CN115007867B - 一种喷射成形制备金属材料的方法及喷射成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金喷射成形技术领域，具体涉及一种喷射成形制备金属材料的方法及喷射成形装置。所述喷射成形制备金属材料的方法为将一种成分的熔炼金属液经雾化后向基底喷射，同时将另一种成分的固体粉末喷入金属液的雾化区间，使两种成分共同沉积在基底上形成金属材料。喷射成形装置包括气氛保护感应熔炼炉、雾化喷嘴、沉积室、喷粉装置。本发明的方法可以解决铜铁合金这样的高密度差两相金属在制备过程中的宏观偏析等质量问题，具有成形速率高、无宏观偏析、组织和性能均匀、晶粒细小的优点，并直接生产和制备多种增强金属基复合新材料，本发明的装置可以从多个维度实现对于金属材料喷射成形过程的全面控制。
Description
技术领域
本发明属于合金喷射成形技术领域，具体涉及一种喷射成形制备金属材料的方法及喷射成形装置。
背景技术
铜铁合金具有优异的综合性能，兼备铜的高导电率、良好的导热性和铁的高强度、硬度和软磁性以及电磁波遮蔽性等，是一种典型的结构功能一体化的复合材料。目前，铜合金的研究主要集中于Cu-Cr、Cu-Nb、Cu-Co、Cu-Ag等合金中。但这些合金原材料资源匮乏，价格较高，制备工艺较为复杂，大大增加了生产制备成本，也限制了此类高强高导铜合金的广泛生产应用。相对而言，Cu-Fe合金因其原料来源广泛，成本低廉而得到了广泛的关注与研究，并在众多领域中有了广泛应用。如铜铁板带可制作手机和LED显示屏散热板、屏蔽罩、电连接器接插件、无线充电线路板等。
虽然铜铁合金具有广阔的应用前景，但由于铜与铁存在着高密度差，兼容性差，高温下铜和铁互不相溶，难以形成固溶体。由Cu-Fe合金相图可知，铜铁合金是一种典型的亚稳难混溶合金，合金相图中存在亚稳态不混溶间隙，因此该合金在凝固过程中易发生液相分离，将会形成富铜区和富铁区，使得合金在常规凝固条件下容易出现严重的宏观偏析行为，组织和性能不均匀。特别是当Fe含量超过20％时，传统的铸造方法制备的铜铁合金出现严重的宏观偏析。铁的加入虽然能提高铜的强度，但高温时Fe在Cu中的固溶度较大，且析出速度很慢，Fe在Cu中固溶会大幅度降低合金的导电性能，因此如何获得高强度同时获得高导电率的铜铁合金成为研究热点和关键。
现有的制备铜铁合金的技术存在以下缺点：
1)机械合金化法制取Cu-Fe合金过程中往往易受到球磨机、球磨介质污染以及氧化作用而带入杂质元素，影响合金性能；同时，机械合金化法还需严格控制球磨时间和球磨过程温度，否则会引起Fe在Cu中溶解，影响合金导电性，这也大大增加了制备Cu-Fe合金成本。
2)形变原位复合法制备Cu-Fe合金坯料，再做进一步的处理，而且出现明显的宏观偏析。
3)粉末冶金法制备Cu-Fe合金需经雾化制粉，再压制、烧结生产出Cu-Fe合金坯料，工序长，粉末表面易氧化，难以致密化，生产效率低。
4)喷射成形方法制备Cu-Fe合金，如上文所述由于两种金属难以混溶，凝固时容易出现严重的宏观偏析，同时现有喷射成形设备集中表现在沉积基底旋转制坯，未考虑沉积基底水平往复和垂直升降功能和沉积基底的冷却对喷射成形过程的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种喷射成形制备金属材料的方法，并提出了相应的喷射成形装置。具体方案如下：
按照以下方法进行金属材料的制备：
将一种成分的熔炼金属液经雾化后向基底喷射，同时将另一种成分的固体粉末喷入金属液的雾化区间，使两种成分共同沉积在基底上形成金属材料。所述的金属材料可以是合金或金属基复合材料。
这种方法优选用于铁铜合金的制备，例如利用铜铁合金有较宽液-固共存区，可以将铁粉喷入雾化的铜液中，两者在雾化区间内混合，在沉积基底上液态铜液中均匀的悬浮着一定固相铁粉合金的混合浆料，形成半固态，这样做的好处是由于快速凝固特性，在短暂的凝固时间内，合金的对流或聚集程度小，加入的铁粉颗粒不会因为重力或对流效应分离或聚集，并且均匀分布在铜液中，消除了铜铁合金宏观偏析，内部组织致密，晶粒细小。同时可以降低熔体温度，减少合金元素的烧损和耐材损耗，更大空间调控过热度以免堵住漏口，配合雾化程度、沉积速度和高度的调整，更好地控制冷却速率，提高加工件的致密度和精度。
也可以采用将磷、锆等其他成分的固态粉末喷入铁铜合金的金属液中，这样可以在铁铜合金中引入第二相进行强化甚至制备金属基复合材料，或者向铁铜合金中引入第三、四种金属元素，改善铁铜合金的性能。
不难理解，利用这种方法也可以通过向铝液、钛液或铝合金液、钛合金液中喷入合金元素粉末或陶瓷、石墨、晶须等增强相的粉末，实现铝合金、钛合金等合金或相应的金属基复合材料的喷射成形制备。
可见本发明提供了一种半固态加工方法，通过固态和液态进行混合，能够调控合金成分，防止偏析产生，或利用沉淀强化等强化方式得到优异性能的材料，还可以选择单一或者复合增强相，同时可以实现颗粒尺寸、形态以及含量等参数控制，削弱增强相与基体之间界面反应，喷射成形技术制备颗粒增强金属基复合材料具有优异综合性能的材料，可以用于难以制备和加工的难变形材料，开发前所未有的新型先进材料。
本发明还包括用于实施上述方法的一种喷射成形装置，具体如下：
所述喷射成形装置包括气氛保护感应熔炼炉、雾化喷嘴、沉积室、喷粉装置；所述雾化喷嘴与气氛保护感应熔炼炉底部连接，并设置于沉积室正上方，雾化喷嘴能够将气氛保护感应熔炼炉中的金属液雾化后喷出；沉积室内设置沉积盘，作为沉积金属材料的基底；所述喷粉装置包括干粉投加机和喷管，喷管设置于沉积室内雾化喷嘴周围，并连通干粉投加机，使用时通过高压气体等方式，将干粉投加机推送的固体粉末经喷管中喷出，进入金属液的雾化区间。
优选地，所述气氛保护感应熔炼炉内设置带漏口的坩埚、塞棒以及连接塞棒的提升机构，坩埚漏口与雾化喷嘴之间通过导流管连接，提升机构能够通过控制塞棒上下移动封闭或打开坩埚漏口，将金属液送入雾化喷嘴内部。
雾化喷嘴包括雾化喷盘和水口，雾化喷盘可以通过调节喷入喷嘴中的气体介质的流量和压力，实现对雾化颗粒尺寸的控制；水口处的材料可采用耐高温陶瓷材料，如氮化硼等。金属液被雾化喷盘中喷入的气体介质雾化后，通过水口喷射入沉积室中的沉积盘上。
进一步地，沉积室内设置水平往复运动机构、上下调节机构中的一种或两种。
所述水平往复运动机构能够使沉积盘在沉积室内进行往复运动，调节其行程、速度、频率等各项参数，进而调节金属材料的沉积厚度等参数。
所述上下调节机构能够调节沉积盘与雾化喷嘴的距离。通过控制雾化喷嘴的流量、压力、气体介质种类等，可以控制雾化颗粒的尺寸，结合对于沉积盘与雾化喷嘴之间距离的调控，可以对雾化金属液的冷却速度进行控制。
水平往复运动机构可按照以下方案：包括设置有齿条的驱动底板、齿轮、旋转电机；所述齿条固定在驱动底板底部并与齿轮啮合，齿轮的通轴与旋转电机主轴相连接，沉积盘设在驱动底板之上并与驱动底板连接，通过控制旋转电机进行正反转，可以使驱动底板产生往复运动，进而控制沉积盘在沉积室中往复运动。
上下调节机构可按照以下方案：包括活动底座和设置于活动底座周围的升降柱，沉积盘设置于活动底座上。升降柱用于控制活动底座和沉积盘的升降，进而调节沉积盘与雾化喷嘴的距离。升降柱可以采用丝杠驱动的活动导柱，通过手轮进行手动升降，或者通过电控方式进行升降控制。
进一步地，可以在沉积盘内部设置水冷管路，实现沉积过程中的控温均匀性。优选地，水冷管路中沿冷却水流动方向设置多个立板，立板上设置供冷却水通过的开口，相邻的两个立板之间的开口相互交错，以增加冷却水在水冷管路中的流动距离，加强冷却效果。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种喷射成形制备金属材料的方法，将固体粉末喷入金属液的雾化区间，可以解决铜铁合金这样的高密度差两相金属在制备过程中的宏观偏析等质量问题，具有成形速率高、无宏观偏析、组织和性能均匀、晶粒细小的优点。
同时该方法将固态粉末送入雾化区间，通过金属液滴和固态粉末形成半固态加工，可以直接生产和制备多种增强金属基复合新材料。
本发明还提出一种喷射成形装置用于实施上述方法，所述装置可以进行半固态加工，并配合对于雾化颗粒尺寸、沉积距离、沉积盘往复运动、沉积盘冷却的调节，从多个维度控制金属液滴的冷却速度和合金沉积厚度，进而实现对铜铁合金、其他合金或金属基复合材料喷射成形过程的全面控制，进一步提高产品的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中喷射成形装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中喷射成形装置活动底座的结构示意图。
图3为本发明实施例中喷射成形装置沉积盘的结构俯视图。
图4为本发明实施例中沉积盘内的水冷管路结构示意图
图5为实施例中制备的Cu-Fe合金金相微观形貌图。
其中：1-气氛保护感应熔炼炉，2-提升机构，3-坩埚，4-塞棒，5-导流管，6-雾化喷嘴，7-雾化喷盘，8-水口，9-沉积盘，10-水冷管路，11-驱动底板，12-齿条，13-齿轮，14-机架，15-波纹手轮，16-升降柱，17-沉积室，18-活动底座，19-喷管，20-旋转电机，21-立板。
具体实施方式
一种喷射成形装置，如图1-图3所示，包括：气氛保护感应熔炼炉1、雾化喷嘴6、沉积室17和喷粉装置。
雾化喷嘴6设置于沉积室17正上方包括雾化喷盘7和氮化硼水口8，雾化喷盘可以通过调节喷入雾化喷嘴中的气体介质的流量和压力，实现对雾化颗粒尺寸的控制，水口8流出的金属液被雾化喷盘中喷入的气体介质雾化后，金属雾化液滴喷射入沉积室17中的沉积盘9上。
气氛保护感应熔炼炉1设置于沉积室17上方，内部有带漏口的坩埚3、塞棒4以及连接塞棒的提升机构2，坩埚3的漏口与雾化喷嘴6中的水口8之间通过导流管5连接，提升机构2能够通过控制塞棒4的上下移动封闭或打开坩埚漏口，将金属液送入雾化喷嘴6内部。
沉积室内设置沉积盘9，作为沉积金属材料的基底。
所述喷粉装置包括喷管19和图中未画出的干粉投加机，喷管设置于沉积室内雾化喷嘴周围，并连通干粉投加机，使用时通过高压气体将干粉投加机推送的固体粉末经喷管中喷出，进入金属液的雾化区间。
沉积室内设置水平往复运动机构和上下调节机构。
水平往复运动机构包括设置有齿条12的驱动底板11、齿轮13、旋转电机20；所述齿条12固定在驱动底板11底部并与齿轮13啮合，齿轮13的通轴与旋转电机20主轴通过联轴器相连接，沉积盘9设在驱动底板11之上并与驱动底板连接，通过控制旋转电机20进行正反转，可以使驱动底板11产生往复运动，进而控制沉积盘9在沉积室17中往复运动。
上述水平往复运动机构安装在机架14中，其中旋转电机20固定于机架14中间。
通过水平往复运动机构可以实现沉积盘以0-0.5m/s(最小精度可达0.01m/s)的移动速度在0-1200mm范围进行水平方向的往复移动。
上下调节机构包括活动底座18和设置于活动底座周围的升降柱16，机架14固定在活动底座18上，因为沉积盘9与水平往复运动机构的驱动底板11连接，水平往复运动机构又安装在机架中，所以沉积盘9相当于也设置于活动底座18上，可以随活动底座上下升降。
升降柱16采用丝杠驱动、波纹手轮15控制的活动导柱，用于控制活动底座和沉积盘的升降，进而调节沉积盘与雾化喷嘴的距离，可调范围在0-300mm。
也可以根据实际需要，只设置水平往复运动机构或上下调节机构中的其中一种。例如可以将本实施例中的机架14下面换成固定结构，实现只设置水平往复运动机构；或者将沉积盘直接安装在活动底座上，去掉水平往复运动机构，实现只设置上下调节机构。
如图4所示，在沉积盘9内部设置水冷管路10，水冷管路中沿冷却水流动方向设置多个等距离排列的立板21，立板21上设置供冷却水通过的开口，相邻的两个立板之间的开口位置相互交错开，以增加冷却水在水冷管路中的流动距离，加强冷却效果。
使用上述装置时，通过气氛保护感应熔炼炉1熔炼金属液，将一种成分的熔炼金属液经雾化喷嘴6雾化后向作为基底的沉积盘9上喷射，同时将另一种成分的固体粉末通过喷管19喷入金属液的雾化区间，使两种成分共同沉积在沉积盘9上形成金属材料。可以通过对于雾化颗粒尺寸(通过调节雾化喷盘喷入气体介质的种类、流量、压力进行调控，优选10～60μm)、沉积距离(即沉积盘与雾化喷嘴的距离，通过调节上下调节机构进行调控)、沉积盘往复运动的速度和距离(通过水平往复运动机构进行调控)、沉积盘冷却(通过沉积盘内水冷管路10中的冷却水流量进行调节)的调节，从多个维度控制金属液滴的冷却速度和合金沉积厚度，进而实现对金属材料喷射成形过程的全面控制。
以铜铁合金的制备为例，通过气氛保护感应熔炼炉1熔炼铜液，并通过雾化喷嘴6将铜液雾化后喷向沉积盘9，同时将铁粉通过喷管19喷入铜液的雾化区间，控制沉积距离260mm，沉积盘往复运动速度为0.05m/s，距离为300mm。所选雾化气体为氮气，雾化气体压力为0.15Mpa，气体流量为30.21Nm3/h，使铜和铁共同沉积在沉积盘上形成铜铁合金，形成的铜铁合金如图5所示，铁相平均晶粒大小～10μm，因快速凝固特性，未来得及长大的树枝状铁相(灰色)均匀细小的分布在铜基体上(白色)，消除了宏观偏析，获得均匀细小组织。
Claims (4)
1.一种喷射成形制备铜铁合金的方法，其特征在于，将熔炼铜液经喷入的气体介质雾化后向基底喷射，同时将铁粉喷入铜液的雾化区间，两者在雾化区间内混合，控制沉积距离260mm，沉积盘作为沉积铜铁合金的基底，沉积盘往复运动速度为0.05m/s，距离为300mm，雾化气体压力为0.15MPa，气体流量为30.21Nm3/h，使两种成分共同沉积在基底上形成铜铁合金；在沉积基底上，液态铜液中均匀的悬浮着固相铁粉合金的混合浆料，形成半固态，铁相平均晶粒10μm，铁相均匀细小的分布在铜基体上。
2.一种喷射成形制备铜铁合金的装置，用以实现权利要求1所述的方法，其特征在于，包括气氛保护感应熔炼炉、雾化喷嘴、沉积室、喷粉装置；
所述雾化喷嘴与气氛保护感应熔炼炉底部连接，并设置于沉积室正上方，雾化喷嘴能够将气氛保护感应熔炼炉中的铜液雾化后喷出；所述雾化喷嘴由雾化喷盘和水口组成，水口材料为耐高温陶瓷材料；水口流出的铜液被雾化喷盘中喷入的气体介质雾化后，铜雾化液滴喷射入沉积室中的沉积盘上，雾化气体压力为0.15MPa，气体流量为30.21Nm3/h；
沉积盘，作为沉积金属材料的基底；
沉积室内设置水平往复运动机构和/或上下调节机构；所述水平往复运动机构能够使沉积盘在沉积室内进行往复运动，沉积盘往复运动速度为0.05m/s，距离为300mm，水平往复运动机构包括设置有齿条的驱动底板、齿轮、旋转电机；所述齿条固定在驱动底板底部并与齿轮啮合，齿轮的通轴与旋转电机主轴相连接；沉积盘设在驱动底板之上并与驱动底板连接；上下调节机构能够调节沉积盘与雾化喷嘴的距离，上下调节机构包括活动底座和设置于活动底座周围的升降柱，沉积盘设置于活动底座上；
所述喷粉装置包括干粉投加机和喷管，喷管设置于沉积室内雾化喷嘴周围，并连通干粉投加机，使用时通过高压气体将干粉投加机推送的铁粉经喷管中喷出，进入铜液的雾化区间。
3.根据权利要求2所述的喷射成形制备铜铁合金的装置，其特征在于，所述气氛保护感应熔炼炉内设置带漏口的坩埚、塞棒以及连接塞棒的提升机构，坩埚漏口与雾化喷嘴之间通过导流管连接，提升机构能够通过控制塞棒上下移动封闭或打开坩埚漏口。
4.根据权利要求2所述的喷射成形制备铜铁合金的装置，其特征在于，沉积盘内部设置水冷管路，水冷管路中沿冷却水流动方向设置多个立板，立板上设置供冷却水通过的开口，相邻的两个立板之间的开口相互交错。
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