[发明专利]采用紧耦合喷嘴制备高合金化材料的负压喷射成形工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种利用紧耦合雾化喷嘴通过负压喷射成形制备高合金化材料（高温合金、高速钢）的工艺方法。

背景技术

喷射成形是一种集高合金化金属材料的熔炼、雾化、沉积于一体的近终成形短流程技术，该技术不但克服了传统铸造工艺导致的宏观偏析及组织粗大问题，而且避免了粉末冶金工艺繁琐及粉末氧化严重等技术难题，特别适合于制备合金化程度高（如高温合金、高速钢等）容易产生偏析的金属材料。喷射成形金属材料具有组织细小、成分均匀、高固溶度等优点。因而，喷射成形技术具有广泛的适用性和产品的多样性，它不仅适用于多种金属材料，如高温合金、高速钢、工具钢、模具钢、铝-硅合金等，而且为新型材料，如金属间化合物、复合材料和双性能材料的研制提供了一种先进的技术手段。

喷射成形工艺过程主要由合金液雾化、熔滴飞行与冷却、沉积坯生长三个连续过程构成。合金熔体在导流管末端，被雾化气流破碎成尺寸在几微米～几百微米之间的大量细小熔滴，熔滴在高速气流作用下加速，同时与气流进行快速热交换冷却。雾化后的较大液滴如100μm以上由于本身的热容量高、质量大，受惯性力的作用比小液滴大，在气体流场中的加速慢，液滴与气流之间的换热系数低，因此大尺寸的液滴在到达沉积面时还处在液相状态。细小的固体颗粒和较大的液滴同时高速射向沉积面，与沉积面发生撞击，固体颗粒的撞击犹如喷丸强化，不断对沉积层进行变形冲击，使沉积层内无法形成大的枝晶组织；而较大体积的液滴在高速撞击下变形成薄片状附着在沉积层表面或发生溅射形成更为细小的液滴进行二次沉积或脱离沉积坯。这无数个凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积器表面，在沉积器表面附着、堆积、铺展、熔合形成一薄半液态层并顺序凝固结晶，逐步沉积成一个大块致密的金属坯体。

喷射成形把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(动态致密固化)结合在一步冶金操作中完成，不但减少工序，具有明显的经济效应，而且组织均匀，晶粒细小，提高了难变形加工金属材料的性能。目前，喷射成形工艺国内外较多的采用自由降落型喷嘴，虽然该类喷嘴减少了喷嘴堵塞的风险，但是雾化出的金属熔滴尺寸较大，影响高合金化材料的组织均匀性。

选用合适的喷嘴是获得理想喷射成形高合金化材料组织的关键部件。喷射成形喷嘴设计需要考虑的因素包括：（1）雾化气体能够获得尽可能大的出口散射束和能量；（2）雾化介质与金属熔体之间能形成合理的喷射角度；（3）工作稳定，不易堵塞。紧耦合喷嘴的特点是雾化惰性气体出口接近金属液流出口，使得最多的气体能量聚集作用于液态金属，只有很少的一部分能量损失在气体出口至液流之间的紊流中，加上雾化气体可以采用较大的角度作用于金属液，因此气体动能损失较少，可以获得中值粒径较小的液滴。但是紧耦合喷嘴存在的一个突出问题是容易堵塞。具体原因是由于导流管的前端受到雾化气体的冷却，金属液在发生雾化前可能部分已凝固，所以紧耦合喷嘴一般用于低熔点合金的喷射成形，而较少用于高熔点材料，如高温合金等。但是采用紧耦合喷嘴的喷射成形工艺制备的高合金化金属材料的晶粒度更细，组织更均匀，材料力学性能更好。因此，如果在制备工艺上获得突破，采用紧耦合喷嘴制备高熔点的合金材料如高温合金也是可行的。例如，北京航空材料研究院采用紧耦合喷嘴的喷射成形工艺制备高温合金涡轮盘。制备出的喷射成形高温合金涡轮盘有如下优点：①无宏观偏析和粉末原始颗粒边界(PPB)，组织细化，氧含量低且无粗大碳化物；②冷、热加工性能和力学性能显著提高；③制备工序少，效率高，生产成本低。第二种是自由降落式雾化喷嘴。该种喷嘴中雾化气体与金属液开始相互作用的距离较长，由于作用距离长，气流衰减快，能量利用率低，因此喷射沉积的熔滴尺寸较粗。

国内张豪发明一种制备大规格、多种形状、高致密度、高性能合金及其复合材料的控制往复喷射成形装置（专利号：CN03230878.7）。该设备采用非限制式、非扫描雾化喷嘴，金属熔体在高速惰性气体的破碎和带动下，形成高速的雾状喷射流，喷射流与基底进行在线精确控制下的往复沉积运动，沉积于基底表面的合金快速冷却，得到组织致密和一定形状的沉积坯。该装置采用非限制式（即自由降落型）喷嘴，在同样的雾化压力条件下，雾化液滴的尺寸要比紧耦合式雾化喷嘴大，加上雾化熔滴的飞行速度较低，因此导致沉积坯中的晶粒尺寸更大。使得采用非限制型喷嘴的喷射成形工艺比采用紧耦合喷嘴的喷射成形工艺制备的高合金化材料成分均匀性要差，且力学性能更低。