多层喷射沉积技术

管坯
板坯
圆柱锭坯
环件
4.2.5 铝基复合材料的组织特征
采用双环缝雾化 器可以将陶瓷颗粒 与雾化颗粒均匀地 混合在一起，因此 沉积坯的组织均匀 性高。陶瓷颗粒的
分布均匀，无团聚
现象。
喷射共沉积7075Al/SiCp复合材料中SiC颗粒的分布特征
五、 坩埚移动式喷射沉积技术及设备
5.1 提出了同步移动坩埚和沉积基体，进行逐层扫描沉积的 喷射沉积思想，发明了新型的移动坩埚自动化控制喷射沉 积技术及一系列设备，解决了传统喷射沉积技术难以制备 大尺寸快速凝固坯件的技术难题。
六、本技术的优点
适合于制备大尺寸、特大尺寸坯件，且组织、性
能不受坯件尺寸的影响。 沉积坯的冷速高达104K/s 沉积坯的晶粒组织微细，一般在5m 沉积坯的热应力小，无开裂现象。
七、大尺寸复合材料坯件的后续加工
喷射沉积坯件含有一定的空隙，通过后续致
密化和塑性加工处理，可以获得优异的综合力学
传统喷射沉积技术虽具备氧化程度小、力学性能 优越等特点、但制备大尺寸坯件时容易恶化成铸 态组织。
二、喷射沉积技术原理及研究意义
1.原理
熔融金属或合金在惰性
气氛中雾化，形成颗粒喷射
流，直接喷射在较冷的基体
上，经过撞击、聚结、凝固 而形成沉积物，这种沉积物 可以立即进行锻造、挤压或 轧制加工，也是近形产品。
大尺寸合金及金属基复合材料锭
坯的喷射沉积制备新技术及设备
目 录
一、研究的背景 二、喷射沉积技术原理及研究意义 三、目前国际上喷射沉积技术存在的问题 四、坩埚移动式喷射沉积技术发明要点 五、坩埚移动式喷射沉积技术及设备
六、本技术的优点
七、大尺寸复合材料坯件的后续加工 八、技术的实施效果
九、与当前国内外同类技术主要参数比较
4.2 本技术的特点
4.2.1 雾化颗粒与沉积层之间的粘结特点
本发明技术采用的喷射高度 (一般在 80～ 250 mm)比传统工艺的(400mm左右)低，金属液滴在 沉积前保有较高的液相量，这样尽管沉积层表面 温度较低，沉积层的冷速很高，也可以获得较好
的粘结效果。
4.2.2 沉积坯的冷却、凝固特征
坩埚水平扫描移动
基体旋转下降运动
坩埚移动式喷射沉积管坯机原理图
管坯的长度由坩埚系统的行程决定；管坯的壁厚由雾化颗粒 逐层扫描沉积而成，单层厚度仅数十微米。从原理上讲，沉 积坯的壁厚可以无限大，管坯的长度和直径可以自由控制。
坩埚水平扫描移动
基体旋转下降运动
坩埚移动式喷射沉积圆柱锭坯机原理图
锭坯的直径由基体盘直径和坩埚系统的移动距离决定，锭 坯由雾化颗粒逐层沉积而成，高度由基体下降距离确定。
坩埚移动式喷射沉积板坯机原理图
沉积基体与坩锅系统做相互垂直方向的复合运动，沉积坯 由雾化颗粒逐层扫描沉积而成。板坯的宽度由坩埚系统的 行程而定，宽度由沉积基体的行程而定。
坩埚移动式喷射沉积环坯机原理图
环形沉积坯的宽度由坩埚系统的行程决定，环件的直径由 沉积基体直径决定，可以根据需要选择。环件由雾化颗粒
八、实施效果
(一)采用本发明技术生产的大尺寸铝合金及铝基 复合材料锭坯
1.大尺寸管坯
耐热铝合金管坯
6013Al/SiCp和8009Al合金管坯
2.大尺寸实心圆柱锭坯
(a)707合金 喷射沉积铝合金锭坯
(c)8009Al合金
7075Al/SiCp喷射沉积圆柱坯照片
由于管坯是由雾化液 滴一次沉积而成的，管坯
的壁厚不能太大 ( 一般壁
厚小于 50mm ) ，否则容易 生铸造化组织。
传统喷射沉积管坯的制备原理图
c. 传统喷射沉积制备板坯时存在的问题：
由于板坯是由雾化液滴 一次沉积而成的，因此板
坯不能太厚 ( 一般壁厚小于
50mm ) ，否则容易形成铸 造态组织。
的厚度逐层扫描沉积而成，可以很厚。
设备实物照片
管坯生产设备
锭坯生产设备
环坯生产设备
板坯生产设备
坩埚移动式喷射共沉积设备
螺杆机构送料便于精 确控制送料速率。 开放式的储料筒便于连续加粉，易于 连续生产。 负压发生器可以将陶瓷粉末充分流态 化，形成均匀的粉尘。
发明的双环缝复合雾化器，解 决了雾化液滴对陶瓷粉末颗粒 的充分捕获问题。
陶瓷粉末螺杆给料负压吸动引流输送装臵、双环缝复合雾化器原理图
发明的螺杆给料负压引流陶瓷粉末输送装臵，解决了传统
的流态化输送机构存在的难以均匀、定量输送陶瓷颗粒，无
法连续生产的难题。
发明的双环缝复合雾化器，解决了雾化液滴对陶 瓷粉末颗粒的充分捕获问题。 成功地解决了大尺寸复合材料生产技术难题。
锭
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺
实 例
耐热铝合金锭坯 直径500mm、高650mm。 7075和7075/SiCp铝基复合材料 直径750mm、高800mm。
最大直径 坯 ＜400mm
最大直径 800mm
与当前国内外同类技术主要参数比较
环
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺
件的尺寸越大，则沉积表面积越大(即散热面积也 越大)，坩埚系统的扫描距离与周期越长，因而沉
积坯表面散热时间越长，这样沉积坯表面温度就
越低，因而可以获得高的冷速。
4.2.3 沉积坯的热应力
由于沉积坯为逐层沉积，坯件里外温度梯 度小，由此坯件的热应力很低。
4.2.4 雾化颗粒的沉积轨迹
沉积坯 不是由 沉积层 简单叠 加形成 的，而 是一种 扭合式 的沉积 组织。
10.大尺寸复合材料板材
九、与当前国内外同类技术主要参数比较
管
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺
实 例
耐热铝合金 800mm、壁厚250mm、长200mm、 重1200Kg。 铝基复合材料 650mm、壁厚150mm、长200mm。
壁厚最大 坯 50～80mm
壁厚最大 250mm
与当前国内外同类技术主要参数比较
三、目前国际上喷射沉积技术存在的问题
问题1：传统喷射沉积技术难于制备大直径的圆柱锭坯、厚壁管 坯、厚板坯。 a 制备锭坯时存在的问题：
采用扫描式喷嘴时，由于
摆动角度的限制，锭坯的直径
不能太大；扫描锭坯极易产生
铸造组织，锭坯的直径不能超 过400mm。
传统喷射沉积圆柱锭坯制备原理图
b. 传统喷射沉积制备管坯时存在的问题：
实 例
高硅铝合金复合材料 直径1200mm、壁厚200mm、高200m. 铝合金环件 直径3500mm、壁厚200mm、高250mm
未见生产环 坯 件报道
最大直径 3500mm
与当前国内外同类技术主要参数比较
板
传统 坩埚移动式 喷射沉积工艺 喷射沉积工艺 未见生产 耐热铝合 金板坯报道
实 例
耐热铝合金板材 长500mm、宽600mm、厚60mm.
性能。
大尺寸沉积坯的致密化对压力机的吨位要求
高，一般要数千吨，造成产品生产成本非常高。 为了解决喷射沉积坯的致密化问题，本项目 发明了一系列新技术：包括连续楔压技术、外框限制
轧制技术、陶粒轧制技术、
连续楔压技术－解决大型环、锭、方形坯件致密化
采用一种楔形压头，在普通压机上对模具中待致密化的大型 喷射沉积坯件进行局部小变形，并逐步向某一方向推进进行压制。 通过多道次的压制后，累积实现大变形，从而将喷射沉积坯件整 体致密化。模具可以是环形、圆形和方形。
坯
最大面积 4800cm2
与当前国内外同类技术主要参数比较
采用本技术研制出的铝基复合材料性能
Al-Fe-V-Si/SiCp复合材料 b(MPa) 室 温 315℃ 632 300 0.2(MPa) δ(%) 7
400℃
172
采用本技术研制出的铝基复合材料性能
6066Al/SiCp沉积坯挤压管材的室温力学性能： b=465 MPa, 0.2=422 MPa, =8.0%, E=82GPa。
喷射沉积原理图
2.喷射沉积技术研究的意义
克服了铸造冶金产品中成分偏析严重、力学性 能低的缺点；也克服了粉末冶金技术难于制备 大件的困难及因粉末氧化、脏化严重、而导致 的产品塑性较低的缺点。同时也保留了这两类 技术的主要优点。 喷射沉积技术不仅可以大幅度提高传统结构材 料的综合性能，还可以开发新材料。
谢 谢！
沉积坯是由沉积层无限叠加而成的，每一扫描薄
层的厚度仅几十微米。
根据实测实验，在喷射沉积过程中沉积坯的表面
温度一般在300～350C之间。
沉积坯的散热方式：气体对流散热、辐射散热、 较冷沉积层表面热传导散热。 沉积坯的冷速可以达到104K/s，并且沉积层的冷 速不受沉积坯尺寸限制。
本技术制备大尺寸合金及及复合材料坯件时，坯
6066Al/SiCp锭坯
3.大尺寸喷射沉积环件
(a)7075Al/SiCp环件
(b)Al-20%Si/SiCp环件
大尺寸喷射沉积铝基复合材料环件 (1200mm)
特大尺寸喷射沉积5083Al合金环件(3500mm)
4.铝合金板坯
生产的Al-8.6Fe-1.2V-1.6Si耐热铝合金板坯长
600mm、宽400mm。
耐热铝合金板坯
(二)采用本发明技术生产的高性能材料 及部件
1.高速列车铝基复合材料制动盘
研制出的高速列车制动盘和闸片已经达到实用 化水平。株洲电力机车厂已经安排装车试用。
Al-Si/SiCp复合材料制动盘
树脂基复合材料闸片
2.高速列车用铝合金管材和复合材料管接头
高速列车铝合金风管
7075Al/SiCp管接头
3.耐热铝合金薄板及其零部件
耐热铝合金薄板
耐热铝合金零部件
4.耐热铝合金管材
5.大尺寸铝基复合材料管材
6013Al/SiCp(+Gr)管材
6066Al/SiC(+Gr)管材
6.全铝运煤列车车厢用铝合金型材
7.高强铝合金炮管
8.铝基复合材料汽车制动盘
9.铝基复合材料大型吊装车制动盘
于700MPa及模量100GPa的铝基复合材料等。
传统工艺的局限性
传统的铸造冶金技术难于制备这类大尺寸合金锭 坯，特别是高合金元素含量的锭坯。主要问题是 锭坯的冷速偏低，容易产生成分偏析、组织粗大 且组织均匀性较差，热应力大而容易开裂，加工 性能不够理想。
采用粉末冶金技术难以制备大尺寸的坯件，主要 是成型模具和设备吨位的限制。
7075Al/SiCp沉积坯挤压厚板(330×130×5000mm)的
室温力学性能：
b=703MPa, 0.2=675MPa, =4.0%, E=101GPa
7075Al/SiCp板坯轧制薄板(1.2mm)的室温力学性能：
b=685MPa, 0.2=650MPa, =4.0%, E=95GPa
4.1 解决问题的办法
解决大尺寸坯件成型的思路
采用移动坩埚式的雾化系统，进行多层扫描沉积。
解决沉积坯冷速问题的思路 借鉴快速凝固思想，将合金熔体雾化后在低温沉积基体表 面进行往复扫描沉积(单层、螺旋线运动)。 解决沉积层之间粘结问题的思路 降低喷射高度和严格控制沉积层表面温度，保证雾化颗粒 在沉积前能够保持有较高的液相量，获得良好铺展和粘结效果.
喷射沉积凝固原理图
问题3: 沉积坯的热应力大，易开裂。
由于沉积坯件温度梯度大；容易在沉积坯 内产生很高的热应力，甚至造成坯件开裂。
四、坩埚移动式喷射沉积技术发明要点
要制备大尺寸的快速凝固材料坯，必须解决以 下几个问题： 解决大尺寸坯件的成型问题； 将沉积坯的冷速提高到104K/s以上水平； 解决高冷速条件下沉积层之间的粘结强度问题； 解决热应力问题。
传统喷射沉积板坯的制备原理图
问题2: 沉积坯的冷速偏低，容易产生铸造化组织。
传统的喷射沉积技术采用高 密度沉积工艺，在沉积坯表层上
沉积物完全凝固之前，后一批沉
积物已经到达该处，沉积坯表面 存在一层液相。同时，由于坩埚 不动，沉积定在一个地方，热量 集中。容易产生铸造组织，甚至 产生成分宏观偏析、晶粒组织粗 化等缺陷。
一、研究的背景
大尺寸微晶合金锭坯是生产高性能结构材料和部 件的基础原材料。如：
大规格工业型材所需要的直径大于500mm锭坯；
航天、航空、交通、武器装备领域所发展急需大尺
寸高性能材料和部件：直径大于400mm管材、直径
大于1200mm的环件等；强度高于700MPa的高强铝
合金、可以在350C下使用高强耐热铝合金、强度高