第10章 噴射沉積技術(shù)

1、第十章第十章噴射噴射沉積技術(shù)沉積技術(shù)一、噴射沉積技術(shù)發(fā)展概況一、噴射沉積技術(shù)發(fā)展概況 快速凝固快速凝固/ /粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù)(RS/PM)(RS/PM)的優(yōu)點的優(yōu)點： 材料的晶粒細(xì)小材料的晶粒細(xì)小 成分及組織均勻成分及組織均勻 能夠形成亞穩(wěn)相能夠形成亞穩(wěn)相 材料的力學(xué)性能優(yōu)異材料的力學(xué)性能優(yōu)異 RS/PMRS/PM技術(shù)存在以下不足技術(shù)存在以下不足： 工藝復(fù)雜工藝復(fù)雜 粉末氧化嚴(yán)重粉末氧化嚴(yán)重 難于制備大件等問題。難于制備大件等問題。 鑒于上述考慮，人們又在探索新型的材料制鑒于上述考慮，人們又在探索新型的材料制備技術(shù)。備技術(shù)。 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代末又發(fā)展起來一種新型的快速年代末

2、又發(fā)展起來一種新型的快速凝固和成形工藝，稱之為凝固和成形工藝，稱之為噴射沉積噴射沉積(Spray (Spray Deposition)Deposition)或或噴射成形噴射成形(Spray Forming)(Spray Forming)工藝，工藝，很好地解決了上述矛盾。很好地解決了上述矛盾。 該工藝的誕生對鑄造、粉末冶金等技術(shù)產(chǎn)生了該工藝的誕生對鑄造、粉末冶金等技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，成為當(dāng)今最引人注目的材料制備方深遠(yuǎn)的影響，成為當(dāng)今最引人注目的材料制備方法之一。法之一。 1.Osprey1.Osprey技術(shù)的發(fā)明技術(shù)的發(fā)明 噴射沉積的概念和原理噴射沉積的概念和原理最早是由英國最早是由英國Swa

3、nseaSwansea大學(xué)大學(xué)的的A. R. E. SingerA. R. E. Singer教授于教授于19681968年提出，年提出，19701970年首次公年首次公開報導(dǎo)的。當(dāng)時他把熔融金開報導(dǎo)的。當(dāng)時他把熔融金屬霧化沉積在一個旋轉(zhuǎn)的基屬霧化沉積在一個旋轉(zhuǎn)的基體上，形成沉積坯料，并直體上，形成沉積坯料，并直接軋制成帶材。接軋制成帶材。 19741974年年R. BrooksR. Brooks等人等人成功地將成功地將SingerSinger提出的提出的噴射沉積原理應(yīng)用于鍛噴射沉積原理應(yīng)用于鍛造毛坯的生產(chǎn)，發(fā)展成造毛坯的生產(chǎn)，發(fā)展成了世界著名的了世界著名的OspreyOsprey工工藝，開發(fā)

4、出了適合于噴藝，開發(fā)出了適合于噴射沉積工藝的一系列合射沉積工藝的一系列合金，從此，金，從此，OspreyOsprey工藝工藝蜚聲于世，成為了噴射蜚聲于世，成為了噴射沉積工藝的代名詞。沉積工藝的代名詞。 2.LDC2.LDC技術(shù)的發(fā)明技術(shù)的發(fā)明 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代后期，美國年代后期，美國麻省理工學(xué)院的麻省理工學(xué)院的N.J.GrantN.J.Grant教授教授和加州大學(xué)歐文和加州大學(xué)歐文(Irvine)(Irvine)分校的分校的LaverniaLavernia等人采用超聲霧化法將等人采用超聲霧化法將金屬熔體霧化成極細(xì)的液滴，然金屬熔體霧化成極細(xì)的液滴，然后沉積在一個水冷載體上，發(fā)展后沉

5、積在一個水冷載體上，發(fā)展成了液體動壓成形成了液體動壓成形(LDC)(LDC)工藝。工藝。實際上，實際上，LDCLDC工藝和工藝和OspreyOsprey工藝工藝均屬噴射沉積，只是前者更加強均屬噴射沉積，只是前者更加強調(diào)霧化液滴的微細(xì)效果和沉積坯調(diào)霧化液滴的微細(xì)效果和沉積坯的冷卻效果。的冷卻效果。 3. CSD工藝的發(fā)明工藝的發(fā)明 原理：采用的是離心原理：采用的是離心霧化裝置，將液體金霧化裝置，將液體金屬離心霧化為屬離心霧化為0.50.51.5 mm1.5 mm的液粒，金屬的液粒，金屬液粒沖擊冷襯底時，液粒沖擊冷襯底時，冷卻速度可達(dá)冷卻速度可達(dá)10104 410106 6 K/s K/s。 19

6、801980年英國的年英國的AuroraAurora鋼鐵公司開始將噴射沉積鋼鐵公司開始將噴射沉積技術(shù)應(yīng)用于高合金工具鋼的生產(chǎn)，進(jìn)一步發(fā)展技術(shù)應(yīng)用于高合金工具鋼的生產(chǎn)，進(jìn)一步發(fā)展了霧化沉積工藝，開發(fā)出了了霧化沉積工藝，開發(fā)出了“控制噴射沉積控制噴射沉積法法”(CSD) (CSD) 。但是由于當(dāng)時英國經(jīng)濟(jì)蕭條，。但是由于當(dāng)時英國經(jīng)濟(jì)蕭條，AuroraAurora公司被迫于公司被迫于19831983年停止了對年停止了對CSDCSD工藝的研工藝的研究和開發(fā)。究和開發(fā)。4.4.噴射沉積技術(shù)的基本應(yīng)用及其產(chǎn)品的噴射沉積技術(shù)的基本應(yīng)用及其產(chǎn)品的 基本特點基本特點(1)(1)產(chǎn)品類型產(chǎn)品類型 噴射噴射沉積技術(shù)

7、主要集中在半成品形狀的預(yù)沉積技術(shù)主要集中在半成品形狀的預(yù)成形坯的生產(chǎn)，產(chǎn)品形狀為管、環(huán)、帶、板、成形坯的生產(chǎn)，產(chǎn)品形狀為管、環(huán)、帶、板、圓柱坯和異型件。還被用于軋輥修復(fù)。圓柱坯和異型件。還被用于軋輥修復(fù)。(2)(2)材料種類材料種類 不銹鋼不銹鋼、高速鋼、工具鋼，磁性材料，高、高速鋼、工具鋼，磁性材料，高溫合金，鋁合金、鎂合金、銅合金等高合金化溫合金，鋁合金、鎂合金、銅合金等高合金化材料，金屬基復(fù)合材料。材料，金屬基復(fù)合材料。 (3)(3)目前國際上的技術(shù)水平目前國際上的技術(shù)水平q英國英國Osprey公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)直徑公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)直徑100250mm的盤坯和的盤坯和150mm1000mm

8、的棒坯等。的棒坯等。q德國的德國的Mannesman Demag公司能夠生產(chǎn)尺寸公司能夠生產(chǎn)尺寸約約1000mm2000mm10mm的鋼板。的鋼板。 q德國的德國的PEAK公司則能夠生產(chǎn)直徑為公司則能夠生產(chǎn)直徑為150400mm，長度為，長度為7001200mm，質(zhì)量為，質(zhì)量為35400kg的的Al-Si合金坯。合金坯。 q美國的美國的Howmet公司能夠生產(chǎn)直徑公司能夠生產(chǎn)直徑800mm，長長500mm的高溫合金環(huán)。的高溫合金環(huán)。 q德國德國Wieland公司和瑞士公司和瑞士Swiss Metal公司制備公司制備了直徑了直徑300mm，長度為，長度為2200mm的銅合金錠，的銅合金錠，其材質(zhì)

9、為可取代其材質(zhì)為可取代Cu-Be合金的合金的Cu-15Ni-8Sn，可，可用作彈簧材料的高用作彈簧材料的高Sn青銅和做焊接電極的青銅和做焊接電極的Cu-Cr-Zr合金及耐磨材料合金及耐磨材料Cu-C合金。合金。 q日本、英國等國家采用噴射沉積技術(shù)制造日本、英國等國家采用噴射沉積技術(shù)制造4001000mm的復(fù)合軋輥的復(fù)合軋輥 。(4)(4)國際上從事噴射沉積技術(shù)研究的主要機構(gòu)國際上從事噴射沉積技術(shù)研究的主要機構(gòu) 世界一些著名的公司，如美國通用電氣世界一些著名的公司，如美國通用電氣(GE)公司，英國的公司，英國的Alcan公司，瑞典的公司，瑞典的Sandvik Steel公司，法國的公司，法國的P

10、echinery公司，日本的神戶制鋼公司，日本的神戶制鋼公司等和世界一些著名大學(xué)和研究機構(gòu)，如美公司等和世界一些著名大學(xué)和研究機構(gòu)，如美國的國的MIT、Drexel和加州大學(xué)、和加州大學(xué)、US Navy和賓和賓州州AR，英國的，英國的Swansea和和Birmingham大學(xué)，大學(xué)，德國的不萊梅學(xué)院，韓國的德國的不萊梅學(xué)院，韓國的RISI，我國臺灣的，我國臺灣的成功大學(xué)等。成功大學(xué)等。二、噴射沉積技術(shù)的基本原理二、噴射沉積技術(shù)的基本原理 過熱的合金液體在高過熱的合金液體在高壓惰性氣體或機械力離壓惰性氣體或機械力離心霧化，形成微細(xì)的液心霧化，形成微細(xì)的液滴。液滴在飛行過程中滴。液滴在飛行過程中冷

11、卻、凝固，形成固液冷卻、凝固，形成固液兩相顆粒噴射流，并直兩相顆粒噴射流，并直接噴射到較冷的基底上，接噴射到較冷的基底上，產(chǎn)生撞擊、粘結(jié)、凝固，產(chǎn)生撞擊、粘結(jié)、凝固，從而形成沉積物從而形成沉積物。1.噴射沉積過程的熱傳導(dǎo)機制噴射沉積過程的熱傳導(dǎo)機制 包括：包括：v霧化液滴在飛行過程中的霧化液滴在飛行過程中的輻射散熱輻射散熱及其和惰性及其和惰性 氣體之間的氣體之間的對流散熱對流散熱; ;v沉積坯通過沉積基底沉積坯通過沉積基底傳導(dǎo)散熱傳導(dǎo)散熱; ;v利用沉積坯表面的氣體對利用沉積坯表面的氣體對流散熱、輻射散熱流散熱、輻射散熱。2.2.霧化顆粒狀態(tài)對沉積坯質(zhì)量的影響霧化顆粒狀態(tài)對沉積坯質(zhì)量的影響 絕

12、大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前已凝固絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前已凝固成固相顆粒，在這種情況下，沉積坯為組織疏成固相顆粒，在這種情況下，沉積坯為組織疏松的松的。絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前仍保持絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前仍保持為液態(tài)，沉積坯形成為液態(tài)，沉積坯形成。霧化顆粒在與基體碰撞時，部分顆粒為液態(tài)霧化顆粒在與基體碰撞時，部分顆粒為液態(tài)( (約占約占30%30%50%)50%)，部分顆粒為全固態(tài)和半固態(tài)，部分顆粒為全固態(tài)和半固態(tài)，在基體上碰撞沉積后有可能在沉積層表面形成在基體上碰撞沉積后有可能在沉積層表面形成液體薄層，很容易與下層的沉積顆粒結(jié)合成液體薄層，很容易與下層的

13、沉積顆粒結(jié)合成。 上面比較理想的情況是第三種：上面比較理想的情況是第三種：v由于噴射速度較快，在下一批霧化顆粒到達(dá)之前，在沉由于噴射速度較快，在下一批霧化顆粒到達(dá)之前，在沉積層表面的前一批濺射沉積物尚未完全凝固，這樣在沉積層表面的前一批濺射沉積物尚未完全凝固，這樣在沉積層表面形成液體薄層，其厚度非常小，為此后的霧化積層表面形成液體薄層，其厚度非常小，為此后的霧化沉積提供了一個堅固的表面，濺射過程將繼續(xù)下去。沉積提供了一個堅固的表面，濺射過程將繼續(xù)下去。v液體薄層的厚度應(yīng)足夠小，以防止產(chǎn)生橫向流動，抑制液體薄層的厚度應(yīng)足夠小，以防止產(chǎn)生橫向流動，抑制宏觀范圍內(nèi)的成分偏析。宏觀范圍內(nèi)的成分偏析。v

14、借助于霧化沉積時的機械作用，還可將部分凝固的沉積借助于霧化沉積時的機械作用，還可將部分凝固的沉積層內(nèi)部的細(xì)小枝晶打碎，獲得無原始邊界的等軸細(xì)晶組層內(nèi)部的細(xì)小枝晶打碎，獲得無原始邊界的等軸細(xì)晶組織。織。v由于很多霧化顆粒處于半固態(tài)，并且沉積層表面有液體由于很多霧化顆粒處于半固態(tài)，并且沉積層表面有液體薄層存在，故沉積層中的孔隙率將會非常小。薄層存在，故沉積層中的孔隙率將會非常小。 3.3.傳統(tǒng)的噴射沉積理論傳統(tǒng)的噴射沉積理論 SingerSinger教授認(rèn)為可以用教授認(rèn)為可以用這個概這個概念來描述噴射沉積過程。念來描述噴射沉積過程。 所謂噴射密度是指單位時間內(nèi)沉積在基體所謂噴射密度是指單位時間內(nèi)沉

15、積在基體單位面積上的物質(zhì)量。單位面積上的物質(zhì)量。 噴射密度主要取決于單位時間霧化氣體和噴射密度主要取決于單位時間霧化氣體和液體金屬質(zhì)量比液體金屬質(zhì)量比(GMR)(GMR)、噴射高度、噴射高度H H和基體運和基體運動狀態(tài)。動狀態(tài)。 噴射沉積坯的組織和性能在很大程度上取噴射沉積坯的組織和性能在很大程度上取決于噴射密度。決于噴射密度。低噴射密度沉積低噴射密度沉積 即到達(dá)基體表面的霧化顆粒稀少，則先前即到達(dá)基體表面的霧化顆粒稀少，則先前大多數(shù)濺射物在到達(dá)該處之前已完全凝固。原大多數(shù)濺射物在到達(dá)該處之前已完全凝固。原來和新覆蓋上去的濺射物的冷卻速度較高，先來和新覆蓋上去的濺射物的冷卻速度較高，先凝固的濺

16、射物能快速地傳走熱量。由于沉積過凝固的濺射物能快速地傳走熱量。由于沉積過程中的隨機性，沉積坯中存在一些微細(xì)的空隙程中的隨機性，沉積坯中存在一些微細(xì)的空隙和孔洞，而且不容易由新的濺射液滴來充滿。和孔洞，而且不容易由新的濺射液滴來充滿。因此，因此，濺射物邊界很清楚，濺射物邊界很清楚，當(dāng)然冷卻速度也高。當(dāng)然冷卻速度也高。 高的噴射密度高的噴射密度 在先前濺射物的頂部尚保持一層液態(tài)金屬薄膜在先前濺射物的頂部尚保持一層液態(tài)金屬薄膜時，下一批濺射物已到達(dá)該處。時，下一批濺射物已到達(dá)該處。 優(yōu)點優(yōu)點： 沉積物孔隙度低、無濺射邊界、產(chǎn)量高、沉積沉積物孔隙度低、無濺射邊界、產(chǎn)量高、沉積坯后續(xù)熱加工沒有內(nèi)部氧化危

17、險。坯后續(xù)熱加工沒有內(nèi)部氧化危險。 缺點缺點： 是沉積物冷卻速度較低。如果通過氣體和輻射是沉積物冷卻速度較低。如果通過氣體和輻射帶走熱量不充分，并且沉積層的頂部液體層較厚帶走熱量不充分，并且沉積層的頂部液體層較厚時，就會惡化成為一般鑄造狀態(tài)。時，就會惡化成為一般鑄造狀態(tài)。 三、噴射沉積工藝和裝置三、噴射沉積工藝和裝置噴霧沉積噴霧沉積離心噴射沉積離心噴射沉積噴射軋制噴射軋制噴射鍛造噴射鍛造同時噴射噴丸同時噴射噴丸噴射沉積坯快速原型噴射沉積坯快速原型噴射共沉積噴射共沉積反應(yīng)噴射沉積反應(yīng)噴射沉積1.噴霧沉積噴霧沉積 金屬液體通過惰性金屬液體通過惰性氣體霧化后沉積在基氣體霧化后沉積在基底上形成特定形狀

18、沉底上形成特定形狀沉積坯的工藝。被廣泛積坯的工藝。被廣泛地用于制備管、棒、地用于制備管、棒、板板( (帶帶) )坯等。坯等。 對大尺寸坯和寬板坯制備也可以采用對大尺寸坯和寬板坯制備也可以采用多噴嘴結(jié)構(gòu)多噴嘴結(jié)構(gòu) 。2.2.離心噴射沉積離心噴射沉積 原理：熔融金屬原理：熔融金屬被離心霧化，半固態(tài)被離心霧化，半固態(tài)霧化顆粒沉積在冷的霧化顆粒沉積在冷的襯底上。離心噴射沉襯底上。離心噴射沉積可以在真空或低壓積可以在真空或低壓惰性氣體中進(jìn)行。惰性氣體中進(jìn)行。 英國英國AuroraAurora鋼公司利用鋼公司利用CSDCSD工藝生產(chǎn)了直工藝生產(chǎn)了直徑達(dá)徑達(dá)3m3m和厚度為和厚度為60mm60mm的工具鋼墊

19、圈。的工具鋼墊圈。 英國伯明翰大學(xué)采用離心噴射沉積制備了英國伯明翰大學(xué)采用離心噴射沉積制備了400mm400mm的的Ti48Al2Mn2NbTi48Al2Mn2Nb薄壁管，鈦合金在薄壁管，鈦合金在水水冷銅坩堝冷銅坩堝熔煉后，由熔煉后，由石墨噴嘴石墨噴嘴中流出到下端高中流出到下端高速旋轉(zhuǎn)的速旋轉(zhuǎn)的水冷銅盤水冷銅盤，被離心粉碎成微細(xì)液滴，被離心粉碎成微細(xì)液滴，并沉積在基體上。并沉積在基體上。 優(yōu)點優(yōu)點：除了能生產(chǎn)高性能的細(xì)晶粒材料外，：除了能生產(chǎn)高性能的細(xì)晶粒材料外，它還可以生產(chǎn)采用別的方法難于生產(chǎn)的大直徑它還可以生產(chǎn)采用別的方法難于生產(chǎn)的大直徑環(huán)件或管材。將大直徑的短管切開可以作為軋環(huán)件或管材。

20、將大直徑的短管切開可以作為軋制薄板用的厚坯。另外離心噴射沉積工藝消耗制薄板用的厚坯。另外離心噴射沉積工藝消耗惰性氣體量很少，特別有利于生產(chǎn)易受氣氛污惰性氣體量很少，特別有利于生產(chǎn)易受氣氛污染的鈦材。染的鈦材。 3 3 噴射軋制噴射軋制 是最早的一種噴射沉積工藝。采用這種工是最早的一種噴射沉積工藝。采用這種工藝可以連續(xù)生產(chǎn)帶材，厚度一般在藝可以連續(xù)生產(chǎn)帶材，厚度一般在1mm以上，以上，鋁合金材料的最大厚度可達(dá)鋁合金材料的最大厚度可達(dá)18mm?？梢杂糜凇？梢杂糜谏a(chǎn)復(fù)合帶材。生產(chǎn)復(fù)合帶材。 該工藝存在兩個問題該工藝存在兩個問題：q難以保證沉積層在帶材寬度方向具有均勻的厚難以保證沉積層在帶材寬度方向

21、具有均勻的厚度，以保證其在后續(xù)軋制過程中不會引起明顯度，以保證其在后續(xù)軋制過程中不會引起明顯的形狀不均勻問題。的形狀不均勻問題。一般來說，大多數(shù)待加工一般來說，大多數(shù)待加工材料厚度的誤差不得大于材料厚度的誤差不得大于2%2%。q生產(chǎn)寬帶材存在困難?？梢圆捎枚鄧娮旖鉀Q，生產(chǎn)寬帶材存在困難?？梢圆捎枚鄧娮旖鉀Q，但存在邊界結(jié)合問題。但存在邊界結(jié)合問題。4.4.噴射鍛造噴射鍛造 噴射鍛造也是噴射鍛造也是OspreyOsprey金屬有限公司金屬有限公司早期發(fā)展起來的一種早期發(fā)展起來的一種噴射沉積工藝噴射沉積工藝 。霧。霧化金屬液滴噴射流直化金屬液滴噴射流直接噴射進(jìn)入模子中，接噴射進(jìn)入模子中，形成鍛造毛坯

22、。形成鍛造毛坯。 模子通常是銅制模子通常是銅制水冷的，也可用高溫水冷的，也可用高溫陶瓷。陶瓷。 優(yōu)點優(yōu)點： 預(yù)成形坯內(nèi)無連通孔隙，可在空氣中鍛造。預(yù)成形坯內(nèi)無連通孔隙，可在空氣中鍛造。預(yù)成形坯為細(xì)晶胞狀組織，具有優(yōu)良的熱加工預(yù)成形坯為細(xì)晶胞狀組織，具有優(yōu)良的熱加工性能。經(jīng)鍛造之后，得到了全致密的鍛件，鍛性能。經(jīng)鍛造之后，得到了全致密的鍛件，鍛件比傳統(tǒng)的沖鍛件更具各向同性，并具有優(yōu)良件比傳統(tǒng)的沖鍛件更具各向同性，并具有優(yōu)良的機械性能。的機械性能。 OspreyOsprey金屬有限公司已制備出許多合金鋼和金屬有限公司已制備出許多合金鋼和高溫合金鍛件。高溫合金的含氧量一般為高溫合金鍛件。高溫合金的含

23、氧量一般為0.002% 0.002% 0.004%0.004%。5.同時噴射噴丸同時噴射噴丸 原理：原理：在噴射沉積在噴射沉積的同時，通過錐形的同時，通過錐形噴射嘴射出噴丸，噴射嘴射出噴丸，正好打在剛沉積的正好打在剛沉積的表面上，使沉積物表面上，使沉積物頂層產(chǎn)生塑性變形。頂層產(chǎn)生塑性變形。彈丸最后收集在噴彈丸最后收集在噴射室的底部。射室的底部。 優(yōu)點優(yōu)點：v很容易地同時實現(xiàn)噴射沉積與致密化，從而生很容易地同時實現(xiàn)噴射沉積與致密化，從而生產(chǎn)出達(dá)到理論密度的沉積坯，并防止內(nèi)部氧化，產(chǎn)出達(dá)到理論密度的沉積坯，并防止內(nèi)部氧化，并且體現(xiàn)出快速凝固的優(yōu)點。并且體現(xiàn)出快速凝固的優(yōu)點。 v一般來說，任何厚度的

24、沉積物在整個厚度范圍一般來說，任何厚度的沉積物在整個厚度范圍內(nèi)均得到充分均勻的加工。內(nèi)均得到充分均勻的加工。v沉積物機械性能大為改善，內(nèi)應(yīng)力降低，其性沉積物機械性能大為改善，內(nèi)應(yīng)力降低，其性能水平相當(dāng)于噴射軋制或傳統(tǒng)金屬熱加工產(chǎn)品能水平相當(dāng)于噴射軋制或傳統(tǒng)金屬熱加工產(chǎn)品的性能。的性能。 6.噴射共沉積法噴射共沉積法 原理：在噴射沉積過原理：在噴射沉積過程中，把具有一定動程中，把具有一定動量的顆粒增強相噴到量的顆粒增強相噴到霧化顆粒噴射流中，霧化顆粒噴射流中，兩者共同沉積到較冷兩者共同沉積到較冷的基體上，以制備顆的基體上，以制備顆粒增強金屬基復(fù)合材粒增強金屬基復(fù)合材料的一種方法。料的一種方法。

25、在噴射共沉積過程中，增強顆粒的加入方在噴射共沉積過程中，增強顆粒的加入方式有三種：式有三種：q直接從霧化氣體管道中加入直接從霧化氣體管道中加入q將增強顆粒直接加入到金屬熔體中將增強顆粒直接加入到金屬熔體中q將顆粒流直接噴入金屬熔體的霧化錐中將顆粒流直接噴入金屬熔體的霧化錐中 技術(shù)特點技術(shù)特點: v陶瓷顆粒分布均勻，與基體無有害界面反應(yīng)。陶瓷顆粒分布均勻，與基體無有害界面反應(yīng)。 v增強相顆粒的加入可以吸熱，其表面是形核位增強相顆粒的加入可以吸熱，其表面是形核位置，可以使基體的晶粒組織明顯減化。置，可以使基體的晶粒組織明顯減化。 v通過控制增強顆粒的流量通過控制增強顆粒的流量( (或加入速率或加入

26、速率) )，可以，可以獲取增強顆粒體積分?jǐn)?shù)沿沉積物生長方向連續(xù)獲取增強顆粒體積分?jǐn)?shù)沿沉積物生長方向連續(xù)變化的功能梯度材料變化的功能梯度材料 。v生產(chǎn)成本及產(chǎn)品價格較低。生產(chǎn)成本及產(chǎn)品價格較低。 7.反應(yīng)噴射沉積技術(shù)反應(yīng)噴射沉積技術(shù) 反應(yīng)噴射沉積反應(yīng)噴射沉積是將噴射沉積技術(shù)與原位反是將噴射沉積技術(shù)與原位反應(yīng)合成陶瓷粒子技術(shù)結(jié)合起來的一種制備顆粒應(yīng)合成陶瓷粒子技術(shù)結(jié)合起來的一種制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的新技術(shù)。增強金屬基復(fù)合材料的新技術(shù)。 在噴射沉積過程中，金屬液體被充分霧化在噴射沉積過程中，金屬液體被充分霧化成細(xì)小的液滴，使其具有很大的體表面積，同成細(xì)小的液滴，使其具有很大的體表面積，同時又處

27、于一定的過熱條件下，這就為噴射沉積時又處于一定的過熱條件下，這就為噴射沉積過程中液滴與外加反應(yīng)劑接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中液滴與外加反應(yīng)劑接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供了驅(qū)動力。提供了驅(qū)動力。 (1)霧化氣體與金屬液滴之間的氣霧化氣體與金屬液滴之間的氣-液反應(yīng)液反應(yīng) 將金屬液體在氧化性氣氛或含氮氣氛中充分霧化成細(xì)將金屬液體在氧化性氣氛或含氮氣氛中充分霧化成細(xì)小的液滴，使其自發(fā)迅速地在表面發(fā)生氧化或氮化反小的液滴，使其自發(fā)迅速地在表面發(fā)生氧化或氮化反應(yīng)，而后氧化物或氮化物與金屬一起沉積下來，最終應(yīng)，而后氧化物或氮化物與金屬一起沉積下來，最終形成具有彌散分布的復(fù)合材料形成具有彌散分布的復(fù)合材料。例如：例如：

28、 Cu(Al)+N2/O2Cu(Al)+Al2O3+N2 Cu(Al)+N2/O2Cu(Al)+Al2O3+N2 Fe(Al)+N2Fe(Al)+AlN Fe(Al)+N2Fe(Al)+AlN Fe(Al)+N2/O2Fe(Al)+Al2O3+N2 Fe(Al)+N2/O2Fe(Al)+Al2O3+N2 (2)含有反應(yīng)劑的熔體間的液液反應(yīng)含有反應(yīng)劑的熔體間的液液反應(yīng) 將含有反應(yīng)劑元素的合金液混合，并霧化或?qū)⒑蟹磻?yīng)劑元素的合金液混合，并霧化或?qū)⒑蟹磻?yīng)劑元素的合金液在霧化時發(fā)生碰撞混和，含有反應(yīng)劑元素的合金液在霧化時發(fā)生碰撞混和，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液液反應(yīng)。從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液液反應(yīng)。Cu/

29、TiB2Cu/TiB2復(fù)合材料復(fù)合材料的制備就是這方面的典型例子，其反應(yīng)式為的制備就是這方面的典型例子，其反應(yīng)式為: :Cu-BCu-BCu-TiCu+TiB2Cu-TiCu+TiB2(3)液滴和外加反應(yīng)劑粒子的固液反應(yīng)液滴和外加反應(yīng)劑粒子的固液反應(yīng) MO+XXO+MMO+XXO+M 液滴與外加反應(yīng)劑之間的液固反應(yīng)體系的選擇液滴與外加反應(yīng)劑之間的液固反應(yīng)體系的選擇可利用氧化物的可利用氧化物的GG-T-T圖，用氧化物比較穩(wěn)定的金圖，用氧化物比較穩(wěn)定的金屬去還原與之比較相對不穩(wěn)定的氧化物。如用屬去還原與之比較相對不穩(wěn)定的氧化物。如用CuOCuO、Fe2O3Fe2O3、SiO2SiO2等作為反應(yīng)劑與

30、等作為反應(yīng)劑與AlAl反應(yīng)生成反應(yīng)生成Al2O3Al2O3，并，并與基體金屬與基體金屬AlAl在在OspreyOsprey工藝中發(fā)生共沉積。工藝中發(fā)生共沉積。 在沉積過程中，由于金屬液體被過熱，金屬液在沉積過程中，由于金屬液體被過熱，金屬液體被高壓氣體充分霧化成細(xì)小液粒后，與反應(yīng)劑發(fā)體被高壓氣體充分霧化成細(xì)小液粒后，與反應(yīng)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生化學(xué)反應(yīng)。 反應(yīng)劑顆粒的加入反應(yīng)劑顆粒的加入有兩種形式有兩種形式：v在霧化沉積過程中，在霧化沉積過程中，從霧化錐外采用環(huán)孔從霧化錐外采用環(huán)孔或?qū)ΨQ吹管，用或?qū)ΨQ吹管，用N2N2氣氣作載體，將反應(yīng)劑加作載體，將反應(yīng)劑加入到霧化錐中；入到霧化錐中；v反應(yīng)劑直接從

31、霧化噴反應(yīng)劑直接從霧化噴槍內(nèi)加入，與霧化金槍內(nèi)加入，與霧化金屬液滴一同沉積下來。屬液滴一同沉積下來。 反應(yīng)噴射沉積技術(shù)的特點反應(yīng)噴射沉積技術(shù)的特點 ：v良好的組織特征良好的組織特征 反應(yīng)噴射沉積技術(shù)結(jié)合了熔化、快速凝固的反應(yīng)噴射沉積技術(shù)結(jié)合了熔化、快速凝固的特點，能得到比較細(xì)小的晶粒組織，而且在保特點，能得到比較細(xì)小的晶粒組織，而且在保證了細(xì)晶基體和增強顆粒分布均勻的同時，也證了細(xì)晶基體和增強顆粒分布均勻的同時，也保證了增強顆粒與基體間良好的化學(xué)和冶金結(jié)保證了增強顆粒與基體間良好的化學(xué)和冶金結(jié)合，反應(yīng)生成的陶瓷相顆粒非常細(xì)小，從而制合，反應(yīng)生成的陶瓷相顆粒非常細(xì)小，從而制得優(yōu)良性能的復(fù)合材料。

32、得優(yōu)良性能的復(fù)合材料。 v節(jié)約熱能節(jié)約熱能 反應(yīng)過程充分利用金屬液體的過熱溫度發(fā)生反應(yīng)過程充分利用金屬液體的過熱溫度發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到了節(jié)約熱能的目的?；瘜W(xué)反應(yīng)，達(dá)到了節(jié)約熱能的目的。 v(3)(3)工藝簡單，成本低工藝簡單，成本低 v(4)(4)陶瓷相顆粒的特征可控陶瓷相顆粒的特征可控 可以通過控制反應(yīng)劑的加入量、粒度特征可以通過控制反應(yīng)劑的加入量、粒度特征和噴射沉積工藝參數(shù)來控制生成陶瓷相的多少，和噴射沉積工藝參數(shù)來控制生成陶瓷相的多少，分布情況和粒徑的大小等，而且在噴射沉積過分布情況和粒徑的大小等，而且在噴射沉積過程中不會產(chǎn)生像反應(yīng)鑄造法中產(chǎn)生的陶瓷顆粒程中不會產(chǎn)生像反應(yīng)鑄造法中產(chǎn)生的陶

33、瓷顆粒上浮和團(tuán)聚的現(xiàn)象。沉積坯基體組織細(xì)小，反上浮和團(tuán)聚的現(xiàn)象。沉積坯基體組織細(xì)小，反應(yīng)劑彌散、均勻分布，有利于生成細(xì)小而分布應(yīng)劑彌散、均勻分布，有利于生成細(xì)小而分布均勻的增強陶瓷顆粒，從而可以避免增強顆粒均勻的增強陶瓷顆粒，從而可以避免增強顆粒的偏聚問題。的偏聚問題。四、四、噴射沉積的一些重要專利和技術(shù)噴射沉積的一些重要專利和技術(shù)1. 掃描噴嘴和金屬液粒掃描系統(tǒng)掃描噴嘴和金屬液粒掃描系統(tǒng) 2.增加噴射沉積坯的冷速和過噴料重新返噴系統(tǒng)增加噴射沉積坯的冷速和過噴料重新返噴系統(tǒng) 提高沉積坯冷速和金屬收得率一直是評價噴射沉提高沉積坯冷速和金屬收得率一直是評價噴射沉積工藝先進(jìn)性的最重要指標(biāo)。積工藝先進(jìn)

34、性的最重要指標(biāo)。 為了提高沉積坯冷速，可采用如圖所示的裝置，為了提高沉積坯冷速，可采用如圖所示的裝置，向金屬液流中噴入與被霧化的金屬或合金相同成向金屬液流中噴入與被霧化的金屬或合金相同成分的冷態(tài)顆粒。分的冷態(tài)顆粒。 為了提高霧化金屬材料的收得率，可采用如圖所為了提高霧化金屬材料的收得率，可采用如圖所示的裝置，直接將霧化沉積過噴粉末重新返回到示的裝置，直接將霧化沉積過噴粉末重新返回到霧化顆粒噴射流內(nèi)，這樣既提高了沉積坯的冷速，霧化顆粒噴射流內(nèi)，這樣既提高了沉積坯的冷速，又提高了材料的收得率。又提高了材料的收得率。 3.多程噴射沉積技術(shù)多程噴射沉積技術(shù) 原理：在噴射沉積過程原理：在噴射沉積過程中，

35、坩堝和霧化器不動，中，坩堝和霧化器不動，收集器既旋轉(zhuǎn)又水平移收集器既旋轉(zhuǎn)又水平移動，因而該技術(shù)稱之為動，因而該技術(shù)稱之為多程噴射沉積技術(shù)。利多程噴射沉積技術(shù)。利用多程噴射沉積技術(shù)制用多程噴射沉積技術(shù)制備的管坯的壁較厚，而備的管坯的壁較厚，而且組織非常細(xì)小。此外，且組織非常細(xì)小。此外，還有可能輕易地開發(fā)不還有可能輕易地開發(fā)不同等級的組織同等級的組織。 技術(shù)缺點技術(shù)缺點： 隨著沉積坯質(zhì)量的增加，沉積坯隨著沉積坯質(zhì)量的增加，沉積坯及運動系統(tǒng)運動時的慣性很大，及運動系統(tǒng)運動時的慣性很大，難以控制，因而不適于制備大件，難以控制，因而不適于制備大件，同時坯件的長度也有限。同時坯件的長度也有限。 五、噴射沉

36、積技術(shù)的特點五、噴射沉積技術(shù)的特點 噴射沉積工藝是在與鑄造、粉末冶金工藝競爭中發(fā)展噴射沉積工藝是在與鑄造、粉末冶金工藝競爭中發(fā)展起來的，是一種介于鑄造冶金起來的，是一種介于鑄造冶金(IM)(IM)和粉末冶金和粉末冶金(PM)(PM)之間之間的工藝，同時兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點，又克服了兩者的缺點。的工藝，同時兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點，又克服了兩者的缺點。與其它快速凝固技術(shù)相比，噴射沉積工藝具有更為廣闊與其它快速凝固技術(shù)相比，噴射沉積工藝具有更為廣闊的發(fā)展前景，其主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面的發(fā)展前景，其主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.經(jīng)濟(jì)性好經(jīng)濟(jì)性好 工藝比較簡單，工藝比較簡單，生產(chǎn)周期短，效率生產(chǎn)周期短，效

37、率高。沉積速度很高。高。沉積速度很高。是一種適用性廣的是一種適用性廣的近形成形工藝，通近形成形工藝，通過改變水冷基體的過改變水冷基體的形狀和機械運動方形狀和機械運動方式等參數(shù)，可以生式等參數(shù)，可以生產(chǎn)出不同形狀的沉產(chǎn)出不同形狀的沉積坯，如盤、環(huán)、積坯，如盤、環(huán)、管、板、棒等。管、板、棒等。 2.2.產(chǎn)品性能優(yōu)異產(chǎn)品性能優(yōu)異 由于噴射沉積工藝能使冷速較高、晶粒細(xì)由于噴射沉積工藝能使冷速較高、晶粒細(xì)小、無宏觀偏析的預(yù)成形坯塊，因而經(jīng)后續(xù)加小、無宏觀偏析的預(yù)成形坯塊，因而經(jīng)后續(xù)加工后，具有優(yōu)異的性能。工后，具有優(yōu)異的性能。 3.3.是制備復(fù)合材料的新方法是制備復(fù)合材料的新方法 它可將陶瓷顆粒引進(jìn)到任

38、何基體金屬中，并它可將陶瓷顆粒引進(jìn)到任何基體金屬中，并且分布均勻、結(jié)合良好。能夠很好地制備層狀且分布均勻、結(jié)合良好。能夠很好地制備層狀復(fù)合材料、摩擦材料、雙金屬等。復(fù)合材料、摩擦材料、雙金屬等。多層噴射沉積技術(shù)多層噴射沉積技術(shù)一、多層噴射沉積概念的提出一、多層噴射沉積概念的提出 1. 傳統(tǒng)噴射沉積理論的局限性傳統(tǒng)噴射沉積理論的局限性 噴射沉積過程是一個復(fù)雜的統(tǒng)計過程，噴射沉積過程是一個復(fù)雜的統(tǒng)計過程，沉積坯的密度、組織及性能取決于金屬熔沉積坯的密度、組織及性能取決于金屬熔體的過熱度、液流直徑、噴射距離、霧化體的過熱度、液流直徑、噴射距離、霧化氣體的壓力和種類、沉積基體的材質(zhì)及溫氣體的壓力和種類

39、、沉積基體的材質(zhì)及溫度條件、沉積基體的運動速度及運動方式度條件、沉積基體的運動速度及運動方式等一系列因素。等一系列因素。 Singe A認(rèn)為可以采用噴射密度這個綜合參認(rèn)為可以采用噴射密度這個綜合參數(shù)來描述噴射沉積過程數(shù)來描述噴射沉積過程。 如果采用如果采用工藝則得到的是多孔坯工藝則得到的是多孔坯件，濺射邊界明顯。件，濺射邊界明顯。 如果采用如果采用工藝，則工藝，則可得到致密的可得到致密的沉積坯。沉積坯。由于在由于在單位時間在單位面積上的金屬液單位時間在單位面積上的金屬液粒沉積量很大，如果僅依靠氣體對流和熱輻射散粒沉積量很大，如果僅依靠氣體對流和熱輻射散熱則冷卻速度不夠高，沉積坯表層容易形成一層

40、熱則冷卻速度不夠高，沉積坯表層容易形成一層較厚的液層，較厚的液層，進(jìn)而進(jìn)而產(chǎn)產(chǎn)生成分宏觀偏析、晶粒粗化和熱縮孔等缺陷，這生成分宏觀偏析、晶粒粗化和熱縮孔等缺陷，這是最不希望得到的一種組織。是最不希望得到的一種組織。： 根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)的噴射沉積工藝在根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)的噴射沉積工藝在制備大型的厚壁管坯、筒坯，大直徑圓錠制備大型的厚壁管坯、筒坯，大直徑圓錠坯和厚板坯時，特別是在制備一些對冷卻坯和厚板坯時，特別是在制備一些對冷卻速度要求較高的坯件時，噴射條件往往受速度要求較高的坯件時，噴射條件往往受到一定的限制。到一定的限制。另外，在制備長寬尺寸均另外，在制備長寬尺寸均很大的板、帶材時，傳統(tǒng)的噴

41、射沉積工藝很大的板、帶材時，傳統(tǒng)的噴射沉積工藝均采用均采用V型噴嘴、搖動掃描噴嘴或多個噴嘴型噴嘴、搖動掃描噴嘴或多個噴嘴工藝，使得工藝過程變得非常復(fù)雜。工藝，使得工藝過程變得非常復(fù)雜。 采用傳統(tǒng)噴射沉積工藝制備的沉積坯采用傳統(tǒng)噴射沉積工藝制備的沉積坯的冷凝速度一般只有的冷凝速度一般只有110K/s。 2.2.多層噴射沉積思想的提出多層噴射沉積思想的提出 對快速凝固技術(shù)的研究表明，若將金屬或合金對快速凝固技術(shù)的研究表明，若將金屬或合金液滴迅速鋪展在熱導(dǎo)性能很高的冷基體上，可以實液滴迅速鋪展在熱導(dǎo)性能很高的冷基體上，可以實現(xiàn)快速凝固，如現(xiàn)快速凝固，如“砧法砧法”的冷速可達(dá)的冷速可達(dá)106K/s以上

42、。以上。 在噴射沉積過程中，如果將沉積層表面溫度控在噴射沉積過程中，如果將沉積層表面溫度控制在較低狀態(tài)，霧化液滴在與沉積層高速碰撞，發(fā)制在較低狀態(tài)，霧化液滴在與沉積層高速碰撞，發(fā)生濺射、鋪展成薄層時，能夠獲得下層固體熱傳導(dǎo)，生濺射、鋪展成薄層時，能夠獲得下層固體熱傳導(dǎo)，上表面對流、熱輻射散熱相結(jié)合的綜合冷卻效果，上表面對流、熱輻射散熱相結(jié)合的綜合冷卻效果，就可以實現(xiàn)快速凝固。就可以實現(xiàn)快速凝固。 2.2.如何解決高冷速條件下的粘結(jié)問題如何解決高冷速條件下的粘結(jié)問題 為了同時保證冷速和界面粘結(jié)效果，為了同時保證冷速和界面粘結(jié)效果，首先要找到一個合適的沉積層表面溫度首先要找到一個合適的沉積層表面溫

43、度范圍，以保證霧化液滴既能與沉積層表范圍，以保證霧化液滴既能與沉積層表面粘結(jié)良好，消除濺射邊界，獲得較高面粘結(jié)良好，消除濺射邊界，獲得較高的致密度，又能獲得快速凝固效果。研的致密度，又能獲得快速凝固效果。研究表明，適合鋁合金的沉積層表層溫度究表明，適合鋁合金的沉積層表層溫度范圍為范圍為200350。 為了保證鋪展粘結(jié)還要保持霧化顆粒為了保證鋪展粘結(jié)還要保持霧化顆粒在沉積前基本為液相，避免較多固態(tài)霧在沉積前基本為液相，避免較多固態(tài)霧化顆?；祀s其中造成的低密度沉積。解化顆?；祀s其中造成的低密度沉積。解決該問題的主要方法是降低噴射距離和決該問題的主要方法是降低噴射距離和適當(dāng)?shù)卦黾舆^熱度。適當(dāng)?shù)卦黾舆^

44、熱度。 3.3.如何提高沉積層的散熱速度如何提高沉積層的散熱速度 理想的做法是能夠顯著降低沉積過程中理想的做法是能夠顯著降低沉積過程中沉積坯單位面積在單位時間內(nèi)的熱量積累。沉積坯單位面積在單位時間內(nèi)的熱量積累。 在傳統(tǒng)的噴射沉積工藝中，沉積坯是一在傳統(tǒng)的噴射沉積工藝中，沉積坯是一次沉積而成的，因此，要減小沉積坯的熱量次沉積而成的，因此，要減小沉積坯的熱量積累只能通過降低金屬液流率的方法，但這積累只能通過降低金屬液流率的方法，但這種方法散熱的效率是極為有限的。種方法散熱的效率是極為有限的。 如果采用多層掃描往復(fù)式的沉積工藝，即霧如果采用多層掃描往復(fù)式的沉積工藝，即霧化器在沉積坯上方做往復(fù)掃描運動

45、，則沉積坯表化器在沉積坯上方做往復(fù)掃描運動，則沉積坯表面單位面積單位時間的金屬沉積量可大幅度降低，面單位面積單位時間的金屬沉積量可大幅度降低，每一掃描薄層由于熱容小散熱表面積大，沉積間每一掃描薄層由于熱容小散熱表面積大，沉積間隔了一定的時間，可獲得充分冷卻，從而顯著降隔了一定的時間，可獲得充分冷卻，從而顯著降低沉積坯的表面溫度。同時，通過掃描薄層的層低沉積坯的表面溫度。同時，通過掃描薄層的層層積累，沉積坯的厚度在理論上可無限增加。層積累，沉積坯的厚度在理論上可無限增加。二、多層噴射沉積技術(shù)二、多層噴射沉積技術(shù)1.1.管坯制備技術(shù)及裝置管坯制備技術(shù)及裝置 2.2.圓柱錠坯制備技術(shù)及裝置圓柱錠坯制

46、備技術(shù)及裝置3.3.板坯制備技術(shù)及裝置板坯制備技術(shù)及裝置三、多層噴射沉積技術(shù)的過程原理三、多層噴射沉積技術(shù)的過程原理l.l.金屬液滴的沉積軌跡金屬液滴的沉積軌跡 在多層噴射沉積過程中，霧化器和沉在多層噴射沉積過程中，霧化器和沉積基體同時運動，因此霧化液滴的沉積軌積基體同時運動，因此霧化液滴的沉積軌跡與傳統(tǒng)噴射沉積工藝的顯著不同，掃描跡與傳統(tǒng)噴射沉積工藝的顯著不同，掃描軌跡如下圖所示。軌跡如下圖所示。 (a)管坯管坯 (b)板坯板坯圓柱錠坯圓柱錠坯 (d)環(huán)件環(huán)件2.2.沉積層的凝固規(guī)律沉積層的凝固規(guī)律 在大尺寸沉積坯的制備過程中，由于在大尺寸沉積坯的制備過程中，由于沉積坯表面積大，因此散熱面積

47、也越大，沉積坯表面積大，因此散熱面積也越大，同時霧化器的掃描周期很長，因而沉積同時霧化器的掃描周期很長，因而沉積坯表面容易冷至較低溫，沉積坯的冷卻坯表面容易冷至較低溫，沉積坯的冷卻速度也越大。因此，本技術(shù)更適合在制速度也越大。因此，本技術(shù)更適合在制備大尺寸沉積坯時很容易獲得快速凝固備大尺寸沉積坯時很容易獲得快速凝固效果。效果。 在噴射沉積過程中，霧化液滴的凝固過程是在噴射沉積過程中，霧化液滴的凝固過程是一個碰撞、濺射、鋪展的冷卻過程。液滴在碰撞一個碰撞、濺射、鋪展的冷卻過程。液滴在碰撞鋪展之后，可以獲得氣體對流散熱、輻射散熱和鋪展之后，可以獲得氣體對流散熱、輻射散熱和較冷沉積層表面固體傳熱導(dǎo)的

48、多重冷卻效果。由較冷沉積層表面固體傳熱導(dǎo)的多重冷卻效果。由于沉積坯是沉積層無限疊加而成的，每一掃描薄于沉積坯是沉積層無限疊加而成的，每一掃描薄層厚度僅為層厚度僅為，可獲得極高的冷速，可獲得極高的冷速，這樣沉積坯的厚度可以達(dá)到很大而冷速不受影響。這樣沉積坯的厚度可以達(dá)到很大而冷速不受影響。 右圖為沉積坯的特右圖為沉積坯的特征凝固組織照片，在沉征凝固組織照片，在沉積坯中存在已經(jīng)凝固的積坯中存在已經(jīng)凝固的近球形顆粒和鋪展層。近球形顆粒和鋪展層。顆粒中的枝晶組織明顯顆粒中的枝晶組織明顯比鋪展層的組織粗大。比鋪展層的組織粗大。顆粒中的二次枝晶臂間顆粒中的二次枝晶臂間距約距約12 m，估算其，估算其冷速在

49、冷速在104105K/s。由于鋪展層的組織更加由于鋪展層的組織更加微細(xì)，因此冷速就更高。微細(xì)，因此冷速就更高。結(jié)果表明霧化液滴在撞擊基體，發(fā)生鋪展時可以得到非常高的冷卻速度，這是采用鑄造工藝和傳統(tǒng)噴射沉積工藝所難以達(dá)到的。3.3.熱應(yīng)力問題熱應(yīng)力問題 采用本技術(shù)制備的大尺寸沉積坯中的宏觀熱采用本技術(shù)制備的大尺寸沉積坯中的宏觀熱應(yīng)力要遠(yuǎn)小于鑄造及傳統(tǒng)噴射沉積工藝產(chǎn)生的應(yīng)力要遠(yuǎn)小于鑄造及傳統(tǒng)噴射沉積工藝產(chǎn)生的壓力。在沉積過程中，由于各沉積層在沉積過壓力。在沉積過程中，由于各沉積層在沉積過程中均已降至較低溫度程中均已降至較低溫度( (約約200200350)350)，因而，因而大直徑錠坯的內(nèi)外溫差較

50、小，由此產(chǎn)生的宏觀大直徑錠坯的內(nèi)外溫差較小，由此產(chǎn)生的宏觀熱應(yīng)力也很小。而在鑄造坯和傳統(tǒng)噴射沉積坯熱應(yīng)力也很小。而在鑄造坯和傳統(tǒng)噴射沉積坯中，內(nèi)外溫差大，宏觀熱應(yīng)力大，容易開裂。中，內(nèi)外溫差大，宏觀熱應(yīng)力大，容易開裂。由于沉積坯冷速高，基體合金中的析出物數(shù)量由于沉積坯冷速高，基體合金中的析出物數(shù)量和尺寸均較小，進(jìn)一步避免了開裂現(xiàn)象。和尺寸均較小，進(jìn)一步避免了開裂現(xiàn)象。 此外，由于噴射沉積坯為非完全致密此外，由于噴射沉積坯為非完全致密組織，存在一定的孔隙。當(dāng)局部熱應(yīng)力組織，存在一定的孔隙。當(dāng)局部熱應(yīng)力引起的微裂紋擴展至空隙時，可能發(fā)生引起的微裂紋擴展至空隙時，可能發(fā)生轉(zhuǎn)向或停止擴展，因而可能有利

51、于應(yīng)力轉(zhuǎn)向或停止擴展，因而可能有利于應(yīng)力的松弛，使沉積坯中不會產(chǎn)生大的宏觀的松弛，使沉積坯中不會產(chǎn)生大的宏觀裂紋。裂紋。四、多層噴射沉積工藝的特點四、多層噴射沉積工藝的特點 多層噴射沉積工藝與傳統(tǒng)噴射沉積工藝相多層噴射沉積工藝與傳統(tǒng)噴射沉積工藝相比具有如下特點：比具有如下特點： 冷速冷速更高更高高。由于沉積坯是沉積物多高。由于沉積坯是沉積物多層合成的，每層沉積物的厚度較傳統(tǒng)噴射沉積層合成的，每層沉積物的厚度較傳統(tǒng)噴射沉積工藝的要小得多，同時沉積坯表面的溫度控制工藝的要小得多，同時沉積坯表面的溫度控制得較低，霧化液滴碰撞至沉積坯表面的瞬間即得較低，霧化液滴碰撞至沉積坯表面的瞬間即急冷凝固，因而沉

52、積坯的冷凝速度高于傳統(tǒng)噴急冷凝固，因而沉積坯的冷凝速度高于傳統(tǒng)噴射沉積坯的冷速，可達(dá)射沉積坯的冷速，可達(dá)104K/s，真正起到了噴，真正起到了噴射沉積和快速冷凝的雙重效果，可以獲得快速射沉積和快速冷凝的雙重效果，可以獲得快速凝固組織。凝固組織。 制備件大、工藝操作簡單。出于沉積坯為霧制備件大、工藝操作簡單。出于沉積坯為霧化器往復(fù)掃描、噴射沉積而成，管坯尺寸可以制化器往復(fù)掃描、噴射沉積而成，管坯尺寸可以制得很厚，并且冷凝速度不受影響。在圓錠坯的制得很厚，并且冷凝速度不受影響。在圓錠坯的制備中，由于霧化器的行程可調(diào)，移動范圍很大，備中，由于霧化器的行程可調(diào)，移動范圍很大，因而錠坯的直徑可以很大，并

53、且采用一般的霧化因而錠坯的直徑可以很大，并且采用一般的霧化噴嘴即可，不需應(yīng)用特殊的擺動掃描噴嘴或多個噴嘴即可，不需應(yīng)用特殊的擺動掃描噴嘴或多個噴嘴，工藝操作也簡單得多。同時由于熱應(yīng)力較噴嘴，工藝操作也簡單得多。同時由于熱應(yīng)力較小，大尺寸坯的開裂傾向比傳統(tǒng)噴射沉積及鑄造小，大尺寸坯的開裂傾向比傳統(tǒng)噴射沉積及鑄造工藝要小得多。工藝要小得多。 能制備各種均勻性好的特殊材能制備各種均勻性好的特殊材料。多層噴射沉積工藝在制備金屬料。多層噴射沉積工藝在制備金屬/陶瓷陶瓷復(fù)合材料、梯度材料、互不固溶的雙金復(fù)合材料、梯度材料、互不固溶的雙金屬材料及其它特殊材料方面有很大的優(yōu)屬材料及其它特殊材料方面有很大的優(yōu)越

54、性。由于是多層沉積，所制備的各種越性。由于是多層沉積，所制備的各種復(fù)合材料均勻性非常好。復(fù)合材料均勻性非常好。 生產(chǎn)成本低，利于商業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)成本低，利于商業(yè)化生產(chǎn)。多層噴射沉積裝置的制造成本和沉積坯多層噴射沉積裝置的制造成本和沉積坯生產(chǎn)成本較低，能連續(xù)作業(yè)，工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，能連續(xù)作業(yè)，工藝簡單，操作方便，可一機多用，系統(tǒng)能耗低，操作方便，可一機多用，系統(tǒng)能耗低，安全可靠，是一種適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的安全可靠，是一種適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的大尺寸近形快速凝固沉積坯裝置，通過大尺寸近形快速凝固沉積坯裝置，通過進(jìn)一步完善有望迅速應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)。進(jìn)一步完善有望迅速應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)。 u 高能成形高

55、能成形v高能成形是利用沖擊波短時間內(nèi)高能成形是利用沖擊波短時間內(nèi)(幾微秒幾微秒)產(chǎn)生的巨大沖產(chǎn)生的巨大沖擊力擊力(可達(dá)可達(dá)105MPa)成形，在高能沖擊條件下，粉末顆成形，在高能沖擊條件下，粉末顆粒發(fā)生撞擊、滑動、剪切，表面發(fā)生熔化而固結(jié)。這種粒發(fā)生撞擊、滑動、剪切，表面發(fā)生熔化而固結(jié)。這種辦法可制備大型形狀復(fù)雜的零件。美國曾采用爆炸成形辦法可制備大型形狀復(fù)雜的零件。美國曾采用爆炸成形辦法成功地制備了航空航天技術(shù)的高溫合金備件和大型辦法成功地制備了航空航天技術(shù)的高溫合金備件和大型陶瓷制品。陶瓷制品。v對于非晶態(tài)合金粉末及超微粉末，要想在維持亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)對于非晶態(tài)合金粉末及超微粉末，要想在維持亞穩(wěn)結(jié)

56、構(gòu)狀態(tài)下成形，制備成大塊材料，高能成形是一種可能方狀態(tài)下成形，制備成大塊材料，高能成形是一種可能方案。由于變形主要在表面發(fā)生，時間很短，粉末表面熔案。由于變形主要在表面發(fā)生，時間很短，粉末表面熔化后熱量很快被顆粒本身吸收，起急冷作用，阻止了向化后熱量很快被顆粒本身吸收，起急冷作用，阻止了向穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 的動力學(xué)過程，因此可保持原來粉末顆粒的亞穩(wěn)的動力學(xué)過程，因此可保持原來粉末顆粒的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。態(tài)結(jié)構(gòu)。3.粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)展粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)展v近年來，粉末冶金燒結(jié)技術(shù)發(fā)展相對來近年來，粉末冶金燒結(jié)技術(shù)發(fā)展相對來講較為緩慢，但是在液相燒結(jié)和電火花講較為緩慢，但是在液相燒結(jié)和電火花燒結(jié)以及微波燒結(jié)方面有較大發(fā)展。燒結(jié)以及微波燒結(jié)方面有較大發(fā)展。v (1)(1)超固相線燒結(jié)超固相線燒結(jié)v 超固相線燒結(jié)和傳統(tǒng)的液相燒結(jié)相似，主要差別是前者應(yīng)超固相線燒結(jié)和傳統(tǒng)的液相燒結(jié)相似，主要差別是前者應(yīng)用預(yù)合金粉末而不是混合粉末，每種粉末的燒結(jié)溫度都選用預(yù)合金粉末而不是混合粉末，每種粉末的燒結(jié)溫度都選在合金相圖的液相線和固相線溫度之間。加熱時，每個顆在合金相圖的液相線和固相線溫度之間。加熱時，每個顆粒內(nèi)部都生成液相，結(jié)果使顆粒碎裂，碎片重新排列，晶粒內(nèi)部都生成液相，結(jié)果使顆粒碎裂，碎片重新排列，晶粒重新堆砌，粗化和溶解粒重新堆砌，粗化和溶解再析出。再析出。v 超固相線燒結(jié)主要用于燒