wird durch ein Befehlssignal gesteu ert, das aus gelieferter Information über die Lage des Substrats, das besprüht wird, und die Richtung des Metallsprühkegels erzeugt wird. Die Strömungsrate des flüssigen Metalls kann auch auf der Basis der Leistungsfähigkeit der Metallquelle eingestellt werden.
Wo das Befehlssignal die Position des Aufpralls des Sprühkegels auf das Substrat angibt, wird das Befehlssignal aus Information über die relative Lage und Orientierung des Sprühkegels und des Substrats generiert. Bei dem vorstehend in Verbindung mit der Bramme erörterten Beispiel, wenn der Sprühkegel gegen den äußeren Abschnitt von der Bramme gerichtet ist, wird die Metallströmungsrate vergrößert, um ein kleineres G/M Verhältnis und folglich einen heißeren Sprühkegel zu erzeugen. Wenn umgekehrt der Sprühkegel gegen den inneren Abschnitt von der Bramme gerichtet ist, wird die Metallströmungsrate verkleinert, um ein höheres G/M Verhältnis und einen kälteren Sprühkegel zu erzeugen.
Das Befehlssignal kann auch ein Maß für den Betrieb der Metallquelle sein. Beispielsweise könnte eine Schwankung in dem Druck des aus der Quelle fließenden Metalls aufgrund einer Änderung in der hydrostatischen Säule (Höhe des geschmolzenen Metalls) in den Schmelzherd auftreten. Das Befehlssignal würde diese kleinere hydrostatische Säule reflektieren und die Strömungsrate des Metalls M modifizieren, bis die stationäre hydrostatische Säule zurückgewonnen ist, indem die Metallmenge, die dem Schmelzherd zugeführt wird, verändert wird. Wenn jedoch die Strömungsrate des Metalls geändert wird, ändert sich natürlich das G/M Verhältnis. Das vorliegende Verfahren kann auf einem von mehreren Wegen betrieben werden, die auf diese Änderung in dem G/M Verhältnis ansprechen. Die Strömungsrate des Zerstäubungsgases G kann auf einfache Weise verändert werden, um das G/M Verhältnis konstant zu halten, wobei die Strömungsrate des Zerstäubungsgases kontinuierlich eingestellt wird, wenn der Wert des Metalls in den Herd zu seinem richtigen Wert zurückkehrt. Alternativ kann die Handhabung der Sprühabscheidung eingestellt werden, um ein gleichförmiges Abscheidungsprofil bei den kleineren Metallströmungsraten aufrechtzuerhalten, bis der Herd zu seinem richtigen Wert zurückkehrt. In einem anderen Typ des Ansprechverhaltens auf die Änderung in der Metallhöhe kann ein Befehlssignal an den Mechanismus geliefert werden, das den Metallsprühkopf relativ zu dem Brammengegenstand so positioniert, daß der Metallsprühkegel überwiegend auf die Bereiche gerichtet würde, die die gesprühten Tröpfchen mit dem gegenwärtig verfügbaren G/M Verhältnis benötigen, bis die hydrostatische Säule zum Normalen zurückgekehrt ist.
Ein wichtiges Ergebnis dieser Steuerarten ist, daß die Abscheidungen des gesprühten Metalls über der gesamten abgeschiedenen Fläche gleichförmiger sind als wenn keine Metallströmungssteuerung vorgesehen wäre. Die Kombination von Wärmegehalt des Metalls und Position auf dem Substrat hält den Charakter der gesprühten Tröpfchen relativ gleichförmig, so daß die Struktur des abgeschiedenen Metalls weniger Änderung über der Fläche des Substrats hat.
In einer anderen Situation, die in der Praxis auftreten kann, kann die Temperatur oder Überhitzung des geschmolzenen Metallstroms von derjenigen abweichen, die erwünscht ist, um die optimale metallurgische Mikrostruktur zu erzeugen. In diesem Fall kann die Änderung durch gesteuertes Verändern der Gasströmungsrate G, der Metallströmungsrate M, dem Ort der Abscheidung oder irgendwelchen Kombinationen davon aufgenommen werden, bis die Temperatur zu ihrem stationären Wert zurückkehrt.
Die vorliegende Erfindung schlägt auch Einrichtungen vor zum Erzeugen von Gegenständen mit gleichförmiger Mikrostruktur und gleichförmiger Makrostruktur. Die Gegenstände werden durch die Einrichtung durch einen inkrementalen Aufbau von einem Metall durch Abscheidung von Tröpfchen aus einem Metallsprühkegel gebildet, der von einem Strom geschmolzenen Metalls gebildet wird. Das Metall wird inkremental auf einem Substrat abgeschieden.
Der Gegenstand selbst hat einen Umfangsabschnitt und einen Mittelabschnitt. Die Einrichtung steuert die Temperatur der Tröpfchen so, daß die Sprühtröpfchen, die auf dem Umfang abgeschieden werden, auf einer niedrigeren Temperatur sind als die Tröpfchen, die an dem Mittelabschnitt des Gegenstandes abgeschieden werden. Wegen der Mechanismen der Wärmeübertragung erzeugt dieses Abscheidungsmuster eine gleichförmigerere Abkühlrate über den Gegenstand, was seinerseits einen Gegenstand mit einer im wesentlichen gleichförmigen Mikrostruktur und einer gleichförmigen Makrostruktur erzeugt.
Die Einrichtung wird von einem Behälter mit wassergekühlten Wänden gebildet. Die wassergekühlten Wände schließen natürlich das Metall in dem Behälter ein. Das Metall kann in dem Behälter geschmolzen werden oder kann in einer anderen Schmelzquelle geschmolzen und in diesen Schmelzbehälter eingeführt werden. Der Behälter enthält auch eine Düse zum Abgeben des geschmolzenen Metalls aus dem Behälter. Die Düse ist an irgendeinem Punkt in dem Behälter unterhalb des geschmolzenen Metalls angeordnet. Es ist bevorzugt, daß die Düse die Fähigkeit hat, die Strömungsrate des von ihr abgegebenen Metalls zu verändern, obwohl dies keine absolute Voraussetzung ist, da das abgegebene Metall auch bis zu einem gewissen Grad gesteuert werden kann, indem die Metallsäule gesteuert wird, das heißt die Höhe des geschmolzenen Metalls oberhalb der sich in den Behälter erstreckenden Düsenöffnung.
Das geschmolzene Metall, das durch die Düse abgegeben wird, hat die Form eines Stroms. Der Strom wird zu einer Einrichtung zum Formen eines Metallsprühkegels gerichtet. Obwohl irgendein Mittel verwendet werden kann, ist das Sprühkegelformmittel der bevorzugten Einrichtung ein Gasstrahl. Dieser Typ des Mechanismus enthält eine Gaskammer, eine Gasquelle, wie beispielsweise einen Tank mit inertem Gas, und eine Verbindung zwischen dem Tank und der Kammer, damit das inerte Gas zwischen der Quelle und der Kammer strömen kann. Innerhalb der Kammer ist ein Gasstrahl auf den Metallstrom gerichtet, so daß sich ein Metallsprühkegel bildet. Eine Gasregelvorrichtung, die zwi schen der Gasquelle und der Gaskammer angeordnet ist, steuert die Gasströmung von der Gasquelle zu der Kammer, wobei die Gasströmungsrate auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der erforderlich ist. Die den Metallsprühkegel bildende Einrichtung ist vorzugsweise direkt unter der Düse angeordnet, so daß der Strom geschmolzenen Metalls durch Schwerkraft zu der den Sprühkegel bildenden Einrichtung geleitet werden kann.
In der Einrichtung werden mehrere Sensoren verwendet, um den Prozeß zu regeln und zu steuern. Ein Quellensensor ist vorzugsweise oberhalb der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Behälter angeordnet, obwohl der Sensor auch innerhalb des Bades angeordnet sein kann. Dieser Sensor überwacht sowohl die Temperatur des Bades aus geschmolzenem Metall als auch die Höhe des Bades aus geschmolzenem Metall innerhalb des Behälters. Dieser Sensor kann eine einzige Einheit mit zwei getrennten Elementen sein oder er kann zwei einzelne Einheiten aufweisen. Ein Stromsensor ist unterhalb der Düse und in großer Nähe zu dem Strom des geschmolzenen Metalls angeordnet, der von der Düse abgegeben wird. Dieser Sensor detektiert die Temperatur des Metallstroms, bevor er in die Sprühkegelformeinrichtung eintritt. Ein Stromdurchmessersensor, der ebenfalls nahe dem geschmolzenen Metallstrom und unterhalb der Düse angeordnet ist, überwacht den Durchmesser des Metallstroms, wenn dieser die Düse verläßt und bevor er in die den Sprühkegel bildenden Einrichtung eintritt. Jeder dieser Sensoren ist in der Lage, ein Signal zu senden, und er sendet ein Signal, das ein Maß für die überwachte Funktion ist.
Die Einrichtung enthält auch eine Befestigungsvorrichtung zum Halten und Positionieren des Substrats relativ zu dem Metallsprühkegel. Die Befestigungsvorrichtung enthält wenigstens einen Sensor zur Anzeige der Position des Substrats innerhalb der Befestigungsvorrichtung, der ein Signal oder Signale sendet, die die Substratposition innerhalb der Befestigungsvorrichtung anzeigen.
Die den Sprühkegel bildende Einrichtung enthält auch einen Positioniersensor, der die Position des Sprühauslasses angibt und der ein Signal sendet, das den Sprühauslaß anzeigt. Dieser Sensor gestattet die Ermittlung der Richtung des Sprühkegels.
Die Einrichtung enthält auch eine Vielkanal-Steuerung, die in der Lage ist, Signale zu empfangen und zu senden. Die Steuerung empfängt Signale von jedem der Sensoren. Diese Signale gestatten der Steuerung zu ermitteln, ob jede der überwachten Funktionen auf einem vorgewählten und vorbestimmten Pegel ist. Als Antwort auf diese Signale und die entsprechende Ermittlung sendet die Steuerung Signale, um jede der überwachten Funktionen nach Erfordernis zu verändern.
Die Einrichtung enthält auch Mittel zum Einstellen jeder der überwachten Funktionen als Antwort auf Signale, die von der Steuerung gesendet werden. Um die Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Behälter zu steuern, ist eine Wärmequelle über dem Behälter angeordnet. Die Wärmequelle stellt die Temperatur des geschmolzenen Metalls als Antwort auf das Signal von der Steuerung ein. Obwohl irgendeine Heizeinrichtung verwendet werden kann, sind ein Plasmabrenner oder eine Elektronenkanone bevorzugte Heizeinrichtungen.
Die den Sprühkegel bildende Einrichtung enthält eine Vorrichtung zum Bewegen der den Sprühkegel bildenden Einrichtung als Antwort auf ein Signal von der Steuerung. Üblicherweise wird ein Motor verwendet, der als Antwort auf das Signal aktiviert wird. Die Befestigungsvorrichtung enthält eine ähnliche Vorrichtung, die in einer ähnlichen Weise betätigt wird.
Die Einrichtung enthält auch ein Mittel zum Einstellen des Durchmessers des Stroms aus geschmolzenem Metall als Antwort auf ein Signal von der Steuerung. Dies erfolgt als Antwort auf ein Signal von der Steuerung. Diese Vorrichtung kann eine einstellbare Düse sein. Das Mittel zum Einstellen des Metalldurchmessers kann recht einfach die Steuerung der Höhe des Me talls in dem Behälter sein, da der Durchmesser, in einem kleinen Ausmaß, durch die Metallsäule gesteuert werden kann. Dieses Mittel spricht jedoch nicht schnell auf größere erforderliche Änderungen des Stromdurchmessers an. Eine bevorzugte einstellbare Düse enthält ein Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, das die Düse im wesentlichen umgibt und das eine elektromagnetische Kraft auf den geschmolzenen Metallstrom ausübt. Das Mittel zum Erzeugen der Kraft spricht auf ein Signal von der Steuerung an, so daß die Kraft verändert wird, wodurch der Durchmesser des Stroms vergrößert oder verkleinert wird, indem das elektromagnetische Feld nach Erfordernis verändert wird, um den Durchmesser beizubehalten oder auf einen vorgewählten Wert zu bringen. Die bevorzugte Einrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes enthält eine wassergekühlte, stromführende Stromschiene und eine HF Leistungsversorgung. Die Stromschiene ist vorzugsweise aus Kupfer und hat einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.
Um die Leistungsfähigkeit der Einrichtung darzustellen, ist die Steuerung beispielsweise zur Überwachung und, nach Erfordernis, der Einstellung der Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Behälter, in dem die Wärmequelle gesteuert wird, der Abscheidung des Metallsprühkegels auf dem Substrat, indem die Sprührichtung und die Substratposition gesteuert werden, der Abscheidungsrate auf dem Substrat, indem die Menge des gebildeten Sprühkegels durch Steuerung des Stromdurchmessers gesteuert wird, und der Temperatur des abgeschiedenen Metalls in der Lage, indem die Gasströmungsrate und die Temperatur des Metalls in dem Behälter gesteuert werden.
Die Einrichtung kann optional eine getrennte Schmelzquelle enthalten, die geschmolzenes Metall an den geschmolzenes Metall enthaltenden Behälter liefert. Diese Schmelzquelle ist in der Lage, ein Signal von der Steuerung zu empfangen, geschmolzenes Metall an den Behälter zu liefern. Wenn der Quellensensor detektiert, daß das geschmolzene Metall in dem Behälter unter eine vorgewählte Höhe abgefallen ist, kann ein Signal an die Steuerung gesendet werden, die ihrerseits ein Signal an die getrennte Schmelzquelle sendet, die Metall an den Schmelzbehälter überträgt. Eine derartige getrennte Schmelzquelle hat den Vorteil, in der Lage zu sein, schnell auf eine Verkleinerung in der Metallhöhe anzusprechen, indem ein verfügbares, fertiges Bad von geschmolzenem Metall bei oder nahe der gewünschten Temperatur gebildet wird.
Jedoch ist das System tolerant gegenüber Metallversorgungsschwankungen, die gelegentlich auftreten können, während trotzdem eine gleichförmige Makrostruktur und Mikrostruktur des abgeschiedenen Metalls beibehalten werden.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, die als Beispiel die Prinzipien der Erfindung darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht von einem Metallsprühsystem;
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht von einem Ausführungsbeispiel von einer Düse zum Verändern der Strömung des Metalls von der Metallquelle zu dem Zerstäuber;
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Düse gemäß Fig. 2 entlang der Linie 3-3;
Fig. 4 ist eine Seitenschnittansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel einer Düse zum Verändern der Strömung des Metalls von der Metallquelle zu dem Zerstäuber;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung von einem Steuersystem zum Verändern der Metallströmung als Antwort auf die Position des Metallsprühkegels;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von einem Steuersystem zum Verändern der Metallströmung als Antwort auf den Betrieb der Metallquelle; und
Fig. 7 ist ein Blockbild von einem Steuersystem zum Steuern der Metallsprüheinrichtung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Gemäß Fig. 1 bildet ein System 20 einen Sprühkegel von Tröpfchen aus geschmolzenem Metall und scheidet die Tröpfchen als festes gesprühtes Metall ab, um einen Gegenstand 22 zu formen. Das System 20 enthält eine Quelle 24 von geschmolzenem Metall, die einen Strom 25 des Metalls zu einer variablen Strömungsdüse 26 liefert. Die Quelle 24 ist irgendein in der Technik bekannter Typ, aber vorzugsweise ist sie eine Quelle des Kaltherdtyps, wobei sich ein Metallmantel zwischen dem geschmolzenen Metall und dem wassergekühlten Herd bildet.
Die Düse 26 steuert die Strömungsrate des hindurchtretenden Metallstroms. Derjenige Teil des Metallstroms, der durch die Düse 26 hindurchtritt, wird zu Tröpfchen zerstäubt durch einen Zerstäuber bzw. Atomisierer, der vorzugsweise einen Gasinjektionsring 28 aufweist, der einen Strom von inertem Gas nach innen gegen den Metallstrom richtet. Als Reaktion auf den Aufprall des Gasstroms wird der Metallstrom 25 in einen Metallsprühkegel 30 von kleinen Metalltröpfchen aufgebrochen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung trifft der Metallsprühkegel 30 auf ein Substrat 32 auf und erstarrt. Alternativ kann den zerstäubten Metalltröpfchen gestattet werden, während eines freien Fluges in einem Kühlturm zu erstarren und anschließend gesammelt zu werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Metallstrom zerstäubt werden, indem er auf eine rotierende Zerstäubungsvorrichtung gerichtet wird, wie beispielsweise eine umlaufende Scheibe oder einen Becher, wonach eine Erstarrung im freien Fluge erfolgen kann.
Der teilweise geformte Gegenstand 22, der das Substrat 32 bildet, das hier als eine durch Sprühen geformte Bramme dargestellt ist, ist in einer Art und Weise angebracht, daß der Sprühkegel 30 gesteuert gegen jeden gewählten Bereich des Substrates 32 gerichtet werden kann. Dieses Richten und die selektive Positionierung des Sprühkegels in bezug auf das Substrat kann auf irgendeine akzeptable Art und Weise ausgeführt werden.
Beispielsweise kann der Zerstäubergasring 28 schwenkbar angebracht sein, so daß er schwenken kann, um die Richtung des Metallstroms zu ändern, wenn dieser zerstäubt bzw. atomisiert wird, um den Metallsprühkegel 30 zu bilden. Das gesamte Substrat 32 kann in einem Halter 34 angebracht sein, der gestattet, daß das Substrat gedreht und verschoben wird, wie es erforderlich ist, um gewählte Stellen auf dem Substrat in die Bahn des Metallsprühkegels 30 zu bringen. Es können Kombinationen dieser Lösungen verwendet werden. Das Verfahren der Positionierung des Sprühkegels 30 in bezug auf das Substrat 32 ist nicht kritisch, solange diese Positionierung ausgeführt werden kann.
Das System 20 sorgt wünschenswerterweise für Sensoren, durch die der Betrieb der verschiedenen Komponenten überwacht werden kann. Ein Quellensensor 36 überwacht den Pegel der Schmelze und die Oberflächentemperatur der Schmelze in der Quelle 24. Der Quellensensor 36 kann eine einzelne Vorrichtung, die sowohl die Temperatur als auch den Fluidpegel überwachen kann, oder zwei getrennte Vorrichtungen sein, eine für die Temperatur und eine für den Fluidpegel. Obwohl irgendein Quellensensor verwendet werden kann, ist es bevorzugt, insbesondere für die reaktiven Metalle, daß ein Bildanalysator, der auf die Oberfläche gerichtet ist und Fluidpegel und/oder die Oberflächentemperatur überwachen kann, verwendet wird. Ein akzeptabler Quellensensor 36 ist in den US-Patenten 4,687,344 und 4,656,331 offenbart. Ein derartiger Quellensensor 36, der mit einem Analysator gekoppelt ist, ist von Colorado Video als deren Positionssensor Modell 635 im Handel erhältlich. Ein optisches Pyrometer oder eine ähnliche Vorrichtung wird verwendet, um die Oberflächentemperatur der Schmelze zu überwachen. Ein Stromdurchmessersensor 38 überwacht den Durchmesser des Stroms 25 (und somit seine Metallströmungsrate M), nachdem der Strom 25 durch die Düse 26 hindurchgetreten ist. Mit einem geeigneten Eingangssignal kann der Positionssensor Modell 635 von Colorado Video als der Sensor 38 verwendet werden. Ein Stromtemperatursensor 39, wie beispielsweise ein optisches Pyrometer, überwacht die Temperatur und somit den Wert der Überhitzung des ge schmolzenen Metalls in dem Strom 25 und somit die Temperatur der Tröpfchen in dem Sprühkegel 30. Übliche Positionssensoren 40 überwachen die Position des Substrates 32 relativ zu dem Metallsprühkegel 30. Derartige Positionssensoren 40 können Winkelstellungssensoren für den schwenkbaren Gasring 28, wo der Ring schwenkbar ist, oder Winkel-, Dreh- oder Linearstellungssensoren für den Halter 34 enthalten. Alle Sensoren 36, 38, 39 und 40 erzeugen vorzugsweise ein digitales Ausgangssignal direkt oder durch eine Sensorsteuerung.
Eine Schlüsselkomponente des Systems 20 ist die Düse 26. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer derartigen Düse 26 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Düse 26 enthält ein elektromagnetisches Feldstück 42, das ein einschnürendes Feld um den Strom 25 herum induziert, nachdem er aus der Quelle 24 austritt. Das Feldstück 42 ist ein massives Stück eines metallischen Leiters, wie beispielsweise Kupfer, in der Form eines umgekehrten Trichters, wobei das enge Ende nach oben gerichtet ist. Das Feldstück 42 wird durch eine einstückig damit ausgebildete Kühlleitung 44 gekühlt, die an dem Feldstück 42 befestigt ist. Die Kühlung kann durch ein Zerstäubungsgas, wenn Pulver das Produkt ist, oder durch Wasser von einer Wasserquelle herbeigeführt sein. Optional kann ein keramisches Rohr 49 über dem Strom 25 zwischen dem Strom 25 und dem Feldstück 42 als ein ausfallsicherer Schutz für den Fall angeordnet sein, daß ein Spritzen des Stroms 25 auftritt. Für einige Anwendungen können hochwarmfeste Materialien, wie beispielsweise Tantal, Molybdän und Wolfram, bevorzugt sein, wenn eine ausreichende Kühlung nicht möglich ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Feldstück 42 an der einen Stelle in radialer Richtung geteilt, wobei jede Seite des Feldstückes 42 mit einer Stromschiene 46 verbunden ist. Die Stromschienen 46 stehen mit einer Hochfrequenz (HF)-Leistungsversorgung (nicht gezeigt) in Verbindung, die Leistung bei einer Frequenz von etwa 250 bis etwa 350 kHz oder höher erzeugt. Das HF Signal in dem Feldstück 42 induziert ein Magnetfeld, das schematisch als Feldlinien bei der Bezugszahl 48 angegeben ist und das die Tendenz hat, den Strom 25 radial nach innen einzuschnüren. Je größer die zugeführte Leistung ist, desto größer ist die Stärke des Magnetfeldes 48 und desto größer ist die nach innen gerichtete einschnürende Kraft, die auf den Strom 25 ausgeübt wird. Das Magnetfeld kann deshalb dazu verwendet werden, den Durchmesser und somit die Strömungsrate des Metalls in dem Strom 25 zu verkleinern.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Düse ist in Fig. 4 gezeigt. Eine Düse 50 ist eine "eng gekoppelte Düse", die die Metallströmungs-Steuerfunktion und die Zerstäubungsfunktion zu einer einzigen Einheit kombiniert und mehrere Konstruktionsänderungen relativ zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 hat. Die Düse 50 weist eine sich nach innen verjüngende Buchse 52 auf, die aus Keramikmaterial hergestellt ist und durch die der Metallstrom 25 aus der Quelle 24 strömt. Über der Buchse 52 liegend umgibt ein wassergekühltes Induktionsstück 42 den Strom 25. Das Induktionsstück 42 ist konisch, wobei das größere Ende nach oben orientiert ist und durch eine einstückig ausgebildete Kühlleitung 44 gekühlt ist, die Wasser oder, alternativ, wenn es verfügbar ist, Gas von einem Zerstäuber zirkulieren läßt. Das Induktionsstück 42 ist mit einer Hochfrequenz-Leistungsquelle verbunden, wie es zuvor erläutert wurde. Die Beaufschlagung des Induktionsstückes 42 mit einem Hochfrequenzsignal induziert Magnetfelder, die den Strom 25 nach innen einschnüren. Das einschnürende Feld ist üblicherweise stark genug, damit der Strom 25 nach innen von der kontaktierenden Innenwand der Buchse 52 weg geschoben wird. Diese Einschnürungskraft steuert den Stromdurchmesser und die Strömungsrate in einer Art und Weise, wie sie zuvor erläutert wurde.
Eine Gaskammer 56 ist einstückig mit dem unteren Ende von der Düse 50 und der Buchse 52 konstruiert. Öffnungen 58 aus der Gaskammer 56 sind so angeordnet, daß sie einen Strom von Inertgas (beispielsweise Argon) aus einer Gasquelle (nicht gezeigt) unter einem abwärts gerichteten Winkel nach innen richten, um gegen den Strom 25 zu prallen. Die Gasströmung zerstäubt den Strom 25, um den Sprühkegel 30 zu bilden.
Die bevorzugten Düsen, die hier in bezug auf die Fig. 2-4 erläutert wurden, haben die Charakteristik, daß eine erhöhte Einschnürung oder Verjüngung des Metallstroms dadurch erreicht wird, daß die HF Leistung zu dem elektromagnetischen Feldstück oder der Spule in der Düse vergrößert wird. Mechanisch einstellbare Düsen könnten in gleicher Weise verwendet werden, aber ihr Antwortverhalten auf Befehlssignale würde wahrscheinlich langsamer sein als es für die interessierenden Anwendungen erwünscht ist.
Das System 20 kann auf verschiedenen Wegen betrieben werden, um unterschiedliche Aufgaben während verschiedener Phasen des Systembetriebs zu erzielen. Fig. 5 und 6 stellen zwei unterschiedliche Steuerarten dar. In jeder Figur sind die Hardwarekomponenten identisch, aber die Steuerungsarten sind unterschiedlich. (Die Steueranordnung der Fig. 2-3 ist in den Fig. 5 und 6 zu Darstellungszwecken verwendet worden, aber die Düsenanordnung gemäß Fig. 4 oder andere Düsen könnten ebenfalls verwendet werden.) Fig. 5 stellt eine Situation dar, bei der die Quelle 24 innerhalb normaler stationärer Grenzen arbeitet, während Fig. 6 eine Situation darstellt, in der die Quelle 24 außerhalb normaler stationärer Grenzen schwankt (oder absichtlich gestört worden ist). Fig. 7 stellt in Blockdiagrammform die Interrelation der zwei Steuerungsarten dar.
Gemäß Fig. 5 wird die relative Position von dem Sprühkegel 30 und dem Substrat 32 aus Messungen der Positionssensoren 40 in dem Gasring 28 oder seines Betätigungssystems (wenn ein bewegbarer Gasring verwendet wird) und dem Halter 34 ermittelt. Diese Messungen werden an eine Steuerung 60 geliefert, die üblicherweise ein programmierter Mikroprozessor ist. Aus den Sensormessungen wird die Aufprallstelle des Sprühkegels 30 gegen das Substrat 32 durch eine übliche Berechnung innerhalb eines Referenzrahmens ermittelt. Somit kann es für das früher erörterte Beispiel ermittelt werden, ob der Hauptteil von dem Sprühkegel 30 einen inneren Abschnitt von der Bramme nahe ihrer Mittellinie oder einen äußeren Abschnitt von der Bramme nahe ihrem Umfang oder irgendwo zwischen den zwei Extremwerten trifft. Die bewegbaren Elemente werden durch einen anderen Abschnitt von dem System, nicht gezeigt, angetrieben, um die gesamte Oberfläche von dem Substrat mit dem gesprühten Metall zu überdecken. Die Positionsmessungen können von Motoreinstellungen des Antriebssystems genommen werden. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist es bevorzugt, den Durchmesser von dem Schmelzstrom 25 unter Verwendung des Sensors 38 und seine Temperatur unter Verwendung des Sensors 39 kontinuierlich zu überwachen.
Aus der Stellung des Sprühkegels 30 relativ zu dem Substrat 32 wird die erforderliche Metallströmung ermittelt. Der Metallstrom als eine Funktion der Position wird üblicherweise aus Anfangsversuchen ermittelt. Somit werden in einer Anzahl von Teststücken, die vor Produktionsoperationen geformt worden sind, die Makrostrukturen und Mikrostrukturen als eine Funktion der Position, die aus verschiedenen Metallströmen resultieren, ermittelt. Dadurch werden akzeptable Metallstromgrenzen als eine Funktion der Position ermittelt. Es würde selbstverständlich bevorzugt sein, in der Lage zu sein, den erforderlichen Metallstrom aus thermischen und Masseströmungsmodellen der Sprühoperation vorherzusagen. Gegenwärtig sind jedoch derartige Modelle noch nicht ausreichend verfeinert, damit man sich ohne experimentelle Verifizierungen vollständig auf sie verlassen kann.
Welche Technik auch immer verwendet wird, das Ergebnis ist ein "Muster (Mapping)" von der erforderlichen Metallströmung in dem Strom 25 als eine Funktion der relativen Position von dem Sprühkegel und dem Substrat. In anderen Kalibrations- und Anlauftests werden die für die Düse 26 erforderliche Leistung, um den Stromdurchmesser einzustellen, um bestimmte Metallströmungen zu erzielen, ermittelt. Unter Verwendung dieses Musters der Metallstromerfordernisse und der Kalibration zwischen zugeführter Leistung und Metallstromrate sendet die Steuerung 60 ein Befehlssignal an eine HF Leistungsversorgung 62, die ihrerseits der Düse 26 den befohlenen Leistungswert zuführt.
Wenn also der Sprühkegel 30 über der Oberfläche des Substrates 32 abgetastet wird, wird die Metallstromrate nach oben oder unten eingestellt, wie es für eine vorbestimmte Stelle zweckmäßig ist, auf die der Sprühkegel aufprallen soll. Im allgemeinen empfangen diejenigen Bereiche von dem Substrat, die die größten und am stärksten freiliegenden Oberflächenbereiche haben, wie beispielsweise die äußeren Abschnitte nahe dem Umfang, die höchsten Metallströmungsraten. Diejenigen inneren Abschnitte, die mehr innen liegen und natürlicherweise langsamer abkühlen, empfangen kleinere Metallströmungsraten. (Die relativen Bewegungsraten von dem Sprühkegel und dem Substrat werden als Antwort auf die Metallströmungsraten eingestellt, um einen gleichförmigen Aufbau von Metall über der Oberfläche des Substrat zu erzielen.)
Eine andere Steuerungsart ist in Fig. 6 dargestellt. Dort ist angenommen, daß die Quelle 24 von ihrem normalen stationären Betrieb abgewichen ist aus irgendeinem von mehreren Gründen, wie beispielsweise Anlauf/Abschaltung, thermischen Änderungen, verkleinerter Metallsäule usw. Der Schmelzensensor 36 liefert ein Signal an die Steuerung 60 über die Natur der Änderung, und die Steuerung 60 spricht an, um eine Beschädigung am System zu vermeiden und die Herstellung von Produkten guter Qualität zu maximieren.
Beispielsweise kann der Schmelzenpegel in der Quelle 24 durch die Schmelzenpegelkomponente des Sensors 36 als zu niedrig abgetastet sein. Um zu verhindern, daß die Quelle 24 vollständig von geschmolzenem Metall entleert wird, was eine Gefahr der Beschädigung an den Komponenten darstellen und den Start schwierig machen würde, gibt die Steuerung 60 der HF Leistungsversorgung den Befehl, die Leistung zu der Düse 26 zu erhöhen, um die Strömungsrate des Metalls in dem Strom 25 zu verkleinern. Gleichzeitig befiehlt die Steuerung 60 eine erhöhte Zufuhrrate von Metall zu der Quelle 24 von einer Versorgung 64.
Das Metall der Quelle 24 wird deshalb konserviert, bis die stationären zulässigen Betriebsgrenzen zurückgewonnen sind, und zu dieser Zeit kehrt das System zu der Steuerungsart gemäß Fig. 5 zurück.
Wenn sich die Strömungsrate des geschmolzenen Metalls in dem Strom 25 als Antwort auf die Schwankung in der Quelle 24 geändert hat, ändert sich auch der Charakter des Sprühkegels 30. In dem erläuterten Beispiel wird die Metallströmungsrate verkleinert, das Gas-zu-Metall (G/M) Verhältnis des Sprühkegels 30 wächst an und der Sprühkegel wird kälter. Eine mögliche Antwort des Steuersystems besteht darin, die Strömungsrate G des Zerstäubungsgases zu dem Gasring 28 zu verkleinern, um die Temperatur des Sprühkegels 30 auf seinen normalen Bereich zu erhöhen (wobei ein konstantes G/M Verhältnis beibehalten wird). In Übereinstimmung mit einer kleineren Metallströmungsrate M kann die Herausziehgeschwindigkeit der Bramme verkleinert werden, um ein gleichbleibendes Aufbauprofil beizubehalten.
Eine andere Antwort des Steuersystems besteht darin, den Ort der Abscheidung gemäß dem zuvor ermittelten Muster bzw. Mapping von G/M und der Lage auf der Bramme zu ändern. Somit wird ein kälterer Sprühkegel vorzugsweise an den inneren Abschnitten von dem Substrat anstatt an den äußeren Abschnitten abgeschieden. In dem Ausmaß, wie der kältere Sprühkegel auf den äußeren Abschnitten abgeschieden wird, kann das Endprodukt, das während der Schwankung der Quelle 24 erzeugt wird, nicht akzeptabel sein. Um die Erzeugung eines unakzeptablen Produktes während Quellenschwankungen zu minimieren und wünschenswerterweise zu verhindern, befiehlt die Steuerung 60 dem Gasring 28 (wenn bewegbar) und dem Halter 34, den Sprühkegel 30 relativ zu dem Substrat 32 so anzuordnen, daß mehr von dem Sprühkegel 30 gegen die inneren Abschnitte von dem Substrat als gegen die äußeren Abschnitte von dem Substrat gerichtet wird, solange der Zustand einer kleinen Metallströmung während der Schwankung der Quelle 24 fortbesteht. Die inneren Abschnitte bauen sich deshalb vorzugsweise zu den äußeren Abschnitten auf. Dieser ungleichmäßige Aufbau kann nicht unbegrenzt fortbestehen und schließlich gibt es eine bevorzugte Abscheidung auf den äußeren Abschnitten, um eine gleichmäßige Dicke der Abscheidung von Metall hervorzurufen. Es wird erwartet, daß unter den meisten Bedingungen das Steuersystem gemäß der Erfindung die Abscheidung zu ihren normalen Grenzen in einer ausreichend kurzen Zeit zurückgebracht werden kann, damit die ungleichförmige Abscheidung toleriert wird. Alternativ können die zwei Steuerlösungen kombiniert werden, wobei das G/M Verhältnis in Verbindung mit dem Ort der Abscheidung eingestellt wird.
Somit wird, wie es in Fig. 7 für die bevorzugte Lösung angegeben ist, im normalen Betrieb die Strömung des Metalls als Antwort auf den Ort der Abscheidung auf dem Substrat gesteuert, während unter einem abnormalen Quellenbetrieb die Metallströmung als Antwort auf die Quellenzustände gesteuert wird. In dem letztgenannten Fall werden steuerbare Charakteristiken der Quelle, wie beispielsweise Eingangsleistung oder Gasströmung oder der Ort der Abscheidung, als Antwort auf die Metallströmungsrate gesteuert.
Es sei darauf hingewiesen, daß viele andere Steuersituationen auftreten können, und das System spricht innerhalb des Rahmens der Steuerungsfunktionen an, die vorstehend erläutert wurden. Beispielsweise provoziert eine Änderung in der Stromtemperatur, wie sie durch den Sensor 39 gemessen wird, eine Antwort, die die Temperatur zu dem stationären Wert zurückbringt, indem beispielsweise die Eingangswärme in die Schmelze von der Wärmequelle 66 (üblicherweise ein Plasmabrenner) geändert wird und/oder zeitweise die Strömungsrate des Zerstäubungsgases geändert wird.
Die vorliegende Lösung verwendet deshalb eine variable Metallströmungsdüse und eine instrumentierte Metallabscheidungseinrichtung, um ein gleichförmiges Produkt hoher Qualität über dem gesamten Substrat und dem fertigen Gegenstand zu erzielen. Sie erhöht die Toleranz des Abscheidungsverfahrens gegenüber Schwankungen, die in der Metallquelle auftreten können, wobei eine Beschädigung an den Komponenten verhindert und ein gutes Produkt trotz der Schwankungen erzeugt wird. Diese vor teilhaften Ergebnisse werden zum Teil durch Steuerung des Sprühkegels von geschmolzenen Metalltröpfchen erreicht.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Sprühkegels von zerstäubten Metalltröpfchen, enthaltend die Schritte:

Bereitstellen einer Einrichtung (20), die einen Sprühkegel (30) aus geschmolzenen Metalltröpfchen bildet, wobei die Einrichtung eine Metallquelle (24) und einen Metallstromzerstäuber (28) aufweist;

Erzeugen eines Stroms (25) aus flüssigem Metall aus der Metallquelle;

Richten des Stroms von flüssigem Metall zu dem Zerstäuber;

Zerstäuben des Stroms von flüssigem Metall mit dem Metallstromzerstäuber dadurch, daß ein Strom von Zerstäubungsgas auf den Metallstrom aufprallt, um den Sprühkegel von geschmolzenen Metalltröpfchen zu bilden;

selektives Verändern der Temperatur (39) der Tröpfchen in dem Sprühkegel der geschmolzenen Metalltröpfchen, wobei der Schritt des selektiven Veränderns der Temperatur den Schritt enthält, daß die Strömungsrate (38) des Metalls, die durch die Metallquelle erzeugt wird, als Antwort auf ein Befehlssignal verändert wird; und

Abtasten (40) der Aufprallstelle des Sprühkegels von Metalltröpfchen auf ein massives Substrat und Erzeugen eines Befehlssignals, das die Aufprallstelle des Sprühkegels auf das Substrat angibt, so daß Tröpfchen, die eine vorgewählte Temperatur haben, auf eine vorgewählte Stelle auf dem Substrat gerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des selektiven Veränderns der Temperatur die Schritte enthält, daß ein selektiv steuerbares elektromagnetisches Einschlußfeld (48) an den Strom des flüssigen Metalls angelegt wird; selektiv die Stärke des elektromagnetischen Einschlußfeldes als Antwort auf das Befehlssignal gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des selektiven Veränderns der Temperatur den Schritt enthält, daß der Betrieb von einer Wärmequelle verändert wird, die Metall in der Metallquelle erwärmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des selektiven Veränderns der Temperatur den Schritt enthält, daß die Strömungsrate des Zerstäubungsgases selektiv gesteuert wird.

5. Verfahren zum Bilden eines massiven Gegenstandes aus Metall, enthaltend die Schritte:

Erzeugen eines Stroms (25) von flüssigem Metall aus einer Quelle (24) aus flüssigem Metall mit einer Metallströmungsrate M;

Zerstäuben (28) des Metalls des Metallstroms dadurch, daß ein Strom von Zerstäubungsgas mit einer Strömungsrate G auf den Metallstrom aufprallt, um einen Sprühkegel von zerstäubten Metalltröpfchen zu bilden, die auf ein massives Substrat (22) gerichtet sind, das so angeordnet ist, daß die Metalltröpfchen an dem Substrat anhaften; und

selektives Verändern des Verhältnisses G/M als Antwort auf ein Befehlssignal, das auf der Stelle (40) des Substrats und/oder der Richtung des Sprühkegels oder dem Gefälledruck (36) des geschmolzenen Metalls basiert, um die Temperatur der Metalltröpfchen so zu steuern, daß eine im wesentlichen kontrollierte Erstarrung des Metalls auf dem Substrat erreicht wird.

6. Verfahren zum Bilden eines massiven Gegenstandes, enthaltend die Schritte:

Erzeugen eines Stroms (25) aus flüssigem Metall aus einer Quelle (24) flüssigen Metalls;

Leiten des Metalls zu einem Zerstäuber (28);

selektives Verändern der Strömungsrate des Stroms von flüssigem Metall als Antwort auf ein erstes Befehlssignal und ein zweites Befehlssignal;

Zerstäuben des Metallstroms dadurch, daß ein Strom von Zerstäubungsgas (56) auf den Metallstrom aufprallt, um einen Sprühkegel (30) von zerstäubten Metalltröpfchen zu bilden, die auf ein massives Substrat gerichtet sind, das so angeordnet ist, daß die Metalltröpfchen an dem Substrat anhaften;

Erzeugen des ersten Befehlssignals (40), das eine Aufprallstelle der Metalltröpfchen auf das massive Substrat angibt, wobei das erste Befehlssignal die Stelle der Abscheidung der Metalltröpfchen gemäß einer Änderung eines Gas/Metall-Verhältnisses und einer vorbestimmten Abbildung des Gas/Metall- Verhältnisses mit der Lage auf dem Substrat ändert;

Erzeugen des zweiten Befehlssignals, um die Strömungsrate (38) und die Temperatur des flüssigen Metalls (39) aus der Quelle zu steuern, indem die Metallströmungsrate als Antwort auf eine Änderung in der Quelle des flüssigen Metalls verändert wird; und

Abscheiden der Metalltröpfchen auf dem Substrat in der durch die Abbildung vorbestimmten Lage.

7. Einrichtung (20) zum Erzeugen eines Gegenstandes mit einer gleichförmigen Mikrostruktur und einer gleichförmigen Makrostruktur durch inkrementalen Aufbau eines Metalls durch Abscheidung von Tröpfchen aus einem Metallsprühkegel, der aus einem Strom geschmolzenem Metalls gebildet ist, auf einem Substrat (22), enthaltend:

(a.) einen Behälter (24) mit wassergekühlten Wänden zur Aufnahme von geschmolzenem Metall, wobei der Behälter ferner eine Düse (26) zum Abgeben eines Stroms (25) von geschmolzenem Metall aus dem Behälter aufweist;

(b.) eine Einrichtung zum Bilden eines Metallsprühkegels (30) aus dem Strom von geschmolzenem Metall mit einem Einlaß zum Aufnehmen des Stroms aus geschmolzenem Metall und einem Auslaß zum Abgeben des Metallsprühkegels, wobei die Einrichtung unter der Düse angeordnet ist;

(c.) einen Quellensensor (36) oberhalb des Behälters, der eine Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Behälter abtastet und ein die Temperatur angebendes Signal abgibt;

(d.) einen Quellensensor (36) oberhalb des Behälters, der einen Pegel des geschmolzenen Metalls in dem Behälter abtastet und ein den Pegel angebendes Signal abgibt;

(e.) einen Stromtemperatursensor (39), der in der Nähe des geschmolzenen Metallstroms angeordnet ist und die Temperatur des Stroms abtastet, bevor der Strom in die den Sprühkegel bildende Einrichtung eintritt, und ein die Stromtemperatur angebendes Signal abgibt;

(f.) einen Stromdurchmessersensor (38), der nahe dem geschmolzenen Metallstrom angeordnet ist und den Stromdurchmesser abtastet, wenn er aus der Düse austritt, und ein die Durchmessergröße angebendes Signal abgibt;

(g.) eine Befestigungsvorrichtung (34) zum Positionieren des Substrats relativ zu dem Metallsprühkegel;

(h.) wenigstens einen Positionierungssensor (40) für die Befestigungsvorrichtung zum Angeben der Lage des Substrats in der Befestigungsvorrichtung und der ein die Substratlage angebendes Signal abgibt;

(i.) wenigstens einen Sensor (40) für die den Sprühkegel bildende Einrichtung, der die Lage des Sprühauslasses angibt und ein die Sprühauslaßlage angebendes Signal abgibt;

(j.) eine Steuereinrichtung, die Signale aufnehmen und abgeben kann, die geeignete Stromdurchmesser, Stromtemperatur, Pegel des geschmolzenen Metalls in dem Behälter, Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Behälter, Sprührichtung und Substratlage bestimmen, und die Sensorsignale empfängt und als Antwort auf die empfangenen Signale Signale abgibt;

(k.) eine Wärmequelle (66), die über dem Behälter angeordnet ist und ein Signal zum Einstellen der Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Behälter als Antwort auf das durch die Steuereinrichtung abgegebene Signal empfangen kann;

(l.) eine Einrichtung zum Bewegen der den Sprühkegel bildenden Einrichtung, die in der Lage ist, ein Signal zum Ändern der Richtung des Sprühkegels als Antwort auf das durch die Steuereinrichtung abgegebene Signal zu empfangen;

(m.) eine Einrichtung zum Bewegen der Befestigungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein Signal zum Ändern der Lage des Substrats in der Befestigungsvorrichtung als Antwort auf das durch die Steuereinrichtung abgegebene Signal zu empfangen; und

(n.) eine Einrichtung zum Einstellen des Durchmessers des Stroms aus geschmolzenem Metall, die in der Lage ist, ein Signal zum Ändern des Durchmessers des geschmolzenen Metallstroms als Antwort auf das von der Steuereinrichtung empfangene Signal zu empfangen.