喷射成形工艺的发展现状及其对先进铝合金产业的影响_张豪

喷射成形工艺的发展现状及其对先进
铝合金产业的影响
张　豪
1,2
,张　捷2,杨　杰2,杨永平2,张　荻1,曾苏民
3
(1.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海　200030;
2.张家港华通喷射成形有限公司,江苏　张家港　215625;
3.西南铝业(集团)有限责任公司,重庆　九龙坡　401326)
摘要:对喷射成形技术的发展现状及其对先进铝合金产业结构的影响作了综述和分析。

认为喷射成形工艺是一种新型的快速凝固近形材料制备方法,其产品具有组织精细、合金含量高、力学性能优越、生产效率高、产品规格大的优点,填补了传统铸造和粉末冶金工艺的产品空白,将对铝合金性能升级和产业结构产生深远影响,推动我国先进铝合金产业的发展。

关键词:喷射成形;铝合金;粉末冶金;治金工艺
中图分类号:TG113.1 文献标识码:A 文章编号:1005-4898(2005)04-0001-06
Current Development Situation of Spray Forming Process and Its Influence on Advanced Aluminum Alloy Industry
ZHANG Hao 1,2,ZHANG Jie 2,YANG Jie 2,YANG Yong -ping 2,ZHANG Di 1,ZENG Su -min 3(1.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030;
2.Zhangjiagang Huatong Spra y For ming Co .Ltd .,Jiangsu 215625;
3.Southwest Aluminum (Group )Co .Ltd .,Chongqing 401326,China )
Abstract :The current develop ment situation of spray forming process and its influence on advanced aluminum alloy industril struc -ture are described and analyzed .It is known that spary forming process is a novel rapid solidification technology for metal produc -tion .The advantages of the products made by this process include fine microstructure ,high alloy content ,excellent mechanical properties ,high productivity and large scale product .The process has been filling a vacancy in conventional casting and p ower metallurgical processes .
Key words :spray forming ;alu minum alloy ;powder metallurgy ;metallurgical process
收稿日期:2005-06-03
作者简介:张豪(1970-),江苏镇江人,上海交通大学材料学院
博士后,韩国国家科学技术研究院(KIST )高级访问学者。

专业方向:喷射成形,粉末冶金,半固态成形。

1　喷射成形技术的原理及其基本特征
20世纪70年代初,英国的Singer 教授率先提
出了喷射成形(spray for ming )工艺的概念和原理〔1〕,它又被称为喷射沉积(spray deposition )、喷射铸造(spra y casting )。

其中一种典型的装置结构见图1。

它的基本工艺过程是采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行,在这些液滴还未完全凝固前,将其沉积到具有一定形状和特定运动的接收基底上并使之成形。

1金属熔体　2漏包　3雾化器　4雾化平台
5雾化锥　6沉积坯　7接收基底　8传动机构
9沉积室　10排气及粉尘收集
图1　喷射成形装置示意图
喷射成形工艺的凝固过程显著区别于铸造和粉末冶金工艺(如图2所示),与后两种工艺相比,具有如表1所列的技术特征。

雾化时金属液被高压气体击碎成很小的液滴,并与雾化气体发生强对流散热,使液滴获得很大的冷却速度(一般为102～105K/s)以及很高的轴向速度(约100m/s),雾化液滴高速撞击在预先沉积的坯体上,将已经形成的枝晶打碎,使组织球化,因此喷射成形材料具有细小的等轴晶组织,晶粒大小一般在0.9～15μm之间。

喷射成形态材料中通常还伴随着低水平的溶质原子再分配、第二相细化和金属间化合物(< 15μm)。

另外,由于冷却速度快,使沉积材料的固溶度得到提高且形成了一些亚稳相,在随后的热处理中合理控制析出相的析出行为可得到最佳的力学性能。

由于凝固过程仅为几毫秒,几乎是原位凝固,合金元素的宏观迁移局限在晶粒范围内,因此喷射成形材料几乎没有宏观偏析。

喷射成形工艺将金属熔体的雾化和沉积成形两个过程合而为一,可直接由液态金属制取接近产品最终形状的毛坯。

相当于将常规粉末冶金工艺所需的制粉、储存、运输、筛分、压制烧结,甚至轧制、锻造等工序合为一步,但仍保留粉末冶金最终成形的特点,从而大大缩短生产周期,提高生产效率,降低成本。

同时由于喷射成形过程在惰性气氛中完成,因此避免了粉末处理中表面氧化和各种工序中引入的杂质而带来的材料污染问题,成倍提高塑性和韧性。

喷射成形的沉积实际上可看作半固态沉积层的推进而形成,因此内部结合良好,沉积态密度可达理论密度的95%以上,工艺控制合理可达99%,而且通过随后的冷加工或热加工,如热等静压、热压、真空热压、热挤压等,很容易达到完全致密化。

可用喷射成形工艺制备的材料范围很宽,如Al、Mg、Cu、Ni、Ti、Co、Pb、钢铁等。

另外,在制备用其它方法难以制备的材料以及金属基复合材料上喷射成形工艺有独特的优势。

表1　喷射成形与铸造、粉末冶金工艺特征比较
项目铸造粉末冶金喷射成形凝固速率/K·s-1～10102～105102～105
平均晶粒度/μm102～150.9～15晶粒形状树枝状树枝状等轴状,可用于半固态加工坯料合金相粒度/μm103<15<15
合金元素偏析距离/μm>103<101<101
合金元素含量极限一般高,难成形高,可开发新型合金,如Al-70Si 氧化物、杂质含量低高最低强度一般高高
塑性一般差好热加工性一般差好
高合金产品规模成本贵昂贵低生产效率高低高
杂质敏感性高较高低
生产过程控制要求一般较高高产品规格灵活小大,不宜太小
图2　喷射成形凝固过程示图
喷射成形工艺的凝固过程以毫秒计,比铸造工
艺低几个数量级,与快速凝固粉末冶金工艺相当,并且要在这么短的时间内完成合金组织致密和产品成形,因而对工艺的凝固过程控制要求很高。

图3显示了合金组织致密与过程工艺参数间的定性关系。

其中关键过程工艺参数分别是雾化锥沉积前和已沉积产品表层的固液相含量。

分析和试验结果显示,致密的合金组织所对应的过程工艺参数只有很窄的变化范围。

如果没有完善的工艺模型和智能化自动控制成套设备,就无法保证产品质量的稳定。

产品形状精度将牵涉到成材率,必须通过智能化自动控制程序完成,才能使误差缩小。

因此,喷射成形工艺的生产过程控制要求很高。

图3　喷射成形关键过程参数对成形的影响
2　喷射成形工艺与产品的过去和现状
2.1　国际上发达国家喷射成形工艺的产业化
1974年英国的Osprey 金属有限公司成功地将Singer 提出的喷射成形原理应用于锻造毛坯的实际生产,取得了喷射成形技术的专利。

在此期间,该公司对喷射成形的工艺进行了大量的研究,开发出适于喷射成形的一系列合金,设计并制造了多种喷射成形成套设备,生产出了传统方法难以得到的高性能超合金管、环、筒、棒和坯件,取得了多项专利
〔2,3〕。

1978年,喷射成形技术才显示出制备各种
不同形状、多种合金成分厚坯件的能力。

Osprey 公司由此成为早期喷射成形产业的主要技术来源。

美
国麻省理工学院开发出了液相动态压结(LDC -Liq -uid dynamic compaction )喷射成形技术,在严格控制
雾化气氛的前提下,利用超音速高压气体雾化得到细小、快冷的液滴〔4〕。

1988年,美国加州大学Irvine 分校在喷射沉积技术基础上开发出制备金属
基复合材料的喷射共沉积技术(Spray co -deposition )〔5,6〕
,该工艺在基体金属雾化的同时,由位于雾化器侧面的喷管向基体金属雾流中喷吹入增强颗粒,制备的复合材料组织细小、性能优越。

随后La wley 等人又提出了反应雾化成形技术(Reactive spray form -
ing )〔7〕,该技术将雾化成形工艺和化学反应法制备复
合材料技术结合在一起,用以制备性能优越的金属基原位自生复合材料。

与此同时,一些大学和研究所在喷射成形的机制与模型化以及计算机控制方面做了许多卓有成效的工作,如美国MIT System Cor -poration 用计算机控制基板的多维移动制得复杂不对称形状的工件。

进入20世纪90年代,喷射成形产业开始蓬勃发展,年产值已经达到数十亿英镑。

国际上每隔3年举行一次喷射成形国际研讨会,至今已举办了4届,大大促进了喷射成形产业的发展。

目前国外从事喷射成形产业的单位〔8,9〕包括:Sandvik 公司下属的Osprey 公司、Danspray 公司、Alcoa 公司、美国海军研究所、Alusuiss 公司、British Rollomakers 公司、For ged Rolls 公司、GE 公司、Mannesmann -Demag 公司、Peak 公司、Pechiney 公司、Sandivik 公司、Swissmetal 公司、Teledyne Allvac 公司、Wieland Werke 公司、住友公司等。

在世界范围内,已有几
十条生产线,产品涉及管、环、板材、棒材等,合
金体系涉及Al合金、Cu合金、Mg合金、工模具钢、高温合金、超合金、磁性合金、金属基复合材料、层状金属复合材料等等,主要应用于航空航天工业、汽车工业、电子工业以及钢铁工业等部门,部分产品如表2所示。

在铝合金民品领域,突出的例子是Al-Si系合金在汽车工业上的应用。

喷射成形过共晶Al-Si 合金Si颗粒可细化到5μm,这样不仅易于机加工,而且其耐磨性能也很好。

德国PEAK公司利用3台带有接收器垂直下降装置的喷射成形设备批量生产最大尺寸大Υ300m m×2500mm的过共晶型GHAl-Si17Cu4Mg合金棒材,经过多道后续热加工后,被制成Benz轿车发动机气缸内衬套,目前还联合英国Ospr ey金属有限公司共同生产过共晶Al-Si合金棒;日本住友轻金属公司同样将最大尺寸为Υ250mm×1400mm喷射成形过共晶Al-17Si-6Fe -Cu-Mg合金挤压材用于Mazda汽车的Miller循环发动机。

喷射成形技术在工业发达国家的产业化有以下特点:①对喷射成形工艺过程机理的研究已十分深入;②对喷射成形工艺过程的控制技术发展已基本完善;③沉积坯件的实收率已明显提高;④用喷射成形工艺制备的材料呈多品种发展趋势,性能与传统铸造、粉末冶金工艺所制备的材料相比明显提高,且开发出了一些传统工艺不能或难于制备的新型材料,譬如Al-70Si、Al-8.5Fe-1.3V-1. 7Si等高合金材料;⑤设备的总体设计制造逐步成熟,一些关键技术硬件、耐火材料的制备已趋稳定;⑥产业技术的发展主要依靠企业投入;⑦产业规模发展加速;⑧产品属于相应领域的尖端部分,并正在向中档扩展。

表2　部分国外喷射成形产品情况
材料公司名称生产能力(t/a)产品
铝合金(宇航及汽车工业)
德国Peak3500
Al-25Si-4Cu-1Mg合金,作奔驰(V6,
V8,V12)发动机汽缸衬套日本住友轻金属1000Al-Si合金作马自达汽车循环发动机叶片英国Osprey Metals400
高强Al-Zn,高温Al-Cu,超轻Al-Li,
金属基复合材料与Peak配套
Howmet与P&W发动机公司500发动机环形件
铜合金瑞士Swiss Metal(Boillat)
德国Wieland
两个公司
总能力>2000
取代Cu-Be的高弹性元件,Cu-Ni-Sn作
高技术通讯(电信)电极头
特殊钢和超合金(高温合金)
丹麦Danspray10000
M152抗蠕变12Cr钢,T15高速钢,D2冷
轧工具钢等
美国GE和Allvac500(单班)燃气涡轮
美国Sprayform Technologies750(两班)燃气涡轮机高温合金环件,密封件等瑞典Sandvik Steel
不锈钢管、镍合金管、复合管(用于城市
垃圾焚化炉)
轧辊材料
日本住友重工铸锻厂
英国Sheffield Forgemaster Rolls
高铬铸铁,高碳高速钢作轧辊或包覆轧辊
2.2　我国喷射成形技术的研究状况
我国真正开展喷射成形技术研究是80年代中后期,目前国内从事喷射成形技术研究的单位有:上海交通大学、中科院金属研究所、中南大学、哈尔滨工业大学、航空材料研究院、北京科技大学、北京有色金属研究总院、上海钢铁研究所、宝钢集团、湖南大学和西北工业大学等〔8～13〕。

经过十几年的发展,国内各科研单位在对喷射成形工艺过程的原理研究及利用喷射成形技术制品研究方面已达到与工业发达国家十分接近的水平。

总的来说与世界工业发达国家相比,差距主要表现在:①对喷射成形工艺过程的控制技术研究目前还停留在初级阶段,除上海交通大学外,工艺过程没有建立工艺模型和智能化自动控制;②一些关键的硬件技术,如雾化器结构、合金液体导出系统结构的研究,除上海交通大学外,还谈不上成套设备的集成开发;③在市场方面,国内目前仅能够追踪世界上工业发达国家的应用发展趋势,制约了喷射成形技术在国内
实用化发展的速度;④资金投入较少且分散,使得国内研究单位在喷射成形技术研究及产业化应用方面取得全面突破十分困难。

经过十多年的研究,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,提出控制往复喷射成形技术和装置〔12,13〕
,于2004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,经过国家权威部门检测,其产品性能显著高于传统工艺,能以工业化水平生产强度高于700MPa 的铝合金,已经将有关零部件应用于军品领域。

由于喷射成形组织特别精细,完全消除粗大合金相,所以能够解决高合金含量的铸造和加工难题,譬如7055铝合金,能满足四代战机、导弹、子母弹用超硬铝合金的需求。

在技术上的突破包括:①建立并完善工艺模型,实现从金属熔体转移开始的智能化全自动在线控制,使得产品质量稳定性和再现性达到工业化生产水准;②自行设计雾化器,能够连续不间断稳定雾化;③具有独立设计成套设备和生产线的能
力;④产品内部组织致密,可以直接进行后续压力加工,如锻造、轧制、旋压等。

表3是采用控制往复喷射成形技术生产的铝合金力学性能,图4对比了铸造和控制往复喷射成形A356铝合金微观组织,显示后者的初晶硅颗粒细小、分布均匀。

目前,铝合金产品单件重量达到吨级,管材最大外径可达到800mm ,锭材直径达到600mm 。

能生产铝、镁、钢、铜等金属材料,目前铝合金年产能达到2000吨。

具有根据市场需求进行生产线改造和产品开发的能力。

表3　控制往复喷射成形铝合金力学性能
材料拉伸力学性能
σUTS /MPa σS /MPa δ/%A356,T6330268187A04,T6646605127075,T6690642117075+Ni +0.8Zr ,T671775177075+Ni +0.8Zr ,T6+T4
711
817
9
图4　铸造和控制往复喷射成形A356铝合金的微观组织
2.3　喷射成形工艺发展趋势
(1)大力开拓规模化产品,使单位成本显著降
低。

应尽可能扩大批量(如增大熔炼容量和坯件尺寸,提高沉积速率和增加生产率等),改进产品的加工效率(如降低气体消耗),提高规模用气的效率,降低气源成本等等,从而使其能在工业规模上与铸造工艺相竞争。

(2)选准产品的市场定位,坚持铝合金、钢铁高档化定位,镁合金中高档定位,追求高附加值,形成与铸造工艺合理的市场分工。

开发产品的方向包括具有极高合金含量的高强度、有陶瓷增强相的高刚度、高塑性、高耐腐蚀性材料,等等。

(3)深入开发深加工技术,拓宽应用范围。

尤其是半固态加工,喷射成形产品具有可直接用于半固态加工的组织特征,以此工艺生产高档铝合金轮毂等产品,可以降低传统压力加工对超大型压力设备和昂贵模具的依赖。

(4)继续完善工艺工程技术,达到提高质量降低成本的目的。

具体包括:在控制坯件形状,尺寸公差,减少坯件内部显微疏松和改善表面质量以及提高金属收得率等方面进一步提高,使其潜在的优势得以充分发挥。

(5)大力开发喷余粉末的应用市场,使其成为副产品,可以大幅度降低工艺成本。

喷射成形工艺
的主要副产品是超细粉末,平均粒度不大于20μm,
可直接作为粉末产品,或者作为粉末冶金的高级原料。

2.4　喷射成形工艺对先进铝合金产业的影响
铸造工艺是传统的先进铝合金主要制备方法,存在的主要问题包括:①强度、塑性、刚度、耐热性和耐腐蚀性难以进一步提高;②由于追求极限,铸造工艺成本由于增添设备和成品率下降等迅速上升;③由于合金含量上升,塑性往往降低,因而后续压力加工成本上升、成品率降低;④由于传统先进铝合金的高成本,提高了使用门槛,严重影响整体市场规模的发展,反过来又滞后铸造工艺和压力加工工艺的开发进度。

喷射成形工艺可以方便地生产先进铝合金,具有性能和综合成本双重优势,将使先进铝合金使用门槛降低,还可以进一步提高性能,在一定范围内实现以铝代钢,可以迅速培养先进铝合金的市场,并反过来促进喷射成形工艺获得规模成本优势。

因此,喷射成形工艺将成为先进铝合金的主要生产工艺。

3　结语
喷射成形工艺是一种新型的快速凝固近形材料制备方法,同时具有组织精细、合金含量高、力学性能优越、生产效率高、产品规格大的优点,填补传统铸造和粉末冶金工艺的产品空白,将对铝合金性能升级和产业结构产生深远影响,推动我国先进铝合金产业的发展。

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Materials Science Forum Vols.475-479(2005)pp.2779～
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〔12〕张豪,控制往复喷射成形装置〔P〕,中国专利,03230878.7.〔13〕张豪,张荻,张捷,宋立,控制往复喷射成形工艺〔P〕,中国专利,03117066.8.
澳大利亚研制出铝冷轧机板型控制新技术澳大利亚工业自动化服务公司日前开发研制出铝冷轧机板型控制新技术,采用铝板带边部热喷淋技术来控制板型,并已成功应用于美国纳西州诺兰达公司的六重铝冷轧机改造。

据了解,该技术的铝板带边部热喷淋控制系统由计算机控制软件和边部热喷淋系统组成,在铝板带两边的每一边按装有两个热喷淋装置,每个装置上的喷嘴控制范围为25mm区段,由几个喷嘴组成一个整体,在轧机工作时实施边部喷淋,从而解决了铝板带边部紧的板型缺陷,提高了轧制速度,增加了每个道次的金属通过量。

(米丘)。