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喷射沉积成型技术综述

   日期:2019-02-22     浏览:189    评论:0    
核心提示:一、喷射沉积的发展 喷射沉积技术作为快速凝固技术领域的一个新的发展方向,迄今已经有近30 多年的历史。其研究起因是为了解决快
一、喷射沉积的发展
喷射沉积技术作为快速凝固技术领域的一个新的发展方向,迄今已经有近30 多年的历史。其研究起因是为了解决快速凝固—粉末冶金(RS/PM)工艺中存在的种种问题,如无法制备大型的构件,以及粉末冶金工艺固有的材料含氧高、成本高的缺点。喷射沉积技术概念最初由英国Swansea 大学的A·Singer 教授于1968年最先提出喷射雾化轧制工艺, 即把熔融的金属雾化喷射到一旋转沉积辊上, 并直接将沉积坯料旋转到轧机加工成板材。
随后,Swansea 大学的研究者成立Osprey 金属公司,致力于把喷射沉积技术商用化,与英国Oxford 大学、Swansea 大学合作进行喷射沉积机理方面的研究,主要研究雾化与凝固数学模型,并以此理论模型结合Singer 教授的雾化器技术,最终提出OspreyTM 工艺。该工艺是将熔融金属流利用高压惰性气体以103~105K 的冷却速度,雾化成半固/半液的糊状物沉积在一旋转的盘或管上,制成棒状、管状坯料。
与Osprey 工艺相对应, 美国麻省理工学院的Grant 教授,采用拉乌尔喷嘴结构,把高压雾化气体加速到超音速,使得雾化液滴更细小。该工艺称为超声气体雾化和液态动压实工(USGA-LDC 工艺),但该工艺的商业普及远不及Osprey工艺。
二、研究现状
喷射沉积作为一项材料制备的新工艺, 其技术研究方向目前基本分为3 类,其一为工艺研究,主要通过数学分析方法进行喷射沉积过程中的传热、传质过程研究,对雾化、沉积等工艺过程提出数理模型,指导喷射沉积工艺技术的改进,为基础研究工作。该研究工作目前已由英国开始转向德国。其二为以英国Osprey 公司的喷射沉积设备技术及喷射沉积产业化方面的研究, 自1986 年其由瑞典的Sandvik 公司并购以来,Osprey 公司以知识产权的形式多年垄断着喷射沉积设备市场,通过多年的努力与发展,研发出多种型号、多种用途的喷射沉积设备,可生产铝、铜、镁、钢、镍、钛等合金及复合材料,产品形式有棒、盘、管甚至异型管件,最大坯锭可达4t多, 而且其设备售出的同时还必须相应签定生产许可协议, 收取生产许可费。每3年Osprey 公司发起举行一次喷射沉积技术及产业化研讨会ICSF(International Conference on Spray Forming),在会上Osprey 代表世界各大产业单位提出喷射沉积产业化的综述性报告。从2003 年起SDMA 和ICSF 已经合为一地召开,但是两个会场,这也说明理论与实践相结合的必然趋势。其三为世界各国金属材料公司及研究院所、大学采用喷射沉积技术进行的材料技术研发,利用喷射沉积技术开发新型材料,更主要还是以现有的熔铸、粉末冶金材料为基础发挥喷射沉积的技术优势,进行材料性能的改进和提升,这是喷射沉积技术产业化的重要一环。
喷射沉积技术经过多年发展, 已经步入比较成熟的产业化应用阶段,其中以铝材、铜材和钢材的喷射沉积技术应用最为广泛, 全世界已经有将近十几条大型喷射沉积金属材料生产线,比较典型的有瑞典Sandvik公司的不锈钢管材生产线, 日本住友重工的轧辊生产线,美国海军实验室的不锈钢管材生产线(为最大的喷射沉积设备), 德国Peak 公司和日本住友轻金属公司的铝合金生产线,以及其他一些院校、科研机构开展的材料研究和小规模试制。
国内从80 年代末开始喷射沉积技术的研究,目前已经有近十几家单位开展这方面的研究, 北京有色研究总院拥有SF-200 型自制设备, 可以制备出准200mm 左右的圆坯锭,主要研发铝基、铜基材料等。中南大学、湖南大学目前拥有国内可制备大直径管材的自制喷射沉积设备,主要研发方向为耐热铝合金。上海钢铁研究所主要进行喷射沉积轧辊技术研究, 航空621所研究镍基高温合金喷射沉积技术研究, 已制备出致密度达99.8%以上镍基高温合金棒坯。兵器52 所于1998 年从英国Osprey 公司引进一套生产试验型喷射沉积设备,主要用于研制生产铝、镁的喷射沉积棒坯,本设备年产量为200 t 左右, 是目前国内自动化程度最高,可投入量产的喷射沉积设备。
喷射沉积技术在西方工业发达国家的发展应用过程中,最初的重点并非铝合金材料,这是由于这些国家在铝合金快凝/粉末冶金(RS/PM) 技术方面的发展较早,RS/PM 铝合金已经具有较为成熟的产品和市场。但在近十几年, 人们认识到喷射沉积在制备高性能铝合金材料方面的技术和成本优势后, 又开始把发展方向转向喷射沉积技术。
三、金属粉末喷射成型的组织结构与工艺特点
3.1组织结构
喷射成型金属的组织结构具有以下特点:(1)组织密度高。由于喷射金属液滴依次溅落并冲击变形,顺序自熔和凝固,易于充分充填并封闭孔隙,因此材料组织孔洞很少且细小(2)材料组织孔洞之间互不贯通,相对密度可高达95 % - 98 % ,高于普通粉末冶金件的密度指标。(3)晶粒细小均匀。由于雾化液滴直径的分布约为100Hm ,散热表面积大,冷却极快,因此可形成细小均匀的晶粒组织。(4)金属液滴与沉积器碰撞后加速凝固、沉积、最终形成微晶组织,保留了粉末高速钢的优良性能。(5)与传统压制成型工艺相比,材料微观组织更均匀、密度更高、性能更佳。
3.2工艺特点
用金属粉末喷射成型工艺制作工件的工艺流程简单,生产周期短,可直接从制粉厂购进金属粉末,省去了配料、混粉、压制及烧结等工序。喷射成型后的制件(刀具、模具等) 组织密度高,硬度在50HRC以上,如再加以涂层处理,其效果更佳。该工艺还省去了热处理工序和部分机械加工,且所需工艺装备少、投资省、能耗低,从而可大大降低生产成本。
四、喷射沉积铝合金
铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件刚、强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁条等;在航天工业中,铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料。在兵器领域,铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上, 榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。
喷射沉积铝合金材料的研究方向以现有铝合金材料为对象,进行物理、化学性能方面的提升;另外则是以快速凝固技术为基础结合喷射沉积技术研发常规工艺无法实现的特殊性能的铝合金。可分为5 类:1)以高强/高韧为目标的Al-Cu 系和Al-Zn-Mg-Cu 系;2)以耐热/高强为目标的Al-Fe 系、Al-Cr 系;3)以耐磨/耐热为目标的过共晶Al-Si系4)以低密度/高刚度为目标的Al-Li 系;5)铝基电子封装材料。
 
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