粉末冶金材料课程-第九章.pptx

粉末冶金材料应用与新发展 宋春林chunlinsong@swu.edu.cn 喷射成形技术 喷射成形特点:把金属的雾化过程与成形过程结合在一起，实现大尺度快速凝固材料的一次成形，以最小的工序，直接从液态金属中制取具有快凝组织、整体致密的高性能材料或半成品坯件可以大幅度地提高传统材料的性能，同时不会明显增加材料的制备成本，并容易获得较高的产量喷射成形具有晶粒细小、宏观偏析和微观偏析小的特点相对于粉末冶金技术，冶金工序少，氧化程度小 喷射成形 喷射成形原理 喷射成形的技术优势含氧量低:喷射成形过程中，金属以熔滴状态存在的时间极短(10-3s)，且在惰性气体保护之中合金性能得到改进:晶粒细小均匀、偏析程度小、合金化元素固溶度高、易产生非平衡相等优点流程短，工序简化。例如可将生产不锈钢管的普通铸造的17道和粉末冶金的12道缩减为8道具有广泛的通用性和产品的多样性:适合多种金属，可直接成形饼、棒、管和板等接近零件实际形状的多种坯件和材料高的喷射沉积效率，有利于实现工业化生产，生产效率可达25-200kg/min 喷射成形的主要问题工艺参数的确定需要大量的工作，控制参数在10个左右自动化水平不高，劳动强度大面临粉末冶金技术的竞争过喷粉的回收问题,沉积收得率最高为90%，一般保持在50-70%之间 喷射成形的工艺过程 喷射成形的工艺过程 喷射成形沉积物的冷却和凝固喷射成形过程中熔滴以50-100m/s的高速度到达沉积物表面，并与雾化气体发生强烈的热交换在雾化气体强烈的冷却作用下，尺寸较小的雾滴，其过热和结晶潜能能够迅速散失而凝固成全固态的小颗粒，尺寸较大的雾滴，在喷射阶段可以保持完全的液态状态；大部分中等尺寸的雾滴，在喷射过程中，飞行时间不足以散失掉全部的过热或结晶潜热，处于半凝固的过冷状态 工艺的选择及优化：沉积效率及影响因素当半凝固态雾滴以100m/s的速度撞击到沉积表面时，半固态的熔滴的枝晶发生断裂，类似于流变铸造沉积表面的半固态金属，当搅动率下降时，其粘度快速增加，流动性快速降低，但是表面层以下的材料不会再受到高速液滴的撞击，这种类似液态的特征迅速消失，即使喷射成形坯件和管材高速旋转，沉积的形状通常仍能保持稳定，喷射成形过程仍能进行 工艺的选择及优化：沉积效率及影响因素 工艺的选择及优化：沉积效率及影响因素 工艺的选择及优化：致密性及影响因素喷射成形的孔形态孔隙在颗粒间存在，约占材料体积的1%在沉积的冷区存在，即在基底上或在沉积物的边缘有大量孔隙在热区存在，往往是大于沉积颗粒尺寸的球形孔隙 工艺的选择及优化：致密性及影响因素在沉积坯底部，由于冷却速率快，固相分率可达到100%，这就产生了相互连通的搭接式孔隙。在这种情况下，没有液相填充固体颗粒的空洞，所以没有真正的沉积这说明在基底上迅速得到半液态表面的重要性，也证实了冷却慢的基底对成功喷射成形的必要性在喷射过程中没有必要得到过细的颗粒，因为这将增加雾化颗粒的固含量，难以得到半液体的表面使用绝热基底，或是预热的金属基底有利于得到半液态的表面 工艺的选择及优化：致密性及影响因素 工艺的选择及优化：致密性及影响因素金属熔体在高速气流的冲击下雾化成弥散分布的液态雾滴过程中，气体会被颗粒卷吸而残存在沉积层中，被卷吸的气体在凝固过程中不能及时逸出，将会在沉积层中形成以中国接近圆形且表面光滑的孔隙，称为卷吸式孔隙，这种孔隙在沉积材料孔隙中比例最大 工艺的选择及优化：晶粒结构和影响因素喷射成形材料具有快速凝固材料的微观特征:等轴晶结构细和偏析小沉积坯表面在高速液滴或颗粒的撞击下，表面半液态层中的凝固生长的树枝晶可能发生断裂，使凝固组织得到细化，然后在凝固过程中发生颗粒长大，颗粒生长速率很慢，所以颗粒尺寸也很小 工艺的选择及优化：晶粒结构和影响因素 工艺的选择及优化：晶粒结构和影响因素 喷射成形设备喷射成形包括金属熔化、雾化和沉积3个主要工艺过程包括熔化机构、雾化机构、沉积运动机构还应该包括真空系统、供气系统、粉末收集系统、冷却系统、控制系统等设备关键部分是气体雾化喷嘴和沉积雾化颗粒的沉积基底及控制基底运动的机械部分 喷射成形设备 喷射成形应用：铝基合金 喷射成形应用：铝基合金 喷射成形应用：铝基合金 喷射成形应用：钢铁 喷射成形应用：钢铁 喷射成形应用：钢铁 喷射成形应用：钢铁 喷射成形应用：铜合金 喷射成形应用：铜合金 喷射成形应用：金属基复合材料 喷射成形应用：金属基复合材料 喷射成形应用：锌合金 喷射成形应用：锌合金