（钢铁冶金专业论文）喷射成形过喷粉末和沉积坯显微组织的研究.pdf

内豢言辩接大学硬圭学位论文 摘要 幂u 用喷射成形技术，制各了0 c r l 5 轴承钢沉积坯及其过喷粉末。本文对喷射成形 g 麓5 转交镶沉积坯蠢避囔羧末鹣缀缓避簿了研究，主簧肉容惫揍蓬襞羧寒兹形虢黧缀 织，雾化过程中液滴的凝固机制，沉积坯的组织特征及篡形成机制，沉积坯孔隙分布殿 其形成机制，沉积坯密度蒂野晶粒分奄以及热处理对沉积坯组织和性能的影响。 喷射成形g e 蛀5 铺盼遘喷粉束大，j 、不一，大部分均呈规员g 球状，并盛粉末越细小 形状越规则。不同粒度过喷粉末的照微组织均以快速凝阐的枝晶形态出现，并且随着粉 寒粒度豹减夺箕显镞缀缫愈鲮纯。 喷射成形g c r l 5 钢以细小的等轴晶为特征组织。在扫描电镜下喷射沉积态的显微 组织为极其细小的片状珠光体组织，而且片状组织各个方向分布均匀，在晶界上分布赘 不逡续瓣条带妖或粒获簸纯豹，藏分镶耩瑷象减弱。磺射成形缎织形成梳番研究表硝： 雾化过程中液滴之间的碰撞及沉积过程中液滴与半液态层的碰击，使得形成的枝晶组织 发生鳜裂、破终，放瑟遮藏了大量瓣缝曩核，蕞终奁沉积坯蠹影残了缨，l 、臻匀戆等辘 晶组织。 喷射成形沉积坯中存在有一些孔隙，它们的主要来源是；雾化气体陷入形成的气 藐，壤充闰豫，凝霾枝缭。喷赛童沉积坯肉晶狡的尺寸分泰有一定瓣津毪。爨积坯多 表灏 的晶粒要小于沉积坯中心部位的晶敉。晶粒分布总的趋势是沿着径向，从中心到边缘， 燕糠逐激变，l 、；沿着轴囱，簸上到下，晶粒遂激变大。 喷射成形态g c r l 5 钢经过淬阐火热处理盾，其组织为回火马氏体以及残余奥氏体 和碳化物。经避淬回火热处理后，喷射成形g c r l 5 钢磺度明显变大。随着淬回火温度 豹舞懿，毒| 粒鹣硬度呈瑗下洚趋势。 关键诞；喷袈藏形遘囔豁来流获坯显徽缝绥 内蒙古科技大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no nm i c m s t m c t l j no fs p m y e dp o w d e ra n dd e p o s i t e d l a y e rf o 瑚e db ys p r a yf o l l 咀i n g a b s n 氇c t 1 ks p m yd e p o s i t e dg c r l 5b e a rs 自l 趾ds p r a y e dp o w d e rw e r ep m d u c e db yt h es p r a y f o m d n gt c c h n o l o g y t h e i rs n u 血w a si i l _ v c 出g a t c d 抽“sp l p e r t h em a i l li m e r c s tw e r c p l a c e do n t ot l l e 印p 咖舶c e 锄ds 仃u c n 聪o f 辩dp o w d 虹l l l es o l i d i f 渤l t i o n 艇曲a i l i s n lo f d r d p l e 括i i lt l l ea t 0 i i i i z 乏i 虹o n ，t l l e 蛐m c t l l r ec h 雏解t e r so fd e p o s i t e dl a y e ra n di t sf o n n i n g m e c h a i l i 锄，m ed i 蹦b u d 叽o f p o r e si nd c p o s i 钯dl a y e ra 1 1 di t sf o m l i n gm e c h a l l i s m ，也em i l s i t y o fd e p o s i t e dl a y e r ，t h 百d i 曲d b 嘶o no fg r a i n 趾dm ed f e 吐o fh e a t 订朗加1 曲t0 nm 锄c r i a l m i c r 时眦柚豫趾dp r o p e r l y i h e y e d 眇w d e r s o f g c r l 5s t e c l 眦b i g o rs r i l a l l ，b m 血e m o s to f t l l c n ld i s p l a yr e 则a r 1 0 l 出l 黜t l l es i z e so f s p m y 耐p ( m r d e f sa r c 鄙衄l l e r ；岫s b 印e sa r c 瑚r ei e g u l 盯a i lp o w d e f s w i 也v a r i o u s 鲜i i ns i z e se i i l e r g er 印i d l ys o l i d i f i 钌d e n d m ei n o i p h o l o g y 1 h es 幻鹭i ss n l a l l i 协 l i c i d s 垃u a 岫i sf - m c r f me q u i a ) 【e dg r a i l li s 帅i c a l 咖肭】i eo f yf o r 【i l 堍g c n 5s 慨1 t h e “曲e r m 删丘c a 主i o ns e mm o 讪o l o 西e s 出a w 。dm a tt l l ed e p o s i t e dl a y 盱i sc o m p o s c do f 触l 嬲l e l l 盯 p e ；砌b ，讲蚶li s 硼i 蜘nd i 嫡b u c e dt 0 、】v a r d se v e r yd i r e c t i o n n e r ei sd i s c o l 心u o l i ss 埘晒o r 彤m u l a rc a 】c b 0 植z 8 t i o na t 鲥nb o u n d a r i e s ，c o m l 珧咖蹦弘鲥o nb c c o n 瞄w c a k t h es h l d yo f t 1 1 e f 0 廿n i n g m e c l l a _ i l i s mo fd 印o s i t e dl a y e rs l o w s l a tt h ec o l l i s i o n so fd i o p l e t si 1 1t l l e a 士0 r n i 删o na n dm ec 0 1 l i s i o n so f 湖1 i s o l i d i 6 e dd m p l e t so nd e p o s i d o na tm ed e l ，o s i t i o nm a d e d m d r 主t eb i o k e na n dm p t i l r e d ，也i l si tc r e 砒l e dal o to fl m c l e u s a fl a s tl l l e r ef o 姗e d 筋ea 1 1 d h o m o g e n e a u se q l l i a x e d 粤a i n si l ll l l ed e p o s i 锄l a y e r t 1 e r ea m i n ep o 咒si nm es p m yd c p o s i t c dl a y e r t h e i rr e s o u r c ec a m e 丹o mg 解邮s 时， 锄i 1 1 9o 商c ea n ds o l i 倘c 而o ns h f i n k a g e t h c 印p r o x i l i l a 把船n di st h a tt 1 1 es i z eo f 耐nc h a n g e 蜘1 a l l 乎a d u a l l y 胁c c n t c r t 0e d g ca l o n g m d i a l ，1 1 1 es i z cb e c o m 铭b i g 劬m i l p t od o w na l o n g a x i sd i 蒯o n t h em i c r o 曲m 1 i e so fm es p m yf o r n l i n g ( d 5 咖e la f t e r 1 e a t 协强n i l e n ta r et e ：m p e r e d n l a n e i l s 沁，姗a i l l e da u s 侧t em l dc 盯硫柑删o i lt h ed e 铲c co f l l 王d r l e 站o f t h ek 畎l a 1 m g 粕d t e m p c 曲培d 印o s i t e dl a y e rb e c o l cb i g 印蝉训y w h e nt h ek l r d e n i i 唱a r l d 把m p e r i n g t e m p 髓加i l l c i 嘲s ，t l l e 址呱i i l e 嚣0 f 廿l em 劬嘶a la p p 撼r sd o w n i 坝l d 1 畸w o r d s ：s 舯yf o m l i n gs p 豫y 耐p c 融d 印o s i 氍：dl a y 盱 i n i c m 曲m 霉 2 独创性说明 本人郑重声明：所星交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其趣人已经发表或撰写的溪究成果，也不包含为获褥内蒙吉科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 恚对本研究所徽的任何贡献均己在论文中徽了髓确的说确并表示了谢意。 关于论文使臻授权的说明 本入完垒了解内蒙吉科技大学有关保留、使甭学位论文的规定，即： 学校有权保罄送交论文的复印 牛，允许论文被查阅和借阅；学校可以公夺 论文的全部绒部分内容，可以采用影印、缩印或其彳也复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密盾应遵循此规定) 签名_ 皇塑! 邋导师签名；丞! 如日期：塑堑垒 肉蒙亩摹； 拄大学疆学健论文 l 文献综述 1 1 弓l 言 随着辩擎技术不断静发展，久翻辩材辩链麓豹要求越来越嵩，特剩楚对予靛天、靛 空、圆防等高科技领域，这种需求更为突出。因此人们对制备商性能材料的工芑研究一 直追求不鬻。 铸造冶愈技术已经有几千年的历史，但悬常规铸遗冶金由于冷却遮度低，缝常存在 严重酌成分编耩，菇粒程夫，檬辩静镌髓不离，缀难满定理代孝主会熬要求。粉寒冶金技 术是种制取金属粉米，以及采取成形和烧结工艺将龛属粉末( 或金属粉末与金属粉末 匏灞合耪) 露成翻晶鹄工艺技术，是释隶l 冬离往笺浚冷台金按本。慕磊耪寒冶金技零 能够制备晶粒细小，成分均匀，性能优良的各种合金及其复合材料，假是这种技术在成 用上存在着不是之楚，耪末巷l 毅豹工缮多，成零较毫，粉泰在翻墩、露教帮运辕过程中 容易氯化、脏化而影响材料的使用性能，并且粉末冶金制品的大小和形状也受到一定限 裁，溺蘧该技术翡瘦瓣受到一定隈裁。二十嫠纪六十馨役寒在耪泰造众按零夔簇爨上又 发展起来一种新型的众属成烈技术，称之为喷射成形工艺。该技术的诞生对铸造、粉束 冶金等技术产生了深远戆影旗，零l 趁了各强磅究考瓣缀大关注，继嚣】竞疆臻巍鞠开发， 获得了巨大的进展i l 。7 j 。 蝼射残形按零荛液态金嚣魏雾缳( 抉速凝嚣) 窝雾诧熔滚瓣沉积( 熔滚动态致密圈 化) 自然地结合起来，在一步冶金操作中完成，以最少的工序，直接从液态金属制取具 有抉速凝固缀缓、整体致密、接遥零 串实舔形袄戆裹戡l 耪辩竣半藏熬坯终。琴l 囊这瑷 技术。不仅可以制备出许多磁性能的新材料，而且可以大幅度提高传娩材料的性能，同 嚣又不会鞠爨逮增鸯l 搴手辩懿豢l 釜残本，莠容鬓获褥较藤数产爨。嚣越，喷射戒形技术对 于冶金材料制备行业来讲，脊着广泛的适应性，是标忠着材料制备技术更新换代的一种 耨羹技拳手段，在嚣骣上，与半霸态壹王、薄叛坯铸毒l 一起被誊菇2 l 狴羟秘糕毒l 各工 艺发展的三大技术之，并被称为“朱来材料制备技术之星”。利用这技术可以得到 一簸快速凝黢方法无法褥到熬大尺寸靛金震安裕。总之，囔射筏形技零凝支黢了铸绕铸 造过程中存在的晶粒粗大、偏析严重的缺点，又摈弃了粉末冶金工序繁多，氧化严重等 不是，罚拜叉蒺毒羚泰冶金搜寒靛挽东，是一秘极其竞争力驰快速凝潮工艺剐“。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 嚷射残彩技术的发曩篱余 喷射成形( 8 p r a yf o 删，又称金属喷射沉积技术咖l 刚唧d 印o s i t e c h 舯i o g y ) 、喷射沉积( s 舻搿d e p o s i n ) ，有时戗你为喷射凝铸( s p r a yc a 鼬蝴、液体动态 霞结啦毋瓣陡c s 疆璎穗。蛹霹控囔瓣淀积( c s d ：c 骶的l 掣w 韵辨蠡垃。国，程 商业上则通称为舆新普瑞工艺( o s p 唧p r o c e s s ) 跚。 喷射成形最早的概念和原理是由英国s 川e a 大学的a r e s i n g e r 激授于1 9 6 8 年 提熬寒豹。当时s i 瑚黟等人觳熔融金属离心雾化，雾化液粒嚷在一个旋转的沉参 载体 上，形成沉积坯辩，并直接乾嬲得虱坯辩。逡种方法褥剽黪沉积坯密度鞍低，厚度不 均，并且坯料的冷却速度完全依赖于基体。 2 0 世纪7 0 辞i 代末，美国麻省理工大学的n j g l a n t 提出以超声气体雾化制备细粒 度、离速度静雾纯滚濠茺特缓躺滚终凄压残影工艺誓斑) 。这类王艺麴冷骜j 速率豹瓷 1 0 3 1 0 4 k ，s ，组织细小，是熟攫的快速凝固冲才料。由于超声雾化难以逡续获得，冷却 过快导致材料收翠降低、孔隙度较高，因此，难以实现工业应用。 1 9 8 8 年，美灏勰翔大学酝妊撼分校豹功糌戚a 等人在众耩囔瓣藏形技术基础上开发 出帝备金属基复仓材料的“雾化装沉积按术( s p r a yc o - d 印o s i t i o n ) ”，随屠h w l e y 等入率 先提出了“反应雾化成形技术a 甜v es p m yf o m 血曲”，该技术将雾化成形工艺和化学 反戏法制备复合材料技术结合程一起，用以生产性能更努的众属基自生复合材料，与此 霜辩，望大学和研究嚣在喷羹季成形貔橇涮每瀵鍪l 往隘及计算税控裁方蠢徽了许多辜蠢 成效的工作，如美国m 【ts y 咖mc 0 q 嘶o n 用计算机控制基板的多维移动制得复杂不 对称形状的工件。盒属喷射成形作为一项工稔技术出现在2 0 世纪7 0 年代，1 9 ”年英 国蕊p f e ym 醅蘸公司取键囔瓣按零豹专裁，遮瓣该矮技零麓委歪簸炙验璧走自实际黛 产。由于金属喷射沉积具有明驻的优点，在工业上已展现出良好的应用前景，受到工娩 界的广泛关注，随精特别是进入8 0 年代以来，许多国家投入大量人力、物力进行金属 喷射产品豹开发与生产，取褥较好熬效果。 1 9 8 0 年英国a u 船钢铰公司将金属喷掰沉积原理应瘸到嵩台会工蒸铜和高速镧， 发展了一种受控焱属喷射沉积 n 细l l e d 跚刮d e p o s m o n ) 工艺，由金属熔体的雾化和商 速金属液滴撞击冷却板所组成，它是以0 s p # e y 工艺为基础，采用较大垒属滴液，液滴 蠹绞0 。5 l 。5 艘致，由予撞壶露惩，爨胃疆获褥l 矿k 鑫豹冷帮速度h ”。 经过2 0 多年的发展，这种投术已被十几个工业发达鼠家引入，但舆j e 大规模生产 的凰家只有英、美、日三国。萸圜主要在高含盒材料方面采缴产直径为2 0 0 4 5 0 i i n 的 2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 高含金臀材、轧辊、厚钢板坯、棒材及耐磨零件。美国主要用来生产小型的黼合金铜零 部律。秘本主簧生产离速钢线率季辜醵氅。表1 伊5 疆蓬乡 喷射威形设备及其产蒹状况。 表1 1 豳外喷射成形设备及其产品状况 槲公瀚设韶每t 蘸力( 国产晶 德豳p e i 【0 0a 】一2 5 s i 珊1 h 酶瑚奔珊汽车猫叻睁l 缸套 日本融溶司 1 0 a l _ s i 台金敲弓葑遮茂窜鼹耀翮时片 铝台窳姆蜥叫4 0高强虹喝1 ，飙乱，黜_ l i ，合金船台 材料铩翻蜮 锶鲶焉士s 融s s 旺l l两懒媳崩骓叻大玛【干镪门bm 喇i 内啦糖技树跫汛( 电宸电子 德国w i e 】d 于2 0 0 0 终端) 攫发 2 。茁碳黥搬鞋嘲癌宅“勋，n 5 商璇媳嘴l 工其翱 翔g e5 。0 ( 单班)燃糍 特辣孵嘲雌 美国跏可斑m 7 0 0 ( 两班) 燃龟蹲蝴商毓肇女断张密擗等 栏d 嚣豁l 驾y 瑞典不瞬劁杈镍微( 爿打碱利激赌韩蝴) 蓑毒蘑 势津墨奉莓懿臼贺8 鑫厂离瞒魄亵翳躲竣粥啜蓉秘缝爨筝罄 烟 1 3 喷射成形 支术韵原理及特点 1 3 。l 嚷射或彩按寒驰漂理 喷射成形技术由三个基本的技术即熔炼技术、气雾化技术、沉积技术组成。相应其 工艺装胬主体螽熔炼黧( 熔练掰蛹) 、雾亿室和沉积基板拇成馥l 蕊1 1 ) 。港蘸鐾畿予雾纯 室媳上方，其主要作髑是熔化金属，一般怒以中频感虚炉熔炼垒属，有的是在其它熔炼 炉中炼好后，稃到入坩埚中。熔炼坩埚一般为镁砂达打结烧制丽成，也有用氧化铝、氧 德镁烧终嚣埚戏荟墨露撰。程堪塌瓣底赘中心处开毒一个锥形瓣金属滚滚爨魏，一般燕 赢径3 8 i 姗。根据不同的熔炼要求，熔化过程用氮气成其它惰性气体以及真空保护。 液体金耩经过搿璃底部导液管，遽入雾琵象，雾纯室静土部有绩嘴，离压离逡的情靛气 体( 氮气、氨气) 经雾化喷嘴冲击熔融的金祸或合鑫液流，将液流雾化成弥散细小的液态 颗粒，雾化室下部是沉积板，雾化液滴在黼压高速气流的带动下加速运动，飞行一段距 麓嚣( 一般为3 o 溅强) 沉积在纂援上，形成藏度致密敷沉积坯辩，遥过控制和调整 3 内蒙自科技大学硕士学位论文 基板的运动可以得到不同形状的沉积毛坯，由于液滴与雾化气流进行强烈的对流换热 金属喷射沉积材料凝固时获得很高的冷却速度，冷却速度都可达到1 0 3 k s 以上】。 图1 1 喷射成形工艺示意图 喷射成形包括熔融金属的雾化和喷射沉积两个物理过程。它大致可以分为5 个阶 段：金属释放阶段、气体雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段及沉积体凝固阶段1 1 q 砥1 7 ，1 8 】。 ( 1 ) 会属释放阶段 一般金属液流释放方式可分为自由降落式和限制式，如图1 2 所示。自由降落式输 送时金属液流完全靠自重从坩埚底部小孔流出，在空间形成一个金属液柱，此液柱的截 面形状极不稳定，在刚离开坩埚小孔时，液流的截面形状完全由小孔形状决定，小孔若 是圆形，则液流截面也是圆形，但随着液流的下降过程中，液柱在金属液流的表面张力 作用下，直径很快变粗，而且各处直径极不稳定，有些地方可能变成椭圆形甚至复杂形 状。自由降落高度愈大，液径变化愈大。限制式输送时，液柱的截面形状变化很小。由 于雾化气体的高速运动，在液流输送管出口处可能产生正压，引起反喷现象，因此，建 立测定液流输送管负压装置是必不可少。 在该阶段金属的烙体的过热温度正和熔化室的负压是这个阶段的控制参数。过热温 度王= t + b ，咒为金属的液相线温度，a 瓦为过热度f 4 j 。 喷射沉积过程的冷却速度与疋和熔化室的负压有很大的关系，若不过高或负压 过低，就会使液滴在雾化阶段雾化强制冷却相对困难，则可能使液滴形成的半固态颗粒 较少，影响沉积体的致密度；晶粒冷却时间的变长，将导致粒径大的颗粒数目增加。影 响了沉积面结晶组织的晶粒细化。 一4 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 a 自由降落式 图1 2 高压气体雾化喷嘴示意图 b 限制式 ( 2 ) 气体雾化阶段 喷射成形技术中，采用的雾化方法是二流雾化或离心雾化。二流雾化是指通过雾化 喷嘴产生高速高压工作介质气流，将熔体流粉碎成很细的液滴。离心雾化的原理是，利 用机械旋转产生的离心力将熔化的金属或合金溅射成很细的液滴。 雾化技术中，雾化喷嘴是一个关键的部件。喷嘴出气孔通道的截面形状有四种：直 线型、收缩型、拉瓦尔管型、谐振腔型。直线型喷嘴的气体进口速度与出口速度相等， 气流速度随进气压力的增高而变大，但很快达到最大值，这种喷嘴的气流相对速度小于 2 0 0 m s 。在收缩型喷嘴中，最小截面处的气流速度也不大，一般不超过2 5 0 r 眺。拉瓦尔 管型喷气通道特征是先收缩后膨胀，在临界截面处( 喉颈) 气流速度约为1 马赫，气流 经喉颈流出后绝热膨胀不断扩张，速度可继续增大，出口时速度可达1 2 马赫。谐振腔 型喷气孔道，也称h a 蛔a n 喷管型喷气通道，其原理是根据德国h a 舡l l a n 教授的谐振腔 加速原理而设计的。这种喷嘴由美国嘛省理工大学的g 埘l t 教授设计，但因制造工艺复 杂成功率很低，后来北京科技大学的吴义英教授进行了改进，成功率较高，这种喷嘴的 气流速度可达2 5 马捌1 0 1 。 长期以来人们对雾化机理进行了广泛的研究，得到了不同的雾化模型；尽管这些模 型之间有差异，但有一点是一致的，即雾化实质是由界面气体压力波动产生的不稳定界 面短波引起的。 融d d e r 等人认为，雾化过程可大致分为三个阶段；预成膜阶段，破碎阶段f 一次破 碎阶段和二次破碎阶段) 和球化、凝固阶段 嘲，如图1 3 所示。 5 斑蘩鑫争 技大学碛学使谂文 鬻褥 圈1 3 雾化过程示意图1 4 气体雾化横擞 d 。酬l e y 掇鑫煞气律雾铯模数舞强l 。鸯，在雾豫避疆鹣最褪陵袋，爨蠢一定糕滞 性的液态金属流在雾化气流的作用下，形成液态金属膜，间时由于雾化气流岛液态金属 间的剪切作用，在液态金属膜的表灏形成波，并且波幅不断增加，当波幅增至某一值 时，液态金属便在波峰处与金属麒分离，形成带状或大的液滴。这一过程在时间尺度和 空间尺度上都怒缀小豹。 段秘甄) w 撼粒j 馥璐谈隽爨露一定糖程嚣滚态金，瓣貘懿玻碎主要是交予雾凭气谚 的波动引起的，当金属膜的波幅达到菜个l 隘界波幅时就出现波峰顶端的剥离，雨引起波 动的振幅满足溅弦关系： j ，= 口d s i n 奴+ w ) d = 积 e x 曩鬈 式中；y 为波峰篷；w 灸裙娥籀使；璃为裙始强瞩；k 为与辩闻有关鹣瓣子。 在二次破碎阶段，带状或大的液滴破碎成小的液滴。a u 1 1 a l 提出二次破碎阶段可 能存在着三种不同的破碎机理： 1 ) 雾化气流的剪切作用使环状绒较大的金属液滴破碎。 2 浮纯气溅豹狰壹薅蔫捷金瘸滚演变残拿装至最终皴耱。 3 淦震液滚瓣振动导蒙酸碎。 对后两种破碎机理y 山e 和喇e y 进行了研究，认为液滴的破碎形式取决于气体 韦伯数，并给出了临界韦伯值为1 3 。在低的气体韦伯数下，在气流的作用下液滴变 形，同时表面张力的作用使其保持焱一种类似与“降落伞”的形状，随着液滴形状的发 展薄壁破碎戒一潮缓小豹擞清。困戴y 癌e 窝d 嚏潮e y 形象遣将这一过程称麓“穿透模 式”。当簸予巍书倍数的倩况下，麓速气濂静渖壹笈褥滚滚在开始除段交乎黼成为“臻 形”，然后在气流的进一步作用下变成类似“章鱼”的彤状，并最终破碎成细小的微 滴。 6 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 在球化以及凝固阶段，液滴由不规则的形状逐渐变为球状并凝固，许多情况下小的 液滴在球化前就已经凝固了。根据以上三阶段破碎模型，液态金属的破碎主要发生在后 两个阶段。 为了预测液态金属雾化后形成的液滴的直径，许多研究者做了大量的实验，并得到 了一些经验公式。比较著名的而且适用范围最广的是l u b a l l s k a 公式： 鲁= 哪+ 等罢壬 式中：k 为经验常数；m g 为液态金属与雾化气流的质量流量比；v l 、v 。为金属 和雾化气体的运动学粘性系数；d 为液态金属流的直径：w 。为气体韦伯数； p 龇2 d 1 2 亨 式中：p 为雾化气体的密度；仃为液态金属的表面张力；u 为雾化气体与液态金 属的相对速度；d l 为液滴直径。 由l u b a 珊k a 公式可以看出影响雾化过程的主要因素。首先，液态金属与雾化气流 的质量流量比，如果该比值较大，则雾化后的液滴直径也较大，雾化破碎效果不好，同 时液滴到达基体时液相含量较大；若该比值较小，则雾化后的液滴直径也较小，凝固所 需时间也较短，液滴在到达基体时固相量较大，甚至液滴已完全凝固。这两种情况对沉 积过程均是不利的。其次，液态金属与雾化气流间的相对速度，相对速度越大，对液 态金属的破碎越有利。另外，液态金属的表面张力也是影响雾化过程的重要因素。随着 液态金属的破碎，液态金属的表面积将急剧增加，由公式e = m 盯可看出表面能也将 增加，从能量守衡的角度出发，只有消耗较大的能量才能达到很好的雾化破碎效果；另 外，有研究表明表面张力的增加将提高雾化的效率。这可能是由于高的表面张力将阻碍 已形成的微滴再次结合成大的液滴。最后，液态金属和雾化气体的粘度也将影响雾化过 程。尤其液态金属的粘度，它是阻碍液态金属的破碎，若将过热金属或合金看作牛顿流 体，其应力与应变成比例，比例系数就是粘性系数，但粘性系数随着温度的升高将显著 降低，故雾化时可适当的提高液态金属的过热度，以利于液态金属的破碎”，1 4 1 。 雾化器结构、雾化气体的压力和雾化气体的类型是这个阶段的控制参数。雾化气体 有关指标的选择决定于喷射沉积材料的种类，进而决定了雾化器结构设计的差异。 ( 3 ) 喷射阶段 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 在暖瓣羚段，雾纯熔滚瓣滚在骜速气渡凑藿露爱下毒l 速，莠与气滚迸簿强爨懿蒸交 换；至日达沉积表面以前，小予某一晒界尺寸的熔滴凝固成为溺体颗粒，较大尺寸豹仍然 为液态，而中间尺寸的熔滴则为含有一定b b 例液相的半凝固颗粒。当沉积时群滴的固相 率过高，大部分雾化的颗粒已完全凝固，在这种情况下只能简单地获得松散的粉末，而 甭l 缮到数密夔金演嚷射浚狻箨，程反，姿沉积黠雾潼匏露鞠搴遘低，金羼焱滚积磊载 凝黉行为类似于传统的金属黧铸造，冷却速度较低，失去了愈属喷射沉积淡逮凝固的特 点，理想的状态应该是，雾化的金属液滴在雾化气体的冷却下其温度处于液阐两相区， 雾滴沉积时粪q 雾滴中的液相擞足以填充已凝网的颗粒之间的孔隙，同时保证溅射颗粒粘 缍在沉积嚣豹表耍鞋获餐羧大豹狡餐率。 喷嘴驹设计和运动方式、喷射的距离、喷射宽度、喷射密度等是这个阶段盼控制参 数。这些控制参数是相互影响、相互作用于喷射沉积过程中，需要综合考虑，以取得最 佳的控制参数配比。 ( 4 ) 淀积泠羧及沉积俸凝圈除段 金禳熔秫酶热量经两舅化阶段静对漉换热和沉积阶段传话的综合散热，达到较高的 冷却效果。第化的金属液滴，其大小在一定尺寸范围内里q e 对称统计分布。有的呈液 态，而有的则为含有固态晶拨的半液态滴。尚它们高速冲击谯高导热率的预坯旗板时， 蓑使已经形骇弱晶俸结构被酸碎成无数细小熬过冷颗粒势瓣豢予基扳上，粒缀终为微寒 级，随着沉积过程躲避行，藏成为后来沉积并被破碎颡粒鹩缩晶核心，麸丽凝蕊结晶残 一个具有细小晶粒结构的犬块盒属实体，这怒一个动态快速凝固过程。就沉积丽来说， 控制和掌握雾化颗粒抵达沉积表面时的状态及在沉积表面控制，并有效地保持适当厚度 戆半凝固波艨是褥到裹覆爨瓣复合层瑟鲍关键。 基底的毒季料及表压质鬣酾温度、基底的逡动方式及位随怒这个除段馥接黼参数。沉 积阶段沉积颟的形状、质量最终决定了坯件的尺寸和表面质墩。 1 3 。2 喷射成彩技术的特点 嚷瓣残形技术是一秘裁燮懿快速凝嚣按零，宅与铸造羧众、耪寒冶金工慧鞠魄较， 主要有简单纯、离效率、离黼质、低成本等特点，其体翔节1 毪 3 ，14 ，碉： ( 1 ) 具有细小的等轴晶与球状组织。金属喷射成形材料的组织是细小的缚轴晶，其 晶粒大小般在l o 1 0 0 哪，这种组织的形成，一方面是由于高压高速气流与熔体强烈 靛怼滚抉热释捷金瘸喷射泼狡毒耋辩凝霾时获褥禳意豹冷帮瀵发，一般冷逮隽l 。3 l 矿 x ，s ，另一方瑟在高速气流驹带动下，雾纯液滴在沉积对刻获得很高的速度，模拟计算 结果表明，冀速度为5 0 1 0 0 l n s ，在半固态雾化液滴高速撞街纂板或沉积体淡丽时，其 ，8 内蒙蠢科技大学硕士学位论文 冲击动能产生足够大的剪仞应力和剪切速度，将深过冷雾化波滴中的枝晶打碎，形成非 枝晶的组织，沉积基板冷却速度较低，这时沉积材料处于一种高温退火状态，使泰变彤 的枝晶进一步均匀化、融变形或断裂枝晶臂生长与粗化，出瑰近球他组织。 ( 2 ) 生产工序篾单，成本低，具有诱人垂冬经济饯势。金属嵝射成形将熔体静雾托和 沉积成形疆个避程舍为一钵，哥直接密液体金蒲制辍俊速凝固预成形的毛坯，而一般的 快速凝西工芑制取韵材料，尺寸很小，难戳直接加工成产品，通常需经粉束冶金工艺的 翻粉、储存、运输、筛分、压翩烧结，甚至轧制、锻造等工序完成成型，与其它快速凝 固工艺相比，金属喷射沉积工艺大幅度地简化了快凝材料的搬工制答工序，缨短了生产 周期，提赢了生产效率，降低了生产成本。幽予生产工序的减少，只嚣一套设备就哥完 成熬个生产，羼其他工艺摆毖减少了固定资本占用，也反浚了喷射沉积工艺的经济优 势。 ( 3 ) 匿溶魔增丈，氧化强度减小。在雾化过程中，颗粒冷却速度非常快，致使沉积 材料的词溶度明受提高，原始颗粒与急冷边巽基本消除；另外，金属喷射沉积过程中鑫 属以熔滴存在的时问极其短暂( o ，3 s ) 且派狭是在馕性气氛中突戏的，金属氧化程度较 小，薅且由予滚体金属一次戏形，避免了粉末冶金王艺中躐储存、运输等工序带来的氧 纯，减轻了材料熬受污染程度。 ( 4 ) 较高的沉积材料皴密度。盒属喷射沉积工艺过程中，深过冷金属雾化液滴高速 撞击到沉积衬底上，与沉积层彘好地结合在一起，直接沉积后的密度可以达到理论密度 的9 5 ，如果工艺控制合理则可达到9 9 ，可见喷射沉积工艺仅夺在轻微豹疏松现象， 经随后灼冷力工或热加工缀容易达至q 竞全致密他。髫蔚实黪使兵l 豹致密饯工艺有热等静 摄、热疆、囊空热压秘热挤篷。 ( 5 ) 较高静喷射沉积效率。各种实髑的雾亿器喷嘴韵生产率在2 5 2 0 0 螬，m 溉用作 涂层的沉积速率可达5 0 k 曲n 抽，单个产品重量可达6 0 0 k g 。 提供了生产金属基体复合材料的新方法。在喷射成形过程中- 把增强粒予弓 入金 属雾化流中就够在沉积器上碍銎l 鑫羼基体复台坯。喷射戏形过稷挟速凝固的特点减少 了增强粒予与基体发生界嚣茨应鹣麓能。 ( 7 ) 瑟滔性强。喷射成形可锖4 逡其它工艺不荔制造的材料，如a 、p b 、c u 、m g 、 n i 、t i 、c o 合金和特种钢等，在某些领域的应用，可代替传统的粉末冶金。同时根据 沉积器栩对于雾化喷嘴的不同运动方式，可生产出棒材、管材甚至带材，使生产具枣缀 犬的灵活性。 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 侣) 过程复杂，工艺参数多。金属喷射沉积过程是一个众多参数共同作用的复杂过 程，研究发现，金属喷射沉积的可控参数有近1 0 个，而过程参数就更多，而且各参数 之间相互制约，相互影响，给工艺参数的选择和优化带来一定的困难。如何准确地选择 合适的工艺参数是目前该技术必须解决的问题之一。 1 4 喷射成形技术的沿革发展及应用 1 4 1 喷射成形技术的沿革发展 自从1 9 6 8 年s i i l g e r 教授提出喷射成形的概念和原理后，喷射成形原理与其它工艺 技术相结合，演变出了多种喷射沉积工艺方式。 1 ) 喷射轧制 喷射轧制技术是1 9 7 0 年s i n g e r 教授提出的，该技术综合了喷射成形技术、单辊快 速凝固技术和轧制技术。金属熔体从盛料坩埚底部经导液管流出后进入雾化区，在雾化 区，高压气体经雾化器产生的高速气流与熔体作用后，将熔体破碎成细小熔滴锥形喷射 流。喷射流被直接沉积到一个内部冷却、缓慢旋转的鼓轮形粗糙表面上，液滴在撞击时 凝固，而后续的液滴堆积达到一定的厚度。从鼓轮上剥离沉积层并直接传递到轧辊中轧 制成带材【2 1 翊。 喷射轧制工艺可以连续生产，目前已经生产出1 8 m m 厚，5 0 0 n n 宽的带材。但 是，该技术还存在两个困难，一个是难于保证沉积层在带材宽度方向上具有均匀的厚 度，另一个是生产宽带材有困难。 2 ) 喷射锻造 喷射锻造是r b m o k 等人将喷射成形原理应用到锻造毛坯的生产而形成的。在该工 艺过程中，气体雾化金属被直接喷射到一个模具中，或喷射到一平面基底或收集器上。 基底或模具在驱动机构的控制下以适当的方式运动。在采用模具时，沉积坯形状按模具 相反的形状复制；而赢接喷射到平面基底上时，预成形坯的形状取决与驱动机构的运动 方式。预成形坯可以利用余热进一步锻造。模子通常是铜制水冷，也可以是高温陶瓷材 料【2 3 1 。 3 ) 离心喷射沉积( c 髓曲如g a l 铆础d e p o s m o n 简称c s d ) 离心喷射沉积是1 9 7 6 年s i n 尽阿和硪s a l c 嚼出等人提出的。这种成形工艺采用高速 旋转的水冷铜盘，借助离心力的作用雾化金属液体，制备的合金纯净、成分准确、杂质 含量低、致密度高，与气体雾化喷射成形( g s d ) 工艺相比，它不需要高压气体辅助喷射 成形，简化了设备，并且可在真空条件下成形，具有很大的优越性。它的主要优点除了 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 可以生产高机械性能的细晶材料外，还可以生产大直径的管或环，这用别的方法是很难 生产得到。另外，离心喷射沉积消耗的惰性气体很少，这对于生产易受气氛污染的合金 材料来说是很有利的阱啦i 。 4 ) 喷射共沉积 喷射共沉积是将喷射成形原理与复合材料制备技术相结合的一种新型喷射成形工 艺。它的基本原理是在喷射成形过程中，把具有一定动量的颗粒增强相强制喷入雾化液 流中，使熔融金属和颗粒增强相共同沉积到运动基体上，制备近成形颗粒增强金属基复 合材料沉积坯的一种方法。该工艺最早是由s i n g e r 教授开始进行的研究，后来c o s p r a y 公司较早开始喷射共沉积复合材料的商业化生产。 在喷射共沉积过程中，增强相的加入方式有三种：一种是颗粒直接从雾化气体管道 中加入，一种是直接把增强相引入到熔体流出口处，另一种则直接将增强相强制喷入金 属熔滴雾化锥内。此外，北京科技大学的杨滨等人创新性地提出将增强相的生成置于熔 化室合金熔体中完成( 而不是现行通常的在雾化室中进行) ，然后再进行后续的雾化喷射 沉积成形步骤，成功地开发出了一种熔铸一原位反应喷射沉积成形金属基复合材料制备 技术。这种成形技术的突出优点是：颗粒在熔体内部原位反应生成，不存在颗粒损失问 题，生成的颗粒大小为微米数量级，数量可调，颗粒在基体合金中分布均匀。他们利用 该技术已经制备出t i c 颗粒增强工业纯铝的复合材料并进行了性能测试8 3 7 ，2 3 ，2 9 ，1 8 1 。 喷射共沉积工艺制备的复合材料增强相颗粒分布均匀，颗粒与基体结合良好，无有 害界面反应。因而在金属基复合材料，特别是铝基复合材料的制备中该技术得到了较为 广泛的研究和应用。 5 ) 多层喷射沉积 多层喷射沉积技术是在传统喷射成形技术的基础上，由陈振华教授和黄培云院士于 1 9 9 0 年创立的，它与传统喷射沉积技术的区别在于：沉积坯为多次合成构成，因此其 冷凝速度高于传统喷射沉积坯：沉积坯为金属喷嘴多次往返移动喷射沉积而成，因此管 坯尺寸可以做得很厚且冷却速度不受影响，而且板坯的宽度和长度都可以很大；沉积坯 的尺寸精度较高：制各的复合材料均匀性非常好。 多层喷射沉积的工作原理为：金属液体被注入到坩埚中，通过导液管流入喷枪，被 高压气体雾化成液粒喷射液，雾化器移动的方式受计算机控制，根据沉积坯形状和冷速 的要求，按一定的规律进行匀速或变速运动，液粒扫描沉积在基体上。基体的升降装置 亦由计算机控制，保持基体的下降速率与沉积坯长大速率一致，经过雾化液流的多次往 返扫描沉积，最终成形为坯件。图1 5 是多层喷射沉积示意图。目前，利用多层喷射沉 内蘩杏科技大学疆学往豫文 积技术已经制蘩爨了耐蘑铝合金材料、耐热锻舍金材辩、颞粒增强型锚基复食材料、巍 强锻含金材料、自蔓延锵基复合材料以及双盒藕材料等籽弱。 圈1 5 多层喷射沉积示意图 1 。4 2 喷射成搿技术在材 i 方面的讲究和应用 1 4 2 1 铝合金 西前采用搂射成形技术进行镄裔金方瑟麴研究工律主要集中在高强铝含金系( 7 0 系，2 0 0 0 系) ，高比强、高比模量a l l i 合金系，耐热掰强a 1 f e 合金系及锅基复合材 籽等等瑟邸”壤。 1 ) 高强铝含盒 离强铝合众( 2 0 0 0 系，7 0 0 0 系) 以其优异的综合性自在商用飞枧上的使用量已缀 达到簇结擒重鬃的s o 黻上，西藏得弱国内多撇空工监器靛普遍鬟褫。毽慧，传统的搴孝 料制铸工艺已缀无法满足现代航空航天技术对高强铝合禽性能的使用要求。研究发现， 采用喷射形成技零霹戳避免警遍铸遮合金孛鞭大曩粒戆爨瑗，嚣辩黠冶金矮爨扫惩，s i 含量) 的要求大i 黼室放宽。与粉末冶袅工艺相比，喷射成形技术解决了材料氯化严重及 难于成形的问题，因此可以进一步降低成本并提高材料性能。 l a v 懿i a 等人对喷射成形为7 5 + 黼瑚8 矗合金莲行了深入豹研究，发现合金亿元素 n i 、_ z r 的加入可形成细小弥散分布的a 1 3 n i 和a 1 3 办相。由于抒的扩散系数较小，形 成躲a 强醢稳熊够煮效蟪镑藐鑫雾鼗露鑫雾，怒裂阻碍嚣维爨靼投稍曩粒尺寸鹣佟爆。 而且在后续热处理过程中晶粒无明鼹长大。分析结果表明，熟处理后的晶糍大小仅为 2 7 姗。 1 2 肉蘩吉秘援大学矮圭学燕谂文 2 ) 离比强、离比模爨铝合垒 艇- j 合垒由于具有阮重轻，弹性模量高等特点，成为种舆有发展潜力的航空、 航天用结构材料。其性能优点的体现主要是由念金中的镪含量控制的。但采用铸锭冶禽 方法瓣，锤魏会爨被严格隈裁在2 。7 w 隔激肉。含量超过毙焦霉重，铸锭孛会产生馥显豹 宏观偏析，同时析出粗大的金属间化合物相，降低合金的性能。为保证足够商的强度和 塑性，罴在会众中匀b 入较多的铜，不剥予合金密度的降低。医此锩锭冶金法在一定程度 上限制了越- 】已i 合金性能潜力的充分发挥。喷射成形快速凝固技术为址l i 含金的发袋 开辟了一条新的途径。犬嫩的研究结果表明，喷射成形朋- l i 合金与铸锭冶众触- l i 台 金稳珑；鑫粒耱第二穗鞠贬绥恁，愈金豹臻撰程度晦甄，麸瑟霹驻著撵毫食衾孛煞瓢 含量，在保证性能的前撮下，进一步刚氐材料密度。另外与粉末冶衾相比，合金中的含 氧量黩著降低，使材料的枧攘性能、化学性能及稳定性等方面得到明屡改善。 3 ) 低膨胀、耐蘑错含金 趟。s i 系中的高硅铝合金在保持较高强度的同时，具有良好的耐磨、耐热性能以及 诋鹣黟张系数，逶汽车工妲零瘸熬绦稳耱辩。但是骜遂铸造法生产豹越一醚会衾孛s i 会 量较高时将难以避免产生粗大的初晶硅相，恶化合金的加工和使用性能。粉涞烧结技术 虽然可以有效地细化初生醚相，获褥较高的力学性能，假是，复杂的工艺过程使材料成 本过予昂贵：另外粉末制备过程中严重的氧仡污染和原始粉末颗粒界面闻题，降低了合 金原本不高的韧性，限制了合金性能的进一步发挥。喷射成形快速凝固技术的发展推动 了麓醚镑会金豹臻究，鬟萋改善了凌磊硅摇瓣澎态与分杰，降低了客氧薰，掇蠢了合盒 的性髓。 d u s z c y 等人研究了喷射成形a l 也o s i x ( 过渡族元麴的组织和性能。结果表明，喷 射藏形材料鹣冷蓠j 速度约为1 妒l 哟蕊，含氧爨是粉末冶金毒手辩酌l 璧i 。孔隙率，j 、 于1 3 ，材料组织明显细化，析出相弥散分布，成份均匀。 焱晓光、攀痰舂圈等久疆究了搂魅藏形燃蕊i 善e 会衾熬瞧戆。揆莲嚣戆囔瓣藏影 a 1 s i 托合金寨温最高强度可达4 6 5 m p a ，2 0 0 时的强魔超过3 0 0 m p a ，弹性模量高达 1 0 8 g l h ，合金蜜温延伸率为5 2 ，此外合金的热膨胀系数小于1 7 lo _ 1 ( 。研究结果 表疆；合金酶滏纯主要逶过薅俸积分数豹弥散稽裙沉淀稳对藏镨静钉芤，增为h 往镫滑移 阻力i 珂实现的，其中初生碱相也是弥散强化相。高温条件下，部分沉淀相分解，失去对 整镶溺燕要瓣钌藐搏鼹瑟发生再缝菇是强度下降戆主要霖疆。 4 ) 耐热铝含金 1 3 内蒙古科技大学礤士学位论文 快速凝固耐热镏台金由于重爨轻，价格便寅，使用瀛度禚3 4 左右，因 魏可戳部分取代裁含金、常艇锱含金鞠铜等耩料，觚褥使稳件成本及羹麓大幅殿下 降。一般认为，冷却速度在耐热铝合金中起决定性作用，冷却速度越大，则弥散质点越 绸，l 、，分布越辫匀，耀诧常嫒裁餐方法一觳采用熔体旋淬法及雾诺法，戳期获得较麓懿 冷趣遴发。露联磁p 獬8 d 及翮畦c h 等人熬王穆表羁，只要选取台逶瓣工芑参数，袋蘧 喷射成形工艺仍可以获得大于1 护融的冷却速度。范洪波等人采用喷射成形技术成功地 裁鏊了a l l 8 。5 f l 。2 v 1 。7 鞋快速凝霆会金毒孝料，经过热等静疆蔻基数瞧辘撂标努刹为 ob 咤8 1 31 3 h 偿a 翻6 印。5 i 8 ，完全遮銎| 强度要求。组织分析结聚表明，非平衡的 雕1 3 疆、e ，v ) 3 s i 稽超主要弥散强化作用，弥敝桶尺寸控蒂4 着合金性能，并诀为，通媲调 熬喷射成形工拨参数，可以控制析出相尺寸，进而控制快凝瓣热铝食金性能。同鼢发 联，由于含氧爨的酶低，合垒酌断袋韧往褥劐遂著提高。 5 ) 褥基复念奉| 籽 铝基复合树料以其优异的物理性能和机械性能成为期今材料科学界研究的热门。制 餐锚基复台耱辩静方法存洚多耱，始祷造羧箨法，粉寒潦盘法筹等，辍出予存在器瑟菠 斑，颗粒继橱等技术难题，长期以寒一直剃约骜铝基复念耪料麴发展疑应耀。喷射共凝 积技术很好地解决了增强粒子的偏析问题，而鼠由于凝固时间极短( 4 0 m s ) ，可以避免 缵强攘粒子在蒸转孛瓣溶鼹以及秀霆反应溺邀等等；男钤，该技术憋枣| 料麴剁蚕翻成澎 过程结仓在一起，简化了生产= 【= 序，降低了生产成本。 英函的a j o 馘公谶对瞬耱共沉移 颡被增强篾台材攀 送行了磺究和嚣发。与8 0 9 0 合 焱相比，8 0 9 0 十8 i c 复合材料的力学性能更为优越，尤其是弹性模量提黼约2 5 。 l 。4 2 2 镝铁树糕 嚣翁喷射成澎钢铁材精豹磷究主要集睁予瑗骞合金瓣藏本辩低耱魏能改进，i 瑟发展 新