金属材料制备喷射成型技术

喷射成形（Spray Forming）技术，也有人称为喷射沉积（Spray Deposition）或喷射铸造（Spray casting）技术，这是廿世纪80年代以来，工业发达国家在传统快速凝固／粉末冶金（RS/PM）工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。

喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。

这样，通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征，整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。

采用喷射成形工艺制备的材料与用传统铸造或变形工艺制备的材料相比，由于在制备过程中的快速冷却使显微组织明显细化、析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观和微观上得到有效地控制，因此材料的力学性能几乎没有各向异性，使材料的总体性能得到了明显的提高。

这种新工艺与传统的粉末冶金工艺相比，由于从冶炼到坯件成形可在一个工序完成，省去了粉末冶金制粉、混料、压坯和烧结等多道工序，且可有效地控制材料中的氧含量与纯净度，这可使材料坯件的制造成本大幅度地降低。

当今，各工业发达国家利用喷射成形技术在高速钢、高温合金、铝合金、铜合金等先进材料的开发和生产方面已经取得了很大进展，其中高性能铝合金是喷射成形技术领域中最具吸引力的开发方向。

喷射成形技术的开发和应用喷射成形技术作为一种高新技术，其产品可广泛用于航天、航空、国防、汽车、化工、海洋和石油等工业领域。

国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。

目前，已经能生产直径450mm和长度2500mm的棒材，其收得率可高达70%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，其收得率为80%~90%。

而成形的合金材料主要有：铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。

简述熔融沉积成型的成型原理熔融沉积成型是一种高效、精确的制造技术，可以实现复杂零件的快速制造。

其成型原理主要基于熔融金属的沉积和凝固过程。

在熔融沉积成型过程中，金属材料首先被加热至其熔点以上，使其变为熔融状态。

然后，通过控制加热源的移动和喷射速度，将熔融金属喷射到工件的特定位置上。

在喷射过程中，熔融金属与已有的材料层发生热交换，迅速冷却并凝固。

随着喷射的持续进行，熔融金属逐渐沉积在工件上，形成所需的形状和结构。

熔融沉积成型的成型原理可以分为以下几个关键步骤：1. 材料预处理：在熔融沉积成型之前，需要对金属材料进行预处理。

这包括去除表面的氧化物和杂质，以确保沉积的金属材料具有良好的质量和精度。

2. 加热和熔化：通过引入高温能源，如激光束或电弧，将金属材料加热至其熔点以上，使其变为熔融状态。

在熔化过程中，金属材料的颗粒逐渐熔化并形成液态金属。

3. 喷射和沉积：通过控制加热源的移动和喷射速度，将熔融金属喷射到工件的特定位置上。

喷射过程中，熔融金属与已有的材料层发生热交换，迅速冷却并凝固。

随着喷射的持续进行，熔融金属逐渐沉积在工件上，形成所需的形状和结构。

4. 层与层的连接：在沉积过程中，各层之间需要保持良好的连接。

这可以通过控制喷射参数、调整喷射路径和优化沉积策略来实现。

确保各层之间的连接性对于最终工件的性能和质量非常重要。

5. 结构调整和后处理：在完成沉积过程后，可能需要对工件进行结构调整和后处理。

这包括去除不需要的材料、表面光洁处理、热处理等。

这些步骤可以进一步提高工件的质量和性能。

熔融沉积成型技术的成型原理基于金属材料的熔化和凝固过程，通过控制喷射参数和沉积策略，可以实现复杂零件的高精度制造。

与传统的制造方法相比，熔融沉积成型具有快速、灵活和可定制性强的优势，被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。

随着材料科学和制造技术的不断发展，熔融沉积成型技术将进一步推动制造业的创新和进步。

喷射成型技术一、概述喷射成型一般用于复合材料和金属粉末中，常用的玻璃钢喷射成型法是使用喷射机将玻璃纤维切断(通常切成25～30mm长)并与树脂一起喷到模具外表，再用辊子将沉积物压平实，同时去除气泡喷射成型是一种半机械化操作，生产效率比手糊成型高2一4倍，劳动强度低，尤其对于大制品，其优点更为突出。

采用喷射成型的制品有游艇、船舶、汽车外壳和槽罐、家具、浴缸、等。

喷射成型无搭缝，制品整体性好，可涂敷胶衣树脂。

增强材料采用了最廉价的粗纱，从而降低了材料费用。

另外，这种成型装置构造紧凑且搬运容易。

喷射成型的开展方向是代替手糊法制作玻璃钢。

在手糊成型工艺中，操作者常触及原材料，而原材料中含有一些挥发性较强的毒性化学辅助剂，假设施工现场排风及个人防护条件较差，常会产生身体不适的病症。

因此从保护操作人员的身体安康方面来说，也需要开发喷射成型技术。

喷射成型中金属粉末喷射成型(Metal Powder Injection Molding，简称MIM)应用最广，它是将现代塑料喷射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术，而最初金属粉末喷射是受塑料喷射成型的启发，美国加州Parmatech公司于1973年创造，八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开场研究该技术，并得到迅速推广。

特别是八十年代中期，这项技术实现产业化以来更获得突飞猛进的开展，每年都以惊人的速度递增。

经过10多年的探索、研发，金属喷射成型技术取得了很大的进展。

到目前为止，美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。

日本在竞争上十分积极，并且表现突出，许多大型株式会社均参与金属粉末喷射成型工业的推广，这些公司包括有太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工--爱普生、XX特殊钢等。

目前日本有四十多家专业从事金属粉末喷射成型产业的公司，其金属粉末喷射成型工业产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。

玻璃钢化工设备喷射缠绕成型工艺玻璃钢化工设备成型工艺目前可简述为喷射缠绕成型，“喷衬工艺”为使用喷枪喷射技术制作玻璃钢化工设备内衬成型的工艺。

“衬”为玻璃钢化工设备的内衬，内衬层结构上分为内衬层和过渡层，主要作用为防腐防渗。

玻璃钢化工设备结构由防腐防渗内衬层、增强结构层、外表抗老化层组成。

确保不仅良好的耐介质腐蚀性，又具有足够的物理机械性能，满足不同的介质工况需求。

采用无碱玻璃纤维高张力、多层次、多角度、加强型缠绕，满足有机、无机溶剂及具有化学、电化学腐蚀性介质的储存、中转和生产等需要，满足非电解质流体的中转、输送、消除静电的需要，满足各式支承剪切及掩埋与荷载的力学要求。

玻璃钢的可塑性强、设计灵活性大、化工设备容器壁物理结构性能优异。

成熟的纤维缠绕玻璃钢可以通过改变树脂体系或增强材料来调整容器、塔器等的物理化学性能，以适应不同介质工况条件的需要。

通过调整结构层厚度、缠绕角和壁厚结构的设计来调整设备本体的承载能力，适应不同压力等级、容积大小，以及某些特殊性能的玻璃钢容器、塔器的需要，是其它同性的金属材料无法比拟。

玻璃钢制品耐腐蚀、防渗漏、耐候性好、使用寿命长。

玻璃钢具有优越的耐腐蚀性能，在贮存各种腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所不及的优越性，可以储存各种不同的酸、碱、盐和有机溶剂，由此可见玻璃钢的应用十分普遍，但是玻璃钢产品的质量却是取决于原材料、施工工艺等几方面因素。

玻璃钢喷衬工艺作为目前国内成熟的机械化生产工艺，具有空前的优势。

喷衬工艺的优点：1、生产效率比手糊的高4-8倍。

2、产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好。

3、可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗。

4、产品尺寸、形状不受限制。

5、喷射机能使催化剂和树脂于喷射前在液压下在喷管内混合均匀，故喷射时无压缩空气漏出，喷射时空气污染少。

生产准备：1、材料准备：原材料主要为树脂和无碱玻璃纤维。

2、模具准备：准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。

金属3d打印的原理
金属3D打印的原理是采用金属粉末或金属丝作为原料，通过计算机的控制逐层堆积成型。

具体来说，金属3D打印技术主要分为两类：粉末烧结法和金属喷射法。

粉末烧结法是一种增材制造技术，它利用激光束、电子束或热压机等加热源将金属粉末烧结成型。

其中，激光选区烧结（SLS）是最常用的粉末烧结法之一。

在SLS中，首先在工作台上铺一层金属粉末，然后激光束在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结。

完成一层后，再铺上一层新的金属粉末并进行烧结，如此循环往复，层层堆积成型。

金属喷射法是一种基于喷射沉积原理的3D打印技术。

它采用高能脉冲将金属粉末瞬间熔化并喷射沉积成型。

其中，最有代表性的是3D打印中的激光选区熔化（SLM）技术。

在SLM中，首先将金属粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平。

激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地熔化，一层完成后再进行下一层熔化，如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。

总的来说，金属3D打印技术是一种将金属粉末通过计算机控制逐层堆积成型的制造技术。

它具有制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，被广泛应用于铸造业、航空航天等领域。

喷射成形（Spray Forming ）技术，也称为喷射沉积（Spray Deposition）或喷射铸造（Spray casting）技术，这是20 世纪60 年代以来，工业发达国家在传统快速凝固/粉末冶金（RS / PM）工艺基础上，发展起来的一种全新的先迚材料制备与成形技术。

金属喷射成形技术包括金属熔化、雾化和沉积三个过程，即用高压惰性气体将融化后的金属液流雾化成细小液滴，幵使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到具有一定形状的接收体上，从而获得99%理论密度的金属实体。

这样，通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征、整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的半成品坯件［1］。

金属喷射成形是一种新型的快速凝固技术，它与铸锭冶金、粉末冶金工艺相比较，具有以下主要优点［2］：1）坯料成分均匀，组织细化2）固溶度大，氧化程度小。

3）材料致密度较高。

4）喷射沉积效率高。

5）生产流程短，成本低。

喷射成形是英国Swansea 大学的A. R. E. Singer教授于1968 年首先提出的。

为了降低传统铸造- 轧制工艺的消耗，Singer 等人发明了将熔融金属喷射沉积到旋转辊上幵直接轧制成带材的一体化工艺，即喷射轧制工艺。

此后Brooks R G 等人继续发展了该技术，成立了Osprey 金属公司，于1974 年将喷射沉积原理应用于锻造毛坯的生产，发明了著名的Osprey 工艺，设计制造了多种Osprey 成套设备，取得多项专利，使喷射沉积技术获得迅速发展。

近年来，喷射成形技术已成为材料科学与工程界的研究和产业化发展的热点之一［3］。

国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆坯和管坯上。

目前，已经能生产直径450mm 和长度2500mm 的棒材，其收得率可高达70% ~ 85%，所生产的管坯直径为150 ~ 1800mm、长度为8000mm，其收得率为80% ~ 90%。

铝合金喷射成形工艺喷射成形是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。

它具有所获材料晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点，又具有从合金熔炼到近终成型一步完成的优势，因而引起人们高度重视。

铝合金具有密度低、强度高、韧性好和耐腐蚀等优点，在航空航天工业中被广泛用作结构材料，同时，也正在积极开发作为汽车先进材料而应用于高档轿车发动机。

铸造工艺是传统铝合金主要制备方法，但已难以满足制备高性能铝合金的需要。

第一，传统工艺已经难以进一步提高强度、塑性、刚度、耐热性和耐腐蚀性；第二，在追求高性能的过程中，铸造工艺成本由于增添设备和成品率下降而迅速上升；第三，由于合金含量上升，塑性往往降低，因而后续压力加工成本上升、成品率降低。

因此，生产的高成本大大提高了先进铝合金的使用门槛，严重影响整体市场规模的发展。

在这些方面，喷射成形工艺正好具有性能和综合成本的双重优势，可使先进铝合金的使用门槛降低，还可以进一步提高性能，在一定范围内实现以铝代钢，从而迅速培育先进铝合金的市场，并反过来促进喷射成形工艺获得规模成本优势。

因此，喷射成形工艺将成为先进铝合金的主要生产工艺。

目前已获成功的喷射成形高性能铝合金材料主要有以下几种：（1）高强铝合金。

如Al—Zn系超高强铝合金。

由于Al—Zn系合金的凝固结晶范围宽，比重差异大，采用传统铸造方法生产时，易产生宏观偏析且热裂倾向大。

喷射成形技术的快速凝固特性可很好解决这一问题。

在发达国家已被应用于航空航天飞行器部件以及汽车发动机的连杆、轴支撑座等关键部件。

（2）高比强、高比模量铝合金。

Al-Li合金具有密度小，弹性模量高等特点，是一种具有发展潜力的航空、航天用结构材料。

铸锭冶金法在一定程度上限制了Al-Li合金性能潜力的充分发挥。

喷射成形快速凝固技术为Al-Li合金的发展开辟了一条新的途径。

（3）低膨胀、耐磨铝合金。