霧化噴射沉積技術(shù)的發(fā)展及展望

1、霧化噴射沉積技術(shù)的發(fā)展及展望【摘要】霧化噴射沉積技術(shù)是一種新的金屬成形工藝，近年來發(fā) 展十分迅速。本文從實驗裝置、傳熱特點、臨界沉積條件、沉積材料的組織和性能及主要工業(yè)化產(chǎn)品等方面對該工藝進行了綜述。并對霧化噴射沉積技術(shù)作了評價和展望?！娟P(guān)鍵詞】 霧化噴射沉積，快速凝固the status and prospect of the metal spray atomization and deposition technique mi guofa, tian shifan, zeng songyan beijing institute of aeronautical materials, beij

2、ing, 100095 li qingchun harbin university of technology, harbin, 150001abstractthe spray atomization and deposition techinque is a newmethod of metal forma- tion. it has been fast developed in recent years. in this paper, this new technique is introduced in the aspects of experimental equipments hea

3、t-transfer features critical condition of dispersion. the microstruction and properties of material and its main commercial products is described too. the prospect and evaluation of this technique are also presented in this paper. key wordsspray atomization anddeposition, rapid solidification 一、引 言金

4、屬的霧化噴射沉積技術(shù)是一種新的金屬成形工藝。 由于人們對液態(tài) 金屬經(jīng)霧化到動態(tài) 固結(jié)這一過程的不同理解，它往往又被冠之以噴 射成形（sf）、噴射沉積（sd）、噴射鑄造（sc）、液體動態(tài)固結(jié) （ldc）及控制噴射沉積（csd）等名稱。噴射成形的概念最早是由英國swansea大學(xué)冶金及材料工程系 a. r. e. singer教授于1968 年首先提出，并于1972年獲得專利18,而作為一種工程技術(shù)則 是從1974年英國os- pray metals公司取得專利權(quán)開始4, 5。噴 射成形技術(shù)包括金屬熔化、霧化和沉積等三個工藝過程。即將金屬熔化成液態(tài)金屬后，霧化成熔滴顆粒，隨即直接沉積在具有一定形狀

5、 的收集器上，從而獲得致密的大塊金屬實體。這一過程全部是在密 閉艙體內(nèi)完成，完全取消了粉末處 理、燒結(jié)等工序，避免了金屬的污 染。由于液態(tài)金屬是在惰性氣流作用下霧化和沉積，所獲 得的金屬實體具有偏析小、晶粒細小等特性。利用這一技術(shù)可以得到一般快速 凝固方法得到的大尺寸的金屬實體。總之，霧化噴射沉積技術(shù)既克服 了傳統(tǒng)鑄造過程中存在的晶粒粗大、偏析嚴重的缺點，又屏棄了粉末冶金工藝中工序繁多，氧化嚴重等不足，同時又兼有粉 末冶金技 術(shù)的優(yōu)點，是一種極具競爭力的快速凝固工藝。因此引起了各國科 技、企業(yè)界的廣 泛重視，得到了迅速的發(fā)展。本文從實驗原理和裝 置、傳熱特點、臨界沉積條件及沉積材料的組織和性能

6、等方面予以綜述和評價。二、噴射沉積工藝的基本原理1、噴射沉積的基本原理如圖所示，噴射沉積工藝的一般原理是：熔融金屬或合金在惰性 氣氛中借助高壓惰性氣體或機械離心霧化形成固液兩相的顆粒噴射 流，并直接噴到較冷基底上，產(chǎn)生撞擊、粘結(jié)、凝固而形成沉積物。 沉積物可以通過各種致密化加工得到性能優(yōu)異的材料。霧化沉積過程的熱傳導(dǎo)主要是依 靠霧化液滴和惰性氣體的對流和輻射 進行熱交換以及沉積坯通過基底傳導(dǎo) 和表面氣體的對流、輻射進行熱交換 來實現(xiàn)的。根據(jù)所選擇的工藝參數(shù)的不固體顆粒o液滴薄液層同，經(jīng)霧化噴射后的顆粒與基底碰撞時，可以有以下幾種狀態(tài)：(1)絕大部分顆粒在與基底碰撞前已凝固，在這種情況下, 只能

7、獲得疏松的粉末堆聚體。(2)絕大部分顆粒在與基底碰撞前仍保持液相，在這種情況 下，金屬在沉積后的凝固行為類似鑄造。(3)金屬顆粒在與基底碰撞時，部分顆粒呈現(xiàn)液態(tài)(約占30-50%),部分顆粒呈現(xiàn)固態(tài)和半固態(tài)，碰撞后有可能在基底上形成 液體薄層，再與下層顆粒流結(jié)合成致密的沉積層。(4)金屬顆粒在與基底碰撞時，大部分顆粒呈現(xiàn)液態(tài)(約占50-70%),由于基底冷卻速度快，過冷熔體在基體上迅速冷卻而獲得 具有快速凝固組織特征的沉積層。這種沉積方式的基體在下一層顆粒 碰撞前一般不形成液體薄層，消除孔隙和濺射邊界主要是靠上層較多 量的液相。2、技術(shù)原理圖5門噴射成形原理 示意圖噴射沉積主要由合金熔體的 霧

8、化，霧化液滴的飛行和冷卻、沉 積坯生長三個連續(xù)過程構(gòu)成。其過 程可以定性的描述為：金屬或合金 熔體在導(dǎo)流管末端，被霧化噴嘴出 口處的高速氣流破碎，霧化為細小 彌散的熔滴射流。熔滴的尺寸在幾 個到幾百微米，其分布特性與噴嘴 設(shè)計和霧化參數(shù)有關(guān)。熔體射流在 高速氣流作用下加速，并與氣流進 行強烈的熱交換，其冷卻速率為 103-105/s之間,在達到沉積坯前， 因為冷速的不同，小于某個臨界半 徑的熔滴凝結(jié)成為固體顆粒，較大 尺寸的可能仍未液態(tài)，而中間尺寸 的熔滴含有一定比例的液相的半 固態(tài)顆粒，這些大大小小，凝固速度不同的熔滴，以高速撞擊沉積器 表面，隨之在沉積器表面附著，鋪展（變形或破碎），堆積、

9、熔合形 成薄的半液態(tài)層順序凝固結(jié)晶，逐步沉積生長為一個致密的金屬實 體，所以噴射沉積是一種把液態(tài)霧化（快速凝固）和霧化熔滴沉積（熔 滴動態(tài)致密化）自然的結(jié)合起來。實現(xiàn)直接從液態(tài)金屬制取具有快速 凝固特征，整體致密的坯 件的先進制備技術(shù)。三、霧化噴射沉積裝置及主要工業(yè)化產(chǎn)品ffi 1霧化沉積裝置示意圖 “i鬻化沉枳室 ui石墨加熱體 131塞桿 （4）電偶 ti t白謁16t制調(diào)電源17i油博壓泵1 xi羅茨泵 1 機械泵調(diào)壓閥（lh電偶接線柱（121氣瓶（1尊霧化器 ”中沉積盤旋風(fēng)分 離器 ”6）窺視孔 4171球憫 （i的 （19）收粉h圖1為典型的噴射沉積 裝置示意圖6, 7。整個裝置 主

10、要包括熔煉部分、霧化沉積 室、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)及粉 末收集系統(tǒng)。在霧化沉積室中 關(guān)鍵部件是氣體霧化用噴嘴和沉積霧化顆粒用的預(yù)成型的 沉積收集器及控制其運動的 機械部分。噴射沉積裝置分為 兩類：一類通常僅限于生產(chǎn) 鐵、鉆、銀、銅等常規(guī)合金；另 一類是用于生產(chǎn)鋁、鈦、鎂等 活潑金屬。后一類爐體要求復(fù) 雜，而且要求霧化沉積室要有高的真空度及良好的防爆裝置，以保證活潑金屬 能夠很好地進行熔化、霧化和沉積而不發(fā)生意外事故。自1974年ospray metals公司取得噴射沉積技術(shù)的專利后，這一技術(shù)的工業(yè)化進程便開始了在鋼、鋁合金、高溫合金、復(fù)合材料及雙金屬材料方面進行了廣泛的研究。管狀表i噴射成形技術(shù)

11、生產(chǎn)的接近最終成型尺寸的產(chǎn)品鼻 s金質(zhì)材料子寸律內(nèi)環(huán)環(huán)明一 于輯筒平承.坯坯 圓透軸窗鍛圓有色金屬帶才升jtj層層途層棒孤深層帶病二余層板鋼高金 金合鋼 鐵合溫速鋁合金復(fù)合材料高溫含金在含壬利低合金硅鋼銅鋁合金典 含材料鍋不鐫鋼工具鋼耐磨柝睛承合金表1列出了利用噴射成 形技術(shù)生產(chǎn)的接近最 終尺 寸的產(chǎn)品種類及其所用材料8,近十幾年內(nèi)，北美、歐 洲、日本及遠東的一些公司相繼取得了 ospray公司的 專利生產(chǎn)許可證，建立了工業(yè)性或半工業(yè)性生產(chǎn)裝 置，并制造出了一批大規(guī)格的產(chǎn)品8-11: 如內(nèi)徑為100400mm、壁厚40mm、長8000mm不銹鋼管（瑞典 sandvick steel）;寬 12

12、00mm、長 4000mm、厚 10mm 板材（西德 manne smann demark） ; 250mm 盤坯和 150x 1000 棒坯（英國 ospray）;日本信友重工 生產(chǎn)大型冷軋輻；alcan international噴射沉 積150x 1000mmal-sic棒坯。此外一些高溫合金 生產(chǎn)、使用廠家 如美國ge、howmet、cabot等也建立了生產(chǎn)或?qū)嶒炐脱b置。綜上 所述，噴射成形作為一種科學(xué)技術(shù)，已逐漸趨于成熟，并開始向商 業(yè)化、工業(yè)化邁進。四、霧化噴射沉積過程的傳熱特點及臨界沉積條件獲得快速凝固組織的方法，按傳熱方式基本上可分為兩類。一 類是熔體熱量通過環(huán)境氣氛的對流傳熱

13、逸散而凝固，其冷速極限可達106ks- 1,現(xiàn)行的各種霧化制粉工藝就屬于這一類型，粉末越細其冷速越接近極限。但粉末工藝復(fù)雜、耗費大、極易污染，特別是粉末表面形成一層難熔的氧化物膜致使粉粒之間難以達到真正的結(jié)合被認為是粉末冶金的 “致命 點”。另一類則是以傳導(dǎo)傳熱為主的快 速凝固工藝，熔體通過與銅質(zhì)水冷底板接觸，將熱量 釋放而直接凝 固成金屬實體。這種工藝的冷速極限遠比對流方式高，可達1010ks- 1。常用的錘淬法、槍法、熔體旋轉(zhuǎn)法等都屬于這一類。雖然能獲得 極好性能的組織結(jié)構(gòu)，但只限于 尺寸 1mm薄片、帶的生產(chǎn)，難以 得到大塊坯件。綜上所述，兩種傳熱方式雖然都能獲得較 好的快速 凝固組織，

14、但也各存在一定的局限性。霧化噴射沉積技術(shù)把上述兩種傳熱方式自然地結(jié)合起來，將霧化粉末直接變成一個金屬實體,它包括熔融金屬的霧化和噴射沉積兩個物理過程。 金屬熔體的熱量經(jīng) 歷霧化階段的對 流換熱和沉積階段傳導(dǎo)傳熱的綜合散熱，達到較高 的冷卻效果。 霧化的金屬液滴，其大小在一定尺寸范圍內(nèi)呈非對稱 統(tǒng)計分布。有的呈液態(tài)，而有的則 為含有固態(tài)晶核的半液態(tài)滴。當(dāng) 以高速沖擊在高導(dǎo)熱率的銅質(zhì)底板時就變形并附著于底板上。已經(jīng)形核的晶體結(jié)構(gòu)被破碎，又不斷地沉積，前一破碎產(chǎn)生的無數(shù)細小的 過冷顆粒，就成為 后來液滴的結(jié)晶核心，從而凝固結(jié)晶成一個具有 細小晶粒結(jié)構(gòu)的大塊金屬實體，這是一個動 態(tài)快速凝固過程。 霧化

15、 噴射沉積過程是一個復(fù)雜的統(tǒng)計過程。就沉積面言 ，要得到高質(zhì)量的 噴射形坯件，控制和掌握霧化顆粒抵達沉積表面時的狀態(tài)及在沉積 表面控制并有效地保持適當(dāng)厚度的半凝固液層則是關(guān)鍵。許多工作試圖把最重要的材料參數(shù)：如合金成分、凝固區(qū)間、熔體粘度和純潔度等和過程參數(shù)：如熔體過熱溫度、金屬和氣體的質(zhì)量流率、沉積 距離以及沉積器表 面狀況等通過一定的模型聯(lián)系起來，用以預(yù)測顆粒、沉積體的物理及熱狀態(tài)。e. j. lavernia 17經(jīng)過對霧化液滴的尺寸分布、溫度、運動速度和冷速的計算，提出鋁合金的最佳沉積距 離是 熔滴撞擊沉積表面時所含液相的重量百分數(shù)應(yīng)在1530%之間。singer對臨界沉積條件做了專門

16、分析，把沉積看作是一個統(tǒng)計過 程，認為無論是霧化顆粒的速度，還是單位體積內(nèi)顆 粒數(shù)量都是時 間和所處位置的函數(shù)，只有對特定的噴射過程，可以認為與時間無 關(guān)。singer提出的臨界條件為：q/ v 4 ( t - t 1) h + h式中q單位面積的傳熱速率一一噴射流密度，即單位體積射流中金屬的質(zhì)量v沉積顆粒在垂直于沉積表面方向的速率h一一金屬的比熱h一一熔化潛熱t(yī) 一一顆粒到達沉積表面時的溫度t 1一一金屬固相線溫度其中v是代表金屬向沉積表面沉積的速率，維持高的v值對 沉積有利。而q值在沉積過程 中是不斷變化的，高的q值對提高液 態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成預(yù)成形坯件和發(fā)揮快速凝固的冶金優(yōu)點有利，卻使沉積向臨

17、界條件接近。隨著沉積的進行，雖然q值迅速降低，但由于沉 積表面受較 冷的噴射氣流的強制對流冷卻，冷速仍可達到 104106ks- 1。研究表明，為了維持臨界沉積 條件，設(shè)計能傳送高密度的 噴射流、保持良好的霧化氣氛及控制預(yù)坯的裝置是關(guān)鍵所在。盡管上述模型只能在一定程度上與實驗結(jié)果相吻合，但據(jù)此可以定性地分析影響噴射沉 積過程的各種因素，從而有效地控制各種工藝參數(shù)。 五、霧化噴射沉積材料的組織和性能霧化噴射沉積技術(shù)目前已被廣泛用來研究和開發(fā)多種快速凝固 材料，取得了很好的效果，所研制的不銹鋼，工具鋼，高強度低合金 鋼，高合金鑄鐵，耐磨、精密合金，高溫合金以及 鋁、鎂等輕合金的 組織和性能都得到了

18、改善。下面以部分鋁合金及高溫合金為例作簡要 介紹。1鋁合金噴射沉積鋁合金是研究報道最多的，幾乎涉及到了全部鑄 錠合金。噴射沉積從根本上消除了熔鑄合金的宏觀偏析及粗大的一次析出相；解決了粉末冶金顆粒邊界上的難熔氧化物膜，得到各向同 性材料。圖2為噴射沉積和粉 末冶金7090合金的擠壓組織對比。 粉末7090雖然經(jīng)除氣處理再加擠壓，仍然不能去除氧化膜的有害 作用，造成組織的不均勻性，并且具有明顯的方向性。f 。即點4 709(f m pj m 7090圖工 噴射沉積和粉末冶金70中合金的挎壓組職對比表2為兩種鋁合金材料在 不同工藝條件下的力學(xué)性 能。從表中可以看出噴射 沉積及噴射沉積+熱擠壓材料

19、較相同成分 的鑄錠及粉末合金 具有較好的綜合力學(xué)性能。表2不同工藝條件下鋁合金的室溫力學(xué)性能合金成分工藝狀態(tài)5 1 mputu. 1 嵯 %)3（喋）2024熔鑄28744j202024噴對沉積417p 5867075+ im+ 0. 8zfp/m527682】07075+也 hzr噴射沉積+熱擠壓711k1792高溫合金目前眾多牌號的高溫合金,如in718、rene95 af115、af2-10a、 rene8a in100、in901、in625、merl76、nimonic115、mar-m002 等等均已經(jīng)進行過噴射沉積試驗。組織分析和性能測試表明，材料呈細等軸晶組織，具有較高的抗拉強

20、度和屈服強度。由于含氧量低 ， 噴射沉積使高溫合金在 800- 1000c的拉伸塑性較之pm工藝有大 幅度改善。n. c. fiedler比較了 in718合金在噴射沉積、鑄造及鍛 造態(tài)的力學(xué)性能（見表3）,指出表3 in718合金在噴射沉積.鑄造及福造態(tài)的力學(xué)性能工藝狀態(tài)21氏拉伸猱吒拉伸m式持久扎，iip；”訴1 m pa|6閨中1 %)阪？ 川1%琉c6(忙中(%)(71 mfait 山鑄造m109011586lofl卿 造31251366196611射沉積j2i413529171014eil825725201噴射沉積不僅有利于合金拉伸性能的改善，而且使持久性能

21、也大幅度提高。六、霧化噴射沉積技術(shù)的評價及展望11綜合已有的研究成果，可見霧化噴射沉積技術(shù)有其獨特的優(yōu)越性：1 .高的致密度。多種合金的直接沉積一般可達理論密度的95%以上，在工藝成熟條件下 可達到99%以上。隨后對坯件加工則很容易 達到完全致密。2 .較低的含氧量。噴射沉積過程是在惰性氣氛中瞬間完成的，因此,金屬中的氧含量得 到了很好的控制，而且由于液態(tài)金屬一次成形， 工序簡單，避免了粉末冶金工藝中因篩分、貯 存、運輸?shù)裙ば驇?的氧化，減輕材料的受污染程度。3 .屬于快速凝固的范疇。根據(jù)合金類型、霧化沉積條件的不同和沉積坯尺寸大小，合金的冷卻速度可在103ks- 1106ks- 1之間變

22、化。因此噴射沉積合金具有一般快速凝固的組織特 征，主要是晶粒 組織細化、宏觀偏析消除，合金成分趨于均勻。4 .流程短工序簡化。由于可減少中間工序的投資和能耗，經(jīng)濟性好, 因此比粉末冶金具 有更強的競爭力。5 .合金性能得到改善。由于快速凝固的組織優(yōu)勢，各種噴射沉積材料 的組織性能，如耐 蝕、耐磨、磁性、強度、韌性等性能指標較常規(guī) 鑄鍛工藝生產(chǎn)的材料有大幅度提高，或可與粉末冶金材料相當(dāng)。6 .噴射成形技術(shù)具有廣泛的通用性及產(chǎn)品的多樣性，它不僅適用于多種金屬材料，如低合金鋼、鋁合金、高溫合金等，而且為新型材料, 如金屬間化合物、復(fù)合材料和雙性能材料的研制提供了新的技術(shù)手段，止匕外，它還是一種合金、工藝、零件緊密結(jié)合，集成度很高的柔 性制造過程。在特定的霧化器設(shè)計和適當(dāng)?shù)撵F化參數(shù)的配合下，改變收集器的形狀并賦予它一定的機械運動，就可以直接成形餅 （盤）、棒、管（環(huán)）、板等接近零件實際形狀的多種坯件和材料。7 .高的噴射沉積效率，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。各種實用的霧化器的 噴咀的生產(chǎn)率在 25200kg/分，用作涂層的沉積速率可達50kg/分，單個產(chǎn)品重量可達600kg,甚至更大。噴射沉積技術(shù)所具有的上 述優(yōu)