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小、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析等快速凝固技術的各種優(yōu)點。
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冶金操作流程中制成金屬材料產品的新工藝技術，對發(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奧斯普瑞(Osprey)金屬公司獲得專利權(1972年)，故國際上通稱其為Osprey工藝。美國麻省理工學院因采用超聲氣霧化技術噴射，又命名為液相動態(tài)壓實工藝(liquid dynamic compaction)，簡稱LDC法。
　　由于快速凝固的作用，所獲金屬材料成分均勻、組織細化、無宏觀偏析，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、工序簡化、沉積效率高，不僅是一種先進的制取坯料技術，還正在發(fā)展成為直接制造金屬零件的制程。現已成為世界新材料開發(fā)與應用的一個熱點。
　　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氣或氬氣霧化為細小液滴，只是不待凝固為粉時便直接噴射沉積成預形坯，其相對密度可達96%以上，經后續(xù)熱加工(鍛、軋、擠或熱等靜壓)成全致密產品。這種噴射成形產品因受快速凝固作用使其結晶結構細化，成分均勻而無宏觀偏析，它幾乎具有粉末冶金制品的優(yōu)點，但可省去制粉、篩分、壓制和燒結等工序，降低了生產成本。
　　噴射成形法生產金屬或合金板材和帶材
　　1一排氣
　　2一沉積板
　　3一卷帶機
　　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扁錠、板帶、圓棒、軋輥和管等型材。
　　亦可用于涂層，制取多層復合材料。
　　或摻入硬質強化顆粒生產金屬基復合材料。
　　所制鋼板最大尺寸可達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3．5t。
　　噴射成形工藝還用于生產銅合金，特別是制取鋁合金，例如Al-Li、Ai-Pb合金以及Al-SiC復合材料等，該工藝的應用效果尤為成功。
　　工藝應用
　　噴射成形主要應用在鋼鐵產品以及高強度鋁合金方面。
　　鋼鐵方面
　　噴射成形工藝在軋輥發(fā)面的應用已經表現出突出的優(yōu)勢。
　　例如，日本住友重工鑄鍛公司利用噴射成形技術使得軋輥的壽命提高了3～20倍;已向實際生產部門提供了2000多個型鋼和線材軋輥，最大尺寸為外徑800mm,長500mm。該公司正致力于冷、熱條帶軋機使用的大型復合軋輥的直接加工成形研究。
　　又如，英國制輥公司及Osprey金屬公司等單位的一項聯合研究表明，采用芯棒預熱以及多噴咀技術，能夠將軋輥合金直接結合在鋼質芯棒上，從而解決了先生產環(huán)狀軋輥坯，再裝配到軋輥芯棒上的復雜工藝問題，并在17Cr鑄鐵和018V315Cr鋼的軋輥生產上得到了應用。
　　其次，噴射成形工藝在特殊鋼管的制備方面也獲得重要進展。
　　比如，瑞典Sandvik公司已應用噴射成形技術開發(fā)出直徑達400mm，長8000mm，壁厚50mm的不銹鋼管及高合金無縫鋼管，而且正在開展特殊用途耐熱合金無縫管的制造。美國海軍部所建立的5噸噴射成形鋼管生產設備，可生產直徑達1500mm，長度達9000mm的鋼管。
　　噴射成形工藝在復層鋼板方面也顯示出應用前景。MannesmannDemag公司采用該工藝已研制出一次形成的寬1200mm、長2000mm、厚8～50mm的復層鋼板,具有明顯的經濟性而受美國能源部的重視。
　　鋁合金
　　（1）高強鋁合金。如Al—Zn系超高強鋁合金。由于Al—Zn系合金的凝固結晶范圍寬，比重差異大，采用傳統(tǒng)鑄造方法生產時，易產生宏觀偏析且熱裂傾向大。噴射成形技術的快速凝固特性可很好解決這一問題。在發(fā)達國家已被應用于航空航天飛行器部件以及汽車發(fā)動機的連桿、軸支撐座等關鍵部件。
　　（2）高比強、高比模量鋁合金。Al-Li合金具有密度小，彈性模量高等特點，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ暮娇铡⒑教煊媒Y構材料。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為Al-Li合金的發(fā)展開辟了一條新的途徑。
　　（3）低膨脹、耐磨鋁合金。如過共晶Al—Si系高強耐磨鋁合金。該合金具有熱膨脹系數低、耐磨性好等優(yōu)點，但采用傳統(tǒng)鑄造工藝時，會形成粗大的初生Si相，導致材料性能惡化。噴射成形的快速凝固特點有效地克服了這個問題。噴射成形Al—Si合金在發(fā)達國家已被制成轎車發(fā)動機氣缸內襯套等部件。
　　（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)工藝的問題。
　　（5）鋁基復合材料。將噴射成形技術與鋁基復合材料制備技術結合在一起，開發(fā)出一種“噴射共成形(Sprayco-deposiion)”技術,很好地解決了增強粒子的偏析問題。