喷射沉积技术简介课件.ppt

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1、喷射沉积技术简介喷射沉积工艺的发展及现状近几十年发展起来的快速凝固—粉末冶金技术(RS/PM)，是通过快速凝固制取金属粉末，然后采用各种热致密化工艺来固结坯料，得到晶粒细小、成分均匀、性能优异的粉末冶金材料；但该技术存在工艺复杂、粉末氧化严重、难于制备大件等问题，因此其发展和应用受到一定限制。为了解决上述矛盾，上世纪60年代末又发展起来一种新型的快速凝固和成形工艺，称之为喷射沉积或喷射成形工艺。该工艺的诞生对铸造、粉末冶金等技术产生了深远的影响，成为当今材料制备最引人注目的方法之一。喷射沉积的概念和原理最早是由英国Swa

2、nsea大学的A.Singer教授于1968年提出，1970年首次公开报导的。当时他把熔融金属雾化沉积在一个旋转的基体上，形成沉积坯料，并直接轧制成带材。Singer等人主要集中在铝合金方面的研究，一般采用氮气雾化，气体压力为0.55-0.83MPa，获得的雾化液滴直径为100-150m，喷射距离为0.45m。采用这样的参数，可以获得致密的雾化沉积带坯，存在的主要问题是带材的厚薄不均。1974年R.Brooks等人成功地将Singer提出的喷射沉积原理应用于锻造毛坯的生产，发展了世界著名的Osprey工艺，开发了适合于

3、喷射沉积的一系列合金，设计和制造了多种Osprey成套设备，并取得了两项专利。从此，Osprey工艺蜚声于世，成为了喷射沉积工艺的代名词。Singer教授提出的喷射轧制示意图和Osprey工艺的喷射锻造示意图如下图所示。喷射轧制示意图金属液体坩埚惰性气体雾化室沉积层轧辊基体雾化液流雾化器喷射锻造示意图惰性气体循环碎屑碎屑或铸锭坩埚雾化液流毛坯压模过喷粉末飞边锻件碎片锻件剪切锻压控温炉发展历程70年代Singer在SwanseaUniv.开发出来，主要是喷射轧制过程；随后OsprayMetals公司开发出Ospray工艺，

4、并获得了专利；美国MIT开发了液体动压紧实技术(LiquidDynamicsCompaction)，通过高压雾化气体，得到细小、快淬的液滴；1988年，美国加洲大学开发了“雾化共沉积技术”，制备金属基复合材料；随后，Lawley提出了“反应雾化成形技术”，可制备金属基自生复合材料喷射沉积工艺的基本原理和特点喷射沉积的基本原理如图所示，喷射沉积工艺的一般原理是：熔融金属或合金在惰性气氛中借助高压惰性气体或机械离心雾化形成固液两相的颗粒喷射流，并直接喷到较冷基底上，产生撞击、粘结、凝固而形成沉积物。沉积物可以通过各种致密化加

5、工得到性能优异的材料。雾化沉积原理示意图雾化沉积过程的热传导主要是依靠雾化液滴和惰性气体的对流和辐射进行热交换以及沉积坯通过基底传导和表面气体的对流、辐射进行热交换来实现的。根据所选择的工艺参数的不同，经雾化喷射后的颗粒与基底碰撞时，可以有以下几种状态：(1)绝大部分颗粒在与基底碰撞前已凝固，在这种情况下，只能获得疏松的粉末堆聚体。(2)绝大部分颗粒在与基底碰撞前仍保持液相，在这种情况下，金属在沉积后的凝固行为类似铸造。(3)金属颗粒在与基底碰撞时，部分颗粒呈现液态(约占30-50%)，部分颗粒呈现固态和半固态，碰撞后有

6、可能在基底上形成液体薄层，再与下层颗粒流结合成致密的沉积层。(4)金属颗粒在与基底碰撞时，大部分颗粒呈现液态(约占50-70%)，由于基底冷却速度快，过冷熔体在基体上迅速冷却而获得具有快速凝固组织特征的沉积层。这种沉积方式的基体在下一层颗粒碰撞前一般不形成液体薄层，消除孔隙和溅射边界主要是靠上层较多量的液相。技术原理喷射沉积主要由合金熔体的雾化，雾化液滴的飞行和冷却、沉积坯生长三个连续过程构成。其过程可以定性的描述为：金属或合金熔体在导流管末端，被雾化喷嘴出口处的高速气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射流。熔滴的尺寸在几个到

7、几百微米，其分布特性与喷嘴设计和雾化参数有关。熔体射流在高速气流作用下加速，并与气流进行强烈的热交换，其冷却速率为103-105/s之间，在达到沉积坯前，因为冷速的不同，小于某个临界半径的熔滴凝结成为固体颗粒，较大尺寸的可能仍未液态，而中间尺寸的熔滴含有一定比例的液相的半固态颗粒，这些大大小小，凝固速度不同的熔滴，以高速撞击沉积器表面，随之在沉积器表面附着，铺展（变形或破碎），堆积、熔合形成薄的半液态层顺序凝固结晶，逐步沉积生长为一个致密的金属实体，所以喷射沉积是一种把液态雾化（快速凝固）和雾化熔滴沉积（熔滴动态致密化）

8、自然的结合起来。实现直接从液态金属制取具有快速凝固特征，整体致密的坯件的先进制备技术。喷射沉积工艺的主要特点喷射沉积是与铸造、粉末冶金相竞争而发展起来的。喷射沉积工艺是一种介于铸造冶金(IM)和粉末冶金(PM)之间的工艺，同时兼备了两者的优点，又克服了两者的缺点。与其他快速凝固技术相比，喷射沉积工艺具有的生命力和广阔