第二章-喷射成型技术-材料制备技术

1第2章喷射成型技术喷射成型（sprayforming）是20世纪60年代提出的学术思想，经过多年的发展80年代逐渐成熟的一种快速凝固新技术，喷射成型(sprayforming),又称喷射雾化沉积(sprayatomizationanddeposition)或喷射铸造(spraycasting)等,是用快速凝固方法制备大块、致密材料的高新科学技术，它把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（熔滴动态致密化）自然地结合起来，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。喷射成形技术与传统的铸造、铸锭冶金、粉末冶金相比具有明显的技术和经济优势，近年来被广泛用于研制和开发高性能金属材料，如铝合金、铜合金、特殊钢、高温合金、金属间化合物以及金属基复合材料等，可制备圆柱形棒料或铸坯、板材、管件、环形件、覆层管等不同形状的成品、半成品或坯料，喷射成型材料已进入产业化应用阶段，用于冶金工业、汽车制造、航空航天、电子信息等多个领域，在国内外得到了快速的发展。2.1喷射成型技术原理与工艺图2-1喷射成形示意图2.1.1技术原理喷射成型主要由合金熔液的雾化、雾化熔滴的飞行与冷却、沉积坯的生长三个连续过程构成。其成型过程如图2-1所示，其基本原理：在高速惰性气体（氩气或氦气）的作用下，将熔融金属或合金液流雾化成弥散的液态颗粒，并将其喷射到水冷的金属沉积器上，迅速形成高速致密的预成形毛坯。32.2喷射成型的雾化过程1.气体雾化在气体雾化中，高速气体射流的动能将连续金属液流分散成熔滴。空气或水也可作用雾化介质，但因过度的氧化，在喷射成型技术中很少采用。雾化介质的选择主要考虑以下因素：金属粉末成分（是否发生不良反应）；所需的冷却速度（同最终坯件的显微组织密切相关）；成本。目前用于喷射成型的气体雾化方法主要包括以下几种。（1）亚音速气体雾化（2）超声气体雾化常用的雾化器结构有两种基本类型：（1）限制性（闭）雾化器（2）自由降落（开）雾化器图2-5离心雾化喷射成形的示意图2.离心雾化对最简单的离心雾化，液态金属由快速转动的板或盘甩出，如图2-5所示。为实现雾化，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。5第2章喷射成型技术对于某一种具体产品形式的雾化沉积坯，它的质量、形状、尺寸、主要通过具有一定功能的喷射成型装置和按照优化的雾化沉积工艺来实现和保证的，装置和工艺之间有内在的相互依存关系。喷射成型装置的技术关键主要包括装置总体布局、雾化喷嘴、沉积器结构和运动方式等。装置结构布局（1）倾斜布局沉积器按一定的角度倾斜配置，如图2-6（a）所示。由于雾化锥中熔滴射流的质量分布（流率分布）不均匀，为了得到形状、尺寸、质量优良的柱形坯，坯件的成形生长方向和熔滴射流方向之间必须保持一定角度的倾斜关系。（2）垂直布局如图2-6（b）所示，为了克服倾斜布局对坯件尺寸的限制，发展了大尺寸沉积坯垂直生长的结构布局。倾斜固定的雾化喷嘴，产生倾斜的雾化熔滴射流，射流方向与坯件生长方向的相对关系仍保持固定的倾角。（3）水平布局如图2-6（c）所示，这种布局的最大优点在于能够沉积很长的坯，在液体金属源足够充分时甚至有可能沉积连续的大直径坯件，而不受厂房高度的限制。（b）垂直分布（a）倾斜分布（c）水平分布111234567765432234567(a)倾斜布局(b)垂直布局(c)水平布局图2-6喷射成形装置示意1－雾化室；2－雾化器；3－坩埚；4－金属液；5－雾化流；6－沉积柸；7－沉积器7第2章喷射成型技术雾化喷嘴系统喷嘴系统始终是喷射成型装置的关键技术，大体上沿着固定式单喷嘴→扫描式喷嘴→双喷嘴→扫描型双喷嘴的方向发展（如图2-7）。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、表面质量差，用于实验室研究。（2）扫描型喷嘴扫描型喷嘴和倾斜布局能改善雾化锥的熔滴质量（流率），使其分布更趋均匀。喷射前后的扫描角度和频率可以根据沉积坯的行状、尺寸按优化工艺确定的参量，通过控制伺候机电来驱动喷嘴扫描机构的工作。（3）双喷嘴采用双喷嘴使坯料的温度刨面得到很大的改善，中心的射流通常在较高气/液比下工作，相应地形成坯件的心部，而另一个射流形成坯的边部外壳，两个射流相互覆盖，提供一种渐变的条件（4）扫描型双喷射扫描型双喷嘴系统可制备在大直径沉积坯，同时也能达到整体致密，表面质量改善，坯料尺寸精度提高。(a)垂直单固定(b)倾斜单扫描(c)倾斜双扫描图2-7雾化喷嘴及沉积温度场示意图装置真空熔炼雾化喷嘴系统液压传动沉积器抽真空系统送料系统收粉除尘真空排气及压力控制冷却水9晶粒组织气体含量宏观偏析致密度热塑性力学性能10第2章喷射成型技术成型材料特性11(a)常规变形合金(b)喷射成形合金图2-8GH742合金的热工艺塑性气体含量喷射成型过程中，金属熔滴的雾化是在惰性气体保护下进行的，且时间较短，被氧化程度很低。12第2章喷射成型技术共喷射成型的技术特点与工艺（1）技术特点共喷射沉积技术是在基体材料合金液喷射沉积工艺的基础上，将增强颗粒加入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。与合金液喷射沉积快速凝固技术相同，雾化的合金液在进入沉积体以前，有些为凝固状态，有些为液态，而是些为半凝固状态，从而陈基体的表面维持一个很薄的液膜，凝固在较高速率下完成。采用共喷射沉积技术制备颗粒增强复合材料具有以下有以下优点：由于增强颗粒与合金液的接触时间短，凝固速率快，合金液与增强颗粒之间发生化学反应的倾向小；不会发生由重力作用引起的增强颗粒沉聚，也可减少偏析。增强颗粒在与合金液滴接触的过程中，由于合金液的冷却速率快，颗粒被融化的程度小，所以颗粒可以基本保持其原始尺寸。④通过控制喷射角度和速率可以控制增强颗粒的加入量和分布。图2-9共喷射沉积工作原理示意图1一雾化室；2一熔化炉；3一雾化器；4一沉积体；5—压力释放罩；6一粉末回收料；7一搜集室14第2章喷射成型技术图2-10反应雾化喷射沉积成形的示意图非连续增强金属基复合材料的喷射成型技术反应合成金属基复合材料技术主要可分为三种类型：液态反应合成，主要包括气-液反应法、固-液反应法和加盐反应法等；固态反应合成，主要包括白蔓延高温合成法、反应烧结法和机械合金化等；反应喷射沉积，主要包括反应喷射成型和反应低压等离子喷射沉积等。15第2章喷射成型技术图2-11多层喷射沉积管坯生产装置原理图2-12多层喷射沉积板坯生产装置原理图1一加热坩埚；2一喷嘴；3一雾化金属液滴；1一加热坩埚；2一喷嘴；3一雾化金属液滴；4一旋转轴；5一喷射沉积坯；6一雾化室；4一强化外冷装置；5一水冷小车；7一强制外冷装置；8一排气口6一雾化室；7一排气口16第2章喷射成型技术（a）生产设备(b)合金圆锭产品图2-13喷射成形过共晶Al-Si系合金圆锭生产设备和产品(德国PEAK公司)喷射成型技术的工业化应用现状喷射成型铝合金铝合金具有密度低、比强度高、韧性好和耐腐蚀等优点，是航空航天、交通运输、机械制造行业中不可缺少的重要结构材料。将喷射成型技术用于一些合金化程度高的铝合金的制备，可以显著细化合金坯锭的组织，消除粗大的第二相质点，减轻宏观和微观偏析，增加合金中的固溶度，从而获得各种性能优异烦人铝合金材料。喷射成型过共晶铝硅合金过共晶Al-Si系合金具有质量轻、热膨胀系数低、耐磨性好等优点，目前已被世界各国工业广泛使用。喷射成型过共晶Al-Si系合金目前在国外最主要的用途是被用于制造汽车发动机中的一些关键部位。18第2章喷射成型技术图2-14喷射成形过共晶Al-Si合金缸套(德国奔驰公司V6发动机)19第2章喷射成型技术图2-15国内采用喷射成形过共晶A1—Si系合金制备的发动机新型缸套样品20第2章喷射成型技术图2-16国内采用喷射成形工艺制备的超高强7000系铝合金沉积坯件如图2-16所示为利用喷射成型技术制备的超高强度7000铝合金沉积坯件。将喷射成型高强度铝合金沉积坯进行后续的变形加工和相应的热处理，生产出具有优异的常规力学性能、动态力学性能和抗应力腐蚀性能的喷射成型超高强度7000系铝合金材料21第2章喷射成型技术图2-17国内采用喷射成形及热变形加工/热处理工艺制备的超高强7000系铝合金锻件/挤压件22第2章喷射成型技术图2-18美国Howment公司生产的喷射成形高温合金环形件高温合金中的强化元素多，成分复杂，使得热加工性能变差。传统的铸造高温合金具有严重的组织偏析，晶粒较为粗大，快凝粉末冶金工序繁多，成本昂贵，氧化严重。喷射成型高温合金23第2章喷射成型技术图2-19瑞典的Sandvik工厂利用喷射成形技术生产的复合钢管高温铝合金管24第2章喷射成型技术图2-20Osprey公司生产的特殊钢坯(直径400mm,长1m)喷射成型钢铁合金喷射成型对于提高工具钢、磨具钢、高速钢等特殊的性能已得到世界各国工业部门的普遍关注。轧辊轧辊是轧制轧件的工具，是轧机上的主要消耗部件。25第2章喷射成型技术图2-21瑞士SwissmetallBoillat公司生产的喷射成形铜合金坯锭高合金钢最初Osprey公司用300Kg容量的水平设备生产200mm直径的钢锭，在同Danishsteel等三家公司合作开发大直径钢锭计划实施过程中，将设备容量扩大到1.2t，目前能生产直径为200mm、325mm和400mm，长度达1.2m的工具钢和沉淀硬化不锈钢以及高速钢锭坯。如图2-20所示。这些高合金钢具有优良的性能，其制造成本可与冶金铸造工艺相竞争。26第2章喷射成型技术图2-22国内采用喷射成形工艺制备的CuCr50合金触头材料喷射成型铜合金汽车工业中大量使用的焊接电极头，要求有好的电导性、高的硬度和足够高的高温强度，以保证产品的使用寿命，降低维护费用。德国Wieland工厂1991年进入这一领域从事开发，他们利用喷射成型技术制备的Cu-Cr-Zr电极头，具有均匀细小的显微组织，其寿命是连珠电极头的2倍；开发的氧化铝颗粒增强Cu-Cr-Zr复合材料电极头，以用于汽车工业中镀锌钢板的焊接。该公司利用喷射成型技术制备了长达2500mm的铜合金棒坯，如图2-21所示。如图2-22所示为我国的白净有色金属研究总院和北京科技大学利用喷射成型技术开发出了高熔点的CuCr50和CuCr25合金触头材料棒坯，材料中的Cu基体呈网格状分布，而类似球形的Cr相均匀分布在Cu基体上，其中Cr相颗粒尺寸平均值为15ｕｍ28第2章喷射成型技术图2-23喷射成形A1—70si合金封装的功率放大器29第2章喷射成型技术图2-24国内利用喷射成形技术制备的Al-60～70Si合金热沉片喷射成型硅铝合金硅铝合金是一种性能优越的电子封装材料，它具有低的热膨胀系数、高的热导率和低的密度，而且，可以根据基体的需要，通过铝硅合金的调整，得到不同热膨胀系数的封装材料，此外，该材料还具有良好的热、机械稳定性（使用温度可达到５５０℃），良好的机械加工性能，可采用碳化物或多晶金刚石刀具获得较高的加工精度，易于加工成不同的形状（包括各种凹槽、窄槽和边角等），而且，该材料与环境与环境友好，不含有害健康的元素，易于循环处理，易于进行镀金、银和镍等表面涂装材料，并具有良好的焊接性能，这些都显示该材料的研究开发具有广阔的产业化应用前景。31表2-1常用喷射成形雾化介质的主要物理参数介质相对分子质量热导率[W/(m﹒K)]比热容CP/[(kJ/(kg﹒K)]密度/(g／cm3)ArHeN239.954.0028.010.0180.1570.0250.545.231.051.780.17851.2532表2-2喷射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能测试温度制备方法屈服强度б0.2/MPa抗拉强度бb/MPa伸长率δ/%断面收缩率A/%制备方法屈服强度б0.2/MPa抗拉强度бb/MPa伸长率δ/%