CN102151828A

CN102151828A - 多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法

Info

Publication number: CN102151828A
Application number: CN 201110066326
Authority: CN
Inventors: 徐轶; 葛昌纯
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，采用多坩埚多喷嘴喷射成形技术。包括如下步骤：（1）待覆层基体表面清理后在惰性气体保护下加热升温；（2）一个以上的合金液坩埚依次排列在在覆层基体上方，各坩埚中的合金液经高压惰性气体雾化依次喷射沉积在所述基体表面上得到多层梯度材料。本发明方法提高了喷嘴雾化效率和沉积效率，实现了多层复合材料的连续制备。获得梯度材料具有沉积坯孔隙率低、组织细小均匀、界面结合性能较好，材料收得率高的优点。

Description

多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法

技术领域

本发明属于喷射成形工艺领域，特别涉及在复合材料制造领域，采用多坩埚多喷嘴喷射成形技术的制备方法。

背景技术

喷射成形技术是一项新兴的技术，该技术具有快速凝固的特点，可制备常规工艺难以制备的高合金或超高合金材料，快速凝固促进了金属组织细化、消除了宏观偏析，材料晶粒细小、组织均匀，从而大幅度地提高了合金性能。它既克服了传统的冶金铸造过程带来的缺陷，又可免除粉末冶金的制粉、压制、烧结等多道工序，节省了中间步骤，比粉末冶金工艺降低了生产成本缩短了生产时间。喷射成形学术思想首先是由英国Swansea大学的Singer教授于1968年提出，其目的在于从熔融金属直接获得最终产品或半成品。喷射成形作为一种工程技术则是从1974年英国Osprey Metals公司取得专利权开始。Osprey公司对其工艺及设备进行了大量研究后，发展成了一种实用技术，并将此命名为Osprey工艺。

中国专利200410039057.9将纯Si、Al原材料放入中频感应电炉中升温熔化，浇铸成中间合金锭，然后采用喷射成形技术制备Al-Si合金。从而提供一种低热膨胀系数、高热传导率、低密度和可加工的高硅铝合金的制备方法，广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其他相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

发明内容

现有技术不能提供有效的梯度材料的成形，鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供喷射成形制备复合材料的工艺方法，通过采用多坩埚、多喷嘴结构，精确控制沉积器二维运动方式，实现喷射成形制备复合材料的新方法。

本发明的目的通过如下手段来实现。

多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，采用多坩埚多喷嘴喷射成形技术的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（1）待覆层基体表面清理后在惰性气体保护下加热升温；

（2）一个以上的合金液坩埚依次排列在在覆层基体上方，各坩埚中的合金液在液相线以上100-200℃保温，然后倾倒入中间包，中间包熔体高度控制在150mm-250mm之间，熔体经由中间包底部的导流嘴流入雾化器，经高压惰性气体雾化依次喷射沉积在所述基体表面上得到多层梯度材料。

采用如上的方法，提高了喷嘴雾化效率和沉积效率，实现了多层复合材料的连续制备。获得有益的效果为：沉积坯孔隙率低（2-4%）、组织细小均匀（平均晶粒度0.9-20μm）、界面结合性能较好，材料收得率高（72%-85%）。

附图说明如下：

图1. 本发明方法的工序示意图。

图2.采用本发明方法所获成形制备梯度材料的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

根据本发明的基本构思，利用多坩埚多喷嘴实现雾化喷射，调整沉积基体位置、调整坩埚位置、雾化先后顺序、沉积基体运动顺序，利用金属射流刚沉积到基体时接近熔点的高温和极好的流变性，实现多层复合材料沉积层之间的冶金结合，获得致密的多层复合材料。其具体做法：先对基体表面进行清理或加工并在惰性气体保护下感应加热；然后，将多种合金液经过多坩埚多喷嘴由高压惰性气体雾化并依次喷射沉积在所述基体表面上，得到多层复合材料。

基体表面的清理和加工工艺可以采用本领域传统的清理和加工工艺，只要对本发明的发明目的不产生影响即可。具体的例子包括但不限于：去污清洗、喷丸或喷砂处理、机械加工等。

基体表面在惰性气体保护下感应加热时，所述基体表面预热温度仅比合金固相线温度低100-150℃。所述金属液由高压惰性气体雾化并喷射沉积在基体或已沉积层表面上，所述高压惰性气体的压力2-10大气压。惰性气体的种类一般与感应加热所用一致，对钢铁工件一般采用氮气。液面高度由位置或者重量传感器在线测量。熔体质量流速在1000-1500kg/h。

所述多个限制式喷嘴，其工作介质为惰性气体或设定的反应性气体，合金熔体在重力作用下进入雾化区域，气体压力2-10大气压，不同坩埚中的合金熔液通过雾化喷嘴将具有稳定流速的合金液流粉碎，形成稳定而密集的液滴喷射流。连续密集沉积的合金液充分融合，且快速凝固。雾化喷嘴采用扫描运动，增大了喷射沉积区域，使得沉积更加均匀。

所述的精确控制沉积基体温度，具体为：沉积基体的温度与沉积坯性能、沉积效果、结合层强度密切相关。沉积基体经过感应线圈加热，预热后温度为合金固相线温度以下100-150℃。

所述的精确控制沉积基体的运动模式，具体为：沉积基体的运动方式与沉积坯形状、沉积效果密切相关。所述的控制工艺参数，具体如下：

喷射流在沉积到基体表面之前的飞行距离在500-600mm范围，多坩埚多喷嘴实现不同合金依次雾化成喷射流，并依次沉积在基体上，形成沉积梯度层。基体初始预热温度比合金固相线温度低100-150℃。控制沉积基体的运动方式，基体水平运动速度0.5-10mm/s。控制沉积基体运动和沉积距离，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，保持形状精度。

采用数字红外测温仪分别在线测量沉积层表面温度和沉积基体温度，采用工控机和可编程控制器（PLC）接受独立工艺参数信号和发出电机控制指令，在线控制沉积面与喷嘴距离、轴向运动速度、旋转速度，使沉积温度和距离在最佳范围内。本发明中存在几束熔体喷射流，一个坩埚连接一个中间包控制一个雾化喷嘴形成独立喷射流。本发明适用于制备的管坯、圆柱锭坯、板材等多沉积层梯度材料。

在本发明的一个具体实施方式中，合金液由高压惰性气体雾化并喷射沉积在基体或已沉积层表面上，所述单个喷射装置的金属液的流速为1000-1500kg/h。此处所指的合金液的流速是单个喷射装置的合金液的流速。本领域技术人员可以理解采用多个喷射装置合金液的流速为各个单个喷射装置中流速的组合。

采用本发明的基本方法，适当控制基体与雾化合金液射流之间旋转、往复等相对运动，可制备各种形状的复合材料坯，使沉积层合金均匀、快速、逐层地覆盖在基体表面，目标制备梯度材料可制备成板坯、环坯、圆柱坯等。

本发明不限于上述细节的描述，任何不偏离发明实质精神的变化或修饰都将包括在本发明范畴之中。以下结合具体实例，进一步阐明本发明。

实施例1：

图1是本发明的工艺和设备示意图。采用双坩埚、双喷嘴喷射成形制备Al-Si合金梯度材料。基体（6）选用6061铝合金材料，将AlSi₂₅、AlSi₁₂铝合金分别放入坩埚（8）和（9）中经感应线圈加热熔化，保温温度分别控制在630℃和750℃，基体（6）水平方向移动至喷嘴（7）下方， AlSi₂₅合金熔液倾倒入中间包中，经过喷嘴雾化形成雾化区，在基体上沉积一层AlSi₂₅沉积层（5），随着基体移动至第二个喷嘴下方，AlSi₁₂合金熔液（1）倾倒入中间包（2）中，喷嘴雾化形成雾化区（3），AlSi₁₂铝合金在沉积层（5）表面再发生沉积，形成沉积层（4）。工艺参数如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.4MPa；沉积距离：600mm；导流管直径：4mm。

Claims

1.多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，采用多坩埚多喷嘴喷射成形技术的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）待覆层基体表面清理后在惰性气体保护下加热升温；

2.根据权利要求1所述之多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，其特征在于，基体表面在惰性气体保护下采用外置感应加热线圈加热，所述基体表面温度加热至低于沉积层合金固相线温度100-150℃。

3.根据权利要求1所述之多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，其特征在于，所述合金液经多坩埚多喷嘴控制，高压惰性气体压力为2-10大气压。

4.根据权利要求1所述之多坩埚多喷嘴喷射成形制备梯度材料的方法，其特征在于，所述基体平面相对于喷嘴作垂直直线平移，轴向移动速度0.5-10毫米/秒，此时合金液的流速控制在在1000-1500kg/h。