CN1321557A - 移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置 - Google Patents

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一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置,采用计算机模拟和智能控制,藉助坩埚雾化器运动机构和基体运动机构来控制坩埚雾化器运动与基体运动,使两者协调以达到加工管坯和锭坯的工艺参数要求,制坯装置中还包含基体内热装置、外热退火装置和安全除尘装置,其优点是沉积坯组织均匀,管坯形状易于精确控制,加工质量更加稳定;基体温度能准确控制,初始沉积层粘附条件得到保证;坯件内应力消除充分,避免锭坯件开裂。

Description

移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置
本发明涉及一种金属和合金喷射沉积坯料制造方法及其装置，特别是移动坩埚自动化控制喷射沉积制造金属、合金管坯和圆锭坯的方法及其装置。
现有的喷射沉积制坯技术最早是在七十年代初提出的，其基本原理是：将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积坯。作为一种新型的快速凝固的制坯方法，该技术被广泛的用于制备各种合金及复合材料管坯、锭坯和板坯等，得到了迅猛地发展。申请人于80年代末提出了多层喷射沉积的概念及理论，并发明了相应的中小型实验装置，进一步发展了传统的喷射沉积技术。采用该技术能够制备出具有快速冷凝组织的铝合金管坯和圆锭坯，但该设备及技术还存在着较多的缺点。多层喷射沉积设备的结构原理如图1、2所示，其共同特征是：坩埚的移动由曲柄连杆带动，沉积基体的升降、旋转运动是由人工靠观察进行控制的。沉积基体的加热以外热式为主，沉积坯的退火处理在沉积室外的专门装置内进行。采用这些设备制坯时，由于曲柄连杆的运动存在两个运动死点(水平速度为零)，同时，运动速度连续变化，制备出的管坯常常出现两头大、中间小的形状；制备圆锭坯时则存在成形困难的缺点。解决这些问题的方法是进行过喷和补喷沉积处理后，再进行大量的车削加工，这就会造成材料收得率极低，生产成本过高。由于喷射沉积过程基本上是靠人工凭经验控制，偶然因素多，使得沉积坯的组织不均匀，材料性能不稳定，工艺可重复性较差。由于沉积过程不均匀，在坯件内存在较大的宏观热应力，往往导致沉积坯开裂，有时在喷射过程中就发生开裂现象，废品率高。此外，基体采用外热式，在喷射沉积制坯过程开始前，要先撤离基体的外热装置，调整喷射高度，在这个过程中，基体很快散热，温度降低。散热幅度和速度与环境温度和高度调整过程的长短有关，基体表面温度不能精确控制，初始沉积层的粘附状态也存在较大的偶然性。
本发明的目的是提供一种新型喷射沉积制坯方法和设备，坩埚移动及基体的升降均采用计算机系统进行智能化控制，并把两者有机地结合起来，使得产品组织、性能均匀，工艺可重复性高，产品尺寸精确，生产成本降低，消除产品的组织缺陷；同时，可以进行大规模连续生产。克服现有的多层喷射沉积制坯方法和设备在制坯时存在坯件成型困难、尺寸精度不高，生产成本较高，工艺可重复性差，材料的组织及性能不稳定等缺点。
本发明的技术方案是采用一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置，其喷射沉积制坯方法是：将熔融金属或合金在惰性气体中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经撞击，聚结，凝固而形成沉积坯，其特征在于：
(1)采用计算机模拟控制坩蜗运动的方向、速度分布和行程，藉运动控制器和导板控制操作坩埚与雾化器的运动。
(2)采用计算机智能控制器来控制沉积基体的升降、旋转，藉链式传动机构和反馈探针来控制操作沉积基体的运动。
(3)采用内热方法加热基体，即加热器设置于基体内。采用炉内直接退火装置来消除沉积坯的应力。
其喷射沉积制坯装置是：在喷射沉积室上方安装坩埚雾化器，基体置于喷射沉积室内，坩埚雾化器和基体分别由各自的运动机构带动，其特征在于：
(1)由计算机电联接主要由电动机传动机构构成的运动控制器，运动控制器联接导板，导板置于喷射沉积室盖板上，组成坩埚雾化器运动机构。
(2)由计算机电联接电动机构成计算机智能控制器，它藉链式传动机构及反馈探针与加工基体联接组成基体运动机构。
(3)紧贴基体内壁设置电加热器，构成基体内热装置。
附图说明如下：
图1是多层喷射沉积管坯制备装置结构示意图
图2是多层喷射沉积锭坯制备装置结构示意图
图3是本发明的移动坩埚自动化控制喷射沉积管坯制备装置示意图
图4是本发明的移动坩埚自动化控制喷射沉积锭坯制备装置示意图
本发明结合具体实施例参见附图进一步说明如下：
利用上述方法和装置制备大型合金管坯和锭坯时，移动移动坩埚自动化控制喷射沉积的沉积坯最终形状，最佳组织条件取决于喷射沉积的工艺参数(金属熔体的过热度、气体与金属液流的质量比，喷射高度、沉积基体的材质、形状及预热温度等)与运动参数(喷枪的运动速度分布、行程，基体的转速分布、升降速度的分布)的有机结合，通过编程由计算机系统控制坩埚雾化器运动和基体运动协调配合来实现。
实施例1，一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制造管坯的方法及其装置，其方法如上所述，采用如图3所示的发明装置，按照如表1所示的工艺参数，制备了8009(Al-8Fe-1.3V-1.7Si)合金管坯，规格为Φ外800/Φ内360×1200mm。这种管坯经挤压加工后的性能如表2所示。
表1 Al-Fe-V-Si耐热铝合金喷射沉积工艺参数范围
  雾化温度(℃)   气体压力(MPa)  液流直径(mm)   喷射距离(mm) 基体转速(rpm) 扫描速度(mm/s)     雾化锥角(°)
 850～1100   0.5～0.2  2.0～5.0  80～300  20～200  40～100     15～45
表2喷射沉积Al-8Fe-1.3V-1.7Si挤压管坯力学性能
挤压温度(℃)     挤压比   测试温度(℃)     σb(Mpa)    σs(MPa)     δ(％)
480 4∶1      25350     445210    403195     6.88.3
400* 16∶1      25260     313161    271149     1822
＊对比材料的性能，材料材质为Al-8.5Fe-1.2V-1.7Si，用Osprey工艺制备
其制坯装置参见图3
在图3所示的管坯制备装置中，改变了多层喷射沉积中坩埚运动控制机构、沉积基体的升降控制机构，增加了基体的内热装置、沉积坯的室内直接退火装置。坩埚运动机构包括坩埚和雾化器4，共同固定在运动导板3上，作为雾化室6的上盖板的一部分，运动控制器2作用在导板上，由步进式电动机和一组转动装置组成，以计算机1模拟控制坩埚运动的速度分布、方向和行程。沉积基体升降控制机构由一组链式传动系统计算机智能控制器7组成，通过探针5反馈的信息，控制基体的升降速度及其分布。探针直接测量沉积坯的直径，测量精度可以达到3～5mm。基体的内热装置9紧贴着基体内壁放置，测温器件10直接反映基体的在线温度，加热器的功率可连续调节，基体温度可以精确控制。外热退火设备8置放于沉积室内，在沉积坯制备完毕时，可通过导轨立即合拢，对坯件进行保温退火，退火温度可以连续调节。
实施例2，一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制造锭坯的方法及其装置，其方法如前述，采用如图4所示的发明装置，按照如表3所示的工艺参数，制备出了规格为Φ 800×1000mm的耐热铝合金锭坯。
表3喷射沉积制备铝合金锭坯的基本工艺参数范围
雾化温度(℃)   气体压力(MPa)    液流直径(mm)    喷射距离(mm)   基体转速(rpm)  扫描周期(s)     雾化锥角(°)
850～1100  0.5～0.2   2.0～4.0   150～350   20～200   15～25      15～30
其制坯装置参见图4
图4所示的锭坯制备装置中，添加了斜喷坩埚运动的计算机自动控制系统。系统由计算机1及控制器2组成，通过运动导板3来控制坩埚和雾化器喷枪4的运动方向、行程、速度、及其分布，添加了基体8运动计算机控制系统7，该系统按探针反馈的信息自动调节基体的转速、上升和下降。添加了安全除尘装置6，防止过多的粉末的滞留。上述坩埚及基体运动系统按既定程序通过计算机的智能控制，构成一完整的运动体系，可以严格的控制锭坯的沉积方式，最终尺寸和形状。
此外，锭坯喷射沉积室采用夹层结构5，内通水或其它冷却介质，降低沉积室内的环境温度，在沉积室内设置辅助冷却系统，可进一步提高冷凝速度，能够制备对冷速敏感的合金坯件。
本发明的喷射沉积制坯方法及其装置制备大型喷射沉积管、锭坯装置具有以下优点：
(1)彻底解决了多层喷射沉积设备由于控制坩埚运动的曲柄连杆的运动速度死点及速度分布不均匀而造成的沉积管坯形状难以控制，沉积坯组织不均匀、工艺可重复性差，坯件质量不稳定等缺陷。本发明的智能控制型坩埚移动式新型喷射沉积设备，在制备大型管、锭坯时，由于采用了计算机，通过探针所反馈回来的沉积坯的信息自动控制坩埚和基体的运动状态，使得沉积坯的组织均匀，消除了宏观热应力，避免坯件存在隐裂纹甚至开裂等现象。同时，设备的自动化控制使得产品质量更稳定，工艺可重复性大大增加，可进行大规模生产。
(2)由于采用内热式的基体加热装置，基体温度能够准确控制，初始沉积层粘附条件得到保证。沉积室内的退火装置，可以在喷射沉积制坯完成后立即对沉积坯进行退火处理，以充分消除热应力，避免了沉积坯装置外退火时，在调运过程中因时间过长，温度降低过快而造成的锭坯开裂问题。
(3)沉积室加上水冷夹层或内置式冷凝装置，可显著提高沉积坯的冷速，适合于制备对冷速敏感的合金坯。

Claims (8)

1、一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法是：将熔融金属或合金在惰性气体中雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经撞击、聚结、凝固而形成沉积坯，其特征在于：
(1)采用计算机模拟控制坩埚运动的速度分布、方向和行程，籍运动控制器和导板控制操作坩埚雾化器的运动；
(2)采用计算机智能控制器控制沉积基体的升降、旋转，籍链式传动机构和反馈探针控制操作沉积基体的运动；
(3)采用内热方法加热基体，即加热器设置于基体内。
2、根据权利要求1所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法，其特征在于其制坯方法是：制备大型喷射沉积管坯时，通过计算机按不同管材的外形、程序控制喷枪的运动速率和速度分布，喷枪沿着沉积基体的母线做匀速直线运动，熔体过热温度为100～300℃，喷射高度为100～300mm，雾化气压为0.5～5MPa，喷嘴直径为3.2～5mm，基体转速为5～10rpm，坩埚运动速率为10～100mm/s，沉积基体升降速度为1～20mm/min。
3、根据权利要求1所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法，其特征在于制坯方法是在制备大型喷射沉积锭坯时，喷枪机构做往复变速直线运动，速率分布由计算机按程序控制，其范围速率为20～100mm/s，熔体过热温度为100～300℃，喷射高度为50～200mm，雾化气压为0.8～1.5MPa，喷嘴直径为2.5～5mm，基体转速和升降速率由探针所测得信息反馈给计算机在线控制，其范围分别为50～200rpm,1～20mm/min。
4、一种移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯装置是：在喷射沉积室上方安装坩埚雾化器，加工基体置于喷射沉积室内，坩埚与雾化器和沉积基体分别由各自的运动机构带动，其特征在于：
(1)由计算机电联接主要由电动机传动机构构成的运动控制器，运动控制器联接导板，导板置于喷射沉积室盖板上，组成坩埚雾化器运动机构；
(2)由计算机电联接电动机构成计算机智能控制器，它籍链式传动机构及反馈探针与加工基体联接组成基体运动机构；
(3)紧贴基体内壁设置电加热器，构成基体内热装置。
5、根据权利要求4所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯装置，其特征在于其制坯装置基体的内热装置和沉积室的退火装置可以采用电阻加热或其它加热装置，沉积室夹层内通水、氟利昂等冷却介质。
6、根据权利要求4所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯装置，其特征在于其制坯装置包含一个测温元件，置于基体外壁。
7、根据权利要求4所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯装置，其特征在于其制坯装置包含一个外热退火装置，设置在喷射沉积室内。
8、根据权利要求4所述的移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯装置，其特征在于其制坯装置包含一个安全除尘装置，与喷射沉积室联接。
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