材料制备新技术(许春香)第二章_喷射成型技术

1、第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术学习目的与要求：学习目的与要求：通过本章的学习，能够使学生对喷射成形技术的生通过本章的学习，能够使学生对喷射成形技术的生产工艺过程有一个全面的了解；加深对喷射成形技产工艺过程有一个全面的了解；加深对喷射成形技术原理和工艺特点的理解；掌握喷射成形的关键技术原理和工艺特点的理解；掌握喷射成形的关键技术；全面认识和了解喷射成形技术的应用范围和发术；全面认识和了解喷射成形技术的应用范围和发展前景；以利于学生工作后更好地适应我国经济发展前景；以利于学生工作后更好地适应我国经济发展的需要展的需要2.1 喷射成形示技术原理与工艺意图喷射成形示技术原理与工艺意图喷射成喷射成

2、形形(spray forming)又称喷射雾化沉积（又称喷射雾化沉积（spray atomization and deposition)或喷射铸造（或喷射铸造（spray casting)等。等。2.1.1 技术原理技术原理喷射成形的三个连续过程：喷射成形的三个连续过程：合金溶液的雾化、雾化熔滴的飞行与冷却、沉积坯的生长。合金溶液的雾化、雾化熔滴的飞行与冷却、沉积坯的生长。第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术图图2-1 喷射成形示意图喷射成形示意图形成过程：形成过程：第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术2.1.2 工艺过程工艺过程1）提供液态金属；）提供液态金属；2）将金属液转变为熔滴；）将金

3、属液转变为熔滴；3）在基板上沉积（形成高密度的半）在基板上沉积（形成高密度的半成品成品坯件）坯件）第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术2.1.3 工艺特点工艺特点1）高致密度；）高致密度；2）低含氧量；）低含氧量；3）快速凝固的显微组织）快速凝固的显微组织特征；特征； 4）合金性能高；）合金性能高； 5）工艺流程短，成本低；）工艺流程短，成本低； 6）高沉积率；高沉积率； 7）灵活的柔性制造系统；）灵活的柔性制造系统； 8）近终形成形；）近终形成形； 9）可制备高性能金属基复合材料。）可制备高性能金属基复合材料。2.1.3.1 优点：优点：含有一定量的疏松；含有一定量的疏松；2.1.3.1 缺

4、点：缺点：产出率一般明显低于产出率一般明显低于100%。第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术2.1.4 喷射成形技术工艺分析喷射成形技术工艺分析1）雾化阶段；）雾化阶段；雾化方法：气流雾化、离心雾化和机械雾化。雾化方法：气流雾化、离心雾化和机械雾化。2.1.3.1 优点：优点：2）喷射阶段；）喷射阶段；喷射颗粒由固态、液态和半凝固态颗粒组成。喷射颗粒由固态、液态和半凝固态颗粒组成。第第2章章 喷射成型技术喷射成型技术2.1.4 喷射成形技术工艺分析喷射成形技术工艺分析3）沉积阶段；）沉积阶段；4）沉积体凝固阶段。）沉积体凝固阶段。 图图2-2 喷射成形带材的原理示意图喷射成形带材的原理示意图1

5、一熔液池；一熔液池；2一铸带；一铸带；3一导辊；一导辊；4一激冷带；一激冷带；5一除尘系统；一除尘系统；6一雾化系统；一雾化系统；7一惰性气体室直浇道一惰性气体室直浇道喷射沉积法可控参量：合金液滴的尺寸、飞行速率、喷射沉积法可控参量：合金液滴的尺寸、飞行速率、液滴接触基板时的温度、凝固状态、基板的冷却速率液滴接触基板时的温度、凝固状态、基板的冷却速率与表面状态等与表面状态等(a) 限制性喷嘴限制性喷嘴 (b) 自由降落喷嘴自由降落喷嘴 图图2-3 典型雾化器示意图典型雾化器示意图2.2 喷射成形的雾化过程喷射成形的雾化过程2.2.1 气体雾化气体雾化 (a) 圆周排列圆周排列 (b)多孔排列多

6、孔排列 (c)线性排列线性排列 图图2-4 雾化器气孔分布雾化器气孔分布雾化器气孔分布雾化器气孔分布图图2-5 离心雾化喷射成形的示意图离心雾化喷射成形的示意图2.2.2 离心雾化离心雾化 式中，式中，w为盘的转速；为盘的转速；D 为盘的直径；为盘的直径； 为金属密度；为金属密度； 为金属表面张力；为金属表面张力； A为常数。为常数。（2-1） 1 2dw DA（b）垂直分布（b）垂直分布（a）倾斜分布（a）倾斜分布（c）水平分布（c）水平分布1 11 11 12 23 34 45 56 67 77 76 65 54 43 32 22 23 34 45 56 67 7 (a) 倾斜布局倾斜布局

7、 (b)垂直布局垂直布局 (c)水平布局水平布局 图图2-6 喷射成形装置示意喷射成形装置示意1雾化室；雾化室；2雾化器；雾化器；3坩埚；坩埚；4金属液；金属液；5雾化流；雾化流；6沉积柸；沉积柸； 7沉积器沉积器2.3 喷射成形技术关键和装置喷射成形技术关键和装置2.3.1 装置结构布局装置结构布局 (a) 垂直单固定垂直单固定 (b) 倾斜单扫描倾斜单扫描 (c) 倾斜双扫描倾斜双扫描 图图2-7 雾化喷嘴及沉积温度场示意图雾化喷嘴及沉积温度场示意图2.3.2 雾化喷嘴系统雾化喷嘴系统2.3.3 喷射成型装置喷射成型装置2.4 喷射成形材料特性喷射成形材料特性2.4.1 晶粒组织晶粒组织2

8、.4.2 气体含量气体含量2.4.3 宏观偏析宏观偏析2.4.4 致密度致密度2.4.5 热塑性热塑性(a) 常规变形合金常规变形合金 (b) 喷射成形合金喷射成形合金 图图2-8 GH742合金的热工艺塑性合金的热工艺塑性2.4.4 致密度致密度2.4.5 热塑性热塑性2.4.6 力学性能力学性能 图图2-9 共喷射沉积工作原理示意图共喷射沉积工作原理示意图 1一雾化室；一雾化室；2一熔化炉；一熔化炉；3一雾化器；一雾化器；4一沉积体；一沉积体； 5压力释放罩；压力释放罩； 6一粉末回收料；一粉末回收料；7一搜集室一搜集室2.5 共喷射成形技术共喷射成形技术2.5.1 共喷射成形的技术特点与

9、工艺共喷射成形的技术特点与工艺2.5.2 增强颗粒对喷射沉积过程的影响增强颗粒对喷射沉积过程的影响图图2-10 反应雾化喷射沉积成形的示意图反应雾化喷射沉积成形的示意图2.6 非连续增强金属基复合材料的喷射成型技术非连续增强金属基复合材料的喷射成型技术 图图2-11多层喷射沉积管坯生产装置原理多层喷射沉积管坯生产装置原理 图图2-12多层喷射沉积板坯生产装置原理图多层喷射沉积板坯生产装置原理图1一加热坩埚；一加热坩埚；2一喷嘴；一喷嘴；3一雾化金属液滴；一雾化金属液滴； 1一加热坩埚；一加热坩埚；2一喷嘴；一喷嘴；3一雾化金属液滴；一雾化金属液滴；4一旋转轴；一旋转轴；5一喷射沉积坯；一喷射沉

10、积坯；6一雾化室；一雾化室； 4一强化外冷装置；一强化外冷装置；5一水冷小车；一水冷小车；7一强制外冷装置；一强制外冷装置；8一排气口一排气口 6一雾化室；一雾化室；7一排气口一排气口2.7 多层喷射沉积技术多层喷射沉积技术 （a）生产设备）生产设备 (b) 合金圆锭产品合金圆锭产品 图图2-13 喷射成形过共晶喷射成形过共晶Al-Si系合金圆锭生产设备和产品系合金圆锭生产设备和产品(德国德国PEAK公司公司)2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1 喷射成形铝合金喷射成形铝合金图图2-14 喷射成形过共晶喷射成形过共晶Al-Si合金缸套合金缸套(德国奔驰公司

11、德国奔驰公司V6发动机发动机)2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1 喷射成形铝合金喷射成形铝合金图图2-15 国内采用喷射成形过共晶国内采用喷射成形过共晶A1Si系合金制备的发动机新型缸套样品系合金制备的发动机新型缸套样品2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1 喷射成形铝合金喷射成形铝合金图图2-16 国内采用喷射成形工艺制备的超高强国内采用喷射成形工艺制备的超高强7000系铝合金沉积坯件系铝合金沉积坯件2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1 喷射成形铝合金喷射成形铝合金图图2-17

12、国内采用喷射成形及热变形加工国内采用喷射成形及热变形加工/热处理工艺制备的超高强热处理工艺制备的超高强7000系系 铝铝 合金锻件合金锻件/挤压件挤压件2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.1 喷射成形铝合金喷射成形铝合金图图2-18 美国美国Howment公司生产的喷射成形高温合金环形件公司生产的喷射成形高温合金环形件2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金图图2-19 瑞典的瑞典的Sandvik工厂利用喷射成形技术生产的复合钢管工厂利用喷射成形技术生产的复合钢管2.8 喷射成形技术的工业化

13、应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金图图2-20 Osprey公司生产的特殊钢坯公司生产的特殊钢坯(直径直径400mm,长长1m)2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金图图2-21 瑞士瑞士Swissmetall Boillat公司生产的公司生产的 喷射成形铜合金坯锭喷射成形铜合金坯锭2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金 图图2-22 国内采用喷射成形工艺制备的国内采用喷射成形工艺制备的CuCr50合金触头材料

14、合金触头材料2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金图图2-23 喷射成形喷射成形A170si合金封装的功率放大器合金封装的功率放大器2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金图图2-24 国内利用喷射成形技术制备的国内利用喷射成形技术制备的Al-6070Si合金热沉片合金热沉片2.8 喷射成形技术的工业化应用现状喷射成形技术的工业化应用现状2.8.2 喷射成形高温合金喷射成形高温合金表表2-1常用喷射成形雾化介质的主要物理参数常用喷射成形雾化介质的主要物理参数

15、介质介质相对相对分子分子质质量量热导热导率率W/(mK)比热比热容容CP/(kJ/(kgK)密度密度/(gcm3)ArHeN239.954.0028.010.0180.1570.025 0.54 5.23 1.051.780.17851.25表表2-2 喷射成形合金喷射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能的拉伸性能测试测试温度温度制备制备方法方法屈服强度屈服强度0.2/MPa抗拉强度抗拉强度b/MPa伸长率伸长率/%断面收断面收缩率缩率A/%制备制备方法方法屈服强度屈服强度0.2/MPa抗拉强抗拉强度度b/MPa伸长伸长率率/%断面断面收缩收缩率率A/%20SF盘盘件件（742）106

16、0144923.641.2SF环环件件（718）1228144618.631.720IM盘盘件件（742）864132917.718.9IM技技术指术指标标103512751215650SF盘盘件件（742）9571326SF环环件件（718）1039119022.033.6650IM技技术指标术指标6861127IM环环件件（718）960114219.321.8表表2-3 喷射成形合金喷射成形合金(GH742、IN718)的拉伸性能的拉伸性能制备方法制备方法650/834MPa750/539MPa制备方法制备方法650/690MPaSF坯件（坯件（742）16590SF环件（环件（718）

17、146SF盘件（盘件（742）27463SF轧环（轧环（718）235IM技术指标技术指标5050IM技术制备技术制备25表表2-4 非连续增强金属基复合材料的主要制备非连续增强金属基复合材料的主要制备技术比较技术比较合成技术合成技术主要工艺主要工艺主要优点主要优点存在的主要问题存在的主要问题液相合成液相合成铸造、压铸、浸渗等铸造、压铸、浸渗等低成本低成本增强相数量和尺寸受到限制增强相数量和尺寸受到限制(一般分一般分别别50m)；易；易发生不利的增强相和基体之间的界面发生不利的增强相和基体之间的界面反应；为提高增强相和基体的润湿性，反应；为提高增强相和基体的润湿性，有时需采用昂贵的增强相表面处

18、理和有时需采用昂贵的增强相表面处理和加入适当的合金元素，会影响复合材加入适当的合金元素，会影响复合材料的性能料的性能固相合成固相合成粉末冶金粉末冶金(真空热压、真空热压、 高性能、热等静压、粉高性能、热等静压、粉末挤压、粉末锻造、机末挤压、粉末锻造、机械合金化等械合金化等) 高性能、高性能、增强相的增强相的类型、数类型、数量和大小量和大小可任意选可任意选择和控制择和控制制造工艺复杂、效率低、综合成本偏制造工艺复杂、效率低、综合成本偏高，使其应用限于小批量的高性能复高，使其应用限于小批量的高性能复合材料；易氧化合金系统易发生氧化合材料；易氧化合金系统易发生氧化污染，造成性能降低和使用安全性污染，

19、造成性能降低和使用安全性两相区合成两相区合成喷射成形喷射成形(喷射成形喷射成形(包包括惰性气体喷射沉积成括惰性气体喷射沉积成形和反应形和反应(或原位或原位)喷射喷射成形成形)和热喷涂沉积成和热喷涂沉积成形形)、流变铸造、流变铸造高性能；高性能；减小界面减小界面反应；方反应；方法灵活法灵活热喷涂方法沉积效率较低；流变铸造热喷涂方法沉积效率较低；流变铸造方法工艺控制要求高，可选用的合金方法工艺控制要求高，可选用的合金系统有限系统有限表表2-5 不同工艺制备的过共晶不同工艺制备的过共晶Al-Si系合金中系合金中初晶初晶Si相的尺寸相的尺寸合金合金（质量分数）（质量分数）/工艺工艺Si相的尺寸相的尺寸

20、/mA1-17Si-4.5Cu-0.6Mg铸锭冶金铸锭冶金80Al-l7Si-4.5Cu-0.6Mg喷射成形喷射成形5Al-20Si-5Fe喷射成形喷射成形2Al-20Si-5Fe-3Cu-lMg快速凝固粉末冶金快速凝固粉末冶金3Al-20Si-3Cu-1Mg快速凝固粉末冶金快速凝固粉末冶金27A1-20Si-3Cu-1Mg铸锭冶金铸锭冶金70A1-17Si-4.5Cu-0.6Mg喷射成形喷射成形511Al-12Si喷射成形喷射成形0.5表表2-6 不同快速凝固工艺制备的过共晶不同快速凝固工艺制备的过共晶Al-Si系合金的力学性能系合金的力学性能合金及成分合金及成分状态状态制坯工艺制坯工艺 力

21、学性能力学性能抗拉强度抗拉强度b/MPa屈服强度屈服强度0.2/Mpa伸长率伸长率/%A390金属型铸造金属型铸造+T6铸锭冶金铸锭冶金290290 -Al-12SiRS/PM+热挤压热挤压离心雾化离心雾化244162 19A1-12Si-2CuRS/PM+热挤压热挤压离心雾化离心雾化386233 7A1-12Si-2CuRS/PM+热挤压热挤压+T6离心雾化离心雾化476363 5Al-l2Si-3MgRS/PM+热挤压热挤压离心雾化离心雾化296233 15A1-12Si-3MgRS/PM+热挤压热挤压+T6离心雾化离心雾化425380 5A1-12Si-1.1NiRS/PM热挤压热挤压离

22、心雾化离心雾化333253 13Al-12Si-0.5CoRS/PM+热挤压热挤压离心雾化离心雾化254207 20A1-12Si-0.07SrRSPM+热挤压热挤压离心雾化离心雾化283197 18A1-12Si-7.5FeRS/PM+热挤压热挤压气体雾化气体雾化325260 8.5A1-20Si-7.5FeRS/PM+热挤压热挤压气体雾化气体雾化380260 2表表2-6 不同快速凝固工艺制备的过共晶不同快速凝固工艺制备的过共晶Al-Si系合金的力学性能系合金的力学性能合金及成分合金及成分状态状态制坯工艺制坯工艺 力学性能力学性能抗拉强度抗拉强度b/MPa屈服强度屈服强度0.2/Mpa伸长

23、率伸长率/%A1-12Si-5Fe-3Cu-0.5MgRS/PM+热热挤压挤压+T6气体雾化气体雾化4860.6A1-20Si-5Fe-1.9NiRS/PM+热热挤压挤压气体雾化气体雾化413.61A1-20Si-3Cu-1Mg-5FeRS/PM+热热挤压挤压+T6气体雾化气体雾化535Al-25Si-2.5Cu-1MgRS/PM+热热挤压挤压+T6气体雾化气体雾化4901.2A1-12Si-7Ni-0.45ZrRS/PM+热热挤压挤压气体雾化气体雾化4003A1-25Si-4Cu-1Mg.SF+热挤压热挤压+T6喷射成形喷射成形4163891.3Al-20Si-5Fe-3Cu-lMgSF+热

24、挤压热挤压+T6喷射成形喷射成形4364140.9A1-20Si-5Fe-3Cu-lMg-2MnSF+热挤压热挤压+T6喷射成形喷射成形4424210.8A1-17Si-6Fe-4.5Cu-0.5MgSF+热挤压热挤压+T6喷射成形喷射成形5504601表表2-7 喷射成形与粉末冶金技术制备材料的喷射成形与粉末冶金技术制备材料的力学性能力学性能试样试样热处理制度热处理制度屈服强度屈服强度0.2/MPa抗拉强度抗拉强度b/MPa断面收缩率断面收缩率A/%SD-1T67908104.9PM-1T67167351.9PM-2T7X6606916.7表表2-8 喷射成形与粉末冶金技术制备材料的氧含量喷射成形与粉末冶金技术制备材料的氧含量材料材料氧含量氧含量/10-6氢含量氢含量/10-6SD式样式样502000.10.2PM式样式样1000300014表表2-9 喷射成形超高强喷射成形超高强7000系铝合金的系铝合金的力学性能力学性能合金及成分合金及成分制备加工工艺制备加工工艺 力学性能力学性能抗拉强度抗拉强度b/Mpa屈服强度屈服强度0.2/Mpa伸长率伸长率/%7034(英国英国)喷射成形喷射成形+热挤压热挤压+T68008159080546Al-l0.8Zn-2.9Mg-l.7Cu