CN1472025A

CN1472025A - 控制往复喷射成形工艺

Info

Publication number: CN1472025A
Application number: CNA031170668A
Authority: CN
Inventors: 豪张; 张豪; 张荻; 张捷; 宋立
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-02-04
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: CN1209217C

Abstract

一种控制往复喷射成形工艺属于合金及复合材料领域。方法如下：合金熔体在重力作用下进入雾化区域，采用非限制式、非扫描、二级雾化器，通过雾化器将合金熔体粉碎，形成稳定而密集的液滴喷射流，连续沉积的合金液滴充分熔合，快速凝固，使液滴带电并在电场中飞向基底，精确控制沉积室内的气压，未粘结的粉尘通过排风口及时排除，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态。本发明工艺解决了背景技术中存在的问题，获得的有益效果是：沉积坯凝固速率达10⁴～K/s，平均晶粒度0.9～20μm，同时，致密度高、层界面缺陷少，材料收得率大幅度提高，适宜制备大规格的沉积坯。

Description

控制往复喷射成形工艺

技术领域

本发明涉及的是一种控制往复喷射成形工艺，特别是一种制备大规格、高性能合金及其颗粒复合材料的控制往复喷射成形工艺，属于合金及复合材料领域。

背景技术

喷射成形(又称喷射沉积)工艺是将合金熔体进行雾化，然后高速沉积到基底，快速凝固得到坯件的方法。中南工业大学1998年10月博士学位论文《多层喷射沉积过程及其材料的研究》介绍了以Osprey工艺为代表的传统喷射成形工艺，该工艺采用非限制式、扫描雾化器，合金液滴喷射流与基底的相对运动采用单向模式，基底相对于固定的喷射流在旋转的同时，水平单向移动。喷射流在基底表面连续沉积，沉积物凝固速率10²～10³K/s，平均晶粒度一般在20μm以上，由喷射流向基底表面传递的热流随着沉积坯厚度而增加，当厚度超过某一临界值时，沉积物散热速率低于喷射流的热流，沉积物的温度上升超过最佳范围，通常沉积管、板坯厚度小于50mm。经文献检索发现，中国专利申请号：98112773.8，名称为：制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备，该专利发展了多层喷射沉积工艺，采用喷射流与基底往复运动，沉积坯由若干层组成，对相同的合金质量流率，该模式的沉积坯散热速率通过改变层数而调整，适于制备冷却速率在10⁴K/s～的厚沉积坯。但是，多层喷射成形工艺存在的问题主要有：(1)采用紧耦合雾化器，雾化喷射流分散，喷射密度低，形成大量孔隙；(2)紧耦合雾化器容易发生堵嘴断流，合金熔体压头不稳定，熔体速率不稳定，雾化喷射流不稳定；(3)工艺过程缺少对关键物理状态的监测和反馈，以精确控制为目标的工艺过程数学模型未建立，往复运动形成的层界面结合很差。多层喷射成形沉积坯的相对致密度低于85％，层界面结合强度低，存在较致密的氧化物和大量孔隙，即使经过后续大变形量的挤压、轧制等加工，这些氧化物和部分闭合气孔无法消除。此外，上述两种模式中，细小的液滴在沉积时容易受到气体紊流的干扰，无法沉积到基底表面，材料收得率降低。Osprey模式的收得率一般在80％左右，而多层喷射成形模式的收得率在70％左右。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种控制往复喷射成形工艺，特别对于制备大规格、高性能合金及其颗粒复合材料的控制往复喷射成形工艺，通过采用非限制式、非扫描、二级雾化器，合金雾化喷射流在电场中运动，在线精确控制往复运动，解决了上述背景技术中的沉积坯致密度低、收得率低、层界面结合差、凝固速率低、工艺不稳定的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明工艺如下：合金熔体在重力作用下进入雾化区域，采用非限制式、非扫描、二级雾化器，雾化器工作介质为惰性气体或设定的反应性气体，通过雾化器将合金熔体粉碎，形成稳定而密集的液滴喷射流，连续沉积的合金液滴充分熔合，快速凝固；使合金雾化液滴带电并在电场中飞向基底；精确控制沉积室内的气压，未粘结的粉尘通过排风口及时排除；在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态。

以下对本发明工艺作进一步的说明，具体内容如下：

1、所述的合金熔体，在液相线以上100～200℃保温(即过热度)，然后通过中间包流入在相同温度保温的漏包，漏包中熔体高度大于250mm，上下液面高度差小于10mm，熔体经由安装在漏包底部的导管流入雾化器。液面高度由位置或者重量传感器在线测量，自动控制合金倾倒动作，保持液面高度在设定范围内。具有稳定的合金压头和流速，铝合金熔体质量流率在6～15kg/min。

2、所述的非限制式、非扫描、二级雾化器，其工作介质为惰性气体或设定的反应性气体，合金熔体在重力作用下进入一级雾化区域，一级雾化气体压力在1～3atm，雾化角为0～3°。一级雾化使合金熔体不受主雾化器负压紊流的影响，不会堵嘴，稳定进入二级主雾化区域。二级雾化气体压力在6～15atm，雾化角为7～15°，通过雾化器将具有稳定流速的合金熔体粉碎，形成稳定而密集的液滴喷射流。连续密集沉积的合金液滴充分熔合，且快速凝固。雾化器不进行扫描运动，减小喷射流稀疏沉积的区域，提高沉积物致密度，基本消除原始颗粒边界这一组织缺陷。

3、所述的使液滴带电并在电场中飞向基底，是指给合金熔体和基底施加36V直流电，使合金液滴均带有电荷，向着带相反电荷的基底飞行，电流大小视工艺而定，微粉的捕获率显著提高。

4、所述的精确控制沉积室内的气压，具体为：沉积室内的气体压力与雾化密切相关，一般在1～1.1atm。沉积室内气体压力采用数字式压力传感器在线测量，自动控制排风口风门开启角度，使室内气体压力维持在设定范围内。排风口具有可以连续调节的出口面积，外接防爆风机，夹带粉尘的气流经过一级或多级旋风分离器净化后排空，减少沉积室气体紊流夹带的已完全凝固的微粉在沉积物表面的沉积。

5、所述的在线控制工艺参数，具体如下：

喷射流在沉积到基底表面之前的飞行距离在400～500mm范围，雾化喷射流相对于基底往复水平运动，沉积物由往复沉积的多层组成，基底初始预热温度比合金的固相线低50～150℃，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的最佳温度范围分别是固相线±30℃和固相线以上30～100℃。对于管坯，基底为水平放置的芯管，旋转速度60～160rpm，在线控制往复运动和沉积距离；对于锭坯，基底为圆形板，旋转速度为80～150rpm，在线控制升降运动和往复运动；对于板坯，基底为平板，在线控制往复运动和沉积距离。在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，基本消除往复运动形成的层界面组织缺陷，保持形状精度。

采用数字红外测温仪、测距仪在线测量沉积物表面温度、沉积坯厚度，采用工控机和可编程控制器(PLC)接受独立工艺参数信号和发出电机控制指令，在线控制沉积距离、往复运动速度，使沉积温度和距离在最佳范围内。

本发明中允许存在几束熔体喷射流，外加颗粒可形成独立喷射流。本发明适用于制备内径大于100mm、壁厚大于20mm、长度大于50mm的厚壁管坯，以及直径大于100mm的大规格圆柱锭坯，厚度大于10mm的板材。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明工艺解决了背景技术中存在的问题，获得的有益效果是：沉积坯凝固速率高(10⁴～K/s)，组织精细(平均晶粒度0.9～20μm)，同时，致密度高(96％～)、层界面缺陷少，适宜制备大规格的沉积坯(管坯、锭坯、板坯等)，材料收得率大幅度提高(85％～)。

具体实施方式

结合本发明的内容提供实施例，如下表所示：

材质	A356	7075	6061/10％(wt)SiCp
材质	A356	7075	6061/10％(wt)SiCp	合金熔体流率，kg/min	10	15	6
过热度，K	150	200	100	合金熔体流率，kg/min	10	15	6
过热度，K	150	200	100	合金熔体静压头，mm	300	300	250
一级雾化压力，atm	2	1	3	合金熔体静压头，mm	300	300	250
一级雾化压力，atm	2	1	3	一级雾化角度，°	2	0	3
二级雾化压力，atm	10	15	6	一级雾化角度，°	2	0	3
二级雾化压力，atm	10	15	6	二级雾化角度，°	10	7	15
复合颗粒送粉压力，atm	/	/	3	二级雾化角度，°	10	7	15
复合颗粒送粉压力，atm	/	/	3	沉积距离，mm	450	500	400
管坯基底旋转速度，rpm	100	160	60	沉积距离，mm	450	500	400
管坯基底旋转速度，rpm	100	160	60	基底预热温度，℃	560	610	510
电压，V	36	36	36	基底预热温度，℃	560	610	510
电压，V	36	36	36	相对致密度，％	98	96	96
管坯内径，mm	470	600	470	相对致密度，％	98	96	96
管坯内径，mm	470	600	470	管坯厚度，mm	40	40	40
材料收得率，％	86	88	85	管坯厚度，mm	40	40	40
材料收得率，％	86	88	85	凝固速率，K/s	10⁴	10⁴	10⁵
层界面	致密	致密	致密	凝固速率，K/s	10⁴	10⁴	10⁵
层界面	致密	致密	致密	平均晶粒度，μm	9	10	0.9
拉伸强度，MPa	380	608	450	平均晶粒度，μm	9	10	0.9
拉伸强度，MPa	380	608	450	延伸率，％	11	22	12

Claims

1、一种控制往复喷射成形工艺，其特征在于，方法如下：合金熔体在重力作用下进入雾化区域，采用非限制式、非扫描、二级雾化器，通过雾化器将合金熔体粉碎，形成稳定而密集的液滴喷射流，连续沉积的合金液滴充分熔合，快速凝固，使合金雾化液滴带电并在电场中飞向基底，精确控制沉积室内的气压，未粘结的粉尘通过排风口及时排除，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态。

2、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，所述的合金熔体，在液相线以上100～200℃保温，然后通过中间包流入在相同温度保温的漏包，漏包中熔体高度大于250mm，上下液面高度差小于10mm，熔体经由设置在漏包底部的导管流入雾化器，液面高度由位置或者重量传感器在线测量，自动控制合金倾倒动作，铝合金熔体质量流率在6～15kg/min。

3、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，所述的非限制式、非扫描、二级雾化器，其工作介质为惰性气体或设定的反应性气体，合金熔体在重力作用下进入一级雾化区域，一级雾化气体压力在1～3atm，雾化角为0～3°；二级雾化气体压力在6～15atm，雾化角为7～15°。

4、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，所述的使液滴带电并在电场中飞向基底，是通过给合金熔体和基底施加36V直流电，使合金液滴均带有电荷，并向着带相反电荷的基底飞行。

5、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，所述的精确控制沉积室内的气压，具体如下：

沉积室内的气体压力在1～1.1atm，沉积室内气体压力采用数字式压力传感器在线测量，自动控制排风口风门开启角度，室内气体压力维持在设定范围内，排风口具有可连续调节的出口面积，外接防爆风机，夹带粉尘的气流经过一级或多级旋风分离器净化后排空，未粘结的粉尘通过排风口及时排除。

6、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，所述的在线控制工艺参数，具体如下：

喷射流在沉积到基底表面之前的飞行距离在400～500mm范围，雾化喷射流相对于基底往复水平运动，沉积物由往复沉积的多层组成，基底初始预热温度比合金的固相线低50～150℃，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的最佳温度范围分别是固相线±30℃和固相线以上30～100℃，对于管坯，基底为水平放置的芯管，旋转速度60～160rpm，在线控制往复运动和沉积距离，对于锭坯，基底为圆形板，旋转速度为80～150rpm，在线控制升降运动和往复运动，对于板坯，基底为平板，在线控制往复运动和沉积距离，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，消除往复运动形成的层界面组织缺陷，保持形状精度。

7、根据权利要求6所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，采用数字红外测温仪、测距仪在线测量沉积物表面温度、沉积坯厚度，采用工控机和可编程控制器接受独立工艺参数信号和发出电机控制指令，在线控制沉积距离、往复运动速度。

8、根据权利要求1或所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，存在一束或几束熔体喷射流，外加颗粒形成独立喷射流。

9、根据权利要求1所述的控制往复喷射成形工艺，其特征是，适用于制备内径大于100mm、壁厚大于20mm、长度大于50mm的厚壁管坯，以及直径大于100mm的大规格圆柱锭坯，厚度大于10mm的板材。