材料制備新技術(shù)(許春香)第二章-噴射成型技術(shù)

第2章噴射成型技術(shù)學(xué)習(xí)目的與要求：通過本章的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生對噴射成形技術(shù)的生產(chǎn)工藝過程有一個全面的了解；加深對噴射成形技術(shù)原理和工藝特點的理解；掌握噴射成形的關(guān)鍵技術(shù)；全面認識和了解噴射成形技術(shù)的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景；以利于學(xué)生工作后更好地適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展的需要2.1

噴射成形示技術(shù)原理與工藝意圖噴射成形(sprayforming)又稱噴射霧化沉積（sprayatomizationanddeposition)或噴射鑄造（spraycasting)等。2.1.1技術(shù)原理噴射成形的三個連續(xù)過程：合金溶液的霧化、霧化熔滴的飛行與冷卻、沉積坯的生長。第2章噴射成型技術(shù)圖2-1噴射成形示意圖形成過程：第2章噴射成型技術(shù)2.1.2工藝過程1）提供液態(tài)金屬；2）將金屬液轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄣危?）在基板上沉積（形成高密度的半成品—坯件）第2章噴射成型技術(shù)2.1.3工藝特點1）高致密度；2）低含氧量；3）快速凝固的顯微組織特征；4）合金性能高；5）工藝流程短，成本低；6）高沉積率；7）靈活的柔性制造系統(tǒng)；8）近終形成形；9）可制備高性能金屬基復(fù)合材料。2.1.3.1優(yōu)點：含有一定量的疏松；2.1.3.1缺點：產(chǎn)出率一般明顯低于100%。第2章噴射成型技術(shù)2.1.4噴射成形技術(shù)工藝分析1）霧化階段；霧化方法：氣流霧化、離心霧化和機械霧化。2.1.3.1優(yōu)點：2）噴射階段；噴射顆粒由固態(tài)、液態(tài)和半凝固態(tài)顆粒組成。第2章噴射成型技術(shù)2.1.4噴射成形技術(shù)工藝分析3）沉積階段；4）沉積體凝固階段。

圖2-2噴射成形帶材的原理示意圖

1一熔液池；2一鑄帶；3一導(dǎo)輥；4一激冷帶；5一除塵系統(tǒng)；6一霧化系統(tǒng)；7一惰性氣體室直澆道噴射沉積法可控參量：合金液滴的尺寸、飛行速率、液滴接觸基板時的溫度、凝固狀態(tài)、基板的冷卻速率與表面狀態(tài)等(a)限制性噴嘴

(b)自由降落噴嘴圖2-3典型霧化器示意圖2.2

噴射成形的霧化過程2.2.1氣體霧化

(a)圓周排列(b)多孔排列(c)線性排列 圖2-4霧化器氣孔分布霧化器氣孔分布圖2-5離心霧化噴射成形的示意圖2.2.2離心霧化

式中，w為盤的轉(zhuǎn)速；D為盤的直徑；ρ為金屬密度；γ為金屬表面張力；A為常數(shù)。（2-1）

(a)傾斜布局(b)垂直布局(c)水平布局 圖2-6噴射成形裝置示意1－霧化室；2－霧化器；3－坩堝；4－金屬液；5－霧化流；6－沉積柸；

7－沉積器2.3

噴射成形技術(shù)關(guān)鍵和裝置2.3.1裝置結(jié)構(gòu)布局

(a)垂直單固定(b)傾斜單掃描(c)傾斜雙掃描

圖2-7霧化噴嘴及沉積溫度場示意圖2.3.2霧化噴嘴系統(tǒng)2.3.3噴射成型裝置2.4

噴射成形材料特性2.4.1晶粒組織2.4.2氣體含量2.4.3宏觀偏析2.4.4致密度2.4.5熱塑性

(a)常規(guī)變形合金(b)噴射成形合金

圖2-8GH742合金的熱工藝塑性2.4.4致密度2.4.5熱塑性2.4.6力學(xué)性能 圖2-9共噴射沉積工作原理示意圖

1一霧化室；2一熔化爐；3一霧化器；4一沉積體；5—壓力釋放罩；

6一粉末回收料；7一搜集室2.5

共噴射成形技術(shù)2.5.1共噴射成形的技術(shù)特點與工藝2.5.2增強顆粒對噴射沉積過程的影響圖2-10反應(yīng)霧化噴射沉積成形的示意圖2.6

非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的噴射成型技術(shù)圖2-11多層噴射沉積管坯生產(chǎn)裝置原理圖2-12多層噴射沉積板坯生產(chǎn)裝置原理圖1一加熱坩堝；2一噴嘴；3一霧化金屬液滴；1一加熱坩堝；2一噴嘴；3一霧化金屬液滴；4一旋轉(zhuǎn)軸；5一噴射沉積坯；6一霧化室；4一強化外冷裝置；5一水冷小車；7一強制外冷裝置；8一排氣口6一霧化室；7一排氣口2.7

多層噴射沉積技術(shù)（a）生產(chǎn)設(shè)備(b)合金圓錠產(chǎn)品圖2-13噴射成形過共晶Al-Si系合金圓錠生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品(德國PEAK公司)2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.1噴射成形鋁合金

圖2-14噴射成形過共晶Al-Si合金缸套(德國奔馳公司V6發(fā)動機)2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.1噴射成形鋁合金圖2-15國內(nèi)采用噴射成形過共晶A1—Si系合金制備的發(fā)動機新型缸套樣品2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.1噴射成形鋁合金

圖2-16國內(nèi)采用噴射成形工藝制備的超高強7000系鋁合金沉積坯件2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.1噴射成形鋁合金圖2-17國內(nèi)采用噴射成形及熱變形加工/熱處理工藝制備的超高強7000系鋁合金鍛件/擠壓件2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.1噴射成形鋁合金圖2-18美國Howment公司生產(chǎn)的噴射成形高溫合金環(huán)形件2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-19瑞典的Sandvik工廠利用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合鋼管2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-20Osprey公司生產(chǎn)的特殊鋼坯(直徑400mm,長1m)2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-21瑞士SwissmetallBoillat公司生產(chǎn)的噴射成形銅合金坯錠2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-22國內(nèi)采用噴射成形工藝制備的CuCr50合金觸頭材料2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-23噴射成形A1—70si合金封裝的功率放大器2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金圖2-24國內(nèi)利用噴射成形技術(shù)制備的Al-60～70Si合金熱沉片2.8

噴射成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀2.8.2噴射成形高溫合金表2-1常用噴射成形霧化介質(zhì)的主要物理參數(shù)介質(zhì)相對分子質(zhì)量熱導(dǎo)率[W/(m﹒K)]比熱容CP/[(kJ/(kg﹒K)]密度/(g／cm3)ArHeN239.954.0028.010.0180.1570.025

0.54

5.23

1.051.780.17851.25表2-2噴射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能測試溫度制備方法屈服強度б0.2/MPa抗拉強度бb/MPa伸長率δ/%斷面收縮率A/%制備方法屈服強度б0.2/MPa抗拉強度бb/MPa伸長率δ/%斷面收縮率A/%20℃SF盤件（742）1060144923.641.2SF環(huán)件（718）1228144618.631.720℃IM盤件（742）864132917.718.9IM技術(shù)指標(biāo)103512751215650℃SF盤件（742）9571326SF環(huán)件（718）1039119022.033.6650℃IM技術(shù)指標(biāo)6861127IM環(huán)件（718）960114219.321.8表2-3噴射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能制備方法650℃/834MPa750℃/539MPa制備方法650℃/690MPaSF坯件（742）16590SF環(huán)件（718）146SF盤件（742）27463SF軋環(huán)（718）235IM技術(shù)指標(biāo)＞50＞50IM技術(shù)制備＞25表2-4非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的主要制備

技術(shù)比較合成技術(shù)主要工藝主要優(yōu)點存在的主要問題液相合成鑄造、壓鑄、浸滲等低成本增強相數(shù)量和尺寸受到限制(一般分別<20%（體積分?jǐn)?shù)）和>50μm)；易發(fā)生不利的增強相和基體之間的界面反應(yīng)；為提高增強相和基體的潤濕性，有時需采用昂貴的增強相表面處理和加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，會影響?fù)合材料的性能固相合成粉末冶金(真空熱壓、高性能、熱等靜壓、粉末擠壓、粉末鍛造、機械合金化等)高性能、增強相的類型、數(shù)量和大小可任意選擇和控制制造工藝復(fù)雜、效率低、綜合成本偏高，使其應(yīng)用限于小批量的高性能復(fù)合材料；易氧化合金系統(tǒng)易發(fā)生氧化污染，造成性能降低和使用安全性兩相區(qū)合成噴射成形(噴射成形(包括惰性氣體噴射沉積成形和反應(yīng)(或原位)噴射成形)和熱噴涂沉積成形)、流變鑄造高性能；減小界面反應(yīng)；方法靈活熱噴涂方法沉積效率較低；流變鑄造方法工藝控制要求高，可選用的合金系統(tǒng)有限表2-5不同工藝制備的過共晶Al-Si系合金中

初晶Si相的尺寸合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/％工藝Si相的尺寸/μmA1-17Si-4.5Cu-0.6Mg鑄錠冶金80Al-l7Si-4.5Cu-0.6Mg噴射成形5Al-20Si-5Fe噴射成形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鑄錠冶金70A1-17Si-4.5Cu-0.6Mg噴射成形5~11Al-12Si噴射成形<0.5表2-6不同快速凝固工藝制備的過共晶Al-Si

系合金的力學(xué)性能合金及成分狀態(tài)制坯工藝

力學(xué)性能抗拉強度бb/MPa屈服強度б0.2/Mpa伸長率δ/%A390金屬型鑄造+T6鑄錠冶金290290-Al-12SiRS/PM+熱擠壓離心霧化24416219A1-12Si-2CuRS/PM+熱擠壓離心霧化3862337A1-12Si-2CuRS/PM+熱擠壓+T6離心霧化4763635Al-l2Si-3MgRS/PM+熱擠壓離心霧化29623315A1-12Si-3MgRS/PM+熱擠壓+T6離心霧化4253805A1-12Si-1.1NiRS/PM熱擠壓離心霧化33325313Al-12Si-0.5CoRS/PM+熱擠壓離心霧化25420720A1-12Si-0.07SrRS／PM+熱擠壓離心霧化28319718A1-12Si-7.5FeRS/PM+熱擠壓氣體霧化3252608.5A1-20Si-7.5FeRS/PM+熱擠壓氣體霧化3802602表2-6不同快速凝固工藝制備的過共晶Al-Si

系合金的力學(xué)性能合金及成分狀態(tài)制坯工藝

力學(xué)性能抗拉強度бb/MPa屈服強度б0.2/Mpa伸長率δ/%A1-12Si-5Fe-3Cu-0.5MgRS/PM+熱擠壓+T6氣體霧化4860.6A1-20Si-5Fe-1.9NiRS/PM+熱擠壓氣體霧化413.61A1-20Si-3Cu-1Mg-5FeRS/PM+熱擠壓+T6氣體霧化535Al-25Si-2.5Cu-1MgRS/PM+熱擠壓+T6氣體霧化4901.2A1-12Si-7Ni-0.45ZrRS/PM+熱擠壓氣體霧化4003A1-25Si-4Cu-1Mg.SF+熱擠壓+T6噴射成形4163891.3Al-20Si-5Fe-3Cu-lMgSF+熱擠壓+T6噴射成形4364140.9A1-20Si-5Fe-3Cu-lMg-2MnSF+熱擠壓+T6噴射成形4424210.8A1-17Si-6Fe-4.5Cu-0.5MgSF+熱擠壓+T6噴射成形5504601表2-7噴射成形與粉末冶金技術(shù)制備材料的

力學(xué)性能試樣熱處理制度屈服強度б0.2/MPa抗拉強度бb/MPa斷面收縮率A/%SD-1T67908104.9PM-1T67167351.9PM-2T7X6606916.7表2-8噴射成形與粉末冶金技術(shù)制備材料的氧含量材料氧含量/Х10-6氫含量/Х10-6SD式樣50~2000.1~0.2PM式樣1000~30001~4表2-9噴射成形超高強7000系鋁合金的

力學(xué)性能合金及成分制備加工工藝

力學(xué)性能抗拉強度бb/Mpa屈服強度б0.2/Mpa伸長率δ/%7034(英國)噴射成形+熱擠壓+T6800~81590~8054~6Al-l0.8Zn-2.9Mg-l.7Cu(國內(nèi))噴射成形+熱擠壓+T6800~810