專利名稱：采用緊耦合噴嘴制備高合金化材料的負壓噴射成形工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料制備技術領域，涉及ー種利用緊耦合霧化噴嘴通過負壓噴射成形制備高合金化材料(高溫合金、高速鋼)的エ藝方法。
背景技術：
噴射成形是ー種集高合金化金屬材料的熔煉、霧化、沉積于一體的近終成形短流程技術，該技術不但克服了傳統(tǒng)鑄造エ藝導致的宏觀偏析及組織粗大問題，而且避免了粉末冶金工藝繁瑣及粉末氧化嚴重等技術難題，特別適合于制備合金化程度高(如高溫合金、高速鋼等)容易產生偏析的金屬材料。噴射成形金屬材料具有組織細小、成分均勻、高固溶度等優(yōu)點。因而，噴射成形技術具有廣泛的適用性和產品的多祥性，它不僅適用于多種金屬材料，如高溫合金、高速鋼、工具鋼、模具鋼、鋁-硅合金等，而且為新型材料，如金屬間化合·物、復合材料和雙性能材料的研制提供了一種先進的技術手段。噴射成形エ藝過程主要由合金液霧化、熔滴飛行與冷卻、沉積坯生長三個連續(xù)過程構成。合金熔體在導流管末端，被霧化氣流破碎成尺寸在幾微米 幾百微米之間的大量細小熔滴，熔滴在高速氣流作用下加速，同時與氣流進行快速熱交換冷卻。霧化后的較大液滴如IOOym以上由于本身的熱容量高、質量大，受慣性力的作用比小液滴大，在氣體流場中的加速慢，液滴與氣流之間的換熱系數(shù)低，因此大尺寸的液滴在到達沉積面時還處在液相狀態(tài)。細小的固體顆粒和較大的液滴同時高速射向沉積面，與沉積面發(fā)生撞擊，固體顆粒的撞擊猶如噴丸強化，不斷對沉積層進行變形沖擊，使沉積層內無法形成大的枝晶組織；而較大體積的液滴在高速撞擊下變形成薄片狀附著在沉積層表面或發(fā)生濺射形成更為細小的液滴進行二次沉積或脫離沉積坯。這無數(shù)個凝固程度不同的熔滴高速撞擊沉積器表面，在沉積器表面附著、堆積、鋪展、熔合形成一薄半液態(tài)層并順序凝固結晶，逐步沉積成ー個大塊致密的金屬坯體。噴射成形把液態(tài)金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動態(tài)致密固化)結合在一歩冶金操作中完成，不但減少エ序，具有明顯的經濟效應，而且組織均勻，晶粒細小，提高了難變形加工金屬材料的性能。目前，噴射成形エ藝國內外較多的采用自由降落型噴嘴，雖然該類噴嘴減少了噴嘴堵塞的風險，但是霧化出的金屬熔滴尺寸較大，影響高合金化材料的組織均勻性。選用合適的噴嘴是獲得理想噴射成形高合金化材料組織的關鍵部件。噴射成形噴嘴設計需要考慮的因素包括(I)霧化氣體能夠獲得盡可能大的出口散射束和能量；(2)霧化介質與金屬熔體之間能形成合理的噴射角度；(3)工作穩(wěn)定，不易堵塞。緊耦合噴嘴的特點是霧化惰性氣體出口接近金屬液流出ロ，使得最多的氣體能量聚集作用于液態(tài)金屬，只有很少的一部分能量損失在氣體出口至液流之間的紊流中，加上霧化氣體可以采用較大的角度作用于金屬液，因此氣體動能損失較少，可以獲得中值粒徑較小的液滴。但是緊耦合噴嘴存在的ー個突出問題是容易堵塞。具體原因是由于導流管的前端受到霧化氣體的冷卻，金屬液在發(fā)生霧化前可能部分已凝固，所以緊耦合噴嘴一般用于低熔點合金的噴射成形，而較少用于高熔點材料，如高溫合金等。但是采用緊耦合噴嘴的噴射成形エ藝制備的高合金化金屬材料的晶粒度更細，組織更均勻，材料力學性能更好。因此，如果在制備エ藝上獲得突破，采用緊耦合噴嘴制備高熔點的合金材料如高溫合金也是可行的。例如，北京航空材料研究院采用緊耦合噴嘴的噴射成形エ藝制備高溫合金渦輪盤。制備出的噴射成形高溫合金渦輪盤有如下優(yōu)點①無宏觀偏析和粉末原始顆粒邊界(PPB)，組織細化，氧含量低且無粗大碳化物冷、熱加工性能和力學性能顯著提高；③制備エ序少，效率高，生產成本低。第二種是自由降落式霧化噴嘴。該種噴嘴中霧化氣體與金屬液開始相互作用的距離較長，由于作用距離長，氣流衰減快，能量利用率低，因此噴射沉積的熔滴尺寸較粗。國內張豪發(fā)明ー種制備大規(guī)格、多種形狀、高致密度、高性能合金及其復合材料的控制往復噴射成形裝置(專利號CN03230878.7)。該設備采用非限制式、非掃描霧化噴嘴，金屬熔體在高速惰性氣體的破碎和帶動下，形成高速的霧狀噴射流，噴射流與基底進行在線精確控制下的往復沉積運動，沉積于基底表面的合金快速冷卻，得到組織致密和一定形狀的沉積坯。該裝置采用非限制式(即自由降落型)噴嘴，在同樣的霧化壓カ條件下，霧化液滴的尺寸要比緊耦合式霧化噴嘴大，加上霧化熔滴的飛行速度較低，因此導致沉積坯中的·晶粒尺寸更大。使得采用非限制型噴嘴的噴射成形エ藝比采用緊耦合噴嘴的噴射成形エ藝制備的高合金化材料成分均勻性要差，且力學性能更低。為了提高噴射成形高合金化材料特別是高溫合金的純凈度，寶山鋼鐵股份有限公司的任三兵等提出ー種防止噴射成形制備高溫合金時被氧化的方法(專利號CN200710041267. 5)，在噴射成形設備中設置加熱體及耐熱坩堝材料，加熱體位置高于沉積器。而耐熱坩堝材料位于加熱體上部，其上面加入碳性材料顆粒；在熔煉過程及噴射過程中始終對碳性材料顆粒透燒，碳性材料顆粒在高溫下氧化，消耗氧氣的同時生成保護性氣體，防止高溫合金在噴射過程中受到氧化。但是在具體的高溫合金噴射成形過程中，國內外很少采用加熱碳生成具有還原性但同時具有毒性的一氧化碳來防止高溫合金氧化，エ藝可操作性并不強。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出ー種能夠提高高合金化材料的晶粒度，減小偏析的采用緊耦合霧化噴嘴制備高合金化金屬材料的負壓噴射成形エ藝方法。本發(fā)明的技術解決方案是(I)采用真空感應爐熔煉高合金化金屬材料；熔煉坩堝采用熱等靜壓加工的高純電熔鎂-鋁尖晶石耐火材料制備，其中，坩堝體密度> 99%，且新坩堝使用前必須經高溫烘烤和同類合金感應熔煉洗爐一次；(2)噴射成形噴嘴采用超音速緊耦合霧化噴嘴；霧化沉積的氣體壓カ為50 60atm ；(3)將合金裝入熔煉坩堝；(4)抽真空，送電感應加熱合金料采用機械泵，羅茨泵和增壓泵三級泵系統(tǒng)把設備的熔煉室、霧化室均抽真空，真空度< I X 10_2Pa，送電加熱合金料至合金熔化；(5)真空感應熔煉増大真空感應爐的電源功率，在真空環(huán)境中熔煉合金，待合金完全熔化后，精煉10 15分鐘，使熔化的合金料更均勻且更純凈；
(6)充氣在高真空環(huán)境下的合金精煉完成后，向熔煉室和霧化室充入高純氬氣，純度> 99. 9% wt, O2 < 2ppm,壓カ為 0. 95 Iatm ；(7)沉積室抽負壓啟動霧化沉積室的真空系統(tǒng)，把沉積室抽真空。通過真空機組保持熔煉室和霧化沉積室的壓差在0. 25 0. 5atm之間，即Psrtl室一P ft nS=0. 3
0.4atm ；(8)負壓霧化沉積在霧化沉積室的真空系統(tǒng)啟動3 5秒后，把感應熔煉坩堝內精煉均勻的鋼液按每分鐘20公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包導流系統(tǒng)內，當觀察到熔體流出導流管下端后，迅速打開緊耦合霧化噴嘴的高壓氣體閥，霧化沉積合金熔體，將熔滴噴射沉積在旋轉的沉積器上形成沉積坯；霧化氣體為高純氬氣，純度> 99. 99% wt, O2
<2ppm,霧化壓カ為80 lOOatm，霧化沉積30秒后，保持沉積室用于抽氣的真空機組處于工作狀態(tài)，沉積室內氣壓為-0. 2 -0. 3atm ；·(9)當霧化沉積完成后，把熔煉室和霧化沉積室抽真空，使高溫沉積坯處于真空狀態(tài)，真空度低于10_2Pa，合金坯體溫度冷卻低于200°C后，破真空取出沉積坯。本發(fā)明的優(yōu)點和效果本發(fā)明充分結合噴射成形エ藝與霧化噴嘴技術的優(yōu)點。利用真空感應熔煉設備熔煉噴射成形合金料，采用超音速緊耦合霧化噴嘴，通過優(yōu)化設計的負壓霧化沉積エ藝，制備出體密度高，晶粒細小的高合金化材料(高溫合金、高速鋼)霧化沉積坯，為噴射成形高溫合金渦輪盤、噴射成形エ模具鋼等材料打下基礎。本發(fā)明的優(yōu)點還包括①防止緊耦合霧化噴嘴堵塞。緊耦合超音速氣霧化噴嘴的堵塞問題一直是國內外噴射成形エ藝很難解決的難題。負壓霧化沉積エ藝防止了合金鋼液因傳輸距離長，溫度變化粘度増加造成的噴嘴堵塞，保證了合金熔體順暢流到噴嘴處進行霧化；②減少沉積坯內的氣體含量。從超音速噴嘴噴出的高壓氣體在負壓作用下，増大了霧化氣流對高溫合金液的相対速度，使霧化氣體與高溫合金熔體的動カ交互作用更強烈，提高金屬液到達沉積坯頂部時的破碎程度，有利于裹入或夾帶的霧化氣體的排出，提高沉積坯的致密度降低沉積坯內部晶粒尺寸；由于霧化效率提高，霧化熔滴的中值粒徑進ー步降低，沉積坯內晶粒尺寸更小。因此，冶金缺陷和夾雜物的尺寸也進ー步減小，提高了合金沉積坯的冶金質量。研究表明，高速鋼的抗彎強度與極限缺陷直徑的平方根成反比，因此消除大尺寸夾雜物成為提高高速鋼強度和質量的根本途徑之一。所有噴射成形高速鋼都由碳化物(碳化鎢、碳化鑰或碳化釩等)和回火的馬氏體基體組成。如果硬度高的碳化物在相對硬度較低、韌性高的鋼基體上分布不均勻，會直接縮短刀具和模具的使用壽命，而噴射成形高速鋼內部的碳化物在高速鋼內部分布十分均勻，因此，材料耐磨性更好，使用壽命更長；④設備操作更加安全可靠。通過真空系統(tǒng)進入沉積室的惰性氣體，有可能會導致霧化沉積室內的壓カ急劇升高，造成危險。通過負壓系統(tǒng)強制排出，提高了系統(tǒng)操作時的安全性。本發(fā)明有助于提高我國噴射成形高合金化材料(包括高溫合金、高速鋼等)的冶金質量和性能，推動我國高性能噴射成形高合金化材料的發(fā)展，縮短與歐美等發(fā)達國家的差距，解決制約噴射成形高合金化材料推廣應用的關鍵問題，為我國先進航空及航天發(fā)動機技木，以及加工制造工具的創(chuàng)新及進步提供技術支持。
具體實施方式
本發(fā)明的技術方案包括以下步驟(I)采用真空感應爐熔煉高合金化金屬材料；熔煉坩堝采用熱等靜壓加工的高純電熔鎂-鋁尖晶石耐火材料制備。其中，坩堝體密度> 99%，且新坩堝使用前必須經高溫烘烤和同類合金感應熔煉洗爐一次；(2)噴射成形噴嘴采用自主設計的超音速緊耦合霧化噴嘴；霧化沉積的氣體壓力為 50 60atm ；(3)選合金并裝料選擇ー種高合金化金屬材料，如高溫合金或エ模具鋼的合金錠，把合金料裝入坩堝；(4)抽真空，送電感應加熱合金料采用機械泵，羅茨泵和增壓泵三級泵系統(tǒng)把設備的熔煉室、霧化室均抽真空，真空度< lX10_2Pa。緩慢送電加熱合金料；(5)真空感應熔煉増大中頻電源功率，在真空環(huán)境中熔煉合金。合金完全熔化后，·精煉10 15分鐘，使熔化的合金料更均勻且更純凈；(6)充氣在高真空環(huán)境下的合金精煉完成后，向熔煉室和霧化室充入高純惰性氣體(> 99. 9% wt, O2 < 2ppm),壓カ為 0. 95 Iatm ；(7)沉積室抽負壓啟動霧化沉積室的真空系統(tǒng)，把沉積室抽真空。通過真空機組保持熔煉室和霧化沉積室的壓差在0. 25 0. 5atm之間，即Psrtl室一P ft nS=0. 3
0.4atm。(8)負壓霧化沉積在霧化沉積室的真空系統(tǒng)啟動3 5秒后，把感應熔煉坩堝內精煉均勻的鋼液按每分鐘20公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包導流系統(tǒng)內，當觀察到熔體流出導流管下端后，迅速打開緊耦合霧化噴嘴的高壓氣體閥，霧化沉積合金熔體，將熔滴噴射沉積在旋轉的沉積器上形成沉積坯；霧化氣體為高純惰性氣體(> 99. 99% wt, O2
<2ppm),霧化壓カ為80 lOOatm。霧化沉積30秒后,必須始終保持沉積室用于抽氣的真空機組處于工作狀態(tài)，沉積室內氣壓為-0. 2 -0. 3atm ；負壓霧化沉積的主要優(yōu)點包括①防止緊耦合噴嘴堵塞。緊耦合超音速氣霧化噴嘴的堵塞問題一直是國內外噴射成形エ藝很難解決的難題。負壓霧化沉積エ藝防止了合金鋼液因傳輸距離長，溫度變化粘度増加造成的噴嘴堵塞，保證了合金熔體順暢流到噴嘴處進行霧化；②減少沉積坯內的氣體含量。從超音速噴嘴噴出的高壓氣體在負壓作用下，增大了霧化氣流對高溫合金液的相対速度，使霧化氣體與高溫合金熔體的動カ交互作用更強烈，提高金屬液到達沉積坯頂部時的破碎程度，有利于裹入或夾帶的霧化氣體的排出，提高沉積坯的致密度降低夾雜物尺寸；由于霧化效率提高，高溫合金細粉的中值粒徑進ー步降低，因此，夾雜物的尺寸也進ー步減小，提高了合金沉積坯的冶金質量；④設備操作更加安全可靠。通過真空系統(tǒng)進入沉積室的惰性氣體，有可能會導致霧化沉積室內的壓カ急劇升高，造成危險。通過負壓系統(tǒng)強制排出，提高了系統(tǒng)操作時的安全性。(9)當霧化沉積完成后，把熔煉室和霧化沉積室抽真空，使高溫沉積坯處于真空狀態(tài)，真空度低于10_2Pa。合金坯體溫度冷卻低于200°C后，破真空取出沉積坯。實施例以合金料化學成分為(wt%)Cl.5 ；W12. 3 ；Co4. 66 ；V5. 2 ；Cr4. 16 ；MoO. 22 ;余 Fe 的高合金化材料為例，放入合金料的重量多少由坩堝大小決定。噴射成形制備高合金化材料的主要操作過程是采用真空感應爐熔煉高合金化金屬材料；熔煉坩堝采用熱等靜壓加工的高純電熔鎂-鋁尖晶石耐火材料制備。其中，坩堝體密度> 99%，且新坩堝使用前必須經高溫烘烤和同類合金感應熔煉洗爐一次；噴射成形噴嘴采用自主設計的超音速緊耦合霧化噴嘴；霧化沉積的氣體壓カ為50 60atm ;把合金料裝入坩堝；把熔煉室、霧化室抽真空，真空度< lX10_2Pa。緩慢送電加熱合金料；增大中頻電源功率，在真空環(huán)境中熔煉合金。合金完全熔化后，精煉10 15分鐘。合金精煉完成后，向熔煉室和霧化室充入高純惰性氣體(> 99. 9% wt,O2 < 2ppm)，壓カ為0. 95 Iatm ;啟動霧化沉積室的真空系統(tǒng)，通過真空機組保持熔煉室和霧化沉積室的壓差在0. 25 0. 5atm之間，即室—P ms=0- 3 0. 4atm。在霧化沉積室的真空系統(tǒng)啟動3 5秒后，把感應熔煉坩堝內精煉均勻的鋼液按每分鐘20公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包導流系統(tǒng)內，當觀察到熔體流出導流管下端后，打開緊耦合霧化噴嘴的高壓霧化氣體閥門，霧化沉積合金熔體，把熔滴噴射沉積在旋轉的沉積器上形成沉積坯；霧化氣體為高純惰性氣體(>99. 99% wt, O2 < 2ppm)，氣體壓カ為80 lOOatm。霧化沉積30秒后，始終保持沉積室內氣壓為-0. 2 -0. 3atm。霧化沉積完成后，把熔煉室和霧化沉積室抽真空，使高溫沉積坯處于真空狀態(tài)，真空度低于10_2Pa。合金坯體溫度冷卻低于200°C后，破真空取出沉積坯?！?br> 權利要求
1.一種采用緊耦合噴嘴制備高合金化材料的負壓噴射成形工藝，其步驟是 (1)采用真空感應爐熔煉高合金化金屬材料熔煉坩堝采用熱等靜壓加工的高純電熔鎂-鋁尖晶石耐火材料制備，其中，坩堝體密度> 99%，且新坩堝使用前必須經高溫烘烤和同類合金感應熔煉洗爐一次； (2)噴射成形噴嘴采用超音速緊耦合霧化噴嘴霧化沉積的氣體壓力為50 60atm； (3)將合金裝入熔煉坩堝； (4)抽真空，送電感應加熱合金料采用機械泵，羅茨泵和增壓泵三級泵系統(tǒng)把設備的熔煉室、霧化室均抽真空，真空度< I X 10_2Pa，送電加熱合金料至合金熔化； (5)真空感應熔煉增大真空感應爐的電源功率，在真空環(huán)境中熔煉合金，待合金完全熔化后，精煉10 15分鐘，使熔化的合金料更均勻且更純凈； (6)充氣在高真空環(huán)境下的合金精煉完成后，向熔煉室和霧化室充入高純氬氣，純度> 99. 9% wt, O2 < 2ppm,壓力為 0. 95 Iatm ； (7)沉積室抽負壓啟動霧化沉積室的真空系統(tǒng)，把沉積室抽真空。通過真空機組保持熔煉室和霧化沉積室的壓差在0. 25 0. 5atm之間，即P_s— P ras=0. 3 0. 4atm ； (8)負壓霧化沉積在霧化沉積室的真空系統(tǒng)啟動3 5秒后，把感應熔煉坩堝內精煉均勻的鋼液按每分鐘20公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包導流系統(tǒng)內，當觀察到熔體流出導流管下端后，迅速打開緊耦合霧化噴嘴的高壓氣體閥，霧化沉積合金熔體，將熔滴噴射沉積在旋轉的沉積器上形成沉積坯；霧化氣體為高純氬氣，純度> 99. 99% wt, O2< 2ppm,霧化壓力為80 lOOatm，霧化沉積30秒后，保持沉積室用于抽氣的真空機組處于工作狀態(tài)，沉積室內氣壓為-0. 2 -0. 3atm ； (9)霧化沉積完成后，把熔煉室和霧化沉積室抽真空，使高溫沉積坯處于真空狀態(tài)，真空度低于10_2Pa，合金坯體溫度冷卻低于200°C后，設備破真空取出沉積坯。
全文摘要
本發(fā)明屬于高性能金屬材料制備技術領域，涉及一種利用緊耦合霧化噴嘴通過負壓噴射成形制備高合金化材料(高溫合金、高速鋼)的工藝方法。本發(fā)明充分結合噴射成形工藝與霧化噴嘴技術的優(yōu)點。利用真空感應熔煉設備熔煉合金料，結合超音速緊耦合霧化噴嘴，通過優(yōu)化設計的負壓霧化沉積工藝，制備出體密度高、晶粒細小、組織均勻的高合金化材料(高溫合金、高速鋼)霧化沉積坯，為噴射成形高溫合金渦輪盤、噴射成形工模具鋼等材料的推廣應用打下基礎。
文檔編號B22F3/115GK102784916SQ201210265538
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權日2012年7月27日
發(fā)明者張勇, 張國慶, 李周, 袁華, 許文勇 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院