喷射沉积材料制备技术简介

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1、喷射沉积技术一、传统喷射沉积技术喷射沉积的概念和原理最早是由英国的SingerARE教授于20世纪60年代末提出的，1970年首次公开报道。该技术通过将金属或合金熔体在惰性气氛中雾化形成液滴喷射流，直接喷射到水玲或非水冷基体上，经过撞击、聚结、凝闹而形成大块沉积物，因而具有比铸造工艺高得多的冷却速度。1974年英国BrooksR等人成功地将喷射沉积原理应用于锻造坯的生产，并逐渐发展成为著名的OsPrey工艺，开发/一系列喷射沉积、合金系，设计和制造丫Osprey成套设备，制备了传统方法难以获得的高合金及超合金管、板、带、环、简和圆柱锭坯,并中请了两项专利.70年代后期，美国麻省理工学院的Gra

2、ntN教授采用超声气体雾化法制备徽细金属液粒，然后沉积在水冷基体上，发展成了“LDc工艺”，即“液体动态压实工艺”。该工艺的冷速较高，可以获得大块的快速凝固材料。到80年代初，英国的Auror钢铁公司将喷射沉积技术应用于高合金工具钢和高速钢的生产中，进一步发展了喷射沉积工艺，并被称为“CSD工艺”，即“受控喷射沉积工艺”，在该工艺中，雾化液滴较大，沉积物的孔隙度接近于零，析出物细小、均匀。喷射沉积工艺是一种介于铸造冶金和粉末冶金之间的工艺，同时兼备了两荠的部分优点，而克服了各自的部分缺点，己经发展成为一种最主要的材料制备技术，并得到了广泛的应用。在传统的喷射沉积工艺中，沉积坯是一次沉积而成的，

3、因此，要减小沉积坯的热量积累只能通过降低金属液流率的方法，但这种方法散热的效率是极为有限的。许多研宄表明，在靠近水冷沉积基体的薄层区域内冷速是相当高的，但随着沉积坯厚度的增加，热传导散热速率会逐渐降低，冷速降低，使沉积层表面温度逐渐升高。当沉积厚度超过-定值（通常大于50mm）吋，沉积坯组织就会因热量来不及散失而恶化。也就是说，传统的单层沉积模式在工艺上难以制备快速凝固厚坯。图1、图2和图3为传统喷射沉积制管、圆柱锭和板坯的装置原理图，加热坩埚不移动，仅基体转动或移动，沉积坯由雾化液粒喷射流一次沉积而成。在制备大型板坯和锭坯时采用v型喷嘴和摇动（扫描）喷嘴或采用多个喷嘴。雾化賓射流霽化i喷枪加

4、热墦*喷枪V«珀**轚壤I图1传统喷射沉积管坯制备装置图2传统喷射沉积圆柱锭制备装置阁3传统喷射沉积板坯制备装置二、多层喷射沉积技术为了解决大型厚壁管坯、厚板坯和大直径圆锭坯的制备技术问题，湖南大学陈振华教授等人在对传统喷射沉积深入的理论研宄基础上，提出了多层喷射沉积概念，发明了多层喷射沉积技术和一系列装置，新型的多层喷射沉积制备管坯、圆柱锭坯和板坯的装置结构如图4、图5和图6所示，采用了喷枪扫描运动机构、沉积基体升降控制机构，沉积坯为往复扫描沉积而成。嘴枪运动机构包括加热柑祸、喷嘴，共同固定在运动导板上，运动控制器作用在导板上，控制苏运动的方向、快慢和运动行程。沉积基体升降控制机构由一组齿轮

5、传动机构和控制器组成，可以控制基体的升降高度和升降速度。多层喷射成形装置全部系统由计算机控制。多层喷射沉积技术的原理是：通过雾化器往复扫描运动的引入，使在沉积管、锭、板坯吋以多层方式沉积，从而降低了沉积坯表面单位面积单位吋间的热量输入，可以将沉积坯表面控制在一较低的温度区间。当雾化液滴高速碰撩铺展在这一沉积坯表而时，不仅可以获得良好的粘结，而且可以实现瞬问的快速凝固。随妇描器的移开，沉积坯表面又可在较长的扫描周期内冷却降温到较低的温区，等待下一层液滴在其表面的沉积。这样每一沉积层都可以获得快速凝固，最终得到三维尺寸很大的快速凝固坯件。移动的加熟对堝霎化器金厲液廉»气a图5多层喷射沉积圆柱锭制备

6、装置图4多层喷射沉积管坏制备装置水冷小车化霸金厲液廉ft祝基体」零化宣擄气口图6传统喷射沉积板坯制备装置多层喷射沉积工艺与传统喷射沉积工艺相比具有如下特点：①冷速高。由于沉积坯是沉积物多层合成的，每层沉积物的厚度较传统喷射沉积工艺的要小得多，同时沉积坯表面的温度控制得较低，雾化液滴碰撞至沉积坏.表面的瞬间即急冷凝阆，因而沉积坏的冷凝速度高于传统喷射沉积坏的冷速，可达104K/S,真正起到了喷射沉积和快速冷凝的双重效果，可以获得快速凝固组织。②出于沉积坯为雾化器往复扫描、喷射沉积而成，管坯尺、?可以制得很厚，并且冷凝速度不受影响。在圆锭坏的制备中，由于雾化器的行程可调，移动范围很大，因而锭坯的直

7、径可以很大，并且采用一般的雾化喷嘴即可，不需应用特殊的摆动扫描喷嘴或多个喷嘴，工艺操作也简单得多。同时由于热应力较小，人尺T坯的开裂倾向比传统喷射沉积及铸造工艺要小得多。①多层喷射沉积工艺在制备金属/陶瓷复合材料、梯度材料、互不固溶的双金属材料及其它特殊材料方面有很大的优越性。由于是多层沉积，所制备的各种复合材料均匀性非常好。②多层喷射沉积装置的制造成本和沉积坯生产成本较低，能连续作业，工艺简单