金属陶瓷零件近净成形技术

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1、方建成副教授文章编号：1004-132X(2002)22-1915-03金属陶瓷零件近净成形技术方建成徐文骥摘要：等离子熔射成形技术在金属陶瓷复合材料的近净成形中具有明显的技术优势。通过金属陶瓷零件熔射近净成形实验，详细分析熔射工艺过程和工艺参数对成形件质量的影响。研究表明等离子熔射成形技术可快速制造金属陶瓷零件，实现成形与加工一体化，且工艺简单、成本低，是金属陶瓷复合材料成形技术中很有发展潜力的方法。关键词：等离子熔射；近净成形；金属陶瓷零件；成形工艺屮图分类号:TG66；TG17文献标识码：A・1915・新技术的飞速发展

2、导致了具有特定功能的新材料不断涌现，如复合材料、高熔点高硬度材料、陶瓷材料等，其共同的特点是现有的磨削、特种加工及复合加工工艺都无法高效、低成本地加工，限制了其在航空、航天、仪器、仪表及某些特殊和恶劣环境下广泛应用的可能性。近年来受重视的等离子熔射成形技术在解决此难题时显示出特殊的优势，得到了迅速的发展〔切。英国Geibcl等芨详细研究了NiAl熔射近净成形质量的影响因索,日、美、俄等国也对等离子熔射法制取金属陶瓷等复合材料进行了大量的研究。大连理工大学首次提出了等离子熔射法快速制造陶瓷零件的思想,实现了成形与加工一体化⑷。

3、本文着重分析金属陶瓷零件等离子熔射近净成形的技术特点及其成形的工艺过程，总结原模制作、表面处理、成形件后处理、脱模等技术特点,详细分析熔射工艺参数对成形件质量的影响，并进行了柑关的近净成形实验。1熔射近净成形的技术特点金属陶瓷复合材料零件熔射近净成形技术的慕本原理是借助于非转移等离子弧高温、高速的射流对金属、陶瓷混合粉末在极短时间内的加热、加速，形成熔融或半熔融的高速粒子流，以一定的动能撞击到原模上凝固而形成近冶金组织的复合涂层，再对涂层进行合理的补强及被衬处理，利用不同的脱模方法使涂层剥离原模而实现快速制造金属陶瓷复合材料

4、零件。和目前广泛采用的铸造法和粉末冶金法的成形工艺相比，具有如下独特收稿日期：2002—10—08基金项冃：国家自然科学基金资助项1=1(50175035.59805002);福建省自然科学基金资助项目(E0210024)；国家863高新技术研究发展计^-^^^.2()()2HO44)的技术优势:①等离子受到热收缩效应、磁收缩效应和机械压缩效应的综合作用，气流速度高，能量集中，中心温度高达150()0C以上，能够熔化包括陶瓷在内的齐种材料，因此可以用于陶瓷材料的高效加工，解决金属陶瓷复合材料难成形的矛盾。②等离子熔射粉末扁

5、平化堆积过程屮•可以精确控制金属陶瓷的不同送粉比例和送粉量，改变了铸造法和粉末冶金法中陶瓷受比例限制的约束，易实现从金属到陶瓷的渐变梯度功能复合材料的制造，从而解决纯陶瓷材料零件热传导性差、脆性大等难题。③等离子射流中粉末粒子以熔融和半熔融状态高速撞击熔射模，快速凝固，大大降低了不同相界面间的反应时间，而且还可以精密复制熔射模上的表而形貌，涂层制作速度快、效率高、质量好。④对带精细图案的熔射模表面进行预处理，使其形成一层分离膜，涂层形成后，可根据不同的要求对涂层填充不同的被衬补强材料,寻找不同的脱模方法，将熔射模和涂层分离即

6、可实现有个性化特征的、带精细图案的金属陶瓷复合材料零件的制造，有效缩短制造周期和降低成本，非常适合中小批量的生产。⑤利用高功率密度的微束等离子弧，或严格控制等离子熔射过程,可以实现精细喷涂沉积，保证金属一陶瓷涂层与熔射模间的紧密吻合，为微细复合材料零件的制造提供了可能性。2熔射近净成形实验及分析图1为金属陶瓷复合材料零件熔射近净成形的工艺过程。选择不同比例的金属、陶瓷粉末熔射到经过预处理的原模表面，形成一定厚度的涂层,再经过被衬、脱模、强化等处理即可得到具有特定机械性能的复合材料零件。图2是根据上述工艺过程进行实验的结果，实

7、验参数见表1。表1熔射近净成形实验的主参数材料SiC+Fe送粉速度（g/min）40〜5()工作电压（V）75送粉气流l（m3/h）0.56工作电流（A）275喷嘴直径（mm）6.5氮气流量（mVh）1.6熔射距离（mm）10()氮气流量（nP/h）1.2送粉方式内送粉氢气流^（m-7h）0.12实验结果表明，所获得的金属陶瓷件致密、结表而形貌相反图1熔射近净成形工艺过程原模合强度高、“韧”性好。研究还表明，严格控制熔射工艺参数，使陶瓷粉末处于熔融或半熔融状态，而金属粉末处于熔融但不过热，图2金属陶瓷熔射近净成形零件此时金厲

8、粉末能起到粘接的作m,制件机械性能最佳；对于陶瓷制件，由于受到与原模热膨胀系数差异的影响，结合面的热应力易造成涂层的开裂和起皮刃。2.1熔射近净成形工艺参数分析（1）熔射距离熔射距离小，会导致原模表面温度过高，易造成氧化，此时原模与涂层产生的热应力也増加，涂层易开裂，对原模背面水冷或气冷可