CN102424946A

CN102424946A - 喷射沉积制备中空盘件的方法

Info

Publication number: CN102424946A
Application number: CN2011104006855A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 严红革; 涂川俊; 黄建军
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan powder material Co. Ltd.
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: CN102424946B

Abstract

本发明公开了一种喷射沉积制备中空盘件的方法，包括以下步骤：首先，采用喷射沉积工艺在基体上成型出该中空盘件的底层，在底层上置放金属辐盘或模块，然后在底层上继续进行喷射沉积，直至成型出该中空盘件的顶层，得到喷射沉积坯件；去除金属辐盘或模块外露于喷射沉积坯件的部分，得到包埋金属辐条的喷射沉积坯件；再对喷射沉积坯件进行压制或热压以进行致密化，最后进行热处理，利用热处理过程中的加热保温阶段熔出金属辐条，获得中空盘件成品；金属辐盘或模块主要采用熔点高于喷射沉积过程中沉积层温度、且熔点低于所述热处理时加热温度的材料制作。本发明工艺的成本低廉、工艺步骤简单，得到的产品组织均匀、性能优越且材料利用率高。

Description

喷射沉积制备中空盘件的方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料零部件的制备方法，尤其涉及一种中空件的喷射沉积制备工艺。

背景技术

中空件零部件为现代工业常见零配件，特别是在航空航天、交通、能源、化工等领域的一些关键部件，如汽车制动盘、飞轮、高速列车刹车盘、机箱、汽车飞机等框体、运载火箭燃料储备箱等，都包含有中空部件。这些部件如果能够采用高性能铝、镁合金或其复合材料制备，则可大大提高其性能，实现轻量化和节能减排等技术效果，具有广阔的应用前景。

现有的喷射沉积工艺是制备高性能铝、镁合金及其颗粒增强复合材料的理想方法，它能够获得晶粒细小的组织，基体内增强颗粒分散均匀，体积分数高，无偏析、无有害界面反应，同时基于其快速凝固的组织特征，合金成分偏析程度小，材料受污染的程度低，这使得所制备的材料力学性能优越，综合机械性能达到或超过粉末冶金/快速凝固材料，明显优于铸锭材料。喷射沉积工艺的基本原理是：将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物，再改变沉积基体的形状或运动方式，可获得锭、管板状沉积坯。这种液滴与颗粒的沉积物含有一定的孔隙度，属非连续介质体系，后续可进行锻造、挤压或轧制等致密化加工，最终获得高性能坯件产品。

基于上述原理，喷射沉积获取坯件来源于喷射颗粒流逐层叠加累积而成，其不能直接用于制备中空件。传统喷射沉积制备中空件的方法为先沉积制坯，致密化加工后，再通过钻铣等机加工或通过线切割等工序获得中空部位，制备得到最后的产品。这种加工方式不仅工艺过程复杂、容易造成材料的浪费，而且机加工操作时还可能由于变形不均匀而导致产品的组织均匀性差，力学性能不够理想；特别是对于有陶瓷增强颗粒的复合材料来说，由于耐磨性高或陶瓷颗粒的绝缘性，机加工（钻孔）、线切割等工艺操作难度较大，甚至难以实施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种产品组织均匀、材料利用率高、成本低廉、产品性能优越、工艺简单的喷射沉积制备中空盘件的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种喷射沉积制备中空盘件的方法，包括以下步骤：首先，采用喷射沉积工艺在基体上成型出该中空盘件的底层，在底层上置放金属辐盘或模块，然后在置放有金属辐盘或模块的底层上继续进行喷射沉积，直至成型出该中空盘件的顶层，得到夹有所述金属辐盘或模块的喷射沉积坯件；去除所述金属辐盘或模块外露于喷射沉积坯件的部分，得到包埋金属辐条的喷射沉积坯件；再对包埋金属辐条的喷射沉积坯件进行压制或热压（或者模压、轧制等操作）以进行致密化，最后对致密化后的喷射沉积坯件进行热处理，利用热处理过程中的加热保温阶段熔出所述金属辐条，使喷射沉积坯件中成型出尺寸与金属辐条一致的通孔，获得中空盘件成品；

所述金属辐盘或模块主要采用熔点高于喷射沉积过程中沉积层温度、且熔点低于所述热处理时加热温度的材料制作。

要实现本发明的目的，金属辐盘或模块的制作材料选用是比较关键的，尤其是制作材料熔点的控制，即首先要使该材料的熔点在喷射流温度以上，这样在喷射沉积过程中，金属辐盘或模块不至于熔解，可以有效成型出中空盘件中的孔隙，同时还要使该材料的熔点控制在后续喷射沉积坯件的热处理温度（如淬火或固溶温度）以下，这样便能使金属辐条在热处理过程中熔出，得到所需要的中空盘件。而对于此类熔点有特殊要求的材料优选采用具有特定熔点的合金材料制作，因为本领域技术人员可以依据相图通过合金成分的设计，进而得到熔点在特定区间的合金材料，使其能够有效应用于本发明的工艺。作为公知的，该金属辐盘或模块的制作材料也不应与所述中空盘件的基体材料发生影响中空盘件性能的有害化学反应，而且所选的制作材料还应具备相应的压缩强度，以保证喷射沉积坯件在热模压致密化时不发生溃散、熔化，以保证中空体的形状。

上述的喷射沉积制备中空盘件的方法，所述喷射沉积过程中，喷射流与所述基体的平面优选呈倾斜夹角进行斜喷。所述夹角优选为30°～45°。采用倾斜喷射方式可使喷射液流与喷射沉积坯件沿珩条径向构成一斜喷角度，这样更有利于喷射流充分填充到珩条间的间隙中。

上述的喷射沉积制备中空盘件的方法中，所述喷射沉积时的工艺条件优选满足：熔炼液体温度为850℃以上，雾化气体压为0.8MPa～1.0MPa，增强颗粒的输送压力为0.3MPa～0.5MPa，基体的转速为250r/min～300r/min，喷射高度为120mm～300mm。

上述的喷射沉积制备中空盘件的方法中，所述致密化过程中的工艺条件优选满足：加热温度为400℃～450℃，压制压力为18MPa～22MPa，保压时间为5min～10min。

上述的喷射沉积制备中空盘件的方法中，所述热处理过程中的固溶温度优选为520℃～580℃。

上述本发明的技术方案中，喷射沉积工艺是本领域中已经成熟运用的工艺方法，该工艺方法主要是采用喷射沉积设备，将熔融金属或合金等在惰性气体中雾化，形成颗粒喷射流，然后在基体上沉积所需的中空坯件即可；本发明的喷射沉积原理简单，所选用的工艺设备都属于现有技术，可从专门公司成套引进或从市场购买主要部件自行组装，本发明对工艺设备并无特别要求或限制。虽然加工的中空盘件的尺寸、形状、中空孔的分布及数量可能存在差异，但本领域技术人员可以通过调整所述金属辐盘或模块的尺寸、形状、珩条的分布及数量来实现，不会影响本发明工艺的适应性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明成功解决了喷射沉积坯件及其复合材料中空盘件的制备，采用本发明的工艺可完全取代喷射沉积制备中空盘件（例如汽车用制动盘起通风散热作用中空部分）的后续机加工，且产品组织均匀，材料利用率高，成本低廉，性能优越，工艺简单，可以大规模地连续生产，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺方法中沉积出坯件底层后的工艺状态示意图。

图2为本发明实施例的工艺方法中置放金属辐盘后的工艺状态示意图。

图3为本发明实施例的工艺方法中沉积出坯件顶层后的工艺状态示意图。

图4为本发明实施例中制备得到的包埋金属珩条的喷射沉积坯件的结构示意图。

图5为本发明实施例的模压致密化步骤中用到的模具的结构示意图。

图6为本发明实施例中最后制得的铝基复合材料中空盘的结构示意图。

图例说明

1、基体； 2、底层； 3、方孔； 4、喷射流； 5、喷枪； 6、坩埚； 7、金属辐盘； 71、金属辐条； 8、顶层； 9、珩条装配部分； 10、喷射沉积坯件； 11、模具； 12、铝基复合材料中空盘。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种本发明的喷射沉积制备中空盘件的方法，本实施例制备的中空盘件为汽车制动盘用盘件，该中空盘由铝基复合材料制成，具体的制备方法包括以下步骤：

（1）准备材料：选取高硅铝合金（Al-12%Si）作为本实施例中空盘的基体材料，增强颗粒为SiCp颗粒，颗粒的粒度为10μm～15μm，在进行喷射沉积前，将增强颗粒放在铁制容器中，在600℃温度下焙烧1h，然后采用喷射共沉积工艺，增强颗粒加入量为15%。后续用到的金属辐盘7的材料选取Zn-20%Al合金，其熔点为460℃，通过铸造在金属辐盘7上成型出可熔性的金属辐条24根（图上未示出24根，仅为示意），其截面尺寸为8mm×8mm，排列组装成辐射状，形成中空盘件所需的中空模块。

（2）沉积底层：如图1所示，采用喷射沉积工艺在基体1上成型出该中空盘件的底层2；喷射沉积过程中，喷射沉积设备（本发明的喷射沉积设备为可以市购的现有成熟设备）的喷枪5将坩埚6中的熔融金属雾化成液滴喷射流4，喷射流4与基体1的平面呈倾斜的30°夹角进行斜喷，喷枪5可根据所制备的中空盘件宽度沿基体1的径向往复移动，在喷射沉积过程中沉积坯件表层温度控制在380℃～400℃，当喷射流4在旋转的基体1上沉积出20mm厚的底层2时，停止喷射沉积。喷射沉积工艺参数如下表1所示。

表1：喷射沉积SiCp/Al-12%Si工艺参数组合.

熔炼液体温度/℃	导液管直径/mm	雾化气体压力/MPa	SiC_p输送压力/MPa	喷射高度/mm	基体盘转速/（r/min）
						860	4.5	0.8	0.4	150	300

（3）沉积顶层：如图1、图2所示，在底层2上快速置放和固定好上述准备的金属辐盘7，金属辐盘7通过插杆插入基体1中心的方孔3中，然后在置放有金属辐盘7的底层2上继续进行喷射沉积，喷射沉积过程中，包括喷射角度等在内的各项工艺参数与步骤（2）相同；如图3所示，随着基体1的同步旋转，并利用喷射流4与喷射沉积坯件平面呈30°的斜角入射，沉积材料逐渐填补了金属辐条71的间隙，形成喷射沉积坯件的顶层8，顶层8的厚度与底层2的厚度相同，均为20mm。

（4）机加工：如图3所示，喷射沉积完成之后得到夹有金属辐盘7的喷射沉积坯件10，然后使夹有金属辐盘7的喷射沉积坯件10与基体1分离，对分离后的喷射沉积坯件10进行机加工，去掉金属辐盘7外露于喷射沉积坯件10中多余的珩条装配部分9，得到如图4所示的包埋金属辐条71的喷射沉积坯件10。

（5）模压致密化：如图5所示，将步骤（4）得到的包埋金属辐条71的喷射沉积坯件10装置在模具11中，进行热模压致密化，将加热管及热电偶插入模具11特制的模孔中对喷射沉积坯件进行加热，加热温度为430℃，压制压力为20MPa，保压时间为10min，进而获得理想的致密化坯件。

（6）固溶处理：取出步骤（5）中得到的致密化坯件，在电阻炉中进行对其固溶处理（也可淬火加热处理），其固溶温度为540℃，同时使包埋于致密化坯件中的可熔性Zn-20%Al金属辐条71顺利熔化流出，流出Zn-20%Al合金可用事先安置好的铁盘收集以回收备用；固溶处理时间为1h，在坯件组织中，形成过饱和固溶体，进一步进行人工时效处理，时效工艺参数为175℃×4h，最终获得如图6所示的组织优良、界面良好、力学性能突出的、可替代传统铸铁材料的铝基复合材料中空盘12。

对本实施例的中空盘进行性能检测，其性能参数如下：σ_b≥320MPa，σ_0.2≥280MPa，δ≥5%；摩擦系数为0.35～0.45，磨损量为0.3g/MJ；其完全可用作轻质耐磨铝基复合材料的汽车制动盘。

虽然本发明的上述实施例只给出中空盘件的制备工艺，但是在不脱离本发明技术思想的前提下，本领域普通技术人员完全可以将其应用到其他类型的中空件的制作中，只要其工艺步骤与本发明保护的技术方案基本相同或者等同，均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种喷射沉积制备中空盘件的方法，包括以下步骤：首先，采用喷射沉积工艺在基体上成型出该中空盘件的底层，在底层上置放金属辐盘或模块，然后在置放有金属辐盘或模块的底层上继续进行喷射沉积，直至成型出该中空盘件的顶层，得到夹有所述金属辐盘或模块的喷射沉积坯件；去除所述金属辐盘或模块外露于喷射沉积坯件的部分，得到包埋金属辐条的喷射沉积坯件；再对包埋金属辐条的喷射沉积坯件进行压制或热压以进行致密化，最后对致密化后的喷射沉积坯件进行热处理，利用热处理过程中的加热保温阶段熔出所述金属辐条，使喷射沉积坯件中成型出尺寸与金属辐条一致的通孔，获得中空盘件成品；

2.根据权利要求1所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于：所述金属辐盘或模块主要采用具有特定熔点的合金材料制作，所述特定熔点的合金材料是通过调整合金元素的比例获得。

3.根据权利要求1或2所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于：所述喷射沉积过程中，喷射流与所述基体的平面呈倾斜夹角进行斜喷。

4.根据权利要求3所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于：所述夹角为30°～45°。

5.根据权利要求1或2所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于，所述喷射沉积时的工艺条件满足：熔炼液体温度为850℃以上，雾化气体压为0.8MPa～1.0MPa，增强颗粒的输送压力为0.3MPa～0.5MPa，基体的转速为250r/min～300r/min，喷射高度为120mm～300mm。

6.根据权利要求1或2所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于，所述致密化过程中的工艺条件满足：加热温度为400℃～450℃，压制压力为18MPa～22MPa，保压时间为5min～10min。

7.根据权利要求1或2所述的喷射沉积制备中空盘件的方法，其特征在于，所述热处理过程中的固溶温度为520℃～580℃。