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
雾化镍粉
（2）喷射阶段： 两个最重要的参数：喷射速率和雾化颗粒的状态
只有使液滴具有足够的喷射速率才能保证有最大的
冲击力，使之在沉积时获得很高的致密度 颗粒尺寸不同，冷却和凝固速率不同。 理想状态为：雾化颗粒处于半凝固态，液相量应 足以填充已凝固颗粒之间的间隙，要有尽可能大的速
• （1）雾化气体与金属液滴之间的气体-液反应 在雾化气体中混入一定比例的反应气体（N2、O2、 CH4等），调整雾化气体与熔融金属的成分促使第 二相颗粒的原位形成。 eg：Cu（Al）+N2/O2→Cu（Al）+Al2O3+N2 Fe（Al）+N2→Fe（Al）+AlN Fe（Al）+ N2/O2 →Fe（Al）+Al2O3+N2
喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能
• 喷射成形合金（GH742、IN718）的拉伸性能
2.5 共喷射成形技术
• 在基体材料合金液喷射沉积工艺的基础上，将增强颗 粒喷到雾化的合金液流中，使两者同时沉积，获得复 合材料的技术。
1-雾化室 2-熔化炉 3-雾化器 4-沉积 体 5-压力释放罩 6-粉末回收料 7-搜集室
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• w-盘的转速，D-盘的直径 ρ-金属的密度，γ-金属的表面张力 A-常数
离心雾化喷射成型示意图
2.3 喷射成形技术关键和装置
• 喷射成形的技术关键主要包括装置总体布置、雾化喷 嘴、沉积器结构和运动方式等。
• 2.3.1 装置结构布局
共喷射沉积工艺原理示意图
2.5 共喷射成形技术
• 在喷射沉积过程中，增强颗粒的加入方式有三种：
直接从雾化气体管道中加入
将增强颗粒直接加入到金属熔体中 将颗粒流直接喷入金属熔体的雾化锥中
共喷射成形技术优点：
（1）由于合金液与增强相颗粒间接触时间短，凝固速率 快，发生化学反应的倾向小 （2）不会发生由重力作用引起的增强颗粒沉降，可减少 偏析 （3）增强颗粒与合金液在接触的过程中，由于合金液的 冷却速度快、颗粒被熔化的程度小，所以颗粒可以保持 原始尺寸 （4）通过控制喷嘴角度和速率可以增强颗粒的加入量和 分布可控
（2）低含氧量： • 含氧量低于同类粉末合金 （3）显微组织特征包括细小的等轴晶组织、宏观偏析消除 （4）合金性能提高
（5）工艺流程短，成本低 喷射成形将熔体的雾化和沉积过程合二为一，可直
接由液态金属制取快速凝固预成型毛坯，而一般的快速
凝固工艺制取的材料尺寸很小，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。
• 增强颗粒的加入带来两个问题： • （1）增强颗粒与雾化液滴的相互作用： 增强颗粒嵌入液滴内部 增强颗粒黏附在液滴表面 增强颗粒被液滴反弹 • （2）增强颗粒对沉积体表面液膜凝固过程的影响： 增强颗粒对合金液滴凝固过程的影响：热交换、异质 形核。 增强颗粒对沉积体表面凝固过程的影响：形核、生长 、凝固。
（a）垂直布局
（b）倾斜布局
（c）水平布局
1-雾化室 2-雾化器 3-坩埚 4-金属液 5-雾化液 6-沉积坯 7-沉积器 喷射成形装置示意图
• 2.3.2 雾化喷嘴系统
（a）垂直单固定 （b）倾斜单扫描
（c）倾斜双扫描
雾化喷嘴及沉积温度场示意图
• 喷嘴系统始终是喷射成形装置的关键技术, 大体上沿着 固定式单喷嘴→扫描型喷嘴→双喷嘴→扫描型双喷嘴 的方向发展。雾化喷嘴系统的安装服从于装置布局的 需要,可以垂直或倾斜固定以产生不同的雾化射流。 （1）单喷嘴 • 固定式单喷嘴及垂直布局是最初采用的结构,沉积坯形 状难以控制、收得率低、沉积坯尺寸小 (直径≤200mm) 、表面质量差。
第二章 喷射成型技术
2.1 喷射成型技术原理与工艺
• 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 ，把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（ 熔滴动态致密化）自然的结合起来，以最少的工序直接
常用喷射成形雾化介质的主要物理参数
目前用于喷射成形的气体雾化方法主要有 （1）亚音速气体雾化：气体出口速度为0.3~0.6M，雾化 熔滴为球形，分布较宽。一般采用较低的气压和较大的气体 流量进行。 （2）超声气体雾化：喷嘴附加超声波发生装置，可获得 较大的熔滴冷却速率及更加细小的沉积组织。
• 雾化器是获得理想坯件显微组织的关键，设计原则： • （1）雾化介质能够获得尽可能大的出口散射束和能量 • （2）雾化介质与金属液滴之间能形成合理的喷射角度 • （3）金属液流能产生最大的紊流 • （4）工作稳定性好，不被阻塞 • （5）加工制造简单 • （6）装卸安装方便2.6 反应 Nhomakorabea射成形技术
• 在喷射成形过程中可发生雾化 气体与金属液滴之间的气/液 反应、外加合金液滴与基体金 属液滴之间的液/液反应、外 加固体粒子与基体金属液滴之 间的固/液反应。这些反应模 式下生成的弥散体粒度细小、 分散均匀，具有较高应用价值 。
反应雾化喷射沉积成形的示意图
2.6 反应喷射成形技术
制备整体致密并具有快速凝固组织特征的块状金属材料
或坯件。
技术原理
• 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。 • 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。
2.6 反应喷射成形技术
• 反应喷射沉积时将喷射技术与原位反应合成陶瓷粒 子技术结合起来的一种制备颗粒增强金属基复合材 料的新技术。 • 在喷射沉积过程中，金属液体被充分雾化成细小的 液滴，使其具有很大的体表面积，同时有处于一定 的过热条件下，这就为喷射沉积过程中液滴与外加 反应剂接触、发生化学反应提供了驱动力。
• （4）扫描型双喷嘴 • 扫描型双喷嘴系统可制备更大直径沉积坯(直径达 600mm),同时也能达到整体致密,表面质量改善，坯件 尺寸精度提高。沉积速率可达100Kg/min 、气体消耗 减少 25%、沉积收得率达90%，可用于规模化生产 。
• 2.3.3 喷射成形装置 • 喷射成形装置主要由真空熔炼、金属导流、雾化喷嘴 、沉积器、排气与收粉等几部分组成。 • 该装置三项主要功能（1）制备高温材料沉积坯（2） 生产球形低氧金属粉末（3）制备颗粒增强金属基复合 材料
工艺过程：
• （1）提供液态金属 • （2）将金属液转变为熔滴 • （3）在基板上沉积形成高密度 的半成品（坯件）
喷射成型示意图
喷射成形工艺特点
• 优点： （1）高致密度： • 沉积密度可达理论值的95%以上。与粉末冶金相比，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。
（4）致密度： • 氮气雾化和氩气雾化沉积坯的整体致密度分别达 99.%和98.0%以上。 • 氩气雾化沉积坯底部和外部致密度较高，中心部位 较低，与该部位存在气孔有关。 • 热等静压处理可使氮气沉积坯致密度达100%.
（5）热塑性：快速凝固细化了晶粒组织,极大地改善了合 金的热塑性。通常不能锻造的高强度铸造高温合金或难变 形高温合金经喷射成形后,即可进行热加工。
2.4 喷射成形材料特性
•（1） 晶粒组织：等轴细晶组织 • 喷射成形属于快速凝固范畴，其冷却速度高，沉
积时高速雾滴撞击基板或沉积表面产生机械破碎，颗 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。
2.6 反应喷射成形技术
• （2）含有反应剂的熔体间的液/液反应 雾化过程中将两种液态金属混合，反应将形成高 熔点颗粒。可通过控制金属 熔滴中的冷却速率和坯 件中的冷却速率控制弥散相的尺寸。 eg：典型代表Cu/TiB2 Cu-B+Cu-Ti→Cu+TiB2
2.6 反应喷射成形技术
常见的雾化器结构：
限制性喷嘴
自由降落喷嘴
优点：能量损失小，拉瓦尔型喷口，气体动能高， 熔滴直径小 缺点：适用于低熔点合金
a-圆周排列
b多孔排列
c 线性排列
• 雾化器气孔分布
2.2.2 离心雾化
• 液态金属由快速转动的板或盘甩出，转动盘边缘的离 心力加速液态金属，使其超过表面张力和粘滞力，液 体变为非稳态并破碎。 • 离心雾化的液滴尺寸：
（2）气体含量： 喷射成形一般在惰性保护气氛下完成，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）宏观偏析： 雾化过程中，雾化熔滴中溶质原子的扩散和偏聚被限 制在微小的金属熔滴尺寸范围内，在沉积过程中，冷 却速度较快且沉积坯表面处于半凝固状态，溶质原子 来不及扩散与偏聚。因而，喷射成形材料无宏观偏析， 微观偏析相对较低
（4）沉积体凝固阶段 提高基体的冷却速率并保证凝固速率的稳定是喷射 沉积技术工艺过程控制的关键。 措施： 对基体和沉积体采取必要的冷却措施 控制沉积速率
2.2 喷射成形的雾化过程
• 2.2.1 气体雾化 • 雾化介质的选取原则： （1）不与金属粉末成分发生不良反应
（2）合适的冷却速率
（3）成本低 • 一般采用惰性气体（Ar、He、N 2）作为雾化介质。
（6）高沉积效率 （7）灵活的柔性制造系统 （8）近终形成形
（9）可制备高性能金属基复合材料
• 缺点： • （1）沉积态坯件中含有一定量的疏松，可通过挤压、 热/冷轧或热等静压达到完全密实。 • （2）产品的效率低于100% 材料损失来源于：熔滴的过喷，熔滴或颗粒从坯件 表面弹开，检测报废或加工损耗、坯件基体和顶部的去 除，质量问题的报废等