第二章喷射成型技术

1、第二章第二章 喷射成型技术喷射成型技术2.1 喷射成型技术原理与工艺喷射成型技术原理与工艺 喷射成形（喷射成形（Spray Forming）技术，也有人称为技术，也有人称为喷射沉积喷射沉积（Spray Deposition）或或喷射铸造（喷射铸造（Spray casting）技术技术，把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（，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）自然的结合起来，以最少的工序直接熔滴动态致密化）自然的结合起来，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。或坯件。技术原理技术

2、原理 喷射成形技术的基本原理是用喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体高压惰性气体将金属液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形状的接收体上成形。 通过通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便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，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整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积

3、积坯。坯。工艺过程：工艺过程： （1）提供液态金属）提供液态金属 （2）将金属液转变为熔滴）将金属液转变为熔滴 （3）在基板上沉积形成高密度）在基板上沉积形成高密度的半成品（坯件）的半成品（坯件）喷射成型示意图喷射成形工艺特点喷射成形工艺特点 优点：优点：（1）高致密）高致密度度： 沉积密度可达理论值的沉积密度可达理论值的95%以上。与粉末冶金相比，喷以上。与粉末冶金相比，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

4、松，而且喷射沉积工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产生的孔洞，因此，采用喷射沉积工艺可获得较于污染产生的孔洞，因此，采用喷射沉积工艺可获得较高致密度的毛坯。高致密度的毛坯。（2）低含氧量：）低含氧量： 含氧量含氧量低于同类粉末合金低于同类粉末合金（3）显微组织特征包括细小的等轴晶组织、宏观偏析消除）显微组织特征包括细小的等轴晶组织、宏观偏析消除（4）合金性能提高）合金性能提高（5）工艺流程短，成本低工艺流程短，成本低喷射成形将熔体的雾化和沉积过程合二为一，可直喷射成形将熔体的雾

5、化和沉积过程合二为一，可直接由液态金属制取快速凝固预成型毛坯，而一般的快速接由液态金属制取快速凝固预成型毛坯，而一般的快速凝固工艺制取的材料尺寸很小，难以直接加工成产品，凝固工艺制取的材料尺寸很小，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，工艺大大减少了产品制备工序，缩短了产品的生产周期，提高了生产率提高了生产率。（6）高沉积效率）高沉积效率（7）灵活的柔性制造系统）灵活的柔性

6、制造系统（8）近终形成形）近终形成形（9）可制备高性能金属基复合材料）可制备高性能金属基复合材料 缺点：缺点： （1）沉积态坯件中含有一定量的）沉积态坯件中含有一定量的疏松，可通过挤压、疏松，可通过挤压、热热/冷轧或热等静压达到完全密实。冷轧或热等静压达到完全密实。 （2）产品的效率低于）产品的效率低于100% 材料损失来源于：熔滴的过喷，熔滴或颗粒从坯件材料损失来源于：熔滴的过喷，熔滴或颗粒从坯件表面弹开，检测报废或加工损耗、坯件基体和顶部的去表面弹开，检测报废或加工损耗、坯件基体和顶部的去除，质量问题的报废等除，质量问题的报废等喷射成形技术工艺分析喷射成形技术工艺分析 喷射成形可分四个阶段

7、：喷射成形可分四个阶段：雾化阶段、喷射阶段、沉积雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段、沉积体凝固阶段。阶段、沉积体凝固阶段。 （1）雾化阶段：）雾化阶段： 利用高速利用高速流体（一般为惰性气体）将流体（一般为惰性气体）将熔融金属液粉碎熔融金属液粉碎成小液滴的过程，主要有成小液滴的过程，主要有气流雾化气流雾化、离心雾化离心雾化和和机械机械雾化雾化。 颗粒尺寸呈对数正态分布，尺寸随气流的增大而减小颗粒尺寸呈对数正态分布，尺寸随气流的增大而减小，合金液的表面张力及粘度越小、密度越大，越容易，合金液的表面张力及粘度越小、密度越大，越容易得细小的液滴。得细小的液滴。雾化影响因素：雾化影响因素：l 雾化介质压力雾

8、化介质压力l 金属金属液与雾化气体的流量比液与雾化气体的流量比l 喷嘴结构喷嘴结构雾化镍粉（2）喷射阶段：）喷射阶段：两个最重要的参数：两个最重要的参数：喷射喷射速率速率和和雾化颗粒的雾化颗粒的状态状态 只有使液滴具有足够的喷射速率才能保证有最大的只有使液滴具有足够的喷射速率才能保证有最大的冲击力，使之在沉积时获得很高的致密度冲击力，使之在沉积时获得很高的致密度 颗粒尺寸不同，冷却和凝固速率不同。颗粒尺寸不同，冷却和凝固速率不同。 理想状态为：雾化颗粒处于半凝固态，液相量应理想状态为：雾化颗粒处于半凝固态，液相量应足以填充已凝固颗粒之间的间隙，要有尽可能大的速足以填充已凝固颗粒之间的间隙，要有

9、尽可能大的速率，以增加沉积过程的冲击力，提高沉积体的致密度。率，以增加沉积过程的冲击力，提高沉积体的致密度。 （3）沉积阶段：）沉积阶段： 喷射沉积过程中喷射沉积过程中最关键的阶段最关键的阶段。沉积颗粒由液态、固态和半固态沉积颗粒由液态、固态和半固态雾滴组成。雾滴组成。 通过改变沉积通过改变沉积器的位向和运动方器的位向和运动方式、沉积器与雾化喷嘴之间的距式、沉积器与雾化喷嘴之间的距离、沉积器的表面状态离、沉积器的表面状态等，可得等，可得到所要求形状。到所要求形状。喷射成型带材的原理示意图1-熔液池 2-铸带 3-导轨 4-激冷带 5-除尘系统 6-雾化系统 7-惰性气体室直浇道（4）沉积体凝固

10、阶段）沉积体凝固阶段提高基体的冷却速率并保证凝固速率的稳定是喷射是喷射沉积技术工艺过程控制的关键沉积技术工艺过程控制的关键。措施：措施： 对基体和沉积体采取必要的冷却措施对基体和沉积体采取必要的冷却措施 控制沉积速率控制沉积速率2.2 喷射成形的雾化过程喷射成形的雾化过程 2.2.1 气体雾化气体雾化 雾化雾化介质的选取原则：介质的选取原则：（1）不与金属粉末成分发生不良反应）不与金属粉末成分发生不良反应（2）合适的冷却速率）合适的冷却速率（3）成本低）成本低 一般采用惰性气体一般采用惰性气体（Ar、He、N 2）作为雾化介质。）作为雾化介质。常用喷射成形雾化介质的主要物理参数目前用于喷射成形

11、的气体雾化方法主要有目前用于喷射成形的气体雾化方法主要有（1）亚音速亚音速气体气体雾化雾化：气体出口速度为：气体出口速度为0.30.6M，雾化，雾化熔滴为球形，分布较宽。一般采用较低的气压和较大的气体熔滴为球形，分布较宽。一般采用较低的气压和较大的气体流量进行。流量进行。（2）超声）超声气体气体雾化雾化：喷嘴附加超声波发生装置，可获得：喷嘴附加超声波发生装置，可获得较大的熔滴冷却速率及更加细小的沉积组织。较大的熔滴冷却速率及更加细小的沉积组织。 雾化器是获得理想坯件显微组织的关键，设计原则：雾化器是获得理想坯件显微组织的关键，设计原则： （1）雾化介质能够获得尽可能大的）雾化介质能够获得尽可能

12、大的出口散射束和能量出口散射束和能量 （2）雾化介质与金属液滴之间能形成合理的）雾化介质与金属液滴之间能形成合理的喷射角度喷射角度 （3）金属液流能产生最大的）金属液流能产生最大的紊流紊流 （4）工作）工作稳定性好稳定性好，不被阻塞，不被阻塞 （5）加工制造简单）加工制造简单 （6）装卸安装方便）装卸安装方便常见的雾化器结构：常见的雾化器结构：限制性喷嘴限制性喷嘴 自由降落喷嘴自由降落喷嘴优点优点：能量损失小，拉瓦尔型喷口，气体动能高，：能量损失小，拉瓦尔型喷口，气体动能高，熔滴直径小熔滴直径小缺点缺点：适用于低熔点合金适用于低熔点合金 雾化器气孔分布雾化器气孔分布a-圆周排列圆周排列 b多孔

13、排列多孔排列 c 线性排列线性排列2.2.2 离心雾化离心雾化 液态金属由快速转动的板或盘甩出，转动盘边缘的离液态金属由快速转动的板或盘甩出，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。体变为非稳态并破碎。 离心雾化的液滴尺寸：离心雾化的液滴尺寸：w-盘的转速，D-盘的直径 -金属的密度，-金属的表面张力 A-常数离心雾化喷射成型示意图2.3 喷射成形技术关键和装置喷射成形技术关键和装置 喷射成形的技术关键主要包括装置总体布置、雾化喷喷射成形的技术关键主要包括装置总体布置、雾化喷嘴、沉积器结构和运动方式等。嘴、沉

14、积器结构和运动方式等。 2.3.1 装置结构布局装置结构布局1-雾化室 2-雾化器 3-坩埚 4-金属液 5-雾化液 6-沉积坯 7-沉积器喷射成形装置示意图（a）垂直布局 （b）倾斜布局 （c）水平布局 2.3.2 雾化喷嘴系统雾化喷嘴系统（a）垂直单固定 （b）倾斜单扫描 （c）倾斜双扫描雾化喷嘴及沉积温度场示意图 喷嘴系统始终是喷射成形装置的关键技术喷嘴系统始终是喷射成形装置的关键技术, 大体上沿着大体上沿着固定式固定式单喷嘴单喷嘴扫描型喷嘴扫描型喷嘴双喷嘴双喷嘴扫描型双喷嘴扫描型双喷嘴的方向发展。雾化喷嘴系统的安装服从于装置布局的的方向发展。雾化喷嘴系统的安装服从于装置布局的需要需要,

15、可以垂直或倾斜固定以产生不同的雾化可以垂直或倾斜固定以产生不同的雾化射流。射流。（1）单喷嘴）单喷嘴 固定式单喷嘴及垂直布局是最初采用的结构固定式单喷嘴及垂直布局是最初采用的结构,沉积坯形沉积坯形状难以控制、收得率低、状难以控制、收得率低、沉积坯沉积坯尺寸小尺寸小 (直径直径200mm) 、表面质量差。、表面质量差。 （2）扫描型扫描型喷嘴喷嘴 扫描扫描型喷嘴和倾斜布局能使雾化锥的熔滴质量型喷嘴和倾斜布局能使雾化锥的熔滴质量(流率流率)分分布更趋均匀布更趋均匀, 扫描扫描喷嘴和倾斜布局降低坯件疏松喷嘴和倾斜布局降低坯件疏松,改善表改善表面质量面质量 ,使沉积材料收得率平均提高约使沉积材料收得率

16、平均提高约 10%。 （3）双喷嘴）双喷嘴 双喷嘴系统使坯件的温度剖面得到很大改善双喷嘴系统使坯件的温度剖面得到很大改善,两个射流相两个射流相互覆盖互覆盖,射流中液相的含量可以按坯件的半径来控制射流中液相的含量可以按坯件的半径来控制,从从而促进沿坯件半径组织更加均匀而促进沿坯件半径组织更加均匀, 金属流率高金属流率高、气体消、气体消耗少，沉积耗少，沉积收得收得率进一步提高率进一步提高80%，表面疏松减少。，表面疏松减少。 （4）扫描型双喷嘴）扫描型双喷嘴 扫描型双喷嘴系统可制备更大直径沉积坯扫描型双喷嘴系统可制备更大直径沉积坯(直径达直径达600mm),同时也能达到整体致密同时也能达到整体致密

17、,表面质量改善，坯件表面质量改善，坯件尺寸精度提高。沉积速率可达尺寸精度提高。沉积速率可达100Kg/min 、气体消耗、气体消耗减少减少 25%、沉积收得率达、沉积收得率达90%，可用于规模化生产，可用于规模化生产。 2.3.3 喷射成形装置喷射成形装置 喷射成形装置主要由真空熔炼、金属导流、雾化喷嘴喷射成形装置主要由真空熔炼、金属导流、雾化喷嘴、沉积器、排气与收粉等几部分组成。、沉积器、排气与收粉等几部分组成。 该装置三项主要功能该装置三项主要功能（1）制备高温材料沉积坯（）制备高温材料沉积坯（2）生产球形低氧金属粉末（生产球形低氧金属粉末（3）制备颗粒增强金属基复合）制备颗粒增强金属基复

18、合材料材料2.4 喷射成形材料特性喷射成形材料特性（1） 晶粒组织：等轴细晶晶粒组织：等轴细晶组织组织 喷射喷射成形属于快速凝固范畴，其冷却速度高，沉成形属于快速凝固范畴，其冷却速度高，沉积时高速雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎，颗积时高速雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎，颗粒普遍细化并形成粒普遍细化并形成细小、均匀的等轴晶组织细小、均匀的等轴晶组织。在快速。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，分趋于均匀，减少或消除了偏析现象减少或消除了偏析现象，并，并易于出现亚易于出现亚稳相稳相。（2）气体含量：）气体含量：喷射成

19、形一般在惰性保护气氛下完成，避免了高温金属喷射成形一般在惰性保护气氛下完成，避免了高温金属与大气的接触，与大气的接触，减少了氧化程度减少了氧化程度。而且液态金属一次成。而且液态金属一次成形，工序简单，避免了粉末冶金中因贮存、运输以及材形，工序简单，避免了粉末冶金中因贮存、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料烧结、轧制等工序带来的氧化，减轻了材料受污染的程度。程度。（3）宏观）宏观偏析偏析：雾化过程中，雾化熔滴中溶质原子的扩散和偏聚被限雾化过程中，雾化熔滴中溶质原子的扩散和偏聚被限制在微小的金属熔滴尺寸范围内，在沉积过程中，冷制在微小的金属熔滴尺寸范围内，在沉积过程中，冷

20、却速度较快且沉积坯表面处于半凝固状态，溶质原子却速度较快且沉积坯表面处于半凝固状态，溶质原子来不及扩散与偏聚。因而，喷射成形材料来不及扩散与偏聚。因而，喷射成形材料无无宏观偏析宏观偏析，微观偏析相对微观偏析相对较低较低（4）致密）致密度度：氮气雾化和氩气雾化沉积坯的整体致密度分别达氮气雾化和氩气雾化沉积坯的整体致密度分别达99.%和和98.0%以上。以上。 氩气雾化沉积坯底部氩气雾化沉积坯底部和外部致密度较高，中心部位和外部致密度较高，中心部位较低，与该部位存在气孔有关。较低，与该部位存在气孔有关。 热等静压处理可使氮气沉积坯致密度达热等静压处理可使氮气沉积坯致密度达100%.a、常规变形合金

21、、常规变形合金 b、喷射成形合金、喷射成形合金GH742 合金的热工艺塑性合金的热工艺塑性（5）热塑性）热塑性：快速凝固细化了晶粒组织快速凝固细化了晶粒组织,极大地改善了合极大地改善了合金的热塑性。通常不能锻造的高强度铸造高温合金或难变金的热塑性。通常不能锻造的高强度铸造高温合金或难变形高温合金经喷射成形后形高温合金经喷射成形后,即可进行即可进行热加工。热加工。（6）力学性能）力学性能 喷射喷射成形细化了晶粒组织成形细化了晶粒组织 ,材料的拉伸强度和塑性均材料的拉伸强度和塑性均得到明显提高得到明显提高,一般高于常规变形工艺一般高于常规变形工艺,与粉末冶金工艺相与粉末冶金工艺相当。同时当。同时

22、, 喷射成形喷射成形 由于快速凝固作用由于快速凝固作用 , 提高了合金元提高了合金元素的固溶度素的固溶度 , 抑制抑制 了初生相的粗化了初生相的粗化 , 从而提高了合金的从而提高了合金的综合性综合性能。能。喷射成形合金（喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能）的拉伸性能 喷射成形合金（喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能）的拉伸性能2.5 共喷射成形技术共喷射成形技术 在基体材料合金液喷射沉积工艺的基础上，将在基体材料合金液喷射沉积工艺的基础上，将增强增强颗颗粒粒喷到喷到雾化的合金液流中，使两者同时沉积，获得复雾化的合金液流中，使两者同时沉积，获得复合材料的技术合材料的技

23、术。共喷射沉积工艺原理示意图共喷射沉积工艺原理示意图1-雾化室 2-熔化炉 3-雾化器 4-沉积体 5-压力释放罩 6-粉末回收料 7-搜集室 在喷射沉积过程中，增强颗粒的在喷射沉积过程中，增强颗粒的加入方式有三种：加入方式有三种： 直接从雾化气体管道中加入直接从雾化气体管道中加入 将增强颗粒直接加入到金属熔体将增强颗粒直接加入到金属熔体中中 将颗粒流直接喷入金属熔体的雾将颗粒流直接喷入金属熔体的雾化锥中化锥中2.5 共喷射成形技术共喷射成形技术（1）由于由于合金合金液与增强相颗粒液与增强相颗粒间接触时间短，凝固速率间接触时间短，凝固速率快，快，发生发生化学反应的倾向小化学反应的倾向小（2）不

24、会）不会发生由重力作用引起的增强发生由重力作用引起的增强颗粒沉降颗粒沉降，可，可减少减少偏析偏析（3）增强颗粒与合金液在接触的过程中，由于合金液的）增强颗粒与合金液在接触的过程中，由于合金液的冷却冷却速度快速度快、颗粒被熔化的程度小，所以、颗粒被熔化的程度小，所以颗粒颗粒可以保持可以保持原始尺寸原始尺寸（4）通过控制喷嘴角度和速率可以）通过控制喷嘴角度和速率可以增强增强颗粒的加入量和颗粒的加入量和分布可控分布可控共喷射成形技术优点共喷射成形技术优点： 增强增强颗粒的加入带来两个问题：颗粒的加入带来两个问题： （1）增强颗粒与雾化液滴的相互作用：）增强颗粒与雾化液滴的相互作用：增强增强颗粒嵌入液

25、滴颗粒嵌入液滴内部内部增强颗粒增强颗粒黏附在液滴表面黏附在液滴表面增强颗粒增强颗粒被液滴反弹被液滴反弹 （2）增强颗粒对沉积体表面液膜凝固过程的影响：）增强颗粒对沉积体表面液膜凝固过程的影响：增强颗粒对合金液滴凝固过程的影响：热交换、异质增强颗粒对合金液滴凝固过程的影响：热交换、异质形核。形核。增强颗粒对沉积体表面凝固过程的影响：形核、生长增强颗粒对沉积体表面凝固过程的影响：形核、生长、凝固。、凝固。 反应喷射沉积时将反应喷射沉积时将喷射技术喷射技术与与原位反应原位反应合成陶瓷粒合成陶瓷粒子技术结合起来的一种制备颗粒增强金属基复合材子技术结合起来的一种制备颗粒增强金属基复合材料的新技术。料的新

26、技术。 在喷射沉积过程中，金属液体被充分雾化成细小的在喷射沉积过程中，金属液体被充分雾化成细小的液滴，使其具有液滴，使其具有很大的体表面积很大的体表面积，同时有处于一定，同时有处于一定的过热条件下，这就为喷射沉积过程中液滴与外加的过热条件下，这就为喷射沉积过程中液滴与外加反应剂接触、发生化学反应提供了驱动力。反应剂接触、发生化学反应提供了驱动力。2.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术 在喷射成形过程中可发生在喷射成形过程中可发生雾化雾化气体与金属液滴之间的气气体与金属液滴之间的气/液液反应、外加合金液滴与基体金反应、外加合金液滴与基体金属液滴之间的液属液滴之间的液/液反应、外液反应、外加固体

27、粒子与基体金属液滴之加固体粒子与基体金属液滴之间的固间的固/液反应液反应。这些反应模。这些反应模式下生成的弥散体粒度细小、式下生成的弥散体粒度细小、分散分散均匀，具有均匀，具有较高应用价值较高应用价值。2.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术反应雾化喷射沉积成形的示意图反应雾化喷射沉积成形的示意图2.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术 （1）雾化气体与金属液滴之间的气体）雾化气体与金属液滴之间的气体-液反应液反应 在雾化气体中混入一定比例的反应气体（在雾化气体中混入一定比例的反应气体（N2、O2、CH4等），调整雾化气体与熔融金属的成分促使第等），调整雾化气体与熔融金属的成分促使第二相颗粒的

28、原位形成。二相颗粒的原位形成。eg：Cu（Al）+N2/O2Cu（Al）+Al2O3+N2 Fe（Al）+N2Fe（Al）+AlN Fe（Al）+ N2/O2 Fe（Al）+Al2O3+N22.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术 （2）含有反应剂的熔体间的液）含有反应剂的熔体间的液/液反应液反应 雾化过程中将两种液态金属混合，反应将形成高雾化过程中将两种液态金属混合，反应将形成高熔点颗粒。可通过控制金属熔点颗粒。可通过控制金属 熔滴中的冷却速率和坯熔滴中的冷却速率和坯件中的冷却速率控制弥散相的尺寸。件中的冷却速率控制弥散相的尺寸。eg：典型代表典型代表Cu/TiB2Cu-B+Cu-TiCu+

29、TiB2 2.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术 （3）液滴和外加反应剂粒子的固液反应）液滴和外加反应剂粒子的固液反应 喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相。或多种元素反应形成稳定的弥散相。 反应体系的选择可用氧化物的反应体系的选择可用氧化物的G-T图图，用氧化物，用氧化物比较稳定的金属去还原相对不稳定的氧化物。比较稳定的金属去还原相对不稳定的氧化物。 如用如用CuO/Fe2O3、SiO2等作为反应剂与等作为反应剂与Al反应生反应生成成Al2O3并与并与Al共沉积。共沉积。屈服强屈服强度度/MPa抗拉强抗拉强度度/

30、MPa反应喷射沉积235334粉末冶金1211662.6 反应喷射成形技术反应喷射成形技术反应合成与粉末冶金制备的反应合成与粉末冶金制备的Al-TiB2均匀弥散均匀弥散析出的增析出的增强颗粒强颗粒反应喷射沉积技术的特点反应喷射沉积技术的特点： （1）良好的组织特征）良好的组织特征 反应喷射沉积技术结合了熔化、快速凝固的特点反应喷射沉积技术结合了熔化、快速凝固的特点，能得到比较细心的晶粒组织，而且在保证了细晶基体，能得到比较细心的晶粒组织，而且在保证了细晶基体和增强颗粒分布均匀的同时，也保证了增强颗粒与基体和增强颗粒分布均匀的同时，也保证了增强颗粒与基体间良好的化学和冶金结合，反应生成的陶瓷相颗

31、粒非常间良好的化学和冶金结合，反应生成的陶瓷相颗粒非常细小，从而制得优良性能的复合材料。细小，从而制得优良性能的复合材料。 （2）节约热能）节约热能 反应过程充分利用金属液体的过热温度发生化学反反应过程充分利用金属液体的过热温度发生化学反应，达到了节约热能的目的。应，达到了节约热能的目的。 （3）工艺简单，成本低）工艺简单，成本低 （4）陶瓷相颗粒的特征可控）陶瓷相颗粒的特征可控 可以通过控制反应剂的加入量、粒度特征和喷射沉可以通过控制反应剂的加入量、粒度特征和喷射沉积工艺参数来控制生成陶瓷相的多少，分布情况和粒径积工艺参数来控制生成陶瓷相的多少，分布情况和粒径的大小等，而且在喷射沉积过程中不

32、会产生像反应铸造的大小等，而且在喷射沉积过程中不会产生像反应铸造法中产生的陶瓷颗粒上浮和团聚的现象。沉积坯基体组法中产生的陶瓷颗粒上浮和团聚的现象。沉积坯基体组织细小，反应剂弥散、均匀分布，有利于生成细小而分织细小，反应剂弥散、均匀分布，有利于生成细小而分布均匀的增强陶瓷颗粒，从而可以避免增强颗粒的偏聚布均匀的增强陶瓷颗粒，从而可以避免增强颗粒的偏聚问题。问题。反应喷射沉积技术的特点反应喷射沉积技术的特点：2.7 多层喷射沉积技术多层喷射沉积技术 传统喷射沉积工艺的局限性：传统喷射沉积工艺的局限性： 传统传统的喷射沉积工艺在制备大型的厚壁管坯、筒坯的喷射沉积工艺在制备大型的厚壁管坯、筒坯，大直

33、径圆锭坯和厚板坯时，特别是在制备一些对冷却，大直径圆锭坯和厚板坯时，特别是在制备一些对冷却速度要求较高的坯件时，喷射条件往往受到一定的限制速度要求较高的坯件时，喷射条件往往受到一定的限制。另外，在制备长宽尺寸均很大的板、带材时，传统的。另外，在制备长宽尺寸均很大的板、带材时，传统的喷射沉积工艺均采用喷射沉积工艺均采用V型喷嘴、摇动扫描喷嘴或多个喷嘴型喷嘴、摇动扫描喷嘴或多个喷嘴工艺，使得工艺过程变得非常复杂。工艺，使得工艺过程变得非常复杂。 采用采用传统喷射沉积工艺制备的沉积坯的冷凝速度一般传统喷射沉积工艺制备的沉积坯的冷凝速度一般只有只有110K/s。 如果采用如果采用多层扫描往复式的沉积工

34、艺多层扫描往复式的沉积工艺，即雾化器，即雾化器在沉积坯上方做往复扫描运动，则沉积坯表面单在沉积坯上方做往复扫描运动，则沉积坯表面单位面积单位时间的金属沉积量可大幅度降低，每位面积单位时间的金属沉积量可大幅度降低，每一扫描薄层由于热容小散热表面积大，沉积间隔一扫描薄层由于热容小散热表面积大，沉积间隔了一定的时间，可获得充分冷却，从而显著降低了一定的时间，可获得充分冷却，从而显著降低沉积坯的表面温度。同时，通过扫描薄层的层层沉积坯的表面温度。同时，通过扫描薄层的层层积累，沉积坯的厚度在理论上可无限增加。积累，沉积坯的厚度在理论上可无限增加。多层喷射沉积管坯生产装置原理多层喷射沉积管坯生产装置原理1

35、-加热坩埚；加热坩埚；2-喷嘴喷嘴 ；3-雾化金属液滴；雾化金属液滴；4-旋转轴；旋转轴； 5-喷射喷射沉积坯；沉积坯； 6-雾化室雾化室 ；7-强制外冷装置；强制外冷装置； 8-排气口排气口管管坯制备技术及装置坯制备技术及装置 1 1、多层喷射沉积技术的过程原理、多层喷射沉积技术的过程原理l.l.金属液滴的沉积轨迹金属液滴的沉积轨迹 在多层喷射沉积过程中，雾化器和沉积基体同时运在多层喷射沉积过程中，雾化器和沉积基体同时运动，因此雾化液滴的沉积轨迹与传统喷射沉积工艺的显动，因此雾化液滴的沉积轨迹与传统喷射沉积工艺的显著不同，扫描轨迹如下图所示。著不同，扫描轨迹如下图所示。 (a)管坯管坯 (b

36、)板坯板坯(c)圆柱圆柱锭坯锭坯 (d)环件环件2.2.沉积层的凝固规律沉积层的凝固规律 在大尺寸沉积坯的制备过程中，由于沉积坯表面积在大尺寸沉积坯的制备过程中，由于沉积坯表面积大，因此散热面积也越大，同时雾化器的扫描周期大，因此散热面积也越大，同时雾化器的扫描周期很长，因而沉积坯表面容易冷至较低温，很长，因而沉积坯表面容易冷至较低温，沉积坯的沉积坯的冷却速度也越大冷却速度也越大。因此，本技术更。因此，本技术更适合在制备大尺适合在制备大尺寸沉积坯寸沉积坯时很容易获得快速凝固效果。时很容易获得快速凝固效果。 在喷射沉积过程中，雾化液滴的凝固过程是一个在喷射沉积过程中，雾化液滴的凝固过程是一个碰撞

37、、溅射、铺展的冷却过程。液滴在碰撞铺展碰撞、溅射、铺展的冷却过程。液滴在碰撞铺展之后，可以获得气体对流散热、辐射散热和较冷之后，可以获得气体对流散热、辐射散热和较冷沉积层表面固体传热导的多重冷却效果。由于沉沉积层表面固体传热导的多重冷却效果。由于沉积坯是沉积层无限叠加而成的，每一扫描薄层厚积坯是沉积层无限叠加而成的，每一扫描薄层厚度仅为几度仅为几 m几十几十 m，可获得极高的冷速可获得极高的冷速，这，这样沉积坯的厚度可以达到很大而冷速不受影响。样沉积坯的厚度可以达到很大而冷速不受影响。3.3.热应力问题热应力问题 采用本技术制备的大尺寸沉积坯中的采用本技术制备的大尺寸沉积坯中的宏观热应力要宏观

38、热应力要远小于铸造及传统喷射沉积工艺产生的压力远小于铸造及传统喷射沉积工艺产生的压力。在沉积。在沉积过程中，由于各沉积层在沉积过程中均已降至较低温过程中，由于各沉积层在沉积过程中均已降至较低温度度( (约约200200350)350)，因而大直径锭坯的内外温差较小，因而大直径锭坯的内外温差较小，由此产生的宏观热应力也很小。而在铸造坯和传统，由此产生的宏观热应力也很小。而在铸造坯和传统喷射沉积坯中，内外温差大，宏观热应力大，容易开喷射沉积坯中，内外温差大，宏观热应力大，容易开裂。由于沉积坯冷速高，基体合金中的析出物数量和裂。由于沉积坯冷速高，基体合金中的析出物数量和尺寸均较小，进一步避免了开裂现

39、象。尺寸均较小，进一步避免了开裂现象。 此外，由于喷射沉积坯为非完全致密组织，存在一此外，由于喷射沉积坯为非完全致密组织，存在一定的孔隙。当局部热应力引起的微裂纹扩展至空隙时定的孔隙。当局部热应力引起的微裂纹扩展至空隙时，可能发生转向或停止扩展，因而可能有利于应力的，可能发生转向或停止扩展，因而可能有利于应力的松弛，使沉积坯中不会产生大的宏观裂纹。松弛，使沉积坯中不会产生大的宏观裂纹。四、多层喷射沉积工艺的特点四、多层喷射沉积工艺的特点 多层喷射沉积工艺与传统喷射沉积工艺相比具有多层喷射沉积工艺与传统喷射沉积工艺相比具有如下特点：如下特点： l 冷速冷速更高更高。由于沉积坯是沉积物多层合成的，

40、每层。由于沉积坯是沉积物多层合成的，每层沉积物的厚度较传统喷射沉积工艺的要小得多，同时沉积物的厚度较传统喷射沉积工艺的要小得多，同时沉积坯表面的温度控制得较低，雾化液滴碰撞至沉积沉积坯表面的温度控制得较低，雾化液滴碰撞至沉积坯表面的瞬间即急冷凝固，因而沉积坯的冷凝速度高坯表面的瞬间即急冷凝固，因而沉积坯的冷凝速度高于传统喷射沉积坯的冷速，可达于传统喷射沉积坯的冷速，可达10104 4K/sK/s，真正起到了，真正起到了喷射沉积和快速冷凝的双重效果，可以获得快速凝固喷射沉积和快速冷凝的双重效果，可以获得快速凝固组织。组织。l 制备件大、工艺操作简单制备件大、工艺操作简单。由于。由于沉积坯为雾化器

41、往复扫沉积坯为雾化器往复扫描、喷射沉积而成，管坯尺寸可以制得很厚，并且冷凝速描、喷射沉积而成，管坯尺寸可以制得很厚，并且冷凝速度不受影响。在圆锭坯的制备中，由于雾化器的行程可调度不受影响。在圆锭坯的制备中，由于雾化器的行程可调，移动范围很大，因而锭坯的直径可以很大，并且采用一，移动范围很大，因而锭坯的直径可以很大，并且采用一般的雾化喷嘴即可，不需应用特殊的摆动扫描喷嘴或多个般的雾化喷嘴即可，不需应用特殊的摆动扫描喷嘴或多个喷嘴，工艺操作也简单得多。同时由于热应力较小，大尺喷嘴，工艺操作也简单得多。同时由于热应力较小，大尺寸坯的开裂倾向比传统喷射沉积及铸造工艺要小得多。寸坯的开裂倾向比传统喷射沉

42、积及铸造工艺要小得多。 l 能制备各种均匀性好的特殊材料能制备各种均匀性好的特殊材料。 多多层喷射沉积工艺在制备金属层喷射沉积工艺在制备金属/ /陶瓷复合材料、陶瓷复合材料、梯度材料、互不固溶的双金属材料及其它特殊材料方面梯度材料、互不固溶的双金属材料及其它特殊材料方面有很大的优越性。由于是多层沉积，所制备的各种复合有很大的优越性。由于是多层沉积，所制备的各种复合材料均匀性非常好。材料均匀性非常好。l 生产成本低，利于商业化生产生产成本低，利于商业化生产。多层喷射沉积装置。多层喷射沉积装置的制造成本和沉积坯生产成本较低，能连续作业，工的制造成本和沉积坯生产成本较低，能连续作业，工艺简单，操作方

43、便，可一机多用，系统能耗低，安全艺简单，操作方便，可一机多用，系统能耗低，安全可靠，是一种适合工业规模生产的大尺寸近形快速凝可靠，是一种适合工业规模生产的大尺寸近形快速凝固沉积坯装置，通过进一步完善有望迅速应用于商业固沉积坯装置，通过进一步完善有望迅速应用于商业化生产。化生产。 2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状 1、喷射成形铝合金、喷射成形铝合金 铝合金具有密度低、强度高、韧性好和耐腐蚀等优点铝合金具有密度低、强度高、韧性好和耐腐蚀等优点，在航空航天工业中被广泛用作结构材料，同时，也，在航空航天工业中被广泛用作结构材料，同时，也正在积极开发作为汽车先进材料而应用

44、于高档轿车发正在积极开发作为汽车先进材料而应用于高档轿车发动机。动机。 传统铝合金主要制备方法：铸造传统铝合金主要制备方法：铸造 由于喷射成形工艺减轻了材料的偏析和氧化程度由于喷射成形工艺减轻了材料的偏析和氧化程度,使所使所得铝合金材料比其他快速凝固方法制得的铝合金材料得铝合金材料比其他快速凝固方法制得的铝合金材料具有更高的性能具有更高的性能。 目前已获成功的喷射成形高性能铝合金材料主要有以下目前已获成功的喷射成形高性能铝合金材料主要有以下几种：几种： （1）高强铝合金）高强铝合金。如。如AlZn系超高强铝合金。由于系超高强铝合金。由于AlZn系合金的凝固结晶范围宽，比重差异大，采用传系合金的

45、凝固结晶范围宽，比重差异大，采用传统铸造方法生产时，易产生宏观偏析统铸造方法生产时，易产生宏观偏析且热裂倾向大。喷且热裂倾向大。喷射成形技术的快速凝固特性可很好解决这一问题。在发射成形技术的快速凝固特性可很好解决这一问题。在发达国家已被应用于航空航天飞行器部件以及汽车发动机达国家已被应用于航空航天飞行器部件以及汽车发动机的连杆、轴支撑座等关键部件。的连杆、轴支撑座等关键部件。 2）高比强、高比模量铝合金）高比强、高比模量铝合金。Al-Li合金具合金具有密度小，弹性模量高等特点，是一种具有有密度小，弹性模量高等特点，是一种具有发展潜力的航空、航天用结构材料。铸锭冶发展潜力的航空、航天用结构材料。

46、铸锭冶金法在一定程度上限制了金法在一定程度上限制了Al-Li合金性能潜力合金性能潜力的充分发挥。喷射成形快速凝固技术为的充分发挥。喷射成形快速凝固技术为Al-Li合金的发展开辟了一条新的途径。合金的发展开辟了一条新的途径。 （3）低膨胀、耐磨铝合金）低膨胀、耐磨铝合金。如过共晶。如过共晶AlSi系高强耐磨铝合金。该合金具有热膨胀系数系高强耐磨铝合金。该合金具有热膨胀系数低、耐磨性好等优点，但采用传统铸造工艺低、耐磨性好等优点，但采用传统铸造工艺时，会形成粗大时，会形成粗大的初生的初生Si相，导致材料性能相，导致材料性能恶化。喷射成形的快速凝固特点有效地克服恶化。喷射成形的快速凝固特点有效地克服

47、了这个问题。目前喷射成形了这个问题。目前喷射成形AlSi合金在发合金在发达国家已被制成轿车发动机气缸内衬套等部达国家已被制成轿车发动机气缸内衬套等部件。件。 （4）耐热铝合金）耐热铝合金。如。如AlFeVSi系耐热铝合金。系耐热铝合金。该合金具有良好室温和高温强韧性、良好的抗蚀性，该合金具有良好室温和高温强韧性、良好的抗蚀性，可以在可以在150300甚至更高的温甚至更高的温度范围使用，部分替度范围使用，部分替代在这一温度范围工作的钛合金和耐热钢，以减轻重代在这一温度范围工作的钛合金和耐热钢，以减轻重量、降低成本。喷射成形工艺可以通过最少的工序直量、降低成本。喷射成形工艺可以通过最少的工序直接从液态金属制取具有快速凝固组织特接从液态金属制取具有快速凝固组织特征、整体致密征、整体致密、尺寸较大的坯件，从而可以解决传统工艺的问题。、尺寸较大的坯件，从而可以解决传统工艺的问题。 （5）铝基复合材料）铝基复合材料。将喷射成形技术与铝基。将喷射成形技术与铝基复合材料制备技术结合在一起，开发出一种复合材料制备技术结合在一起，开发出一种“喷射共成形喷射共成形(Sprayco-deposiion)”技术技术,很好很好地解决了增强粒子的偏析问题。地解决了增强粒子的偏析问