喷射成型技术的研究现状与展望

《喷射成形技术的研究现状与展望》

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班级：材加11-A2

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喷射成形技术的研究现状与展望

摘要：喷射成形是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。介绍了喷射成形技术的原理、特点、工艺改进及在不同材料中的研究及应用情况，综合评述了喷射成形技术在国内外的产业化现状，探讨了喷射成形技术的几个重要应用发展方向。

关键词：喷射成形；快速凝固；技术；前景

喷射成形技术是把金属熔融、液态金属雾化、快速凝固、喷射沉积成形集成在一个冶金操作流程中制成金属材料产品的新工艺技术，对发展新材料、改革传统工艺、提升材料性能、节约能耗、减少环境污染都具有重大作用。由于快速凝固的作用，所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析，且含氧量低。与传统的铸一锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，不仅是一种先进的制取坯料技术，还正在发展成为直接制造金属零件的制程。现已成为世界新材料开发与应用的一个热点。

一、喷射成形技术的发展历程

喷射成形的概念最早由英国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。总体来看，喷射成形技术经历了适用合金系统的实验研究(1975～1984年)、工艺优化和雾化沉积机理的研究(1984～1992年)、雾化技术规模的扩大与产业化(1992～1998年)等自身发展和重大改进的历程。近年来，喷射成形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。

二、喷射成形在金属材料加工中的应用

金属喷射成形是一种新型的快速凝固技术，它有一些优点，如（1）坯料成分均匀，组织细化。加工中可消除坯件中合金成分的宏观偏析，抑制了显微偏析及偏析相的产生。晶粒为均匀细小的等轴晶，其晶粒大小一般在10~100nm之间。（2）固溶度大，氧化程度小。（3）材料致密度较高。（4）喷射沉积效率高。（5）生产流程短，成本低等。

凭借着这些优点它的应用也十分广泛。比如应用在钢材上，如高速钢材料及其制品、轧辊上。应用在高温合金上，应用在铝合金上，应用在层状金属复合材料上等。

此处着重介绍其在铝合金中的应用。铝合金作为金属材料中最典型的轻质结构材料，具有密度低、易加工、成本低等优点，在航空航天、交通运输及兵器工业等行业中占据重要地位。如果利用传统铸造工艺制备铝合金存在很多问题。而应用喷射成形工艺可方便地生产铝合金，且其生产出来地制件具有综合性能高和成本低等优点。目前，运用喷射成形工艺已可生产各种不同成分的铝合金，包括超高强铝合金、高比强度和高比模量铝合金、高硅铝合金、低膨胀和耐磨铝合金、耐热铝合金、颗粒增强铝基复合材料等。如喷射成形出来的AI—Zn-Mg—Cu系合金，它属于超强铝合金，它具有强度高、密度小、加工性能良好等优点，目前已在飞机机身、机翼梁、机舱壁板、火箭高强度结构件、高速列车挂钩等领域获得广泛应用。如果运用铸造工艺生产A1一Zn-Mg-Cu系合金时材料的晶粒粗大。

有明显的宏观偏析，合金有很高的应力腐蚀敏感性并且无法普及应用。而喷射成形技术的发展和逐步成熟使得生产制备各种实用化的Al—Zn—Mg-Cu系超高强铝合金材料及产品变为现实。运用喷射成形技术制备高Zn含量铝合金时。由于合金中的晶粒被显著细化．各种宏观和微观偏析受到抑制。因此可有效控制沉积坯件凝固过程中内部产生热裂的倾向，同时凝固速度加快使沉积坯件中各种合金元素的过饱和度增大，后续热处理过程中各种沉淀相的析出更加充分，从而有利于使材料获得更好的力学性能(如强度、塑性等)。运用喷射成形技术制备的铝合金材料晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、致密度高、氧化程度小、接近成品零件几何形状，且喷射成形工艺具有流程短、成本低、沉积效率高等优点。目前，在工业发达国家喷射成形铝合金已成功地应用于汽车、竞技体育、航空航天等领域。国内的科研院所和有关企业也正致力于该技术及产品的开发，不久也将步入产业化。

三、喷射成形技术的发展趋势

目前金属喷射成形技术已逐步应用于高性能材料的研究和开发中，并已由实验室研究阶段迈向工业应用阶段。在世界范围内，已有几十条Osprey生产线，其产品涉及管、环、板材、棒材等形状。综观世界各国的研究发展热潮，今后的重点研究方向将为：

（1）喷射成形过程的精确控制。金属喷射成形过程是一个众多参数共同作用的复杂过程。研究发现，金属喷射成形的可控参数有近l0个，而过程参数就更多，而且各参数之间相互制约，相互影响，给工艺参数的选择和优化带来一定的困难，因此如何优化工艺、精确控制成形过程是该技术必须解决的问题之一。（2）扩大工艺的适用性。金属喷射成形不仅适用于现有的多种合金，如铝合金和高温合金等，而且给新型材料，如金属间化合物和复合材料的研制，提供了新的技术手段。但目前要想得到形状比较复杂的零件，就必须将大块坯料进行成形加工，因此通过控制工艺、改进雾化沉积装置，将使直接制造各种复杂形状的近终型产品成为可能。

四、总结

喷射成形技术将液体金属的雾化（快速凝固）与雾化熔滴的沉积（动态致密固化）自然结合，以一步冶金操作方式用最少工序直接从液态金属制取具有快速凝固组织特征的大块高性能材料（坯料），解决了传统工艺生产的成分偏析、组织粗大、热加工困难等难题。经过30多年的发展，喷射成形技术作为一种先进的金属成形工艺在世界范围内得到认可，已成为21世纪冶金领域三大前沿技术（熔融还原、近终形加工和半固态加工技术）之一。可以预见，随着人们对其机制和工艺的不断深入研究，对其设备不断完善，该技术与合金熔炼技术和后续致密化工艺结合，必将成为高性能材料的重要生产方式之一。世界工业发达国家的喷射成形技术已进入商业化应用阶段，取得了显著的技术效果和可观的经济效益，成为高新技术的支柱产业。在我国，喷射成形技术仍处于基础研究阶段，其应用的潜力和前景十分广阔。

参考文献：

[1]王建强.喷射成形技术的研究发展及展望[J].世界科技研究与发展,2001,22(1):62-65.

[2]张永昌.金属喷射成形的进展[J].粉末冶金工业,2001,11(6):17-22.

[3]张济山,陈国良.雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展[J].北京科技大学