第二章--喷射成型技术

第二章喷射成型技术主要内容•一，喷射成型概述•二，喷射成型工艺的基本原理•三，喷射成型工艺•四，喷射成型工艺特点•五，产品性能•六，发展状况与发展趋势•七，结束语一、喷射成型概述•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，这是二十世纪80年代以来，工业发达国家在传统快速凝固／粉末冶金（RS/PM）工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。也有这样的说法•喷射成形技术是继铸造冶金和粉末冶金方法之后发展起来的第三类金属材料制备新方法。该技术人为地控制金属熔体从液态到固态的凝固过程，包含了金属液的雾化、液滴在飞行过程中的冷却凝固及到达沉积器后的融合与后续的凝固。喷射成形组织是金属熔体分散、分步、分时凝固的综合结果。课本上的定义喷射成型是将喷射沉积与成形技术结合一起进行加工金属或合金成半成品或成品的新工艺。它是将雾化液态微粒先沉积为预成形实体，然后进行各种形式冷热加工成板、带、棒、管材。《粉末冶金原理》二、喷射成型工艺的原理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。这样，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。1，把金属原料置于坩埚中，在大气或真空中熔炼。达到一定过热度后，典型值为50～200℃，释放金属流进入雾化室。2，在雾化室中金属流被惰性气体分散成液滴飞向沉积器，沉积成致密的坯体。3，沉积器为板状或棒状，通常采用水冷或不冷却。根据沉积器形状及运动方式的不同，沉积坯可以为板状、棒状、管状或带状。实际操作依赖的关键技术三、喷射成型工艺金属粉末喷射成型工艺流程为:金属液雾化——液滴高速飞行——液滴与沉积器(或模具)碰撞变形及凝固成形。•喷射成型技术根据不同的加工方式为：喷射轧制、喷射锻造、离心喷射沉积，喷射涂层。喷射轧制喷射锻造离心喷射沉积•熔融金属或合金注入离心雾化机内，产生的雾化液态流以高速射到冷的衬底上，碰扁成薄片积聚冷却凝固成沉积物，再将其从衬底上脱出。喷射涂层•熔融金属通过喷嘴将金属液流喷射成雾状液态微粒涂积在基地上，相互结合一起形成一层薄的涂层。喷射成型新工艺1、多层喷射沉积技术传统喷射成形技术存在其局限性，即沉积物冷凝速度受到一定限制，喷射沉积坯尺寸精度不高。陈振华等创立了多层喷射沉积技术。它区别于传统喷射沉积技术之处在于：沉积坯为多次合成构成，因而冷凝速度高于传统喷射沉积坯：沉积坯为金属喷嘴多次往返移动喷射沉积而成．因而管坯可很厚而冷却速度不受影响。且板坯的宽度及长度都可很大；沉积坯的尺寸精度高；制备的复合材料均匀性非常好。2、反应喷射成形技术喷射成形过程中金属液流被雾化成粒径很小的液滴，它们具有很大的比表面积，同时温度又较高，这为喷射沉积过程中的化学反应提供了驱动力。•在喷射成形过程中可发生雾化气体与金属液滴之间的气一液反应等化学反应，这些反应模式下生成的弥散体粒度细小、分散均匀，具有较高的应用价值。3、原位反应雾化喷射成形技术近年来，反应喷射成形技术得到迅速发展。但增强相均为在雾化室中通过气一液和液一固等反应原位生成，这种技术未能很好解决颗粒在基体中分布不均的问题，且增强相的利用率仍然较低。为了提高增强相的利用率，产生了这种新的技术。可沿用用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。4、纯净金属喷射成形技术该工艺将一个电渣熔炼系统的熔池作为喷射成形工艺用液态金属熔池．采用冷壁式感应导板的漏斗形浇口来控制金属液流的传输，该导板采用感应加热以避免金属液流的凝结。纯净金属喷射成形工艺通过熔渣中的化学精炼来达到理想的纯净水平，同时采用铜制控制（CIG）系统避免了传输过程中的污染。并在工艺过程中仅少量金属处于液态．减少了伴随大量金属熔化时带来的各种问题，同时减少了能量损失。该工艺与粉末冶金工艺相比，生产步骤大大减少，而产量明显提高。产品成本低，性能优越，可替代粉末冶金工艺制造航空发动机涡轮盘。5、控制往复喷射成形技术针对多层喷射成形工艺存在的采用紧耦合雾化器，雾化喷射流分散，喷射密度低，形成大量孔隙等问题，上海交通大学的张豪等人在对工艺控制模型、雾化器结构和成套设备深入研究的基础上，开发出控制往复喷射成形技术和装置，于2003年申请了控制往复喷射成形工艺的发明专利，并于2004年首次在我国发起成立华通喷射成形有限公司，专业从事喷射成形产业化。获得有益效果是：沉积坯凝固速率高(大于104K／s)。组织精细(平均晶粒度0．9～20μm)，同时，致密度高(大于96％)、层界面缺陷少，适宜制备大规格的沉积坯(管坯、锭坯、板坯等)，材料收得率大幅度提高(大于85％)。6、双极雾化喷射成形技术袁晓光、张卫方设计制造由超音速气体雾化和旋转盘雾化组成的双级雾化装置，采用AI．20Si合金进行了工艺性试验，双级雾化快速凝固装置的冷却速度大大提高，对快速凝固理论的研究和新材料的开发都具有重要的意义。四、喷射成型工艺特点•(1)快速凝固组织特性。•喷射成形属快速凝固范畴，其冷却速度一般在103～104K／s之间。沉积时高速雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎，晶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)含氧量低。喷射成形过程一般在惰性气体保护下完成，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，避免了粉末冶金工艺中因贮存、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)较高的材料致密度。与粉末冶金工艺相比，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而产生的孔洞，因此，采用喷射沉积工艺可获得较高致密度的毛坯。•(4)工序简单，成本低。喷射成形将熔体的雾化和沉积两个过程合二为一，可直接由液态金属制取快速凝固预成形毛坯，而一般的快速凝固工艺制取的材料(如粉末)，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。(5)提供了生产金属基体复合材料的新方法。在喷射成形过程中把增强粒子引入金属雾化流中就能够在沉积器上得到金属基体复合坯。喷射成形过程快速凝固的特点减少了增强粒子与基体发生界面反应的可能。(6)灵活性强。喷射成形可制造其它工艺不易制造的材料，如Al、Pb、Cu、Mg、Ni、Ti、Co合金和特种钢等，在某些领域的应用，可代替传统的粉末冶金。五、产品性能与用传统铸造或变形工艺制备的材料相比：采用喷射成形工艺制备的材料在制备过程中的快速冷却使显微组织明显细化、析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观和微观上得到有效地控制，因此材料的力学性能几乎没有各向异性，使材料的总体性能得到了明显的提高。与传统的粉末冶金工艺相比•从冶炼到坯件成形可在一个工序完成，省去了粉末冶金制粉、混料、压坯和烧结等多道工序，且可有效地控制材料中的氧含量与纯净度，这可使材料坯件的制造成本大幅度地降低。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而产生的孔洞，•因此，采用喷射沉积工艺可获得较高致密度的毛坯。六、发展状况与发展趋势喷射成形技术及其发展历程•喷射成形的概念最早由英国Swansea大学Singer教授于1968年提出【2]，并于1972年获得专利。•作为工程技术则是从1974年英国OspreyMetals公司取得专利权开始，该公司成功地将Singer提出喷射沉积成形应用于锻造毛坯的生产，发明了著名的OspreyT艺。总体来看，喷射成形技术经历了：适用合金系统的实验研究(1975—1984年)——工艺优化和雾化沉积机理的研究(1984--1992年)——雾化技术规模的扩大与产业化(1992--1998年)等自身发展和重大改进的历程。近年来，喷射成形技术已成为材料科学与工程界的研究和产业化发展的热点之一。~2000年开始，每3年举行一次喷射沉积及熔体雾化国际会议，最新的第三届会议于2006年在德国不来梅大学召开(2009年9月在此还将召开第4届喷射沉积及熔体雾化国际会议暨第七届喷射成形国际会议)国外喷射成形技术的应用开发•主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。目前，已经能生产直径450mm和长度2500mm的棒材，其收得率可高达70%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，其收得率为80%~90%。而成形的合金材料主要有：铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。这些材料已经用于火箭壳体、尾翼、涡轮发动机涡轮盘、海洋中耐腐蚀管道（IN625合金）、轧辊、导电材料（Cu-Cr、Cu-Ni-Sn等）、汽车连杆、活塞及体育器材等。国际上正在进行研究和开发的科研机构和企业主要有：美国的美国海军武器中心(NSWC)、麻省理工学院(MIT)、DREXEL大学、加州理工学院和ALCOA铝业公司等，英国的牛津大学、剑桥大学、伯明翰大学、OSPREY公司和FORGEDROLL公司等，德国PEAK公司和BREMEN大学瑞典SANDVIK钢厂以及日本住友重工等。举例•德国Peak公司从九十年代末期开始采用喷射成形技术批量生产过共晶Al-Si合金，用于德国Daimler-Benz轿车发动机汽缸内衬套，成为号称世界最先进的V6和V8轿车发动机的标准部件，其年产量在2000年已达到6000吨左右•美国的福特汽车公司、韩国的大宇汽车公司等分别与美国加州大学和韩国KIST中央研究院等单位合作开发了Al-Si系合金，用于生产发动机汽缸内衬材料等，已经批量生产。•美国国防部又资助进行了材料性能的全面测试，包括材料的非破坏性评价、力学性能、疲劳性能、爆炸试验、可焊性试验及耐腐蚀试验等。目前制备的管材从直径100mm到800mm，壁厚为2~3mm，主要用于潜艇、鱼雷管、轴封、轴套及轴承、炮管、飞机发动机盖等。美国还将喷射成形铝合金用于鱼雷壳、MK46的燃料箱、装甲板、导弹和航天飞机等零部件上。此外，德国、英国和前苏联均有该技术在军事装备上应用的报道。国内情况•我国从80年代末90年代初开始喷射成形技术的研究。近十年来，哈尔滨工业大学、北京航空材料研究院、北京有色金属研究总院、中南工业大学、沈阳金属研究所、上海钢铁研究所、北京科技大学、西北工业大学等单位进行了大量的基础和应用研究工作。•并于1998年9月举行了首届喷射成形技术学术研讨会。为了使我国在材料制备’加工领域缩小与世界上工业发达国家的差距，打破工业发达国家对喷射成形技术的垄断，自l996年起，北京有色金属研究总院和北京科技大学在国家“863”高技术计划新材料领域的支持下，采用独立自主的方式进行r喷射成形技术的研究-目前已经突破了喷射成形工艺过程中沉积坯件成形等关键技术问题，制备出喷射成形圆锭、管坯、板坯等基本形状的沉积坯什；涉及的台金系列包括过共晶铝硅合金、超高强铝锌合金、锌铝合金等；研制了适用于喷射成形技术的双层非限制式气雾化喷嘴(已获国家专利，专利号：ZL98201214．4)；研制r喷射成形生产试制型专用设备；该项甘于l998年通过国家有色金属工业局组织的技术磐定，并于1999年获国家有色金属工业局科学技术进步二等奖。目前已可稳定地生产制备以F沉积坯件：•圆锭的最大直径200mm，最大长700mn·。直径偏差≤5％；•管坯的