第二章-喷射成型技术

第二章喷射成型技术2.1喷射成型技术原理与工艺•喷射成形（SprayForming）技术，也有人称为喷射沉积（SprayDeposition）或喷射铸造（Spraycasting）技术，把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（熔滴动态致密化）自然的结合起来，以最少的工序直接制备整体致密并具有快速凝固组织特征的块状金属材料或坯件。技术原理•喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。•通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征，整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。工艺过程：•（1）提供液态金属•（2）将金属液转变为熔滴•（3）在基板上沉积形成高密度的半成品（坯件）喷射成型示意图喷射成形工艺特点•优点：（1）高致密度：•沉积密度可达理论值的95%以上。与粉末冶金相比，喷射成形是一种金属液滴的直接固化成形工艺。由于在凝固时基本不发生金属液的流动，喷射沉积毛坯中不出现一般铸造条件下所发生的缩孔或疏松，而且喷射沉积工艺减小了氧化，降低了杂质含量，避免了粉末固化时由于污染产生的孔洞，因此，采用喷射沉积工艺可获得较高致密度的毛坯。（2）低含氧量：•含氧量低于同类粉末合金（3）显微组织特征包括细小的等轴晶组织、宏观偏析消除（4）合金性能提高（5）工艺流程短，成本低喷射成形将熔体的雾化和沉积过程合二为一，可直接由液态金属制取快速凝固预成型毛坯，而一般的快速凝固工艺制取的材料尺寸很小，难以直接加工成产品，通常需经粉末冶金工艺的制粉、储存、运输、筛分、压制烧结或挤压、锻造等工序成形。相比之下，喷射成形工艺大大减少了产品制备工序，缩短了产品的生产周期，提高了生产率。（6）高沉积效率（7）灵活的柔性制造系统（8）近终形成形（9）可制备高性能金属基复合材料•缺点：•（1）沉积态坯件中含有一定量的疏松，可通过挤压、热/冷轧或热等静压达到完全密实。•（2）产品的效率低于100%材料损失来源于：熔滴的过喷，熔滴或颗粒从坯件表面弹开，检测报废或加工损耗、坯件基体和顶部的去除，质量问题的报废等喷射成形技术工艺分析•喷射成形可分四个阶段：雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段、沉积体凝固阶段。•（1）雾化阶段：•利用高速流体（一般为惰性气体）将熔融金属液粉碎成小液滴的过程，主要有气流雾化、离心雾化和机械雾化。•颗粒尺寸呈对数正态分布，尺寸随气流的增大而减小，合金液的表面张力及粘度越小、密度越大，越容易得细小的液滴。雾化影响因素：雾化介质压力金属液与雾化气体的流量比喷嘴结构雾化镍粉（2）喷射阶段：两个最重要的参数：喷射速率和雾化颗粒的状态只有使液滴具有足够的喷射速率才能保证有最大的冲击力，使之在沉积时获得很高的致密度颗粒尺寸不同，冷却和凝固速率不同。理想状态为：雾化颗粒处于半凝固态，液相量应足以填充已凝固颗粒之间的间隙，要有尽可能大的速率，以增加沉积过程的冲击力，提高沉积体的致密度。•（3）沉积阶段：•喷射沉积过程中最关键的阶段。沉积颗粒由液态、固态和半固态雾滴组成。•通过改变沉积器的位向和运动方式、沉积器与雾化喷嘴之间的距离、沉积器的表面状态等，可得到所要求形状。喷射成型带材的原理示意图1-熔液池2-铸带3-导轨4-激冷带5-除尘系统6-雾化系统7-惰性气体室直浇道（4）沉积体凝固阶段提高基体的冷却速率并保证凝固速率的稳定是喷射沉积技术工艺过程控制的关键。措施：对基体和沉积体采取必要的冷却措施控制沉积速率2.2喷射成形的雾化过程•2.2.1气体雾化•雾化介质的选取原则：（1）不与金属粉末成分发生不良反应（2）合适的冷却速率（3）成本低•一般采用惰性气体（Ar、He、N2）作为雾化介质。常用喷射成形雾化介质的主要物理参数目前用于喷射成形的气体雾化方法主要有（1）亚音速气体雾化：气体出口速度为0.3~0.6M，雾化熔滴为球形，分布较宽。一般采用较低的气压和较大的气体流量进行。（2）超声气体雾化：喷嘴附加超声波发生装置，可获得较大的熔滴冷却速率及更加细小的沉积组织。•雾化器是获得理想坯件显微组织的关键，设计原则：•（1）雾化介质能够获得尽可能大的出口散射束和能量•（2）雾化介质与金属液滴之间能形成合理的喷射角度•（3）金属液流能产生最大的紊流•（4）工作稳定性好，不被阻塞•（5）加工制造简单•（6）装卸安装方便常见的雾化器结构：限制性喷嘴自由降落喷嘴优点：能量损失小，拉瓦尔型喷口，气体动能高，熔滴直径小缺点：适用于低熔点合金•雾化器气孔分布a-圆周排列b多孔排列c线性排列2.2.2离心雾化•液态金属由快速转动的板或盘甩出，转动盘边缘的离心力加速液态金属，使其超过表面张力和粘滞力，液体变为非稳态并破碎。•离心雾化的液滴尺寸：•w-盘的转速，D-盘的直径ρ-金属的密度，γ-金属的表面张力A-常数离心雾化喷射成型示意图d𝑊(𝐷𝜌𝛾)12=A2.3喷射成形技术关键和装置•喷射成形的技术关键主要包括装置总体布置、雾化喷嘴、沉积器结构和运动方式等。•2.3.1装置结构布局1-雾化室2-雾化器3-坩埚4-金属液5-雾化液6-沉积坯7-沉积器喷射成形装置示意图（a）垂直布局（b）倾斜布局（c）水平布局•2.3.2雾化喷嘴系统（a）垂直单固定（b）倾斜单扫描（c）倾斜双扫描雾化喷嘴及沉积温度场示意图•喷嘴系统始终是喷射成形装置的关键技术,大体上沿着固定式单喷嘴→扫描型喷嘴→双喷嘴→扫描型双喷嘴的方向发展。雾化喷嘴系统的安装服从于装置布局的需要,可以垂直或倾斜固定以产生不同的雾化射流。（1）单喷嘴•固定式单喷嘴及垂直布局是最初采用的结构,沉积坯形状难以控制、收得率低、沉积坯尺寸小(直径≤200mm)、表面质量差。•（2）扫描型喷嘴•扫描型喷嘴和倾斜布局能使雾化锥的熔滴质量(流率)分布更趋均匀,扫描喷嘴和倾斜布局降低坯件疏松,改善表面质量,使沉积材料收得率平均提高约10%。•（3）双喷嘴•双喷嘴系统使坯件的温度剖面得到很大改善,两个射流相互覆盖,射流中液相的含量可以按坯件的半径来控制,从而促进沿坯件半径组织更加均匀,金属流率高、气体消耗少，沉积收得率进一步提高80%，表面疏松减少。•（4）扫描型双喷嘴•扫描型双喷嘴系统可制备更大直径沉积坯(直径达600mm),同时也能达到整体致密,表面质量改善，坯件尺寸精度提高。沉积速率可达100Kg/min、气体消耗减少25%、沉积收得率达90%，可用于规模化生产。•2.3.3喷射成形装置•喷射成形装置主要由真空熔炼、金属导流、雾化喷嘴、沉积器、排气与收粉等几部分组成。•该装置三项主要功能（1）制备高温材料沉积坯（2）生产球形低氧金属粉末（3）制备颗粒增强金属基复合材料2.4喷射成形材料特性•（1）晶粒组织：等轴细晶组织•喷射成形属于快速凝固范畴，其冷却速度高，沉积时高速雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎，颗粒普遍细化并形成细小、均匀的等轴晶组织。在快速凝固过程中溶质原子来不及扩散和偏聚，使得合金成分趋于均匀，减少或消除了偏析现象，并易于出现亚稳相。（2）气体含量：喷射成形一般在惰性保护气氛下完成，避免了高温金属与大气的接触，减少了氧化程度。而且液态金属一次成形，工序简单，避免了粉末冶金中因贮存、运输以及材料烧结、轧制等工序带来的氧化，减轻了材料受污染的程度。（3）宏观偏析：雾化过程中，雾化熔滴中溶质原子的扩散和偏聚被限制在微小的金属熔滴尺寸范围内，在沉积过程中，冷却速度较快且沉积坯表面处于半凝固状态，溶质原子来不及扩散与偏聚。因而，喷射成形材料无宏观偏析，微观偏析相对较低（4）致密度：•氮气雾化和氩气雾化沉积坯的整体致密度分别达99.%和98.0%以上。•氩气雾化沉积坯底部和外部致密度较高，中心部位较低，与该部位存在气孔有关。•热等静压处理可使氮气沉积坯致密度达100%.•a、常规变形合金b、喷射成形合金•GH742合金的热工艺塑性（5）热塑性：快速凝固细化了晶粒组织,极大地改善了合金的热塑性。通常不能锻造的高强度铸造高温合金或难变形高温合金经喷射成形后,即可进行热加工。（6）力学性能喷射成形细化了晶粒组织,材料的拉伸强度和塑性均得到明显提高,一般高于常规变形工艺,与粉末冶金工艺相当。同时,喷射成形由于快速凝固作用,提高了合金元素的固溶度,抑制了初生相的粗化,从而提高了合金的综合性能。喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能•喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能2.5共喷射成形技术•在基体材料合金液喷射沉积工艺的基础上，将增强颗粒喷到雾化的合金液流中，使两者同时沉积，获得复合材料的技术。共喷射沉积工艺原理示意图1-雾化室2-熔化炉3-雾化器4-沉积体5-压力释放罩6-粉末回收料7-搜集室•在喷射沉积过程中，增强颗粒的加入方式有三种：直接从雾化气体管道中加入将增强颗粒直接加入到金属熔体中将颗粒流直接喷入金属熔体的雾化锥中2.5共喷射成形技术（1）由于合金液与增强相颗粒间接触时间短，凝固速率快，发生化学反应的倾向小（2）不会发生由重力作用引起的增强颗粒沉降，可减少偏析（3）增强颗粒与合金液在接触的过程中，由于合金液的冷却速度快、颗粒被熔化的程度小，所以颗粒可以保持原始尺寸（4）通过控制喷嘴角度和速率可以增强颗粒的加入量和分布可控共喷射成形技术优点：•增强颗粒的加入带来两个问题：•（1）增强颗粒与雾化液滴的相互作用：增强颗粒嵌入液滴内部增强颗粒黏附在液滴表面增强颗粒被液滴反弹•（2）增强颗粒对沉积体表面液膜凝固过程的影响：增强颗粒对合金液滴凝固过程的影响：热交换、异质形核。增强颗粒对沉积体表面凝固过程的影响：形核、生长、凝固。•反应喷射沉积时将喷射技术与原位反应合成陶瓷粒子技术结合起来的一种制备颗粒增强金属基复合材料的新技术。•在喷射沉积过程中，金属液体被充分雾化成细小的液滴，使其具有很大的体表面积，同时有处于一定的过热条件下，这就为喷射沉积过程中液滴与外加反应剂接触、发生化学反应提供了驱动力。2.6反应喷射成形技术•在喷射成形过程中可发生雾化气体与金属液滴之间的气/液反应、外加合金液滴与基体金属液滴之间的液/液反应、外加固体粒子与基体金属液滴之间的固/液反应。这些反应模式下生成的弥散体粒度细小、分散均匀，具有较高应用价值。2.6反应喷射成形技术反应雾化喷射沉积成形的示意图2.6反应喷射成形技术•（1）雾化气体与金属液滴之间的气体-液反应在雾化气体中混入一定比例的反应气体（N2、O2、CH4等），调整雾化气体与熔融金属的成分促使第二相颗粒的原位形成。eg：Cu（Al）+N2/O2→Cu（Al）+Al2O3+N2Fe（Al）+N2→Fe（Al）+AlNFe（Al）+N2/O2→Fe（Al）+Al2O3+N22.6反应喷射成形技术•（2）含有反应剂的熔体间的液/液反应雾化过程中将两种液态金属混合，反应将形成高熔点颗粒。可通过控制金属熔滴中的冷却速率和坯件中的冷却速率控制弥散相的尺寸。eg：典型代表Cu/TiB2Cu-B+Cu-Ti→Cu+TiB22.6反应喷射成形技术•（3）液滴和外加反应剂粒子的固液反应喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相。•反应体系的选择可用氧化物的ΔG-T图，用氧化物比较稳定的金属去还原相对不稳定的氧化物。•如用CuO/Fe2O3、SiO2等作为反应剂与Al反应生成Al2O3并与Al共沉积。屈服强度/MPa抗拉强度/MPa反应喷射沉积235334粉末冶金1211662.6反应喷射成形技术反应合成与粉末冶金制备的Al-TiB2均匀弥散析出的增强颗粒反应剂颗粒的加入有两种形式：在雾化沉积过程中，从雾化锥外采用环孔或对称吹管，用N2作为载体，将反应剂加入到雾化锥中；反应剂直接从雾化喷枪内加入，与雾化金属液滴一同沉积下来。2.6反应喷射成形技术反应喷射沉积技术的特点：•（1）良好的组织特征反应喷射沉积技术结合了熔化、快速凝固的特点，能得到比较细心的晶粒组织，而且在保证了细晶基体