喷射成形

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。
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2.4.5 低热膨胀的硅铝合金
喷射成形Si-Al合金的组织均匀、各向同性，具有轻质 、低热膨胀、高导热性、易机加工、可电镀等优点，作
为新一代电子封装或热沉材料可广泛由于通讯、航空、
2.4.1 喷射成形铝合金制品
概况：已部分实现产业化，如：德国Peak公司的生产能力为 3500t/y； 日本住友轻金属公司为1000t/y；英国Osprey公 司为400t/y。生产的合金种类主要有：过共晶Al-Si，AlZn-Mg-Cu，Al-Cu-Mg，Al-Li等。由于在一步工序完成，喷 射成形铝合金的生产成本低于粉末冶金而接近普通铸造，但 由于组织细化和氧含量低，材料综合力学性能，特别是断裂 韧性与抗疲劳性能都有显著提高。因此可以经济高效地制备 传统铸锭冶金和粉末冶金方法无法生产的高性能、大尺寸材 料。
控制工艺参数获得理想的沉积体。
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图2-2 喷射成形的基本原理图
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2.3.1 喷射成形技术—Osprey工艺制备圆锭
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表2-1 喷射成形铝合金的主要性能 拉伸 强度 (MPa) Al-20Si-5Fe- 360 2Ni (4XXX) Al-11.5Zn2.5Mg-1Cu0.2Zr (7XXX) Al-4Li-0.2Zr (8XXX) 705 合金成分 屈服 延伸 密度 弹性 热膨胀 强度 率 模量 系数 (MPa) (%) (g/cm3) (GPa) (10-6/K) 240 2.0 2.78 98 16 688 13 2.88 74 21
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2.4 喷射成形合金与制品
1. 铝合金 2. 铜合金 3. 特殊钢和不锈钢
4. 镍基超合金
5. 低热膨胀的硅铝合金
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2.3.5 多层喷射沉积法
1. 管坯制备装置
2. 圆锭制备装置
3. 板坯制备装置
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2.4.3 喷射成形特殊钢与不锈钢
以丹麦Danspray公司喷射成形生产D2模具钢锭为例。 D2模具钢：1.5C-12Cr-1Mo-1V;
圆锭规格：2.4m长400mm直径；产量：6000t/y；
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2.4.2 喷射成形铜合金制品
Cu/Cr合金：代替Cu/Be作为电触头材料。 易切削合金：Cu-16Zn-2Si-1Pb (PS2), 可切削指数高达90%； Cu-13.5Sn-0.5Pb (B05), 可切削指数高达80%。 冷变形合金：Cu-13.5Sn (B14) Cu-15Ni-8Sn (CN8)
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过共晶Al-Si合金
(a) Spray formed
(b) Cast
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类金属材料制备方法。它把液态金属的雾化和熔滴的沉积结合起来， 在一步冶金操作中完成，以较少工序直接从液态金属制备整体致密、 组织细化、成分均匀、结构完整并接近零件实际形状的材料和坯件。 该工艺的基本过程是：金属液流先经高压惰性气体雾化成细小的 液滴，再被高速气体喷射到收集器上形成连续致密、具有一定形状（ 如锭、管、板等）的近终形坯。喷射成形也可以通过离心雾化来实现
，并制得大型的环形件。
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图2-1 喷射成形工艺示意图
1. 喷射成形Osprey工艺
2. 离心喷射成形工艺
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喷射时间：50min；雾化速率：55kg/min； 气体金属流率比：0.75m3/kg；沉积收得率：90%；
后续处理：短时加热后直接热加工；
结构特征：显微组织均匀细小致密，无宏观偏析； 材料用途：轧辊、粉末压制模具等。
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过热的金属或合金液体在惰性气氛中借助高压气体射流或离心
力雾化，形成大量微细的液滴。液滴在飞行过程中冷却并部分凝固 ，形成固液两相颗粒喷射流，直接喷射到较冷的基底上，产生撞击 、粘结和凝固，从而在运动的基底上形成所需形状的沉积坯。对沉 积坯进行各种致密化加工，可以得到性能优异的材料产品。 喷射熔滴群的颗粒尺寸应加以控制，结合热传导使熔滴群在沉 积前由固态、半固态、液态（30%-50%）三部分组成，通过调整、
2.4.4 喷射成形镍基超合金
以Spray Technologies International公司用
Spraycast-X法生产镍基超合金环形件为例。
熔炼容量：400kg真空熔炼； 产品规格：760mm直径400mm长75mm厚；
雾化速率：35-45kg/min；沉积收得率：80%；
产量：250t/y；沉积坯致密度：98%； 后续处理：热等静压或热等静压再加上热加工。
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第二部分 金属喷射成形技术与材料
主要内容
2.1 喷射成形的定义、发展与现状 2.2 喷射成形的原理和特点
2.3 喷射成形技术、工艺和装置
2.4 喷射成形合金与制品 2.5 喷射共沉积制备颗粒增强复合材料 2.6 反应喷射沉积制备金属基复合材料 2.7 喷射成形的发展趋势及展望
2.3.3 Spraycast-X工艺制备高温合金环形件
Waspaloy耐热镍基合金环 （Spraycast-X+HIP+Machined）
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2.3.4 双喷嘴喷射沉积
航天、军事及其它尖端领域。
CE7封装的微波放大器电路
CE9加工和电镀后的芯片壳
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528
459
4.7
2.41
84
21.6
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喷射成形过共晶铝硅合金的 初晶硅颗粒（3~5m）远小
于传统铸造（100m），机 加工性能改善，耐磨性优异 ，已应用于奔驰汽车的发动 机活塞中。德国Peak公司在 欧洲的3个工厂年产过共晶铝 硅合金3000吨，如图2.3.1所 示，圆锭规格为2.5m长150400mm直径，氮气雾化，金 属流率约为15kg/min。
喷射成形高性能铝合金
喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金克服了大型铸锭中的宏观偏 析和溶质原子不能充分固溶的难题，既保持了铝合金的最高 强度，又有很好的断裂韧性和抗疲劳性能，可望取代7075铝 合金、钛合金、钢等传统材料用于飞机、赛车等零件上。 喷射成形Al-Li合金各向同性改善，晶粒组织细小，Li含 量更高，可避免铸锭开裂和宏观偏析，具有适当强度和良好 抗腐蚀性，密度低，比刚度高，适用于航空、航天材料。 喷射成形Al-Cu-Mg-X合金的第二相粒子更多更弥散，高 温强度改善，耐磨性良好，可用于飞机、汽车和列车中。
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2.Fra Baidu bibliotek.6 喷射轧制铝带材
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不同工艺下铝带材显微组织的比较
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Osprey工艺制备板材
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2.3.2 离心喷射沉积
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2.1.2 喷射成形的发展概况
1968年，英国Swansea大学的A. Singer教授发明了喷射沉积方法。 1974年，英国的R. Brooks等发展了Osprey工艺，并取得两项专利。 1979年，美国MIT的N. J. Grant教授提出了液体动压成形工艺。 1988年，美国加州大学E. J. Lavernia等开发了喷射共沉积技术。 1990年，美国的A. Lawley教授等提出了反应喷射成形技术。
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2.1 喷射成形的定义、发展与现状
2.1.1 喷射成形的定义
喷射成形 (spray forming), 又称喷射铸造 (spray casting) 或
喷射沉积 (spray deposition), 是继铸造和粉末冶金之后发展的第三
A high-pressure diecast engine block with spray formed Al-Si cylinder liners (Daimler-Benz)
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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
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2.2 喷射成形的基本原理和特点