喷射成型

喷射成形（Spray Forming）技术，也有人称为喷射沉积（Spray Deposition）或喷射铸造（Spray casting）技术，这是廿世纪80年代以来，工业发达国家在传统快速凝固／粉末冶金（RS/PM）工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。

喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。

这样，通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征，整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。

采用喷射成形工艺制备的材料与用传统铸造或变形工艺制备的材料相比，由于在制备过程中的快速冷却使显微组织明显细化、析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观和微观上得到有效地控制，因此材料的力学性能几乎没有各向异性，使材料的总体性能得到了明显的提高。

这种新工艺与传统的粉末冶金工艺相比，由于从冶炼到坯件成形可在一个工序完成，省去了粉末冶金制粉、混料、压坯和烧结等多道工序，且可有效地控制材料中的氧含量与纯净度，这可使材料坯件的制造成本大幅度地降低。

当今，各工业发达国家利用喷射成形技术在高速钢、高温合金、铝合金、铜合金等先进材料的开发和生产方面已经取得了很大进展，其中高性能铝合金是喷射成形技术领域中最具吸引力的开发方向。

喷射成形技术的开发和应用
喷射成形技术作为一种高新技术，其产品可广泛用于航天、航空、国防、汽车、化工、海洋和石油等工业领域。

国外喷射成形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%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，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。

这些材料已经用于火箭壳体、尾翼、涡轮发动机涡轮盘、海洋中耐腐蚀管道（IN625合金）、轧辊、导电材料（Cu-Cr、Cu-Ni-Sn等）、汽车连杆、活塞及体育器材等。

其中，德国Peak 公司从九十年代末期开始采用喷射成形技术批量生产过共晶Al-Si合金，用于德国Daimler-Benz轿车发动机汽缸内衬套，成为号称世界最先进的V6和V8轿车发动机的标准部件，其年产量在2000年已达到6000吨左右。

再如，日本住友轻金属（Sumitomo Light Metal）公司从九十年代开始用喷射成形技术生产最大尺寸为Ф250mm×1400mm的过共晶Al-Si系合金圆锭，其年产量已达1000吨以上，主要供给Mazda公司制造轿车发动机中的一些关键零部件。

此外，美国的福特汽车公司、韩国的大宇汽车公司等分别与美国加州大学和韩国KIST中央研究院等单位合作开发了Al-Si系合金，用于生产发动机汽缸内衬材料等，已经批量生产。

国内喷射成形技术的研究与开发相对起步较晚，直到80年代末期北京航空材料研究院才研制成功了真空感应熔炼的多功能喷射成形装置，并开展了喷射成形高温合金的研究。

其后，国内的一些科研院所和大学也开展了许多基础和应用研究，取得了不少的研究成果。

如中南工业大学从九十年代开始研究喷射成形法制备快速凝固铝合金，现在可制备400mm×400mm×20mm 的板材，可制备直径140~350mm、长度200~400mm的管材。

其制备的内径153mm的Al-8.5Fe-1.3V-1.75Si的铝合金管坯相对密度达97%以上，研制成功的200mm×200mm×200mm板坯具有良好的轧制和旋压加工性能、优异的室温和高温性能。

此
外，该校还制备成功了Al-7.5Si-0.4Cu-1.0Mg的铝合金管材，并开展了用喷射成形技术制备颗粒增强快凝铝合金的研究工作。

喷射成形技术在军事上的应用
喷射成形作为一种新的材料制备和成型工艺技术所具有的独特优点，在要求高强度、高韧性、高刚度和轻量化的军用材料中得到广泛的应用。

据报道，美国首先在海军IN625合金管喷射成形制备上得到应用，以前用粉末冶金方法制备的这种合金的管材，价格十分昂贵，而用喷射成形技术可降低成本25%以上。

为此，美国国防部又资助进行了材料性能的全面测试，包括材料的非破坏性评价、力学性能、疲劳性能、爆炸试验、可焊性试验及耐腐蚀试验等。

目前制备的管材从直径100mm到800mm，壁厚为2~3mm，主要用于潜艇、鱼雷管、轴封、轴套及轴承、炮管、飞机发动机盖等。

美国还将喷射成形铝合金用于鱼雷壳、MK46的燃料箱、装甲板、导弹和航天飞机等零部件上。

此外，德国、英国和前苏联均有该技术在军事装备上应用的报道。

我国的喷射成形技术研究与产品开发相对落后于工业发达国家，但经过了近廿年的研究和开发，已经取得了很大的进展，特别近几年来从国外引进了一些先进的喷射成形设备和技术，应该说在产品开发和产业化方面已经有了很好的基础和条件，但真正用于产品的却很少。

从各国研究和应用的情况分析，喷射成形技术可在以下几个方面得到应用：
（1）采用喷射成形技术制造高强度、高刚度、高阻尼大尺寸鱼雷壳体是这项技术最适宜的应用对象，对提高材料性能和降低成本都具有重要作用；
（2）采用喷射成形技术制备各种装甲车辆的发动机铝合金部件具有化学成分均匀、金相组织细小、少无夹杂和净化材质等优点，对提高材料的强度、改善疲劳性能和抗腐蚀性能都极为有利；
（3）用喷射成形工艺可直接成形导弹舱体铝锂合金大规格薄壁壳体件，这将大大降低导弹的制造成本，对于研制新一代高性能导弹具有非常重要的意义；
（4）用喷射成形技术制备各种舰船和水陆两栖装甲车辆的螺旋浆、喷水管等可极大地降低成本和提高材料对海水和盐雾的耐腐蚀性能。

喷射成形技术产业化发展趋势
喷射成形技术的产业化最重要的条件是该项工艺技术必须在控制坯料的形状、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它制备技术相比具有足够的竞争能力。

同时，要考虑到喷射成形技术本身的工艺特点，重点开发一些具有特殊应用价值的产品，下面将重点介绍几个可产业化的产品对象。

（1）双金属复合管
这种金属复合管的一个典型的应用实例是城市垃圾焚烧炉用锅炉蒸发器水冷壁和过热器
蒸气管道。

这种复合管是在普通碳钢或低合金钢管表面上用喷射成形技术沉积一层低碳、高Cr、高Mo、Si的镍基合金，其主要化学成分（质量百分数）：C≤0.02，Si 0.40，Mn 0.40，Cr 21.0，Mo 8.5，Fe 5.0，其余为Ni。

这种管能很好地解决垃圾焚烧炉烟气中因Cl离子参与引起的严重腐蚀问题，且经济效益十分可观。

如瑞典Sandvik公司采用Osprey工艺为海军提供的Ф400mm的大口径厚壁管坯是在一吨的喷射成形专用设备上进行生产，其年产量已达百吨以上。

（2）铝合金挤压坯
目前，喷射成形技术用于铝合金生产的主要是Al-Si系合金在汽车发动机零部件上的应用。

如德国JK)=公司用扫描双喷咀系统和优化沉积工艺，得到的I400mm×1300mm的铝合金棒坯，接近理论密度，径向尺寸公差小于1%，不经任何机械加工即可进行挤压加工，材料的收得率达到90%~95%。

其GHAI Si17Cu4Mg合金的沉积坯经挤压和冷轧制成管材，经机械加工成成品零件，用于Mercedes-Benz最新一代的V8和V12发动机汽缸衬套。

为满足生产需要，Peak公司又建成两台年产分别为900吨和1500吨的设备，形成年产量超过3000吨的生产能力。

（3）宇航环形件
另外一类产业化的典型例子是Howmer公司，它完全跨越了小型坯的实验研究阶段，直接从Osprey引进了成熟的装置与工艺技术，集中力量进行产品的最终成形工艺研究，以及产品冶金质量和组织及性能的控制，并成功地采用了环形坯直接热等静压和热等静压后再经环形轧制两种新的工艺途径，这不仅大大地缩短了研制周期，而且从高技术起点实现了快速产业化。

目前，Howmet公司已经研制成不同型号发动机的环形件多种，其最大尺寸为Ф850mm×500mm。

为了满足市场的需求，Howmet与P&W公司合资成立了喷射成形国际公司，把原装置的容量扩大到400kg，同时新建了一台3吨容量的环形坯专用雾化沉积装置，可提供最大直径为1500mm的环形坯，年产量可达500吨。

（4）铜合金挤压坯
喷射成形铜合金首先是用Osprey装置进行了少量的小型试验，主要制备焊接用电极头和代铍青铜高弹性毛坯。

德国的Wieland工厂从九十年代开始铜合金喷射成形技术的开发。

用喷射成形Cu-Cr-Zn系合金可以获得均匀细小的显微组织，极大地改善了电极的性能，使用寿命比连续铸锭方法制备的电极提高一倍多。

另外，开发了用于镀锌板焊接的Cu-Cr-Zr+Al2O3的复合材料电极，在解决电极头表面局部合金化影响使用寿命方面取得了成效。

目前，它们已经能生产尺寸为Ф300mm×2200mm铜合金棒坯，班生产能力达:1吨。

此外，瑞士的Swissmetals公司也建立了这样一套装置，但他们主要致力于开发特种铜合金，如所开发用于取代昂贵的铍青铜Cu-2Be-Pb合金的Cu-15Ni-8Sn新合金，并发现经短时间退火加时效处理后，合金在保持δ=65%的情况下，其σb可达到1300MPa。

与此同时，该公司还开发了因常规工艺无法控制宏观偏析的高锡青铜，其锡含量可高达14%（如Cu-13.5Sn-0.5Pb合金），并有望将这些合金用于强度水平低于铍青铜而高于传统可加工青铜的零部件。

（5）高温合金涡轮盘
喷射成形高温合金用于航空发动机涡轮盘是喷射成形技术产业化的重要方向之一。

由于涡轮盘是航空发动机的核心部件，除要求材料必须达到一系列性能指标外，还对直接影响使用可靠性和安全寿命的显微组织和冶金质量等都有严格的标准规定。

高性能的发动机涡轮盘是由复杂合金化的高强度镍基合金来制备，由于镍基合金会存在严重的成分偏析以及热加工工艺性能极差，用常规变形方法无法进行成形。

为此，美国GE发动机公司投入巨资，大力发展粉末高温合金技术，如采用氩气雾化快速凝固粉末工艺，以使合金元素的偏析限制在单个粉末颗粒之内，其性能优于一般的变形合金，满足了高性能发动机的需要，把涡轮盘的制造技术大大推进了一步。

但是，由于这种涡轮盘的价格昂贵，各大公司为了降低成本，而开展了喷射成形涡轮盘的研制工作，随着工艺技术的不断完善，将以较低的费用制造出性能和质量与粉末冶金涡轮盘相当的喷射成形涡轮盘。

结束语
喷射成形技术经过多年来的不断发展和完善，逐步进入产业化的发展阶段，欧美工业发达国家已经将该技术应用于制造高性能的零部件，取得了显著的技术效果和可观的经济效益，并将成为高新技术的支柱产业。

我国的科研院所和企业目前正致力于喷射成形技术的工艺研究和产品开发，取得了显著的技术进步和一大批科研成果，有的产品已在汽车行业和军工产品上得到了应用。

可以预料，我国的喷射成形技术将会得到更加广泛的推广应用。