第10章 噴射沉積技術(shù)

第十章

噴射沉積技術(shù)一、噴射沉積技術(shù)發(fā)展概況

快速凝固/粉末冶金技術(shù)(RS/PM)的優(yōu)點(diǎn)：材料的晶粒細(xì)小成分及組織均勻能夠形成亞穩(wěn)相材料的力學(xué)性能優(yōu)異

RS/PM技術(shù)存在以下不足：工藝復(fù)雜粉末氧化嚴(yán)重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備技術(shù)。

20世紀(jì)60年代末又發(fā)展起來一種新型的快速凝固和成形工藝，稱之為噴射沉積(SprayDeposition)或噴射成形(SprayForming)工藝，很好地解決了上述矛盾。該工藝的誕生對(duì)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法之一。1.Osprey技術(shù)的發(fā)明

噴射沉積的概念和原理最早是由英國Swansea大學(xué)的A.R.E.Singer教授于1968年提出，1970年首次公開報(bào)導(dǎo)的。當(dāng)時(shí)他把熔融金屬霧化沉積在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的基體上，形成沉積坯料，并直接軋制成帶材。

1974年R.Brooks等人成功地將Singer提出的噴射沉積原理應(yīng)用于鍛造毛坯的生產(chǎn)，發(fā)展成了世界著名的Osprey工藝，開發(fā)出了適合于噴射沉積工藝的一系列合金，從此，Osprey工藝蜚聲于世，成為了噴射沉積工藝的代名詞。2.LDC技術(shù)的發(fā)明

20世紀(jì)70年代后期，美國麻省理工學(xué)院的N.J.Grant教授和加州大學(xué)歐文(Irvine)分校的Lavernia等人采用超聲霧化法將金屬熔體霧化成極細(xì)的液滴，然后沉積在一個(gè)水冷載體上，發(fā)展成了液體動(dòng)壓成形(LDC)工藝。實(shí)際上，LDC工藝和Osprey工藝均屬噴射沉積，只是前者更加強(qiáng)調(diào)霧化液滴的微細(xì)效果和沉積坯的冷卻效果。

3.CSD工藝的發(fā)明

原理：采用的是離心霧化裝置，將液體金屬離心霧化為0.5～1.5mm的液粒，金屬液粒沖擊冷襯底時(shí)，冷卻速度可達(dá)104～106K/s。

1980年英國的Aurora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)展了霧化沉積工藝，開發(fā)出了“控制噴射沉積法”(CSD)。但是由于當(dāng)時(shí)英國經(jīng)濟(jì)蕭條，Aurora公司被迫于1983年停止了對(duì)CSD工藝的研究和開發(fā)。4.噴射沉積技術(shù)的基本應(yīng)用及其產(chǎn)品的

基本特點(diǎn)(1)產(chǎn)品類型

噴射沉積技術(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、圓柱坯和異型件。還被用于軋輥修復(fù)。(2)材料種類不銹鋼、高速鋼、工具鋼，磁性材料，高溫合金，鋁合金、鎂合金、銅合金等高合金化材料，金屬基復(fù)合材料。

(3)目前國際上的技術(shù)水平英國Osprey公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)直徑100～250mm的盤坯和150mm×1000mm的棒坯等。德國的MannesmanDemag公司能夠生產(chǎn)尺寸約1000mm×2000mm×10mm的鋼板。德國的PEAK公司則能夠生產(chǎn)直徑為150～400mm，長度為700～1200mm，質(zhì)量為35～400kg的Al-Si合金坯。美國的Howmet公司能夠生產(chǎn)直徑Ф800mm，長500mm的高溫合金環(huán)。

德國Wieland公司和瑞士SwissMetal公司制備了直徑300mm，長度為2200mm的銅合金錠，其材質(zhì)為可取代Cu-Be合金的Cu-15Ni-8Sn，可用作彈簧材料的高Sn青銅和做焊接電極的Cu-Cr-Zr合金及耐磨材料Cu-C合金。日本、英國等國家采用噴射沉積技術(shù)制造Ф400×1000mm的復(fù)合軋輥。(4)國際上從事噴射沉積技術(shù)研究的主要機(jī)構(gòu)

世界一些著名的公司，如美國通用電氣(GE)公司，英國的Alcan公司，瑞典的SandvikSteel公司，法國的Pechinery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(jī)構(gòu)，如美國的MIT、Drexel和加州大學(xué)、USNavy和賓州AR，英國的Swansea和Birmingham大學(xué)，德國的不萊梅學(xué)院，韓國的RISI，我國臺(tái)灣的成功大學(xué)等。二、噴射沉積技術(shù)的基本原理

過熱的合金液體在高壓惰性氣體或機(jī)械力離心霧化，形成微細(xì)的液滴。液滴在飛行過程中冷卻、凝固，形成固液兩相顆粒噴射流，并直接噴射到較冷的基底上，產(chǎn)生撞擊、粘結(jié)、凝固，從而形成沉積物。1.噴射沉積過程的熱傳導(dǎo)機(jī)制

包括：霧化液滴在飛行過程中的輻射散熱及其和惰性氣體之間的對(duì)流散熱;沉積坯通過沉積基底傳導(dǎo)散熱;利用沉積坯表面的氣體對(duì)流散熱、輻射散熱。2.霧化顆粒狀態(tài)對(duì)沉積坯質(zhì)量的影響

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，沉積坯為組織疏松的粉末堆聚體。絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前仍保持為液態(tài)，沉積坯形成鑄造化組織。霧化顆粒在與基體碰撞時(shí)，部分顆粒為液態(tài)(約占30%～50%)，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液體薄層，很容易與下層的沉積顆粒結(jié)合成致密的沉積層。

上面比較理想的情況是第三種：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(gè)堅(jiān)固的表面，濺射過程將繼續(xù)下去。液體薄層的厚度應(yīng)足夠小，以防止產(chǎn)生橫向流動(dòng)，抑制宏觀范圍內(nèi)的成分偏析。借助于霧化沉積時(shí)的機(jī)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)晶組織。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(huì)非常小。3.傳統(tǒng)的噴射沉積理論

Singer教授認(rèn)為可以用噴射密度這個(gè)概念來描述噴射沉積過程。所謂噴射密度是指單位時(shí)間內(nèi)沉積在基體單位面積上的物質(zhì)量。噴射密度主要取決于單位時(shí)間霧化氣體和液體金屬質(zhì)量比(GMR)、噴射高度H和基體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。噴射沉積坯的組織和性能在很大程度上取決于噴射密度。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，先凝固的濺射物能快速地傳走熱量。由于沉積過程中的隨機(jī)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。因此，沉積物是多孔的，濺射物邊界很清楚，當(dāng)然冷卻速度也高。

高的噴射密度

在先前濺射物的頂部尚保持一層液態(tài)金屬薄膜時(shí)，下一批濺射物已到達(dá)該處。

優(yōu)點(diǎn)：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)部氧化危險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：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時(shí)，就會(huì)惡化成為一般鑄造狀態(tài)。

三、噴射沉積工藝和裝置噴霧沉積離心噴射沉積噴射軋制噴射鍛造同時(shí)噴射噴丸噴射沉積坯快速原型噴射共沉積反應(yīng)噴射沉積1.噴霧沉積

金屬液體通過惰性氣體霧化后沉積在基底上形成特定形狀沉積坯的工藝。被廣泛地用于制備管、棒、板(帶)坯等。

對(duì)大尺寸坯和寬板坯制備也可以采用多噴嘴結(jié)構(gòu)。2.離心噴射沉積

原理：熔融金屬被離心霧化，半固態(tài)霧化顆粒沉積在冷的襯底上。離心噴射沉積可以在真空或低壓惰性氣體中進(jìn)行。

英國Aurora鋼公司利用CSD工藝生產(chǎn)了直徑達(dá)3m和厚度為60mm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Ф400mm的Ti48Al2Mn2Nb薄壁管，鈦合金在水冷銅坩堝熔煉后，由石墨噴嘴中流出到下端高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅盤，被離心粉碎成微細(xì)液滴，并沉積在基體上。

優(yōu)點(diǎn)：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)的大直徑環(huán)件或管材。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惰性氣體量很少，特別有利于生產(chǎn)易受氣氛污染的鈦材。3噴射軋制

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1mm以上，鋁合金材料的最大厚度可達(dá)18mm。可以用于生產(chǎn)復(fù)合帶材。

該工藝存在兩個(gè)問題：難以保證沉積層在帶材寬度方向具有均勻的厚度，以保證其在后續(xù)軋制過程中不會(huì)引起明顯的形狀不均勻問題。一般來說，大多數(shù)待加工材料厚度的誤差不得大于2%。生產(chǎn)寬帶材存在困難。可以采用多噴嘴解決，但存在邊界結(jié)合問題。4.噴射鍛造

噴射鍛造也是Osprey金屬有限公司早期發(fā)展起來的一種噴射沉積工藝。霧化金屬液滴噴射流直接噴射進(jìn)入模子中，形成鍛造毛坯。模子通常是銅制水冷的，也可用高溫陶瓷。

優(yōu)點(diǎn)：

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)良的機(jī)械性能。

Osprey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0.002%～0.004%。5.同時(shí)噴射噴丸

原理：在噴射沉積的同時(shí)，通過錐形噴射嘴射出噴丸，正好打在剛沉積的表面上，使沉積物頂層產(chǎn)生塑性變形。彈丸最后收集在噴射室的底部。

優(yōu)點(diǎn)：很容易地同時(shí)實(shí)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，并且體現(xiàn)出快速凝固的優(yōu)點(diǎn)。一般來說，任何厚度的沉積物在整個(gè)厚度范圍內(nèi)均得到充分均勻的加工。沉積物機(jī)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)品的性能。6.噴射共沉積法

原理：在噴射沉積過程中，把具有一定動(dòng)量的顆粒增強(qiáng)相噴到霧化顆粒噴射流中，兩者共同沉積到較冷的基體上，以制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的一種方法。

在噴射共沉積過程中，增強(qiáng)顆粒的加入方式有三種：直接從霧化氣體管道中加入將增強(qiáng)顆粒直接加入到金屬熔體中將顆粒流直接噴入金屬熔體的霧化錐中

技術(shù)特點(diǎn):

陶瓷顆粒分布均勻，與基體無有害界面反應(yīng)。增強(qiáng)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。通過控制增強(qiáng)顆粒的流量(或加入速率)，可以獲取增強(qiáng)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。生產(chǎn)成本及產(chǎn)品價(jià)格較低。

7.反應(yīng)噴射沉積技術(shù)

反應(yīng)噴射沉積是將噴射沉積技術(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增強(qiáng)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成細(xì)小的液滴，使其具有很大的體表面積，同時(shí)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)提供了驅(qū)動(dòng)力。

(1)霧化氣體與金屬液滴之間的氣-液反應(yīng)

將金屬液體在氧化性氣氛或含氮?dú)夥罩谐浞朱F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。例如：

Cu(Al)+N2/O2→Cu(Al)+Al2O3+N2Fe(Al)+N2→Fe(Al)+AlNFe(Al)+N2/O2→Fe(Al)+Al2O3+N2

(2)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)劑元素的合金液在霧化時(shí)發(fā)生碰撞混和，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液液反應(yīng)。Cu/TiB2復(fù)合材料的制備就是這方面的典型例子，其反應(yīng)式為:Cu-B＋Cu-Ti→Cu+TiB2(3)液滴和外加反應(yīng)劑粒子的固液反應(yīng)

MO+X→XO+M

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ΔG°-T圖，用氧化物比較穩(wěn)定的金屬去還原與之比較相對(duì)不穩(wěn)定的氧化物。如用CuO、Fe2O3、SiO2等作為反應(yīng)劑與Al反應(yīng)生成Al2O3，并與基體金屬Al在Osprey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)。

反應(yīng)劑顆粒的加入有兩種形式：在霧化沉積過程中，從霧化錐外采用環(huán)孔或?qū)ΨQ吹管，用N2氣作載體，將反應(yīng)劑加入到霧化錐中；反應(yīng)劑直接從霧化噴槍內(nèi)加入，與霧化金屬液滴一同沉積下來。

反應(yīng)噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn)：良好的組織特征

反應(yīng)噴射沉積技術(shù)結(jié)合了熔化、快速凝固的特點(diǎn)，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(qiáng)顆粒分布均勻的同時(shí)，也保證了增強(qiáng)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，從而制得優(yōu)良性能的復(fù)合材料。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)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到了節(jié)約熱能的目的。(3)工藝簡單，成本低(4)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，而且在噴射沉積過程中不會(huì)產(chǎn)生像反應(yīng)鑄造法中產(chǎn)生的陶瓷顆粒上浮和團(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)小而分布均勻的增強(qiáng)陶瓷顆粒，從而可以避免增強(qiáng)顆粒的偏聚問題。四、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)

2.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(píng)價(jià)噴射沉積工藝先進(jìn)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，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。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。3.多程噴射沉積技術(shù)

原理：在噴射沉積過程中，坩堝和霧化器不動(dòng)，收集器既旋轉(zhuǎn)又水平移動(dòng)，因而該技術(shù)稱之為多程噴射沉積技術(shù)。利用多程噴射沉積技術(shù)制備的管坯的壁較厚，而且組織非常細(xì)小。此外，還有可能輕易地開發(fā)不同等級(jí)的組織。

技術(shù)缺點(diǎn)：

隨著沉積坯質(zhì)量的增加，沉積坯及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性很大，難以控制，因而不適于制備大件，同時(shí)坯件的長度也有限。

五、噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn)

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(IM)和粉末冶金(PM)之間的工藝，同時(shí)兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的缺點(diǎn)。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(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.經(jīng)濟(jì)性好

工藝比較簡單，生產(chǎn)周期短，效率高。沉積速度很高。是一種適用性廣的近形成形工藝，通過改變水冷基體的形狀和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式等參數(shù)，可以生產(chǎn)出不同形狀的沉積坯，如盤、環(huán)、管、板、棒等。

2.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)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。

3.是制備復(fù)合材料的新方法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復(fù)合材料、摩擦材料、雙金屬等。多層噴射沉積技術(shù)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

噴射沉積過程是一個(gè)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)過程，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、霧化氣體的壓力和種類、沉積基體的材質(zhì)及溫度條件、沉積基體的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)方式等一系列因素。

SingeA認(rèn)為可以采用噴射密度這個(gè)綜合參數(shù)來描述噴射沉積過程。如果采用低噴射密度工藝則得到的是多孔坯件，濺射邊界明顯。

如果采用高噴射密度工藝，則可得到致密的沉積坯。由于在單位時(shí)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(duì)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較厚的液層，沉積坯容易形成鑄造組織，進(jìn)而產(chǎn)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。傳統(tǒng)噴射沉積工藝的局限性：

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，大直徑圓錠坯和厚板坯時(shí)，特別是在制備一些對(duì)冷卻速度要求較高的坯件時(shí)，噴射條件往往受到一定的限制。另外，在制備長寬尺寸均很大的板、帶材時(shí)，傳統(tǒng)的噴射沉積工藝均采用V型噴嘴、搖動(dòng)掃描噴嘴或多個(gè)噴嘴工藝，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的冷凝速度一般只有1~10K/s。

2.多層噴射沉積思想的提出

(1)如何提高沉積層的冷速對(duì)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(shí)現(xiàn)快速凝固，如“砧法”的冷速可達(dá)106K/s以上。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)生濺射、鋪展成薄層時(shí)，能夠獲得下層固體熱傳導(dǎo)，上表面對(duì)流、熱輻射散熱相結(jié)合的綜合冷卻效果，就可以實(shí)現(xiàn)快速凝固。

2.如何解決高冷速條件下的粘結(jié)問題

為了同時(shí)保證冷速和界面粘結(jié)效果，首先要找到一個(gè)合適的沉積層表面溫度范圍，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范圍為200~350℃。

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適當(dāng)?shù)卦黾舆^熱度。

3.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沉積坯單位面積在單位時(shí)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，即霧化器在沉積坯上方做往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，則沉積坯表面單位面積單位時(shí)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，沉積間隔了一定的時(shí)間，可獲得充分冷卻，從而顯著降低沉積坯的表面溫度。同時(shí)，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。二、多層噴射沉積技術(shù)1.管坯制備技術(shù)及裝置

2.圓柱錠坯制備技術(shù)及裝置3.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 l.金屬液滴的沉積軌跡在多層噴射沉積過程中，霧化器和沉積基體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，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，掃描軌跡如下圖所示。

(a)管坯(b)板坯?圓柱錠坯(d)環(huán)件2.沉積層的凝固規(guī)律在大尺寸沉積坯的制備過程中，由于沉積坯表面積大，因此散熱面積也越大，同時(shí)霧化器的掃描周期很長，因而沉積坯表面容易冷至較低溫，沉積坯的冷卻速度也越大。因此，本技術(shù)更適合在制備大尺寸沉積坯時(shí)很容易獲得快速凝固效果。

在噴射沉積過程中，霧化液滴的凝固過程是一個(gè)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(duì)流散熱、輻射散熱和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，每一掃描薄層厚度僅為幾m～幾十m，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。

右圖為沉積坯的特征凝固組織照片，在沉積坯中存在已經(jīng)凝固的近球形顆粒和鋪展層。顆粒中的枝晶組織明顯比鋪展層的組織粗大。顆粒中的二次枝晶臂間距約1～2m，估算其冷速在104～105K/s。由于鋪展層的組織更加微細(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(shí)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.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程中均已降至較低溫度(約200～350℃)，因而大直徑錠坯的內(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組織，存在一定的孔隙。當(dāng)局部熱應(yīng)力引起的微裂紋擴(kuò)展至空隙時(shí)，可能發(fā)生轉(zhuǎn)向或停止擴(kuò)展，因而可能有利于應(yīng)力的松弛，使沉積坯中不會(huì)產(chǎn)生大的宏觀裂紋。四、多層噴射沉積工藝的特點(diǎn)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(diǎn)：

①冷速更高高。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)噴射沉積工藝的要小得多，同時(shí)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)104K/s，真正起到了噴射沉積和快速冷凝的雙重效果，可以獲得快速凝固組織。②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(dòng)范圍很大，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(dòng)掃描噴嘴或多個(gè)噴嘴，工藝操作也簡單得多。同時(shí)由于熱應(yīng)力較小，大尺寸坯的開裂傾向比傳統(tǒng)噴射沉積及鑄造工藝要小得多。

③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/陶瓷復(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)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。④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(jī)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)。

高能成形高能成形是利用沖擊波短時(shí)間內(nèi)(幾微秒)產(chǎn)生的巨大沖擊力(可達(dá)105MPa)成形，在高能沖擊條件下，粉末顆粒發(fā)生撞擊、滑動(dòng)、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。對(duì)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)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(shí)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，阻止了向穩(wěn)態(tài)的動(dòng)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)。3.粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)展近年來，粉末冶金燒結(jié)技術(shù)發(fā)展相對(duì)來講較為緩慢，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。

(1)超固相線燒結(jié)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