快速冷凝技术与应用课件.ppt

1、快速冷凝技术快速冷凝技术雾化制粉雾化制粉喷射成形喷射成形快速冷凝技术快速冷凝技术-理论基本原理热力学动力学溶质分配固液界面形核与长大快速冷凝技术-组织特点细化均匀化净化过饱和高缺陷亚稳快速冷凝技术-材料铝基合金镁基合金钛基合金铜基合金铁基合金准晶与大块非晶材料喷射成形 发展历程 工艺分类 工艺特点 基本原理 工艺过程与影响参数 应用与举例发展历程-概念发展历程-国外 70年代Singer在Swansea Univ.开发出来，主要是喷射轧制过程；随后Ospray Metals 公司开发出Ospray工艺，并获得了专利；美国MIT开发了液体动压紧实技术(Liquid Dynamics Compac

2、tion)，通过高压雾化气体，得到细小、快淬的液滴；1988年，美国加洲大学开发了“雾化共沉积技术”，制备金属基复合材料；随后，Lawley提出了“反应雾化成形技术”，可制备金属基自生复合材料发展历程-国内外差距 目前，国内喷射成形技术的产业化发展水平与工业发达国家的差距主要表现在以下四个方面。(1)对喷射成形工艺过程的控制技术研究还停留在十分原始的阶段。(2)一些关键的硬件技术的研究刚刚取得突破，制约了喷射成形技术在国内实用化发展的速度。(3)在市场方面，国内与工业发达国家相比所进行的市场研究相对较少，目前仅能够追踪世界上工业发达国家的应用发展趋势，较少针对国内的具体情况提出一些独具特色的应

3、用开发方向。Singer发明，金属熔体从坩埚底部进入雾化区，在高压气体作用下，熔体被破碎，沉积在内冷鼓轮表面，沉积坯经轧辊轧制成带材工艺分类-喷射轧制 离心喷射沉积Singer发明，熔融金属被离心雾化，雾化液滴沉积在冷却衬底上，制备具有中心孔的产品工艺分类-离心喷射Singer发明，把具有一定动量的颗粒增强相强制喷到雾化流中，熔融金属和颗粒增强相共同沉积在冷基底上，形成颗粒增强金属基复合材料三种加入方式：颗粒从雾化气体管道中喷出；颗粒引入到熔体流出口；颗粒强制喷入金属熔滴雾化锥内；工艺分类-喷射共沉积工艺特点-优点 细晶显微组织结构。快冷(103K/s104K/s)和破碎。10100um等轴晶

4、粒，通过快速凝固使沉淀相或析出相尺寸0.515um；可以减少或避免热处理和热加工过程。近型成形。可制备大型挤压、锻造预成型管、带坯；与传统粉末冶金工艺相比，省去了粉末筛分、成型与烧结等工序，减少了颗粒的污染。工艺特点-优点 可制备金属基复合材料。将陶瓷相与气体一起喷向金属熔体，可获得均匀分布的复合材料。适用性广。可制备大部分金属，如Al、Pb、Cu、Mg、Ni、Ti、Co等。材料致密度高，相对密度95%以上。形成合金的氧含量低。工艺流程短，效率高，有利于工业化。原料、能源利用率高，利于降低成本。工艺特点-缺点残余孔隙。通常需经过挤压、锻造、热等静压等后续工序消除。难以达到100%材料利用率。喷

5、射碎削、表层去处、废品等。综合理论研究不够，无法有效指导实际应用。工艺特点-优点工艺特点-优点工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置工艺特点-装置基本原理基本原理 包括：雾化过程液流破碎原理 液滴动力学与热交换原理 液滴沉积和成型坯的凝固原理基本原理-液流破碎原理 通常应用离心雾化或双流雾化原理，因为只有这两种方式能够实现120kg/min流量液流的喷射沉积；基本原理与“粉末雾化”一节相同 液滴的动力学与热交换行为主要是指液滴在飞行过程中与雾化气体的动量和热量相互作用；通常需控制：液滴飞行途径，尽量减少过喷射(Overspray)损失

6、和控制成型坯形状；液滴热交换，控制沉积温度和固相含量基本原理-液滴动力学与热交换原理)exp(zvvgig基本原理-气流的轴向速度通常遵循指数规律衰减 液滴的飞行速度与其尺寸相关 小颗粒加速较快，但达到气流速度后，衰减也快；大颗粒速度较慢，但飞行稳定，速度变化小基本原理-液滴动力学与热交换原理 不同尺寸颗粒的传热系数和冷却速度不同，如10um颗粒传热系数11.45x103Wm-2 K-1，冷速为334x103Ks-1；200um颗粒则为2.89x103Wm-2 K-1，冷速为21x103Ks-1，因此在喷射沉积距离处存在一定的固/液量比 在0.4m处，Al-Cu合金1030um颗粒为固态；50

7、120um为半熔融态，大于200um颗粒为液态；据此可计算不同距离的固液比基本原理-液滴的热行为基本原理-液滴的热行为 粘合效率(Sticking Efficient)：与颗粒的状态和基底的状态相关，半固态或液态颗粒与半固态基底粘合最好基本原理-颗粒沉积 沉积的临界条件 q：单位面积传热速率：单位体积射流中金属质量 V：沉积颗粒轴向速率 h：金属比热 H：熔化潜热 T:颗粒到达沉积表面温度 T1：金属固相线温度)(4/1HhTTVq基本原理-颗粒沉积 在静止的基底上喷射沉积，通常获得的成型坯截面形貌为高斯曲线 对于运动的基底和不同角度的喷射，通常需通过计算机模拟预测最终形状基本原理-成坯形状工

8、艺过程与影响参数气雾化喷射沉积N2、Ar制备Al、Ni、Fe 等材料 离心雾化喷射沉积 可制备Ti等高活性金属材料工艺过程与影响参数 影响参数 成型坯的显微组织：雾化参数、喷射距离、熔体的热学参数 成型坯的形状：基板的移动方式、形状工艺过程与影响参数工艺过程与影响参数应用与举例应用与举例-应用应用 substantially lower costs than P/M products,approaching cost levels of direct chill(DC)cast alloys at high production volumes；critical properties such

9、 as fatigue life and fracture toughness are often improved as compared to P/M,mainly as a result of the absence of oxide contamination；ability to produce alloys not possible by ingot routes where the most dramatic improvements can be gained 应用与举例-铝合金 Hypereutectic Al-Si alloys exhibit refined silico

10、n particles on the order of 35 m in the as-sprayed condition as compared to hypereutectic alloys produced by casting,where primary silicon particles are often 100 m in size or more An Al-20Si-5Fe alloy(a)spray formed and(b)cast 应用与举例-铝合金 Al-Zn-Mg-Cu：强度最高的铝合金，可替代7075或钢铁、钛合金，采用铸造方法易发生宏观偏析 Al-Li：采用铸造法易

11、造成各向异性，通过喷射沉积，细化晶粒，可制备高均匀度材料应用与举例-铝合金表中的合金强度比常规合金高30%Table I.Properties of Spray-Formed Aluminum AlloysAlloyTensile Strength(MPa)Yield Strength(MPa)Elongation(%)D(g/cm3)Modulus(GPa)CTE(106/K)Al-20Si-5Fe-2Ni(4XXX)36024022.789816Al-11.5Zn-2.5Mg-1Cu-0.2Zr(7XXX)705688132.887421A l-4 L i-0.2Zr(8XXX)52845

12、94.72.418421.6应用与举例-铝合金 Deposition rates are maximized by using a twin-atomizing system,which operates at metal flow rates of approximately 15 kg/min.应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体 An Al/Si spray f o r m e d b i l l e t(300mm diameter x 2.5 m long)应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体 A high-pressure diecast engine block wi

13、th spray-formed Al/Si cylinder liners 应用与举例-采用垂直喷射方式制备大尺寸坯体 Swissmetall Boillat has developed and commercialized four spray-formed copper alloys(which could not be fabricated by ingot metallurgy due to excessive macrosegregation)应用与举例-铜合金Table II.The Typical Properties of Spray-Formed,Free-Machining

14、 Table II.The Typical Properties of Spray-Formed,Free-Machining Copper Alloy Rods(up to 5 mm diameter)Copper Alloy Rods(up to 5 mm diameter)AlloyAlloyModulus of Modulus of Elasticity,E Elasticity,E(kN/mm(kN/mm2 2)Yield Yield Strength,Strength,RpRp0.20.2 (N/mm(N/mm2 2)Tensile Tensile Strength,Strengt

15、h,RmRm (N/mm(N/mm2 2)ElongatElongation,A ion,A(%)(%)Hardness Hardness HVHVB 0 5-Hard858009005240B 0 5-SpringHard859001,0001260P S 2-Hard1058009501250应用与举例-铜合金 Typical processing conditions for D2 tool steel are 55 kg/min.atomizing rate and 0.75 m3/kg nitrogen consumption with a 90%deposition yield f

16、or a 400 mm diameter billet.This means a total spraying time of 50 minutes for a 2.4 m long x 400 mm diameter billet 应用与举例-特种钢A spray-formed special steel billet(400 mm diameter x 1 m)a uniform and dense macrostructure with freedom from macrosegregation 应用与举例-特种钢 The metal is deposited onto a low-co

17、st,pre-shaped,and pre-heated mild steel mandrel that rotates and traverses under the spray to produce the desired shape of ring preform 应用与举例-高温合金Schematic of Sprayform Technologies Spraycast-X process.A shaped and tapered Waspaloy Spraycast-X ring in the HIP+machined condition 应用与举例-高温合金应用与举例-高温合金应

18、用与举例-复合管、棒材在低碳钢基底上复合镍基高温合金(a)A schematic of the production of clad rolls and(b)(b)a clad roll A 8 m long,low-alloy steel billet spray clad with nickel-based alloy 应用与举例-复合管、棒材 a unique range of spray-formed Si/Al alloys with silicon contents up to 70%by weight；Such alloys cannot be successfully prod

19、uced by ingot casting or P/M routes due to excessive embrittlement from coarse silicon precipitates or oxide contamination Their low density,low CTE(stable over a wide temperature range),and high thermal conductivity make the SiAl alloys attractive for packaging microwave electronic circuitry and fo

20、r heat sinks,particularly for applications in aerospace,satellites,defense,telecommunications Their low density,low CTE(stable over a wide temperature range)应用与举例-低热膨胀系数Si-Al合金The CTE of spray-formed Si/Al alloys as a function of aluminum content 应用与举例-低热膨胀系数Si-Al合金A channel amplifier housing(80 mm

21、x 50 mm x 10 mm)in spray-formed Al-70Si A power amplifier package(50 mm square)应用与举例-低热膨胀系数Si-Al合金Spray Forming of Gamma Titanium Aluminides应用与举例背景 TiAl金属间化合物具有质量轻、比强度、比刚度高、高温性能好等优点，是非常具有发展前景的轻质高温材料 铸造性能与热加工性能较差，铸造材料脆性大，因而成型性能不佳 传统粉末冶金方法易带来杂质，以及工艺较复杂 喷射沉积优点：快速凝固与近型成形 等离子熔炼感应导向气体雾化 首先在水冷铜坩埚内用等离子弧多次熔炼

22、原料；随后浇成圆棒状。将圆棒料置于喷嘴上方的感应线圈中，圆棒的下端首先熔化，液滴被气体雾化并沉积于基板上。工艺原理喷射沉积坯孔隙分布底部孔隙最多，随着高度增加，逐渐减少，11cm处基本稳定分为两区：I：孔隙递减区，II：孔隙恒定区试验结果 在不同区域组织不同 底部：等轴状 中部：近层片组织（与成分有关）顶部：组织类型相近，但更细小显微组织 讨论 孔隙形成 凝固收缩 夹杂物导致孔隙 残余气体导致孔隙 孔隙分布与显微组织的形成讨论 沉积初期，液滴溅射在冷基板上，冷速快，收缩大，因而孔隙多，组织也为等轴状 随着液滴的沉积，基底温度升高，并逐渐达到恒定值，使得液滴的沉积过程趋于稳态，从而孔隙含量也稳定。冷速降低，显微组织也粗化 沉积末期，由于液滴量减少，散热变快，冷速增加，显微组织又有一定的细化讨论