第二章 喷射成型技术

国际上正在进行研究和开发的科研机构和 企业主要有： 美国的美国海军武器中心 ( NS WC ) 、麻 省理工学 院 ( MI T ) 、D R E XE L 大学 、 加 州理工学院和A L C O A铝业公司等， 英国的牛津大学 、剑 桥 大学 、伯 明翰 大 学 、OS P R E Y公 司 和 F O R G E D R O L L 公司等， 德国P E A K 公司和B R E ME N大学 瑞典S A ND VI K 钢厂以及日本住友重工等。
六、发展状况与பைடு நூலகம்展趋势
喷射成形技术及其发展历程 • 喷射成形的概念最早由英国S wa n s e a 大 学S i n g e r 教授于1 9 6 8 年提出【 2 ] ， 并于1 9 7 2 年获得专利。 • 作为工程技术则是从1 9 7 4 年英国O s p r e y Me t a l s 公司取得专利权开始，该公 司成功地将S i n g e r 提出喷射沉积成形应 用于锻造毛坯的生产，发明了著名的Os p r e y T艺。
• 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。
2、反应喷射成形技术 喷射成形过程中金属液流被雾化成粒径 很小的液滴，它们具有很大的比表面积， 同时温度又较高，这为喷射沉积过程中的 化学反应提供了驱动力。 • 在喷射成形过程中可发生雾化气体与金属 液滴之间的气一液反应等化学反应，这些 反应模式下生成的弥散体粒度细小、分散 均匀，具有较高的应用价值。
℃
实际操作依赖的关键技术
三、喷射成型工艺
金属粉末喷射成型工艺流程为:金属液雾化— — 液滴高速飞行 ——液滴与沉积器(或模具) 碰撞变 形及凝固成形。 • 喷射成型技术根据不同的加工方式为： 喷射轧制、喷射锻造、离心喷射沉积，喷射 涂层。
喷射轧制
喷 射 锻 造
离心喷射沉积
• 熔融金属或合金 注入离心雾化机 内，产生的雾化 液态流以高速射 到冷的衬底上， 碰扁成薄片积聚 冷却凝固成沉积 物，再将其从衬 底上脱出。
4、纯净金属喷射成形技术 该工艺将一个电渣熔炼系统的熔池作为喷 射成形工艺用液态金属熔池．采用冷壁式感应 导板的漏斗形浇口来控制金属液流的传输，该 导板采用感应加热以避免金属液流的凝结。纯 净金属喷射成形工艺通过熔渣中的化学精炼来 达到理想的纯净水平，同时采用铜制控制 （CIG）系统避免了传输过程中的污染。并在 工艺过程中仅少量金属处于液态．减少了伴随 大量金属熔化时带来的各种问题，同时减少了 能量损失。该工艺与粉末冶金工艺相比，生产 步骤大大减少，而产量明显提高。产品成本低， 性能优越，可替代粉末冶金工艺制造航空发动 机涡轮盘。
5 、控制往复喷射成形技术
针对多层喷射成形工艺存在的采用紧耦合 雾化器， 雾化喷射流分散，喷射密度低，形成 大量孔隙等问题，上海交通大学的张豪等人在 对工艺控制模型、雾化器结构和成套设备深入 研究的基础上，开发出控制往复 喷射成形技术 和装置，于2 0 0 3 年申请了控制往复喷射成形 工艺的发明专利，并于2 0 0 4 年首次在我国发 起成立华通喷射成形有限公司，专业从事喷射 成形产业化。 获得有益效果是：沉积坯凝固速率高 ( 大 于1 0 4 K ／ s ) 。 组织精细 ( 平均晶粒度 0 ． 9 ～ 2 0 μ m) ，同时，致密度高 ( 大于9 6 ％) 、层界面缺陷少，适宜制备大规格的沉 积坯 ( 管坯、锭坯、板坯等) ，材料收得率大 幅度提高( 大于8 5 ％) 。
五、产品性能
与用传统铸造或变形工艺制备的材 料相比：采用喷射成形工艺制备的材料 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。
与传统的粉末冶金工艺相比
总体来看，喷射成形技术经历了：适用合金 系统的实验研究 ( 1 9 7 5 —1 9 8 4 年) ——工艺 优化和雾化沉积机理的研究 ( 1 9 8 4 - -1 9 9 2 年) ——雾化技术规模的扩大与产业化 ( 1 9 9 2 -1 9 9 8 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。~2 0 0 0 年开始， 每3 年举行一次喷射沉积及熔体雾化国 际会议，最新的第三届会议于2 0 0 6 年在德国不 来梅大学召开 ( 2 0 0 9 年9 月在此还将召开第4 届喷射沉积及熔体雾化国际会议暨第七届喷射成 形国际会议)
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。
1， 把金属原料置于坩 埚中，在大气或真空中熔炼。 达到一 定过热度后，典型
值为50～200 ，释放 金属流进入雾化室。 2，在雾化室中金属流 被惰性气体分散成液滴飞向 沉积器，沉积成致密的坯体。 3，沉积器为板状或棒 状，通常采用水冷或不冷却。 根据沉积器形状及 运动方 式的不同，沉积坯可以为板 状、棒状、管状或带状。
喷射成型是将喷射沉积与成形技术结 合一起进行加工金属或合金成半成品或成 品的新工艺。 它是将雾化液态微粒先沉积为预成形 实体，然后进行各种形式冷热加工成板、 带、棒、管材。 《粉末冶金原理》
二、喷射成型工艺的原理
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。
喷射涂层
• 熔融金属通过喷 嘴将金属液流喷 射成雾状液态微 粒涂积在基地上， 相互结合一起形 成一层薄的涂层。
喷射成型新工艺
1、多层喷射沉积技术 传统喷射成形技术存在其局限性，即沉积物 冷凝速度受到一定限制，喷射沉积坯尺寸精度不 高。 陈振华等创立了多层喷射沉积技术。 它区别于传统喷射沉积技术之处在于：沉积 坯为多次合成构成，因而冷凝速度高于传统喷射 沉积坯：沉积坯为金属喷嘴多次往返移动喷射沉 积而成．因而管坯可很厚而冷却速度不受影响。 且板坯的宽度及长度都可很大；沉积坯的尺寸精 度高；制备的复合材料均匀性非常好。
• (4)工序简单，成本低。 喷射成形将熔体的雾化和沉积两个过 程合二为一，可直接由液态金属制取快速 凝固预成形毛坯，而一般的快速凝固工艺 制取的材料 (如粉末)，尺寸很小，难 以直 接加工成产品，通常需经粉末冶金工艺的 制粉、储存、运输、筛分、压制烧结或挤 压、锻造等工序成形。相比之下，喷射成 形工艺大大减少了产品制备工序，缩短了 产品的生产周期，提高了生产率。
3、原位反应雾化喷射成形技术 近年来，反应喷射成形技术得到迅速 发展。但增强相均为在雾化室中通过气一 液和液一固等反应原位生成，这种技术未 能很好解决颗粒在基体中分布不均的问题， 且增强相的利用率仍然较低。为了提高增 强相的利用率，产生了这种新的技术。可 沿用用现行喷射沉积成形制备金属材料的 各项工艺参数，设备无需做任何改动。
也有这样的说法
• 喷射成形技术是继铸造冶金和粉末冶金方 法之后发展起来的第三类金属材料制备新 方法。该技术人为地控制金属熔体从液态 到固态的凝固过程，包含了金属液的雾化、 液滴在飞行过程中的冷却凝固及到达沉积 器后的融合与后续的凝固。喷射成形组织 是金属熔体分散、分步、分时凝固的综合 结果。
课本上的定义
( 5 ) 提 供 了 生 产 金 属基 体 复 合 材 料 的 新 方 法。 在 喷射成形过程 中把增强粒子 引 入金属雾 化 流中就能够在沉积器上得到金属基体复合坯。喷 射成形过 程快速凝 固的特点减少 了增 强粒 子 与 基 体发 生界面反应 的可能 。 ( 6 ) 灵活性强。 喷射成形可制造其它工艺不易制造 的材料 ，如 A l 、 P b 、 C u 、 Mg 、 N i 、 T i 、 C o合金 和特种钢等， 在某些领域的应用， 可代替传统的 粉末冶金。
• 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。喷射成 形 是一种金属液滴 的直接 固化成形工 艺。 由于在 凝 固时基本不发生 金属 液的流动 ，喷射沉 积毛 坯中不出现一般铸造条 件下所发生的缩孔 或疏 松 ，而且喷射沉 积工艺减小 了氧化，降低 了杂 质 含量，避免 了粉末固化时 由于污染而 产生的 孔 洞， • 因此 ，采 用喷射沉积工艺 可获得较高致 密度 的毛坯 。
6 、双极雾化喷射成形技术 袁晓光、张卫方设计制造由超音速气体 雾化和旋转盘雾化组成的双级雾化装置， 采用AI ． 2 0 S i 合金进行了工艺性试验 ， 双级雾化快速凝固装置的冷却速度大大提 高，对快速凝固理论的研究和新材料的开 发都具有重要的意义 。
四、喷射成型工艺特点
• (1)快速凝固组织特性。 • 喷射成形属快速凝固范畴，其冷却速 度一般在 103～104K／s之间。沉积时高速 雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎， 晶粒普遍细化并形成细小、均匀的等轴晶 组织。在快速凝固过程中，溶质原子来不 及扩散和偏聚，使得合金成分趋于均匀， 减少或消除了偏析现象，并易于出现亚稳 相。
• (2)含氧量低。 喷射成形过程一般在惰性气体保护下 完成，避免了高温金属与大气的接触，减 少了氧化程度。而且液态金属一次成形， 工序简单，避免了粉末冶金工艺中因贮存、 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。
• (3)较高的材料致密度。 与粉末冶金工艺相比， 喷射成形是一 种金属液滴的直接固化成形工艺。由于 在 凝固时基本不发生金属液的流动，喷射沉 积毛坯中不出现一般铸造条件下所发生的 缩孔或疏松，而且喷射沉积工艺减小了氧 化，降低了杂质含量，避免了粉末固化时 由于污染而产生的孔洞，因此，采用喷射 沉 积工艺可获得较高致密度的毛坯。
第二章 喷射成型技术
主要内容
• • • • • • • 一，喷射成型概述 二，喷射成型工艺的基本原理 三，喷射成型工艺 四，喷射成型工艺特点 五，产品性能 六，发展状况与发展趋势 七，结束语
一、喷射成型概述
• 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，这是二十世 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。
举例
• 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
• 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。