材料制备新技术(许春香)第二章-喷射成型技术

第2章喷射成型技术学习目的与要求：通过本章的学习，能够使学生对喷射成形技术的生产工艺过程有一个全面的了解；加深对喷射成形技术原理和工艺特点的理解；掌握喷射成形的关键技术；全面认识和了解喷射成形技术的应用范围和发展前景；以利于学生工作后更好地适应我国经济发展的需要2.1

喷射成形示技术原理与工艺意图喷射成形(sprayforming)又称喷射雾化沉积（sprayatomizationanddeposition)或喷射铸造（spraycasting)等。2.1.1技术原理喷射成形的三个连续过程：合金溶液的雾化、雾化熔滴的飞行与冷却、沉积坯的生长。第2章喷射成型技术图2-1喷射成形示意图形成过程：第2章喷射成型技术2.1.2工艺过程1）提供液态金属；2）将金属液转变为熔滴；3）在基板上沉积（形成高密度的半成品—坯件）第2章喷射成型技术2.1.3工艺特点1）高致密度；2）低含氧量；3）快速凝固的显微组织特征；4）合金性能高；5）工艺流程短，成本低；6）高沉积率；7）灵活的柔性制造系统；8）近终形成形；9）可制备高性能金属基复合材料。2.1.3.1优点：含有一定量的疏松；2.1.3.1缺点：产出率一般明显低于100%。第2章喷射成型技术2.1.4喷射成形技术工艺分析1）雾化阶段；雾化方法：气流雾化、离心雾化和机械雾化。2.1.3.1优点：2）喷射阶段；喷射颗粒由固态、液态和半凝固态颗粒组成。第2章喷射成型技术2.1.4喷射成形技术工艺分析3）沉积阶段；4）沉积体凝固阶段。

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喷射沉积法可控参量：合金液滴的尺寸、飞行速率、液滴接触基板时的温度、凝固状态、基板的冷却速率与表面状态等(a)限制性喷嘴

(b)自由降落喷嘴图2-3典型雾化器示意图2.2

喷射成形的雾化过程2.2.1气体雾化

(a)圆周排列(b)多孔排列(c)线性排列 图2-4雾化器气孔分布雾化器气孔分布图2-5离心雾化喷射成形的示意图2.2.2离心雾化

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。（2-1）

(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2.3

喷射成形技术关键和装置2.3.1装置结构布局

(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2.3.2雾化喷嘴系统2.3.3喷射成型装置2.4

喷射成形材料特性2.4.1晶粒组织2.4.2气体含量2.4.3宏观偏析2.4.4致密度2.4.5热塑性

(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2.4.4致密度2.4.5热塑性2.4.6力学性能 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2.5

共喷射成形技术2.5.1共喷射成形的技术特点与工艺2.5.2增强颗粒对喷射沉积过程的影响图2-10反应雾化喷射沉积成形的示意图2.6

非连续增强金属基复合材料的喷射成型技术图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2.7

多层喷射沉积技术（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)2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1喷射成形铝合金

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)2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1喷射成形铝合金图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2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1喷射成形铝合金

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2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1喷射成形铝合金图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2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1喷射成形铝合金图2-18美国Howment公司生产的喷射成形高温合金环形件2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-19瑞典的Sandvik工厂利用喷射成形技术生产的复合钢管2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-20Osprey公司生产的特殊钢坯(直径400mm,长1m)2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-21瑞士SwissmetallBoillat公司生产的喷射成形铜合金坯锭2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-22国内采用喷射成形工艺制备的CuCr50合金触头材料2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-23喷射成形A1—70si合金封装的功率放大器2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金图2-24国内利用喷射成形技术制备的Al-60～70Si合金热沉片2.8

喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2喷射成形高温合金表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)ArHeN239.954.0028.010.0180.1570.025

0.54

5.23

1.051.780.17851.25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）960114219.321.8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＞25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<0.5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3802602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5504601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-2T7X6606916.7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1000~30001~4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+T6800~810