CN102389979A - 一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法及系统，将陶瓷增强颗粒与高压惰性气体在加速喷嘴中均匀混合，作为雾化介质，与单独采用惰性气体雾化相比较提高了雾化介质的密度、动量和冲击力，显著提高了雾化效果并且能够降低惰性气体的消耗量。雾化完成后，陶瓷颗粒均匀弥散在雾化熔滴中，掺杂增强颗粒的金属熔滴在飞行过程中逐渐凝固，并最终在接收器上沉积凝固成形，获得陶瓷增强颗粒均匀分布，高性能的金属基复合材料。另外本发明中应用的陶瓷增强通过反应球磨法制得。可以以很低的成本制备在强度、界面稳定性以及高温性能等方面更为优良的增强颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法及系统，特别涉及增强颗粒生成方式以及熔融金属雾化方式。
背景技术
喷射成形技术是近30年发展起来的利用快速凝固方法直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进的成形技术。其过程是将熔融金属雾化成10～200微米的液态颗粒，然后在高速气流的带动下，微小的颗粒直接喷射在较冷的接收器上，从而成形晶粒细化的零部件或模具。与铸造工艺相比，成形材料具有细密的、等轴并且均质无偏析的微观结构。而颗粒增强金属基复合材料具有低成本、高模量、高强度、高耐磨性以及易于制造等优点。在喷射成形过程中向熔融金属内部掺杂陶瓷颗粒可以制备颗粒增强金属基复合材料，能够综合喷射成形和颗粒强化两种技术的优点，显著改善材料的性能，获得高质量的毛坯。
Osprey公司采用喷射成形法制备了颗粒增强金属基复合材料，其成形装置如图2所示。熔融金属由坩埚12底部通孔流下，由喷嘴20喷出的高速惰性气体对其雾化。陶瓷颗粒由粉仓14吹入金属熔滴雾化锥中，与金属熔滴混合，在接收器17上沉积凝固。该成形方法有如下缺点：(1)采用惰性气体雾化熔融金属，由于气体密度小、动量低，故雾化的效率很低，需要消耗大量的惰性气体，并且雾化熔滴尺寸分布不均；(2)陶瓷颗粒会影响雾化熔滴的飞行轨迹，使沉积坯形状难以控制。
2003年5月14日授权的中国专利ZL02237229.6公开了一种中心喷粉式的成形喷嘴，用于喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料。其结构如如图4所示，由坩埚21，粉体输送管22和高压喷嘴23组成。其工作原理为：粉体材料由粉体输送管22中喷出，坩埚21中的熔融金属由下部的环缝出口流出，惰性高压气体由最外层的高压喷嘴23喷出，直接作用在熔融金属上，使之雾化。该喷嘴的缺点是：(1)粉末输送管直径较小，且长度很大，粉体容易在管路中堵塞，影响增强颗粒在沉积坯内部的均匀分布；(2)由于粉体输送管穿过中间包底部，导流管24的外径变大，使得高压气室出气口的直径变大，影响喷嘴雾化效果。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法及系统，能够保证有效地细化雾化颗粒，提高雾化效率节省雾化气体。且增强颗粒具有更好的力学以及高温性能。其技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。
本发明按照喷射成形将金属液流雾化成细小颗粒的基本原理，提出了一种利用掺杂陶瓷增强颗粒的高速惰性气体作为雾化介质雾化熔融基体合金制备颗粒增强金属基复合材料的方法。其基本原理是：在加速喷嘴中将陶瓷颗粒用惰性气体混合、加速，利用掺杂陶瓷颗粒的高速惰性气体作为雾化介质，与单独采用惰性气体雾化相比较提高了雾化介质的密度、动量和冲击力，同时改变普通其雾化的破碎机理，实现多种破碎模式，达到最佳的雾化效果并且能够降低惰性气体的消耗量。雾化完成后，陶瓷颗粒均匀弥散在雾化熔滴中，掺杂增强颗粒的金属熔滴在飞行过程中逐渐凝固，并最终在接收器上沉积凝固成形，获得陶瓷增强颗粒均匀分布，高质量、高性能的金属基复合材料。另外本发明中应用的陶瓷增强通过反应球磨制得。由于传统方法制得的粉末中形状不规则，在棱角处会存在应力集中，而球形度高的粉末成本很高，且颗粒中可能会存在裂纹缺陷及表面污染等问题，而通过反应球磨法可以以很低的成本制备在强度、界面稳定性以及高温性能等方面更为优良的增强颗粒。
技术方案
一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：制备增强陶瓷颗粒，按成形材料设定的成分配比将原材料混合，在真空球磨机上反应球磨，通过控制球磨时间得到粒径为1～100μm不等的陶瓷颗粒；
步骤2：将制得的陶瓷增强颗粒置于真空室的粉仓中；
步骤3：将基体合金置于坩埚中，将真空室抽真空小于50Pa；开启中频加热设备加热基体合金至熔融态，并使其具有30℃～200℃过热度；
步骤4：调整喷嘴中惰性气体进气压力为0.2～1.5Mpa，带动进入喷嘴中的陶瓷颗粒由喷嘴出口飞出，气固混合物作为雾化介质对经过导流管流下熔融基体合金进行固体雾化，雾化后陶瓷颗粒均匀弥散在雾化熔滴中；
步骤5：调整熔滴接收器与导流管下口的距离，保证沉积前雾化熔滴的固相分数为60％～70％；混合了增强颗粒的半固态金属熔滴撞击熔滴接收器，接收器在计算机控制下按照所需形状坯件进行三维移动和转动完成坯件的制备。
一种用于所述方法的系统，包括坩埚1、止通棒2、雾化喷嘴3、真空室5、粉仓11、熔滴接收器和过喷粉末收集口10；其特征在于：在雾化喷嘴3的一侧设有入气口4，另一侧为粉仓11的出口。
所述熔滴接收器为管材接收器7、棒料接收器8或板料接收器9。
所述雾化喷嘴3出气口切线方向与竖直轴线呈30°～60°夹角，雾化喷嘴3的内部形状为Laval型。
有益效果
本发明提出的一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法及系统，具有如下的有益效果：
1、利用反应球磨法可以制备在球形度、强度、界面稳定性以及高温性能等方面更为优良的增强陶瓷颗粒。且成本低廉，粒径可以控制在100μm以下。
2、利用高速陶瓷颗粒雾化熔融金属，可以提高雾化效率，雾化熔滴的平均粒径更小，粒径分布区间更窄。减少了惰性气体消耗，生产成本大为降低，且增强颗粒在基体中分布均匀；
3、本发明的固体雾化喷射成形装置法，可生产在尺寸、形状和热力学条件等方面均一化快速凝固组织特征、结构致密且增强颗粒与基体材料结合良好的近终型的颗粒增强金属基复合材料部件或模具。
附图说明
图1：固体雾化喷射成形金属基复合材料装置结构示意图
图中：1为坩埚，2为止通棒，3为雾化喷嘴，4为入气口，5为真空室，6为金属熔滴雾化锥，7为管材接收器，8为棒料接收器，9为板料接收器，10为过喷粉末收集口，11为粉仓；
图2：固体雾化喷射成形金属基复合材料装置的中心喷粉式喷嘴结构示意图
图中：21为坩埚，22为粉末输送管，23为喷嘴，24为导流管。
图3；Osprey公司喷射成形金属基复合材料装置结构示意图
图中：12为坩埚，13为止通棒，14为粉仓，15为真空室，16、17、18为接收器，19为过喷粉末收集口，20为雾化喷嘴
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例的系统包括坩埚1、止通棒2、雾化喷嘴3、真空室5、粉仓11、熔滴接收器和过喷粉末收集口10；在雾化喷嘴3的一侧设有入气口4，另一侧为粉仓11的出口。所述雾化喷嘴3出气口切线方向与竖直轴线呈30°～60°夹角，雾化喷嘴3的内部形状为Laval型。
所述熔滴接收器为管材接收器7、棒料接收器8或板料接收器9。
利用上述系统以7075-10wt％Al203喷射成形制备圆柱坯体的步骤如下：
为例结合图示具体说明该发明实施方式：
步骤1：增强陶瓷颗粒的制备。按50％Al+49％CuO+1％Mg(质量分数)比例将原材料混合，在真空球磨机上进行反应球磨10小时，Al与CuO发生化学生成直径15μm的Al2O3陶瓷颗粒；
步骤2：将第一步制得的Al2O3陶瓷颗粒转移到真空室5中的粉仓11中；
步骤3：将7075合金置于坩埚中，将真空室抽真空小于50Pa。开启中频加热设备加热基体合金至熔融态，并使其具有100℃过热度；
步骤4：Al2O3陶瓷颗粒进入喷嘴3中经惰性气体混合加速，由喷嘴3出口飞出，混合了陶瓷颗粒的惰性气体作为雾化介质对经过导流管流下，熔融7075合金进行固体雾化；
步骤5：雾化喷嘴喷3口方向正对熔滴接收器(管材接收器7、棒料接收器8或板料接收器9，根据成形坯体形状不同选择不同的接收器)，喷嘴出气口切线方向与竖直轴线呈30°～90°。雾化后，Al2O3颗粒均匀弥散在雾化熔滴中。熔滴与陶瓷颗粒以较高速度飞向接收器，在接收器与雾化喷嘴之间形成雾化锥6。熔滴在飞行过程中逐渐凝固，通过控制飞行距离，使得沉积前雾化熔滴的固相分数为60％～70％；
步骤6：半固态金属熔滴高速撞击接收器，计算机控制接收器8进行三维移动和转动，保持适当的接收距离和角度，使得掺杂加强陶瓷颗粒的半固态熔滴凝固成所需形状坯件。
Claims (4)
1.一种通过喷射成形制备颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：制备增强陶瓷颗粒，按成形材料设定的成分配比将原材料混合，在真空球磨机上反应球磨，通过控制球磨时间得到粒径为1～100μm不等的陶瓷颗粒；
步骤2：将制得的陶瓷增强颗粒置于真空室的粉仓中；
步骤3：将基体合金置于坩埚中，将真空室抽真空小于50Pa；开启中频加热设备加热基体合金至熔融态，并使其具有30℃～200℃过热度；
步骤4：调整喷嘴中惰性气体进气压力为0.2～1.5Mpa，带动进入喷嘴中的陶瓷颗粒由喷嘴出口飞出，气固混合物作为雾化介质对经过导流管流下熔融基体合金进行固体雾化，雾化后陶瓷颗粒均匀弥散在雾化熔滴中；
步骤5：调整熔滴接收器与导流管下口的距离，保证沉积前雾化熔滴的固相分数为60％～70％；混合了增强颗粒的半固态金属熔滴撞击熔滴接收器，接收器在计算机控制下按照所需形状坯件进行三维移动和转动完成坯件的制备。
2.一种用于权利要求1所述方法的系统，包括坩埚(1)、止通棒(2)、雾化喷嘴(3)、真空室(5)、粉仓(11)、熔滴接收器和过喷粉末收集口(10)；其特征在于：在雾化喷嘴(3)的一侧设有入气口(4)，另一侧为粉仓(11)的出口。
3.根据权利要求2所述系统，其特征在于：所述熔滴接收器为管材接收器(7)、棒料接收器(8)或板料接收器(9)。
4.根据权利要求2所述系统，其特征在于：所述雾化喷嘴(3)出气口切线方向与竖直轴线呈30°～60°夹角，雾化喷嘴(3)的内部形状为Laval型。
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