專利名稱：噴射沉積的設備與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金或復合材料的生產(chǎn)技術(shù)，特別是噴射沉積設備與工藝。
目前，噴射沉積工藝已廣泛地用于各種管坯、板坯、棒坯等合金和復合材料的生產(chǎn)，該技術(shù)本質(zhì)上都是采用了英國A·singer教授70年代提出的噴射沉積原理即將熔融金屬或合金在惰性氣氛中霧化為顆粒噴射液流，直接噴射在較冷的基體上，經(jīng)撞擊、聚結(jié)、凝固成沉積物，其共同特點是沉積物由噴射液流一次性經(jīng)過基體沉積而成?！侗鞑牧峡茖W與工程》第17卷第2期(1994年3月)介紹了該工藝的設備和工藝過程，這種工藝兼有粉末冶金和快速凝固的特點，克服了金屬熔體中的偏聚和凝固偏析，能獲得快速凝固組織和難加工材料的幾凈成形，同時可實現(xiàn)制粉和材料復合成形一步完成，與普通的鑄造-壓力加工及粉末冶金相比較，它設備工藝簡單，能減少許多加工工序，金屬利用率高，并能節(jié)省大量的能耗。傳統(tǒng)的噴射設備，一般采用如

圖1、圖2所示設備，其中包括坩堝1、噴嘴2、基體3、霧化室4、排氣管5、傳動裝置6、內(nèi)冷裝置7，其霧化過程冷卻速度雖較高，達103～105k/s，但沉積物冷卻速度一般僅為10～102k/s，同時在制備直徑較大的管坯、厚壁的簡坯、寬和厚的板坯時，加工尺寸往往難達到要求，因為如果通過提高噴射密度來解決，由于冷凝速度不快，造成沉積物的偏析、晶粒粗化、熱縮孔缺陷，如采用V型噴嘴、搖動掃描噴嘴或多個噴嘴，工藝又很復雜，這樣沉積物的尺寸受到很大限制。
本發(fā)明的目的是提供一種噴射沉積的新設備和工藝，以加快冷卻速度，增加噴射沉積物的尺寸，提高噴射大型坯件質(zhì)量，同時又不使設備、工藝復雜化。
本發(fā)明的噴射沉積設備增加了運動控制裝置8、外強冷裝置9和連接板10，與坩堝1連成一體的噴嘴2和外強冷裝置9的導管11均穿過連接板10，并緊固在連接板10上，與連接板10共同組成坩堝系統(tǒng)，連接板10即作為霧化室4的上蓋，運動控制裝置8作用在連接板10上，控制坩堝系統(tǒng)的運動，其速度的大小和方向均可以調(diào)節(jié)。外強冷裝置9包括供氣瓶、開關(guān)閥和導管11，其作用是，噴射液流13噴到基體3上后，外強冷裝置9導管噴射口12立即噴射冷卻介質(zhì)，對沉積物14進行外冷，其冷卻介質(zhì)為液氦或惰性氣體。根據(jù)噴射坯件的不同，坩堝系統(tǒng)的運動軌跡和外強冷裝置9亦不相同，當噴射管材時，如圖3所示，外強外冷裝置9的導管噴射口12位于基體3下方，與噴嘴2相對，坩堝系統(tǒng)沿基體3的母線作近似勻速直線運動，同時基體3母線又繞其軸線作勻速轉(zhuǎn)動，金屬噴射液粒噴射在基體3上的沉積軌跡為圓柱螺旋線；噴射板坯時，如圖4所示，外強冷裝置9在噴嘴2兩側(cè)各有一導管噴射口12，根據(jù)坩堝系統(tǒng)的不同運動方向，分別開啟對應的導管噴射口而關(guān)閉另外一導管噴射口，使冷卻介質(zhì)恰好在每層噴射液流13沉積后噴入，對每層沉積物14進行外冷，坩堝系統(tǒng)沿平面板狀基體3兩平行邊作往復運動，基體3同時垂直于坩堝系統(tǒng)運動方向作往復運動，金屬噴射液粒噴射在基體3上的沉積軌跡為正弦曲線。運動過程中，導管11的導管噴射口12與噴嘴2的相對位置始終不變。這樣制得的沉積物14每一層都是坩堝系統(tǒng)和基體3多次運動的結(jié)果，合金或復合材料的均勻性、平整性較基體3單方面運動都大大提高。根據(jù)不同的沉積坯尺寸，可以調(diào)整相應的坩堝系統(tǒng)、基體3的運動距離，而調(diào)整坩堝系統(tǒng)、基體3的運動速度，可以滿足沉積坯的不同性能要求。
利用上述設備和方法制取合金或復合材料時，多層噴射的最佳沉積條件，取決于金屬液體的過熱溫度、氣體與噴射金屬液流的質(zhì)量比、噴射距離和基體3、坩堝系統(tǒng)的運動速度。由于基體3可往復運動，多層次噴射沉積中，同一位置的后一沉積物到達距前一沉積物到達的時間間隔比較長，前一層沉積物比較容易濺射凝固，容易形成濺射邊界，影響噴射坯件的質(zhì)量，為保證后一層噴射沉積物到達之前前一層沉積物不完全濺射凝固，消除濺射邊界，實現(xiàn)最佳沉積條件，生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)中，熔融金屬的過熱溫度選取100～200℃，噴射距離用150～200mm，霧化氣壓為1.0～1.2MPa，噴嘴出口徑2.8～3.0mm，基體3轉(zhuǎn)動或移動的頻率(單位時間內(nèi)基體轉(zhuǎn)動的周數(shù)或往返移動次數(shù))同坩堝1的移動頻率避免選用倍數(shù)關(guān)系，坩堝的運動頻率一般可用1/10～1/6Hz，基體的運動頻率可用1/40～1/30Hz。當需要制造長管和大板坯件時，還可同時使用多個坩堝、噴嘴和導管噴射口，來滿足最佳沉積條件。此外，用不同的坩堝分別放不同的金屬液、加強相制取復合材料時，復合材料的均勻性大大提高。
由于采用了上述工藝，大大加快了沉積物的冷卻速度，使沉積物的沉積速度由10～102k/s提高到103～104k/s，在噴射大型坯件時，容易實現(xiàn)最佳沉積條件，增加了噴射坯件的尺寸，能生產(chǎn)Φ270×350mm，壁厚為80mm質(zhì)量為30Kg以至更大的合金鋁錠，與坩堝或基體單方面運動相比，大大提高了沉積坯件的精度，使坯件平整、均勻。同時，又為復合材料加強相的均勻分布提供了一種新方法。
圖1為傳統(tǒng)噴射沉積管坯生產(chǎn)設備示意圖；圖2為傳統(tǒng)噴射沉積板坯生產(chǎn)設備示意圖；圖3為本發(fā)明噴射沉積管坯生產(chǎn)設備示意圖4為本發(fā)明噴射沉積板坯生產(chǎn)設備示意圖。
實施例1，用鋁-鐵-礬-硅為原料，在坩堝1中將其熔化，過熱溫度選取200℃，噴射距離用153mm，霧化氣壓為1.2MPa，噴嘴出口徑2.9mm，基體轉(zhuǎn)動的頻率為80轉(zhuǎn)/分，坩堝1往返頻率為7次/分，生產(chǎn)出尺寸為內(nèi)徑Φ內(nèi)為124mm，外徑Φ外為290mm，長L為300mm，重量為30Kg的鋁合金管材。強冷裝置9使用的冷卻介質(zhì)為惰性氣體，坩堝系統(tǒng)由運動控制裝置8的電機帶動轉(zhuǎn)盤，通過連桿傳動帶動連接板10，控制坩堝系統(tǒng)的運動，使坩堝系統(tǒng)沿基體母線作均速往復運動，運動距離為250mm。其沉積物冷卻速度達104k/s。
權(quán)利要求
1一種噴射沉積設備，包括坩堝、噴嘴、基體、排氣尾管、傳動裝置、外強冷裝置，其特征在于本發(fā)明還包括控制連接板運動的運動控制裝置、冷卻沉積物的外強冷裝置和連接板，與坩堝連成一體的噴嘴和外強冷裝置的導管均穿過連接板，并緊固在連接板上。
2一種采用權(quán)利要求1所述的噴射沉積設備的生產(chǎn)工藝，其特征在于坩堝中熔融金屬的過熱溫度選取100～200℃，噴射距離為150～200mm，霧化氣壓為1.0～1.2MPa，噴嘴出口徑2.8～3.0mm，坩堝的運動頻率用1/10～1/6Hz，基體運動頻率用1/40～1/30Hz，且坩堝移動的頻率同基體運動頻率不成倍數(shù)關(guān)系。
3根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的噴射沉積設備和工藝，其特征在于外強冷裝置中的冷卻介質(zhì)為液氦或惰性氣體。
4根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的噴射沉積設備和工藝，其特征在于噴射管坯時，坩堝沿基體母線作往復直線運動，外強冷裝置的導管噴口開于基體下方，正對噴嘴；噴板坯時，坩堝沿基體平行邊作往復直線運動，外強冷裝置的導管噴射口位于噴嘴兩側(cè)，運動過程中，外強冷裝置的導管噴射口與噴嘴的相對位置不變。
5根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射沉積設備和工藝，其特征在于連接板上可以有多個坩堝、噴嘴和外強冷裝置的導管噴射口，坩堝中的金屬可以相同或不相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種噴射沉積的設備與工藝，該設備比傳統(tǒng)的設備增加了運動控制裝置、外強冷裝置和連接板，坩堝、噴嘴和外強冷裝置固定在連接板上，由運動控制裝置控制其運動，冷卻介質(zhì)為液氮或惰性氣體，采用普通噴嘴就可完成較大坯件的生產(chǎn)，熔融金屬的過熱溫度選取100～200℃，噴射距離用150～200mm，霧化氣壓為1.0～1.2MPa，噴嘴出口徑2.8～3.0mm，沉積物冷卻速度大大增加，由10～10
文檔編號C23C4/12GK1140767SQ9511086
公開日1997年1月22日 申請日期1995年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月17日
發(fā)明者陳振華, 蔣向陽, 楊伏良, 周多三, 張豪, 陳剛 申請人:中南工業(yè)大學