喷射沉积技术

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，发展成 了世界著名的Osprey工 艺，开发出了适合于喷 射沉积工艺的一系列合 金，从此，Osprey工艺 蜚声于世，成为了喷射 沉积工艺的代名词。
2.LDC技术的发明
20世纪70年代后期，美国 麻省理工学院的N.J.Grant教授 和加州大学欧文(Irvine)分校的 Lavernia等人采用超声雾化法将 金属熔体雾化成极细的液滴，然 后沉积在一个水冷载体上，发展 成了液体动压成形(LDC)工艺。 实际上，LDC工艺和Osprey工艺 均属喷射沉积，只是前者更加强 调雾化液滴的微细效果和沉积坯 的冷却效果。
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。
(3)目前国际上的技术水平
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。
雾 化 颗 粒 在 与 基 体 碰 撞 时 ， 部 分 颗 粒 为 液 态
(约占30%～50%)，部分颗粒为全固态和半固态， 在基体上碰撞沉积后有可能在沉积层表面形成
液体薄层，很容易与下层的沉积颗粒结合成致
密的沉积Fra Baidu bibliotek。
上面比较理想的情况是第三种：
由于喷射速度较快，在下一批雾化颗粒到达之前，在沉
织。
由于很多雾化颗粒处于半固态，并且沉积层表面有液体
薄层存在，故沉积层中的孔隙率将会非常小。
3.传统的喷射沉积理论
Singer教授认为可以用喷射密度这个概
念来描述喷射沉积过程。 所谓喷射密度是指单位时间内沉积在基体
单位面积上的物质量。 喷射密度主要取决于单位时间雾化气体和
液体金属质量比(GMR)、喷射高度H和基体运 动状态。
3. CSD工艺的发明
原理：采用的是离心 雾化装置，将液体金 属离心雾化为0.5～ 1.5 mm的液粒，金属 液粒冲击冷衬底时， 冷却速度可达104～ 106 K/s。
1980年英国的Aurora钢铁公司开始将喷射沉积 技术应用于高合金工具钢的生产，进一步发展 了雾化沉积工艺，开发出了“控制喷射沉积 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。
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。
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
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CuCr-Zr合金及耐磨材料Cu-C合金。
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。
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。
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。
喷射沉积技术
一、喷射沉积技术发展概况
快速凝固/粉末冶金技术(RS/PM)的优点：
材料的晶粒细小 成分及组织均匀 能够形成亚稳相 材料的力学性能优异
RS/PM技术存在以下不足：
工艺复杂 粉末氧化严重 难于制备大件等问题。
鉴于上述考虑，人们又在探索新型的材料制 备技术。
20世纪60年代末又发展起来一种新型的快速
喷射沉积坯的组织和性能在很大程度上取 决于喷射密度。
低喷射密度沉积
即到达基体表面的雾化颗粒稀少，则先前 大多数溅射物在到达该处之前已完全凝固。原 来和新覆盖上去的溅射物的冷却速度较高，先 凝固的溅射物能快速地传走热量。由于沉积过 程中的随机性，沉积坯中存在一些微细的空隙 和孔洞，而且不容易由新的溅射液滴来充满。
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
日本、英国等国家采用喷射沉积技术制造 Ф400×1000mm的复合轧辊 。
(4)国际上从事喷射沉积技术研究的主要机构
世界一些著名的公司，如美国通用电气(GE)公 司，英国的Alcan公司，瑞典的Sandvik Steel公 司，法国的Pechinery公司，日本的神户制钢公 司等和世界一些著名大学和研究机构，如美国 的MIT、Drexel和加州大学、US Navy和宾州 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。