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喷射沉积技术 彭超群, 黄伯云 (中南大学粉末冶金国家重点实验室, 长沙 “ ) 摘要给出了喷射沉积的定义, 简要介绍了喷射沉积技术的发展概况、 基本原理、 工艺控制过程及应用, 指出了今后几年 的研究方向。 关键词喷射沉积; 原理; 工艺; 应用 中图分类号 9 5 9 6 工艺蜚声于世, 成为喷射沉积的代名词 〔〕 。 世纪0 年代末, 美国麻省理工大学的A B , 9 3 4 C提出以超声气体雾化制备细粒度、 高速度的 雾化液滴为特征的液体动压成形工艺 (D E F) 〔〕 。这 类工艺的冷却速率约为“ “ G/5, 组织细小, 是 典型的快速凝固材料。由于超声雾化难以连续获 得, 冷却过快导致材料收率降低、 孔隙度较高, 因此, 难以实现工业应用。 我国的喷射沉积技术研究始于 世纪 年代 中后期, 主要的研究单位有中科院金属研究所、 中南 大学、 哈尔滨工业大学、 西北工业大学、 北京科技大 学、 北京有色金属研究总院、 北京航空材料研究院和 上海钢铁研究所等, 其中中科院金属所研究了D E F 工艺, 其余大多数沿用 5 9 6 模式。哈尔滨工业大 学、 北京科技大学和北京航空材料研究院对材料的 组织凝固特征和工艺过程开展研究, 上海钢铁研究 所在喷射沉积制备复合轧辊方面取得较大进展。中 南大学陈振华、 黄培云发明了一项专利 多层喷 射沉积技术, 改变了传统喷射沉积工艺中雾化锥 / 基 底的单向直线运动模式, 利用往复沉积强化冷却效 果, 从而解决了在制备厚度很大的坯件时组织易恶 化为铸态组织的问题, 并能优化复合材料中增强相 的分布及其与基体的结合状态。多层喷射沉积过程 的原理如图“所示。这一技术已被成功应用于制备 对冷速敏感的- H .’ 6 .I.1 7合金和/ “ 、 / / “、 / / /铝合金及1 7 F颗粒增强复合材料。大型多层 喷射沉积装置能制备单件质量达“ 8的锭坯和管 坯 〔〕 。 喷射沉积半固态加工是利用金属材料从固态向 液态, 或从液态向固态转变过程中, 在半固态温度区 间内实现的加工过程。 世纪0 年代初,美国麻 第J 卷第“期 年月 有色金属 A A ’ K L 1M K 喷射沉积的基本原理 〔 2部分凝固 的颗粒; 2液态颗粒;7 2含细小结晶核心的液膜 图“喷射沉积法沉积体的表面和液滴状态 “ ; 0 ’ . 3 , 3 6 “ A 0 “ 66 ’ - * , 1 5 - . 6 , * - 5 “ 1 合金液滴沉积后的凝固过程是由基板和沉积 体的传热过程控制的。为了获得大的凝固速率, 基 板应具有大的蓄热系数。然而, 随着沉积体厚度的 增大, 沉积体中的热阻增大, 成为传热的控制环节。 同时, 随着沉积过程的进行, 沉积体和基板吸收的合 金液滴带来的热量越来越多, 温度不断升高, 从而导 致凝固速率减小。因此, 提高冷却速率并保证凝固 速率稳定, 是喷射沉积技术工艺过程控制的关键。 对此可采取的工艺措施是 对基板和沉积体采取必 要的冷却措施; 控制沉积速度。 喷射沉积的工艺控制过程 喷射沉积法通过控制合金液滴的尺寸、 飞行速 度和液滴接触基板时的温度与凝固状态获得理想的 产品。以上目标参数可通过调整气流速度、 喷嘴结 构、 喷射距离等可控参数实现。 沉积坯的组织及喷射沉积工艺参数的选择与雾 化熔滴散热速度密切相关, 而雾化熔滴和雾化气体 之间的换热系数又受到雾化熔滴和雾化气体之间相 对速度的决定性影响 〔B〕 。雾化气流速度随着离开 雾化喷嘴距离的增加而逐渐减小, 同时也随径向距 第期彭超群等 喷射沉积技术 万方数据 离增加而减小, 具体衰减规律与雾化喷嘴等有关。 李周等 〔〕 针对超音速度雾化喷嘴系统, 从理论 与实验两方面研究了雾化气体流场的变化规律, 同 时探讨了雾化熔滴与气体流场之间的相互作用。 喷射成形所用喷嘴形成的气流一般是轴对称 的。图“给出了轴对称自由射流流动示意图, 图中 点为射流源极点,“为射流某一截面的轴向速 度, “为该截面上任意一点的纵向速度,为该截 面的射流半径。 图雾化气体自由射流流动示意图 * 5 0 - / 0 1 5 * 3 / 0 4 4 4 * - 0 30 1 , - 0 2 , - 0 3 , 4 4 - / * , 图雾化气流轴线速度的变化 ; L 7 喷射沉积法带材连铸技术的工作原理如图L所 示 〔8 9〕 。仍以激冷带为基础, 但合金液不是采用连续 浇注的方法, 而是通过喷射, 沉积在激冷带上, 在激 冷带的激冷作用下发生凝固与冷却。通过激冷带的 运动, 连续将铸锭从一侧送出。在该过程中, 铸锭的 上表面是完全开放的自由表面。热量只能通过下部 的激冷带导出。虽然导热速率将小于双侧激冷连续 78 有色金属第 7卷 万方数据 表雾化参数对沉积坯成形性和密度的影响 “ /7比 成形性 铸造密度 / 2 “ 0 *QN 7 “ * 2 I . ’ 0 4, B D A,B * 2 2 2 7 3 2 ’ ’ * F,/ * 0 6 A, 7 3 F 2 / *C N D 7 “ 48 . / 5 5 * 2 , 3 2 Q * /PQ,V / F 8, 2 / . O QB 6 , .W / 2 ,“ C J ,“ “ E J C [“ ]Q * /PQ,_ / Y, 2 / . O I * 2 Q_ / ’ 0L * O 9 3 3 / , / * 00 ; . . ’ * F 2 * 0 3 4 2 3 2 , * . F 7 * 2 , 5 * F7 / 3 / ’ * 2 0 6 2 O 7 “ 48 . 3 ’ / 70 ’ 3 2 *;’ * , ’ . ;2 , * . F 7;/ ’ ’ . , / 2 * N 有色金属第 卷 万方数据
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