第二章 喷射成型技术

2020/1/19材料成型及控制工程教研组1第2章喷射成型技术图2-1喷射成形示意图2020/1/19材料成型及控制工程教研组2第2章喷射成型技术图2-2喷射成形带材的原理示意图1一熔液池；2一铸带；3一导辊；4一激冷带；5一除尘系统；6一雾化系统；7一惰性气体室直浇道2020/1/19材料成型及控制工程教研组3第2章喷射成型技术(a)限制性喷嘴(b)自由降落喷嘴图2-3典型雾化器示意图2020/1/19材料成型及控制工程教研组4第2章喷射成型技术(a)圆周排列(b)多孔排列(c)线性排列图2-4雾化器气孔分布2020/1/19材料成型及控制工程教研组5第2章喷射成型技术图2-5离心雾化喷射成形的示意图2020/1/19材料成型及控制工程教研组6第2章喷射成型技术（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2020/1/19材料成型及控制工程教研组7第2章喷射成型技术(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2020/1/19材料成型及控制工程教研组8第2章喷射成型技术(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2020/1/19材料成型及控制工程教研组9第2章喷射成型技术图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2020/1/19材料成型及控制工程教研组10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2020/1/19材料成型及控制工程教研组11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2020/1/19材料成型及控制工程教研组12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)2020/1/19材料成型及控制工程教研组13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)2020/1/19材料成型及控制工程教研组14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2020/1/19材料成型及控制工程教研组15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2020/1/19材料成型及控制工程教研组16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2020/1/19材料成型及控制工程教研组17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2020/1/19材料成型及控制工程教研组18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2020/1/19材料成型及控制工程教研组19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)2020/1/19材料成型及控制工程教研组20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2020/1/19材料成型及控制工程教研组21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2020/1/19材料成型及控制工程教研组22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2020/1/19材料成型及控制工程教研组23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2020/1/19材料成型及控制工程教研组24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)ArHeN239.954.0028.010.0180.1570.0250.545.231.051.780.17851.252020/1/19材料成型及控制工程教研组25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/%断面收缩率A/%20℃SF盘件（742）1060144923.641.2SF环件（718）1228144618.631.720℃IM盘件（742）864132917.718.9IM技术指标103512751215650℃SF盘件（742）9571326SF环件（718）1039119022.033.6650℃IM技术指标6861127IM环件（718）960114219.321.82020/1/19材料成型及控制工程教研组26表2-3喷射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能制备方法650℃/834MPa750℃/539MPa制备方法650℃/690MPaSF坯件（742）16590SF环件（718）146SF盘件（742）27463SF轧环（718）235IM技术指标＞50＞50IM技术制备＞252020/1/19材料成型及控制工程教研组27表2-4非连续增强金属基复合材料的主要制备技术比较合成技术主要工艺主要优点存在的主要问题液相合成铸造、压铸、浸渗等低成本增强相数量和尺寸受到限制(一般分别20%（体积分数）和50µm)；易发生不利的增强相和基体之间的界面反应；为提高增强相和基体的润湿性，有时需采用昂贵的增强相表面处理和加入适当的合金元素，会影响复合材料的性能固相合成粉末冶金(真空热压、高性能、热等静压、粉末挤压、粉末锻造、机械合金化等)高性能、增强相的类型、数量和大小可任意选择和控制制造工艺复杂、效率低、综合成本偏高，使其应用限于小批量的高性能复合材料；易氧化合金系统易发生氧化污染，造成性能降低和使用安全性两相区合成喷射成形(喷射成形(包括惰性气体喷射沉积成形和反应(或原位)喷射成形)和热喷涂沉积成形)、流变铸造高性能；减小界面反应；方法灵活热喷涂方法沉积效率较低；流变铸造方法工艺控制要求高，可选用的合金系统有限2020/1/19材料成型及控制工程教研组28表2-5不同工艺制备的过共晶Al-Si系合金中初晶Si相的尺寸合金（质量分数）/％工艺Si相的尺寸/µmA1-17Si-4.5Cu-0.6Mg铸锭冶金80Al-l7Si-4.5Cu-0.6Mg喷射成形5Al-20Si-5Fe喷射成形2Al-20Si-5Fe-3Cu-lMg快速凝固／粉末冶金3Al-20Si-3Cu-1Mg快速凝固／粉末冶金2~7A1-20Si-3Cu-1Mg铸锭冶金70A1-17Si-4.5Cu-0.6Mg喷射成形5~11Al-12Si喷射成形0.52020/1/19材料成型及控制工程教研组29表2-6不同快速凝固工艺制备的过共晶Al-Si系合金的力学性能合金及成分状态制坯工艺力学性能抗拉强度бb/MPa屈服强度б0.2/Mpa伸长率δ/%A390金属型铸造+T6铸锭冶金290290-Al-12SiRS/PM+热挤压离心雾化24416219A1-12Si-2CuRS/PM+热挤压离心雾化3862337A1-12Si-2CuRS/PM+热挤压+T6离心雾化4763635Al-l2Si-3MgRS/PM+热挤压离心雾化29623315A1-12Si-3MgRS/PM+热挤压+T6离心雾化4253805A1-12Si-1.1NiRS/PM热挤压离心雾化33325313Al-12Si-0.5CoRS/PM+热挤压离心雾化25420720A1-12Si-0.07SrRS／PM+热挤压离心雾化28319718A1-12Si-7.5FeRS/PM+热挤压气体雾化3252608.5A1-20Si-7.5FeRS/PM+热挤压气体雾化38026022020/1/19材料成型及控制工程教研组30表2-6不同快速凝固工艺制备的过共晶Al-Si系合金的力学性能合金及成分状态制坯工艺力学性能抗拉强度бb/MPa屈服强度б0.2/Mpa伸长率δ/%A1-12Si-5Fe-3Cu-0.5MgRS/PM+热挤压+T6气体雾化4860.6A1-20Si-5Fe-1.9NiRS/PM+热挤压气体雾化413.61A1-20Si-3Cu-1Mg-5FeRS/PM+热挤压+T6气体雾化535Al-25Si-2.5Cu-1MgRS/PM+热挤压+T6气体雾化4901.2A1-12Si-7Ni-0.45ZrRS/PM+热挤压气体雾化4003A1-25Si-4Cu-1Mg.SF+热挤压+T6喷射成形4163891.3Al-20Si-5Fe-3Cu-lMgSF+热挤压+T6喷射成形4364140.9A1-20Si-5Fe-3Cu-lMg-2MnSF+热挤压+T6喷射成形4424210.8A1-17Si-6Fe-4.5Cu-0.5MgSF+热挤压+T6喷射成形55046012020/1/19材料成型及控制工程教研组31表2-7喷射成形与粉末冶金技术制备材料的力学性能试样热处理制度屈服强度б0.2/MPa抗拉强度бb/MPa断面收缩率A/%SD-1T67908104.9PM-1T67167351.9PM-2T7X6606916.72020/1/19材料成型及控制工程教研组32表2-8喷射成形与粉末冶金技术制备材料的氧含量材料氧含量/Х10-6氢含量/Х10-6SD式样50~2000.1~0.2PM式样1000~30001~42020/1/19材料成型及控制工程教研组33表2-9喷射成形超高强7000系铝合金的力学性能合金及成分制备加工工艺力学性能抗拉强度бb/Mpa屈服强度б0.2/Mpa伸长率δ/%7034(英国)喷射成形+热挤压+T6800~81590~8054~6Al-l0.8Zn-2.9Mg-l.7Cu(国内)喷射成形+热挤压+T6800~810790~8009~112020/1/19材料成型及控制工程教研组34表2-10喷射成形高温合金B的力学性能序号状态拉伸性能持久断裂650℃/834MPa时间/h冲击值αkv/(kJ/m2)抗拉强度бb/Mpa屈服强度б0.2/Mpa伸长率δ/%断面收缩率A/％E01SF135689826.336.616447E02HIP1316186263797-E03SF+F+HT1139294725.832.8-54E04SF+F+HT21468106422.222.917562标准121075513145024注：SF为喷射成形；F为锻造；HT1为1140℃固溶处理；HT2为1180℃固溶处理。2020/1/19材料成型及控制工程教研组35第2章喷射成形技术式中，w为盘的转速；D为盘的直径；ρ为金属密度；γ为金属表面张力；A为常数。反应合成的基本类型包括：合成反应：A[M]+B[M]→AB[S](2-2)替代反应：AB+C→AC+B(2-3)其中AB和AC可以是氧化物、氮化物、硼化物以及各种有强化功能的金属间化合物。（2-1）12dwDA2020/1/19材料成型及控制工程教研组36式中，T为反应温度；aA和aB分别为A和B在M中的活度；R为气体常数。当A和B的活度满足以下条件时将形成化合物AB。(2-4)(2-5)平衡时的自由能变化为01lnABGRTaa0GRTABaae