CN1559727A - 喷射沉积制备大型环件的方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷射沉积制备大型环件的方法，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，且坩埚和雾化器的运动以及基体的旋转、升降运动均由智能控制，基体采用内热方法加热，其特征是：熔融金属过热温度为150℃～ 350℃，喷射高度为100～300mm，雾化气压为0.8～1.2MPa，液流直径为3.0～6.0mm，基体转速为1～10rpm，坩埚运动速率为5～20mm/s，基体升降速度为0.1～1.0mm/min。本发明还公开了该方法所采用的设备。本发明是一种对于大型环件的制备不会产生开裂崩断的喷射沉积制备大型环件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷射沉积制备大型环件的方法，本发明还涉及该方法所使用的设备。
背景技术
大型环型结构件，特别是Al、Mg轻合金环件，广泛地用于宇航、航空、交通、能量工业等方面，如宇航空间站的圈梁、框架；航空航天器的舱门、法兰；高速列车制动盘、大型工程机械、框架材料等。大型环件的传统制备方法是采用铸造锭坯锻造厚板，再机加工成形(掏空)的工艺路线，这样的环件材料利用率低，变形不均匀导致组织均匀性差，产品成本高，力学性能不够理想。若采用铸造环形锭坯，再锻造成形和机加工成形的工艺路线，则存在铸造工艺复杂，铸坯质量差等的问题。
对于大型或特大型环件(直径3.5米以上)，由于厚径比相对较小，铸造成型除了造型、浇铸方面的困难外，同时将由于铸件大型化造成冷速低、组织粗大、性能低劣，特别是环件的周向凝固收缩量大，难以避免所产生的内应力使环件严重变形，以至开裂等问题。据悉，国内某大型铝加工厂对于大型铝合金环件的成型，采用先铸造与环件同直径的实心盘形件，然后通过机加工将其“挖空”制成环件，造成了人力、财力上的巨大浪费。
粉末冶金方法制备的材料虽然性能优异，但在制备大型结构件，特别是环状件的需要特大型的模具压力机和烧结设备，这是目前无法克服的工艺与设备问题。在压制成型、烧结方面无法进行，因为没有如此大型的压力机和烧结炉。
二十世纪七十年代初提出的喷射沉积工艺是介于铸造冶金与粉末冶金之间的第三种材料坯件的成型方法，其基本原理是：将熔融金属或合金通过高压高速惰性气体雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在相对较冷的基体上，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制坯方法，该技术被广泛用于制备各种合金及复合材料管、锭和板坯等。传统的喷射沉积由于在沉积过程中，坯件成型仅仅依赖基体运动，喷射流采用较大流量一次扫描沉积而成，难以制备大型坯件，沉积过程凝固冷速较低组织在制备大尺寸的厚壁管板坯和大直径圆柱锭坯时，组织成普通铸状组织易于恶化成普通铸组织。申请人在近年来发明了公告号为“CN1115217”的专利“移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置”，克服了传统喷射沉积技术的诸多缺陷，成功地制备出尺寸精确、组织微细、均匀性能优异的大型管坯、锭坯及板坯。但对于大型环件，特别是直径大于3000～4000mm厚径比较小的特大型环件的制备，由于沉积坯在冷却过程不可避免产生体积收缩，特别是周向收缩量大、而产生巨大的热应力，致使其开裂崩断，这一问题一直有待于解决。
综上所述，大型环件的制备无论是铸造，粉末冶金工艺还是现有的传统喷射沉积工艺都无法很好地解决大尺寸环件的制备问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种对于大型环件的制备不会产生开裂崩断的喷射沉积制备大型环件的方法。
本发明的另一个目的是提供该方法所采用的设备。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种喷射沉积制备大型环件的方法，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，且坩埚和雾化器的运动以及基体的旋转、升降运动均由智能控制，基体采用内热方法加热，其特征是：熔融金属过热温度为150～350℃，喷射高度为100～300mm，雾化气压为0.8～1.2MPa，液流直径为3.0～6.0mm，基体转速为1～10rpm，坩埚运动速率为5～20mm/s，基体升降速度为0.1～1.0mm/min。
作为本发明的一种改进，制备沉积基体为大直径、扁平圆柱型时，沉积基体及沉积基体加热机构通过轮辐固定在主轴上，主轴可作旋转、升降运动，且加热机构与沉积基体之间保留一定距离，沉积基体采用非连续形式，即由若干弧形板构成，板与板之间留有伸缩缝，当沉积坯冷凝收缩时，起松驰应力的作用，收缩缝上预先设置盖板，防止喷射流进入，沉积基体与盖板依靠两侧的测压板夹持以摩擦力固定在轮辐上，融熔金属雾化喷射流喷向环型沉积基体侧面，沉积层沿径向长大。
该方法所采用的设备的结构是：雾化室上方设有由曲柄连杆机构带动坩埚和喷枪运动的喷射雾化系统，主轴水平设置在所述的雾化室内，在所述的主轴上径向设有与喷射雾化系统对应的由若干弧形板构成的环型沉积基体板及基体板加热电炉，所述的主轴驱动系统设置在主轴支撑系统上，所述的主轴支撑系统设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
喷射沉积制备环件时，坩埚内的熔融金属流径喷枪，被高压气体雾化成喷射流，直接沉积在环型沉积基体板上，环型沉积基体板一方面随主轴作旋转运动，另一方面随沉积层厚度增加随主轴升降系统作下降移动。坩埚及喷枪由曲柄连杆机构带动作水平往返运动使喷射流在基体板上左右扫描。扫描的距离为环型坯件的高度，基体板的下降高度决定坯件的外径。环型沉积基体板的直径决定于环件的内径。
作为本发明的另一种改进，沉积基体采用圆盘环形基体板，盘面朝上，雾化喷射流直接在盘面上往返扫描形成沉积层，沉积层不断累积形成环形坯件，沉积基体一方面作旋转运动，同时随沉积层增高作下降移动，下降的距离即为环形坯件的高度，圆盘环形基体板中心不存在支撑机构，圆盘环形基体板冷凝时径向不受制约，可自由收缩以消除热应力。
该方法所采用的设备的结构是：雾化室上方设有由曲柄连杆机构带动坩埚和喷枪运动的喷射雾化系统，主轴垂直设置在所述的雾化室内，在所述的主轴上端径向设有与喷射雾化系统对应的环型沉积基体板及基体板加热电炉，所述的主轴驱动系统设置在主轴支撑系统上，所述的主轴支撑系统设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
喷射沉积过程中，坩埚中的熔融金属通过喷枪被高压气压雾化形成喷射流直接沉积在环形沉积基体板上，形成沉积层，沉积层不断累积形成环形坯件。坩埚及喷枪作水平运动，使喷射流在基体上往返扫描，扫描的距离决定于环件的厚度，环形沉积基体板一方面随主轴作旋转运动，同时随沉积层增高随主轴升降系统作下降移动，下降的距离即为环形坯件的高度。
本发明采用沉积基体结构以及喷射沉积方法，结合移动坩埚运动机构的智能控制，与基体的旋转、下降运动有机地结合，提供了一套全新的大尺寸环件的喷射沉积制备方法及其装置。提供了一套全新的喷射沉积方法及设备，成功地解决了大型环件及其复合材料的制备，且产品组织均匀、晶粒度达到几十μm以下，材料利用率高，坯锭尺寸可以任意大。性能优越，环件尺寸精度高，成本低廉，可以进行大规模的连续生产。
附图说明
图1是本发明立式喷射沉积制备环件装置结构示意图；
图2是立式喷射沉积制备环件装置基体板及加热电炉结构如图；
图3是图2中A--A向剖视图；
图4是本发明卧式喷射沉积制备环件装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
参见图1、图2和图3，利用立式喷射沉积制备环件装置制备沉积基体为大直径、扁平圆柱型，采用如附表所示工艺参数，成功地制备出了直径为3700mm，厚300mm，高200mm，质量约为1.2t的特大型5005铝合金环件。环件表面状态良好，无任何裂纹。
附表 大型环件喷射沉积工艺参数
| 金属液流直径 | 金属流质量流速 | 坩埚运动速度 | 基体转速 | 熔体过热度 | 雾化压力 | 雾化角 | 雾化介质 |
| 3.5～5.5mm | 50～70g/s | 30～70cm/s | 6～20rpm | 150～250℃ | 0.8～1.2MPa | 10～30° | N2 |
雾化室12上方设有由曲柄连杆机构1带动坩埚20和喷枪19运动的喷射雾化系统，在雾化室12下部设有排风口11，主轴15水平设置在雾化室12内，所述的主轴15与所述的雾化室12之间设有密封滑板13，在主轴15上径向设有与喷射雾化系统对应的由若干弧形板21构成的环型沉积基体板18及基体板加热电炉17，主轴驱动系统设置在主轴支撑系统5上，主轴支撑系统5设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
主轴支撑系统5通过固定在机座26上的滑杆27套装在机座26上。
主轴驱动系统：主轴回转驱动电机4通过链传动3与主轴15传动联接。
主轴升降系统：包挂主轴驱动电机7通过链传动9、传动轴系8与左升降丝杆6、右升降丝杆10传动联接，所述的左升降丝杆6、右升降丝杆10与主轴支撑系统5传动联接。
主轴回转驱动电机4通过链传动机构3驱动主轴15绕轴向旋转，环型沉积基体板18，基体板加热电炉17依靠轮辐16固定在主轴15上，并随之一同旋转。主轴15通过轴承依托左升降支架2、右升降支架14支撑在主轴支撑系统5上。主轴升降驱动电机7经减速机通过链传动9及传动轴系8驱动左旋升降丝杆6以及右旋升降丝杆10旋转。左升降丝杆6、右升降丝杆10的转动，带动主轴支撑系统5作上、下移动。左升降支架2、链传动机构3、右升降支架14、主轴15、轮辐16固定在主轴支撑系统5上，随之同步作上、下移动。主轴15移动时与雾化室12之间利用密封滑板13密封，防止雾化过喷粉末喷出。曲柄连杆机构1，通过导板带动坩埚20、喷枪19作水平往返运动。
喷射沉积制备环件时，坩埚20内的熔融金属流径喷枪19，被高压气体雾化成喷射流，直接沉积在环型沉积基体板18上，环型沉积基体板18一方面随主轴15作旋转运动，另一方面随沉积层厚度增加随主轴支撑系统5作下降移动。坩埚20及喷枪19水平往返运动使喷射流在环型沉积基体板18上左右扫描。扫描的距离为环型坯件的高度，环型沉积基体板18的下降高度决定坯件的外径。环型沉积基体板18的直径决定于环件的内径。
环型沉积基体板18采用非连续形式，即由若干弧形板21构成，板与板之间留有伸缩缝22，当沉积坯冷凝收缩时，起松驰应力的作用。为防止喷射开始时喷射物进入伸缩缝22中，伸缩缝22事先采用盖板24盖住。盖板24将收缩缝22盖住，基体板加热电炉17与弧形板21之间保留一定距离。侧压板25通螺栓23固定在轮辐16上，依靠磨擦力夹持弧形板21及盖板24。
实施例2：
参见图4，用卧式喷射沉积制备环件装置圆盘环形基体板，采用附表所示的工艺参数，成功地制备出1200mm×200mm×200mmA359/SiCp铝基复合材料环件，经后续加工后可用于制备高速列车用铝基复合材料制动盘。
雾化室317上方设有由曲柄连杆机构31带动坩埚321和喷枪320运动的喷射雾化系统，雾化室317由机座322支撑，雾化室317外层设有带进水口35和出水口323的水冷夹层318，下部设有排风口316，主轴34垂直设置在雾化室317内，在主轴34上端水平设有与喷射雾化系统对应的基体环板32及加热电炉33，主轴驱动系统设置在主轴支撑系统上，主轴支撑系统设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
主轴支撑系统：导向杆310和升降丝杆311固装在机座322上，主轴升降滑动箱314套装在导向杆310上，用于支撑主轴34的主轴上支撑36和主轴下支撑39安装在主轴升降滑动箱314上。
主轴驱动系统：主轴旋转电机38通过旋转传动齿轮37与主轴34传动联接。
主轴升降系统：主轴升降电机313安装在主轴升降滑动箱314，主轴升降滑动箱314套装在导向柱310上，导向柱310和升降丝杆311设置在机座322上，主轴升降电机313通过升降传动齿轮312与升降丝杆311传动联接。
基体旋转电机38通过旋转传动机构37，以齿轮带动主轴34旋转。基体环板32通过法兰固定在主轴34并随之一同旋转。主轴升降电机313驱动升降齿轮传动机构312通过升降丝杆311使主轴升降滑动箱314系统沿导向柱310作上、下移动。主轴34通过主轴上支撑36、主轴下支撑39与主轴升降滑动箱14连接，基体旋转电机38、旋转传动机构37、主轴升降电机313、升降齿轮传动机构312、主轴上支撑36、主轴下支撑39、主轴34、升降箱体滑套315与主轴34构成一个整体同步移动。曲柄连杆机构31通过导板319带动坩埚321及喷枪320作水平往返运动。坩埚321、喷枪320固定在导板319上。
喷射沉积过程中，坩埚321中的熔融金属通过喷枪320被高压气压雾化形成喷射流直接沉积在基体环板32上，形成沉积层，沉积层不断累积形成环形坯件。
坩埚321及喷枪320水平运动，使喷射流在基体环板32上往返扫描，扫描的距离决定于环件的厚度，基体环板32一方面随主轴34作旋转运动，同时随沉积层增高随主轴34作下降移动。下降的距离即为环形坯件的高度。
Claims (5)
1、一种喷射沉积制备大型环件的方法，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，且坩埚和雾化器的运动以及基体的旋转、升降运动均由智能控制，基体采用内热方法加热，其特征是：熔融金属过热温度为150～350℃，喷射高度为100～300mm，雾化气压为0.8～1.2MPa，液流直径为3.0～6.0mm，基体转速为1～10rpm，坩埚运动速率为5～20mm/s，基体升降速度为0.1～1.0mm/min。
2、根据权利要求1所述的喷射沉积制备大型环件的方法，其特征是：制备沉积基体为大直径、扁平圆柱型时，沉积基体及沉积基体加热机构通过轮辐固定在主轴上，主轴可作旋转、升降运动，且加热机构与沉积基体之间保留一定距离，沉积基体采用非连续形式，即由若干弧形板构成，板与板之间留有伸缩缝，当沉积坯冷凝收缩时，起松驰应力的作用，收缩缝上预先设置盖板，防止喷射流进入，沉积基体与盖板依靠两侧的测压板夹持以摩擦力固定在轮辐上，融熔金属雾化喷射流喷向环型沉积基体侧面，沉积层沿径向长大。
3、根据权利要求1所述的喷射沉积制备大型环件的方法，其特征是：沉积基体采用圆盘环形基体板，盘面朝上，雾化喷射流直接在盘面上往返扫描形成沉积层，沉积层不断累积形成环形坯件，沉积基体一方面作旋转运动，同时随沉积层增高作下降移动，下降的距离即为环形坯件的高度，圆盘环形基体板中心不存在支撑机构，圆盘环形基体板冷凝时径向不受制约，可自由收缩以消除热应力。
4、根据权利要求2所述的喷射沉积制备大型环件的设备，其特征是：雾化室(12)上方设有由曲柄连杆机构(1)带动坩埚(20)和喷枪(19)运动的喷射雾化系统，主轴(15)水平设置在所述的雾化室(12)内，在所述的主轴(15)上同轴设有与喷射雾化系统对应的由若干弧形板(21)构成的环型沉积基体板(18)及环型基体板加热电炉(17)，主轴驱动系统设置在主轴支撑系统(5)上，所述的主轴支撑系统(5)设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
5、根据权利要求3所述的喷射沉积制备大型环件的设备，其特征是：雾化室(317)上方设有由曲柄连杆机构(31)带动坩埚(321)和喷枪(320)运动的喷射雾化系统，主轴(34)垂直设置在所述的雾化室(317)内，在所述的主轴(34)上端水平设有与喷射雾化系统对应的环型沉积基体板(32)及基体板加热电炉(33)，主轴驱动系统设置在主轴支撑系统上，所述的主轴支撑系统设置在主轴升降系统上，所述的喷射雾化系统、主轴驱动系统和主轴升降系统均由智能控制。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |