5喷射沉积技术简介
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。
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。
复合材料喷射成型工艺简介
先混合型
先混合型是将树脂,引发剂和促进剂先分 别送至静态混合器充分混合,然后再送至 喷枪喷射.
喷射成型的优点
喷射成型的优点: 1 生产效率比手糊提高2~4倍生产效率可 达15kg/min 2 可用较少设备投资实现中批量生产 3 用玻璃纤维无捻初纱代替织物,材料成本 低 4 产品整体性好无接缝 5 可自由调变产品壁厚,纤维与树脂比例
喷射成型工艺的缺点
1 现场污染大 2 制品树脂含量高 3 制品强度较低
喷射成型过程工艺控制
喷射工艺参数
1 纤维 选用经前处理的专用无捻初纱. 制品纤维含量控制在25%~45%，低于25% 时，滚压容易，但强度太低；大于45%时，滚 压困难，气泡较多。 纤维长度一般为25~50mm。小于10mm，制 品强度降低，大于50mm时，不易分散。
5喷枪夹角
喷枪夹角对树脂与引发剂在枪外混合均匀度 影响极大.不同夹角喷出来的树脂混合交距不 同.为操作方便，选用20度夹角为宜. 喷枪口与成型表面距离350~400mm.确定 操作距离主要考虑产品形状和树脂液飞失等 因素.如果要改变操作距离,则需调整喷枪夹角 以保证树脂在靠近成型面处交集混合.
6.喷雾压力
要能保证两组分树脂均匀混合. 压力太小,混合不均匀;压力太大,树脂流失过多. 适宜的压力同胶液黏度有关,若黏度在0.2Pa.s 时,雾化压力为0.3~0.35MPa.
喷射成型工艺要点
1 成型环境温度 以20~30度为宜,再高,固化 快,系统易堵塞;过低,胶液黏度大,浸润不均, 固化慢. 2制品喷射成型工序应标准,以免因操作者不 同而产生过的质量差异. 3为避免压力波动,喷射机应由独立管路供气. 气体要彻底除湿,以免影响固化.
喷射沉积技术
沉积坯通过沉积基底传导散热; 利用沉积坯表面的气体对流散热、辐射散热。
2.雾化颗粒状态对沉积坯质量的影响
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前已凝固
成固相颗粒，在这种情况下，沉积坯为组织疏
松的粉末堆聚体。
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前仍保持
为液态，沉积坯形成铸造化组织。
凝固和成形工艺，称之为喷射沉积(Spray Deposition)或喷射成形(Spray Forming)工艺，
很好地解决了上述矛盾。
该工艺的诞生对铸造、粉末冶金等技术产生了 深远的影响，成为当今最引人注目的材料制备方 法之一。
1.Osprey技术的发明
喷射沉积的概念和原理 最早是由英国Swansea大学 的A. R. E. Singer教授于 1968年提出，1970年首次公 开报导的。当时他把熔融金 属雾化沉积在一个旋转的基 体上，形成沉积坯料，并直 接轧制成带材。
积层表面的前一批溅射沉积物尚未完全凝固，这样在沉
积层表面形成液体薄层，其厚度非常小，为此后的雾化
沉积提供了一个坚固的表面，溅射过程将继续下去。
液体薄层的厚度应足够小，以防止产生横向流动，抑制
宏观范围内的成分偏析。
借助于雾化沉积时的机械作用，还可将部分凝固的沉积
层内部的细小枝晶打碎，获得无原始边界的等轴细晶组
英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。
德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸 约1000mm×2000mm×10mm的钢板。
德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。
液态金属加工中的喷射沉积技术
液态金属加工中的喷射沉积技术是一种先进的制造技术，它通过将金属液态粒子精确地喷射到预设的位置，从而实现复杂形状和结构的制造。
这种技术具有许多优点，包括快速原型制造、微纳尺度制造和大规模生产等。
首先，喷射沉积技术使用一种特殊的喷嘴，可以将金属液态粒子精确地喷射到预设的位置。
这种喷嘴的设计和制造精度要求极高，需要经过精密的加工和校准。
同时，该技术还可以使用各种不同的金属材料，如镓、钠、铝等液态金属，具有广泛的适用性。
其次，这种技术可以实现高度复杂的形状和结构制造。
通过精确控制喷射粒子的速度、流量和方向，可以实现精确的层叠和堆积，从而制造出具有高精度和高复杂度的结构。
这种技术的优点在于可以制造出传统制造方法难以制造的复杂形状和结构，大大拓宽了制造领域。
另外，喷射沉积技术还具有生产效率高、成本低、环保等优点。
与传统制造方法相比，该技术不需要大量的模具和工具，减少了生产时间和成本。
同时，由于采用液态金属材料，减少了废气、废水和固体废弃物的排放，更加环保。
在应用方面，液态金属加工中的喷射沉积技术可以应用于许多领域，如医疗、电子、航空航天、汽车等。
在医疗领域，该技术可以制造出具有生物相容性和导电性的生物医学器件，如神经刺激器、心脏起搏器等。
在电子领域，该技术可以制造出微纳尺度的电子器件和电路，提高电子设备的性能和可靠性。
总之，液态金属加工中的喷射沉积技术是一种先进的制造技术，具有许多优点，包括高精度、高复杂度、高效率、环保等。
随着技术的不断发展和应用领域的不断拓宽，该技术将在未来的制造领域中发挥越来越重要的作用。
多层喷射沉积技术
与当前国内外同类技术主要参数比较
环
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺
实 例
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
未见生产环 坯 件报道
最大直径 3500mm
与当前国内外同类技术主要参数比较
板 坯
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺 未见生产 耐热铝合 金板坯报道 最大面积 4800cm2
壁厚最大 坯 50～80mm
壁厚最大 250mm
与当前国内外同类技术主要参数比较
锭
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺
实 例
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。
最大直径 坯 ＜400mm
最大直径 800mm
实 例
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
6066Al/SiCp沉积坯挤压管材的室温力学性能： σb=465 MPa, σ0.2=422 MPa, δ=8.0%, E=82GPa。 7075Al/SiCp沉积坯挤压厚板(330×130×5000mm)的 室温力学性能： σb=703MPa, σ0.2=675MPa, δ=4.0%, E=101GPa 7075Al/SiCp板坯轧制薄板(1.2mm)的室温力学性能： σb=685MPa, σ0.2=650MPa, δ=4.0%, E=95GPa
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
第10章 喷射沉积技术
AR，英国的Swansea和Birmingham大学，德
国的不莱梅学院，韩国的RISI，我国台湾的成
功大学等。
二、喷射沉积技术的基本原理
过热的合金液体在高 压惰性气体或机械力离 心雾化，形成微细的液 滴。液滴在飞行过程中 冷却、凝固，形成固液 两相颗粒喷射流，并直 接喷射到较冷的基底上， 产生撞击、粘结、凝固， 从而形成沉积物。
(3)液滴和外加反应剂粒子的固液反应
MO+X→XO+M 液滴与外加反应剂之间的液固反应体系的选择 可利用氧化物的Δ G°-T图，用氧化物比较稳定的金 属去还原与之比较相对不稳定的氧化物。如用CuO、 Fe2O3、SiO2等作为反应剂与Al反应生成Al2O3，并 与基体金属Al在Osprey工艺中发生共沉积。 在沉积过程中，由于金属液体被过热，金属液 体被高压气体充分雾化成细小液粒后，与反应剂发 生化学反应。
生产宽带材存在困难。可以采用多喷嘴解决，
但存在边界结合问题。
4.喷射锻造
喷射锻造也是 Osprey金属有限公司 早期发展起来的一种 喷射沉积工艺 。雾 化金属液滴喷射流直 接喷射进入模子中， 形成锻造毛坯。 模子通常是铜制 水冷的，也可用高温 陶瓷。
优点：
预成形坯内无连通孔隙，可在空气中锻造。
(3)目前国际上的技术水平
英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。 德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸 约1000mm×2000mm×10mm的钢板。
德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。
金属冶炼中的钨合金制备技术
环境友好型的制备技术
低污染熔炼技术
采用保护气氛熔炼、真空熔炼等低污染熔炼技术，减少钨合金制 备过程中的环境污染。
废料回收与再利用
对钨合金废料进行回收、分类、再利用，降低生产成本，同时减 少对环境的负担。
无害化处理工艺
采用无害化处理工艺，对钨合金生产过程中产生的废气、废水和 废渣进行妥善处理，确保符合环保要求。
钨合金的高熔点和良好的导热性使其成为 航空航天领域中高温部件的理想材料，如 燃烧室和喷嘴等。
电子工业
其他领域
钨合金具有良好的导电性和稳定性，可用 于制造电子元件和集成电路的封装材料。
钨合金还可应用于石油、化工、医疗器械 等领域，如制造高温炉具、催化剂载体和 医疗设备等。
02
钨合金的制备技术
粉末冶金法
熔炼法制备的钨合金具有较好的力学性能和高温稳定性，适用于对强度和耐热性能 要求较高的场合。
熔炼法的工艺流程相对复杂，成本较高，但可以制备出大型和复杂的钨合金构件。
喷射沉积法
01
喷射沉积法是一种较新的钨合金制备技术，通过将熔融的钨合 金喷射并沉积到基体上，制备出钨合金材料。
02
喷射沉积法制备的钨合金具有较好的致密度和表面质量，同时
金属冶炼中的钨合金制备技术
目录 CONTENTS
• 钨合金的简介 • 钨合金的制备技术 • 钨合金的性能优化 • 钨合金制备技术的发展趋势与挑战
01
钨合金的简介
钨合金的定义
钨合金是由金属钨与其他金属或非金 属元素组成的合金。
钨合金的成分和比例可以根据需要进 行调整，以达到所需的物理和机械性 能。
热处理工艺
钨合金的固溶处理
通过加热将合金元素完全溶解于钨基体中，形成单相固溶体，为后 续的时效处理做准备。
5喷射沉积技术简介
喷射室
坯
托架
移动杆
模冲
喷射锻造的专利装置
喷射涂层
喷射涂层示意图
同时喷射喷丸
同时喷射喷丸是 Singer教授1985年提出 的英国专利，它不同于 上述喷射成形工艺，该 工艺金属沉积与致密化 是同时进行的，并且在 喷雾室一次联合操作即 可容易地实现沉积与致 密化密切结合。它可生 产达到理论密度的沉积 物，防止内部氧化的可 能性，从而体现快速凝 固的优点。
(2) 产品性能优异
由于在喷射沉积过程中，金属液流通过水冷基体传导传 热和高速气流的对流、辐射传热，因而与铸造工艺相比具有 较高的冷却速度(10-102K/s)，并且能够获得晶粒细小，无宏 观偏析的微晶组织。 (3) 制备复合材料的新方法 喷射沉积是一种制备金属基复合材料的崭新方法，它可 将广范围的颗粒引进到任何基体金属中，并且分布均匀、结 合良好。另外采用此法能够很好地制备层状复合材料，各种 金属交替沉积，形成的层状结构在冷热轧时不必担心脱层， 并且可以在致密金属基体上沉积其他金属和合金。喷射沉积 目前广泛应用于制备金属基颗粒增强材料、摩擦材料、双金 属等层状材料中。
雾化沉积过程的热传导主要是依靠雾化液滴和惰性气体的对流和辐 射进行热交换以及沉积坯通过基底传导和表面气体的对流、辐射进行热 交换来实现的。 根据所选择的工艺参数的不同，经雾化喷射后的颗粒与基底碰撞时， 可以有以下几种状态： (1) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前已凝固，在这种情况下，只能获 得疏松的粉末堆聚体。 (2) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前仍保持液相，在这种情况下，金 属在沉积后的凝固行为类似铸造。 (3) 金属颗粒在与基底碰撞时，部分颗粒呈现液态(约占30-50%)， 部分颗粒呈现固态和半固态，碰撞后有可能在基底上形成液体薄层，再 与下层颗粒流结合成致密的沉积层。 (4) 金属颗粒在与基底碰撞时，大部分颗粒呈现液态(约占50-70%)， 由于基底冷却速度快，过冷熔体在基体上迅速冷却而获得具有快速凝固 组织特征的沉积层。这种沉积方式的基体在下一层颗粒碰撞前一般不形 成液体薄层，消除孔隙和溅射边界主要是靠上层较多量的液相。
喷射沉积技术简介课件
汽车
能源
喷射沉积技术可用于制备汽车领域中的高性能构件，如发动机零件、刹车系统零件等。
喷射沉积技术可用于制备能源领域中的高性能构件，如风力发电机叶片、核反应堆构件等。
03
02
01
喷射沉积技术的初步探索始于20世纪50年代，当时人们开始研究如何通过喷射方式制备金属材料。
初步探索
从20世纪80年代开始，喷射沉积技术得到了快速发展，其在航空航天、汽车、能源等领域的应用逐渐增多。
喷涂速度一般根据沉积设备的速度和熔融金属的性质来确定，以确保喷涂效果和质量。
喷涂速度的控制
喷涂距离的控制
03
CHAPTER
喷射沉积技术的优势与挑战
喷射沉积技术可以实现快速、高效的制造，尤其适用于生产大型或复杂的部件。
高效性
喷射沉积技术可以精确控制材料的使用，减少浪费，降低成本。
节约材料
喷射沉积技术可以用于生产各种材料，包括金属、非金属和复合材料等。
智能制造
喷射沉积技术将更加注重环保和可持续性，采用绿色材料和工艺，减少对环境的影响。
环保可持续
04
CHAPTER
喷射沉积技术的应用案例
汽车零部件的快速原型制造
汽车轻量化的实现
提高生产效率，降低制造成本
航空航天器零部件的快速原型制造
航空航天器轻量化的实现
高效、高精度制造复杂零部件
制造高效、高精度的电子元器件和复杂结构的电子设备。
电子电器领域
制造高效、高精度、高质量的医疗器械和组件。
医疗器械领域
制造高效、高精度、高质量的建筑模型和组件。
建筑领域
05
CHAPTER
喷射沉积技术的未来展望
市场需求持续增长
第二章喷射成型技术
常见(chánɡ jiàn)的雾化器结构：
限制性喷嘴(pēnzuǐ)
自由降落喷嘴
(pēnzuǐ)
优点：能量损失小，拉瓦尔型喷口，气体动能高，
熔滴直径小
缺点：适用于低熔点合金
精品资料
a-圆周(yuánzhōu)排列
b多孔排列
c 线性排列
• 雾化器气孔(qìkǒng)分布
精品资料
2.2.2 离心(líxīn)雾化
精品资料
• 雾化(wù huà)器是获得理想坯件显微组织的关键，设计原则 ：
• （1）雾化(wù huà)介质能够获得尽可能大的出口散射束和 能量
• （2）雾化(wù huà)介质与金属液滴之间能形成合理的喷射 角度
• （3）金属液流能产生最大的紊流 • （4）工作稳定性好，不被阻塞 • （5）加工制造简单 • （6）装卸安装方便
精品资料
（2）气体含量： 喷射成形一般在惰性保护气氛下完成，避免了高温金属 (jīnshǔ)与大气的接触，减少了氧化程度。而且液态金属 (jīnshǔ)一次成形，工序简单，避免了粉末冶金中因贮存、 运输以及材料烧结、轧制等工序带来的氧化，减轻了材料 受污染的程度。
精品资料
（3）宏观偏析： 雾化过程中，雾化熔滴中溶质原子的扩散和偏聚被限 制在微小的金属熔滴尺寸范围内，在沉积(chénjī)过程 中，冷却速度较快且沉积(chénjī)坯表面处于半凝固状 态，溶质原子来不及扩散与偏聚。因而，喷射成形材 料无宏观偏析，微观偏析相对较低
精品资料
（6）高沉积效率 （7）灵活的柔性制造系统 （8）近终形成形 （9）可制备高性能金属(jīnshǔ)基复合材料
精品资料
• 缺点：
• （1）沉积态坯件中含有一定量的疏松，可通过挤压、 热/冷轧或热等静压达到完全密实。
喷射沉积快速凝固技术
喷射沉积快速凝固技术是一种新型的材料制备技术，它通过将材料加热至液态状态，然后将其喷射到基底表面，使其快速冷却固化，从而制备出具有优异性能的材料。
该技术具有制备速度快、成本低、材料性能优异等优点，因此在众多领域得到了广泛应用。
一、喷射沉积快速凝固技术的基本原理喷射沉积快速凝固技术是一种利用高能量密度热源将材料加热至液态，然后将其喷射到基底表面，使其快速冷却固化的材料制备技术。
该技术的基本原理是利用高能量密度热源将材料加热至液态，然后将其喷射到基底表面，使其快速冷却固化。
由于喷射速度非常快，材料在冷却过程中没有足够的时间进行晶体生长，因此能够制备出非常细小的晶粒结构，从而提高材料的强度和硬度。
二、喷射沉积快速凝固技术的优点1. 制备速度快：喷射沉积快速凝固技术能够在非常短的时间内将材料制备出来，因此能够大大提高生产效率。
2. 成本低：喷射沉积快速凝固技术不需要进行复杂的制备过程，因此能够大大降低制备成本。
3. 材料性能优异：由于喷射沉积快速凝固技术能够制备出非常细小的晶粒结构，因此能够提高材料的强度和硬度，从而使其具有更好的性能。
三、喷射沉积快速凝固技术的应用1. 金属制备：喷射沉积快速凝固技术能够制备出具有优异性能的金属材料，如高强度、高硬度的钢材等。
2. 薄膜制备：喷射沉积快速凝固技术能够制备出非常薄的薄膜材料，如透明导电膜等。
3. 磁性材料制备：喷射沉积快速凝固技术能够制备出具有优异磁性性能的材料，如磁性存储材料等。
四、喷射沉积快速凝固技术的发展趋势随着科学技术的不断发展，喷射沉积快速凝固技术将会得到更广泛的应用。
未来，喷射沉积快速凝固技术将会在制备新型材料、改善材料性能等方面发挥更加重要的作用。
同时，随着技术的进一步发展，喷射沉积快速凝固技术将会不断完善，从而更好地满足人们的需求。
总之，喷射沉积快速凝固技术是一种非常重要的材料制备技术，它能够制备出具有优异性能的材料，具有制备速度快、成本低、材料性能优异等优点。
第10章 喷射沉积技术解读
1.喷射沉积过程的热传导机制
包括：
雾化液滴在飞行过程中的辐射散热及其和惰性
气体之间的对流散热;
沉积坯通过沉积基底传导散热; 利用沉积坯表面的气体对流散热、辐射散热。
2.雾化颗粒状态对沉积坯质量的影响
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前已凝固
成固相颗粒，在这种情况下，沉积坯为组织疏 松的粉末堆聚体。
法”(CSD) 。但是由于当时英国经济萧条，
Aurora公司被迫于1983年停止了对CSD工艺的研 究和开发。
4.喷射沉积技术的基本应用及其产品的 基本特点 (1)产品类型
喷射沉积技术主要集中在半成品形状的预 成形坯的生产，产品形状为管、环、带、板、 圆柱坯和异型件。还被用于轧辊修复。 (2)材料种类 不锈钢、高速钢、工具钢，磁性材料，高 温合金，铝合金、镁合金、铜合金等高合金化 材料，金属基复合材料。
美国的Howmet公司能够生产直径Ф800mm， 长500mm的高温合金环。
德国Wieland公司和瑞士Swiss Metal公司制备
了直径300mm，长度为2200mm的铜合金锭，
其材质为可取代Cu-Be合金的Cu-15Ni-8Sn，可
用作弹簧材料的高Sn青铜和做焊接电极的Cu-
Cr-Zr合金及耐磨材料Cu-C合金。
积层表面的前一批溅射沉积物尚未完全凝固，这样在沉 积层表面形成液体薄层，其厚度非常小，为此后的雾化 沉积提供了一个坚固的表面，溅射过程将继续下去。
上面比较理想的情况是第三种：
液体薄层的厚度应足够小，以防止产生横向流动，抑制
宏观范围内的成分偏析。
借助于雾化沉积时的机械作用，还可将部分凝固的沉积
层内部的细小枝晶打碎，获得无原始边界的等轴细晶组 织。
喷射沉积技术及应用
喷射沉积技术及应用关键信息项1、协议名称：喷射沉积技术及应用协议2、协议生效日期：＿___________________________3、协议有效期：＿___________________________4、技术提供方：＿___________________________5、技术应用方：＿___________________________6、技术应用领域：＿___________________________7、技术使用许可范围：＿___________________________8、技术使用费用及支付方式：＿___________________________9、技术保密条款：＿___________________________10、违约责任：＿___________________________11 协议背景喷射沉积技术作为一种先进的材料制备技术，在多个领域具有广泛的应用前景。
为了促进该技术的有效应用和推广，技术提供方与技术应用方经过友好协商，达成以下协议。
111 技术概述喷射沉积技术是一种将液态金属或合金雾化成细小液滴，并快速喷射沉积到基底上形成近终形材料的工艺。
该技术具有组织均匀、成分精确控制、制备效率高等优点。
112 技术优势1、能够制备高性能的金属基复合材料。
2、减少材料中的偏析和疏松等缺陷。
3、缩短工艺流程，降低生产成本。
12 技术提供方的权利和义务121 技术提供方应向技术应用方提供完整、准确的喷射沉积技术相关资料和技术指导。
122 保证所提供的技术具有合法性、有效性和稳定性。
123 协助技术应用方解决在技术应用过程中遇到的技术问题。
13 技术应用方的权利和义务131 技术应用方有权在协议约定的范围内使用喷射沉积技术。
132 按照技术提供方的要求，合理使用技术并遵守相关操作规程。
133 对技术提供方提供的技术资料和技术秘密进行保密。
14 技术应用领域141 航空航天领域，用于制造高性能的航空发动机部件和航天器结构件。
喷射成形知识讲解
专利
图1 传统装备
图2 运动控制、外强冷装置
制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法
图3 制备大型管坯
图4 制备大型铸锭坯
离心雾化喷射沉积复合方法
图5 离心法制备环形坯
静电场约束喷射沉积方法
图6 静电场约束法制备坯料
平面往复运动喷射沉积多层复合材料方法
图7 平面往复运动法制备多层复合材料
3. 研究及应用
▪ 主要应用于钢铁材料、铝合金、高温合金、锌合金、铜合 金、镁合金、金属间化合物和金属基复合材料的研究。
▪ （1）钢铁材料的研究：章靖国教授首次采用喷射成形工 艺制备超高碳钢取得了良好的成果。经过这种热加工的喷 射成形超高碳钢在非调质条件下抗拉强度可达到约1300 MPa ,并具有约10%的伸长率。
表1 经热加工后喷射成形超高碳钢的室温拉伸性能
▪ （2）铝合金的研究：已经报道过的有2000系、7000系、 Al-Li系、Al-Si合金、Al-Ni及Al-Fe系耐热铝合金等。
表2 加工工艺对铝合金力学性能的影响
▪ 北京有色研究院的朱宝宏-原位自生TiC颗粒对Al8.5Fe1 4V1.7Si耐热铝合金的组织及性粒撞击基板时的状态。若为液态，与传统铸 造接近；若为固态，则无法形成工件。因此，要求在撞击 基板前的瞬间为半固态或过冷液态。
▪ （2）喷嘴的设计与制造。
▪ （3）控制技术。喷射成形是一个多变量输出与输入的非 线性过程，传统的控制技术已不适应，必须采用近年来发 展起来的材料智能控制。它基于专家系统、神经网络等人 工智能，并应用基于激光技术的光学传感系统，可对喷射 成形工艺实现逻辑控制。
图1 喷射沉积技术原理图
图2 喷射沉积过程示意图
▪ 特点：
多层喷射沉积技术
管坯
板坯
圆柱锭坯
环件
4.2.5 铝基复合材料的组织特征
采用双环缝雾化 器可以将陶瓷颗粒 与雾化颗粒均匀地 混合在一起，因此 沉积坯的组织均匀 性高。陶瓷颗粒的
分布均匀，无团聚
现象。
喷射共沉积7075Al/SiCp复合材料中SiC颗粒的分布特征
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 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 大尺寸快速凝固坯件的技术难题。
六、本技术的优点
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。 沉积坯的冷速高达104K/s 沉积坯的晶粒组织微细，一般在5m 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
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。
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
气氛中雾化，形成颗粒喷射
流，直接喷射在较冷的基体
上，经过撞击、聚结、凝固 而形成沉积物，这种沉积物 可以立即进行锻造、挤压或 轧制加工，也是近形产品。
大尺寸合金及金属基复合材料锭
坯的喷射沉积制备新技术及设备
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
喷射沉积法工作原理
喷射沉积法工作原理宝子们！今天咱们来唠唠喷射沉积法这个超有趣的东西的工作原理呀。
咱先想象一下，有一个神奇的小世界，这里面有各种材料，就像一群小伙伴等着被安排到合适的地方呢。
喷射沉积法呀，就像是一个超级有创意的导演，指挥着这些材料小伙伴。
在这个过程里呢，首先有原料。
这些原料就像是一个个小演员，它们被熔化了。
对呀，就像把一块冰变成水一样，不过这里是把固态的原料变成液态的啦。
这时候的液态原料可是充满了活力呢，它们在一个专门的容器里待着，就像演员在后台等待上场。
然后呢，有一股强大的力量，把这些液态的原料像发射小火箭一样喷射出去。
这个喷射的过程可酷啦，液态原料就像一道闪亮的小瀑布一样飞出去。
而且呀，在喷射的同时，还有气体在旁边帮忙呢。
这个气体就像是一阵小清风，不过这阵清风可厉害了，它能让喷射出去的液态原料分散得更均匀。
就好比你在吹泡泡的时候，轻轻吹气，泡泡就会均匀地散开一样。
当这些液态原料被喷射出去之后呢，它们就朝着一个特定的目标前进啦。
这个目标呢，可能是一个旋转的圆盘或者是其他形状的接收装置。
这就像小演员们朝着舞台上的特定位置跑去一样。
液态原料在飞向接收装置的过程中，会逐渐冷却下来。
这就像是小演员们从兴奋的状态慢慢冷静下来一样。
在到达接收装置的时候呀，液态原料就会在上面堆积起来。
这个堆积的过程可有意思了，就像你用沙子堆城堡一样，一层一层地堆积起来。
而且因为之前有气体的帮忙，让液态原料分散均匀，所以堆积起来的材料就会很均匀呢。
喷射沉积法还有一个很妙的地方，就是它能够制造出一些特殊的材料结构。
比如说，它可以让材料内部有一些细小的孔隙，就像小蜂窝一样。
这是因为在喷射和冷却的过程中，一些特殊的条件造成的。
这些孔隙有时候是很有用的呢，就像小蜂窝可以给小蜜蜂住一样，这些孔隙可以让材料在一些特殊的应用场景里表现得更好。
宝子们，喷射沉积法是不是超级有趣呀？它就像是一场材料的奇妙之旅，从原料的熔化，到喷射，再到在接收装置上堆积，每一个环节都像是一个小魔法。
喷射沉积法工艺过程
喷射沉积法工艺过程嘿，你可知道喷射沉积法工艺过程那可是相当神奇啊！就好像是一场奇妙的魔法表演呢！先来说说这原材料吧，就像是魔术师手里的道具，得精心挑选。
把那些金属啊或者合金啥的准备好，这可是基础呢！然后呢，就到了关键的时刻啦！通过特殊的装置，把这些原材料加热熔化，变成滚烫的液态。
这就像是把各种魔法材料放进了坩埚里，准备炼制出神奇的东西。
接下来，这些熔化的金属液体会被高速喷射出来，就像烟花一样在空中绽放。
只不过这可不是为了好看，而是有着大用处呢！在喷射的过程中，它们会迅速冷却、凝固，形成细小的颗粒。
这就好比是魔法的瞬间转化，从液态一下子就变成了固态的小颗粒。
这些小颗粒在空中飞舞着，然后会沉积到一个特定的地方，一层一层地堆积起来，慢慢地形成我们想要的形状或者材料。
你想想看，这不就像是在搭建一个神奇的城堡吗？每一粒小颗粒都是城堡的一块砖，一点点地堆积出最终的成品。
而且啊，这个工艺过程还有很多奇妙之处呢！它可以让材料的性能变得特别好，就像是给材料施了魔法，让它变得更加强大、耐用。
比如说，它可以让材料更加均匀，没有那些让人头疼的缺陷。
这可太重要啦，就像我们都希望自己拥有一个完美的魔法武器一样。
还有哦，喷射沉积法工艺过程还很灵活呢！可以根据我们的需要来调整各种参数，就像是魔法师可以根据不同的情况施展不同的魔法一样。
这样就能得到不同性能、不同特点的材料啦！你说这喷射沉积法工艺过程是不是特别有趣，特别神奇？它就像是一个充满奥秘的魔法世界，等待着我们去探索、去发现。
在这个过程中，科学家们就像是伟大的魔法师，用他们的智慧和技术，创造出一个又一个令人惊叹的成果。
总之啊，喷射沉积法工艺过程可真是个了不起的东西，它为我们的生活带来了很多的改变和进步。
让我们的材料变得更好、更强，让我们的科技不断向前发展。
所以啊，我们可得好好感谢那些研究和应用这个工艺的人们，是他们让我们的世界变得更加精彩！你难道不这么觉得吗？。
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喷射沉积的概念和原理最早是由英国Swansea大学的A. Singer教授于1968年提出，1970年首次公开报导的。当时他 把熔融金属雾化沉积在一个旋转的基体上，形成沉积坯料， 并直接轧制成带材。Singer等人主要集中在铝合金方面的研 究，一般采用氮气雾化，气体压力为0.55-0.83MPa，获得的 雾化液滴直径为100-150m，喷射距离为0.45m。采用这样的 参数，可以获得致密的雾化沉积带坯，存在的主要问题是带 材的厚薄不均。1974年R. Brooks等人成功地将Singer提出 的喷射沉积原理应用于锻造毛坯的生产，发展了世界著名的 Osprey工艺，开发了适合于喷射沉积的一系列合金，设计和 制造了多种Osprey成套设备，并取得了两项专利。从此， Osprey工艺蜚声于世，成为了喷射沉积工艺的代名词。 Singer教授提出的喷射轧制示意图和Osprey工艺的喷射锻造 示意图如下图所示。
雾化沉积过程的热传导主要是依靠雾化液滴和惰性气体的对流和辐 射进行热交换以及沉积坯通过基底传导和表面气体的对流、辐射进行热 交换来实现的。 根据所选择的工艺参数的不同，经雾化喷射后的颗粒与基底碰撞时， 可以有以下几种状态： (1) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前已凝固，在这种情况下，只能获 得疏松的粉末堆聚体。 (2) 绝大部分颗粒在与基底碰撞前仍保持液相，在这种情况下，金 属在沉积后的凝固行为类似铸造。 (3) 金属颗粒在与基底碰撞时，部分颗粒呈现液态(约占30-50%)， 部分颗粒呈现固态和半固态，碰撞后有可能在基底上形成液体薄层，再 与下层颗粒流结合成致密的沉积层。 (4) 金属颗粒在与基底碰撞时，大部分颗粒呈现液态(约占50-70%)， 由于基底冷却速度快，过冷熔体在基体上迅速冷却而获得具有快速凝固 组织特征的沉积层。这种沉积方式的基体在下一层颗粒碰撞前一般不形 成液体薄层，消除孔隙和溅射边界主要是靠上层较多量的液相。
喷射沉积坯的快速原型技术如图所示，是将快速原型机械 制造技术(RSM)和激光选区烧结技术相结合的一种新技术。它 利用CAD-CAM技术，按层喷射和激光烧结，最后叠合成三维近 形部件。喷射沉积坯的快速原型技术在制造铜、青铜、铝和钴 的喷射沉积坯结果是令人满意的。
熔融金属 感应线圈 坩埚
椭圆形喷嘴
激光源
循环碎屑
碎屑或铸锭
惰性气体 金属液体 控温炉 坩埚 雾化器 惰性气体
坩埚
雾化 液流
毛坯 压模
雾化室 雾化液流 沉积层
锻压
飞边
轧辊基体
锻件碎片 过喷粉末
锻件
剪切
喷射轧制示意图
喷射锻造示意图
发展历程
• 70年代Singer在Swansea Univ.开发出来，主要是喷射 轧制过程； • 随后Ospray Metals 公司开发出Ospray工艺，并获得了 专利； • 美国MIT开发了液体动压紧实技术(Liquid Dynamics Compaction)，通过高压雾化气体，得到细小、快淬 的液滴； • 1988年，美国加洲大学开发了“雾化共沉积技术”， 制备金属基复合材料； • 随后，Lawley提出了“反应雾化成形技术”，可制备 金属基自生复合材料
喷射沉积技术简介
喷射沉积工艺的发展及现状
近几十年发展起来的快速凝固—粉末冶金技术(RS/PM)， 是通过快速凝固制取金属粉末，然后采用各种热致密化工艺 来固结坯料，得到晶粒细小、成分均匀、性能优异的粉末冶 金材料；但该技术存在工艺复杂、粉末氧化严重、难于制备 大件等问题，因此其发展和应用受到一定限制。为了解决上 述矛盾，上世纪60年代末又发展起来一种新型的快速凝固和 成形工艺，称之为喷射沉积或喷射成形工艺。该工艺的诞生 对铸造、粉末冶金等技术产生了深远的影响，成为当今材料 制备最引人注目的方法之一。
① 增强相由反应合成，细小(0.1-5m)且弥散均匀分布；
② 一般来说，增强相表面无污染，与基体结合良好； ③ 增强相热力学稳定，可大幅度提高复合材料的高温性能； ④ 具有工艺简便，成本低的特点，并可制得形状复杂，尺寸大 的构件，被认为是最有前途实现产业化的工艺技术之一。
离心喷射沉积的装臵示意图
喷射轧制
喷射轧制如图所示是最早的一种喷射沉积工艺。这种工艺 可以连续地生产带材，厚度在1mm以上，铝合金的最大厚度可 达18mm。 中间包
喷射轧制示意图
喷射锻造
喷射锻造是Osprey金属有限公司早期发展起来的一种喷射 沉积工艺。气体雾化的金属直接喷射进模子中，或在某些情况 下直接喷射到扁平的衬底或收集器上。直接喷入模子中，预成 形坯形状与模子相同，喷入扁平收集器，预成形坯的形状是由 操纵器的运动决定的。下图为R.Brooks公司的喷射锻造专利装 臵。 金属液体
(2) 产品性能优异
由于在喷射沉积过程中，金属液流通过水冷基体传导传 热和高速气流的对流、辐射传热，因而与铸造工艺相比具有 较高的冷却速度(10-102K/s)，并且能够获得晶粒细小，无宏 观偏析的微晶组织。 (3) 制备复合材料的新方法 喷射沉积是一种制备金属基复合材料的崭新方法，它可 将广范围的颗粒引进到任何基体金属中，并且分布均匀、结 合良好。另外采用此法能够很好地制备层状复合材料，各种 金属交替沉积，形成的层状结构在冷热轧时不必担心脱层， 并且可以在致密金属基体上沉积其他金属和合金。喷射沉积 目前广泛应用于制备金属基颗粒增强材料、摩擦材料、双金 属等层状材料中。
气体 扫描激光束 线性喷射 沉积坯 基底 喷射和激光 作用产物 基底运动
喷射沉积坯的快速原型技术示意图
喷射共沉积法
喷射共沉积法是指在喷射沉积过程中，把具有一定动量的 颗粒增强相喷到雾化液流中，熔融金属和颗粒增强相共同沉积 到较冷基底上，制备颗粒增强金属基复合材料的一种方法。共 喷沉积法仍然是喷射沉积的创始人英国Swansea大学的Singer教 授最早开始进行的研究。在喷射共沉积过程中，增强相加入方 式有三种：一种为颗粒直接从雾化气体管道中加入，一种则是 颗粒增强相直接加入金属熔体中，另一种则是颗粒流直接喷入 金属熔体的雾化锥度中。目前使用最多的方法为最后一种。沉 积坯颗粒增强相含量主要取决于输送颗粒流的速度和密度。
反应喷射沉积
反应合成法又称原位生成复合法，是Koczak等首先于
1989年提出，但实际上最早出现于1967年前苏联Merehanov用
SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的研究中，随后对于此类材料 制备技术的研究和开发应用非常活跃。
与传统的外加增强相的金属基复合材料相比，反应合成具有
如下的优点：
产品 高压气体 坩埚 喷嘴 模冲
喷射室
坯
托架
移动杆
模冲
喷射锻造的专利装置
喷射涂层
喷射涂层示意图
同时喷射喷丸
同时喷射喷丸是 Singer教授1985年提出 的英国专利，它不同于 上述喷射成形工艺，该 工艺金属沉积与致密化 是同时进行的，并且在 喷雾室一次联合操作即 可容易地实现沉积与致 密化密切结合。它可生 产达到理论密度的沉积 物，防止内部氧化的可 能性，从而体现快速凝 固的优点。
喷射沉积工艺和装臵
目前有多种喷射沉积工艺正在应用和研制中。这些工 艺主要是喷雾沉积、离心喷射沉积、喷射轧制、喷射锻造、
喷射涂层、同时喷射喷丸、喷射沉积坯快速原型、喷射共
沉积和反应喷射沉积等。
喷雾沉积
所谓喷雾沉积是指金属液体通过惰性气体雾化，沉积在 基底上的一种喷射沉积工艺。这种工艺是目前应用最普遍的一 种沉积工艺，并被广泛地用于制备管、棒、板(带)坯等。
喷射沉积工艺的基本原理和特点
• 喷射沉积的基本原理
如图所示，喷射沉积工 艺的一般原理是：熔融金属 或合金在惰性气氛中借助高 压惰性气体或机械离心雾化 形成固液两相的颗粒喷射流， 并直接喷到较冷基底上，产 生撞击、粘结、凝固而形成 沉积物。沉积物可以通过各 种致密化加工得到性能优异 的材料。
雾化沉积原理示意图
喷射共沉积制备颗粒增强金属基复合材料具有如下特点：
(1) 喷射沉积制备的颗粒增强金属材料复合材料具有颗 粒增强相分布均匀，颗粒相与基体结合良好，无有害界面反 应、氧含量及夹杂物污染均低的特性。 (2) 喷射共沉积，除惰性气体能吸收大量的热量、提高 熔体凝固速度、抑制基体合金偏析和组织粗化外，增强相颗 粒的加入使得基体的晶粒明显减小。如在8090Al合金+SiCp和 B4C材料中，喷射共沉积基体的晶粒度比喷射沉积基体的晶粒 度减小38%左右，而在Al-2Li-SiCp晶粒度减少了68%。SiC颗 粒除吸收热量，增加基体冷却速度和细化晶粒外，存在晶界 上的SiC还能够使晶界迁移的热力学驱动力降低、对晶界迁移 产生拖曳力，阻碍晶界迁移，达到细化晶粒目的。
• 技术原理
喷射沉积主要由合金熔体的雾化，雾化液滴的飞行 和冷却、沉积坯生长三个连续过程构成。其过程 可以定性的描述为：金属或合金熔体在导流管末 端，被雾化喷嘴出口处的高速气流破碎，雾化为 细小弥散的熔滴射流。熔滴的尺寸在几个到几百 微米，其分布特性与喷嘴设计和雾化参数有关。 熔体射流在高速气流作用下加速，并与气流进行 强烈的热交换，其冷却速率为103-105/s之间，在 达到沉积坯前，因为冷速的不同，小于某个临界 半径的熔滴凝结成为固体颗粒，较大尺寸的可能 仍未液态，而中间尺寸的熔滴含有一定比例的液 相的半固态颗粒，这些大大小小，凝固速度不同 的熔滴，以高速撞击沉积器表面，随之在沉积器 表面附着，铺展（变形或破碎），堆积、熔合形 成薄的半液态层顺序凝固结晶，逐步沉积生长为 一个致密的金属实体，所以喷射沉积是一种把液 态雾化（快速凝固）和雾化熔滴沉积（熔滴动态 致密化）自然的结合起来。实现直接从液态金属 制取具有快速凝固特征，整体致密的坯 件的先进制备技术。
阀 等离子体喷射喷丸装 置示意图
喷射沉积坯的快速原型技术
快速原型技术(Rapid Prototyping，RP)，乃是使用非传 统加工的方法，先由CAD软件设计产生出3-D实体模型(Solid Model)，再经由电脑程式将实体模型转换成为一个STL档案， 此一档案是由小块多边形(Faceted Polygone)来近似一个平面。 接着将此档案传至快速成型系统中，系统依使用者的要求将实 体模型分割成一层一层，再一层一层堆叠出形状。快速原型机 自从推出之后逐渐受到学术界与产业界的注意，其中最主要的 原因是快速原型机具有省时且易于使用及适应多样性产品设计 的优点。