CN1140767A - 喷射沉积的设备与工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷射沉积的设备与工艺，该设备比传统的设备增加了运动控制装置、外强冷装置和连接板，坩埚、喷嘴和外强冷装置固定在连接板上，由运动控制装置控制其运动，冷却介质为液氮或惰性气体，采用普通喷嘴就可完成较大坯件的生产，熔融金属的过热温度选取100～200℃，喷射距离用150～200mm，雾化气压为1.0～1.2MPa，喷嘴出口径2.8～3.0mm，沉积物冷却速度大大增加，由10～102k/s，提高到103～105k/s，喷射沉积坯件尺寸大、精度高。

Description

喷射沉积的设备与工艺
本发明涉及一种合金或复合材料的生产技术，特别是喷射沉积设备与工艺。
目前，喷射沉积工艺已广泛地用于各种管坯、板坯、棒坯等合金和复合材料的生产，该技术本质上都是采用了英国A·singer教授70年代提出的喷射沉积原理：即将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化为颗粒喷射液流，直接喷射在较冷的基体上，经撞击、聚结、凝固成沉积物，其共同特点是沉积物由喷射液流一次性经过基体沉积而成。《兵器材料科学与工程》第17卷第2期(1994年3月)介绍了该工艺的设备和工艺过程，这种工艺兼有粉末冶金和快速凝固的特点，克服了金属熔体中的偏聚和凝固偏析，能获得快速凝固组织和难加工材料的几净成形，同时可实现制粉和材料复合成形一步完成，与普通的铸造-压力加工及粉末冶金相比较，它设备工艺简单，能减少许多加工工序，金属利用率高，并能节省大量的能耗。传统的喷射设备，一般采用如图1、图2所示设备，其中包括坩埚1、喷嘴2、基体3、雾化室4、排气管5、传动装置6、内冷装置7，其雾化过程冷却速度虽较高，达103～105k/s，但沉积物冷却速度一般仅为10～102k/s，同时在制备直径较大的管坯、厚壁的简坯、宽和厚的板坯时，加工尺寸往往难达到要求，因为如果通过提高喷射密度来解决，由于冷凝速度不快，造成沉积物的偏析、晶粒粗化、热缩孔缺陷，如采用V型喷嘴、摇动扫描喷嘴或多个喷嘴，工艺又很复杂，这样沉积物的尺寸受到很大限制。
本发明的目的是提供一种喷射沉积的新设备和工艺，以加快冷却速度，增加喷射沉积物的尺寸，提高喷射大型坯件质量，同时又不使设备、工艺复杂化。
本发明的喷射沉积设备增加了运动控制装置8、外强冷装置9和连接板10，与坩埚1连成一体的喷嘴2和外强冷装置9的导管11均穿过连接板10，并紧固在连接板10上，与连接板10共同组成坩埚系统，连接板10即作为雾化室4的上盖，运动控制装置8作用在连接板10上，控制坩埚系统的运动，其速度的大小和方向均可以调节。外强冷装置9包括供气瓶、开关阀和导管11，其作用是，喷射液流13喷到基体3上后，外强冷装置9导管喷射口12立即喷射冷却介质，对沉积物14进行外冷，其冷却介质为液氦或惰性气体。根据喷射坯件的不同，坩埚系统的运动轨迹和外强冷装置9亦不相同，当喷射管材时，如图3所示，外强外冷装置9的导管喷射口12位于基体3下方，与喷嘴2相对，坩埚系统沿基体3的母线作近似匀速直线运动，同时基体3母线又绕其轴线作匀速转动，金属喷射液粒喷射在基体3上的沉积轨迹为圆柱螺旋线；喷射板坯时，如图4所示，外强冷装置9在喷嘴2两侧各有一导管喷射口12，根据坩埚系统的不同运动方向，分别开启对应的导管喷射口而关闭另外一导管喷射口，使冷却介质恰好在每层喷射液流13沉积后喷入，对每层沉积物14进行外冷，坩埚系统沿平面板状基体3两平行边作往复运动，基体3同时垂直于坩埚系统运动方向作往复运动，金属喷射液粒喷射在基体3上的沉积轨迹为正弦曲线。运动过程中，导管11的导管喷射口12与喷嘴2的相对位置始终不变。这样制得的沉积物14每一层都是坩埚系统和基体3多次运动的结果，合金或复合材料的均匀性、平整性较基体3单方面运动都大大提高。根据不同的沉积坯尺寸，可以调整相应的坩埚系统、基体3的运动距离，而调整坩埚系统、基体3的运动速度，可以满足沉积坯的不同性能要求。
利用上述设备和方法制取合金或复合材料时，多层喷射的最佳沉积条件，取决于金属液体的过热温度、气体与喷射金属液流的质量比、喷射距离和基体3、坩埚系统的运动速度。由于基体3可往复运动，多层次喷射沉积中，同一位置的后一沉积物到达距前一沉积物到达的时间间隔比较长，前一层沉积物比较容易溅射凝固，容易形成溅射边界，影响喷射坯件的质量，为保证后一层喷射沉积物到达之前前一层沉积物不完全溅射凝固，消除溅射边界，实现最佳沉积条件，生产过程的工艺参数中，熔融金属的过热温度选取100～200℃，喷射距离用150～200mm，雾化气压为1.0～1.2MPa，喷嘴出口径2.8～3.0mm，基体3转动或移动的频率(单位时间内基体转动的周数或往返移动次数)同坩埚1的移动频率避免选用倍数关系，坩埚的运动频率一般可用1/10～1/6Hz，基体的运动频率可用1/40～1/30Hz。当需要制造长管和大板坯件时，还可同时使用多个坩埚、喷嘴和导管喷射口，来满足最佳沉积条件。此外，用不同的坩埚分别放不同的金属液、加强相制取复合材料时，复合材料的均匀性大大提高。
由于采用了上述工艺，大大加快了沉积物的冷却速度，使沉积物的沉积速度由10～102k/s提高到103～104k/s，在喷射大型坯件时，容易实现最佳沉积条件，增加了喷射坯件的尺寸，能生产Φ270×350mm，壁厚为80mm质量为30Kg以至更大的合金铝锭，与坩埚或基体单方面运动相比，大大提高了沉积坯件的精度，使坯件平整、均匀。同时，又为复合材料加强相的均匀分布提供了一种新方法。
图1为传统喷射沉积管坯生产设备示意图；
图2为传统喷射沉积板坯生产设备示意图；
图3为本发明喷射沉积管坯生产设备示意图；
图4为本发明喷射沉积板坯生产设备示意图。
实施例1，用铝-铁-矾-硅为原料，在坩埚1中将其熔化，过热温度选取200℃，喷射距离用153mm，雾化气压为1.2MPa，喷嘴出口径2.9mm，基体转动的频率为80转/分，坩埚1往返频率为7次/分，生产出尺寸为内径Φ内为124mm，外径Φ外为290mm，长L为300mm，重量为30Kg的铝合金管材。强冷装置9使用的冷却介质为惰性气体，坩埚系统由运动控制装置8的电机带动转盘，通过连杆传动带动连接板10，控制坩埚系统的运动，使坩埚系统沿基体母线作均速往复运动，运动距离为250mm。其沉积物冷却速度达104k/s。

Claims (5)

1一种喷射沉积设备，包括坩埚、喷嘴、基体、排气尾管、传动装置、外强冷装置，其特征在于：本发明还包括控制连接板运动的运动控制装置、冷却沉积物的外强冷装置和连接板，与坩埚连成一体的喷嘴和外强冷装置的导管均穿过连接板，并紧固在连接板上。
2一种采用权利要求1所述的喷射沉积设备的生产工艺，其特征在于：坩埚中熔融金属的过热温度选取100～200℃，喷射距离为150～200mm，雾化气压为1.0～1.2MPa，喷嘴出口径2.8～3.0mm，坩埚的运动频率用1/10～1/6Hz，基体运动频率用1/40～1/30Hz，且坩埚移动的频率同基体运动频率不成倍数关系。
3根据权利要求1和2所述的喷射沉积设备和工艺，其特征在于：外强冷装置中的冷却介质为液氦或惰性气体。
4根据权利要求1和2所述的喷射沉积设备和工艺，其特征在于：喷射管坯时，坩埚沿基体母线作往复直线运动，外强冷装置的导管喷口开于基体下方，正对喷嘴；喷板坯时，坩埚沿基体平行边作往复直线运动，外强冷装置的导管喷射口位于喷嘴两侧，运动过程中，外强冷装置的导管喷射口与喷嘴的相对位置不变。
5根据权利要求4所述的喷射沉积设备和工艺，其特征在于：连接板上可以有多个坩埚、喷嘴和外强冷装置的导管喷射口，坩埚中的金属可以相同或不相同。
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