CN1067307C - 制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备。本发明包括双喷枪及其运动控制装置(水平运动和斜喷运动)基体升降机构和强制冷却机构。喷射沉积管坯、锭坯可以做得很大，原则上不受限制，解决了现有的喷射沉积技术难以制备厚壁管坯、大直径锭坯的缺点；本发明同时还具有冷速高，无成分偏析，沉积坯晶粒组织细小、均匀，含氧量低、工艺、设备简单等优点，在颗粒增强金属基复合材料的制备上尤其具有其它方法无法比似的优点。

Description

制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备

本发明涉及一种制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备。

喷射沉积技术最早是由英国的SingerA教授于七十年代提出的，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，直接喷射在水冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物。喷射沉积技术是一种新型的制坯方法，广泛用于制备各种合金及其复合材料管坯、板坯、锭坯等。近年来，喷射沉积技术虽然获得了迅猛发展，但本质上都是采用SingerA教授提出的原理。《兵器材料科学与工程》第17卷，第2期(1994年)介绍了该技术的设备和工艺过程，该技术兼有粉末冶金和快速凝固的特点，克服了铸造冶金中的成分偏析的缺点，坯件的晶粒组织细小，含氧量低。喷射沉积设备如图1、2所示，其中包括坩埚1、喷嘴2、沉积基体3、雾化室4、排气管5、传动装置6、内冷装置7和摇动喷嘴10。设备的共同特点是沉积坯由喷射液粒流一次性经过基体沉积而成，存在的不足是沉积物的冷速一般只有101～10²K/s，且难于制备大型厚壁管坯和直径很大的锭坯，如果通过提高喷射密度来解决问题，则由于凝固速度不够高，往往造成沉积物的成分偏析、晶粒组织粗大、热缩孔缺陷多等缺点。

本发明的目的是提供一种能制备大型沉积坯的多层喷射沉积的方法和设备。

本发明--一种制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备，制备大型喷射沉积坯时，雾化金属熔体的喷枪沿着沉积基体做往复直线运动，由于基体也可以做往复运动，在同一位置的后一层沉积物达到前一层沉积物的时间间隔较长，沉积坯中容易形成溅射边界，影响沉积坯的质量。为了消除这种溅射边界，实现最佳沉积条件，在生产过程中工艺参数选择如下：喷嘴直径为2.5～5mm，喷枪的往返频率为1/10～1/30Hz，喷射高度为100～300mm，熔体过热温度为100～300℃，雾化气压为0.8～1.5MPa，沉积基体升降速度为1～20mm/min，基体转动频率为1～1/6Hz。通过控制金属熔体的成分可以制备梯度材料，采用特殊结构的喷枪还可以制备大型喷射沉积复合材料厚壁管坯和锭坯。

为实现上述喷射沉积方法，本发明所采用的喷射沉积设备结构如图3，图4所示。

在制备大型管坯时，采用图3所示的设备，包括坩埚1、喷枪2、基体3，雾化室4，本发明还包括双喷枪运动控制装置、基体升降机构、冷却沉积物的强冷装置。坩埚1、喷枪2共同固定在运动导板11上，导板11作为雾化室4的上盖板，运动控制器15作用在导板11上，控制其运动的方向、速率快慢和运动行程。沉积基体升降机构由一组齿轮传动机构和升降控制器12组成，可以控制基体3升降的高度和升降时的速度。强冷装置包括冷却剂供应器13、开关阀和导管，其作用是：金属颗粒喷射流沉积到基体3上后，开于基体下方、正对着沉积基体的冷却剂导管喷射口14立即向沉积物喷射冷却剂，使之外冷，冷却介质为液氮或惰性气体。根据制备坯件要求的不同，双喷枪系统的运动轨迹和沉积物的冷却方式也可以调整。通过升降控制器12和运动控制器15的联合控制，可以调整管坯的外形尺寸，原则上管坯的厚度可以不受限制。

在制备大型锭坯时，采用图4所示的设备。包括坩埚1、喷枪2、基体3、斜喷机构、基体升降机构，本发明还包括控制喷枪2及其导板运动11的斜喷运动控制装置、冷却沉积物的强冷装置。斜喷运动控制装置由坩埚1、喷枪2、运动导板11和运动控制器15组成，导板11作为雾化室4的上盖板，通过运动控制器15控制导板11的运动，运动的方向、快慢和行程可调，由此可以控制锭坯的直径，原则上锭坯的直径不受限制。运动导板11与水平面的夹角可以在10°～50°之间调整。强冷装置由制冷系统16和冷凝器17组成，冷凝器17的温度由制冷系统16控制。通过升降机构12控制锭坯的高度。

附图说明：

图1传统的喷射沉积管坯生产设备结构示意图；

图2传统的喷射沉积锭坯生产设备结构示意图；

图3本发明制备大型喷射沉积厚壁管坯设备结构示意图；

图4本发明制备大型喷射沉积锭坯设备结构示意图。

本发明由于增加了运动控制装置(水平运动和斜喷运动控制装置)，喷射沉积管坯壁厚可以做得很大，原则上不受限制，解决了现有的喷射沉积技术难以制备厚壁管坯的缺点；喷射沉积锭坯也可以做得很大，其直径原则上不受限制。本发明在制备大型沉积坯时具有冷速高，无成分偏析，沉积坯晶粒组织细小、均匀，含氧量低、工艺、设备简单等优点，在颗粒增强金属基复合材料的制备上尤其具有其它方法无法比拟的优点。

实施例：

1：在制备Al-Fe-V-Si合金管坯时，在坩埚1中将合金熔化，熔体过热温度为300℃，喷射高度为200mm，雾化气压为1.0MPa，喷嘴直径为4.2mm，基体转动频率为1/6Hz，坩埚1的往返频率为1/30Hz，运动行程为600mm，生产出的管坯外径为φ700mm，内径为φ300mm，长为1200mm，重量1.0吨。强冷装置采用惰性气体作为冷却剂。

2：在制备6066Al/SiCp复合材料喷射沉积管坯时，在坩埚1中将合金熔化，熔体过热温度为150℃，喷射高度为150mm，雾化气压为1.0MPa，喷嘴直径为3.8mm，陶瓷粉末流态化用气体压力为0.6MPa，粉末流率为金属流率的20％，基体转动频率为1/6Hz，坩埚1的往返频率为1/30Hz，运动行程为600mm，生产出的管坯外径为φ650mm，内径为φ300mm，长为1000mm，重量600Kg，沉积坯内SiCp含量为15wt％，分散均匀。强冷装置采用惰性气体作为冷却剂。

3：在制备Al-Fe-V-Si喷射沉积锭坯时，在坩埚1中将合金熔化，熔体过热温度为300℃，喷射高度为250mm，雾化气压为1.0MPa，喷嘴直径为3.6mm，基体转动频率为1Hz，坩埚1的往返频率为1/10Hz，运动行程为630mm，基体升降速度为10mm/min，生产出的锭坯直径为φ630mm，长为1000mm，重量750Kg。强冷装置采用氟里昂作为制冷剂。

4：在制备7075/SiCp喷射沉积复合材料锭坯时，在坩埚1中将合金熔化，熔体过热温度为200℃，喷射高度为200mm，雾化气压为1.0MPa，喷嘴直径为4.0mm，SiCp粉末流率为金属流率的20％，基体转动频率为1Hz，坩埚1的往返频率为1/10Hz，运动行程为630mm，基体升降速度为15mm/min，生产出的锭坯直径为φ630mm，长为1000mm，重量700Kg吨。沉积坯内SiCp的含量为15wt％，分散均匀。强冷装置采用氟里昂作为制冷剂。

Claims (7)

1．一种制备大型喷射沉积坯的多层喷射沉积方法，其特征在于：制备大型喷射沉积坯时，雾化金属熔体的喷枪沿着沉积基体做往复直线运动，喷嘴直径为2.5～5mm，喷枪的往返频率为1/10～1/30Hz，喷射高度为100～300mm，熔体过热温度为100～300℃，雾化气压为0.8～1.5MPa，沉积基体升降速度为1～20mm/min，基体转动频率为1～1/6Hz。

2．一种实现权利要求1所述的方法制备大型厚壁喷射沉积管坯的多层喷射沉积设备，包括坩埚、喷枪、基体、双喷枪结构，雾化室，其特征在于：本发明还包括控制双喷枪及其导板运动的控制装置、基体升降机构，冷却沉积物的强冷装置。

3．根据权利要求2所述的喷射沉积设备，其特征在于：对应于制备大型喷射沉积锭坯，所述的喷枪机构为斜喷机构，所述的控制装置为斜喷运动控制装置。

4．根据权利要求3所述的设备，其特征在于：斜喷机构的运动导板与水平面的夹角在10°～50°之间可调。

5．根据权利要求2所述的设备，其特征在于：冷却介质为惰性气体或液氮，强制冷却装置的导管口开于基体下方，正对着沉积基体。

6．根据权利要求2所述的设备，其特征在于：强冷装置为一循环冷凝系统，以氟里昂为制冷剂，通过冷凝器进行散热。

7．根据权利1所述的多层喷射沉积方法，其特征在于：通过控制喷枪所在导板的运动速率和运动曲线，可以制取各种外形的管材。

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