[发明专利]一种超声喷射成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声喷射成形方法，通过喷射成形技术制备合金及其金属基复合材料部件的方法，特别涉及金属雾化沉积方式。 

背景技术

喷射成形是一种独特的快速凝固工艺，其过程是将熔融金属雾化成10-200微米的液态颗粒，然后在高速气流的带动下，微小的颗粒直接喷射在较冷的相应接收器上，比如沉积盘或模具型腔，从而形成对应产品。与铸造工艺相比，所形成的高质量材料具有细密的、等轴并且均质无偏析的微观结构；与快速凝固粉末冶金工艺相比，喷射成形坯件的氧含量低，综合力学性能优越，成形工序少，生产成本低，生产效率高；此外，喷射坯件也不存在堆焊或热喷涂等液态表面加工技术中不可避免的表面缺陷。在制造高合金金属部件例如模具嵌入件和工具头等方面这些特征是尤其显著的。 

以Osprey模式为代表的传统喷射成形工艺均采用高速惰性气体雾化熔融金属，其气流速度较低(小于音速)，消耗大量惰性气体，雾化效率较低，并且雾化产生的颗粒尺寸分布不均。为此，美国MIT对雾化装置进行改进完善，发展了LDC(Liquid Dynamic Compaction)工艺。其原理是将Hartman振动管的谐振原理应用于雾化器，使雾化气体在产生2～2.5倍超音速气流的同时产生80～100kHz的脉冲频率，粉碎效率大为改善。但是雾化器加工困难，并且由于过分强调冷却效率，导致沉积组织疏松。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超声喷射成形方法，能够保证有效地细化雾化颗粒，提高金属收得率，其技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。 

本发明的思想在于：按照喷射成形将金属液流雾化成细小颗粒的基本原理，提出 一种新的金属液雾化沉积方式，其基本原理是：熔融金属流至一个以超声频率振动的工具头表面上，形成一薄液层，在超声振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定时，液滴即从波峰上飞出，在高速惰性气体的带动下，迅速撞击沉积盘或收集器发生快速凝固，利用不同形状的收集器，通过控制接收器的位置及角度可以制备所需形状的金属坯件，所制造的坯件微观组织晶粒更加细小。 

技术方案 

一种超声喷射成形方法，其特征在于步骤如下： 

步骤1：喷射沉积前将雾化室抽真空至小于50Pa，然后回充惰性保护气体至70～90kpa； 

步骤2：调整导流管为垂直状态，将超声发生器的工具头轴线与导流管的中轴线呈90°～180°夹角，加速气体管的喷嘴位于超声发生器的工具头斜上方，喷口方向正对接收液滴的沉积盘或模具型腔，与导流管轴线呈30°～90°； 

步骤3：将熔融的金属以保持30℃～200℃温度下通过导流管流至超声发生器工具头上，同时启动超声雾化器和加速气体喷射，超声频率为20～40kHz，超声发生器的功率不小于100w，加速气体喷嘴进气口压力为0.2～1.5Mpa；在超声振动作用下，熔融的金属雾化成金属液滴；高速低温气流扫略工具头表面上方而又不干扰金属液流，恰好带动刚飞离工具头表面的弥散金属液滴进行加速，液滴在飞行过程中形成半固态金属液滴，通过控制飞行距离，保证沉积前雾化液滴的固相分数为60％～70％； 

步骤4：半固态金属液滴在气流带动下撞击由计算机控制的沉积盘或模具型腔，使得掺杂加强粉末的半固态液滴凝固成所需形状坯件。 

所述加速气体管的喷嘴内部形状为Laval型。 

所述的保护气体为氩气。 

所述的加速气体喷射的气流为氩气或氮气。 

所述的加速气体喷射的气流中为SiC粉末。 

有益效果 

本发明提出的一种超声喷射成形方法，超声气雾化的能量利用率仍然很低并且需要消耗大量的惰性气体，相比之下，超声波雾化是一种能量利用率高、惰性气体消耗量小并且所产生的液滴球形度好、粒度可控、粒度范围窄的技术，成形部件的晶粒更加细小，微观组织更为均匀一致。 

本发明提出的一种超声喷射成形方法，具有如下的有益效果： 

(1)直接利用超声振动雾化熔融金属，减少惰性气体消耗，生产成本低； 

(2)本发明的喷射成形装置和方法，可直接生产在尺寸、形状和热力学条件等方面均一化的颗粒，并将处于合适热力学状态的金属液滴按所需金属零件的参数沉积于相应位置，直接从液态金属制备出具有快速凝固组织特征、结构致密的近终型金属部件或模具，产品质量好。 

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：