噴射成形

噴射成形示意圖

　　噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝。它具有所獲材料晶粒細(xì)小、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析等快速凝固技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)。
它是是把金屬熔融、液態(tài)金屬霧化、快速凝固、噴射沉積成形集成在一個(gè)冶金操作流程中制成金屬材料產(chǎn)品的新工藝技術(shù)，對(duì)發(fā)展新材料、改革傳統(tǒng)工藝、提升材料性能、節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染都具有重大作用。
　　這種方法最早由英國(guó)奧斯普瑞(Osprey)金屬公司獲得專(zhuān)利權(quán)(1972年)，故國(guó)際上通稱(chēng)其為Osprey工藝。美國(guó)麻省理工學(xué)院因采用超聲氣霧化技術(shù)噴射，又命名為液相動(dòng)態(tài)壓實(shí)工藝(liquid dynamic compaction)，簡(jiǎn)稱(chēng)LDC法。
　　由于快速凝固的作用，所獲金屬材料成分均勻、組織細(xì)化、無(wú)宏觀偏析，且含氧量低。與傳統(tǒng)的鑄一鍛工藝和粉末冶金工藝相比較，它流程短、工序簡(jiǎn)化、沉積效率高，不僅是一種先進(jìn)的制取坯料技術(shù)，還正在發(fā)展成為直接制造金屬零件的制程。現(xiàn)已成為世界新材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　噴射成形原理示于圖。和氣霧化制粉法相似，先將熔融的金屬或合金液體用氮?dú)饣驓鍤忪F化為細(xì)小液滴，只是不待凝固為粉時(shí)便直接噴射沉積成預(yù)形坯，其相對(duì)密度可達(dá)96%以上，經(jīng)后續(xù)熱加工(鍛、軋、擠或熱等靜壓)成全致密產(chǎn)品。這種噴射成形產(chǎn)品因受快速凝固作用使其結(jié)晶結(jié)構(gòu)細(xì)化，成分均勻而無(wú)宏觀偏析，它幾乎具有粉末冶金制品的優(yōu)點(diǎn)，但可省去制粉、篩分、壓制和燒結(jié)等工序，降低了生產(chǎn)成本。
　　噴射成形法生產(chǎn)金屬或合金板材和帶材
　　1一排氣
　　2一沉積板
　　3一卷帶機(jī)
　　4一軋輥
　　5一霧化器(氮或氬)
　　6一中間包
　　7一摻入顆粒注入器
　　噴射成形工藝可以生產(chǎn)扁錠、板帶、圓棒、軋輥和管等型材。
　　亦可用于涂層，制取多層復(fù)合材料。
　　或摻入硬質(zhì)強(qiáng)化顆粒生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料。
　　所制鋼板最大尺寸可達(dá)1．2m×2．0m，厚度為5～10mm；高合金軋輥尺寸為φ800mm×500mm。
　　不銹鋼管尺寸為φ0．4m×8m；鎳基高溫合金管直徑為500～900mm，重達(dá)3．5t。
　　噴射成形工藝還用于生產(chǎn)銅合金，特別是制取鋁合金，例如Al-Li、Ai-Pb合金以及Al-SiC復(fù)合材料等，該工藝的應(yīng)用效果尤為成功。
　　工藝應(yīng)用
　　噴射成形主要應(yīng)用在鋼鐵產(chǎn)品以及高強(qiáng)度鋁合金方面。
　　鋼鐵方面
　　噴射成形工藝在軋輥發(fā)面的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。
　　例如，日本住友重工鑄鍛公司利用噴射成形技術(shù)使得軋輥的壽命提高了3～20倍;已向?qū)嶋H生產(chǎn)部門(mén)提供了2000多個(gè)型鋼和線材軋輥，最大尺寸為外徑800mm,長(zhǎng)500mm。該公司正致力于冷、熱條帶軋機(jī)使用的大型復(fù)合軋輥的直接加工成形研究。
　　又如，英國(guó)制輥公司及Osprey金屬公司等單位的一項(xiàng)聯(lián)合研究表明，采用芯棒預(yù)熱以及多噴咀技術(shù)，能夠?qū)④堓伜辖鹬苯咏Y(jié)合在鋼質(zhì)芯棒上，從而解決了先生產(chǎn)環(huán)狀軋輥坯，再裝配到軋輥芯棒上的復(fù)雜工藝問(wèn)題，并在17Cr鑄鐵和018V315Cr鋼的軋輥生產(chǎn)上得到了應(yīng)用。
　　其次，噴射成形工藝在特殊鋼管的制備方面也獲得重要進(jìn)展。
　　比如，瑞典Sandvik公司已應(yīng)用噴射成形技術(shù)開(kāi)發(fā)出直徑達(dá)400mm，長(zhǎng)8000mm，壁厚50mm的不銹鋼管及高合金無(wú)縫鋼管，而且正在開(kāi)展特殊用途耐熱合金無(wú)縫管的制造。美國(guó)海軍部所建立的5噸噴射成形鋼管生產(chǎn)設(shè)備，可生產(chǎn)直徑達(dá)1500mm，長(zhǎng)度達(dá)9000mm的鋼管。
　　噴射成形工藝在復(fù)層鋼板方面也顯示出應(yīng)用前景。MannesmannDemag公司采用該工藝已研制出一次形成的寬1200mm、長(zhǎng)2000mm、厚8～50mm的復(fù)層鋼板,具有明顯的經(jīng)濟(jì)性而受美國(guó)能源部的重視。
　　鋁合金
　　（1）高強(qiáng)鋁合金。如Al—Zn系超高強(qiáng)鋁合金。由于Al—Zn系合金的凝固結(jié)晶范圍寬，比重差異大，采用傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)時(shí)，易產(chǎn)生宏觀偏析且熱裂傾向大。噴射成形技術(shù)的快速凝固特性可很好解決這一問(wèn)題。在發(fā)達(dá)國(guó)家已被應(yīng)用于航空航天飛行器部件以及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、軸支撐座等關(guān)鍵部件。
　　（2）高比強(qiáng)、高比模量鋁合金。Al-Li合金具有密度小，彈性模量高等特點(diǎn)，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ暮娇铡⒑教煊媒Y(jié)構(gòu)材料。鑄錠冶金法在一定程度上限制了Al-Li合金性能潛力的充分發(fā)揮。噴射成形快速凝固技術(shù)為Al-Li合金的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的途徑。
　　（3）低膨脹、耐磨鋁合金。如過(guò)共晶Al—Si系高強(qiáng)耐磨鋁合金。該合金具有熱膨脹系數(shù)低、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，但采用傳統(tǒng)鑄造工藝時(shí)，會(huì)形成粗大的初生Si相，導(dǎo)致材料性能惡化。噴射成形的快速凝固特點(diǎn)有效地克服了這個(gè)問(wèn)題。噴射成形Al—Si合金在發(fā)達(dá)國(guó)家已被制成轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)襯套等部件。
　　（4）耐熱鋁合金。如Al—Fe—V—Si系耐熱鋁合金。該合金具有良好室溫和高溫強(qiáng)韌性、良好的抗蝕性，可以在150～300°C甚至更高的溫度范圍使用，部分替代在這一溫度范圍工作的鈦合金和耐熱鋼，以減輕重量、降低成本。噴射成形工藝可以通過(guò)最少的工序直接從液態(tài)金屬制取具有快速凝固組織特征、整體致密、尺寸較大的坯件，從而可以解決傳統(tǒng)工藝的問(wèn)題。
　　（5）鋁基復(fù)合材料。將噴射成形技術(shù)與鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)出一種“噴射共成形(Sprayco-deposiion)”技術(shù),很好地解決了增強(qiáng)粒子的偏析問(wèn)題。