快速冷凝技术与应用

快速冷凝技术雾化制粉喷射成形快速冷凝技术快速冷凝技术-理论基本原理热力学动力学溶质分配固液界面形核与长大快速冷凝技术-组织特点细化均匀化净化过饱和高缺陷亚稳快速冷凝技术-材料铝基合金镁基合金钛基合金铜基合金铁基合金准晶与大块非晶材料喷射成形发展历程工艺分类工艺特点基本原理工艺过程与影响参数应用与举例发展历程-概念发展历程-国外70年代Singer在SwanseaUniv.开发出来，主要是喷射轧制过程；随后OsprayMetals公司开发出Ospray工艺，并获得了专利；美国MIT开发了液体动压紧实技术(LiquidDynamicsCompaction)，通过高压雾化气体，得到细小、快淬的液滴；1988年，美国加洲大学开发了“雾化共沉积技术”，制备金属基复合材料；随后，Lawley提出了“反应雾化成形技术”，可制备金属基自生复合材料发展历程-国内外差距目前，国内喷射成形技术的产业化发展水平与工业发达国家的差距主要表现在以下四个方面。

(1)对喷射成形工艺过程的控制技术研究还停留在十分原始的阶段。

(2)一些关键的硬件技术的研究刚刚取得突破，制约了喷射成形技术在国内实用化发展的速度。

(3)在市场方面，国内与工业发达国家相比所进行的市场研究相对较少，目前仅能够追踪世界上工业发达国家的应用发展趋势，较少针对国内的具体情况提出一些独具特色的应用开发方向。

Singer发明，金属熔体从坩埚底部进入雾化区，在高压气体作用下，熔体被破碎，沉积在内冷鼓轮表面，沉积坯经轧辊轧制成带材工艺分类-喷射轧制离心喷射沉积Singer发明，熔融金属被离心雾化，雾化液滴沉积在冷却衬底上，制备具有中心孔的产品工艺分类-离心喷射Singer发明，把具有一定动量的颗粒增强相强制喷到雾化流中，熔融金属和颗粒增强相共同沉积在冷基底上，形成颗粒增强金属基复合材料三种加入方式：颗粒从雾化气体管道中喷出；颗粒引入到熔体流出口；颗粒强制喷入金属熔滴雾化锥内；工艺分类-喷射共沉积工艺特点-优点细晶显微组织结构。快冷(103K/s~104K/s)和破碎。10~100um等轴晶粒，通过快速凝固使沉淀相或析出相尺寸0.5~15um；可以减少或避免热处理和热加工过程。近型成形。可制备大型挤压、锻造预成型管、带坯；与传统粉末冶金工艺相比，省去了粉末筛分、成型与烧结等工序，减少了颗粒的污染。工艺特点-优点可制备金属基复合材料。将陶瓷相与气体一起喷向金属熔体，可获得均匀分布的复合材料。适用性广。可制备大部分金属，如Al、Pb、Cu、Mg、Ni、Ti、Co等。材料致密度高，相对密度95%以上。形成合金的氧含量低。工艺流程短，效率高，有利于工业化。原料、能源利用率高，利于降低成本。工艺特点--缺点残余孔隙。通常需经过挤压、锻造、热等静压等后续工序消除。难以达到100%材料利用率。喷射碎削、表层去处、废品等。综合理论研究不够，无法有效指导实际应用。工艺特点-优点工艺特点-优点工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置基本原理基本原理

包括：雾化过程液流破碎原理液滴动力学与热交换原理液滴沉积和成型坯的凝固原理基本原理-液流破碎原理通常应用离心雾化或双流雾化原理，因为只有这两种方式能够实现1~20kg/min流量液流的喷射沉积；基本原理与“粉末雾化”一节相同液滴的动力学与热交换行为主要是指液滴在飞行过程中与雾化气体的动量和热量相互作用；通常需控制：液滴飞行途径，尽量减少过喷射(Overspray)损失和控制成型坯形状；液滴热交换，控制沉积温度和固相含量基本原理-

液滴动力学与热交换原理基本原理-

气流的轴向速度通常遵循指数规律衰减液滴的飞行速度与其尺寸相关小颗粒加速较快，但达到气流速度后，衰减也快；大颗粒速度较慢，但飞行稳定，速度变化小基本原理-

液滴动力学与热交换原理不同尺寸颗粒的传热系数和冷却速度不同，如10um颗粒传热系数11.45x103Wm-2K-1，冷速为334x103Ks-1；200um颗粒则为2.89x103Wm-2K-1，冷速为21x103Ks-1，因此在喷射沉积距离处存在一定的固/液量比在0.4m处，Al-Cu合金10~30um颗粒为固态；50~120um为半熔融态，大于200um颗粒为液态；据此可计算不同距离的固液比基本原理-液滴的热行为基本原理-液滴的热行为粘合效率(StickingEfficient)：与颗粒的状态和基底的状态相关，半固态或液态颗粒与半固态基底粘合最好基本原理-颗粒沉积沉积的临界条件q：单位面积传热速率：单位体积射流中金属质量V：沉积颗粒轴向速率h：金属比热H：熔化潜热T:颗粒到达沉积表面温度T1：金属固相线温度基本原理-颗粒沉积在静止的基底上喷射沉积，通常获得的成型坯截面形貌为高斯曲线对于运动的基底和不同角度的喷射，通常需通过计算机模拟预测最终形状基本原理-成坯形状工艺过程与影响参数气雾化喷射沉积N2、Ar制备Al、Ni、Fe

等材料离心雾化喷射沉积可制备Ti等高活性金属材料工艺过程与影响参数影响参数成型坯的显微组织：雾化参数、喷射距离、熔体的热学参数成型坯的形状：基板的移动方式、形状工艺过程与影响参数工艺过程与影响参数应用与举例-应用substantiallylowercoststhanP/Mproducts,approachingcostlevelsofdirectchill(DC)castalloysathighproductionvolumes；

criticalpropertiessuchasfatiguelifeandfracturetoughnessareoftenimprovedascomparedtoP/M,mainlyasaresultoftheabsenceofoxidecontamination；abilitytoproducealloysnotpossiblebyingotrouteswherethemostdramaticimprovementscanbegained应用与举例-铝合金HypereutecticAl-Sialloysexhibitrefinedsiliconparticlesontheorderof3–5µmintheas-sprayedconditionascomparedtohypereutecticalloysproducedbycasting,whereprimarysiliconparticlesareoften100µminsizeormoreAnAl-20Si-5Fealloy(a)sprayformedand(b)cast应用与举例-铝合金Al-Zn-Mg-Cu：强度最高的铝合金，可替代7075或钢铁、钛合金，采用铸造方法易发生宏观偏析Al-Li：采用铸造法易造成各向异性，通过喷射沉积，细化晶粒，可制备高均匀度材料应用与举例-铝合金表中的合金强度比常规合金高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应用与举例-铝合金Depositionratesaremaximizedbyusingatwin-atomizingsystem,whichoperatesatmetalflowratesofapproximately15kg/min.应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体AnAl/Sisprayformedbillet(300mmdiameterx2.5mlong)应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体Ahigh-pressurediecastengineblockwithspray-formedAl/Sicylinderliners应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体

Swissmetall

Boillathasdevelopedandcommercializedfourspray-formedcopperalloys(whichcouldnotbefabricatedbyingotmetallurgyduetoexcessivemacrosegregation)应用与举例-铜合金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应用与举例-铜合金TypicalprocessingconditionsforD2toolsteelare55kg/min.atomizingrateand0.75m3/kgnitrogenconsumptionwitha90%depositionyieldfora400mmdiameterbillet.Thismeansatotalsprayingtimeof50minutesfora2.4mlongx400mmdiameterbillet应用与举例-特种钢Aspray-formedspecialsteelbillet(400mmdiameterx1m)auniformanddensemacrostructurewithfreedomfrommacrosegregation

应用与举例-特种钢Themetalisdepositedontoalow-cost,pre-shaped,andpre-heatedmildsteelmandrelthatrotatesandtraversesunderthespraytoproducethedesiredshapeofringpreform

应用与举例-高温合金SchematicofSprayformTechnologies'Spraycast-Xprocess.AshapedandtaperedWaspaloy

Spraycast-XringintheHIP+machinedcondition应用与举例-高温合金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—应用与举例-高温合金应用与举例-复合管、棒材在低碳钢基底上复合镍基高温合金Aschematicoftheproductionofcladrollsand

(b)acladrollA8mlong,low-alloysteelbilletspraycladwithnickel-basedalloy应用与举例-复合管、棒材auniquerangeofspray-formedSi/Alalloyswithsiliconcontentsupto70%byweight；SuchalloyscannotbesuccessfullyproducedbyingotcastingorP/MroutesduetoexcessiveembrittlementfromcoarsesiliconprecipitatesoroxidecontaminationTheirlowdensity,lowCTE(stableoverawidetemperaturerange),andhighthermalconductivitymaketheSiAlalloysattractiveforpackagingmicrowaveelectroniccircuitryandforheatsinks,particularlyforapplicationsinaerospace,satellites,defense,telecommunicationsTheirlowdensity,lowCTE(stableoverawidetemperaturerange)应用与举例-

低热膨胀系数Si-Al合金TheCTEofspray-formedSi/Alalloysasafunctionofaluminumcontent应用与举例-

低热膨胀