CN105170980A - 倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法，包括以下步骤：1)确定基本工艺参数，包括基本内工艺参数和基本外工艺参数；2)确定收集盘的下降速度；3)确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外、收集盘旋转速度n；4)确定内、外喷嘴扫描区域；5)确定内、外喷嘴倾斜角度及扫描范围角；6)确定内外喷嘴导液管直径；7)确定内、外喷嘴雾化气体压力p_内、p_外。本发明主要解决具有关联关系的多工艺参数的制订步骤及其工程化计算方法，为大规格坯件喷射成形半固态沉积提供工艺保证。

Description

倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法

技术领域

本发明涉及喷射成形工艺参数制订方法，特别涉及倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺下具有复杂关联关系的多工艺参数的制订方法。

背景技术

喷射成形是新一代合金快速凝固技术。凝固技术发展的主要方向是提高凝固速率，其主要实现方式是通过细化熔体凝固单元来提高散热速率。凝固技术经历了模铸阶段，发展到半连续铸造技术，其凝固单元从厘米级到毫米级，而作为新一代凝固技术，喷射成形技术的凝固单元达到微米级。

喷射成形基本过程是将液态金属在受控气氛(常见为惰性)中雾化，形成液滴喷射流，经过飞行冷却，在半固态时沉积到收集器上，熔合形成致密坯。它把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(熔滴动态致密固化)结合起来，在一步冶金操作中，直接从液态金属制备坯件。喷射沉积实际上可看作半固态沉积层的叠加而形成。

喷射成形工艺的独特性就在于其快速凝固过程，包括雾化和沉积两个核心阶段，只有当雾化喷射锥和沉积坯表面均为半固态沉积状态时，才能获得具有理想的微观组织的材料，因此，半固态凝固过程需要始终维持在很窄的工艺窗口内进行。这对喷射沉积工艺参数及其稳定性提出了较高要求。

喷射成形工艺发展方向之一是坯件的大规格化，倾斜式双(多)喷嘴扫描喷射成形工艺是实现坯件大规格化的主要方法之一，该工艺涉及到的工艺参数众多，工艺参数之间具有较高的关联度，对雾化过程、物质沉积分布状态及半固态凝固及沉积状态有很大影响。

在现有的喷射成形工艺参数优化及制订方法中，一般通过建立喷射沉积过程的理论工艺模型来优化计算局部的工艺参数，工艺模型及计算方法较为复杂，难以适用于工程化实施中对工艺参数制订的快速、简便、全面性要求。对倾斜式双(多)喷嘴扫描喷射成形工艺下完整的工艺参数制订过程及方法目前未有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法，主要解决具有关联关系的多工艺参数的制订步骤及其工程化计算方法，为大规格坯件喷射成形半固态沉积提供工艺保证。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺是指：锭坯及其收集盘所在轴线为竖直方向，喷嘴与轴线呈一角度倾斜安装，喷嘴包括2个(内喷嘴、外喷嘴)，喷嘴绕着其轴线作往复扫描运动，扫描运动由电机驱动的机械机构实现。

工艺参数涉及喷射成形内工艺参数和外工艺参数。内工艺参数是指喷射成形过程形成的实现金属熔体快速凝固及半固态沉积的过程参数，该参数直接决定喷射成形坯件的组织形态和质量，如熔体雾化液滴粒度及凝固速度、喷射锥在沉积面处的半固态状态、沉积表面的半固态状态、沉积表面金属物质分布状态、物质沉积速度。外工艺参数是指为获得理想的内工艺参数而通过工艺设备调整设置所对应的工艺参数。

本发明所述的工艺参数制订是特指外工艺参数。

外工艺参数包括：熔体雾化工艺参数、喷嘴倾斜及扫描工艺参数、收集盘运动工艺参数。

熔体雾化工艺参数包括：熔体温度、雾化气体压力、喷嘴出口面积、喷嘴锥角、导液管直径。

喷嘴倾斜及扫描工艺参数包括：内、外喷嘴的喷嘴偏心距e_内、e_外，喷嘴倾斜角α_内、α_外，喷嘴扫描范围角β_内、β_外，喷嘴扫描频率f_内、f_外。

收集盘运动工艺参数包括：雾化锥喷射高度h、收集盘下降速度v_收集盘、收集盘旋转速度n。

倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法包括以下步骤：

步骤一：确定基本工艺参数，包括基本内工艺参数和基本外工艺参数，这些参数是制定和计算其他工艺参数的前提条件。

(1)所述的基本外工艺参数是指受设备结构限制不易调整、或由金属熔体本身特性决定的参数，包括：由某一金属合金所确定的熔体温度，由喷嘴结构确定的雾化器出口面积、喷嘴锥角，由喷嘴安装位置确定的内、外喷嘴偏心距。

(2)所述的基本内工艺参数包括物质沉积速度V、雾化锥喷射高度h、G/M比率、收得率ρ。

①雾化锥喷射高度h是指熔体雾化后形成的雾化锥飞行距离，在此过程中进行热交换而快速凝固，该参数决定了物质的半固态状态，是首先需要确定的，其依据是仿真计算和实验得出的数据。

②物质沉积速度V是指雾化锥在坯件沉积表面上单位时间内沉积增长厚度，该参数决定了表面半固态沉积状态，是通过实验得出的数据。

③G/M比率是指雾化器流量与金属熔体流率的比值，决定了熔体的雾化质量，是仿真计算和实验得出的数据。

步骤二：确定收集盘的下降速度

收集盘下降速度v_收集盘根据物质沉积速度V确定，v_收集盘＝V；

步骤三：确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外、收集盘旋转速度n

(1)确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外

内、外喷嘴扫描频率受到扫描机械机构强度和疲劳寿命的限制，f_内、f_外的取值范围为5Hz-15Hz。

(2)确定收集盘旋转速度n

在喷嘴扫描运动和收集盘旋转运动的共同作用下，雾化锥物质在沉积表面上的物质按某一轨迹呈周期分布，为了提高物质在沉积表面的分布的均匀性，内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外与收集盘旋转速度n的关系应满足的关系为：

k_内＝60·f_内/n和k_外＝60·f_外/n是无理数；

步骤四：确定内、外喷嘴扫描区域

根据需要喷射成形的锭坯目标直径d_锭坯，确定内外喷嘴的扫描区域；内、外喷嘴的扫描区域均为环形，用r_内1、r_内2表示内喷嘴的扫描区域内外径，用r_外1、r_外2外喷嘴的扫描区域内外径；

(1)r_内1为锭坯中心位置，r_内1＝0；

(2)r_外2为锭坯目标直径d_锭坯，r_外2＝d_锭坯；

(3)内、外喷嘴扫描区域具有c宽度的交叉范围，表示为r_外1＝r_内2-c；

(4)内、外喷嘴扫描区域面积S_内、S_外根据(式1、式2)计算：

综合考虑内、外喷嘴导液管直径的差异以及内、外喷嘴扫描范围角的机构调整可实现性，喷嘴扫描区域面积S_内、S_外比值设为1.5～2之间，根据该比值可计算r_外1、r_内2；

步骤五：确定内、外喷嘴倾斜角度及扫描范围角

根据喷射成形工艺各个工艺几何参数间的关系，可得到式3、式4，

式中，h为雾化锥喷射高度，e_内为内喷嘴偏心距，e_外外喷嘴偏心距；

由(式3、式4)可计算得到内、外喷嘴的扫描参数：内、外喷嘴倾斜角α_内、α_外和内、外喷嘴扫描范围角β_内、β_外；

步骤六：确定内外喷嘴导液管直径

(1)内喷嘴导液管熔体流率m_内确定

内喷嘴导液管熔体流率m_内根据沉积速度V、内喷嘴扫描区域面积S_内、熔体密度ρ_熔体、收得率ρ计算得到，其计算公式为：m_内＝V·S_内·ρ_熔体/ρ；

(2)内喷嘴导液管直径确定

根据漏包液位高度H、内喷嘴导液管熔体流率m_内、熔体密度ρ_熔体、熔体流量系数μ_熔体，采用式5计算内喷嘴导液管直径d_内，

(3)外喷嘴导液管熔体流率m_外确定

外喷嘴导液管熔体流率m_外根据沉积速度V、外喷嘴扫描区域面积S_外、收得率ρ计算得到，其计算公式为：m_外＝V·S_外/ρ；

(4)外喷嘴导液管直径确定

计算方法同步骤(2)中内喷嘴导液管直径确定；

步骤七：确定内、外喷嘴雾化气体压力p_内、p_外

根据内喷嘴导液管熔体流率m_内、G/M比率、内喷嘴出口面积A_内、雾化气体密度ρ_气，利用式6计算内喷嘴雾化气体压力p_内，

根据外喷嘴导液管熔体流率m_外、G/M比率、外喷嘴出口面积A_外、雾化气体密度ρ_气，利用式7计算外喷嘴雾化气体压力p_外，

本发明的有益效果：

(1)提供了一种倾斜双喷嘴喷射成形工艺参数制订过程和计算方法，有效地解决了诸多工艺参数之间的耦合和相互影响。

(2)提供了一种工艺参数工程化计算方法，计算过程和计算方法简便、快速、全面，便于工程化实施。

(3)将诸多喷射成形工艺参数分为内参数和外参数，内参数取决于合金材料，外参数由设备和工艺来实现，该方法可满足合金材料的喷射成形工艺要求。

(4)本发明工艺参数制订的目标参数为锭坯直径，因此可实现不同直径锭坯规格的工艺参数制订。

附图说明

图1为双喷嘴扫描喷射成形装置及其参数的示意图。

图2为内外喷嘴扫描区域及其参数示意图。

图中，1-收集盘；2-锭坯沉积表面；3-内喷嘴；4-外喷嘴；5-内喷嘴扫描轴；6-外喷嘴扫描轴；7-外喷嘴扫描沉淀区域；8-内喷嘴扫描沉淀区域。

具体实施方式

以7XXX系铝合金喷射成形为例说明本发明的技术方案。

计算相应外工艺参数的步骤如下：

步骤一：确定基本工艺参数

根据该合金熔体喷射成形实验数据，所获得的喷射成形部分基本内工艺参数为：物质沉积速度V＝30mm/min，雾化锥喷射高度h＝450mm，收得率ρ＝0.7,熔体密度ρ_熔体＝2.85g/cm³。

基本外工艺参数为：熔体温度为680℃-720℃，喷嘴出口面积为150mm²、喷嘴锥角为6°，内喷嘴偏心距e_内＝500mm，外喷嘴偏心距e_外＝650mm。

所要喷射成形的锭坯目标直径d_锭坯＝550mm。

步骤二：制定收集盘下降速度v_收集盘

收集盘下降速度v_收集盘根据物质沉积速度V确定，v_收集盘＝V＝30mm/min；

步骤三：确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外、收集盘旋转速度n

内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外在扫描机械机构许可的条件下尽可能大；在喷嘴扫描运动和收集盘旋转运动的共同作用下，雾化锥物质在沉积表面上的物质按某一轨迹呈周期分布，为了提高物质在沉积表面的分布的均匀性，内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外与收集盘旋转速度n的关系应满足的关系为：k_内＝60·f_内/n和k_外＝60·f_外/n是无理数。

因此，制订收集盘旋转速度n＝77rpm，f_内＝8Hz，f_外＝8Hz。

步骤四：确定内、外喷嘴的扫描区域及其扫描面积S_内、S_外，进而计算内、外喷嘴倾斜角α_内、α_外和内、外喷嘴扫描范围角β_内、β_外

根据需要喷射成形的锭坯目标直径d_锭坯，确定内外喷嘴的扫描区域；内、外喷嘴的扫描区域均为环形，用r_内1、r_内2表示内喷嘴的扫描区域内外径，用r_外1、r_外2外喷嘴的扫描区域内外径；

(1)r_内1为锭坯中心位置，r_内1＝0；

(2)r_外2为锭坯目标直径d_锭坯，r_外2＝d_锭坯＝550mm；

(3)内、外喷嘴扫描区域的交叉宽度c＝0，即r_外1＝r_内2；

(4)内、外喷嘴扫描区域面积S_内、S_外根据(式1、式2)计算：

内、外喷嘴扫描区域面积S_内、S_外比值为1.3，根据该比值，由式1和式2可计算得：r_外1＝205mm、r_内2＝205mm；

根据得到的r_外1、r_内2，再由式1和式2可计算得S_内、S_外分别为103244mm²,134217mm²。

步骤五：确定内、外喷嘴倾斜角度及扫描范围角

根据附图1中所示的喷射成形工艺各个工艺几何参数间的关系，可得到式3、式4，

式中，r_外1＝205mm，r_内2＝205mm，r_外2＝550mm，内喷嘴偏心距e_内＝500mm，外喷嘴偏心距e_外＝650mm，由(式3、式4)可计算得到内、外喷嘴的扫描参数：内、外喷嘴倾斜角α_内＝16.5°、α_外＝25°和内、外喷嘴扫描范围角β_内＝11°、β_外＝4°。

步骤六：确定内、外喷嘴导液管直径

在满足步骤(3)条件下，雾化锥物质在沉积表面上分布可近似为平均分布。内喷嘴导液管熔体流率m_内根据沉积速度V、内喷嘴扫描区域面积S_内、收得率ρ计算得到：

内喷嘴导液管熔体流率m_内＝V·S_内·ρ_熔体/ρ

＝30×103244×2.85×10^-6÷0.7

＝12.2kg/min

外喷嘴导液管熔体流率m_外的计算方法同内喷嘴导液管熔体流率的计算方法，m_外＝V·S_外·ρ_熔体/ρ

＝30×134237×2.85×10^-6÷0.7

＝15.8kg/min

内、外喷嘴导液管直径确定：根据漏包液位高度、内喷嘴导液管熔体流率m_内、熔体密度等，采用伯努利方程计算内喷嘴导液管直径。

设定漏包液位高度为350mm，熔体流量系数μ_熔体＝0.65，根据计算内、外喷嘴导液管直径分别为4.5mm、5.1mm。

步骤七：确定内、外喷嘴雾化气体压力p_内、p_外

雾化气体为氮气，密度ρ_气＝1.25g/L，G/M比率为7.8×10⁵mm/g。

根据内喷嘴导液管熔体流率m_内、G/M比率、内喷嘴出口面积A_内＝150mm²，利用计算内喷嘴雾化气体压力p_内＝0.7Mpa。

根据外喷嘴导液管熔体流率m_外、G/M比率、外喷嘴出口面积A_内＝150mm²，利用计算外喷嘴雾化气体压力p_外＝1.1Mpa。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：确定基本工艺参数，包括基本内工艺参数和基本外工艺参数；

步骤二：确定收集盘的下降速度

收集盘下降速度v_收集盘根据物质沉积速度V确定，v_收集盘＝V；

步骤三：确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外、收集盘旋转速度n

(1)确定内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外

内、外喷嘴扫描频率受到扫描机械机构强度和疲劳寿命的限制，f_内、f_外的取值范围为5Hz-15Hz；

(2)确定收集盘旋转速度n

内、外喷嘴扫描频率f_内、f_外与收集盘旋转速度n的关系应满足的关系为：k_内＝60·f_内/n和k_外＝60·f_外/n是无理数；

步骤四：确定内、外喷嘴扫描区域

根据需要喷射成形的锭坯目标直径d_锭坯，确定内外喷嘴的扫描区域；内、外喷嘴的扫描区域均为环形，用r_内1、r_内2表示内喷嘴的扫描区域内外径，用r_外1、r_外2外喷嘴的扫描区域内外径；

(1)r_内1为锭坯中心位置，r_内1＝0；

(2)r_外2为锭坯目标直径d_锭坯，r_外2＝d_锭坯；

(3)内、外喷嘴扫描区域具有c宽度的交叉范围，表示为r_外1＝r_内2-c；

(4)内、外喷嘴扫描区域面积S_内、S_外根据(式1、式2)计算：

(式1)

(式2)

综合考虑内、外喷嘴导液管直径的差异以及内、外喷嘴扫描范围角的机构调整可实现性，喷嘴扫描区域面积S_内、S_外比值设为1.5～2之间，根据该比值可计算r_外1、r_内2；

步骤五：确定内、外喷嘴倾斜角度及扫描范围角

根据喷射成形工艺各个工艺几何参数间的关系，可得到式3和式4，

(式3)

(式4)

式中，h为雾化锥喷射高度，e_内为内喷嘴偏心距，e_外外喷嘴偏心距；

由(式3、式4)可计算得到内、外喷嘴的扫描参数：内、外喷嘴倾斜角α_内、α_外和内、外喷嘴扫描范围角β_内、β_外；

步骤六：确定内外喷嘴导液管直径

(1)内喷嘴导液管熔体流率m_内确定

内喷嘴导液管熔体流率m_内根据沉积速度V、内喷嘴扫描区域面积S_内、熔体密度ρ_熔体、收得率ρ计算得到，其计算公式为：m_内＝V·S_内·ρ_熔体/ρ；

(2)内喷嘴导液管直径确定

根据漏包液位高度H、内喷嘴导液管熔体流率m_内、熔体密度ρ_熔体、熔体流量系数μ_熔体，采用式5计算内喷嘴导液管直径d_内，

(式5)；

(3)外喷嘴导液管熔体流率m_外确定

外喷嘴导液管熔体流率m_外根据沉积速度V、外喷嘴扫描区域面积S_外、收得率ρ计算得到，其计算公式为：m_外＝V·S_外/ρ；

(4)外喷嘴导液管直径确定

计算方法同步骤(2)中内喷嘴导液管直径确定；

步骤七：确定内、外喷嘴雾化气体压力p_内、p_外

根据内喷嘴导液管熔体流率m_内、G/M比率、内喷嘴出口面积A_内、雾化气体密度ρ_气，利用式6计算内喷嘴雾化气体压力p_内，

(式6)；

根据外喷嘴导液管熔体流率m_外、G/M比率、外喷嘴出口面积A_外、雾化气体密度ρ_气，利用式7计算外喷嘴雾化气体压力p_外；

(式7)。

2.根据权利要求1所述的倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法，其特征在于：步骤一中所述的基本外工艺参数包括由某一金属合金所确定的熔体温度，由喷嘴结构确定的雾化器出口面积、喷嘴锥角，由喷嘴安装位置确定的内、外喷嘴偏心距；所述的基本内工艺参数包括物质沉积速度V、雾化锥喷射高度h、G/M比率、收得率ρ。