雾化沉积技术现状和应用.doc

目 录一、 国内外喷射沉积技术发展历程1 国外喷射沉积技术发展历程2 国内喷射沉积技术发展历程3 喷射沉积坯件形状模型研究现状4 喷射沉积技术的工业化发展现状二 雾化沉积技术工艺的产业化状况一、 国内外喷射沉积技术发展历程 1 国外喷射沉积技术发展历程 雾化沉积技术的概念最早由英国Swansea大学Singer教授于1968年提出，并于1972年获得专利。作为工程技术则是从1974年英国Osprey Metals公司取得专利权开始，该公司成功地将Singer提出喷射沉积成形应用于锻造毛坯的生产，发明了著名的Osprey工艺1。在此期间，Singer教授的学生Brooks等人对Osprey工艺作大量研究，设计制造了多种Osprey成套设备，并致力于成形工艺和扩大实用范围的研究，先后在Al-Cu、高合金铸铁、工具钢、高温合金中得到良好效果，取得多项专利，使雾化沉积技术技术获得了迅速发展。美国加州理工学院欧文分校的E. J. Lavernia教授对雾化沉积技术铝合金、镁合金、反应喷射沉积金属基复合材料、喷射沉积过程的基础（如雾化液滴沉积过程的临界条件） 和喷射沉积过程中等轴晶粒的形成机制等方面均进行了卓有成效的研究2。 雾化沉积技术技术经历了适用合金系统的实验研究（19751984年）、工艺优化和雾化沉积机理的研究（19841992年）、雾化技术规模的扩大与产业化（19921998年） 等自身发展和重大改进的历程。近年来，雾化沉积技术技术已成为材料科学与工程界的研究和产业化发展的热点之一。自2000年开始，每3年举行一次喷射沉积及熔体雾化国际会议，第三届会议于2006年在德国不来梅大学召开，2009年9月在美国巴尔的摩召开第4届喷射沉积及熔体雾化国际会议暨第七届雾化沉积技术国际会议。国际上正在进行研究和开发的科研机构和企业主要有：美国的美国海军武器中心（NSWC）、麻省理工学院（MIT）、DREXEL大学、加州理工学院和ALCOA铝业公司等，英国的牛津大学、剑桥大学、伯明翰大学、OSPREY 公司和FORGED ROLL公司等，德国PEAK公司和BREMEN大学，瑞典SANDVIK钢厂以及日本住友重工等。国外喷射沉积技术的应用开发主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。目前，已经能生产直径 450mm 和长度 2500mm 的棒材，其收得率可高达 70%85%，所生产的管坯直径为 1501800mm、长度为 8000mm，其收得率为 80%90%。而成形的合金材料主要有铝硅合金、铝锂合金、2000 及 7000 系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。 2 国内喷射沉积技术发展历程 目前喷射沉积技术的研究在国内已经普遍开展起来，主要的研究单位有：中国科学院金属研究所、北京有色金属研究院、北京航空材料研究院、北京科技大学、中南大学、哈尔滨工业大学、上海钢铁研究所、宝钢集团、湖南大学和西北工业大学等。经过二十几年的发展，国内各科研单位在对喷射沉积工艺过程的原理研究及利用喷射沉积技术制备材料以及试验研究方面已达到一定的水平，研究的内容主要是围绕着雾化机理、沉积机理、材料配方、成形建模等方面。 我国有关雾化沉积技术技术的最早报道可以追溯到1987年3。在第六届国际快冷金属会议上，中科院金属所张永昌宣读了有关Al-Si-Cu合金的雾化沉积技术研究，随后该所于19872000年先后研究了Al-Li合金板材、Al-Si棒材及高硅钢片的雾化沉积技术等，1999年建成了国内目前最大的雾化沉积技术设备（雾化室体积3.2 m1 m2 m），熔炼炉一次可熔炼200 kg以上，成形可达管材400 mm1 000 mm，板材500 mm1 000 mm30 mm，棒材200 mm1 000 mm。北京有色研究院石力开教授等在雾化沉积技术技术制备铝合金方面进行了大量的研制和开发，该院在“九五”期间建成了大型的雾化沉积技术设备，可在该设备上制造最大尺寸 （150250）mm（5001 000）mm的圆锭，300 mm30 mm500 mm的管坯等，主要研究Al-Si合金汽车缸内衬套和7000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雾化沉积技术设备，主要开展了7000和2000系高强铝合金、高强耐温铝合金以及Al-Si系耐磨低膨胀合金等材料的雾化沉积技术。北京科技大学张济山教授等在引进英国Singer教授的专利和喷嘴的基础上建成一台小型设备，开展Al-Pb和原位反应雾化沉积技术的研究。宝钢章靖国教授等研究用雾化沉积技术技术制造超高碳钢和工、模具钢。中南大学陈振华、黄培云发明了多层雾化沉积技术技术专利，改变传统喷射沉积工艺中雾化锥/基底的单向直线运动模式，利用往复沉积强化冷却效果，解决制备厚坯件时组织易恶化为铸态组织的问题。中国兵器科学研究院（兵器52所） 对高镁铝合金及镁合金方面进行了较为系统的研究。2004年以来，沈阳工业大学李荣德等对雾化沉积技术中柱状近终形沉积坯几何特征检测及智能控制、高性能锌基材料雾化沉积技术制备的关键技术开展了研究4。上海交通大学的张豪等人在对工艺控制模型、雾化器结构和成套设备深入研究的基础上，开发出控制往复雾化沉积技术技术和装置，于2003年申请了控制往复雾化沉积技术工艺的发明专利，并于2004年首次在我国发起成立华通雾化沉积技术有限公司，专业从事雾化沉积技术产业化5。获得有益效果是：沉积坯凝固速率高（大于104 K/s），组织精细（平均晶粒度0.920m），同时，致密度高（大于96%）、层界面缺陷少，适宜制备大规格的沉积坯（管坯、锭坯、板坯等），材料收得率大幅度提高（大于85%）。 我国的喷射沉积技术研究始于 20 世纪 80 年代中后期。目前喷射沉积技术的研究在国内已经普遍开展起来，主要的研究单位有：中国科学院金属研究所、北京有色金属研究院、北京航空材料研究院、北京科技大学、中南大学、哈尔滨工业大学、上海钢铁研究所、宝钢集团、湖南大学和西北工业大学等。经过近十几年的发展，国内各科研单位在对喷射沉积工艺过程的原理研究及利用喷射沉积技术制备材料以及试验研究方面已达到一定的水平，研究的内容主要是围绕着雾化机理、沉积机理、材料配方、成形建模等方面6。 我国喷射沉积技术经过近 20 年的发展已经取得了显著的进步，但与国外相比还存在一定的差距，主要表现在：(1) 对喷射沉积工艺过程的控制技术研究目前还停留在十分原始的阶段。目前国内大多数研究单位还未解决基本形状的沉积坯件(棒坯、板坯、管坯)的成形控制问题，对提高沉积坯件的致密度、收得率的研究也开展的较少，这种状况严重制约了喷射沉积技术在国内走向实用化的速度。 (2) 一些关键的硬件技术，如适合于喷射沉积工艺过程使用的雾化器结构、合金液体导出系统结构的研究刚刚取得突破，还未来得及推广，更谈不上成套设备的开发；而国内各生产、研究单位的财力限制以及国外公司的技术壁垒使得全套喷射沉积设备引进又十分困难，这种状况从设备硬件方面制约了喷射沉积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，而国内目前的市场环境与工业发达国家相比仍存在一定区别，这种状况从市场方面制约了喷射沉积技术在国内实用化发展的速度。 (4) 资金投入较少且分散，使得国内任何一家研究单位要想在喷射沉积成形技术研究及产业化应用方面取得全面突破十分困难，这种状况从资金上制约了国内喷射沉积技术的实用化发展速度。 上述这些差距所造成的后果直接表现在国内喷射沉积技术产业的发展严重滞后。到目前为止，国内尚未形成一条完善的、可进行大批量生产的喷射沉积专业技术产品生产线，也没有形成一种可大量创造经济效益的喷射沉积专业技术产品。国内要想在喷射沉积技术领域赶上工业发达国家的发展水平，需要采取有效手段弥补，至少是缩小上述的差距。 3 喷射沉积坯件形状模型研究现状 喷射沉积的4个重要阶段可用4个对应的理论模型来描述，分别为:雾化模型、喷射模型、形状模型、凝固模型。本文主要研究管坯喷射沉积形状模型，因此下面针对喷射沉积坯件形状模型进行综述。 根据喷嘴运动方式，雾化沉积技术工艺可以采用喷嘴做扫描运动和静止两种类型。大多数的板坯及部分棒坯、管坯都采用扫描喷嘴。还可以根据喷嘴的多少和形式分为单雾化喷嘴、双雾化喷嘴、多雾化喷嘴7。不同的雾化喷嘴与沉积器组合运动得到的沉积坯可以为锭坯、管坯、板坯、环形坯业大学李荣德等对雾化沉积技术中柱状近终形沉积坯几何特征检测及智能控制、高性能锌基材料雾化沉积技术制备的关键技术开展了研究。上海交通大学的张豪等人在对工艺控制模型、雾化器结构和成套设备深入研究的基础上，开发出控制往复雾化沉积技术技术和装置，于2003年申请了控制往复雾化沉积技术工艺的发明专利，并于2004年首次在我国发起成立华通雾化沉积技术有限公司，专业从事雾化沉积技术产业化8。获得有益效果是：沉积坯凝固速率高（大于104 K/s），组织精细（平均晶粒度0.920 m），同时，致密度高（大于96%）、层界面缺陷少，适宜制备大规格的沉积坯（管坯、锭坯、板坯等），材料收得率大幅度提高（大于85%）。 4 喷射沉积技术的工业化发展现状 射成形技术的产业化最重要的条件是该技术必须在控制坯料形状、尺寸公差、减少组织疏松、改善表面质量和提高合金收得率等方面的经济技术指标达到一定的水平，而且使其在效费比上与其他制备技术相比具有足够的竞争能力。同时还必须针对应用对象选择适当的产品形式和合金系统，以充分发挥雾化沉积技术独特的技术优势，开发用其他工艺方法无法生产的产品。对雾化沉积技术工艺过程机理的研究已十分深入，对雾化沉积技术工艺过程的控制技术发展已基本完善，沉积坯收得率明显提高，雾化沉积技术材料呈多品种发展趋势，且开发出一些传统工艺不能或难于制备的新型材料，雾化沉积技术设备的总体设计及制造已基本定型，关键技术也已趋于稳定。 目前喷射沉积技术的研究在国内已经普遍开展起来，主要的研究单位有：中国科学院金属研究所、北京有色金属研究院、北京航空材料研究院、北京科技大学、中南大学、哈尔滨工业大学、上海钢铁研究所、宝钢集团、湖南大学和西北工业大学等。经过近十几年的发展，国内各科研单位在对喷射沉积工艺过程的原理研究及利用喷射沉积技术制备材料以及试验研究方面已达到一定的水平，研究的内容主要是围绕着雾化机理、沉积机理、材料配方、成形建模等方面9。 我国喷射沉积技术经过近 20 年的发展已经取得了显著的进步，但与国外相比还存在一定的差距，主要表现在： (1) 对喷射沉积工艺过程的控制技术研究目前还停留在十分原始的阶段。目前国内大多数研究单位还未解决基本形状的沉积坯件(棒坯、板坯、管坯)的成形控制问题，对提高沉积坯件的致密度、收得率的研究也开展的较少，这种状况严重制约了喷射沉积技术在国内走向实用化的速度。 (2) 一些关键的硬件技术，如适合于喷射沉积工艺过程使用的雾化器结构、合金液体导出系统结构的研究刚刚取得突破，还未来得及推广，更谈不上成套设备的开发；而国内各生产、研究单位的财力限制以及国外公司的技术壁垒使得全套喷射沉积设备引进又十分困难，这种状况从设备硬件方面制约了喷射沉积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，而国内目前的市场环境与工业发达国家相比仍存在一定区别，这种状况从市场方面制约了喷射沉积技术在国内实用化发展的速度。 (4) 资金投入较少且分散，使得国内任何一家研究单位要想在喷射沉积成形技术研究及产业化应用方面取得全面突破十分困难，这种状况从资金上制约了国内喷射沉积技术的实用化发展速度。 上述这些差距所造成的后果直接表现在国内喷射沉积技术产业的发展严重滞后。到目前为止，国内尚未形成一条完善的、可进行大批量生产的喷射沉积专业技术产品生产线，也没有形成一种可大量创造经济效益的喷射沉积专业技术产品。国内要想在喷射沉积技术领域赶上工业发达国家的发展水平，需要采取有效手段弥补，至少是缩小上述的差距。二 雾化沉积技术工艺的产业化状况 雾化沉积技术工艺主要分为两大流派：Osprey 工艺和 LDC 技术。1974 年，Singer 教授的学生R.Brooks 将该原理成功应用于生产锻造坯，发展了蜚声于世的 Osprey 工艺，并且经过深入研究，设计制造了 Osprey 成套设备及专利，已有超过 40 家企业申请获得 Osprey 使用许可证，将该项技术推向全球。与 Osprey 工艺技术相比，LDC 技术更关注材料的冷却速度，由此带来的问题便是沉积坯件中的显微疏松明显增加，所以产品必须经过后续的冷热加工才能使用，这项缺点在一定程度上阻碍了 LDC 技术的推广应用及其产业化进程。 雾化沉积技术工艺以其特有的优势引起了国内外很多研究机构的关注，主要集中在美国、欧洲及亚洲地区，并取得了快速的发展与广泛的应用。特别是 20 世纪 80 年代以来，许多国家投入大量人力和物力进行金属喷射产品的开发与生产，取得了较好的效果。利用 Osprey 工艺可以制备大规格的产品，如瑞典的 Sandvick Steel 公司获得了内径 100400mm、长 8000mm、壁厚40mm 的不锈钢管；西德的 Mannesmann Demark 公司制备出长 4000mm、宽 1200mm、厚 10mm的板坯；英国的 Osprey Metals 公司生产出 150mm1000mm 的锭坯以及 250mm 的盘坯；加拿大的 Alcan International 公司制造出 150mm1000mmAl-SiC 锭坯；日本的住友重工主要生产大型冷轧辊；同时美国的 Howmet 公司、GE 公司、Cabot 公司也相继建立了该工艺的生产设备。 我国的雾化沉积技术产业化才刚刚起步。上海交通大学的张豪等人进行了整个工艺过程的工艺建模及其智能控制技术，开发出了成套集成设备，初步实现了雾化沉积技术技术的产业化；北京有色 金 属 研 究 总 院 的 石 力 开 、 熊 柏 青 等 主 持 研 发 了 喷 射 成 形 设 备 ， 并 制 备 出(150mm250mm)(500mm1000mm)的锭坯和 300mm30mm500mm 的管坯；哈尔滨工业大学的李庆春、崔成松等人主要开展了 7000 系和 2000 系的优质铝合金材料研究；北京科技大学的张济山教授进行了 Al-Pb 和原位反应雾化沉积技术的研究；中南工业大学的黄培云教授发明了改善材料沉积过程中冷却问题的多层雾化沉积技术技术；中国兵器科学研究院进行了比较系统的镁（铝）合金材料的研究。关于圆柱坯的形状特征检测及控制、锌基材料雾化沉积技术制备的关键技术，哈尔滨工业大学的曲迎东等人和沈阳工业大学的李荣德等人对此展开了一系列的研究。 国内对于雾化沉积技术的研究正逐步发展起来，形成了产学研合作的局面。江苏豪然雾化沉积技术合金有限公司是国内较早进行雾化沉积技术产业化的单位，主要从事 7000 系铝合金、Al-Si 电子封装材料的开发，并制定了雾化沉积技术产品企业技术标准。但相比国外的工业化进程仍存在一定差距：目前国内仍处于简单形状的坯件制备，如管、板、圆锭；专业从事雾化沉积技术工艺研究与开发的机构很少，除江苏豪然雾化沉积技术公司以外，开发出集成开发设备的公司很少；资金的投入不足，在一定程度上制约了其发展及产业化；目前国内还没有形成此方面的特色市场环境。参 考 文 献1 Yue Wu， William A。 Cassada and Enrique J。Lavernia。 Microstructure and mechanical properties of spray-deposited Al-17Si-4。5Cu-0。6Mg wrough alloy。 Metallurgical and Materials Transactions A，1995，26(5):1235-1247 2 C。Cui， A。Schulz， K。Schimanski， H。W。Zoch。 Spray forming of hypereutectic Al-Si alloys。 Journal of Materials Processing Technology，2009，209:5220-5228 3 袁晓光 胡建刚，于海鹏 ，许沂 。 AlSi17Fe3挤压合金的组织和性能。铸造，2002，(3):157 4 谢壮德，沈军，董寅生 ，周彼德 ，李庆春 。 快速凝固铝硅合金材料及其在汽车中的应用。 材料科学与工程，1999，(17):101-104 5 C。Liu， N。He， H。Li。 Semi-Solid Characteristics and Thixoforming of Hypereutectic Al-Si Alloy。 Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2000，10(3):309-313 6 赵作福，齐锦刚，王建中。 过共晶铝-硅合金处理技术的研究进展。 轻合金加工技术，2010，38(6):6-10 7 L。A。Bereta， C。F。Ferrarini， C。S。Kiminami， W。J。F。Botta and C。Bolfarini。Microstructure and mechanical properties of apray deposited and extruded/heat treated hypoeutectic Al-Si alloy。 Materials Science and Engineering A，2007，449-451:850-853 8 杨伏良，甘卫平 ，陈招科。高硅铝合金几种常见制备方法及其细化机理。材料导报，2005，19(5):42-45 9 葛良琦，颜银标，蒋良，杨军。高硅铝合金中初晶硅形态控制研究进展，材料导报，2007，21(3):70-72 一、简述雾化过程工艺参数及其作用规律？1、金属液温度，合金种类；导液管直径，雾化压力；雾化器结构，气体种类等。这些因素主要雾滴尺寸；工艺参数还有喷射距离，主要影响雾滴密度分布、温度变化、速度变化。二、简述沉积过程工艺参数及其作用规律？工艺参数：沉积器结构、沉积器运动方式、沉积器运动速度；主要影响形状的控制及粘附效率沉积坯尺寸、沉积器温度及材料、环境状态；主要影响沉积坯温度及沉积组织三、雾化沉积材料的孔隙形成机理？ 其种类和成因可以分为以下三种机制： 填隙式孔隙：主要由液相不足以充填颗粒之间的间隙所致 卷吸式孔隙：此类孔隙源自雾化时高速气体对金属液流的破碎过程。一小部分气体可被裹挟或卷吸而被捕获并残留在固态层中是其形成的根本原因 凝固收缩孔隙：有两种来源，一为沉积过程中产生，二为熔滴飞行中发生凝固时产生收缩并因固相在沉积时未被有效重熔而保留下来 危害：微观孔隙的存在是喷射成形工艺的一种本征缺陷，对材料机械性能特别是塑性和韧性有很大影响。通过优化工艺参数可以减少这一影响，热等静压、挤压与锻造等方法是致密化的重要手段。研究表明，适宜的热加工工艺可以将预制锭的致密度提高到接近理论密度的水平。六、雾化沉积过程组织演变规律？答：喷射成形(spray forming)，又称喷射铸造(spray casting)或喷射沉积(spray deposition) 。A.Singer教授于1968年提出概念，喷射轧制是其初宗。雾化沉积过程主要有雾滴的冷却与凝固、沉积铺展行为、沉积坯锭的冷却与凝固、致密化工艺及其组织演变。雾滴的冷却与凝固：与大多数金属凝固一样，雾滴的冷却与凝固也经过形核长大。雾化粉末的结晶核心可能源自如下途径：（1）合金液与坩埚和导液管之间发生机械冲刷和化学反应而出现夹杂，以此为核心生核与生长。（2）雾化气体中所含的少量氧元素与熔滴表面易反应元素发生氧化反应