快速冷凝技術(shù)與應(yīng)用

快速冷凝技術(shù)霧化制粉噴射成形快速冷凝技術(shù)快速冷凝技術(shù)-理論基本原理熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)溶質(zhì)分配固液界面形核與長(zhǎng)大快速冷凝技術(shù)-組織特點(diǎn)細(xì)化均勻化凈化過(guò)飽和高缺陷亞穩(wěn)快速冷凝技術(shù)-材料鋁基合金鎂基合金鈦基合金銅基合金鐵基合金準(zhǔn)晶與大塊非晶材料噴射成形發(fā)展歷程工藝分類(lèi)工藝特點(diǎn)基本原理工藝過(guò)程與影響參數(shù)應(yīng)用與舉例發(fā)展歷程-概念發(fā)展歷程-國(guó)外70年代Singer在SwanseaUniv.開(kāi)發(fā)出來(lái)，主要是噴射軋制過(guò)程；隨后OsprayMetals公司開(kāi)發(fā)出Ospray工藝，并獲得了專(zhuān)利；美國(guó)MIT開(kāi)發(fā)了液體動(dòng)壓緊實(shí)技術(shù)(LiquidDynamicsCompaction)，通過(guò)高壓霧化氣體，得到細(xì)小、快淬的液滴；1988年，美國(guó)加洲大學(xué)開(kāi)發(fā)了“霧化共沉積技術(shù)”，制備金屬基復(fù)合材料；隨后，Lawley提出了“反應(yīng)霧化成形技術(shù)”，可制備金屬基自生復(fù)合材料發(fā)展歷程-國(guó)內(nèi)外差距目前，國(guó)內(nèi)噴射成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

(1)對(duì)噴射成形工藝過(guò)程的控制技術(shù)研究還停留在十分原始的階段。

(2)一些關(guān)鍵的硬件技術(shù)的研究剛剛?cè)〉猛黄?，制約了噴射成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)實(shí)用化發(fā)展的速度。

(3)在市場(chǎng)方面，國(guó)內(nèi)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比所進(jìn)行的市場(chǎng)研究相對(duì)較少，目前僅能夠追蹤世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，較少針對(duì)國(guó)內(nèi)的具體情況提出一些獨(dú)具特色的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方向。

Singer發(fā)明，金屬熔體從坩堝底部進(jìn)入霧化區(qū)，在高壓氣體作用下，熔體被破碎，沉積在內(nèi)冷鼓輪表面，沉積坯經(jīng)軋輥軋制成帶材工藝分類(lèi)-噴射軋制離心噴射沉積Singer發(fā)明，熔融金屬被離心霧化，霧化液滴沉積在冷卻襯底上，制備具有中心孔的產(chǎn)品工藝分類(lèi)-離心噴射Singer發(fā)明，把具有一定動(dòng)量的顆粒增強(qiáng)相強(qiáng)制噴到霧化流中，熔融金屬和顆粒增強(qiáng)相共同沉積在冷基底上，形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料三種加入方式：顆粒從霧化氣體管道中噴出；顆粒引入到熔體流出口；顆粒強(qiáng)制噴入金屬熔滴霧化錐內(nèi)；工藝分類(lèi)-噴射共沉積工藝特點(diǎn)-優(yōu)點(diǎn)細(xì)晶顯微組織結(jié)構(gòu)。快冷(103K/s~104K/s)和破碎。10~100um等軸晶粒，通過(guò)快速凝固使沉淀相或析出相尺寸0.5~15um；可以減少或避免熱處理和熱加工過(guò)程。近型成形?？芍苽浯笮蛿D壓、鍛造預(yù)成型管、帶坯；與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比，省去了粉末篩分、成型與燒結(jié)等工序，減少了顆粒的污染。工藝特點(diǎn)-優(yōu)點(diǎn)可制備金屬基復(fù)合材料。將陶瓷相與氣體一起噴向金屬熔體，可獲得均勻分布的復(fù)合材料。適用性廣?？芍苽浯蟛糠纸饘?，如Al、Pb、Cu、Mg、Ni、Ti、Co等。材料致密度高，相對(duì)密度95%以上。形成合金的氧含量低。工藝流程短，效率高，有利于工業(yè)化。原料、能源利用率高，利于降低成本。工藝特點(diǎn)--缺點(diǎn)殘余孔隙。通常需經(jīng)過(guò)擠壓、鍛造、熱等靜壓等后續(xù)工序消除。難以達(dá)到100%材料利用率。噴射碎削、表層去處、廢品等。綜合理論研究不夠，無(wú)法有效指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。工藝特點(diǎn)-優(yōu)點(diǎn)工藝特點(diǎn)-優(yōu)點(diǎn)工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置工藝特點(diǎn)-裝置基本原理基本原理

包括：霧化過(guò)程液流破碎原理液滴動(dòng)力學(xué)與熱交換原理液滴沉積和成型坯的凝固原理基本原理-液流破碎原理通常應(yīng)用離心霧化或雙流霧化原理，因?yàn)橹挥羞@兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)1~20kg/min流量液流的噴射沉積；基本原理與“粉末霧化”一節(jié)相同液滴的動(dòng)力學(xué)與熱交換行為主要是指液滴在飛行過(guò)程中與霧化氣體的動(dòng)量和熱量相互作用；通常需控制：液滴飛行途徑，盡量減少過(guò)噴射(Overspray)損失和控制成型坯形狀；液滴熱交換，控制沉積溫度和固相含量基本原理-

液滴動(dòng)力學(xué)與熱交換原理基本原理-

氣流的軸向速度通常遵循指數(shù)規(guī)律衰減液滴的飛行速度與其尺寸相關(guān)小顆粒加速較快，但達(dá)到氣流速度后，衰減也快；大顆粒速度較慢，但飛行穩(wěn)定，速度變化小基本原理-

液滴動(dòng)力學(xué)與熱交換原理不同尺寸顆粒的傳熱系數(shù)和冷卻速度不同，如10um顆粒傳熱系數(shù)11.45x103Wm-2K-1，冷速為334x103Ks-1；200um顆粒則為2.89x103Wm-2K-1，冷速為21x103Ks-1，因此在噴射沉積距離處存在一定的固/液量比在0.4m處，Al-Cu合金10~30um顆粒為固態(tài)；50~120um為半熔融態(tài)，大于200um顆粒為液態(tài)；據(jù)此可計(jì)算不同距離的固液比基本原理-液滴的熱行為基本原理-液滴的熱行為粘合效率(StickingEfficient)：與顆粒的狀態(tài)和基底的狀態(tài)相關(guān)，半固態(tài)或液態(tài)顆粒與半固態(tài)基底粘合最好基本原理-顆粒沉積沉積的臨界條件q：?jiǎn)挝幻娣e傳熱速率：?jiǎn)挝惑w積射流中金屬質(zhì)量V：沉積顆粒軸向速率h：金屬比熱H：熔化潛熱T:顆粒到達(dá)沉積表面溫度T1：金屬固相線(xiàn)溫度基本原理-顆粒沉積在靜止的基底上噴射沉積，通常獲得的成型坯截面形貌為高斯曲線(xiàn)對(duì)于運(yùn)動(dòng)的基底和不同角度的噴射，通常需通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)最終形狀基本原理-成坯形狀工藝過(guò)程與影響參數(shù)氣霧化噴射沉積N2、Ar制備Al、Ni、Fe

等材料離心霧化噴射沉積可制備Ti等高活性金屬材料工藝過(guò)程與影響參數(shù)影響參數(shù)成型坯的顯微組織：霧化參數(shù)、噴射距離、熔體的熱學(xué)參數(shù)成型坯的形狀：基板的移動(dòng)方式、形狀工藝過(guò)程與影響參數(shù)工藝過(guò)程與影響參數(shù)應(yīng)用與舉例-應(yīng)用substantiallylowercoststhanP/Mproducts,approachingcostlevelsofdirectchill(DC)castalloysathighproductionvolumes；

criticalpropertiessuchasfatiguelifeandfracturetoughnessareoftenimprovedascomparedtoP/M,mainlyasaresultoftheabsenceofoxidecontamination；abilitytoproducealloysnotpossiblebyingotrouteswherethemostdramaticimprovementscanbegained應(yīng)用與舉例-鋁合金HypereutecticAl-Sialloysexhibitrefinedsiliconparticlesontheorderof3–5μmintheas-sprayedconditionascomparedtohypereutecticalloysproducedbycasting,whereprimarysiliconparticlesareoften100μminsizeormoreAnAl-20Si-5Fealloy(a)sprayformedand(b)cast應(yīng)用與舉例-鋁合金Al-Zn-Mg-Cu：強(qiáng)度最高的鋁合金，可替代7075或鋼鐵、鈦合金，采用鑄造方法易發(fā)生宏觀偏析Al-Li：采用鑄造法易造成各向異性，通過(guò)噴射沉積，細(xì)化晶粒，可制備高均勻度材料應(yīng)用與舉例-鋁合金表中的合金強(qiáng)度比常規(guī)合金高30%TableI.PropertiesofSpray-FormedAluminumAlloysAlloyTensileStrength(MPa)YieldStrength(MPa)Elongation(%)D(g/cm3)Modulus(GPa)CTE(10–6/K)Al-20Si-5Fe-2Ni

(4XXX)36024022.789816Al-11.5Zn-2.5Mg-1Cu-0.2Zr

(7XXX)705688132.887421Al-4Li-0.2Zr

(8XXX)5284594.72.418421.6應(yīng)用與舉例-鋁合金Depositionratesaremaximizedbyusingatwin-atomizingsystem,whichoperatesatmetalflowratesofapproximately15kg/min.應(yīng)用與舉例-采用垂直噴射方式制備大尺寸坯體AnAl/Sisprayformedbillet(300mmdiameterx2.5mlong)應(yīng)用與舉例-采用垂直噴射方式制備大尺寸坯體Ahigh-pressurediecastengineblockwithspray-formedAl/Sicylinderliners應(yīng)用與舉例-采用垂直噴射方式制備大尺寸坯體

Swissmetall

Boillathasdevelopedandcommercializedfourspray-formedcopperalloys(whichcouldnotbefabricatedbyingotmetallurgyduetoexcessivemacrosegregation)應(yīng)用與舉例-銅合金TableII.TheTypicalPropertiesofSpray-Formed,Free-MachiningCopperAlloyRods(upto5mmdiameter)AlloyModulusofElasticity,E(kN/mm2)YieldStrength,Rp0.2(N/mm2)TensileStrength,Rm(N/mm2)Elongation,A(%)HardnessHVB05-Hard858009005240B05-Spring

Hard859001,0001260PS2-Hard1058009501250應(yīng)用與舉例-銅合金TypicalprocessingconditionsforD2toolsteelare55kg/min.atomizingrateand0.75m3/kgnitrogenconsumptionwitha90%depositionyieldfora400mmdiameterbillet.Thismeansatotalsprayingtimeof50minutesfora2.4mlongx400mmdiameterbillet應(yīng)用與舉例-特種鋼Aspray-formedspecialsteelbillet(400mmdiameterx1m)auniformanddensemacrostructurewithfreedomfrommacrosegregation

應(yīng)用與舉例-特種鋼Themetalisdepositedontoalow-cost,pre-shaped,andpre-heatedmildsteelmandrelthatrotatesandtraversesunderthespraytoproducethedesiredshapeofringpreform

應(yīng)用與舉例-高溫合金SchematicofSprayformTechnologies'Spraycast-Xprocess.AshapedandtaperedWaspaloy

Spraycast-XringintheHIP+machinedcondition應(yīng)用與舉例-高溫合金TableIV.ACostComparisonofSpraycast-XversusCastandWroughtandP/MProducts

CastandWroughtSpraycast-XP/MProcessRelative

Raw

Materials

Usage

(%)10070100Lead

Time

(weeks)12–162–412–16Labor

(%)10080100Relative

Finish

Machining

Costs

(%)10065–80100Net

Savings

(%)—Upto30—應(yīng)用與舉例-高溫合金應(yīng)用與舉例-復(fù)合管、棒材在低碳鋼基底上復(fù)合鎳基高溫合金Aschematicoftheproductionofcladrollsand

(b)acladrollA8mlong,low-alloysteelbilletspraycladwithnickel-basedalloy應(yīng)用與舉例-復(fù)合管、棒材auniquerangeofspray-formedSi/Alalloyswithsiliconcontentsupto70%byweight；SuchalloyscannotbesuccessfullyproducedbyingotcastingorP/MroutesduetoexcessiveembrittlementfromcoarsesiliconprecipitatesoroxidecontaminationTheirlowdensity,lowCTE(stableoverawidetemperaturerange),andhighthermalconductivitymaketheSiAlalloysattractiveforpackagingmicrowaveelectroniccircuitryandforheatsinks,particularlyforapplicationsinaerospace,satellites,defense,telecommunicationsTheirlowdensity,lowCTE(stableoverawidetemperaturerange)應(yīng)用與舉例-

低熱膨脹系數(shù)Si-Al合金TheCTEofspray-formedSi/Alalloysasafunctionofaluminumcontent應(yīng)用與舉例-

低熱膨脹