1、第十章第十章噴射沉積技術噴射沉積技術一、噴射沉積技術發展概況一、噴射沉積技術發展概況 快速凝固快速凝固/ /粉末冶金技術粉末冶金技術(RS/PM)(RS/PM)的優點的優點： 材料的晶粒細小材料的晶粒細小 成分及組織均勻成分及組織均勻 能夠形成亞穩相能夠形成亞穩相 材料的力學性能優異材料的力學性能優異 RS/PMRS/PM技術存在以下不足技術存在以下不足： 工藝復雜工藝復雜 粉末氧化嚴重粉末氧化嚴重 難于制備大件等問題。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鑒于上述考慮，人們又在探索新型的材料制備技術。備技術。 2020世紀世紀6060年代末又發展起來一種新型的快速年代末

2、又發展起來一種新型的快速凝固和成形工藝，稱之為凝固和成形工藝，稱之為噴射沉積噴射沉積(Spray (Spray Deposition)Deposition)或或噴射成形噴射成形(Spray Forming)(Spray Forming)工藝，工藝，很好地解決了上述矛盾。很好地解決了上述矛盾。 該工藝的誕生對鑄造、粉末冶金等技術產生了該工藝的誕生對鑄造、粉末冶金等技術產生了深遠的影響，成為當今最引人注目的材料制備方深遠的影響，成為當今最引人注目的材料制備方法之一。法之一。 1.Osprey1.Osprey技術的發明技術的發明 噴射沉積的概念和原理噴射沉積的概念和原理最早是由英國最早是由英國Swa

3、nseaSwansea大學大學的的A. R. E. SingerA. R. E. Singer教授于教授于19681968年提出，年提出，19701970年首次公年首次公開報導的。當時他把熔融金開報導的。當時他把熔融金屬霧化沉積在一個旋轉的基屬霧化沉積在一個旋轉的基體上，形成沉積坯料，并直體上，形成沉積坯料，并直接軋制成帶材。接軋制成帶材。 19741974年年R. BrooksR. Brooks等人等人成功地將成功地將SingerSinger提出的提出的噴射沉積原理應用于鍛噴射沉積原理應用于鍛造毛坯的生產，發展成造毛坯的生產，發展成了世界著名的了世界著名的OspreyOsprey工工藝，開發

4、出了適合于噴藝，開發出了適合于噴射沉積工藝的一系列合射沉積工藝的一系列合金，從此，金，從此，OspreyOsprey工藝工藝蜚聲于世，成為了噴射蜚聲于世，成為了噴射沉積工藝的代名詞。沉積工藝的代名詞。 2.LDC2.LDC技術的發明技術的發明 2020世紀世紀7070年代后期，美國年代后期，美國麻省理工學院的麻省理工學院的N.J.GrantN.J.Grant教授教授和加州大學歐文和加州大學歐文(Irvine)(Irvine)分校的分校的LaverniaLavernia等人采用超聲霧化法將等人采用超聲霧化法將金屬熔體霧化成極細的液滴，然金屬熔體霧化成極細的液滴，然后沉積在一個水冷載體上，發展后沉

5、積在一個水冷載體上，發展成了液體動壓成形成了液體動壓成形(LDC)(LDC)工藝。工藝。實際上，實際上，LDCLDC工藝和工藝和OspreyOsprey工藝工藝均屬噴射沉積，只是前者更加強均屬噴射沉積，只是前者更加強調霧化液滴的微細效果和沉積坯調霧化液滴的微細效果和沉積坯的冷卻效果。的冷卻效果。 3. CSD工藝的發明工藝的發明 原理：采用的是離心原理：采用的是離心霧化裝置，將液體金霧化裝置，將液體金屬離心霧化為屬離心霧化為0.50.51.5 mm1.5 mm的液粒，金屬的液粒，金屬液粒沖擊冷襯底時，液粒沖擊冷襯底時，冷卻速度可達冷卻速度可達10104 410106 6 K/s K/s。 19

6、801980年英國的年英國的AuroraAurora鋼鐵公司開始將噴射沉積鋼鐵公司開始將噴射沉積技術應用于高合金工具鋼的生產，進一步發展技術應用于高合金工具鋼的生產，進一步發展了霧化沉積工藝，開發出了了霧化沉積工藝，開發出了“控制噴射沉積控制噴射沉積法法”(CSD) (CSD) 。但是由于當時英國經濟蕭條，。但是由于當時英國經濟蕭條，AuroraAurora公司被迫于公司被迫于19831983年停止了對年停止了對CSDCSD工藝的研工藝的研究和開發。究和開發。4.4.噴射沉積技術的基本應用及其產品的噴射沉積技術的基本應用及其產品的 基本特點基本特點(1)(1)產品類型產品類型 噴射沉積技術主要

7、集中在半成品形狀的預噴射沉積技術主要集中在半成品形狀的預成形坯的生產，產品形狀為管、環、帶、板、成形坯的生產，產品形狀為管、環、帶、板、圓柱坯和異型件。還被用于軋輥修復。圓柱坯和異型件。還被用于軋輥修復。(2)(2)材料種類材料種類 不銹鋼、高速鋼、工具鋼，磁性材料，高不銹鋼、高速鋼、工具鋼，磁性材料，高溫合金，鋁合金、鎂合金、銅合金等高合金化溫合金，鋁合金、鎂合金、銅合金等高合金化材料，金屬基復合材料。材料，金屬基復合材料。 (3)(3)目前國際上的技術水平目前國際上的技術水平q英國英國Osprey公司已經能夠生產直徑公司已經能夠生產直徑100250mm的盤坯和的盤坯和150mm1000mm

8、的棒坯等。的棒坯等。q德國的德國的Mannesman Demag公司能夠生產尺寸公司能夠生產尺寸約約1000mm2000mm10mm的鋼板。的鋼板。 q德國的德國的PEAK公司則能夠生產直徑為公司則能夠生產直徑為150400mm，長度為，長度為7001200mm，質量為，質量為35400kg的的Al-Si合金坯。合金坯。 q美國的美國的Howmet公司能夠生產直徑公司能夠生產直徑800mm，長長500mm的高溫合金環。的高溫合金環。 q德國德國Wieland公司和瑞士公司和瑞士Swiss Metal公司制備公司制備了直徑了直徑300mm，長度為，長度為2200mm的銅合金錠，的銅合金錠，其材質

9、為可取代其材質為可取代Cu-Be合金的合金的Cu-15Ni-8Sn，可，可用作彈簧材料的高用作彈簧材料的高Sn青銅和做焊接電極的青銅和做焊接電極的Cu-Cr-Zr合金及耐磨材料合金及耐磨材料Cu-C合金。合金。 q日本、英國等國家采用噴射沉積技術制造日本、英國等國家采用噴射沉積技術制造4001000mm的復合軋輥的復合軋輥 。(4)(4)國際上從事噴射沉積技術研究的主要機構國際上從事噴射沉積技術研究的主要機構 世界一些著名的公司，如美國通用電氣世界一些著名的公司，如美國通用電氣(GE)公司，英國的公司，英國的Alcan公司，瑞典的公司，瑞典的Sandvik Steel公司，法國的公司，法國的P

10、echinery公司，日本的神戶制鋼公司，日本的神戶制鋼公司等和世界一些著名大學和研究機構，如美公司等和世界一些著名大學和研究機構，如美國的國的MIT、Drexel和加州大學、和加州大學、US Navy和賓和賓州州AR，英國的，英國的Swansea和和Birmingham大學，大學，德國的不萊梅學院，韓國的德國的不萊梅學院，韓國的RISI，我國臺灣的，我國臺灣的成功大學等。成功大學等。二、噴射沉積技術的基本原理二、噴射沉積技術的基本原理 過熱的合金液體在高過熱的合金液體在高壓惰性氣體或機械力離壓惰性氣體或機械力離心霧化，形成微細的液心霧化，形成微細的液滴。液滴在飛行過程中滴。液滴在飛行過程中冷

11、卻、凝固，形成固液冷卻、凝固，形成固液兩相顆粒噴射流，并直兩相顆粒噴射流，并直接噴射到較冷的基底上，接噴射到較冷的基底上，產生撞擊、粘結、凝固，產生撞擊、粘結、凝固，從而形成沉積物從而形成沉積物。1.噴射沉積過程的熱傳導機制噴射沉積過程的熱傳導機制 包括：包括：v霧化液滴在飛行過程中的霧化液滴在飛行過程中的輻射散熱輻射散熱及其和惰性及其和惰性 氣體之間的氣體之間的對流散熱對流散熱; ;v沉積坯通過沉積基底沉積坯通過沉積基底傳導散熱傳導散熱; ;v利用沉積坯表面的氣體對利用沉積坯表面的氣體對流散熱、輻射散熱流散熱、輻射散熱。2.2.霧化顆粒狀態對沉積坯質量的影響霧化顆粒狀態對沉積坯質量的影響 絕

12、大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前已凝固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，沉積坯為組織疏成固相顆粒，在這種情況下，沉積坯為組織疏松的松的。絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前仍保持絕大部分霧化顆粒在與沉積基體碰撞前仍保持為液態，沉積坯形成為液態，沉積坯形成。霧化顆粒在與基體碰撞時，部分顆粒為液態霧化顆粒在與基體碰撞時，部分顆粒為液態( (約占約占30%30%50%)50%)，部分顆粒為全固態和半固態，部分顆粒為全固態和半固態，在基體上碰撞沉積后有可能在沉積層表面形成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合成液體薄層，很容易與下層的

13、沉積顆粒結合成。 上面比較理想的情況是第三種：上面比較理想的情況是第三種：v由于噴射速度較快，在下一批霧化顆粒到達之前，在沉由于噴射速度較快，在下一批霧化顆粒到達之前，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堅固的表面，濺射過程將繼續下去。沉積提供了一個堅固的表面，濺射過程將繼續下去。v液體薄層的厚度應足夠小，以防止產生橫向流動，抑制液體薄層的厚度應足夠小，以防止產生橫向流動，抑制宏觀范圍內的成分偏析。宏觀范圍內的成分偏析。v

14、借助于霧化沉積時的機械作用，還可將部分凝固的沉積借助于霧化沉積時的機械作用，還可將部分凝固的沉積層內部的細小枝晶打碎，獲得無原始邊界的等軸細晶組層內部的細小枝晶打碎，獲得無原始邊界的等軸細晶組織。織。v由于很多霧化顆粒處于半固態，并且沉積層表面有液體由于很多霧化顆粒處于半固態，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非常小。薄層存在，故沉積層中的孔隙率將會非常小。 3.3.傳統的噴射沉積理論傳統的噴射沉積理論 SingerSinger教授認為可以用教授認為可以用這個概這個概念來描述噴射沉積過程。念來描述噴射沉積過程。 所謂噴射密度是指單位時間內沉積在基體所謂噴射密度是指單位時間內沉

15、積在基體單位面積上的物質量。單位面積上的物質量。 噴射密度主要取決于單位時間霧化氣體和噴射密度主要取決于單位時間霧化氣體和液體金屬質量比液體金屬質量比(GMR)(GMR)、噴射高度、噴射高度H H和基體運和基體運動狀態。動狀態。 噴射沉積坯的組織和性能在很大程度上取噴射沉積坯的組織和性能在很大程度上取決于噴射密度。決于噴射密度。低噴射密度沉積低噴射密度沉積 即到達基體表面的霧化顆粒稀少，則先前即到達基體表面的霧化顆粒稀少，則先前大多數濺射物在到達該處之前已完全凝固。原大多數濺射物在到達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，先來和新覆蓋上去的濺射物的冷卻速度較高，先凝固的濺

16、射物能快速地傳走熱量。由于沉積過凝固的濺射物能快速地傳走熱量。由于沉積過程中的隨機性，沉積坯中存在一些微細的空隙程中的隨機性，沉積坯中存在一些微細的空隙和孔洞，而且不容易由新的濺射液滴來充滿。和孔洞，而且不容易由新的濺射液滴來充滿。因此，因此，濺射物邊界很清楚，濺射物邊界很清楚，當然冷卻速度也高。當然冷卻速度也高。 高的噴射密度高的噴射密度 在先前濺射物的頂部尚保持一層液態金屬薄膜在先前濺射物的頂部尚保持一層液態金屬薄膜時，下一批濺射物已到達該處。時，下一批濺射物已到達該處。 優點優點： 沉積物孔隙度低、無濺射邊界、產量高、沉積沉積物孔隙度低、無濺射邊界、產量高、沉積坯后續熱加工沒有內部氧化危

17、險。坯后續熱加工沒有內部氧化危險。 缺點缺點： 是沉積物冷卻速度較低。如果通過氣體和輻射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帶走熱量不充分，并且沉積層的頂部液體層較厚時，就會惡化成為一般鑄造狀態。時，就會惡化成為一般鑄造狀態。 三、噴射沉積工藝和裝置三、噴射沉積工藝和裝置噴霧沉積噴霧沉積離心噴射沉積離心噴射沉積噴射軋制噴射軋制噴射鍛造噴射鍛造同時噴射噴丸同時噴射噴丸噴射沉積坯快速原型噴射沉積坯快速原型噴射共沉積噴射共沉積反應噴射沉積反應噴射沉積1.噴霧沉積噴霧沉積 金屬液體通過惰性金屬液體通過惰性氣體霧化后沉積在基氣體霧化后沉積在基底上形成特定形狀

18、沉底上形成特定形狀沉積坯的工藝。被廣泛積坯的工藝。被廣泛地用于制備管、棒、地用于制備管、棒、板板( (帶帶) )坯等。坯等。 對大尺寸坯和寬板坯制備也可以采用對大尺寸坯和寬板坯制備也可以采用多噴嘴結構多噴嘴結構 。2.2.離心噴射沉積離心噴射沉積 原理：熔融金屬原理：熔融金屬被離心霧化，半固態被離心霧化，半固態霧化顆粒沉積在冷的霧化顆粒沉積在冷的襯底上。離心噴射沉襯底上。離心噴射沉積可以在真空或低壓積可以在真空或低壓惰性氣體中進行。惰性氣體中進行。 英國英國AuroraAurora鋼公司利用鋼公司利用CSDCSD工藝生產了直工藝生產了直徑達徑達3m3m和厚度為和厚度為60mm60mm的工具鋼墊

19、圈。的工具鋼墊圈。 英國伯明翰大學采用離心噴射沉積制備了英國伯明翰大學采用離心噴射沉積制備了400mm400mm的的Ti48Al2Mn2NbTi48Al2Mn2Nb薄壁管，鈦合金在薄壁管，鈦合金在水水冷銅坩堝冷銅坩堝熔煉后，由熔煉后，由石墨噴嘴石墨噴嘴中流出到下端高中流出到下端高速旋轉的速旋轉的水冷銅盤水冷銅盤，被離心粉碎成微細液滴，被離心粉碎成微細液滴，并沉積在基體上。并沉積在基體上。 優點優點：除了能生產高性能的細晶粒材料外，：除了能生產高性能的細晶粒材料外，它還可以生產采用別的方法難于生產的大直徑它還可以生產采用別的方法難于生產的大直徑環件或管材。將大直徑的短管切開可以作為軋環件或管材。

20、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，特別有利于生產易受氣氛污惰性氣體量很少，特別有利于生產易受氣氛污染的鈦材。染的鈦材。 3 3 噴射軋制噴射軋制 是最早的一種噴射沉積工藝。采用這種工是最早的一種噴射沉積工藝。采用這種工藝可以連續生產帶材，厚度一般在藝可以連續生產帶材，厚度一般在1mm以上，以上，鋁合金材料的最大厚度可達鋁合金材料的最大厚度可達18mm。可以用于。可以用于生產復合帶材。生產復合帶材。 該工藝存在兩個問題該工藝存在兩個問題：q難以保證沉積層在帶材寬度方向具有均勻的厚難以保證沉積層在帶材寬度方向

21、具有均勻的厚度，以保證其在后續軋制過程中不會引起明顯度，以保證其在后續軋制過程中不會引起明顯的形狀不均勻問題。一般來說，大多數待加工的形狀不均勻問題。一般來說，大多數待加工材料厚度的誤差不得大于材料厚度的誤差不得大于2%2%。q生產寬帶材存在困難。可以采用多噴嘴解決，生產寬帶材存在困難。可以采用多噴嘴解決，但存在邊界結合問題。但存在邊界結合問題。4.4.噴射鍛造噴射鍛造 噴射鍛造也是噴射鍛造也是OspreyOsprey金屬有限公司金屬有限公司早期發展起來的一種早期發展起來的一種噴射沉積工藝噴射沉積工藝 。霧。霧化金屬液滴噴射流直化金屬液滴噴射流直接噴射進入模子中，接噴射進入模子中，形成鍛造毛坯

22、。形成鍛造毛坯。 模子通常是銅制模子通常是銅制水冷的，也可用高溫水冷的，也可用高溫陶瓷。陶瓷。 優點優點： 預成形坯內無連通孔隙，可在空氣中鍛造。預成形坯內無連通孔隙，可在空氣中鍛造。預成形坯為細晶胞狀組織，具有優良的熱加工預成形坯為細晶胞狀組織，具有優良的熱加工性能。經鍛造之后，得到了全致密的鍛件，鍛性能。經鍛造之后，得到了全致密的鍛件，鍛件比傳統的沖鍛件更具各向同性，并具有優良件比傳統的沖鍛件更具各向同性，并具有優良的機械性能。的機械性能。 OspreyOsprey金屬有限公司已制備出許多合金鋼和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高溫合金鍛件。高溫合金的含

23、氧量一般為0.002% 0.002% 0.004%0.004%。5.同時噴射噴丸同時噴射噴丸 原理：原理：在噴射沉積在噴射沉積的同時，通過錐形的同時，通過錐形噴射嘴射出噴丸，噴射嘴射出噴丸，正好打在剛沉積的正好打在剛沉積的表面上，使沉積物表面上，使沉積物頂層產生塑性變形。頂層產生塑性變形。彈丸最后收集在噴彈丸最后收集在噴射室的底部。射室的底部。 優點優點：v很容易地同時實現噴射沉積與致密化，從而生很容易地同時實現噴射沉積與致密化，從而生產出達到理論密度的沉積坯，并防止內部氧化，產出達到理論密度的沉積坯，并防止內部氧化，并且體現出快速凝固的優點。并且體現出快速凝固的優點。 v一般來說，任何厚度的

24、沉積物在整個厚度范圍一般來說，任何厚度的沉積物在整個厚度范圍內均得到充分均勻的加工。內均得到充分均勻的加工。v沉積物機械性能大為改善，內應力降低，其性沉積物機械性能大為改善，內應力降低，其性能水平相當于噴射軋制或傳統金屬熱加工產品能水平相當于噴射軋制或傳統金屬熱加工產品的性能。的性能。 6.噴射共沉積法噴射共沉積法 原理：在噴射沉積過原理：在噴射沉積過程中，把具有一定動程中，把具有一定動量的顆粒增強相噴到量的顆粒增強相噴到霧化顆粒噴射流中，霧化顆粒噴射流中，兩者共同沉積到較冷兩者共同沉積到較冷的基體上，以制備顆的基體上，以制備顆粒增強金屬基復合材粒增強金屬基復合材料的一種方法。料的一種方法。

25、在噴射共沉積過程中，增強顆粒的加入方在噴射共沉積過程中，增強顆粒的加入方式有三種：式有三種：q直接從霧化氣體管道中加入直接從霧化氣體管道中加入q將增強顆粒直接加入到金屬熔體中將增強顆粒直接加入到金屬熔體中q將顆粒流直接噴入金屬熔體的霧化錐中將顆粒流直接噴入金屬熔體的霧化錐中 技術特點技術特點: v陶瓷顆粒分布均勻，與基體無有害界面反應。陶瓷顆粒分布均勻，與基體無有害界面反應。 v增強相顆粒的加入可以吸熱，其表面是形核位增強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。置，可以使基體的晶粒組織明顯減化。 v通過控制增強顆粒的流量通過控制增強顆粒的流量( (或加入速率或加入

26、速率) )，可以，可以獲取增強顆粒體積分數沿沉積物生長方向連續獲取增強顆粒體積分數沿沉積物生長方向連續變化的功能梯度材料變化的功能梯度材料 。v生產成本及產品價格較低。生產成本及產品價格較低。 7.反應噴射沉積技術反應噴射沉積技術 反應噴射沉積反應噴射沉積是將噴射沉積技術與原位反是將噴射沉積技術與原位反應合成陶瓷粒子技術結合起來的一種制備顆粒應合成陶瓷粒子技術結合起來的一種制備顆粒增強金屬基復合材料的新技術。增強金屬基復合材料的新技術。 在噴射沉積過程中，金屬液體被充分霧化在噴射沉積過程中，金屬液體被充分霧化成細小的液滴，使其具有很大的體表面積，同成細小的液滴，使其具有很大的體表面積，同時又處

27、于一定的過熱條件下，這就為噴射沉積時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劑接觸，發生化學反應過程中液滴與外加反應劑接觸，發生化學反應提供了驅動力。提供了驅動力。 (1)霧化氣體與金屬液滴之間的氣霧化氣體與金屬液滴之間的氣-液反應液反應 將金屬液體在氧化性氣氛或含氮氣氛中充分霧化成細將金屬液體在氧化性氣氛或含氮氣氛中充分霧化成細小的液滴，使其自發迅速地在表面發生氧化或氮化反小的液滴，使其自發迅速地在表面發生氧化或氮化反應，而后氧化物或氮化物與金屬一起沉積下來，最終應，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合材料形成具有彌散分布的復合材料。例如：例如：

28、 Cu(Al)+N2/O2Cu(Al)+Al2O3+N2 Cu(Al)+N2/O2Cu(Al)+Al2O3+N2 Fe(Al)+N2Fe(Al)+AlN Fe(Al)+N2Fe(Al)+AlN Fe(Al)+N2/O2Fe(Al)+Al2O3+N2 Fe(Al)+N2/O2Fe(Al)+Al2O3+N2 (2)含有反應劑的熔體間的液液反應含有反應劑的熔體間的液液反應 將含有反應劑元素的合金液混合，并霧化或將將含有反應劑元素的合金液混合，并霧化或將含有反應劑元素的合金液在霧化時發生碰撞混和，含有反應劑元素的合金液在霧化時發生碰撞混和，從而發生化學反應的液液反應。從而發生化學反應的液液反應。Cu/

29、TiB2Cu/TiB2復合材料復合材料的制備就是這方面的典型例子，其反應式為的制備就是這方面的典型例子，其反應式為: :Cu-BCu-BCu-TiCu+TiB2Cu-TiCu+TiB2(3)液滴和外加反應劑粒子的固液反應液滴和外加反應劑粒子的固液反應 MO+XXO+MMO+XXO+M 液滴與外加反應劑之間的液固反應體系的選擇液滴與外加反應劑之間的液固反應體系的選擇可利用氧化物的可利用氧化物的GG-T-T圖，用氧化物比較穩定的金圖，用氧化物比較穩定的金屬去還原與之比較相對不穩定的氧化物。如用屬去還原與之比較相對不穩定的氧化物。如用CuOCuO、Fe2O3Fe2O3、SiO2SiO2等作為反應劑與

30、等作為反應劑與AlAl反應生成反應生成Al2O3Al2O3，并，并與基體金屬與基體金屬AlAl在在OspreyOsprey工藝中發生共沉積。工藝中發生共沉積。 在沉積過程中，由于金屬液體被過熱，金屬液在沉積過程中，由于金屬液體被過熱，金屬液體被高壓氣體充分霧化成細小液粒后，與反應劑發體被高壓氣體充分霧化成細小液粒后，與反應劑發生化學反應。生化學反應。 反應劑顆粒的加入反應劑顆粒的加入有兩種形式有兩種形式：v在霧化沉積過程中，在霧化沉積過程中，從霧化錐外采用環孔從霧化錐外采用環孔或對稱吹管，用或對稱吹管，用N2N2氣氣作載體，將反應劑加作載體，將反應劑加入到霧化錐中；入到霧化錐中；v反應劑直接從

31、霧化噴反應劑直接從霧化噴槍內加入，與霧化金槍內加入，與霧化金屬液滴一同沉積下來。屬液滴一同沉積下來。 反應噴射沉積技術的特點反應噴射沉積技術的特點 ：v良好的組織特征良好的組織特征 反應噴射沉積技術結合了熔化、快速凝固的反應噴射沉積技術結合了熔化、快速凝固的特點，能得到比較細小的晶粒組織，而且在保特點，能得到比較細小的晶粒組織，而且在保證了細晶基體和增強顆粒分布均勻的同時，也證了細晶基體和增強顆粒分布均勻的同時，也保證了增強顆粒與基體間良好的化學和冶金結保證了增強顆粒與基體間良好的化學和冶金結合，反應生成的陶瓷相顆粒非常細小，從而制合，反應生成的陶瓷相顆粒非常細小，從而制得優良性能的復合材料。

32、得優良性能的復合材料。 v節約熱能節約熱能 反應過程充分利用金屬液體的過熱溫度發生反應過程充分利用金屬液體的過熱溫度發生化學反應，達到了節約熱能的目的。化學反應，達到了節約熱能的目的。 v(3)(3)工藝簡單，成本低工藝簡單，成本低 v(4)(4)陶瓷相顆粒的特征可控陶瓷相顆粒的特征可控 可以通過控制反應劑的加入量、粒度特征可以通過控制反應劑的加入量、粒度特征和噴射沉積工藝參數來控制生成陶瓷相的多少，和噴射沉積工藝參數來控制生成陶瓷相的多少，分布情況和粒徑的大小等，而且在噴射沉積過分布情況和粒徑的大小等，而且在噴射沉積過程中不會產生像反應鑄造法中產生的陶瓷顆粒程中不會產生像反應鑄造法中產生的陶

33、瓷顆粒上浮和團聚的現象。沉積坯基體組織細小，反上浮和團聚的現象。沉積坯基體組織細小，反應劑彌散、均勻分布，有利于生成細小而分布應劑彌散、均勻分布，有利于生成細小而分布均勻的增強陶瓷顆粒，從而可以避免增強顆粒均勻的增強陶瓷顆粒，從而可以避免增強顆粒的偏聚問題。的偏聚問題。四、四、噴射沉積的一些重要專利和技術噴射沉積的一些重要專利和技術1. 掃描噴嘴和金屬液粒掃描系統掃描噴嘴和金屬液粒掃描系統 2.增加噴射沉積坯的冷速和過噴料重新返噴系統增加噴射沉積坯的冷速和過噴料重新返噴系統 提高沉積坯冷速和金屬收得率一直是評價噴射沉提高沉積坯冷速和金屬收得率一直是評價噴射沉積工藝先進性的最重要指標。積工藝先進

34、性的最重要指標。 為了提高沉積坯冷速，可采用如圖所示的裝置，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顆粒。分的冷態顆粒。 為了提高霧化金屬材料的收得率，可采用如圖所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，這樣既提高了沉積坯的冷速，霧化顆粒噴射流內，這樣既提高了沉積坯的冷速，又提高了材料的收得率。又提高了材料的收得率。 3.多程噴射沉積技術多程噴射沉積技術 原理：在噴射沉積過程原理：在噴射沉積過程中，

35、坩堝和霧化器不動，中，坩堝和霧化器不動，收集器既旋轉又水平移收集器既旋轉又水平移動，因而該技術稱之為動，因而該技術稱之為多程噴射沉積技術。利多程噴射沉積技術。利用多程噴射沉積技術制用多程噴射沉積技術制備的管坯的壁較厚，而備的管坯的壁較厚，而且組織非常細小。此外，且組織非常細小。此外，還有可能輕易地開發不還有可能輕易地開發不同等級的組織同等級的組織。 技術缺點技術缺點： 隨著沉積坯質量的增加，沉積坯隨著沉積坯質量的增加，沉積坯及運動系統運動時的慣性很大，及運動系統運動時的慣性很大，難以控制，因而不適于制備大件，難以控制，因而不適于制備大件，同時坯件的長度也有限。同時坯件的長度也有限。 五、噴射沉

36、積技術的特點五、噴射沉積技術的特點 噴射沉積工藝是在與鑄造、粉末冶金工藝競爭中發展噴射沉積工藝是在與鑄造、粉末冶金工藝競爭中發展起來的，是一種介于鑄造冶金起來的，是一種介于鑄造冶金(IM)(IM)和粉末冶金和粉末冶金(PM)(PM)之間之間的工藝，同時兼備了兩者的優點，又克服了兩者的缺點。的工藝，同時兼備了兩者的優點，又克服了兩者的缺點。與其它快速凝固技術相比，噴射沉積工藝具有更為廣闊與其它快速凝固技術相比，噴射沉積工藝具有更為廣闊的發展前景，其主要特點表現在以下幾個方面的發展前景，其主要特點表現在以下幾個方面： 1.經濟性好經濟性好 工藝比較簡單，工藝比較簡單，生產周期短，效率生產周期短，效

37、率高。沉積速度很高。高。沉積速度很高。是一種適用性廣的是一種適用性廣的近形成形工藝，通近形成形工藝，通過改變水冷基體的過改變水冷基體的形狀和機械運動方形狀和機械運動方式等參數，可以生式等參數，可以生產出不同形狀的沉產出不同形狀的沉積坯，如盤、環、積坯，如盤、環、管、板、棒等。管、板、棒等。 2.2.產品性能優異產品性能優異 由于噴射沉積工藝能使冷速較高、晶粒細由于噴射沉積工藝能使冷速較高、晶粒細小、無宏觀偏析的預成形坯塊，因而經后續加小、無宏觀偏析的預成形坯塊，因而經后續加工后，具有優異的性能。工后，具有優異的性能。 3.3.是制備復合材料的新方法是制備復合材料的新方法 它可將陶瓷顆粒引進到任

38、何基體金屬中，并它可將陶瓷顆粒引進到任何基體金屬中，并且分布均勻、結合良好。能夠很好地制備層狀且分布均勻、結合良好。能夠很好地制備層狀復合材料、摩擦材料、雙金屬等。復合材料、摩擦材料、雙金屬等。多層噴射沉積技術多層噴射沉積技術一、多層噴射沉積概念的提出一、多層噴射沉積概念的提出 1. 傳統噴射沉積理論的局限性傳統噴射沉積理論的局限性 噴射沉積過程是一個復雜的統計過程，噴射沉積過程是一個復雜的統計過程，沉積坯的密度、組織及性能取決于金屬熔沉積坯的密度、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、沉積基體的材質及溫氣體的壓力和種類

39、、沉積基體的材質及溫度條件、沉積基體的運動速度及運動方式度條件、沉積基體的運動速度及運動方式等一系列因素。等一系列因素。 Singe A認為可以采用噴射密度這個綜合參認為可以采用噴射密度這個綜合參數來描述噴射沉積過程數來描述噴射沉積過程。 如果采用如果采用工藝則得到的是多孔坯工藝則得到的是多孔坯件，濺射邊界明顯。件，濺射邊界明顯。 如果采用如果采用工藝，則工藝，則可得到致密的可得到致密的沉積坯。沉積坯。由于在由于在單位時間在單位面積上的金屬液單位時間在單位面積上的金屬液粒沉積量很大，如果僅依靠氣體對流和熱輻射散粒沉積量很大，如果僅依靠氣體對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

40、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，較厚的液層，進而進而產產生成分宏觀偏析、晶粒粗化和熱縮孔等缺陷，這生成分宏觀偏析、晶粒粗化和熱縮孔等缺陷，這是最不希望得到的一種組織。是最不希望得到的一種組織。： 根據上述分析，傳統的噴射沉積工藝在根據上述分析，傳統的噴射沉積工藝在制備大型的厚壁管坯、筒坯，大直徑圓錠制備大型的厚壁管坯、筒坯，大直徑圓錠坯和厚板坯時，特別是在制備一些對冷卻坯和厚板坯時，特別是在制備一些對冷卻速度要求較高的坯件時，噴射條件往往受速度要求較高的坯件時，噴射條件往往受到一定的限制。到一定的限制。另外，在制備長寬尺寸均另外，在制備長寬尺寸均很大的板、帶材時，傳統的噴

41、射沉積工藝很大的板、帶材時，傳統的噴射沉積工藝均采用均采用V型噴嘴、搖動掃描噴嘴或多個噴嘴型噴嘴、搖動掃描噴嘴或多個噴嘴工藝，使得工藝過程變得非常復雜。工藝，使得工藝過程變得非常復雜。 采用傳統噴射沉積工藝制備的沉積坯采用傳統噴射沉積工藝制備的沉積坯的冷凝速度一般只有的冷凝速度一般只有110K/s。 2.2.多層噴射沉積思想的提出多層噴射沉積思想的提出 對快速凝固技術的研究表明，若將金屬或合金對快速凝固技術的研究表明，若將金屬或合金液滴迅速鋪展在熱導性能很高的冷基體上，可以實液滴迅速鋪展在熱導性能很高的冷基體上，可以實現快速凝固，如現快速凝固，如“砧法砧法”的冷速可達的冷速可達106K/s以上

42、。以上。 在噴射沉積過程中，如果將沉積層表面溫度控在噴射沉積過程中，如果將沉積層表面溫度控制在較低狀態，霧化液滴在與沉積層高速碰撞，發制在較低狀態，霧化液滴在與沉積層高速碰撞，發生濺射、鋪展成薄層時，能夠獲得下層固體熱傳導，生濺射、鋪展成薄層時，能夠獲得下層固體熱傳導，上表面對流、熱輻射散熱相結合的綜合冷卻效果，上表面對流、熱輻射散熱相結合的綜合冷卻效果，就可以實現快速凝固。就可以實現快速凝固。 2.2.如何解決高冷速條件下的粘結問題如何解決高冷速條件下的粘結問題 為了同時保證冷速和界面粘結效果，為了同時保證冷速和界面粘結效果，首先要找到一個合適的沉積層表面溫度首先要找到一個合適的沉積層表面溫

43、度范圍，以保證霧化液滴既能與沉積層表范圍，以保證霧化液滴既能與沉積層表面粘結良好，消除濺射邊界，獲得較高面粘結良好，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究表明，適合鋁合金的沉積層表層溫度范圍為范圍為200350。 為了保證鋪展粘結還要保持霧化顆粒為了保證鋪展粘結還要保持霧化顆粒在沉積前基本為液相，避免較多固態霧在沉積前基本為液相，避免較多固態霧化顆粒混雜其中造成的低密度沉積。解化顆粒混雜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決該問題的主要方法是降低噴射距離和適當地增加過熱度。適當地增加過

44、熱度。 3.3.如何提高沉積層的散熱速度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間內的熱量積累。沉積坯單位面積在單位時間內的熱量積累。 在傳統的噴射沉積工藝中，沉積坯是一在傳統的噴射沉積工藝中，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。種方法散熱的效率是極為有限的。 如果采用多層掃描往復式的沉積工藝，即霧如果采用多層掃描往復式的沉積工藝，即霧化器在沉積坯上方做往復掃描運動

45、，則沉積坯表化器在沉積坯上方做往復掃描運動，則沉積坯表面單位面積單位時間的金屬沉積量可大幅度降低，面單位面積單位時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間，可獲得充分冷卻，從而顯著降隔了一定的時間，可獲得充分冷卻，從而顯著降低沉積坯的表面溫度。同時，通過掃描薄層的層低沉積坯的表面溫度。同時，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。層積累，沉積坯的厚度在理論上可無限增加。二、多層噴射沉積技術二、多層噴射沉積技術1.1.管坯制備技術及裝置管坯制備技術及裝置 2.2.圓柱錠坯制備技術及裝置圓柱錠坯制

46、備技術及裝置3.3.板坯制備技術及裝置板坯制備技術及裝置三、多層噴射沉積技術的過程原理三、多層噴射沉積技術的過程原理l.l.金屬液滴的沉積軌跡金屬液滴的沉積軌跡 在多層噴射沉積過程中，霧化器和沉在多層噴射沉積過程中，霧化器和沉積基體同時運動，因此霧化液滴的沉積軌積基體同時運動，因此霧化液滴的沉積軌跡與傳統噴射沉積工藝的顯著不同，掃描跡與傳統噴射沉積工藝的顯著不同，掃描軌跡如下圖所示。軌跡如下圖所示。 (a)管坯管坯 (b)板坯板坯圓柱錠坯圓柱錠坯 (d)環件環件2.2.沉積層的凝固規律沉積層的凝固規律 在大尺寸沉積坯的制備過程中，由于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

47、也越大，沉積坯表面積大，因此散熱面積也越大，同時霧化器的掃描周期很長，因而沉積同時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，本技術更適合在制速度也越大。因此，本技術更適合在制備大尺寸沉積坯時很容易獲得快速凝固備大尺寸沉積坯時很容易獲得快速凝固效果。效果。 在噴射沉積過程中，霧化液滴的凝固過程是在噴射沉積過程中，霧化液滴的凝固過程是一個碰撞、濺射、鋪展的冷卻過程。液滴在碰撞一個碰撞、濺射、鋪展的冷卻過程。液滴在碰撞鋪展之后，可以獲得氣體對流散熱、輻射散熱和鋪展之后，可以獲得氣體對流散熱、輻射散熱和較冷沉積層表面固體傳熱導的

48、多重冷卻效果。由較冷沉積層表面固體傳熱導的多重冷卻效果。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層厚度僅為，可獲得極高的冷速，可獲得極高的冷速，這樣沉積坯的厚度可以達到很大而冷速不受影響。這樣沉積坯的厚度可以達到很大而冷速不受影響。 右圖為沉積坯的特右圖為沉積坯的特征凝固組織照片，在沉征凝固組織照片，在沉積坯中存在已經凝固的積坯中存在已經凝固的近球形顆粒和鋪展層。近球形顆粒和鋪展層。顆粒中的枝晶組織明顯顆粒中的枝晶組織明顯比鋪展層的組織粗大。比鋪展層的組織粗大。顆粒中的二次枝晶臂間顆粒中的二次枝晶臂間距約距約12 m，估算其，估算其冷速在

49、冷速在104105K/s。由于鋪展層的組織更加由于鋪展層的組織更加微細，因此冷速就更高。微細，因此冷速就更高。結果表明霧化液滴在撞擊基體，發生鋪展時可以得到非常高的冷卻速度，這是采用鑄造工藝和傳統噴射沉積工藝所難以達到的。3.3.熱應力問題熱應力問題 采用本技術制備的大尺寸沉積坯中的宏觀熱采用本技術制備的大尺寸沉積坯中的宏觀熱應力要遠小于鑄造及傳統噴射沉積工藝產生的應力要遠小于鑄造及傳統噴射沉積工藝產生的壓力。在沉積過程中，由于各沉積層在沉積過壓力。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程中均已降至較低溫度( (約約200200350)350)，因而，因而大直徑錠坯的內外溫差較

50、小，由此產生的宏觀大直徑錠坯的內外溫差較小，由此產生的宏觀熱應力也很小。而在鑄造坯和傳統噴射沉積坯熱應力也很小。而在鑄造坯和傳統噴射沉積坯中，內外溫差大，宏觀熱應力大，容易開裂。中，內外溫差大，宏觀熱應力大，容易開裂。由于沉積坯冷速高，基體合金中的析出物數量由于沉積坯冷速高，基體合金中的析出物數量和尺寸均較小，進一步避免了開裂現象。和尺寸均較小，進一步避免了開裂現象。 此外，由于噴射沉積坯為非完全致密此外，由于噴射沉積坯為非完全致密組織，存在一定的孔隙。當局部熱應力組織，存在一定的孔隙。當局部熱應力引起的微裂紋擴展至空隙時，可能發生引起的微裂紋擴展至空隙時，可能發生轉向或停止擴展，因而可能有利

51、于應力轉向或停止擴展，因而可能有利于應力的松弛，使沉積坯中不會產生大的宏觀的松弛，使沉積坯中不會產生大的宏觀裂紋。裂紋。四、多層噴射沉積工藝的特點四、多層噴射沉積工藝的特點 多層噴射沉積工藝與傳統噴射沉積工藝相多層噴射沉積工藝與傳統噴射沉積工藝相比具有如下特點：比具有如下特點： 冷速冷速更高更高高。由于沉積坯是沉積物多高。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噴射沉積層合成的，每層沉積物的厚度較傳統噴射沉積工藝的要小得多，同時沉積坯表面的溫度控制工藝的要小得多，同時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

52、積坯的冷凝速度高于傳統噴急冷凝固，因而沉積坯的冷凝速度高于傳統噴射沉積坯的冷速，可達射沉積坯的冷速，可達104K/s，真正起到了噴，真正起到了噴射沉積和快速冷凝的雙重效果，可以獲得快速射沉積和快速冷凝的雙重效果，可以獲得快速凝固組織。凝固組織。 制備件大、工藝操作簡單。出于沉積坯為霧制備件大、工藝操作簡單。出于沉積坯為霧化器往復掃描、噴射沉積而成，管坯尺寸可以制化器往復掃描、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，移動范圍很大，備中，由于霧化器的行程可調，移動范圍很大，因而錠坯的直徑可以很大，并

53、且采用一般的霧化因而錠坯的直徑可以很大，并且采用一般的霧化噴嘴即可，不需應用特殊的擺動掃描噴嘴或多個噴嘴即可，不需應用特殊的擺動掃描噴嘴或多個噴嘴，工藝操作也簡單得多。同時由于熱應力較噴嘴，工藝操作也簡單得多。同時由于熱應力較小，大尺寸坯的開裂傾向比傳統噴射沉積及鑄造小，大尺寸坯的開裂傾向比傳統噴射沉積及鑄造工藝要小得多。工藝要小得多。 能制備各種均勻性好的特殊材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料。多層噴射沉積工藝在制備金屬/陶瓷陶瓷復合材料、梯度材料、互不固溶的雙金復合材料、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屬材料及其它特殊材料方面有很大的優越

54、性。由于是多層沉積，所制備的各種越性。由于是多層沉積，所制備的各種復合材料均勻性非常好。復合材料均勻性非常好。 生產成本低，利于商業化生產。生產成本低，利于商業化生產。多層噴射沉積裝置的制造成本和沉積坯多層噴射沉積裝置的制造成本和沉積坯生產成本較低，能連續作業，工藝簡單，生產成本較低，能連續作業，工藝簡單，操作方便，可一機多用，系統能耗低，操作方便，可一機多用，系統能耗低，安全可靠，是一種適合工業規模生產的安全可靠，是一種適合工業規模生產的大尺寸近形快速凝固沉積坯裝置，通過大尺寸近形快速凝固沉積坯裝置，通過進一步完善有望迅速應用于商業化生產。進一步完善有望迅速應用于商業化生產。 u 高能成形高

55、能成形v高能成形是利用沖擊波短時間內高能成形是利用沖擊波短時間內(幾微秒幾微秒)產生的巨大沖產生的巨大沖擊力擊力(可達可達105MPa)成形，在高能沖擊條件下，粉末顆成形，在高能沖擊條件下，粉末顆粒發生撞擊、滑動、剪切，表面發生熔化而固結。這種粒發生撞擊、滑動、剪切，表面發生熔化而固結。這種辦法可制備大型形狀復雜的零件。美國曾采用爆炸成形辦法可制備大型形狀復雜的零件。美國曾采用爆炸成形辦法成功地制備了航空航天技術的高溫合金備件和大型辦法成功地制備了航空航天技術的高溫合金備件和大型陶瓷制品。陶瓷制品。v對于非晶態合金粉末及超微粉末，要想在維持亞穩結構對于非晶態合金粉末及超微粉末，要想在維持亞穩結

56、構狀態下成形，制備成大塊材料，高能成形是一種可能方狀態下成形，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生，時間很短，粉末表面熔案。由于變形主要在表面發生，時間很短，粉末表面熔化后熱量很快被顆粒本身吸收，起急冷作用，阻止了向化后熱量很快被顆粒本身吸收，起急冷作用，阻止了向穩態穩態 的動力學過程，因此可保持原來粉末顆粒的亞穩的動力學過程，因此可保持原來粉末顆粒的亞穩態結構。態結構。3.粉末冶金燒結技術的進展粉末冶金燒結技術的進展v近年來，粉末冶金燒結技術發展相對來近年來，粉末冶金燒結技術發展相對來講較為緩慢，但是在液相燒結和電火花講較為緩慢，但是在液相燒結和電火花燒結以及微波燒結方面有較大發展。燒結以及微波燒結方面有較大發展。v (1)(1)超固相線燒結超固相線燒結v 超固相線燒結和傳統的液相燒結相似，主要差別是前者應超固相線燒結和傳統的液相燒結相似，主要差別是前者應用預合金粉末而不是混合粉末，每種粉末的燒結溫度都選用預合金粉末而不是混合粉末，每種粉末的燒結溫度都選在合金相圖的液相線和固相線溫度之間。加熱時，每個顆在合金相圖的液相線和固相線溫度之間。加熱時，每個顆粒內部都生成液相，結果使顆粒碎裂，碎片重新排列，晶粒內部都生成液相，結果使顆粒碎裂，碎片重新排列，晶粒重新堆砌，粗化和溶解粒重新堆砌，粗化和溶解再析出。再析出。v 超固相線燒結主要用于燒