專利名稱：噴射沉積制備大型環(huán)件的方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，本發(fā)明還涉及該方法所使用的設備。
背景技術：
大型環(huán)型結構件，特別是Al、Mg輕合金環(huán)件，廣泛地用于宇航、航空、交通、能量工業(yè)等方面，如宇航空間站的圈梁、框架；航空航天器的艙門、法蘭；高速列車制動盤、大型工程機械、框架材料等。大型環(huán)件的傳統制備方法是采用鑄造錠坯鍛造厚板，再機加工成形(掏空)的工藝路線，這樣的環(huán)件材料利用率低，變形不均勻導致組織均勻性差，產品成本高，力學性能不夠理想。若采用鑄造環(huán)形錠坯，再鍛造成形和機加工成形的工藝路線，則存在鑄造工藝復雜，鑄坯質量差等的問題。
對于大型或特大型環(huán)件(直徑3.5米以上)，由于厚徑比相對較小，鑄造成型除了造型、澆鑄方面的困難外，同時將由于鑄件大型化造成冷速低、組織粗大、性能低劣，特別是環(huán)件的周向凝固收縮量大，難以避免所產生的內應力使環(huán)件嚴重變形，以至開裂等問題。據悉，國內某大型鋁加工廠對于大型鋁合金環(huán)件的成型，采用先鑄造與環(huán)件同直徑的實心盤形件，然后通過機加工將其“挖空”制成環(huán)件，造成了人力、財力上的巨大浪費。
粉末冶金方法制備的材料雖然性能優(yōu)異，但在制備大型結構件，特別是環(huán)狀件的需要特大型的模具壓力機和燒結設備，這是目前無法克服的工藝與設備問題。在壓制成型、燒結方面無法進行，因為沒有如此大型的壓力機和燒結爐。
二十世紀七十年代初提出的噴射沉積工藝是介于鑄造冶金與粉末冶金之間的第三種材料坯件的成型方法，其基本原理是將熔融金屬或合金通過高壓高速惰性氣體霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在相對較冷的基體上，經過撞擊、聚結、凝固而形成沉積坯。作為一種新型的快速凝固制坯方法，該技術被廣泛用于制備各種合金及復合材料管、錠和板坯等。傳統的噴射沉積由于在沉積過程中，坯件成型僅僅依賴基體運動，噴射流采用較大流量一次掃描沉積而成，難以制備大型坯件，沉積過程凝固冷速較低組織在制備大尺寸的厚壁管板坯和大直徑圓柱錠坯時，組織成普通鑄狀組織易于惡化成普通鑄組織。申請人在近年來發(fā)明了公告號為“CN1115217”的專利“移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法及其裝置”，克服了傳統噴射沉積技術的諸多缺陷，成功地制備出尺寸精確、組織微細、均勻性能優(yōu)異的大型管坯、錠坯及板坯。但對于大型環(huán)件，特別是直徑大于3000～4000mm厚徑比較小的特大型環(huán)件的制備，由于沉積坯在冷卻過程不可避免產生體積收縮，特別是周向收縮量大、而產生巨大的熱應力，致使其開裂崩斷，這一問題一直有待于解決。
綜上所述，大型環(huán)件的制備無論是鑄造，粉末冶金工藝還是現有的傳統噴射沉積工藝都無法很好地解決大尺寸環(huán)件的制備問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種對于大型環(huán)件的制備不會產生開裂崩斷的噴射沉積制備大型環(huán)件的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供該方法所采用的設備。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，將熔融金屬或合金在惰性氣體中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經撞擊、聚結、凝固而形成沉積坯，且坩堝和霧化器的運動以及基體的旋轉、升降運動均由智能控制，基體采用內熱方法加熱，其特征是熔融金屬過熱溫度為150～350℃，噴射高度為100～300mm，霧化氣壓為0.8～1.2MPa，液流直徑為3.0～6.0mm，基體轉速為1～10rpm，坩堝運動速率為5～20mm/s，基體升降速度為0.1～1.0mm/min。
作為本發(fā)明的一種改進，制備沉積基體為大直徑、扁平圓柱型時，沉積基體及沉積基體加熱機構通過輪輻固定在主軸上，主軸可作旋轉、升降運動，且加熱機構與沉積基體之間保留一定距離，沉積基體采用非連續(xù)形式，即由若干弧形板構成，板與板之間留有伸縮縫，當沉積坯冷凝收縮時，起松馳應力的作用，收縮縫上預先設置蓋板，防止噴射流進入，沉積基體與蓋板依靠兩側的測壓板夾持以摩擦力固定在輪輻上，融熔金屬霧化噴射流噴向環(huán)型沉積基體側面，沉積層沿徑向長大。
該方法所采用的設備的結構是霧化室上方設有由曲柄連桿機構帶動坩堝和噴槍運動的噴射霧化系統，主軸水平設置在所述的霧化室內，在所述的主軸上徑向設有與噴射霧化系統對應的由若干弧形板構成的環(huán)型沉積基體板及基體板加熱電爐，所述的主軸驅動系統設置在主軸支撐系統上，所述的主軸支撐系統設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
噴射沉積制備環(huán)件時，坩堝內的熔融金屬流徑噴槍，被高壓氣體霧化成噴射流，直接沉積在環(huán)型沉積基體板上，環(huán)型沉積基體板一方面隨主軸作旋轉運動，另一方面隨沉積層厚度增加隨主軸升降系統作下降移動。坩堝及噴槍由曲柄連桿機構帶動作水平往返運動使噴射流在基體板上左右掃描。掃描的距離為環(huán)型坯件的高度，基體板的下降高度決定坯件的外徑。環(huán)型沉積基體板的直徑決定于環(huán)件的內徑。
作為本發(fā)明的另一種改進，沉積基體采用圓盤環(huán)形基體板，盤面朝上，霧化噴射流直接在盤面上往返掃描形成沉積層，沉積層不斷累積形成環(huán)形坯件，沉積基體一方面作旋轉運動，同時隨沉積層增高作下降移動，下降的距離即為環(huán)形坯件的高度，圓盤環(huán)形基體板中心不存在支撐機構，圓盤環(huán)形基體板冷凝時徑向不受制約，可自由收縮以消除熱應力。
該方法所采用的設備的結構是霧化室上方設有由曲柄連桿機構帶動坩堝和噴槍運動的噴射霧化系統，主軸垂直設置在所述的霧化室內，在所述的主軸上端徑向設有與噴射霧化系統對應的環(huán)型沉積基體板及基體板加熱電爐，所述的主軸驅動系統設置在主軸支撐系統上，所述的主軸支撐系統設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
噴射沉積過程中，坩堝中的熔融金屬通過噴槍被高壓氣壓霧化形成噴射流直接沉積在環(huán)形沉積基體板上，形成沉積層，沉積層不斷累積形成環(huán)形坯件。坩堝及噴槍作水平運動，使噴射流在基體上往返掃描，掃描的距離決定于環(huán)件的厚度，環(huán)形沉積基體板一方面隨主軸作旋轉運動，同時隨沉積層增高隨主軸升降系統作下降移動，下降的距離即為環(huán)形坯件的高度。
本發(fā)明采用沉積基體結構以及噴射沉積方法，結合移動坩堝運動機構的智能控制，與基體的旋轉、下降運動有機地結合，提供了一套全新的大尺寸環(huán)件的噴射沉積制備方法及其裝置。提供了一套全新的噴射沉積方法及設備，成功地解決了大型環(huán)件及其復合材料的制備，且產品組織均勻、晶粒度達到幾十μm以下，材料利用率高，坯錠尺寸可以任意大。性能優(yōu)越，環(huán)件尺寸精度高，成本低廉，可以進行大規(guī)模的連續(xù)生產。


圖1是本發(fā)明立式噴射沉積制備環(huán)件裝置結構示意圖；圖2是立式噴射沉積制備環(huán)件裝置基體板及加熱電爐結構如圖；圖3是圖2中A--A向剖視圖；圖4是本發(fā)明臥式噴射沉積制備環(huán)件裝置結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1參見圖1、圖2和圖3，利用立式噴射沉積制備環(huán)件裝置制備沉積基體為大直徑、扁平圓柱型，采用如附表所示工藝參數，成功地制備出了直徑為3700mm，厚300mm，高200mm，質量約為1.2t的特大型5005鋁合金環(huán)件。環(huán)件表面狀態(tài)良好，無任何裂紋。
附表 大型環(huán)件噴射沉積工藝參數

霧化室12上方設有由曲柄連桿機構1帶動坩堝20和噴槍19運動的噴射霧化系統，在霧化室12下部設有排風口11，主軸15水平設置在霧化室12內，所述的主軸15與所述的霧化室12之間設有密封滑板13，在主軸15上徑向設有與噴射霧化系統對應的由若干弧形板21構成的環(huán)型沉積基體板18及基體板加熱電爐17，主軸驅動系統設置在主軸支撐系統5上，主軸支撐系統5設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
主軸支撐系統5通過固定在機座26上的滑桿27套裝在機座26上。
主軸驅動系統主軸回轉驅動電機4通過鏈傳動3與主軸15傳動聯接。
主軸升降系統包掛主軸驅動電機7通過鏈傳動9、傳動軸系8與左升降絲桿6、右升降絲桿10傳動聯接，所述的左升降絲桿6、右升降絲桿10與主軸支撐系統5傳動聯接。
主軸回轉驅動電機4通過鏈傳動機構3驅動主軸15繞軸向旋轉，環(huán)型沉積基體板18，基體板加熱電爐17依靠輪輻16固定在主軸15上，并隨之一同旋轉。主軸15通過軸承依托左升降支架2、右升降支架14支撐在主軸支撐系統5上。主軸升降驅動電機7經減速機通過鏈傳動9及傳動軸系8驅動左旋升降絲桿6以及右旋升降絲桿10旋轉。左升降絲桿6、右升降絲桿10的轉動，帶動主軸支撐系統5作上、下移動。左升降支架2、鏈傳動機構3、右升降支架14、主軸15、輪輻16固定在主軸支撐系統5上，隨之同步作上、下移動。主軸15移動時與霧化室12之間利用密封滑板13密封，防止霧化過噴粉末噴出。曲柄連桿機構1，通過導板帶動坩堝20、噴槍19作水平往返運動。
噴射沉積制備環(huán)件時，坩堝20內的熔融金屬流徑噴槍19，被高壓氣體霧化成噴射流，直接沉積在環(huán)型沉積基體板18上，環(huán)型沉積基體板18一方面隨主軸15作旋轉運動，另一方面隨沉積層厚度增加隨主軸支撐系統5作下降移動。坩堝20及噴槍19水平往返運動使噴射流在環(huán)型沉積基體板18上左右掃描。掃描的距離為環(huán)型坯件的高度，環(huán)型沉積基體板18的下降高度決定坯件的外徑。環(huán)型沉積基體板18的直徑決定于環(huán)件的內徑。
環(huán)型沉積基體板18采用非連續(xù)形式，即由若干弧形板21構成，板與板之間留有伸縮縫22，當沉積坯冷凝收縮時，起松馳應力的作用。為防止噴射開始時噴射物進入伸縮縫22中，伸縮縫22事先采用蓋板24蓋住。蓋板24將收縮縫22蓋住，基體板加熱電爐17與弧形板21之間保留一定距離。側壓板25通螺栓23固定在輪輻16上，依靠磨擦力夾持弧形板21及蓋板24。
實施例2參見圖4，用臥式噴射沉積制備環(huán)件裝置圓盤環(huán)形基體板，采用附表所示的工藝參數，成功地制備出1200mm×200mm×200mmA359/SiCp鋁基復合材料環(huán)件，經后續(xù)加工后可用于制備高速列車用鋁基復合材料制動盤。
霧化室317上方設有由曲柄連桿機構31帶動坩堝321和噴槍320運動的噴射霧化系統，霧化室317由機座322支撐，霧化室317外層設有帶進水口35和出水口323的水冷夾層318，下部設有排風口316，主軸34垂直設置在霧化室317內，在主軸34上端水平設有與噴射霧化系統對應的基體環(huán)板32及加熱電爐33，主軸驅動系統設置在主軸支撐系統上，主軸支撐系統設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
主軸支撐系統導向桿310和升降絲桿311固裝在機座322上，主軸升降滑動箱314套裝在導向桿310上，用于支撐主軸34的主軸上支撐36和主軸下支撐39安裝在主軸升降滑動箱314上。
主軸驅動系統主軸旋轉電機38通過旋轉傳動齒輪37與主軸34傳動聯接。
主軸升降系統主軸升降電機313安裝在主軸升降滑動箱314，主軸升降滑動箱314套裝在導向柱310上，導向柱310和升降絲桿311設置在機座322上，主軸升降電機313通過升降傳動齒輪312與升降絲桿311傳動聯接。
基體旋轉電機38通過旋轉傳動機構37，以齒輪帶動主軸34旋轉?；w環(huán)板32通過法蘭固定在主軸34并隨之一同旋轉。主軸升降電機313驅動升降齒輪傳動機構312通過升降絲桿311使主軸升降滑動箱314系統沿導向柱310作上、下移動。主軸34通過主軸上支撐36、主軸下支撐39與主軸升降滑動箱14連接，基體旋轉電機38、旋轉傳動機構37、主軸升降電機313、升降齒輪傳動機構312、主軸上支撐36、主軸下支撐39、主軸34、升降箱體滑套315與主軸34構成一個整體同步移動。曲柄連桿機構31通過導板319帶動坩堝321及噴槍320作水平往返運動。坩堝321、噴槍320固定在導板319上。
噴射沉積過程中，坩堝321中的熔融金屬通過噴槍320被高壓氣壓霧化形成噴射流直接沉積在基體環(huán)板32上，形成沉積層，沉積層不斷累積形成環(huán)形坯件。
坩堝321及噴槍320水平運動，使噴射流在基體環(huán)板32上往返掃描，掃描的距離決定于環(huán)件的厚度，基體環(huán)板32一方面隨主軸34作旋轉運動，同時隨沉積層增高隨主軸34作下降移動。下降的距離即為環(huán)形坯件的高度。
權利要求
1.一種噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，將熔融金屬或合金在惰性氣體中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經撞擊、聚結、凝固而形成沉積坯，且坩堝和霧化器的運動以及基體的旋轉、升降運動均由智能控制，基體采用內熱方法加熱，其特征是熔融金屬過熱溫度為150～350℃，噴射高度為100～300mm，霧化氣壓為0.8～1.2MPa，液流直徑為3.0～6.0mm，基體轉速為1～10rpm，坩堝運動速率為5～20mm/s，基體升降速度為0.1～1.0mm/min。
2.根據權利要求1所述的噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，其特征是制備沉積基體為大直徑、扁平圓柱型時，沉積基體及沉積基體加熱機構通過輪輻固定在主軸上，主軸可作旋轉、升降運動，且加熱機構與沉積基體之間保留一定距離，沉積基體采用非連續(xù)形式，即由若干弧形板構成，板與板之間留有伸縮縫，當沉積坯冷凝收縮時，起松馳應力的作用，收縮縫上預先設置蓋板，防止噴射流進入，沉積基體與蓋板依靠兩側的測壓板夾持以摩擦力固定在輪輻上，融熔金屬霧化噴射流噴向環(huán)型沉積基體側面，沉積層沿徑向長大。
3.根據權利要求1所述的噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，其特征是沉積基體采用圓盤環(huán)形基體板，盤面朝上，霧化噴射流直接在盤面上往返掃描形成沉積層，沉積層不斷累積形成環(huán)形坯件，沉積基體一方面作旋轉運動，同時隨沉積層增高作下降移動，下降的距離即為環(huán)形坯件的高度，圓盤環(huán)形基體板中心不存在支撐機構，圓盤環(huán)形基體板冷凝時徑向不受制約，可自由收縮以消除熱應力。
4.根據權利要求2所述的噴射沉積制備大型環(huán)件的設備，其特征是霧化室(12)上方設有由曲柄連桿機構(1)帶動坩堝(20)和噴槍(19)運動的噴射霧化系統，主軸(15)水平設置在所述的霧化室(12)內，在所述的主軸(15)上同軸設有與噴射霧化系統對應的由若干弧形板(21)構成的環(huán)型沉積基體板(18)及環(huán)型基體板加熱電爐(17)，主軸驅動系統設置在主軸支撐系統(5)上，所述的主軸支撐系統(5)設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
5.根據權利要求3所述的噴射沉積制備大型環(huán)件的設備，其特征是霧化室(317)上方設有由曲柄連桿機構(31)帶動坩堝(321)和噴槍(320)運動的噴射霧化系統，主軸(34)垂直設置在所述的霧化室(317)內，在所述的主軸(34)上端水平設有與噴射霧化系統對應的環(huán)型沉積基體板(32)及基體板加熱電爐(33)，主軸驅動系統設置在主軸支撐系統上，所述的主軸支撐系統設置在主軸升降系統上，所述的噴射霧化系統、主軸驅動系統和主軸升降系統均由智能控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種噴射沉積制備大型環(huán)件的方法，將熔融金屬或合金在惰性氣體中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經撞擊、聚結、凝固而形成沉積坯，且坩堝和霧化器的運動以及基體的旋轉、升降運動均由智能控制，基體采用內熱方法加熱，其特征是熔融金屬過熱溫度為150℃～ 350℃，噴射高度為100～300mm，霧化氣壓為0.8～1.2MPa，液流直徑為3.0～6.0mm，基體轉速為1～10rpm，坩堝運動速率為5～20mm/s，基體升降速度為0.1～1.0mm/min。本發(fā)明還公開了該方法所采用的設備。本發(fā)明是一種對于大型環(huán)件的制備不會產生開裂崩斷的噴射沉積制備大型環(huán)件的方法。
文檔編號B22F3/115GK1559727SQ20041002295
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權日2004年3月5日
發(fā)明者陳振華, 陳剛, 嚴紅革, 傅定發(fā) 申請人:湖南大學