多层喷射沉积技术

1、 目 录一、研究的背景二、喷射沉积技术原理及研究意义三、目前国际上喷射沉积技术存在的问题四、坩埚移动式喷射沉积技术发明要点五、坩埚移动式喷射沉积技术及设备六、本技术的优点七、大尺寸复合材料坯件的后续加工八、技术的实施效果九、与当前国内外同类技术主要参数比较 一、研究的背景 大尺寸微晶合金锭坯是生产高性能结构材料和部件的基础原材料。如：p 大规格工业型材所需要的直径大于500mm锭坯；p 航天、航空、交通、武器装备领域所发展急需大尺寸高性能材料和部件：直径大于400mm管材、直径大于1200mm的环件等；强度高于700MPa的高强铝合金、可以在350C下使用高强耐热铝合金、强度高于700MPa及

2、模量100GPa的铝基复合材料等。p传统的铸造冶金技术难于制备这类大尺寸合金锭坯，特别是高合金元素含量的锭坯。主要问题是锭坯的冷速偏低，容易产生成分偏析、组织粗大且组织均匀性较差，热应力大而容易开裂，加工性能不够理想。 p采用粉末冶金技术难以制备大尺寸的坯件，主要是成型模具和设备吨位的限制。p传统喷射沉积技术虽具备氧化程度小、力学性能优越等特点、但制备大尺寸坯件时容易恶化成铸态组织。传统工艺的局限性二、喷射沉积技术原理及研究意义 1.原理 熔融金属或合金在惰性熔融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射气氛中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体流，直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、聚结、

3、凝固上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物，这种沉积物而形成沉积物，这种沉积物可以立即进行锻造、挤压或可以立即进行锻造、挤压或轧制加工，也是近形产品。轧制加工，也是近形产品。喷射沉积原理图2.喷射沉积技术研究的意义p克服了铸造冶金产品中成分偏析严重、力学性能低的缺点；也克服了粉末冶金技术难于制备大件的困难及因粉末氧化、脏化严重、而导致的产品塑性较低的缺点。同时也保留了这两类技术的主要优点。 p喷射沉积技术不仅可以大幅度提高传统结构材料的综合性能，还可以开发新材料。三、目前国际上喷射沉积技术存在的问题传统喷射沉积技术难于制备大直径的圆柱锭坯、厚壁管传统喷射沉积技术难于制备大直径的圆柱锭坯、厚壁管坯

4、、厚板坯。坯、厚板坯。传统喷射沉积圆柱锭坯制备原理图a 制备锭坯时存在的问题：制备锭坯时存在的问题： 采用扫描式喷嘴时，由于采用扫描式喷嘴时，由于摆动角度的限制，锭坯的直径摆动角度的限制，锭坯的直径不能太大；扫描锭坯极易产生不能太大；扫描锭坯极易产生铸造组织，锭坯的直径不能超铸造组织，锭坯的直径不能超过过400mm400mm。 由于管坯是由雾化液由于管坯是由雾化液滴一次沉积而成的，管坯滴一次沉积而成的，管坯的壁厚不能太大的壁厚不能太大( (一般壁一般壁厚小于厚小于50mm50mm) )，否则容易，否则容易生铸造化组织。生铸造化组织。传统喷射沉积管坯的制备原理图b. 传统喷射沉积制备管坯时存在的

5、问题：传统喷射沉积制备管坯时存在的问题：传统喷射沉积板坯的制备原理图 由于板坯是由雾化液滴由于板坯是由雾化液滴一次沉积而成的，因此板一次沉积而成的，因此板坯不能太厚坯不能太厚( (一般壁厚小于一般壁厚小于50mm50mm) )，否则容易形成铸，否则容易形成铸造态组织。造态组织。c. 传统喷射沉积制备板坯时存在的问题传统喷射沉积制备板坯时存在的问题：问题2: 沉积坯的冷速偏低，容易产生铸造化组织沉积坯的冷速偏低，容易产生铸造化组织。 传统的喷射沉积技术采用传统的喷射沉积技术采用高高密度沉积密度沉积工艺，在沉积坯表层上工艺，在沉积坯表层上沉积物完全凝固之前，后一批沉沉积物完全凝固之前，后一批沉积物

6、已经到达该处，沉积坯表面积物已经到达该处，沉积坯表面存在一层存在一层。同时，由于坩埚。同时，由于坩埚不动，沉积定在一个地方，热量不动，沉积定在一个地方，热量集中。容易产生集中。容易产生铸造组织铸造组织，甚至，甚至产生成分宏观偏析、晶粒组织粗产生成分宏观偏析、晶粒组织粗化等缺陷。化等缺陷。喷射沉积凝固原理图问题问题3 3: : 沉积坯的热应力大，易开裂。 由于沉积坯件温度梯度大；容易在沉积坯由于沉积坯件温度梯度大；容易在沉积坯内产生很内产生很高的热应力高的热应力，甚至造成坯件开裂。，甚至造成坯件开裂。四、坩埚移动式喷射沉积技术发明要点 要制备大尺寸的快速凝固材料坯，必须解决以要制备大尺寸的快速凝

7、固材料坯，必须解决以下几个问题：下几个问题：p解决大尺寸坯件的成型问题；解决大尺寸坯件的成型问题；p将沉积坯的冷速提高到将沉积坯的冷速提高到10104 4K/sK/s以上水平；以上水平；p解决高冷速条件下沉积层之间的粘结强度问题；解决高冷速条件下沉积层之间的粘结强度问题；p解决热应力问题。解决热应力问题。4.1 解决问题的办法 解决大尺寸坯件成型的思路 采用移动坩埚式的雾化系统，进行多层扫描沉积。 解决沉积坯冷速问题的思路 借鉴快速凝固思想，将合金熔体雾化后在低温沉积基体表面进行往复扫描沉积(单层、螺旋线运动)。 解决沉积层之间粘结问题的思路 降低喷射高度和严格控制沉积层表面温度，保证雾化颗粒

8、在沉积前能够保持有较高的液相量，获得良好铺展和粘结效果.4.2 本技术的特点 本发明技术采用的喷射高度(一般在80250 mm)比传统工艺的(400mm左右)低，金属液滴在沉积前保有较高的液相量，这样尽管沉积层表面温度较低，沉积层的冷速很高，也可以获得较好的粘结效果。p沉积坯是由沉积层无限叠加而成的，每一扫描薄层的厚度仅几十微米。p根据实测实验，在喷射沉积过程中沉积坯的表面温度一般在300350C之间。p沉积坯的散热方式：气体对流散热、辐射散热、较冷沉积层表面热传导散热。p沉积坯的冷速可以达到104K/s，并且沉积层的冷速不受沉积坯尺寸限制。p本技术制备大尺寸合金及及复合材料坯件时，坯件的尺寸

9、越大，则沉积表面积越大(即散热面积也越大)，坩埚系统的扫描距离与周期越长，因而沉积坯表面散热时间越长，这样沉积坯表面温度就越低，因而可以获得高的冷速。p由于沉积坯为逐层沉积，坯件里外温度梯度小，由此坯件的热应力很低。 管坯 板坯 圆柱锭坯 环件沉积坯沉积坯不是由不是由沉积层沉积层简单叠简单叠加形成加形成的，而的，而是一种是一种扭合式扭合式的沉积的沉积组织。组织。喷射共沉积喷射共沉积7075Al/SiCp复合材料中复合材料中SiC颗粒的分布特征颗粒的分布特征 采用双环缝雾化采用双环缝雾化器可以将陶瓷颗粒器可以将陶瓷颗粒与雾化颗粒均匀地与雾化颗粒均匀地混合在一起，因此混合在一起，因此沉积坯的组织均

10、匀沉积坯的组织均匀性高。陶瓷颗粒的性高。陶瓷颗粒的分布均匀，无团聚分布均匀，无团聚现象。现象。五、 坩埚移动式喷射沉积技术及设备5.1 提出了同步移动坩埚和沉积基体，进行逐层扫描沉积的提出了同步移动坩埚和沉积基体，进行逐层扫描沉积的喷射沉积思想，发明了新型的移动坩埚自动化控制喷射沉喷射沉积思想，发明了新型的移动坩埚自动化控制喷射沉积技术及一系列设备，解决了传统喷射沉积技术难以制备积技术及一系列设备，解决了传统喷射沉积技术难以制备大尺寸快速凝固坯件的技术难题。大尺寸快速凝固坯件的技术难题。p 管坯的长度管坯的长度由坩埚系统的行程决定；由坩埚系统的行程决定；管坯的壁厚管坯的壁厚由雾化颗粒由雾化颗粒

11、逐层扫描沉积而成，单层厚度仅数十微米。从原理上讲，沉逐层扫描沉积而成，单层厚度仅数十微米。从原理上讲，沉积坯的壁厚可以无限大，积坯的壁厚可以无限大，管坯的长度和直径管坯的长度和直径可以自由控制可以自由控制。 坩埚移动式喷射沉积管坯机原理图坩埚移动式喷射沉积管坯机原理图坩埚水平扫描移动坩埚水平扫描移动基体旋转下降运动基体旋转下降运动p 锭坯的直径由基体盘直径和坩埚系统的移动距离决定，锭坯由雾化颗粒逐层沉积而成，高度由基体下降距离确定。 坩埚移动式喷射沉积圆柱锭坯机原理图坩埚移动式喷射沉积圆柱锭坯机原理图坩埚水平扫描移动坩埚水平扫描移动基体旋转下降运动基体旋转下降运动p 沉积基体与坩锅系统做相互垂

12、直方向的复合运动，沉积坯由雾化颗粒逐层扫描沉积而成。板坯的宽度由坩埚系统的行程而定，宽度由沉积基体的行程而定。 坩埚移动式喷射沉积板坯机原理图坩埚移动式喷射沉积板坯机原理图 p 环形沉积坯的宽度由坩埚系统的行程决定，环件的直径由环形沉积坯的宽度由坩埚系统的行程决定，环件的直径由沉积基体直径决定，可以根据需要选择。环件由雾化颗粒沉积基体直径决定，可以根据需要选择。环件由雾化颗粒的厚度逐层扫描沉积而成，可以很厚。的厚度逐层扫描沉积而成，可以很厚。 坩埚移动式喷射沉积环坯机原理图坩埚移动式喷射沉积环坯机原理图设备实物照片管坯生产设备锭坯生产设备环坯生产设备板坯生产设备 坩埚移动式喷射共沉积设备螺杆机

13、构送料便于精螺杆机构送料便于精确控制送料速率。确控制送料速率。 开放式的储料筒便于连续加粉，易于开放式的储料筒便于连续加粉，易于连续生产。连续生产。负压发生器可以将陶瓷粉末充分流态负压发生器可以将陶瓷粉末充分流态化，形成均匀的粉尘。化，形成均匀的粉尘。发明的双环缝复合雾化器，解发明的双环缝复合雾化器，解决了雾化液滴对陶瓷粉末颗粒决了雾化液滴对陶瓷粉末颗粒的充分捕获问题。的充分捕获问题。陶瓷粉末螺杆给料负压吸动引流输送装置、双环缝复合雾化器原理图陶瓷粉末螺杆给料负压吸动引流输送装置、双环缝复合雾化器原理图 p发明的双环缝复合雾化器，解决了雾化液滴对陶瓷粉末颗粒的充分捕获问题。p 成功地解决了大尺

14、寸复合材料生产技术难题。p发明的螺杆给料负压引流陶瓷粉末输送装置，解决了传统的流态化输送机构存在的难以均匀、定量输送陶瓷颗粒，无法连续生产的难题。六、本技术的优点p适合于制备大尺寸、特大尺寸坯件，且组织、性能不受坯件尺寸的影响。p沉积坯的冷速高达104K/sp沉积坯的晶粒组织微细，一般在5mp沉积坯的热应力小，无开裂现象。七、大尺寸复合材料坯件的后续加工 喷射沉积坯件含有一定的空隙，通过后续致密化和塑性加工处理，可以获得优异的综合力学性能。 大尺寸沉积坯的致密化对压力机的吨位要求高，一般要数千吨，造成产品生产成本非常高。 为了解决喷射沉积坯的致密化问题，本项目发明了一系列新技术：包括连续楔压技

15、术、外框限制轧制技术、陶粒轧制技术、连续楔压技术解决大型环、锭、方形坯件致密化 采用一种楔形压头，在普通压机上对模具中待致密化的大型喷射沉积坯件进行局部小变形，并逐步向某一方向推进进行压制。通过多道次的压制后，累积实现大变形，从而将喷射沉积坯件整体致密化。模具可以是环形、圆形和方形。八、实施效果 耐热铝合金管坯 6013Al/SiCp和8009Al合金管坯 (a)7075Al合金 (b)5081Al,6061Al合金 (c)8009Al合金 喷射沉积铝合金锭坯 7075Al/SiCp喷射沉积圆柱坯照片 6066Al/SiCp锭坯 (a)7075Al/SiCp环件环件 (b)Al-20%Si/S

16、iCp环件环件大尺寸喷射沉积铝基复合材料环件大尺寸喷射沉积铝基复合材料环件( 1200mm) 特大尺寸喷射沉积特大尺寸喷射沉积5083Al合金环件合金环件(3500mm) 生产的Al-8.6Fe-1.2V-1.6Si耐热铝合金板坯长600mm、宽400mm。耐热铝合金板坯耐热铝合金板坯 (二)采用本发明技术生产的高性能材料 及部件 研制出的高速列车制动盘和闸片已经达到实用化水平。株洲电力机车厂已经安排装车试用。 Al-Si/SiCp复合材料制动盘复合材料制动盘 树脂基复合材料闸片树脂基复合材料闸片 2.高速列车用铝合金管材和复合材料管接头 高速列车铝合金风管高速列车铝合金风管 7075Al/S

17、iCp管接头管接头3.耐热铝合金薄板及其零部件 耐热铝合金薄板耐热铝合金薄板 耐热铝合金零部件耐热铝合金零部件 4.耐热铝合金管材 5.大尺寸铝基复合材料管材 6013Al/SiCp(+Gr)管材6066Al/SiC(+Gr)管材6.全铝运煤列车车厢用铝合金型材7.高强铝合金炮管8.铝基复合材料汽车制动盘9.铝基复合材料大型吊装车制动盘10.大尺寸复合材料板材九、与当前国内外同类技术主要参数比较 管坯传统喷射沉积工艺坩埚移动式喷射沉积工艺实 例壁厚最大5080mm壁厚最大250mm耐热铝合金800mm、壁厚250mm、长200mm、重1200Kg。铝基复合材料650mm、壁厚150mm、长20

18、0mm。与当前国内外同类技术主要参数比较 锭坯传统喷射沉积工艺坩埚移动式喷射沉积工艺实 例最大直径400mm最大直径800mm耐热铝合金锭坯直径500mm、高650mm。7075和7075/SiCp铝基复合材料直径750mm、高800mm。与当前国内外同类技术主要参数比较 环坯传统喷射沉积工艺坩埚移动式喷射沉积工艺实 例未见生产环件报道最大直径3500mm高硅铝合金复合材料直径1200mm、壁厚200mm、高200m.铝合金环件直径3500mm、壁厚200mm、高250mm与当前国内外同类技术主要参数比较 板坯传统喷射沉积工艺坩埚移动式喷射沉积工艺实 例未见生产耐热铝合金板坯报道最大面积4800cm2耐热铝合金板材长500mm、宽600mm、厚60mm.与当前国内外同类技术主要参数比较采用本技术研制出的铝基复合材料性能b(MPa