（材料学专业论文）多层喷射沉积制备大尺寸耐热铝合金管坯的研究.pdfVIP

摘要结合“九五”攻关项目和“九七三”项目制备高性能大尺寸耐热铝合金管材的要求，本文对f v s 0 8 1 2 耐热铝合金在喷射沉积过程中的规律进行了研究，研制了新的多层喷射沉积制备大尺寸管坯设备。陋过对多层喷射沉积制备管坯工艺参数的分析，确定了较佳的工艺参数，并成功地制备出形状和尺寸较好的无裂纹f v s 0 8 1 2 合金管坯，管坯尺寸为西4 0 0x8 0 0xn 5 ( 内径x 长壁厚) 。建立了热流分析模型，对管坯热流和显微结构进行了分析。制定了大尺寸高性能管材的挤压工艺和旋压工艺，制备出了性能优良的大尺寸挤压和旋压管材。并对高性能板材的制备工艺进行了探索4 其主要的研究结果如，下：f 1 ) 对多层喷射沉积制备大尺寸耐热铝合金管坯的原理和f v s 0 8 1 2 合金喷射沉积过程中的规律进行了研究和分析。侈层喷射沉积制备管坯过程中，雾化器和基体管同时运动，喷射流在沉积面作往复扫描运动，管坯是逐层沉积而成。喷射流在同一位置沉积时的间隔较长，在相对较冷的表面沉积时可以获得约1 0 4 k s 。1 以上的冷却速度。而管坯的长度和壁厚分别取决于喷射流的扫描行程和扫描次数。因而具备了制备耐热铝合金大尺寸管坯的可能。耐热铝合金喷射沉积过程中，熔滴的平均粒径和粒度分布均受到雾化气体压力、熔体温度和液流直径等雾化工艺参数的影响。喷射流的空间质量分布呈双蜂分布，而喷射流在平面上扫描时，垂直于扫描方向的质量分布近似于高斯分布。随着喷射高度的增加( 2 0 0 4 0 0 m m ) ，喷射流的粘结效率和沉积坯致密度降低。而基体材质、表面状况和温度都影响着沉积层的粘结。善( 2 ) 对管坯制备工艺进行了分析，并成功制备了形状和质量较好的无裂纹管坯。造果表明，雾化器平移速度”，与基体转速1 ) i 必须满足关系u 。，m ；r o ，订，才能获得表面平整的管坯。而管坯的较优制备工艺可确定为：v，2 0 1 m - s - 1 ，o i = 6 0 r 。m i l l - 1 ，雾化气体压力1 0 m p a ，熔体温度9 6 0 6 c ，液流直径4 0 m m ，喷射高度1 8 0 2 2 0 m m 。( 3 ) 按照多层喷射沉积制备耐热铝合金管坯的过程，建立了热流分析模型。赧据该模型对不同粒径熔滴飞行过程中的速度、温度、冷却速度、固相分数每以及喷射流沉积后的冷却、凝固及其影响因素进行了分析。结果表明，雾化过程中，熔滴的直径大，凝固过程中的冷却速度较小，凝固过程在一个较长的距离内完成。熔滴直径小，则反之。在o - 2 0 0 m m 的飞行距离内，0 2 2 0 b i n粒径的熔熵均可获得1 1 0 4 k s 1 以上的平均冷却速度。喷射流沉积后，沉积层的平均冷却速度可以达到1 1 0 3 k s 1 以上。同种工艺条件下，管坯的长度和直径大，则沉积层冷却速度较高。在轴向中点处，连续两次沉积时冷却速度相近，而越靠近管坯端部，连续两次沉积时的冷却速度差别越大。通过雾化粉末和沉积坯的微观结构分析，发现直径较大粉末( 2 2 0 斗m ) 中有2 5斗m 粗大析出相，晶粒约1 0 - 2 0 肛m ，根据二次枝晶臂间距可估算出其冷却速度约为9 5 1 0 2 k s 。而沉积坯中析相为2 0 - 6 0 r i m 的球形旺- a 1 。2 ( f e 期，s i ，晶粒尺寸2 0 0 5 0 0 r i m 。根据熔滴在沉积面扁平变形现象可以估算出，平均粒径9 0 “m 的单个熔滴在基体上沉积时冷却速度为3 3 1 0 s k s 一。因此，根据熔滴在o 一2 0 0 m m 的雾化飞行阶段和沉积阶段的冷却速度，可推断出管坯制备过程中熔体凝固时冷却速度应为1 1 0 3 - 1 0 5 k s 4 之间，高于传统喷射沉积和雾化制粉工艺d( 4 ) 较详细分析了挤压工艺、旋压工艺等对耐热铝合金管材组织结构和性能的影响，制备了高性能挤压和旋压管材，并对高性能板材加工工艺进行了探索。( 研究表明，4 5 0 0 c 以上，挤压温度越高，管材力学性能越低。采用低温长时、高温短时的分级加热制度，在4 8 0 以4 9 的挤压系数挤压时，在现有设备能力下，可获得性能较好的挤压管材。虽然挤压管材的晶粒和析出相均有长大现象，但无平衡相析出。挤压管材的性能为：2 5 。c ，盯= 3 1 0 m p a ，ob = 3 9 1 v l p a ，8 = 1 1 4 ；3 5 0 。c ，o r0 2 = 1 7 8 m p a ，仃b = 1 8 5 m p a ，8 = 1 2 5 。其性能明显高于传统喷射沉积挤压态该合金棒材，但与平流铸造挤压态该合金棒材相比则较低。挤压管材旋压过程中，管材密度随变形程度增加而提高。旋压温度高于4 5 0 6 c 时，将导致管材强度下降。在3 5 0 t 2 4 2 0 。c采用小道次压下量多道次旋压工艺，可以避免管材旋压开裂和性能降低，并且总压下量较大时，管材性能较高。与挤压管性能相比，总压下量为8 3 的旋压管材室温屈服强度和断裂强度分别提高2 5 和1 0 ，高温强度变化不大。其拉伸力学性能为：2 5 。( 2 ，oo i = 3 7 9 m p a ，= 4 4 0 m p a ，8 = 1 4 1 ；3 5 0 。c ，盯o 。= 1 7 8 m p a ，1 3 b = 1 8 8 m p a ，8 = 1 2 8 。在挤压管上取小块料，在3 8 0 。c - 4 2 0 。c 锻造和轧制后得到的板材，横纵向性能均高于挤压态管材，其性能分别为：横向：2 5 6 c ，盯= 3 9 4 m p a ，0 r b = 4 3 5 m p a ，8 = 1 2 ；3 5 0 。c ，盯o 2 = 1 8 2 m p a ，叮b = 1 9 5 m p a ，8 = 6 3 纵向：2 5 ，盯0 2 = 3 8 8 m p a ，盯b = 4 3 4 m p a ，8 = 1 4 2 ；3 5 0 ，仃0 2 = l s l m p a ，仃b = 1 9 5 m p a ，8 = 1 3 8 可见，这也是一种获得高性能板材的有效方法。以上研究结果表明，采用多层喷射沉积制备管坯工艺，辅之以有效的挤压和旋压等致密化加工工艺，可以获得高性能的大尺寸咝鏊堡金坌笪塾和板材。土关键词：快速凝固，喷射沉积，耐热铝合金a b s t r a c tc o m b i n i n gw i t hak e yp r o j e c ts u p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e yp r o g r a mo f 眇f 1 、c 一、e a rp l a n ，an o e lm u l t i l a y e rs p r a yd e p o s i t i o n0 4 l s d ) e q u i p m e n tf o rl a r g ed i m e n s i o n sp i p eb l a n k sh a v eb e e nd e v e l o p e d p i p eb l a n k so ff x 7 s 0 8 1 2a u o x 、t l 山d i n a e n s i o n so fo4 0 0 8 0 0 115 m m ( i n n e rd i a m e t e r l e n g t h w a i lt h i c k n e s s ) w e r ep r e p a r e db ym l s dt e c h n o l o g y t h e r m a lh i s t o d , a n dr n i e r o s t r u c d o x ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i p eb l a n k sw e r ea n a l y z e d a l l o yp i p e sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ew e r ep r o d u c e db je x t r u s i o na n ds p i n n i n gp r o c e s s t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ed r a w na sf o l l o w i n g ：( 1 ) t h ep r e p a r a t i o np m l c i p l eo fp i p eb l a n kw i t hl a r g ed i m e n s i o n sb j m l s da n dt h ep r o c e s s i n gr e g u l a r i t i e sw e r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d i np r e s e n tp r o c e s s ，t h ea t o m i z e dd r o p l e t ss p r a y i n gf l o ws c a n sr e d p r o c a l l ya l o n gt h es u r f a c eo fp i p es u b s t r a t ea n dt h eb l a n ki sd e p o s i t e dl a y e rb yl a y e rw i 山t h ea t o m i z e ra n ds u b s t x a t em o 、m gs i m u l t a n e o u s l y t h u st h es c a r m m gr a n g eo ft h es p r a y i n gf l o wi sl a r g ea n dt h ei n t e r n a lo ft h es u c c e s s h ，- ed e p o s i t i o na tt h es a l n ep o i n ti sl o n g ，w h i c hl e a d st oah l 曲c o o l i n gr a t eo ft h ed e p o s i ta b o v e1 0 4 k s s om l s di sm o r ep r o p e rf o rp r e p a r a t i o no ff 、7 s 0 8 1 2a l l 0 3 p i p eb l a n k sw i t hl a r g ed i m e n s i o n s t h em e a na t o m i z e dd r o p l e ts i z ea n di t ss i z ed i s t r i b u t i o nw e r ei n f l u e n c e db yt h ea t o m i z a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sa t o m i z a t i o ng a sp r e s s u r e ) ，t e m p e r a t u r eo fm e l t a n dt h ed i a m e t e ro fm e l tf l o wf d ) t h es p a t i a lm a t t e rf l o wd e n s i t y i 1 1t h ea t o m i z a t i o nc o n ep r e s e n t sab h n o d a ld i s t r i b u t i o n a tt h ed e p o s i t i o ns t a g e ，m a t t e rd e n s i t yv e r f i c dt ot h es c a n n i n gd i r e c a o nq i d s ) p r e s e n t sa l la p p r o x i m a t eg a u s s & s t r i b u t i o n t h es t i c k i n ge f f i c i e n c 、o ft h ea t o m i z e dd r o p l e t ss p r a x g n gf l o wa n dd e p o s i td e n s i t yd e c r e a s ea st h ei n c r e a s i n go fs p r a d i s t a n c e ( z ) ( 2 ) b a s e do na ni n t e n s i x ea n a l y s i so nt h ep r o c e s s ，t h en e e d e dp i p eb l a n k sw i t hf - m es h a p ep r e c i s i o na n de x c e u e n tq u a l i t yw e r ep r e p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , t oo b t a i np i p eb l a n k sw i t hf l a ts u r f a c e ，t h ea t o m i z e rs h o u l dm o v ee v e n l ya n di t ss p e e du 。s a d s g s u c he x p r e s s i o na su 。u 1r j ，w h e r e i st h et u r n i n gs p e e do ft h es u b s t r a t ea n d “5i st h eh a l f - w i d t ho fm d s t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r si np r e s e n ts t u d ) a r ea s f o l l o w i n g ：u 。= o 1 m s ，【_ ) = 6 0 r m i l l 1 ，p = 1 0 m p a ，f = 9 6 0c ，d = 4 0 m m ，z = 1 8 0 2 2 0 m m 。( 3 ) ao n e d i m e n s i o nm o d e lo fh e a tf l o wa n m ) r s i sw a se s t a b h s h e dt oa n a l 、- s i st h ec o o m ga n ds o l i d i f i c a t i o no fa t o m i z e dd r o p l e t sw i t hd i f f e r e n ts i z ed u r i n gt h ef 1 3 h a ga n da f t e rt h e i rd e p o s i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea x , e r a g ec o o l i n gr a t e so ft h ed r o p l c r s、l t hd l es l z eb e f 、v e e n0t o2 2 0pmc a nr e a c ha b o v e1 1 0 4 k s 。d t m n gt h ef l y i n g山s t a n c eb e r u - e e n0t o2 0 0 , m n t h ec o o l i n gr a t e so fd r o p l e t sw i t ht h em e a ns i z eo f9 0umc a no b u i n3 3 1 0 5 k s 。a f t e rt h e i rd e p o s i t i o n t h ea v e r a g ec o o l i n gr a t eo ft h ed e p o s i r e dl a 、- e rc a nr e a c ha b o v e1 0 3 k s 1 。s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o o l i n gr a t ed u r i n gm l s di sa b o u t1 0 3 1 0 5 k s 1 w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a te i t h e ri nc o f l x e n t i o n a ls n r a 、，d e p o s i t i o na n do ri na t o m i z a t i o n t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h ea t o m i z e dp o w d e rn a r t i c i e sw i t hd i f f e r e n ts i z e v e l et e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r a i n sa b o u t10t o2 0“ma n dn e e d l e s h a p e dp h a s ew i t ht h es i z eb e t w e e n2t o5pma r ep r e s e n t e di nf l a ed 。w d e rp a r t i c l e sa b o v e2 2 0um b u ti nt h ed e p o s i t , t h eg r a i ns i z ei so n l yb e t w e e n2 0 0t o5 0 0 n mw i t hs p h e r i c a lp a r t i c l e sa 囊1 1 2 ( f e ，、飞s ia b o u t2 0t o6 0 h m ( 4 ) t h ei n f l u e n c e so fd e n s i f i c a t i o np l ：o c e s so l xt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h ea l l o y 5p i p e sh a v eb e e ni n v e s f g a t e d e x t r u d e da n ds p u np i p e sw i t hf i n ed e r f o r m a n c eh a v eb e e np r o d u c e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g ed i m e n s i o n se x t r u d e dp i p ew i t hm g hp e r f o r m a n c ec a nb em a n u f a c t u r e dw i t h i nt h ec a p a c i t yo ft h ea v a i l a b l ee x t r u d i n ga p p a r a t u sw i t ho p t i m u mp r o c e s s i n g t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa s ，e x t r u d e dp i p e sa r ea p p a r e n t l yh i g h e rt h a nt h a to fe x t r u d e db a rb ，yc o n v e n t i o n a ls p r a ? d e p o s i u o n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ee x t r u d e dp i p e sa r cl i s t c da sf o l l o w 7 i n g ：2 5 。c ，o ，：= 3 1 0 m p a ，ob = 3 9 1 n f p a ，6 = 1 1 4 ；3 5 0 。c ，0 2 = 1 7 8 m p a ，0b = 1 8 5 m p a ，6 = 1 2 5 。w h e nt h ee x t r u d e dp i p ei ss p u nw i t has m a l lr e d u c t i o na tt h ef i r s ta n ds e c o n dp a s sa tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n3 5 0 。ct o4 2 0 。c ，c r a c k sa n dp r o p e r t i e sl o s so ft h ep i p e sc a nb ea 、o i d e d c o m p a r e dw i t he x t r u d e dp i p e ，t h ey i e l ds t r e n g t ha n du l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea s s p u np i p ew i 出t h et o t a lr e d u c t i o no f8 3 a r el m p r o x e da b o u t2 5 。a n d1 0 0 自r e s p e c t i v e l ) a tr o o mt e m p e r a t u r e b u tt h e r ei sn oe v i d e n td i f f e r e n c ea t3 5 09 ct h ep r o p e r t i e so ft h ea s s p u np i p e sa r ef i s t e da sf o l l o w i n g ：2 5 。c ，o1 2 = 3 7 9 m p a ，0b = 4 4 0 m p a ，6 = 1 4 1 ；3 5 0 。c ，o 。2 ：1 7 8 m p a ，ob = 1 8 8 m p a ，6 = 1 2 ，8 。t h i se x t r u d e dp i p ew a sc u t ，f o r g e da n dr o l l e di n t op l a t e sw i t ht h et h i c k n e s so f1 5 n _ l i na tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n3 8 0 。ct o4 2 0 c t h ea s - p r o c e s s e dp l a t e ss h o x x 7h j g h c 。p r o p e r t i e st h a nt h a to fe x t r u d e dp i p e s s u c ha sc r o s s i s e ：2 5 c ，0 ：= 3 9 4 m p a ，ob = 4 3 5 m p a ，6 = 1 2 0 自；3 5 0 。c ，0 。2 = 1 8 2 m p a ，ob = 1 9 5 m p a ，6 = 6 3 9 0v e r t i c a l ：2 5 。c ，0 ：= 3 8 8 m p a ，ob = 4 3 4 m p a ，6 = 1 4 2 ；3 5 0 。c ，o 。2 = 1 8 1 m p a ，oh = 1 9 5 m p a ，6 = 1 3 8 t h ea b o v er e s u l t sh a x es h o w nt h a tl a r g ed i m e n s i o n sf 7 s 0 8 1 2a 1 0 3 p i p e su 1 c hl 迎hp e r f o r m a n c ec a nb ep r o d u c e db 、fm l s dc o m b i n i n g 谢c hf o l l o w i n ge x n u s i o na n ds p m n m gp r o c e s s e sk e yw o r d s ：r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，s p r a ) d e p o s i t i o n ，h e a r - r e s i s t a n ta l u m i n u ma i l o )主童查堂堡主兰垡堡苎1 1 引言第一章绪论第一章绪论随着科学技术的发展，现代社会对材料的要求也越来越高。一方面，航空、航天、船舶、汽车、建筑的工业领域要求材料有优异的性能，如高比强度、比刚度、弹性模量、耐腐蚀抗力等。另一方面，要求材料的制备工艺简单、价格低廉，并且合理利用能源，节约资料。因此高性能材料的新型制备工艺一直是材料界人士努力的方向。二十世纪五十年代出现的快速凝固技术p ) 及随后发展起来的快速凝固一粉末冶金技术( r s p m ) 开拓了一种制备高性能快冷合金材料的新型技术“。这种i t s p m 技术首先是通过快速凝固方法将金属或合金熔体急剧冷却，制备出尺寸较小的非晶、准晶或微晶粉末，然后通过粉末冶金工艺在保持粉末的亚稳结构下制备大块非晶、准晶粉末金属材料，在保持亚稳晶态下制备大块微晶粉末金属材料。这种以粉末冶金工艺为基础的净形或近净形材料制备新技术，既保持有快速凝固粉末固溶度高、偏析小甚至无偏析、组织结构细小均匀等特点，又有粉末冶金净形或近净形成形工艺过程中机加工量少，甚至无切削，原材料利用率高的优势。因而该技术白产生后即引起了材料科学和粉末冶金界的高度重视p 2 3 q 。然而这种技术在应用上也存在着明显的不足之处，如粉末制取的工序多、成本较高，粉末制取和存放过程中易氧化和脏化而影响材料使用性能。而且粉末冶金制品的形状和大小受到一定限制。因而使这种新技术的应用领域受到一定限制i s 。在探索快速凝固一步成形的过程中，二七世纪六十年代又发展起来一种新型的快速凝固和成型工艺，称之为喷射沉积工艺( 喷射成形工艺) 1 0 3 ，对铸造、粉末冶金等技术产生了深远的影响，成为当今材料界最引人注目的高新材料制备方法之一。1 2 喷射沉积技术及发展状况1 2 1 喷射沉积原理壹盔堂塑主堂垡堡奎竺! 羔垦! l喷射沉积的原理即，在惰性气体的保护下，熔融金属被破碎形成细小金属熔滴，熔体的破碎方式可以是高压气体雾化也可以是机械破碎，如离心雾化。雾化熔滴在飞行过程中通过对流等热传递方式与周围介质发生热交换而迅速冷却。在熔滴完全凝固之前，熔滴与收集器( 基体) 碰撞后沉积固结形成沉积坯。沉积坯可以从基体上剥离进行后续的冷热加工处理获得所需的喷射沉积产品胴。其中气体雾化的喷射沉积原理如图1 - 1 如示。在熔滴与基体的碰撞过程中，通过采用不同形状的基底，控制熔滴喷射流与基体间的相对运动方式可以获得诸如管、棒、板、带等多种形状的沉积坯，如图1 - 2 所示n8 1 。陶瓷颗粒雾化室1 2 2 喷射沉积工艺发展喷射沉积的概念和原理最早是由英国s w a n s e a 大学a s i 【辨r 教授1 9 6 8 年提出，1 9 7 0 年首次公开报道的【6 q 。喷射沉积技术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，如喷射轧制、喷射锻造、离心喷射沉积和喷射共沉积等。这些工艺的装置和特点分别如下：( 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，该技术综合了喷射沉积技术、单辊快速凝固技术和轧制技术，其工艺原理如图1 - 3 所示1 6 , 8 。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过雾化器产生的高速气流( 氮气) 与熔体流作用后，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2! 鱼盔堂苎主兰垡笙茎互! 二羔鲨一击时凝固，而后续的液滴继续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。该工艺中雾化熔滴的尺寸和速度变化范围宽，并且取决于工艺参数，其典型的颗粒直径为1 5 0 斗i t i ，速度约1 5 m 。s 。熔滴凝固时的冷却速度高达1 0 6 k s 。喷射轧制工艺可以实现连续生产，无需粉末处理工序，至今已生产出1 8 r a m 厚，5 0 0 r a m 宽的带材。这种工艺目前存在两个困难，其一是喷射沉积难于保证沉积层在带材宽度方向上具有均匀的厚度，以便后续轧制不引起明显的形状问题。在工业生产中，对大多数待加工材料，厚度偏差不允许超过2 。虽然d a v ym a k ee 儆计的装置采用了三个匹配的喷嘴和高喷射密度对各种铝合金作了一些尝试。对材料性能来说，该工作是成功的，但厚度精度仅为5 ，这对传统轧制来说是不够的。喷射轧制的另一个问题，是否可以用它来生产宽带材。s i n g e r 提出要制造宽度达5 0 0 r a m 的带材，应当使用一个大喷嘴进行分布式喷射，目前工业上设计出一种频率为2 0 赫兹气动扫描装置，喷雾时气动扫描装置与雾化喷嘴相联。喷射轧制适于采用低喷射密度接着在控制气氛中致密化来制造快速凝固产品。a l c a n 公司所做的一些工作表明，喷射轧制赳一f 4 8 ) f e 合金以达到快速凝固效果，可以得到优良的高温性能，但材料冲击性能较差。其原因可能是由于喷射室中坯的内氧化或空气中热轧前的氧化所致。c k nv 抽d “v e i l 开发了钢基铝合金带状轴承材料，用于制造汽车工业用的轴瓦，目前该厂已全部投入了商业生产，8 。1激冷单辊2 一氮气3 一保温室4 一雾化器5 一过滤器6 一沉积带材图l - 3 喷射轧制示意图l 感应炉熔化的钢水2 偏析废钢或钵块3 回炉废钢4 蔫包5 预成形坯6 琅戚形模7 氮气8 沮度控制炉9 锻压机l o 剪切机1 1 成品1 2 过疃粉1 3 飞边1 4 废锻件中南大学博士学位论文第一章绪论( 2 ) 喷射锻造1 9 7 4 年r , b r o o k s 等人成功地将s i n g c r 等人提出的喷射沉积原理应用到锻造毛坯的生产，发展了世界著名的o s p r e y 工艺”】，开发了适合于喷射沉积的一系列合金，并获得了两项专利“，其原理如图1 - 4 所示。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；而直接喷射到平面基底上时，预成形坯的形状取决于驱动机构的运动方式。模子通常是铜制水冷的，也可以用高温陶瓷材料。喷射堆积的预成形坯，其密度不低于理论密度的9 6 ，通常可达到9 9 的理论密度，因而预成形坯可利用余热等接着进一步锻造。喷射锻造材料比传统冲锻件更具备各向同性，并具有更高的机械性能。o s p r e y 公司已制备多种合金钢和高温合金锻件m8 ”“q 。离心喷射沉积是1 9 7 6 年s 通g c r 和k i s a k a z r e k 等人提出的h “，”，其装置的示意图如图1 - 5 所示旧。该工艺中，熔融金属被离心雾化，雾化液滴沉积在冷却衬底上，制备具有轴对称中心孔的产品。离心喷射沉积的主要优点为：除生产高机械性能的细晶材料外，它还具有生产大直径管或环的能力，这用别的方法难于生产。另外离心喷射沉积消耗的惰性气体很少，特别是对于易受气氛污染的钛合金材料的生产特别有利。该工艺首先是s i n g n 教授用于制备具有轴对称中心孔结构的铝合金，它具有很大的工业应用潜力，它可在严格气氛下生产细晶粒、无偏析产品。为此在h a m c e l l 原子能研究所进行了小规模试验，采用他们的离心喷射沉积装置制造了直径垂4 0 0 m m 的n i m o n i c8 0 a 管材。英国伯明翰大学的m t a c o b s 等人采用离心喷射沉积制备了垂4 0 陆蚰的t i - 4 8 a i - 2 m n - 2 n b 薄壁管。1 9 8 0 年英国a u r o r a 公司开发的完全工业模型的控制喷射沉积工艺( c s d ) 也是离心喷射沉积方式，它将金属离心雾化成o 5 。1 s t n m 的液滴，金属液滴沉积到冷衬底上时，冷却速度可达1 0 4 。1 0 6 k s 。随着堆积材料厚度的增加和温度的升高，凝固时冷却速度减小，但它仍比普主堕奎堂堡主堂堡笙奎j 暨二垦! ! 坠通锭坯凝固时的冷却速度高得多，热加工前的加热可消除在堆积物整个厚度中存在的显微组织差异。该工艺一次可以连续雾化2 吨工具钢，此外它还可连续生产其他高合金钢。其最终产品为各种棒材、锻件和轧制板材，产品偏析程度非常小，孔隙度接近于零”钆”。( 4 ) 喷= 赫蝴喷射共沉积是将喷射沉积原理与复合材料制备技术相结合的种新型喷射沉积工艺，最早是由s i n g e r 教授开始进行的研究旧。该工艺是指在喷射沉积过程中，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。在喷射共沉积过程中，增强相的加入方式主要有三种( 如图1 6 ) ：一种是颗粒直接从雾化气体管道中加入( a ) ，一种粒三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粤警嗥：粒幕心属熔滴雾化锥内1 1 6 1 q 。关于增强相颗粒的捕获，一般认为有三种模型：穿入模型( 喷射增强相粒子时，粒子直接穿进雾化液渤、强制吞没模型湓属熔滴和增强相颗粒到达沉积面时速度极高，高动能的质量能克服由凝固前沿对颗粒产生的排斥力，使颗粒插入或附着于凝固界面，大部分颗粒被凝固前沿捕获。) 和枝晶破碎或已凝固液滴阻塞模型( 由于枝晶碎块或已凝固液滴把颗粒阻塞在毛细管区，颗粒不能在排斥力、毛细管力和对流力的作用下自由移动，不会在晶界和枝晶区域偏聚) 。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，尤其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。基体合金主要有2 0 0 0 ，6 0 0 0 ，7 0 0 0 及a 1 - u 、a 1 - f e 、a 1 s i 等系列合金品种“硼。a l c a n铝业公司采用喷射共沉积工艺生产复合材料已形成商业规模。该公司已生产出最重达2 5 0 k g 的棒材、条带及大块成形复合材料，采用的增强颗粒有b 。c 、s i c 、鸽0 3 等f 1 。8 0 年代中后期喷射沉积技术已从纯实验研究走向商业化和应用，在美国、日本和欧洲已有三十多家企业和研究机构从事商业生产和开发研究。其中包括瑞典的s a n d v i k 公司，英国的c o s p r a y 公司c a l c a l l 分支机构) 、o s p r e ye! 堕查堂苎主兰堡堡茎二笠型旦! ! 旦_公司、r o l l s r o y c e 公司，德国的m a n n e s m a n d e m a g 和p e a l 【公司，法国的r e c h i n q公司及日本的住友重工，美国的h o w m e t 公司、g e ( 通用电气) 公司和荷兰、瑞士、芬兰的一些公司，以及美国麻省理工学院0 血1 ) 、d r e x e l 大学、美国海军，英国s w a n s e a 大学，s h e f f i e l d 大学等研究机构陟蚋。研究和生产产品的合金品种有不锈钢、高速钢、工具钢、高温合金、高强铝合金、铜合金、镁合金、金属间化合物及金属基颗粒或短纤维增强复合材料等阶”。其中主要厂家的生产装置及产品如表1 1 脚。1 羲聂- 了i i 习矛_ 1 甄函_ 件， 习_单件重班产量沉积室结构形式日期m mk ga l c a al n t 1 9 8 8 4m1 5 0 3 0 0 1 2 0 0注入颗粒增强剂德国匹亚克公司铝合金及其复合材料2 0 0 2 3 0 0f 司上p e a k1 9 9 0 5中1 5 0 3 0 0 1 0 0 0瑞士金属铜合金及其复合材料1 6 0 0 1 2 0 0 0立式、不锈钢、可u m s1 9 9 1 5m 1 5 0 3 0 0 2 5 0 0注入颗粒增强剂德国维音德工厂铜合金及其复合材料1 4 0 0 1 1 0 0 0同上w i e l a n d1 9 9 1 6中1 5 0 3 0 0 2 2 0 0美国海军钢及镍基合金管一3 5 0 0 卧式、水冷壁u s n a v y1 9 9 8中3 5 0 。8 1 0 3 5 0 01 5 0 0 0 2 0 0 0 06 = 4 0 9 0美国豪迈特高温合金h o w m e t1 9 9 0中2 0 0 4 0 0日本住友重工业社钢、高温合金s h i1 9 9 0西3 0 0 x 4 0 02 5 0 一2 5 0 一立式、真空熔炼卧式1 2 3 喷身于沉积理论研究发晨状况对喷射沉积的系统分析最早是k i m 和j o n e s1 9 8 1 年开始的【5 羽，他们研究了金属熔体的雾化熔滴在飞行过程中的运动和热能交换，考虑到气流运动并假设熔滴冷却符合牛顿冷却条件满滴内部不存在温度梯度) ，他们计算出了熔滴在飞行过程中的速度，温度等随飞行高度的变化。在随后的进一步研究过程中，m i t 、d r e x e l 大学、c a l i f o r n i a 大学、o x f o r d 大学等研究机构根据自己的喷射沉积设备，结合不同合金对喷射沉积机理进行了研究，并提出了相应的喷射沉积模型。( 1 ) o x f o r d 大学研究状况队瑚o x f o r d 大学b r b e w l a y 和b c a n t o r 等人用a 1 一c u 、s n p b 等低熔点合金，! 塑查兰堡主兰垡堡茎至二呈! 墅l对雾化沉积机理进行了研究。通过实验方法测出了雾化气体速度的空间分布、雾化熔滴的粒径分布、熔滴飞行速度及温度随飞行高度的变化等规律。在雾化气体速度的测量过程中，他们使用皮特管、激光多普勒风速风向测量仪等装置对无熔体状态下不同气体流率、不同高度环缝雾化器产生的气体流场进行了研究。研究结果表明气体流场中垂直于轴线的方向上，气体轴向速度服从高斯分布，轴向最大速度可达11 9 m s ，随着喷射高度的增加，气体的轴向速度减小。他们建立的气流模型可以对雾化锥中的气流速度进行精确计算，计算值与测量值非常吻合。在s n - 1 5 p b 和s n 一3 8 p b 的喷射沉积过程中，他们发现熔滴的粒径分布呈双蜂分布，而不是正态分布，并且随着气液比的增大，较小直径熔滴的峰值增加。在雾化锥中心线上，气体速度随嚷射高度的增加呈近似指数规律衰减。而熔滴的速度为3 3 2 m s ，在1 8 0 r a m 的喷射高度气体和熔滴平均速度相等。喷射高度越小，气体速度越高于熔滴速度，熔滴被气流加速，在1 8 0 3 6 0 r a m 的喷射高度，熔滴速度大于气体速度。离雾化锥轴线越远，熔滴速度越小。而通过能量守恒法对熔滴喷射流的平均温度测量后发现在0 1 8 0 r a m的喷射高度范围，随着喷射高度的增加，喷射流平均温度急剧下降；而在1 8 0 3 6 0 r a m 的喷射高度范围，随着喷射高度的增加，喷射流的温度变化不大。而在一定喷射高度下，气液流率比增加，喷射流平均温度降低。两种合金的沉积坯在沉积过程中的热流研究表明，沉积过程中在沉积面有一薄层液相金属存在，沉积坯厚度方向的最大温度差约为8 5 ，喷射高度增加 这种温度差降低。控制沉积坯显微结构的关键参数是喷射沉积过程中热量的输入速率和输出速率。热量输入速率由沉积率和喷射流沉积时的热量控制，而热输出速率与热传递系数有关。b e w h y 等建立的一维传热模型中考虑了热量沿厚度方向与基底的热传导，忽略了其它因素的影响。通过数值计算结果与实际测量结果的比较，沉积坯与基底间的热传递系数约为1 0 w m - 2 k t 。沉积坯显微结构研究表明，沉积坯密度在整个厚度方向是变化的，沉积坯中存在一个密度最大层，而在该区域晶粒的尺寸最大。随着喷射高度和雾化时气液流率比的增加，最大密度层与基底表面的距离增加，最大密度层是热流的输入和输出达到平衡的位置。喷射流中的围相和半固相颗粒的存在为沉积面液相提供了大量形核质点，从而形成微细等轴晶结构。b e w l a y 和c a n t o r 等人对喷射沉积参数的实际测量和定量描述，为深入研究喷射沉积过程提供了直接的手段。中南大学博士学位论文第一章绪论( 2 ) m i t 研究状况m 捌美国麻省理工学院0 皿1 ) 的n j g r a n t 等人对喷射沉积原理和应用进行了深入研究和探讨。他们对喷射沉积装置结构进行改善，严格控制工艺参数，采用超声气体雾化制备极细液滴，然后沉积在一个水冷载体上，形成了“液体动压成形技术( l d c ) ”。其特点是气体雾化压力大，熔滴尺寸细小、冷却速度快，可对雾化沉积过程中的气体压力、熔体温度以及沉积层的温度分布等进行测量和控制。实际上l d c 工艺与o s p r e y 工艺一样均属喷射沉积，只是前者更强调雾化熔滴的微细效果和沉积坯的冷却效果。n j g r a m 和j s z e k e l y 等人对喷射沉积过程的研究中，将该工艺过程分成熔体雾化和喷射流沉积两个阶段。因而喷射沉积模型也可以相应地分成两个部分：第一部分计算雾化熔滴在飞行过程中的热历史过程；第二部分根据一维传热模型计算沉积坯在沉积过程中的温度变化。雾化阶段模型中，忽略粒子内部温度梯度，飞行过程中熔滴温度变化可以表示为：d t ，pd v d c p 产= h m 一劭a d( 1 - 1 )式中p 。、v d 、t d 、a d 、分别为熔滴的密度、体积、温度和表面积，t 为气体温度，而c ，为熔滴比热，在不同凝固阶段c 。可表示为：jctdtnc p = 日，口r t ，) t ， t d 订r( 1 - 2 )f c fl u sh = ( “m ) 日，0 “ h ( 1 - 4 )【“m s“ o式( 14 ) 中d 。、n 。分别为液相和圃相中的热扩散率，h f 为熔化潜热，u 和分别为：。：旧c 曼。 ，t“= k s 叮一t s ) t 7 5 时，液相是非连续的，粗化所需的溶质转移必须通过固相扩散进行，而固相扩散率比液相时低约3 个数量级) ，此时粗化控制机制为溶质沿晶界液相薄膜的迁移。因此沉积坯的凝固时间t f 可以分为t 。和t 2两部分佴= q + 0 ，为圃相分数 7 5 时的凝固时间，t 2 为固相分