CN105215361B - 喷射成形硅铝合金的降温系统及降温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷射成形硅铝合金的降温系统及降温方法，该系统由第一级的沉积表面冷却降温系统和第二级的沉积室冷却降温系统；沉积表面冷却降温系统为通过管路依次连接的气体供应系统、气体冷却装置和喷管；沉积室冷却降温系统由吸热装置、冷却装置、导热介质入口分配管路和导热介质出口汇聚管路组成。本发明采用双级降温方法，解决喷射成形过程中沉积室及沉积表面温度过高而降低硅铝颗粒的凝固速度问题，克服了现有技术的冷却效率低以及不能对沉积表面直接冷却的不足。
Description
技术领域
本发明涉及金属合金喷射成形技术领域，具体涉及喷射成形硅铝合金中对沉积坯件进行高效降温的降温系统及降温方法。
背景技术
高硅铝合金（Si含量30-70%）具有轻质、低膨胀、高导热特性，且具有一定力学性能，是综合性能优异的电子封装材料，尤其适合于航空航天电子装备的电子封装中。由于硅含量高，采用普通铸造方法获得的合金组织中存在大量粗大的初晶硅和共晶硅，导致材料塑性、韧性降低、脆性增加。目前，喷射成形是制备高硅铝合金最理想工艺。
喷射成形是一种快速凝固半固态沉积技术，将熔体雾化和沉积过程合为一体，直接形成具有高致密度的快速凝固锭坯，然后进行进一步致密化处理。硅铝合金熔体经漏嘴被高动量惰性气体（氮气）破碎雾化成细小液滴，并在飞行过程中不断与气流之间进行热交换快速冷却，形成一定比例细小固态、半固态和液态颗粒分布的雾化流。在喷嘴扫描运动和收集器旋转、回缩运动共同作用下，雾化流沉积在收集器上，在其表面附着、堆积、铺展、融合并最终凝固得到锭坯。
硅铝合金熔体在雾化及快速凝固过程中释放出大量热量，这部分热量聚集在沉积室中，一部分热量由沉积室底部的排气口排出，一部分仍不断停留在沉积室内，造成沉积室内温度升高，虽然在一段时间内沉积室将达到热平衡状态，但沉积室内温度仍处于较高状态（高于200℃），不仅影响设备的工作和使用寿命，关键是对沉积坯的冷却速度和沉积表面的半固态沉积状态造成严重影响。尤其对于硅铝合金，由于Al和Si的熔点差异大，沉积坯如果得不到快速冷却，内部的铝极易处于熔融态，将以液态形式析出，难以获得喷射沉积态组织，产生粗大初晶硅和共晶硅，对电子封装的膨胀系数、导热等性能产生严重影响。因此，需要发明一种对沉积室及沉积表面进行快速、高效的冷却方法。
在已知的现有技术中，公开专利CN201220054624.8、CN201510046567.7采用安装在沉积箱体周围的热交换通道，以冷却水为介质对沉积室空间温度进行冷却。公开专利CN02130880.2和CN201510046567.7通过安装在接收盘内部的冷却管道，采用冷却水对沉积锭坯进行冷却。在这些技术中，对沉积锭坯的冷却通过收集盘内的热交换进行，随着锭坯沉积生长，其冷却效果将大大降低，难以保证对金属沉积过程半固态沉积状态的有效控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对硅铝合金喷射成形的沉积室及沉积表面进行高效降温的方法，意在解决喷射成形过程中沉积室及沉积表面温度过高而降低硅铝颗粒的凝固速度问题，以克服现有技术的冷却效率低以及不能对沉积表面直接冷却的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：喷射成形硅铝合金的降温系统，由两级降温系统组成，包括第一级的沉积表面冷却降温系统和第二级的沉积室冷却降温系统；
所述的沉积表面冷却降温系统为通过管路依次连接的气体供应系统、气体冷却装置和喷管；气体冷却装置和喷管之间的管路上设置有控制冷却气体压力和管路通断的压力阀及针阀；所述的气体冷却装置为设置于沉积室外的涡流管冷却器，将由气体供应系统输入的气体进行降温冷却；与气体供应系统连接的用于供应气体的气体供应管路也安装于沉积室外；所述的喷管安装于沉积室内，为锥形结构；
所述的沉积室冷却降温系统包括吸热装置、冷却装置、导热介质入口分配管路和导热介质出口汇聚管路组成；所述的导热介质入口分配管路、导热介质出口汇聚管路连接冷却装置、吸热装置，并构成导热回路；所述的冷却装置为安装于沉积室外的冷却机，导热介质入口分配管路和导热介质出口汇聚管路也安装于沉积室外；所述的导热介质入口分配管路和所述的导热介质出口汇聚管路均连接若干分支；所述的吸热装置安装在沉积室内壁上，吸热装置分为若干组，每组吸热装置独立安装，并沿沉积室内壁均匀分布；每组吸热装置的入口位于下端，通过管接头与导热介质入口分配管路的分支相连；出口位于上端，通过管接头与导热介质出口汇聚管路的分支相连。
进一步地，所述的导热介质入口分配管路和所述的导热介质出口汇聚管路连接的若干分支上均安装有针阀。
进一步地，所述的吸热装置包括吸热介质通道和散热翅片，吸热介质通道为设置于沉积室内壁上的不锈钢管；所述的散热翅片为焊接于吸热介质通道外壁的三片不锈钢板焊接；所述的吸热介质通道设有吸热介质入口接头和出口接头。
本发明的另一目的在于提供一种采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，包括沉积表面冷却降温和沉积室冷却降温；
（1）沉积表面冷却降温：气体供应系统供应冷却气体后经过气体冷却装置冷却，气体冷却温度为-10℃，冷却气体工作压力为0.15-0.2MPa；具有一定压力的冷却气体经过喷管后形成冷却气锥，直接对沉积表面进行降温，冷却气锥覆盖沉积表面半径区域，并且不和金属雾化沉积区域干涉；
（2）沉积室冷却降温：采用水作为导热介质，经冷却装置冷却后的导热介质自每组吸热装置下端的入口进入各组吸热装置内，与散热翅片进行热交换后从各组吸热装置上端的出口流经导热介质出口汇聚管路后经过冷却装置冷却，再经导热介质入口分配管路流入吸热装置，如此循环，对沉积室内温度进行冷却。
进一步地，所述的冷却气体为氮气。
进一步地，每组吸热装置均能与导热介质分配管路、导热介质汇聚管路由相应的针阀控制形成独立回路，实现吸热装置的部分或全部进行吸热工作，以满足不同沉积室降温速度的要求。
进一步地，沉积表面冷却降温过程中，气体冷却装置冷气端出口至沉积室接入位置的所有管路外部均由保温材料包覆。
进一步地，沉积室冷却降温过程中，冷却装置输出的导热介质所流经的所有管路或装置外面用保温材料包覆。
本发明的有益效果：
（1）采用双级降温方法，可直接对坯件的沉积表面进行直接冷却，经过涡流管冷却器制冷的温度低，提高了沉积过程的凝固速度，从而获得良好的喷射沉积态硅铝组织。
（2）冷却效率高，吸热装置为翅片结构，增加了热交换面积，沉积室冷却效率得以提高。
（3）吸热装置独立于沉积箱体，提高了系统的适用性，可用于现有沉积箱的冷却方案改造。
（3）每组吸热装置可独立控制，满足不同沉积室降温速度的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的沉积室内降温系统的俯视图。
图3为吸热装置的俯视图。
图4为吸热装置的正视图。
具体实施方式
以双喷嘴扫描斜喷式喷射成形工艺为例说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，喷射沉积装置由沉积箱体3、沉积盘及其运动装置12、沉积室门2组成，沉积箱体3围成封闭的沉积室1，沉积室下端设有排气口21，将沉积室内的气体及过喷粉末排出。沉积盘及其运动装置12在喷射成形生产时，进行旋转运动和下降运动，与沉积箱体之间通过密封装置密封。生产之前，沉积室门2关闭，与沉积箱体3之间由密封条密封。图1还表示了经过一段时间生产后的沉积锭坯5，上端为沉积表面。
如图1和图2所示，为了获得较大的锭坯直径，金属熔体雾化装置包括倾斜安装的两套喷嘴系统，分别为内喷嘴6和外喷嘴7。合金熔体经过熔炼后进入喷嘴系统，以高压氮气作为雾化气体，将金属液流雾化成微细液滴，形成金属雾化锥，在高速飞行过程中与周围进行热交换而快速凝固，在达到沉积表面5时，金属雾化锥处于半固态状态，在沉积表面进行铺展、粘接、凝固，形成锭坯的生长过程，在此过程中，沉积盘按一定速度下降。喷嘴系统进行往复扫描以扩大沉积区域。内喷嘴6，在扫描作用下金属物质在沉积表面形成沉积区域A8。外喷嘴7，在扫描作用下金属物质在沉积表面形成沉积区域B9。
在熔体快速凝固过程中，释放大量热量，一部分热量通过沉积室排气口排出，另一部分热量停留在沉积室中，使沉积室温度升高，不仅影响后续的雾化锥物质的凝固条件，还对沉积坯本身的散热带来不利影响。尤其对于硅铝合金，由于铝和硅的熔点差异较大，沉积坯如果得不到及时的快速冷却，内部的铝极易以液态形式析出。
针对上述喷射成形工艺，本发明提供的喷射成形硅铝合金的降温系统包括第一级的沉积表面冷却降温系统和第二级的沉积室冷却降温系统。
沉积表面冷却降温系统为通过管路依次连接的气体供应系统13、气体冷却装置14、第一喷管16和第二喷管17。本实施方式中的气体冷却装置14为设置于沉积室1外的2台涡流管冷却器，将由气体供应系统13输入的气体进行降温冷却，涡流管冷却器冷气端出口气体温度可调；与气体供应系统13连接的用于供应气体的气体供应管路也安装于沉积室外；第一喷管16和第二喷管17安装于沉积室内，将具有一定速度的冷却气体直接对沉积表面进行降温，喷管的结构为锥形结构，气体冷却装置14和第一喷管16和第二喷管17之间的管路上设置有控制冷却气体压力和管路通断的压力阀22及针阀15。
沉积室冷却降温系统包括吸热装置4、冷却装置20、导热介质入口分配管路18和导热介质出口汇聚管路19组成；导热介质入口分配管路18、导热介质出口汇聚管路19连接冷却装置20、吸热装置4，并构成导热回路。冷却装置20为安装于沉积室1外的冷却机，导热介质入口分配管路18和导热介质出口汇聚管路19也安装于沉积室1外；导热介质入口分配管路18和导热介质出口汇聚管路19均连接若干分支，每个分支上均安装有针阀15；吸热装置4安装在沉积室1内壁上，吸热装置4分为若干组，每组吸热装置4独立安装，并沿沉积室1内壁均匀分布；每组吸热装置4的入口位于下端，通过管接头与导热介质入口分配管路18的分支相连；出口位于上端，通过管接头与导热介质出口汇聚管路19的分支相连。
如图3-4所示，吸热装置4包括吸热介质通道23和散热翅片24，吸热介质通道23为设置于沉积室内壁上的不锈钢管；散热翅片24为焊接于吸热介质通道23外壁的三片不锈钢板焊接；吸热介质通道23设有吸热介质入口接头25和出口接头26。
采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，包括沉积表面冷却降温和沉积室冷却降温；
（1）沉积表面冷却降温：气体供应系统供应冷却气体后经过气体冷却装置冷却，气体冷却温度为-10℃，冷却气体工作压力为0.15-0.2MPa；具有一定压力的冷却气体经过喷管后形成冷却气锥，直接对沉积表面进行降温，冷却气锥覆盖沉积表面半径区域，并且不和金属雾化沉积区域干涉；
（2）沉积室冷却降温：采用水作为导热介质，经冷却装置冷却后的导热介质自每组吸热装置下端的入口进入各组吸热装置内，与散热翅片进行热交换后从各组吸热装置上端的出口流经导热介质出口汇聚管路后经过冷却装置冷却，再经导热介质入口分配管路流入吸热装置，如此循环，对沉积室内温度进行冷却。
本实施方式中的所述的冷却气体为惰性气体，和熔体雾化所用的气体一致，优选的为氮气。
在本实施方式中，每组吸热装置4均能与导热介质分配管路18、导热介质汇聚管路19由相应的针阀15控制形成独立回路，实现吸热装置4的部分或全部进行吸热工作，以满足不同沉积室降温速度的要求。
为保证冷却效果，沉积表面冷却降温过程中，气体冷却装置冷气端出口至沉积室接入位置的所有管路外部均由保温材料包覆，沉积室冷却降温过程中，冷却装置输出的导热介质所流经的所有管路或装置外面用保温材料包覆。
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 (7)
1.喷射成形硅铝合金的降温系统，其特征在于：由两级降温系统组成，包括第一级的沉积表面冷却降温系统和第二级的沉积室冷却降温系统；
所述的沉积表面冷却降温系统为通过管路依次连接的气体供应系统、气体冷却装置和喷管；气体冷却装置和喷管之间的管路上设置有控制冷却气体压力和管路通断的压力阀及针阀；所述的气体冷却装置为设置于沉积室外的涡流管冷却器，将由气体供应系统输入的气体进行降温冷却；与气体供应系统连接的用于供应气体的气体供应管路也安装于沉积室外；所述的喷管安装于沉积室内，为锥形结构；
所述的沉积室冷却降温系统由吸热装置、冷却装置、导热介质入口分配管路和导热介质出口汇聚管路组成；所述的导热介质入口分配管路、导热介质出口汇聚管路连接冷却装置、吸热装置，并构成导热回路；所述的冷却装置为安装于沉积室外的冷却机，导热介质入口分配管路和导热介质出口汇聚管路也安装于沉积室外；所述的导热介质入口分配管路和所述的导热介质出口汇聚管路均连接若干分支；所述的吸热装置安装在沉积室内壁上，吸热装置分为若干组，每组吸热装置独立安装，并沿沉积室内壁均匀分布；每组吸热装置的入口位于下端，通过管接头与导热介质入口分配管路的分支相连；出口位于上端，通过管接头与导热介质出口汇聚管路的分支相连；所述的吸热装置包括吸热介质通道和散热翅片，吸热介质通道为设置于沉积室内壁上的不锈钢管；所述的散热翅片为焊接于吸热介质通道外壁的三片不锈钢板焊接；所述的吸热介质通道设有吸热介质入口接头和出口接头。
2.根据权利要求1所述的喷射成形硅铝合金的降温系统，其特征在于：所述的导热介质入口分配管路和所述的导热介质出口汇聚管路连接的若干分支上均安装有针阀。
3.采用权利要求1所述的喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，其特征在于：包括沉积表面冷却降温和沉积室冷却降温；
（1）沉积表面冷却降温：气体供应系统供应冷却气体后经过气体冷却装置冷却，气体冷却温度为-10℃，冷却气体工作压力为0.15-0.2MPa；具有一定压力的冷却气体经过喷管后形成冷却气锥，直接对沉积表面进行降温，冷却气锥覆盖沉积表面半径区域，并且不和金属雾化沉积区域干涉；
（2）沉积室冷却降温：采用水作为导热介质，经冷却装置冷却后的导热介质自每组吸热装置下端的入口进入各组吸热装置内，与散热翅片进行热交换后从各组吸热装置上端的出口流经导热介质出口汇聚管路后经过冷却装置冷却，再经导热介质入口分配管路流入吸热装置，如此循环，对沉积室内温度进行冷却。
4.根据权利要求3所述的采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，其特征在于：所述的冷却气体为氮气。
5.根据权利要求3所述的采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，其特征在于：每组吸热装置均能与导热介质分配管路、导热介质汇聚管路由相应的针阀控制形成独立回路，实现吸热装置的部分或全部进行吸热工作，以满足不同沉积室降温速度的要求。
6.根据权利要求3所述的采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，其特征在于：沉积表面冷却降温过程中，气体冷却装置冷气端出口至沉积室接入位置的所有管路外部均由保温材料包覆。
7.根据权利要求3所述的采用喷射成形硅铝合金的降温系统的降温方法，其特征在于：沉积室冷却降温过程中，冷却装置输出的导热介质所流经的所有管路或装置外面用保温材料包覆。
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