第二章 喷射成型技术
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。
第二章 喷射成型
品整体性好，无接缝；
–可自由调变产品壁厚、纤维与树脂比例。
• 缺点
–现场污染大； –树脂含量高，制品强度较低。
第二节 喷射成型机工作原理
1.压力提供胶液喷射成型机 2.泵供胶式喷射成型机
1、压力提供胶液喷射成型机
胶液分别装在几个压力罐中，靠输入罐 中一定压力的气体为动力，迫使胶液通过管 道进入喷枪而被连续喷出。
压力提供胶液喷射成型机
主要由压力贮罐(气体/胶液)、树脂 喷枪、纤维切割喷射器、小车、支架等部 分组成。
此外，还有压缩空气和树脂胶液管道 和控制阀。
1 2 10 3 4 58 9 11 12
6
7
13
1-气水分离器；2-气阀门；3-调压阀；4-放气阀；5-调压阀；6， 7-压力罐；8-安全阀；9,10-调压阀；12-纤维切割喷射器； 11,13-树脂喷射器
纤维切割不准(误切)而要调整切割辊与支承 辊间隙时，为使纤维喷出量不变，也调整一 次气压。如必要时，需用转速表校验切割辊 转速。
喷射成型时，在模具上先喷上一层树脂，然 后再开动纤维切割器。 喷射最初和最后层时，应尽量薄些，以获得 光滑表面。
喷枪移动速度均匀，不允许漏喷，不能走弧 线。相邻两个行程间重叠宽度应为前一行程 宽度的l/3，以得到均匀连续的涂层。前后涂 层走向应交叉或垂直，以便均匀覆盖。 每个喷射面喷完后，立即用压辊滚压，要特 别注意凹凸表面。 压平表面，整修毛刺，排出气泡，然后再喷 第二层。
13
一路经调压器9用于驱动纤维切割喷射器气动
马达而带动切割辊旋转，实现纤维的连续切断； 一路经调压阀10供给喷枪使胶液雾化和供给纤 维切割喷射器喷射短切纤维。 各路工作气体的压力和流量分别由各自的调压 阀和气阀控制调节，并有相应仪表显示。
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。
(完整版)第二章喷射成型技术材料制备技术
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第2章 喷射成型技术
图2-22 国内采用喷射成形工艺制备的CuCr50合金触头材料
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喷射成型铜合金
汽车工业中大量使用的焊接电极头，要求有好的电导性、高的硬度和
足够高的高温强度，以保证产品的使用寿命，降低维护费用。德国Wieland 工厂1991年进入这一领域从事开发，他们利用喷射成型技术制备的Cu-CrZr电极头，具有均匀细小的显微组织，其寿命 是连珠电极头的2倍；开发的 氧化铝颗粒增强Cu-Cr-Zr复合材料电极头，以用于汽车工业中镀锌钢板的 焊接。该公司利用喷射成型技术制备了长达2500mm的铜合金棒坯，如图221所示。如图2-22所示为我国的白净有色金属研究总院和北京科技大学利 用喷射成型技术开发出了高熔点的CuCr50和CuCr25合金触头材料棒坯， 材料中的Cu基体呈网格状分布，而类似球形的Cr相均匀分布在Cu基体上， 其中Cr相颗粒尺寸平均值为15ｕｍ
12
图2-9 共喷射沉积工作原理示意图 1一雾化室；2一熔化炉；3一雾化器；4一沉积体； 5—压力释放罩；
6一粉末回收料；7一搜集室
第2章 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
反应合成金属基复合材料技术主要可分为三种 类型：
液态反应合成，主要包括气-液反应法、 固-液反应法和加盐反应法等；
20
第2章 喷射成型技术
图2-17 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7000系 铝 合金锻件/挤压件
21
第2章 喷射成型技术
图2-18 美国Howment公司生产的喷射成形高温合金环形件
喷射成型高温合金 高温合金中的强化元素多，成分复杂，使得热加工性能变差。传统的铸造高温合金 具有严重的组织偏析，晶粒较为粗大，快凝粉末冶金工序繁多，成本昂贵，氧化严 重。
喷射成型
B. 中心区
在激冷区之上，形成均匀分布的等轴晶组织
C. 上表面区
由于表面冷却增加，表面显微组织进一步细化， 疏松略有增加
喷射成形的研究与开发状况
• 国内发展：我国的喷射沉积技术研究始于 20世纪80年代中后期，主要还是沿用 Osprey模式。
喷射成形材料研究与产品开发
• 喷射成形技术为生产性能优良、价格低廉 的材料和产品提供了一种独特的工艺方法。
喷射成形材料研究与产品开发
• 喷射成形制备钢铁：目前喷射成形钢铁材 料的研究主要集中于现有合金的成本降低 和性能改进，而发展新合金材料的研究较 少（高碳高速钢，工具钢，不锈钢，轴承 钢，低合金钢，）
简介
喷射成形——半固态近终形加工技术
定义：熔融金属或合金 高速惰性气体 液态微滴 金属基板表面 半固态薄层(预成型毛坯)
喷射成形的研究与开发状况
• 在21世纪冶金三大前沿技术—熔融还原、 近终形成性和半固态加工技术中，喷射成 形作为一种半固态近终形成性技术，备受 国内外广大研究者的青睐。
喷射成形的研究与开发状况
一．Osprey
申请Osprey公司使用许可证的用户已超过40家
二．LDC
开发了著名的超声雾化喷嘴，但目前还没有建 立起一家生产型工厂
三．二者最大区别
LDC的冷却速度比Osprey更快，更快 的冷速带 来沉积坯件的显微疏松更加明显
Osprey工艺流程
过程及关键影响因素
沉积过程显微组织演化
• 一般分三个区 A. 激冷区
Al-60~70Si合金热沉片
喷射成形的综合评价和未来展望
• 1.加快产业化步伐 • 2.完善理论模型 • 3.在材料方面，按照快速凝固工艺的特点建 立新型喷射成形合金体系 • 4.进一步降低成本 • 5.工艺方法的拓展 • 6.结合先进的熔炼工艺技术
金属材料制备喷射成型技术
工作组制作
工作组制作
由V6钢淬火后再经回火处理试样拍摄的TEM照片上， 可以清晰看到，细小碳化物析出明显增加，图14(a) 至图14(c)这组TEM照片非常清楚地展示了这种微观 组织形貌特征，其中图14(b)尤为突出。图14(d)则为 大块碳化物颗粒分布于回火马氏体基体上的形貌像， 这种大尺寸碳化物颗粒很可能是具有简单立方结构的 V8C7相，X射线衍射分析已经证明此种碳化物的存在， 表明上述推测是合理的。
演讲人：辛宏辉
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喷射成形对钢组织 的影响
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喷射成形原理简介
工作组制作
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喷射成形工艺也称雾化喷 射沉积成形工艺，该工艺是 由金属熔体雾化以及雾化液 滴沉积在基板上形成不同形 状工件的两个基木过程组成。
工作组制作
喷射成形装置主要由熔化室、雾化室和沉积器构成。熔化室 的作用是熔炼金属，对于活泼金属可以在真空或保护气氛下 进行熔炼。熔化室中的熔融金属，经过导液管而进入雾化室 内。雾化室的上端是喷嘴.高压惰性气体如氮气或氢气送入喷 嘴.经过环状排列的小孔或环缝向外高速喷射，使从导流管流 出的金属熔液细流雾化成细小液滴，并形成雾化锥。雾化室 的下部是沉积器，从喷嘴飞出的细小液滴经过动量传递过程， 被高速气流加速而飞向沉积器。在飞行过程中，细小液滴通 过能量传递失去热量而降温，根据失去热能的多少液滴抵达 沉积器时，可以仍保持液态，也可以已经完全凝固为固态， 还可以处于半固态。
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喷射成形V6冷作模具钢的组 织结构研究及与锻造态组织 比较
工作组制作
引言：采用喷射成形工艺制备了Vanadis6 (V6) 冷作模具 钢,并对不同状态下的组织结构进行了观察分析。铸造态 V6钢存在严重的枝晶偏析，这种极差组织是很难通过后 续热加工与热处理加以改善的；而喷射态V6钢具有细小 的等轴晶组织，碳化物主要分布在基体中，在晶界上也 出现了一些形状不规则的较大尺寸碳化物和少量共晶莱 氏体组织，但与铸造态V6钢相比，喷射态V6钢的组织有 了极大改善。经过球化退火处理，喷射成形V6钢获得了 优良的球化组织。根据X射线衍射及TEM试验观察分析， 对喷射态、淬火态以及回火态V6钢的相组成进行了鉴别。
金属喷射成形技术
金属喷射成形技术1. 简介金属喷射成形技术是一种先进的制造工艺，通过高速气流将金属粉末喷射到工件表面，利用热源将金属粉末熔化并与工件表面结合，从而实现零件的制造和修复。
这项技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域。
2. 工艺过程金属喷射成形技术主要包括以下几个步骤：步骤一：准备工作在进行金属喷射成形之前，需要对工件进行清洁和预处理。
清洁可以去除表面的污垢和氧化物，提高附着力。
预处理可以提高金属粉末的润湿性和流动性。
步骤二：喷射装置设置喷射装置是实现金属粉末喷射的关键设备。
它通常由气源、加热源、控制系统和喷嘴组成。
气源提供高速气流，加热源提供热能使金属粉末熔化，控制系统用于调节气流速度和温度，喷嘴用于将金属粉末喷射到工件表面。
步骤三：金属粉末喷射在喷射过程中，金属粉末通过喷嘴被高速气流带到工件表面。
加热源提供的热能使金属粉末熔化，并与工件表面结合。
这一过程需要控制气流速度、温度和喷射角度，以确保金属粉末能够均匀地覆盖整个工件表面，并且与工件表面结合牢固。
步骤四：冷却和后处理在金属粉末与工件表面结合后，需要进行冷却和后处理。
冷却可以使金属快速固化，增加材料的硬度和耐磨性。
后处理包括清洁、修整、抛光等步骤，以提高零件的质量和外观。
3. 优点和应用领域金属喷射成形技术具有以下优点：•高效：喷射速度快、生产周期短。
•精密：可以制造复杂形状的零件，精度高。
•节约材料：金属粉末利用率高，浪费少。
•可修复性：可以修复损坏的零件，延长使用寿命。
金属喷射成形技术广泛应用于以下领域：航空航天金属喷射成形技术可以制造航空发动机叶片、涡轮盘等关键零件。
这些零件通常需要具备高温、高压和高速的性能要求，金属喷射成形技术能够满足这些要求，并提供更好的性能和可靠性。
汽车制造金属喷射成形技术可以制造汽车发动机缸体、曲轴箱、排气管等零件。
这些零件通常需要具备轻量化、耐磨、耐腐蚀等特点，金属喷射成形技术能够满足这些要求，并提供更好的燃烧效率和可靠性。
喷射成形工艺
合 金 管 这 些 高强 度 高温 合 金 还 可 用 于 涡 轮
盘 对 涡 轮 盘 来 说 纯 净度对 满 足 低周 疲 劳
, ,
。
性能要 求 极 为重要
括三 次熔 炼
,
。
。
传 统 的 涡 轮 盘合 金 的 主要 制造 方 法 包
第一 次为真 空 感应熔 炼
。
图
结合
、
和 喷射成 形 的
工艺
主 要 是 为 了 产生 基 本 成 份
第二 次
飞 机 发 动机公 司供 图
年第 由
、
期
和
金
形 铝 一 硅 元 件 的 最 大 的 潜 在 市 场 与铸 件 相
,
属 公 司合 作 在 通 用 电气 公 司 建造 的 一 台大
型 喷 射成形 试验设备上 进行 了试验 以证 明
,
比 重 量 的减 轻可 提 高汽 车 发 动机 的功 率并
,
可 降低 振动 处 于 新 的 发 展 阶段 的 其 它 铝 合
。
成形 件 仍 会 存 在 一 些 孔 隙
。
最后 必须 指 出
,
环 形 件 的 机 械 性 能 与铸 件 和 锻 件 的 一 样 甚
至 更好
喷射 成 形 的坯 件 晶粒 细 而 无 偏析
。
生 产 能力 大 的制管设 备 喷 射成形 的 管
子分 成 几 种规格 再 经 环形 轧 制 这样 就 能
, ,
的特殊
钢坯件
・
喷 射 成 形 制 成 高 精 度 的致 密 的铝 硅 合 金 挤 压 坯 件
开 发 了 一 些 新 型 铜 合 金 以 及 建 造 了 喷 射 成形 生 产 铜 合 金 坯 件 的 试 验 设 备
喷射成形技术及其在钢铁材料上的应用
*上海宝钢集团 十五 重大项目资助(BG010102)颜飞:男,博士研究生,主要从事喷射成形材料的研究工作 T el:021 ******** 2219 E mail:yanfeisjt u@喷射成形技术及其在钢铁材料上的应用*颜 飞1,徐 洲1,史海生2,樊俊飞2(1 上海交通大学高温材料与高温测试开放实验室,上海200030;2 上海宝钢技术中心前沿所,上海201900) 摘要 喷射成形是近年来发展非常迅速的一种近终成形先进冶金工艺技术。
与传统铸造工艺及粉末冶金工艺相比,喷射成形设备、工艺简单,能生产偏析小、晶粒细、致密度高的材料。
喷射成形技术在铝基合金、铁基合金、高温合金、铜合金及复合材料等方面都得到了广泛的应用。
主要介绍该技术的原理及其在钢铁材料方面的应用情况,并讨论了它在钢铁领域的发展趋势,指出喷射成形工艺是一种有望替代粉末冶金工艺生产高合金钢材及一些特殊钢材的崭新工艺。
关键词 喷射成形 快速凝固 粉末冶金Spray Forming Technology and Its Application in Iron &S teel MaterialsYA N Fei 1,XU Zhou 1,SHI H aisheng 2,FAN Junfei 2(1 Key Labor ator y fo r H ig h T emper atur e M aterials and T ests of M inistry of Educatio n,Shang ha i Jiaoto ngU niversit y,Shanghai 200030;2 Shang hai Bao steel Research Institut e,Shang ha i 201900)Abstract Spray for ming is a new shape technolog y which develo ped r apidly in recent year pared w ithco nv ent ional casting and po wder metallurg y,equipments and technolog y of spray fo rming are more simple,and it can pr oduce the matarials w ith small seg reg atio n,fine g rain size,and hig h densit y.Spray form ing has been w idely used in aluminum ir on copper based alloy s,high temper atur e allo ys and metal composites.M echanism and application in ir on &steel mater ials ar e intro duced in this paper and its dev eloping tr end is also discussed.It is pointed o ut that spra y for ming is a new techno lo gy w hich may take the place of pow der meta llur gy to pro duce hig h alloy ed steels and some special st eels.Key words spray for ming,rapid so lidification,po wder metallurg y0 前言喷射成形(Spray F or ming)也称喷射铸造(Spray Casting )或雾化沉积(Spray Deposit ion),该工艺实际上是由雾化和沉积2个基本过程所组成。
喷射成型工艺技术-复合材料
喷射成型工艺要点
8 喷枪移动速度均匀,不允许漏喷,不能走弧线.相 邻两个行程间重叠宽度应为前一行程宽度的 1/3,以得到均匀连续的涂层.前后涂层走向应 交叉或垂直,以便均匀覆盖. 9 每个喷射面喷射完后,立即用压辊滚压,要特别 注意凹凸表面.压平表面,修整毛刺,排出气泡, 然后再喷出第二层.
喷射成型工艺要点
喷射成形工艺
n n n n
n n n n n
喷射成型的优点： ①用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本； ②生产效率比手糊的高2～4倍； ③产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂 含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好； ④可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗； ⑤产品尺寸、形状不受限制。 其缺点为：①树脂含量高，制品强度低； ②产品只能做到单面光滑； ③污染环境，有害工人健康。
浸润不良产生的原因
1 树脂黏度高 2 树脂与玻璃纤维喷涂直径不一致 3 玻璃纤维含量高 4 凝胶快
浸润不良的防治
1 使黏度降低到0。8Pa.s以下 2 调整喷涂直径 3 降低含量 4 减少固化剂用量,调节作业场温度
固化不良产生的原因
1 树脂反应性过高 2 固化剂分散不良
固化不良的防治
1 降低反应性 2 调整固化剂喷嘴 3 检查喷射器,混合器,和储存器 4 使用稀释剂的引发剂应增加喷出量
气动型
气动型是用空气引射喷涂系统,靠压缩空 气的喷射将胶衣雾化并喷射到模具上.部 分树脂和引发剂烟雾被压缩空气扩散到 周围的空气中,因此这种形式已经很少使 用.
液压型
液压型是无空气的液压喷射系统,靠液压 将胶液挤成滴状并喷涂到模具上.因为没 有压缩空气的液压喷涂系统,所以没有烟 雾,材料浪费少.
喷射成型制品的缺陷与防治
喷射成型制品的缺陷种类
第二章 喷射成型技术
• （2）扫描型喷嘴 • 扫描型喷嘴和倾斜布局能使雾化锥的熔滴质量(流率)分 布更趋均匀, 扫描喷嘴和倾斜布局降低坯件疏松,改善表 面质量 ,使沉积材料收得率平均提高约 10%。 • （3）双喷嘴 • 双喷嘴系统使坯件的温度剖面得到很大改善,两个射流相 互覆盖,射流中液相的含量可以按坯件的半径来控制,从 而促进沿坯件半径组织更加均匀, 金属流率高、气体消 耗少，沉积收得率进一步提高80%，表面疏松减少。
率，以增加沉积过程的冲击力，提高沉积体的致密度。
• （3）沉积阶段： • 喷射沉积过程中最关键的阶段。 沉积颗粒由液态、固态和半固态 雾滴组成。 • 通过改变沉积器的位向和运动方 式、沉积器与雾化喷嘴之间的距 离、沉积器的表面状态等，可得 到所要求形状。
喷射成型带材的原理示意图 1-熔液池 2-铸带 3-导轨 4-激 冷带 5-除尘系统 6-雾化系 统 7-惰性气体室直浇道
喷射成形技术工艺分析
• 喷射成形可分四个阶段：雾化阶段、喷射阶段、沉积 阶段、沉积体凝固阶段。 • （1）雾化阶段： • 利用高速流体（一般为惰性气体）将熔融金属液粉碎 成小液滴的过程，主要有气流雾化、离心雾化和机械 雾化。 • 颗粒尺寸呈对数正态分布，尺寸随气流的增大而减小
，合金液的表面张力及粘度越小、密度越大，越容易
•
a、常规变形合金 b、喷射成形合金 • GH742 合金的热工艺塑性
（6）力学性能 喷射成形细化了晶粒组织 ,材料的拉伸强度和塑性均 得到明显提高,一般高于常规变形工艺,与粉末冶金工艺相 当。同时 , 喷射成形 由于快速凝固作用 , 提高了合金元 素的固溶度 , 抑制 了初生相的粗化 , 从而提高了合金的 综合性能。
得细小的液滴。
雾化影响因素： 雾化介质压力 金属液与雾化气体的流量比 喷嘴结构
第二章 喷射成型技术
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
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
• 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。
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。
喷射成形
已采用喷射成形工艺成功制备：
（1）铝合金、铜合金、合金钢、不锈钢、高温合金和复合材料； （2）圆锭、管材、板材、带材、环形件等； （3）大尺寸、高性能的产品
4
South China University of Technology
College of Mechanical Engineering
2.2 喷射成形的基本原理和特点
A high-pressure diecast engine block with spray formed Al-Si cylinder liners (Daimler-Benz)
20
South China University of Technology
College of Mechanical Engineering
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South China University of Technology
College of Mechanical Engineering
过共晶Al-Si合金
(a) Spray formed
(b) Cast
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South China University of Technology
College of Mechanical Engineering
喷射成形技术的优势与不足
主要优势和特点： (1)致密度高；(2)成形后合金的氧含量低；(3)具有快速凝 固的显微组织特征；(4)材料性能优异且易加工成形；(5)工 艺流程短，成本低；(6)节约能源；(7)生产效率高；(8)灵 活的柔性制造系统；(9)近终形成形。 主要不足之处： 1）存在“过喷”现象，增加了成本，降低了沉积效率。 2）产品的形状和尺寸受到一定限制。 3）综合理论研究深度不够，难以有效指导实际应用。
特种工艺在航空发动机制造中的应用
特种工艺在航空发动机制造中的应用随着科技的进步和市场需求的变化，航空发动机也在不断地提高其性能和可靠性，而其中一个重要的手段就是运用特种工艺。
在航空发动机制造中，特种工艺包括许多方面，例如超声波检测、喷射成形、钛合金等，这些技术的应用大大提高了航空发动机的质量和可靠性。
第一步：超声波检测超声波检测是一种利用声波的反射和穿透性进行质量检测的非破坏性方法。
在航空发动机制造中，超声波检测常常用于对发动机零件内部的缺陷、裂纹等问题的检测。
在加工前，通过超声波检测零件的内部缺陷，可以及时发现问题进行处理，避免零件在使用过程中出现问题。
在加工后，超声波检测也可以用于对零件的质量进行检测，保证零件的完整性和可靠性。
第二步：喷射成形技术喷射成形技术是将喷射材料在高速气流或气体喷射的作用下快速冷却成型的一种制造技术。
在航空发动机制造方面，针对一些特殊的零件，喷射成形可以减少生产零件所需的时间和成本，提高生产效率，同时保证零件的高质量。
在发动机的制造中，使用喷射成形技术可以减少零件的错配率和废品率，大大提高了零件的一致性和质量。
第三步：钛合金钛合金是一种轻量、高强度的金属材料，也是航空发动机制造中经常使用的材料。
由于钛合金具有很好的耐高温、抗腐蚀和机械强度等优点，特别适合用于航空发动机制造中。
应用钛合金轻量化技术可以大大降低发动机重量，提高发动机效率，其优异的高温抗氧化性和较高刚性，还可以保证发动机的稳定性。
总的来说，特种工艺在航空发动机制造中的应用主要包括超声波检测、喷射成形技术和钛合金等。
这些技术的应用不仅提高了航空发动机的质量和可靠性，同时也大大提高了生产效率、降低成本和建设环保型工厂。
未来的航空发动机制造，特种工艺将有更深入的应用和更广阔的视野。
材料制备新技术(许春香) 第二章_喷射成型技术
2.8 喷射成形技术的工业化应用现状 2.8.1 喷射成形铝合金
图2-15 国内采用喷射成形过共晶A1—Si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 2.8.1 喷射成形铝合金
图2-16 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
2.8 喷射成形技术的工业化应用现状 2.8.1 喷射成形铝合金
表2-6 不同快速凝固工艺制备的过共晶Al-Si 系合金的力学性能
力学性能 合金及成分 状态 制坯工艺 抗拉强度 бb/MPa 290 244 386 476 296 425 333 254 283 325 380 屈服强度 б0.2/Mpa 290 162 233 363 233 380 253 207 197 260 260 伸长率 δ/% 19 7 5 15 5 13 20 18 8.5 2
A390 Al-12Si A1-12Si-2Cu A1-12Si-2Cu Al-l2Si-3Mg A1-12Si-3Mg A1-12Si-1.1Ni Al-12Si-0.5Co A1-12Si-0.07Sr A1-12Si-7.5Fe A1-20Si-7.5Fe
金属型铸造+T6 RS/PM+热挤压 RS/PM+热挤压 RS/PM+热挤压 +T6 RS/PM+热挤压 RS/PM+热挤压 +T6 RS/PM热挤压 RS/PM+热挤压 RS／PM+热挤压 RS/PM+热挤压 RS/PM+热挤压
2.8 喷射成形技术的工业化应用现状 2.8.1 喷射成形铝合金
（a）生产设备 (b) 合金圆锭产品 图2-13 喷射成形过共晶Al-Si系合金圆锭生产设备和产品(德国PEAK公司)
快速凝固与喷射成形技术
快速凝固与喷射成形技术在现代材料科学与工程领域，快速凝固与喷射成形技术正以其独特的优势和创新的应用，为材料性能的提升和新产品的开发带来了前所未有的机遇。
这两项技术的出现，不仅改变了我们对传统材料制备方法的认知，还为解决许多工程领域的难题提供了有力的手段。
快速凝固技术，顾名思义，是一种能够使液态金属或合金在极短时间内冷却并凝固的方法。
在传统的凝固过程中，由于冷却速度较慢，原子有足够的时间进行扩散和重新排列，从而形成粗大的晶粒和偏析等结构缺陷。
然而，快速凝固技术能够极大地抑制这种扩散和重排，使得凝固后的材料具有细小的晶粒、均匀的成分分布以及特殊的亚稳相结构。
这种细小的晶粒结构带来了诸多优异的性能。
首先，材料的强度和硬度得到显著提高。
因为晶粒越小，晶界越多，而晶界是阻碍位错运动的有效障碍，从而增强了材料的抵抗变形的能力。
其次，快速凝固材料通常具有更好的耐腐蚀性。
均匀的成分分布减少了局部的电化学差异，降低了腐蚀发生的可能性。
此外，一些在常规条件下难以获得的亚稳相，如过饱和固溶体和非晶态结构，也可以通过快速凝固技术实现，这些亚稳相赋予了材料独特的物理和化学性能。
实现快速凝固的方法多种多样，其中常见的有雾化法、熔体急冷法和深过冷法等。
雾化法是将液态金属或合金通过高速气流或水射流破碎成细小的液滴，然后在冷却介质中迅速凝固。
熔体急冷法则是将液态金属直接喷射到高速旋转的冷却辊上，实现快速冷却。
深过冷法是通过消除液态金属中的异质形核核心，使其在较大的过冷度下自发形核并凝固。
喷射成形技术则是在快速凝固技术的基础上发展起来的一种先进的材料制备技术。
它将金属的熔化、雾化和沉积成形过程集成在一个工序中，实现了近终形的材料制备。
在喷射成形过程中，液态金属被雾化成细小的液滴，然后这些液滴在飞行过程中快速凝固，并直接沉积在预先准备好的基底上，逐渐形成所需形状和尺寸的坯料或零件。
相比于传统的铸锭冶金和粉末冶金工艺，喷射成形技术具有许多显著的优点。
传统喷射成型
第二章 手糊成型工艺
筒体壁厚计算公式：
课件
PDB S＝ C (mm) 2[ ] P
2.5 热 压 釜
P ——设计压力 MPa ， P＝1.05～1.1P工作； DB ——筒体内径； [σ] ——筒体材料许用应力MPa， 3号钢[σ]=114 MPa； ξ ——焊缝系数，ξ=0.85； C ——设计裕度 mm， C＝C1＋C2＋C3； C1 ——钢板负公差附加量 C1＝0.8； C2 ——腐蚀裕度 C2＝1； C3 ——封头冲压减薄量（对筒体C3＝0，对封头C3＝0 .8）
RIM不含增强材料与填料；RRIM含增强材料与填料。
(2) RIM、RRIM成型设备的基本组成 供料系统，注射系统，混合头（P52图2－33自清 洗混合头），模具，运模器。 （3）RIM、RRIM的模具 设计要点：7点 P52。
材质：合金，钢、铝等合金。
第二章 手糊成型工艺
2.6.2.2. RIM与RRIM的原材料
图2-17 玻璃纤维三辊切割喷射器
4-垫辊；5－牵引辊；6－切 1-机壳；2-进气管；3-气动马达； 割辊；9－玻璃纤维 4－喷枪
2.4.4.2 分类
树脂胶液喷枪
1、单嘴、双喷嘴、多喷嘴喷枪； 2、气动控制、手动控制喷枪； 3、气压雾化、液压雾化 喷枪； 4、内混合式、外混合式喷枪（树脂与引发剂）
（1）树脂系统（聚氨脂，聚脂，环氧，尼龙等）
要求5点见P52。 （2）增强材料 见P53 表2－25。 2.6.2.3. 工艺特点及工艺性能 （1）RIM及具有的特点 7点 P53 8点 表2－26
（2）RRIM具有的特点
（3）制品具有的基本性能
2.7 劳动保护
一.原材料毒性
粘结剂喷射成型技术
粘结剂喷射成型技术粘结剂喷射成型技术（Jetting Technology for Adhesive Bonding）引言：粘结剂喷射成型技术是一种现代化的粘接工艺，通过将粘结剂以喷射的方式施加到需要粘接的物体表面，实现材料的粘合。
它具有高效、精确、可重复性好等优点，在各个领域得到了广泛应用。
本文将介绍粘结剂喷射成型技术的原理、应用范围以及未来发展方向。
一、原理：粘结剂喷射成型技术主要依靠喷射器将粘结剂以高速喷射到工件表面，通过粘结剂的粘附力和表面张力，实现材料的粘合。
喷射器通常由一个喷头和一个供粘结剂的容器组成。
在喷头的控制下，粘结剂经过高压喷射，以液滴或雾化的形式喷射到工件表面。
然后，粘结剂在固化过程中形成坚固的粘结。
二、应用范围：粘结剂喷射成型技术广泛应用于各个领域，包括汽车制造、航空航天、电子设备等。
以下是一些典型的应用场景：1. 汽车制造：粘结剂喷射成型技术可用于汽车零部件的粘接，如车身板材、玻璃、塑料件等。
它可以提高粘接强度和密封性，减少零部件的重量和成本。
2. 航空航天：在航空航天领域，粘结剂喷射成型技术被广泛应用于飞机和火箭的结构粘接。
它可以提高结构的强度和轻量化效果，同时减少气动阻力和燃料消耗。
3. 电子设备：粘结剂喷射成型技术可用于电子设备的组装和封装，如电路板、芯片和传感器等。
它可以提高组装效率和可靠性，同时减少材料浪费和生产成本。
三、未来发展方向：随着科技的不断进步，粘结剂喷射成型技术也在不断发展和创新。
以下是一些未来的发展方向：1. 精确度提升：未来的粘结剂喷射成型技术将更加注重精确度的提升，以满足高精度和微型化的粘接需求。
通过改进喷射器设计和粘结剂配方，实现更精细的喷射控制和更高的粘接质量。
2. 自适应控制：未来的粘结剂喷射成型技术将引入自适应控制算法，实现对喷射过程的实时监测和调整。
通过传感器和反馈系统，及时调整喷射参数，以适应不同材料和工件的粘接需求。
3. 绿色环保：未来的粘结剂喷射成型技术将更加注重环境友好性和可持续发展。
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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。
• (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。
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。
六、发展状况与发展趋势
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。
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
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。
( 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 。
℃
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。
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。
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。
• 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。
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。
举例
• 德国Peak公司从九十年代末期开始采imler-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。
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。
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 ％) 。
• (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。
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)
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。