（材料加工工程专业论文）喷射成形高锰za35合金的组织与力学性能研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文针对z a 3 5 合金，采用喷射沉积和挤压相结合的方法制各合金，并添加适量的 合金元素m n 。然后根据正交试验的原理，设计热处理正交表b ( 3 4 ) ，运用直接分析法得 出一种较好的热处理工艺，即3 8 5 x s h + 1 2 0 x 7 h 。按照此热处理工艺进行热处理后， 测试了合金的力学性能和显微组织。此外，还研究了其摩擦磨损性能。 研究表明，喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金的力学性能比金属型铸造z a 3 5 3 5 m n 合金有 很大的提高。室温时喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 的抗拉强度为4 8 4 2 m p a ，比金属型的高4 1 4 ； 1 5 0 时，喷射沉积的为2 3 6 8 1 “p a ，比金属型高5 3 3 。1 8 0 时，喷射沉积的为2 0 8 9 m p a ， 比金属型高6 3 6 。室温下两种工艺的伸长率相差较小，前者1 2 5 ，后者2 8 5 ；在1 5 0 时，喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金的伸长率高达2 3 5 ，是金属型的1 4 9 倍。在1 8 0 时， 喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 的伸长率是2 9 4 1 ，是金属型的1 5 5 倍。 对合金金相组织的分析表明，喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金的组成相有a - a 1 、t 1 z n 和 m 9 3 2 ( a 1 z n ) 4 9 ，说明m n 完全溶于基体之中。再经热处理后，c u 、m n 析出时形成了 a 1 1 l c u s m n 3 、c u m n z n 和m 9 3 2 ( a i z n ) 4 9 等复杂成分的耐热相，这些弥散分布的第二相对 基体有强化作用，对提高锌铝合金的高温力学性能起到了一定的作用。 在转速相同的情况下，喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金的摩擦系数比金属型铸造的低 1 6 6 9 ，磨损量低5 4 9 1 ；在载荷相同的情况下，喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金的摩擦系 数比金属型铸造的低1 7 3 7 ，磨损量低5 0 2 4 。富m n 相属于硬质相而作为硬的承载 相，可以承受较高的载荷，使得喷射沉积z a 3 5 3 5 m n 合金具有较好的摩擦磨损性能。 关键词：喷射成形，z 3 5 合金，组织，力学性能，摩擦磨损性能 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 s t u d y o nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h i g hm a n g a n e s e z a 3 5a l l o yb ys p r a yf o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , z a 3 5 - 3 5 m na l l o yw a sa d o p t e da sr e s e a r c ho b j e c tb ya d d i n gm ne l e m e n t , f o r m e db ys p r a yd e p o s i t i o na n de x t r u d i n g a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fo r t h o g o n a lt e s t , t h e o r t h o g o n a lc h a r ti “3 4 ) o fh e a tt r e a t m e n tw i l qd e s i g n e d ab e t t e rh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sc o u l d b eo b t a i n e dw i t ha p p l y i n gd i r e c ta n a l y s i s t h a ti s3 8 5 5 h + 1 2 0 7 h a c c o r d i n gt oi t , h a v i n gh e a tt r e a t m e n to nm e t a lm o u l da n ds p r a y - d e p o s i t i o na l l o y s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r ew e r et e s t e d i na d d i t i o n ，t h ew e a ra n df r i c t i o np r o p e r t i e sw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h i se x p e r i m e n tt h a tz a 3 5 - 3 5 m na l l o yf o r m e db ys p r a y d e p o s i t i o nh a sam o r es i g n i f i c a n tm a g n i f i c a t i o nt h a nb ym e t a lm o u l d t h es t r e n g t ho f z a 3 5 - 3 5 m na l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o ni s4 8 4 2 m p a , w h i c hi s4 1 钙台h i g h e rt h a nt h a tb y m e t a l l i cm o u l da tr o o mt e m p e r a t u r e ；a t1 5 0 t h es t r e n g t ho fz a 3 5 3 5 m aa l l o yb ys p r a y d e p o s i t i o ni s2 3 6 8 m p a , w h i c hi s5 3 3 h i g h e rt h a nt h a tb ym e t a l l i cm o u l d ；a t18 0 c , t h e s t r e n g t hz a 3 5 3 5 m na l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o ni s2 0 8 9 m p a , w h i c hi s6 3 6 h i g h e rt h a nt h a t b ym e t a l l i cm o u l d t h ed i f f e r e n c ee l o n g a t i o no fz a 3 5 - 3 5 m na l l o yb e t w e e nb ys p r a y d e p o s i t i o na n dm e t a l l i cm o u l di sn o tv e r yo b v i o u s w h i c hi s2 8 5 a n d1 2 5 a t1 5 0 , t h e e l o n g a t i o no fz a 3 5 3 5 m na l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o ni s2 3 5 。w h i c hi s 1 5 9 m o r et h a nt h a tb y m e t a l l i cm o d e l ；a t1 8 0 ( 2 , t h ee l o n g a t i o no fz a 3 5 - 3 5 m na l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o ni s2 9 4 1 ， w h i c hi s1 5 5m o r et h a nt h a tb ym e t a l l i cm o u l d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so nt h em i c r o s t r u c t u r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s e c o m p o s i t i o n so fz a 3 5 3 5 m na l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o na r e 小a l 、v i - z na n dm 9 3 2 ( a i z n ) 4 9 , w h i c hc a ni l l u s t r a t em ns o l u t ei nt h em a t r i xs u f f i c i e n t l y a f t e rh e a tt r e a t m e n t ，a i l i c u s m n 3 、 c u m n z na n dm 9 3 2 ( a i z n ) 4 9a r ep r e c i p i t a t e da sc o m p l e xr e s i s th e a tp h a s e t h e s ep h a s e sw h i c h d i s t r i b u t ei nt h em a t r i xd i s p e r s e l yc a nm a k et h em a t r i xs t r e n g t h e n e da n dt h e ya l s oh a v ea e f f e c to ni m p r o v i n gt h ee l e v a t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f z n - a ia l l o y t oc o m p a r e dw i t ha l l o yb ym e t a lm o u l d t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fz a 3 5 3 5 m na l l o y i i 沈阳工业大学硕士学位论文 b ys p r a yd e p o s i t i o nr e d u c e st o1 6 6 9 a n dt h ew e a re x t e n tr e d u c e st o5 4 1 9 a tt h es a m c r o t a t i o ns p e e d w h c n a p p l y i n gl o a di st h es a m e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tz a 3 5 - 3 5 m na l l o yb y s p r a yd e p o s i t i o nr e d u c e st o1 7 3 7 a n dt h ew e a re x t e n tr e d u c e st o5 0 2 4 r i c hm np h a s ea s h a r dp h a s ec a nb e a rh e a v i e rl o a d , w h i c hm a k ez a 3 5 - 3 5 m n a l l o yb ys p r a yd e p o s i t i o nh a v i n g b e t t e rw e a ra n df r i c t i o np r o p e r t i e s k e yw o r d s ：s p r a yf o m i n g , z a 3 5a l l o y , m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a r a n df r i c t i o np r o p e r t i e s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业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 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 ，1 引言 众所周知，锌铝合金因具有良好的室温力学性能和耐磨减摩性能而被广泛用作大负 荷条件下的滑动轴承材料。但是，锌铝合金的高温强度差也是不可忽略的，这必然会影 响其使用性能、限制其应用范围。而锌的熔点低是造成锌铝合金高温性能差的根源，虽 然大幅度提高含铝量可以提高锌基合金的液相线温度，但在常规铸造条件下，总要产生 宏观偏析形成的低熔点共晶区【。挤压铸造锌基复合材料尽管凝固速度比常规铸造方法 有所提高，但也不可能彻底消除低熔点共晶区的存在。综上所述，寻求一种能彻底消除 低熔点共晶区的新的成型方法，是大幅度提高锌铝合金高温力学性能的前提。在这样的 前提下，采用新的合金化思想克服锌或锌铝合金本身的先天不足，才有可能有突破性进 展。 近年来，快速凝固技术的发展和应用，使材料的力学性能发生了突破性改变。目前， 具有实用化前景的喷射沉积快速凝固技术已日趋成熟。这为大幅度提高锌铝合金的高温 强度提供了一种崭新的技术手段【2 】。针对上述情况，本文采用喷射沉积快速凝固技术和” 合金化相结合的思想，以期改善锌铝合金的高温力学性能，拓宽其应用范围。 1 2 锌铝合金的发展概况及研究现状 1 2 1 锌铝合金的发展概况 锌铝合金从最初的发现到现在的应用，可以说是经历了一个相当漫长的过程。锌远 在公元前5 0 0 年就为人们所知，人们在c a r n e r o s 遗址中发现了古人用锌制作的手镯。我 国明代( 天工开物) 一书中曾记载，把z n 称为“楼铅”，日本至今仍延用此名称把锌 称为“亚铅川3 j 。大约1 6 世纪，金属锌传入欧洲。第一次世界大战期间，由于锌电解工 艺解决了许多关键的技术问题，生产高纯度的锌己成为可能，为今天z n - a i 合金的发展 打下了良好的基础。据记载锌的加工和应用最早起源于印度，作为锡和铅的代用品用于 制造印刷铅字，为这种用途而开发的最早的一种锌基合金是含6 s n 、5 c u 和0 5 a l l 4 j 。但由于早期的锌合金易于产生晶间腐蚀和过早失效，在潮湿环境下易开裂等现象， 使得人们没有给予充分的重视。 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 随着科学技术及锌冶炼技术的进步，锌合金的耐蚀性得到改善。因此在上世纪3 0 年代左右，出现了z a m a k 2 ( 成分为z n - 4 a 1 3 c u - 0 i m g ) 、z a m a k 3 ( 成分为z n - 4 a 1 0 1 m g ) 、 z a m a k 4 、z a m a k 5 和z a m a k 6 锌铝压铸合金。在二次世界大战期间，由于德国铜资源紧 缺，所以急需要寻找一种可代替材料。随即研制出了高铝锌基合金名为a l z e n 的z a 3 5 合金，而这种合金熔点低、机械性能好，因而成了代替铜制造轴承材料，取得了教好的 结果，使得锌铝合金在压铸工业中也得到了广泛的应用【5 - 6 1 。 1 9 5 9 年国际铅锌研究组织i l z r o ( i n t e r n a t i o n a ll e a dz i n cr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ) 发起 了一项旨在开发新型的、先进的压铸锌铝合金的研究计划，并研制开发了i l z r o 1 6 和 i l z r o 1 2 铸造锌铝合金。i l z r o 1 2 ( 后经改进发展成z a l 2 合金，化学成分为 z n - 1 2 a i 0 7 5 c u 0 0 1 5 m g ) 铸造锌合金的蠕变性能与z a m a k 3 和z a r n a k 5 相当，但其铸 造性能和力学性能更好。上世纪7 0 年代后期加拿大n o r a n d a 研究中心通过进一步研究 又开发了性能更优的z a 8 和综合力学性能最佳的z a 2 7 合金，从而使锌铝合金发展成为 一个系列【7 - 9 1 。此后，在世界范围内，人们开始研究，开发锌铝合金，一些国家还将锌 铝合金列入国家标准【加1 。 1 2 2 锌铝合金的研究现状 目前，国内外对于锌铝合金主要集中于其组织和性能的研究，其中主要包括常温力 学性能( 抗拉强度、硬度、伸长率、冲击韧性等) 、高温力学性能、摩擦磨损特性、耐 蚀性、阻尼性能等等。而对于改善组织和提高性能的研究多是添加合金元素或是改变成 形方法。 ( 1 ) 常温力学性能 周吲1 等研究了m n 对z a 2 7 合金组织与性能的影响，结果表明：元素m n 在组织 中主要以大量富m n 独立硬化相分布于晶界或晶界附近，少数贯穿晶粒。m n 能细化晶 粒，减小二次技晶间距，增加了共析相。合金的耐磨性、高温力学性能有大幅度提高。 综合性能分析得出z a 2 7 合金中m n 的合适加入量为0 5 0 0 7 5 。 李安铭i i 2 】等研究了硅、锰对z n a l 2 2 c u m g 合金力学性能的影响，研究表明：硅、锰 两元素合理搭配，可保证合金具有较高的抗压强度。两元素综合作用提高合金的硬度。 随硅锰元素的增加，合金1 0 0 。c 硬度升高，热强性增加，锰的影响更为显著。 2 沈阳 业大学硕士学位论文 魏晓伟l ”1 等研究了锰对铸态z a 2 7 合金压缩蠕变的影响，结果表明：在所有试验的 温度为2 0 到1 6 0 ( 2 和压应力为5 0 m p a 到1 3 7 5 m p a 的范围内，z a 2 7 - m n 合金的压蠕 变抗力高于z a 2 7 合金。 郭伟【1 4 1 等研究了微量元素l a ，s b ，t i 和m n 对z a 2 7 合金力学性能的影响。四种 元素单独加入适量时，均不同程度细化z a2 7 合金显微组织，l a 加入量在小于0 1 时， 提高z a 2 7 合金的抗拉强度；s b 也显著提高合金的抗拉强度；t i 变质作用明显，加入后 抗拉强度和延伸率均有提高；m n 在加入量较高时( 1 哆的，合金性能较好。 田卫平【1 5 1 等研究了稀土对锌铝合金z a 2 7 性能的改善，研究结果表明：在锌铝合金 z a 2 7 中添加适量稀士，可改变原来锌铝合金的组织结构，使粗大晶粒细化。同时网状 结构消失，第二相在晶粒内部析出，呈细小、均匀分布的弥散相，从而提高了合金力学 性能，改善了合金耐磨、耐蚀性。 ( 2 ) 高温力学性能 锌铝合金的主要用途之一就是作为耐磨材料，但作为耐磨材料的缺点之一是允许的 工作温度不高。主要是由于锌的熔点低、合金的共晶温度低，此外，a i - z n 系a 相的固 溶度随温度升高变化较大、组织欠稳定，也限制了其耐磨性的提高。随着锌铝基合金的 推广使用，人们对高温性能的要求已愈来愈高f 1 6 1 。 许多院校和科研单位都对锌铝合金的高温性能作了研究。舒震【1 7 1 等对如何提高锌铝 合金的高温性能作了研究，表明：提高含铝量、调整含铜量并加入适量的硅、锰，可显 著提高高铝锌合金的高温硬度和耐磨性；所研究出的z n - a 1 4 3 型高铝锌合金的耐磨性显 著高于高强度锌合金z a 2 7 及加工铝青铜q a l l 0 3 1 5 挤压棒材。 赵沛廉【培】等研究了稀土对z a 2 7 合金高温性能的影响，结果表明：锌铝合金中，稀 土元素可与a 1 、z n 、c u 等形成多种复杂成分化合物，其硬度高，热硬性好，分散于晶 界或枝晶间，细化了组织，且有效地阻碍了高温时基体的变形和晶界移动。添加适量的 稀土，可使z a 2 7 合金在1 5 0 时的抗拉强度提高3 0 ，硬度提高2 5 ，伸长率虽有所 下降，但冲击韧性却得以改善。 苏德煌1 1 卿研究了铁对z a 2 7 合金高温拉伸性能的影响，实验中铁的加入量为0 1 1 o ，温度分别为2 0 c 和1 5 0 ，结果表明：添加微量的铁后，抑制了z a 2 7 合金的a 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 相枝晶发展，并使晶界相细化且分布不连续，提高了合会的高温强度，随着铁的加入， 锌铝合金在1 5 0 的抗拉强度提高到1 9 1 m p a 。 赵沛廉2 0 】等研究了锰对z a 2 7 合金高温性能的影响，结果表明：加入适量的锰，在 室温、1 5 0 和1 8 0 下抗拉强度均有所提高，尤其在高温时提高的幅度更为明显，室温 时比z a 2 7 约提高6 5 ，1 5 0 和1 8 0 时分别提高4 5 和4 0 。综合考虑常温和高温 时的强度和塑性，将锰的加入量控制在0 6 0 9 为宜。 苏德煌【2 1 研究了锂对z a 2 7 合金高温力学性能的影响，结果表明：在z a 2 7 中加入 适量的锂后。在所有试验温度下的抗拉强度均有所提高，高温时提高的幅度较为显著， 室温时比z a 合金提高3 1 ，1 5 0 和1 8 0 时分别提高4 1 1 和4 2 3 。综合考虑常 温和高温时合金的强度和塑性，锂的加入量为0 0 4 0 0 8 时强化效果较好。在添加 适量的锂后，合金的组织明显细化，晶界相变为细碎且分布不连续，提高了合金的高温 强度。 ( 3 ) 磨擦磨损性能研究 铝锌基合金的最重要的用途之一是代替铜合金作为耐磨减摩材料，因此需要研究其 摩擦磨损性能。还有其强度高，耐磨性好，同时具有较好的自润滑性，可以作为轴承合 金材料使用。 有关磨损特性研究已经有较多的报道，在干态或有润滑的工况下，用4 5 号钢等非 同类材质作为摩擦副进行摩擦磨损特性研究 2 2 2 5 。结果发现：z a 合金在油润滑条件下 具有极好的耐磨性能，在干摩擦工况下易发生粘着，不宜用于同材质干摩擦工况。高铝 锌基合金适用于重载低速的情况下，使用时应注意必要的跑合和保证油润滑。 高升吉2 6 】等人研究了z n 2 5 a 1 x c u 合金的力学性能和在油润滑条件下的耐磨 性。研究发现，在z n - 2 5 a 1 0 6 2 c u 合金的枝晶间未见到e ( c u z n 4 ) 相，随着c u 含量升 高，合金中的相增多，其耐磨性逐渐升高。 施忠良【2 7 i 等人对z a 2 7 合金的摩擦特性作了研究。结果表明：z a 2 7 合金在润滑时 具有极好的耐磨性，而在于摩擦时极易产生粘着破坏，故不宜用于干摩擦工况。合金元 素c u 、m g 或c e 改善了z a 2 7 合金组织，从而提高了它的耐磨性。 张玉平，商全义【2 8 l 等人将锌铝合金与工业上常用的铜合金的摩擦磨损性能进行了比 乓 沈阳矗 业大学硕士学位论文 较，结果表明：在载荷较小转速较高的条件下，锌铝合金的减摩性和耐磨性， 青铜；在载荷较大转速较低的条件下，锌铝合金具有更优良的摩擦磨损性能， 数远低于锡青铜，摩擦量也小。 相当于锡 其摩擦系 许晓磊 2 9 1 等研究了到铝锌基合金组织及摩擦磨损特性，研究表明：随着含铝量的增 加，枝晶量提高，锌铝合金的硬度得到提高，耐磨性能提高，而摩擦因数减少，表现 出良好的自润滑性和抗粘着磨损能力。 ( 4 ) 耐腐蚀性研究 z a 合金的耐蚀性与一般锌合金压铸件及铝合金相似，室温条件下，铝和氧的化学 亲和力很大，在金属表面会形成一层致密的灰色薄膜，可以防止铸件表面进一步氧化， 它不会影响合金的力学性能。在室外大气中使用时，铸件表面往往会形成一层与前者类 似的由氧化物与碳酸物构成的薄膜，此薄膜同样可保护铸件免受进一步腐蚀。一般认为， z a 合金可在中性或弱碱性环境下工作，不适于酸性介质环境下工作 3 0 i 。 刘或 3 1 - 3 3 l 等人通过实验研究了z a 2 7 合金的耐腐蚀性能，表明：z a 2 7 中加入适量 c u 、m g 和r e ( c c ) 并进行合适的热处理，能明显改善合金的耐腐蚀性能。并指出，7 _ _ a 2 7 合金的腐蚀主要是电化学腐蚀过程，是晶间腐蚀和其它部位富z n 区选择相腐蚀共同作 用的结果。 潘应君【 l 等对z n - a i 合金在长江水中的耐蚀性作了研究。研究表明；不论在长江水 还是在自来水中，z n - 1 5 a i 合金作为牺牲阳极保护钢铁材料比z n 和a 1 有更大的优势； 该合金既有较低的电极电位，又具有较低的平均腐蚀率，因此对钢铁具有较好的防腐蚀 作用。 ( 5 ) 其他性能研究 除以上主要性能以外，锌铝合金的尺寸稳定性、阻尼性能、抗蠕变性能等也引起了 人们的关注，进行了许多研究。 实际工件特别是运动部件使用时由于温度波动和应力等的作用，相当长时间后引发 四相反应，造成尺寸变化从而失效是可能的。所以，探索消除尺寸不稳定的措施是必要 的。在噪声和振动控制领域，由于高阻尼合金不仅具有吸收振动的高阻尼性能，还具有 一般金属良好力学性能的特性，因此高阻尼合金的应用越来越受到人们的重视1 3 5 - 3 耵。 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 1 2 3 锌铝合金的特点及应用 锌铝合金的共同特点是：具有良好的力学性能、耐磨减摩性能、独特的性能( 如碰 撞时不产生火花、无磁性等) 、熔点低、耗能少、成本低廉、成型方便，不仅适用于压 力铸造，还适用于砂型，金属型，石墨型等多种铸造方法，可代替铜合金甚至铝合金。 基于锌铝合金具有上述特点，所以可应用于以下几个方面： ( 1 ) 锌铝合金大量使用在热镀锌铝板，5 5 a 1 z n ( 商品名为g a l v a l u n e ) ，z n - 5 a 1 - r e ( 商品名为o a l f a n ) 两种镀层钢板在许多国家推广应用。锌铝合金熔点低、流动 性能好，近年来铸造锌铝合金的应用逐渐趋于成熟，在航空、汽车工业获得了广泛应用 【4 】。 ( 2 ) 此外锌铝合金在我国机械、造船、冶金、玩具等行业也得到了广泛的应用。 用z a 2 7 合金代替铜合金制造轴瓦、轴套、蜗轮、滑块等耐磨机件，产生了良好的经济 效益和社会效益。接近共晶的z n - a 1 4 合金，其铸造性能良好，收缩率低，切削加工性 也较好，在压铸业中得到了较大发展和广泛应用。化学成分接近于z n - a 1 c u 三元合金 的共晶点的锌铝合金，具有加工周期短、工艺简单、成本低、能重熔再生等优点，几乎 使用于各类模具制造中。z n 2 2 a 1 共析合金的超塑性好，在一定条件下延伸率特别高， 因而可以一次成型形状复杂、尺寸精确的零件和模腔，可用于制造各种形状的模锻件、 挤压件和模具。 ( 3 ) 锌铝合金系中有一类高强度合金，包括z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 系列。他们具有 良好的力学性能和耐磨性。这类合金随铝含量增加，合金收缩率增大，密度降低，耐磨 性提高，延伸率、冲击值、抗蠕变性及硬度增大。常用重力铸造法生产铸件，广泛用于 制作轴衬、各种管接头、滑轮以及各类受冲击和耐磨损铸件。由于强度高、铸造性好、 导热性好、耐磨性好、经济效益好，已成为部分铝合金、铜合金及铁铸件的良好替代品。 ( 4 ) 锌铝合金是非磁性材料，本身具有高的阻尼性能，且不受磁场影响，可用于 电子器件及仪器仪表的减振降噪。锌铝合金密度较小，力学性能好，具有良好的耐磨减 磨特性，碰撞时不产生火花，可望用于大多数结构阻尼场合，如减振轴承、石油储运减 振器【3 9 - 4 0 1 。 1 3 喷射沉积技术及发展概况和研究现状 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 1 喷射沉积技术的原理 喷射沉积( s p r a yd e p o s i t i o n ) ，又称喷射成形( s p r a yf o 眦i n o ，喷射铸造( s p r a yc a s t i n g ) ， 在商业上则通称为奥斯普瑞工艺o s p r e yp m c e s s ) ，是2 0 世纪6 0 年代产生并经过几十年 的发展而逐渐成熟的一种快速凝固技术。在2 l 世纪冶金三大前沿技术熔融还原、 近终形加工和半固态加工技术中，喷射沉积技术作为一种半固态近终形加工技术，倍受 国内外广大研究者的青睐d 2 1 。喷射沉积的原理如图1 1 所示1 4 3 】。 图i 1 喷射沉积的原理示意图m f i g 1 1d i a g r a mo f s p r a yd e p o s i t i o np 3 】 熔融金属经导流管流出，被雾化喷嘴出口的高速惰性气流破碎，雾化为细小弥散的 熔滴射流；雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速，并与气流进行强烈的热交换；到 达沉积表面以前，小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较大尺寸的仍然为液态， 而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒；这些大大小小凝固程度不同的 熔滴高速撞击沉积表面，并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合形成一个薄的半液态层 后顺序凝固结晶，逐步沉积生长成为一个大块致密的金属实体沉积坯。通过合理设 计接收基体形状并控制其运动方式，可从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征的圆 锭、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯件。 1 3 2 喷射沉积技术的特点 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 喷射成形技术的特点可以归纳如下1 4 4 1 ： ( 1 ) 以获得高致密的材料和坯件。按多种合金喷射成形沉积坯不同部位的密度试 验，一般为理论密度的9 5 - 9 9 ，在工艺适当条件下，沉积坯整体密度可达9 8 5 9 9 5 或更高。约有l 的显微疏松主要集中在沉积坯底部，以及接近外缘和坯项部近表 面。通过随后坯件的热等静压或锻压等热加工可以完全弥合，或者利用切削加工去除； ( 2 ) 含氧量低。由于雾化熔滴处于液态的时间极短，且有惰性气氛的保护。因此， 沉积坯增氧量是很有限的，基本上与母合金同一水平，一般高温合金约在1 5 m p a 左右。 大大低于同一成分的粉末合金材料( 0 2 m 1 5 0 m p a ) ： ( 3 ) 坯料成分均匀，组织细化喷射成形由于雾化的高冷速，使沉积坯组织具有快 速凝固的组织特征。消除了坯件中合金成分的宏观偏析，没有一般铸锭中严重存在的枝 晶偏析和粗大的一次相和共晶，抑制了显微偏析及偏析相的产生。晶粒为均匀细小的等 轴晶，多种高温合金沉积坯的平均晶粒直径在2 0 4 0 t t m 之间； ( 4 ) 合金性能改善。快速凝固的组织优势，使不同材料的强度、韧性、热强性、 耐蚀性、耐磨性、磁性等都有大幅度的提高。而且，这些性能还可通过随后的热加工和 热处理进一步调整，可满足不同的使用要求。此外，材料的热加工工艺塑性明显改善， 使一些高强度难变形材料，包括原来只能铸造生产的合金均可热加工成形。 总之，对于喷射成形技术所具有的上述优势的充分利用，以及对其作用机制的研究 与阐发，不仅蕴含巨大的技术经济效益，而且具有重要的科学意义。 1 3 3 喷射沉积技术的发展概况 喷射成形的概念，最早由英国斯旺西( s w a n s e a ) 大学冶金及材料工程系a r e s i n g e r 教授于1 9 6 8 年提出，1 9 7 2 年取得专利，并有系统的研究工作。作为一种工艺技术，英 国奥士普瑞金属公司( o s p r e ym e t a l s ) 1 9 7 4 年取得专利，并致力于基本成形工艺和扩大实 用范围的研究，先后在a l c u 、高合金铸铁、工具钢、高温合金中都取得良好效果。 组成了专业的设备制造厂家，提供各种类型，包括工业规模的生产设备和专利制造技术。 与此同时，加强了对喷射成形科学原理的基础研究。自1 9 8 4 年以来，历次国际粉末冶 金学术会议，都有喷射成形专门的分组会，论文数目不断增加m 】。 到目前为止，欧洲、北美、远东、日本至少有4 0 个以上o s p r e y 专利许可单位和至 8 沈阳工业大学硕士学位论文 少1 5 个或更多的非专利许可单位从事喷射成形技术的研究开发。喷射成形技术近年来 得到了较快的发展，其原因是喷射成形工艺与传统铸造和粉末冶金工艺相比具有很多优 点。首先喷射成形技术属于快速凝固范畴，从而消除了宏观偏析并细化了组织，提高了 材料的性能，尤其是高合金化材料的热加工性能得到了改善；其次喷射成形是在惰性保 护气氛中由熔融金属直接转变为半成品的过程，降低了氧化污染程度，简化了生产工序， 使生产成本比粉末冶金降低了4 0 以上 4 5 1 ；再次喷射成形技术具有近终形成形的灵活柔 性制造特点，适用于许多合金，可制备出管材、棒材、线材、板材、环等形状的合金。 由于上述优点使喷射成形技术逐渐向常规铸锻冶金、粉末冶金、电渣重熔等传统技术市 场渗透，其研究和生产规模逐步扩大阁。 在s i n g e r 提出喷射成形概念之后，英国o s p r e y 公司将这一设想用来制备棒坯和管。 坯，其生产专利卖给了l o 多家公司，目前使用喷射成形技术可以制备不同形状的金属 材料，如圆棒、管、圆环和包套材料( 如包套轧辊) 等，这些材料正广泛用于汽车、电 子、航天和普通的工程部件上，表1 1 给出了国外喷射成形技术的设备和产品状况【4 ”。 在我国有关喷射成形技术的最早报道可以追溯到1 9 8 7 年。在第六届国际快冷金属 会议上( 1 9 8 7 年8 月) ，中国科学院金属研究所张永昌等宣读了有关a 1 s i c u 合金的 喷射成形研究，随后中国科学院金属研究所承担国家8 6 3 高技术项目，1 9 8 7 2 0 0 0 年先 后研究了a 1 l i 合金板材的喷射成形，a 1 s i 棒材喷射成形，以及高硅( 4 5 s i ) 钢片 的喷射成形等，1 9 9 9 年建成了国内目前最大的喷射成形设备( 雾化室体积 3 2 m x i m x 2 m ) ，熔炼炉一次可熔炼2 0 0 k g 以上，成形的管材可达m 4 0 0 m m x l 0 0 0 m m 以 上，板材5 0 0 m i n x l 0 0 0 m m x 3 0 m m ，棒材 2 0 0 m m x l o o o m m 。北京有色研究院石力开教 授等在喷射成形技术制备铝合金方面进行了大量的研制和开发，由于该院在“九五”期 间建成了大型的喷射成形设备，可在该设备上制造最大尺寸m ( 1 5 0 2 5 0 ) r a m ( 5 0 0 1 0 0 0 ) m n l 的圆锭m 3 0 0 m m x 3 0 m m x 5 0 0 m m 的管坯等，其主要的研究项目为a 1 s i 合金 汽车缸内衬套和7 0 0 0 系超高强度铝合金。哈尔滨工业大学李庆春教授等于同期建成了 喷射成形设备，主要开展了7 0 0 0 和2 0 0 0 系高强铝合金、高强耐温铝合金以及a 1 s i 系 耐磨低膨胀合金等材料的喷射成形。北京科技大学张济山教授等在引进英国s i n g e r 教授 的专利和喷嘴的基础上建成一台小型设备，开展了削p b 和原位反应喷射成形的研究。 9 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 宝钢章靖国教授等研究了用喷射成形技术制造高铬钢一钢复合轧辊 4 7 1 。 表1 1 国外喷射成形设备及其产品状况 t a b 1 1f o r e i g ns p r a y f o r m i n g e q u i p m e n t sa n d p r o d u c t s 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 4 喷射沉积技术的研究现状 目前国内已有十多家单位在从事喷射成形研究工作，金属研究所、哈尔滨工业大学 等。研究的范围包括：铝合金、铜合金、高温合金、高速钢、贵金属、金属间化合物、 层状金属基复合材料等喷射成形工艺、设备和材料组织性能等内容，具体如下： 崔成松【柏1 等采用先进的离心雾化喷射成形技术研制具有良好耐磨性能的锌基合金 环形件，研究在这种新工艺条件下锌基合金的成形性和组织特征。研究结果表明，喷射 沉积环形件的形状比较规整，厚度比较均匀，沉积态材料组织细小、均匀。 杨留栓1 4 9 1 等报道了喷雾沉积高硅z a 2 7 合金的组织和高温性能。合金成分为标准 z a 2 7 中添加4 s i 和o 3 f e 。喷雾沉积组织由孔洞( 2 4 ) 富硅相( 3 0 4 0 ) $ f l 基体构 成，富硅相呈球状弥散均匀分布。时效之前，喷雾沉积与常规铸造高硅z a 2 7 合金的显 微硬度和高温( 1 5 0 ) 硬度没有明显差别，长期时效之后，喷雾沉积合金的上述性能明显 高于常规铸造合金。喷雾沉积与合金化相结合是改善z a 2 7 合金高温性能的有效途径。 刘永长【如】等对喷雾沉积高硅z a 2 7 合金的阻尼性能作了研究，试验中硅的加入量为 6 0 w t ，结果表明，与常规铸造条件相比，喷雾沉积和合金化使材料的阻尼性能提高 2 8 倍；从微观组织形态和喷雾沉积工艺过程的特殊性两方面分析了材料阻尼性能改善 的原因，指出合金中大量层片状共析体的形成是阻尼性能提高的关键，并提出了该材料 的微观动力学模型。 米国发【5 1 1 等对喷射沉积高温合金的显微组织及其力学性能进行了研究，结果表明： 喷射成形高温合金坯件整体致密，含氧量低，成分均匀，热变形性改善；热等静压处理 可以消除沉积坯中的显微疏松，使合金达到完全致密：喷射成形高温合金的力学性能较 铸造状态的有较大提高，可以通过热变形和随后的热处理使其组织和性能在比较大的范 围内进行调整以满足不同的使用要求。 韦强 5 2 1 等对喷射成形a i - z n m g c u 系高强铝合金的组织与性能作了研究，表明：用 喷射成形技术制备的a 1 - z n - m g c u 系高强铝合金经热挤压和t 7 l 热处理后极限抗拉强度 可达到7 5 4m p a ，屈服强度超过7 2 2m p a ，断裂延伸率可达到8 ，与利用传统铸造冶金 技术生产的同类材料性能相比有了显著的提高。 张永安 5 3 1 等采用喷射成形技术制备了a 1 - z n m g c u 系高强高韧铝合金，结果表明： 喷射成形高锰z a 3 5 合金的组织与力学性能研究 当喷射成形工艺参数合理时，沉积坯件具有良好的成形性与致密度，在随后的热挤压过 程中，通过较低的挤压比即可使材料达到全致密：沉积坯件热挤压温度的降低有利于使 材料获得更高的力学性能；同时，通过对合金热处理的优化，可以获得加工和使用性能 更加优良的a 1 z n m g c u 系高强高韧铝合金材料。 张永安【吲等采用喷射成形技术制备了高性能过共晶a 1 s i 系高强耐磨铝合金、a 1 z n 系超高强铝合金和a i - f e - v s i 系耐热铝合金。对材料的组织和性能进行了初步研究。结 果表明；喷射成形铝合金具有晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析的快速凝固显微组织特 征，具有优良的加工性能和力学性能。 张忠明f 舒1 等利用喷雾沉积快速凝固技术制备了z a 2 7 合金，探讨了该工艺对z a 2 7 合金组织和阻尼性能的影响，并与铸态的同类合金作了对比。结果表明：无论是喷雾沉 积态还是铸态，随着频率的减小或温度的升高，z a 2 7 合金的阻尼值增大，且在试验范 围内阻尼性能不随应变振幅变化。室温下，喷雾沉积态z a 2 7 合金的阻尼性能高出铸态 合金的约1 倍。 l a v e m i a 等【5 6 】对喷射成形2 0 2 4 铝合金的力学性能研究。结果表明：合金中的杂质 元素以细小均匀的a 1 3 f e 、a i “m n 、a 1 7 c r 和a 1 s i f e 等金属间化合物相的形式弥散分 布于c t ( a 1 ) 基体中。这些析出相本身具有较高的强度，在材料变形过程中通过阻碍位错 的运动而增加材料的变形抗力，从而提高材料强度，同时喷射成形组织由于晶粒细小从 而改善了材料的热加工性能。 t i a a 掣5 7 1 对某牌号的高温合金进行研究发现在墩锻率大于6 0 时也未出现开裂现 象。张国庆等【5 3 1 对喷射成形g h 7 4 2 合金的力学性能研究表明，与常嫂铸锭锻造工艺相 比，喷射成形可显著提高g h 7 4 2 高温合金的强度和塑性并保持了其良好的持久性能。 1 3 5 喷射沉积技术的发展展望 在世界范围内，已有几十条o s p r e y 生产线1 5 8 1 ，其产品涉及管、环、板材、棒材等 形状。综观世界各国的研究发展隋况，未来热点研究课题与发展方向将是： ( 1 ) 雾化过程的精确控制：影响雾化颗粒位置不均匀的因素很多，如何采取措施， 对雾化过程进行有效的控制是当务之急； ( 2 ) 扩大工艺的适应性和产品的多样性：金属喷射成形不仅适应多种合金，如低 沈r j 业大学硕士学位论文 碳钢、铝合金和高温合金等，而且给新型材料如超高碳钢，金属间化合物和复合材料的 研制提供了新的技术手段；另外，通过特定的雾化器和雾化参数，可以生产各种复杂形 状的近终型产品； ( 3 ) 产品进一步致密性：金属喷射成形工艺获得的产品为近终型产品，如管和坯 料( 如柱、板) 等，由于所得产品保证不了1 0 0 致密，因此对于近终型产品需要一个致密 化处理。而要想得到形状比较复杂的零件，就必须将大块坯料进行成形加工，所有这些 处理都要求材料具有一定的塑性或者流动性，因此需要在较高温度下进行，目前采用最 多的致密化方式是热挤压或等温锻造。 1 4 本课题研究目的和意义 由于锌的熔点很低、合金的共晶温度低、凝固区间大，导致了锌铝合