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喷射成形技术的研究现状与展望

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第22卷　第1期　1997年2月　昆　明　理　工　大　学　学　报JOURNALOFKUNMINGUNIVERSTYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.22No.1Feb.1997收稿日期:1996-12-02喷射成形技术的研究现状与展望

陈敬超　孙加林

(昆明理工大学材料工程系,昆明　650093)

摘要　喷射成形(SprayForming)技术是近十多年来的材料制备技术,与传统的

铸造-压力加工及粉末冶金相比较,喷射成形设备、工艺简单,能减少许多加工

工序,原材料的利用率高,并能节省大量的能源消耗,且容易产生出各种复合材

料,受到了广泛的重视._本文评述了喷射成形技术的研究现状,认为研究粉末

材料在喷射成形中的能量转换及变形行为将从理论和实践上推动喷射成形技

术的发展,为开发新的喷射成形工艺及设备提供理论依据.

关键词　喷射成形;能量转换;变形行为

中图分类号　TF124.36

1　喷射成形技术的研究现状

喷射成形技术源于70年代初由英国Swansea大学Singer教授提出的一种金属成形

的新工艺,英国Osprey公司对其工艺及设备进行了大量研究后,发展成了一种实用技术,

并将此命名为Osprey成形技术〔1〕.其基本原理是,利用熔融的金属流雾化成金属细滴经

喷射凝固成形.由此工艺制成的材料具有晶粒细小、组织均匀并能抑制偏析等快速凝固/

粉未冶金材料的特点.与传统的铸造-压力加工及粉未冶金相比较,喷射成形设备、工艺

简单,能减少许多加工工序,且容易产生出各种复合材料,成为近净形加工技术的重要手

段之一.作为一种经济而有效的材料加工制造方法,喷射成形受到了广泛重视.目前许

多国家都在积极研究和开发这项技术,其中包括Alcon公司、Osprey公司、Pechiney公

司、Alusuiss公司、GE公司、Mannesmann-Demag公司、Sandvik公司和住友公司等.国

内近几年才开始研究喷射成形技术,包括中科院金属所、621所、北京科技大学、中南工业

大学、上海钢铁研究所和北京有色金属研究总院等单位,工作处于起步阶段〔2〕.

喷射成形技术的另一个重要方面是热喷射成形技术,与Osprey的不同之处在于,

热喷射成形的原料是已经制备好的粉未材料,其基本原理是粉未材料在一定的温度和速

度下喷射到材料表面或成形模内,在热能和动能的联合作用下使粉未材料互相粘结、密

实,成为接近理论密度的涂层或坯体.这项技术可以视为热喷涂技术的延伸与发展.到

目前为止,已经出现了等离子喷射成形、等离子反应喷射成形与合成、高速氧燃烧喷射成

形、线弧喷射成形等工艺,可用于制备金属、陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物、聚合物等多种材料,显示出巨大的发民展潜力〔3～9〕.这项技术的研究在美国、欧洲、日本正逐步深入,逐

步从实验室走向工业应用.在国内,除了热喷涂技术的研究和应用外,有关热喷射成形的

深入研究尚未见到报道.

2　喷射成形技术研究中存在的问题

目前,有关喷射成形的研究大多集中在设备、工艺及工艺参数的影响方面,而对成形

机理的研究却很少提及.喷射成形技术大体上可以分为粉末材料制备与材料成形两大

部分.对于前者,由于快速凝固技术的飞速发展,制备金属及合金粉未的手段已日趋成

熟〔10〕,无机粉末材料和高分子材料的制备技术也已逐渐完善.对于后者来说,材料成形

的主要特征就是致密度问题.喷射成形材料的致密行为在其表征和作用因素上已与普通

的压制成形技术有很大的不同,根本的一条就是压制成形中压力-致密度关系已不可能

表征喷射成形中材料的致密行为〔11〕,这一基础性的理论问题已经制约了喷射成形技术的

发展.在喷射成形技术中,粉未材料通过加速、加温喷射到成形模中,因此,温度和速度成

为粉末成形的原动力,这个原动力可以用粉末材料在喷射成形所具有的动能和热能加以

描述.在成形过程中,动能和热能又成为粉末材料变形、破碎、形成新界面、克服各种摩擦

阻力的驱动力.如果再将粉末材料本身的表面能加以考虑,在喷射成形中,粉未材料经历

了一个较为复杂的能量转换过程,而这个能量转换又与材料变形、破裂、形成新界面、克服

各种摩擦阻力的整个过程密切相关.从上述分析可以看出,外部输入的能量与粉末材料

成形的致密度显然存在一个严格的匹配关系,作者认为,研究喷射成形机理的实质就是通

过各种理论推导和实验手段寻找这个匹配关系,亦即研究粉未材料在喷射成形中的能量

转换及变形行为,可以设想,一旦在此问题上得到突破,将对以粉末冶金方法制备材料的

技术产生重大影响,有可能在喷射成形技术上实现粉末材料的“冷烧结”〔12〕.

3　喷射成形技术的展望

喷射成形作为一种材料制备技术尽管面临着许多困难和挑战,但这项技术为新型材

料制备所带来的积极作用,仍使得材料科学工作者不断进取,在理论和实践两个方面逐渐

完善喷射成形技术.在理论研究方面,对材料的凝固、粉未化、致密化等方面的研究将奠

定喷射成形技术的理论基础,提出新的喷射成形技术,最有可能实现的是高速和超高速喷

射成形.在实践上,将不断有新的设备、工艺和材料制品投入应用,由于喷射成形技术克

服了粉未材料在传统成形中的硬化问题,最终有可能取代传统的粉末冶金压制工艺.

参　考　文　献

　1　OspreyMetalsLtd.UK147239

2　刘刚等.喷射沉积(Osprey)工艺研究.中国有色金属学报,1995,5(2):98

3　SmithRW,etal.AvancesandAdpplicationsinUSThermalSpreyTechnologyandMaterlals:1.

TechnologyandMaterials,Ⅱ.TheMarketandR&D,PowderMet.Int.,1991,23(3):147,23

(4):314　SmithRW,etal.ThermalPlasmaProcessing-applicationandOpportunities,J.PlasmaChem,・48・ 昆明理工大学学报1997年1989,9(1):13555　SmithRW,etal.ReactiveplasmaspreyFormingofNitrideNitrogrnCompositeMaterials.Proc.

11thInt.SymposiumonPlasmaChem.IUPAC,LoughbroughUK,1993,1:139

6　SmithRW,etal.ReactivePlasmaSpreyingofWear-ResistantCoatings,J.ThermalSprey

Technology,1993,1(1):57

7　CastroRG,etal.DuctilePhaseTougheringofMolybdenumDisilicldebyLowPressurePlasma

Spreying,Mat,Sci.andEng.1992,155:1018　Berkowitz-MattuckJB,etal.TheIntermediateTemperatureOxidationBehaviorofMolybde-

numDisilicide,Trans.Met.Soc.AIME,1965,(233):1093

9　MutasimZZ,etal.feasibilityStudiesfIn-SituSynthesisofSic-ReinforcedMoSi2DepositsbyReactivePlasmaSpreyProcessing,AnualMtg,SanDiego,CA1092

10　李月珠编著.快速凝固技术和材料,北京:国防工业出版社,1993.78～227

11　马福康主编.等静压技术.北京:冶金工业出版社,1992.27～54

12　李月珠编者.快速凝固技术和材料.北京:国防工业出版社,1993.270～278

Present-dayResearchSituationandProspect

ofSpringForming

ChenJingchao　SunJialin

(DepartmentofMaterialsEngineering,KunmingUniversityofScienceandofTechnolgy,

Kunming　650093)

Abstract　Sprayformingisatechnologyofmaterialsfabricationwhichhasbeendevelopedduringrecent

decade.Comparedwithtraditionalprocessofcast-workingandpowdermetallurgyformaterials,thesimplifiertheequipmentandtechnologicalroute,thehighertheutilizationratioofrawmaterials,alarge

amountsofenergyconsumptioncanbecutdown,andthevariouscompositescanbefabricatedeasilyfor

sprayforming.Thepresent-dayresearchsituationofsprayformingwasreviewed,inauthor′sunder-

standing,studiesofenergytransformationanddeformationbehaviorsofpowderinsprayformingwill

propelthetechnologyforwardbothintheoryandinpractice,andprovidethetheoreticalbasisforthe

newdeviceandprocessofsprayforming

Keywords　sprayforming;energytransformation;deformationbehavior・49・第1期陈敬超等:喷射成形技术的研究现状与展望

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金属喷射成形技术进展

金属喷射成形技术进展

第３１卷第３期　２０Ｏ２年６月　有色金属加工　ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ　ＭＥｒｌＡＩ　Ｓ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　ＶｏＩ．３１　Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ　２００２　

金属喷射成形技术进展　

吕应增　

（洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳４７１０３９）　

摘要：喷射成形是～项金属加工新技术，可以将优良的材料性能与低廉的生产成本很好地结合起来。它的出　现对于目前已有的生产技术如模铸、铸锭冶金、电极重熔及粉末冶金等工艺构成了挑战。本文主要介绍金属或　合金的喷射成形基本原理，典型的合金产品及用途，生产厂家及发展趋势。　关键词：金属喷射成形；产品；用途；生产状况　中图分类号：ＴＧ２９２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—６７９５（２００２）０３—００２２—０５　

１序　言　

早在３０年前英国斯望西大学的Ｓｉｎｇｅｒ教授就已　

开发出了喷射轧制工艺。此后，斯望西Ｒ．Ｇ．Ｂｒｏｏｋｓ、　

Ａ．Ｇ．Ｉ＿ｅａｔｈａｌｎ及Ｊ．Ｓ．Ｃｏｏｍｂｓ三人小组创立了Ｏｓｐｙｅｙ　金属公司，喷射成形（Ｓｐｒａｙ　Ｆｏｒｍｉｎｇ）工艺便由此正式　

“诞生”，并且在许多情况下常常被称作Ｏｓｐｒｅｙ工艺。　其基本原理如图ｌ所示。首先在一个氩气保护气氛　

中的感应熔化炉内将合金熔化，在熔体出口浇嘴外利　

用高速氮气气流将金属流体雾化成细小的液滴，一层　

层地沉积在衬底上，从而制成铸锭或其它形状的坯　料。该工艺通过一步加工就能使熔化的合金转化为　

致密的、晶粒细化的、疏松度为０．２％～２．０％的均质　

材料。　

坩锅炉　

惰性气体雾化器　

衬垫　金属熔体　

供入惰性气体　

图１　Ｏｓｐｒｅｙ喷射成形工艺基本原理　喷射成形（Ｓｐｒａｙ　Ｆｏｒｍｉｎｇ）可将提高材料性能与降　低生产成本很好地结合起来，因此正在成长为一个重　要的金属成形领域，与目前的模铸、铸锭、电极重熔及　粉末冶金技术展开竞争，并且逐渐占有了一定的市场　

份额。其价格优势源于只需一步加工即可将熔化的　合金直接转化为半成品材料；而其性能优势则是由于　

喷射成形高温合金及其制备技术

喷射成形高温合金及其制备技术

第26卷　第3期

2006年6月 航　空　材　料　学　报

JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSVol.26,No.3June　2006

喷射成形高温合金及其制备技术

张国庆,李　周,田世藩,颜鸣皋

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:简要地总结了喷射成形高温材料近年来的研究状况,包括专用高温材料喷射成形装置、技术及其应用结果。同时比较了喷射成形技术与用常规铸锭冶金工艺和粉末冶金工艺制备高合金化高强度高温合金的异同。通过优化氮气与氩气雾化喷射沉积技术,制备了多种优质高温合金沉积坯,沉积坯整体致密、晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、含气量低、冷热加工性能显著改善、力学性能明显提高。关键词:喷射成形;高温合金;微观组织;力学性能中图分类号:TG111.8;TG132.3 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0320258207

收稿日期6226;修订日期62328作者简介张国庆(6),男,博士,研究员。 新型高推重比航空发动机对涡轮盘等关键零部件用高温合金的性能要求越来越高。常规镍基高温

合金涡轮盘的制造采用铸锭冶金工艺,如双真空熔

炼(真空感应熔炼+真空自耗重熔)或三次熔炼(真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔)+锻造变

形工艺。由于高性能涡轮盘的使用温度提高,材料

的合金元素增多、合金化程度提高,用铸锭冶金工艺

制备高温合金锭坯存在着铸锭晶粒粗大、偏析严重、组织不均匀、材料工艺塑性低等缺点,给铸锭开坯和

后续的锻造变形带来极大的困难,并且使锻件的冶

金质量和性能水平难以提高。特别是国内受变形工艺设备条件的影响,目前还难以制备和生产750℃

以上使用的涡轮盘用难变形高温合金。为克服传统

铸锭冶金工艺的缺点,国外高性能航空发动机镍基

高温合金涡轮盘采用了粉末冶金工艺,国内也在进行粉末涡轮盘的研制,但粉末冶金工艺存在着工序

复杂、粉末易氧化、粉末夹杂控制困难、成本昂贵等

问题,限制了粉末冶金高温合金的应用。为解决上

基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺研究

基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺研究

基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺研究

摘要:快速原型制造技术在产品设计和制造领域能显著缩短产品投放市场周期,降低成本,提高质量,增强企业竞争力。基于此技术发展起来的电弧快速模具制造技术,可以快速高精度制作复杂模型,近年来得到广泛应用。本文主要介绍其工艺过程,并通过实验对工艺参数进行优化处理。

关键词:快速原型 电弧喷涂 快速制膜

电弧喷涂制膜的思想起源于20世纪60年代提出的净行热喷涂成型(Net—shape thermal spray forming),基本过程是将熔化的金属雾化,高速喷射沉积于基体上,所获制件的形状与基体相对应,是一种集材料制备与成形于一体的制造方法,可广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其他一些注塑成型等工艺中。

随着20世纪80年代中期快速成型制造技术的发展,使得人们能够在原型的基础上在很短的时间内制造出产品的快速模具。电弧喷涂快速制模工艺就是在快速原型(或过渡基模)表面上喷涂金属微滴形成金属壳层,通过背衬、设置钢结构等后处理工序迅速制造出快速模具,可广泛用于注塑模、汽车覆盖件拉延模等快速经济模具的制造。它具有制膜工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点,为产品的更新换代提供了一个全新的制膜方法和捷径,越来越受到人们的重视和应用。本文在RP原理基础上研究电弧喷涂快速制膜工艺过程,并对其参数进行优化处理。

1 电弧喷涂快速制模工艺研究的基础

电弧喷涂快速制模的关键在于基体模型表面金属壳的形成,特别是高硬度金属壳,直接关系到模具寿命及应用范围。目前电弧喷涂快速制模材料大多采用Zn丝,电弧喷涂模具由于硬度较低,主要用作注塑模具,寿命不超过数千件,为提高金属涂层硬度,改善模具的使用寿命,美国的TAFA喷涂公司开发了一种类似科氏合金(Al6.4%,Cu3.9%,余量为Zn)成分的TAFA204M喷涂丝,涂层硬度可以达到Rh52(相当于纯铝)。

2 电弧喷涂制膜工艺原理

金属喷射成型过程沉积坯的生成及其传热过程研究

金属喷射成型过程沉积坯的生成及其传热过程研究

２ＯＯ６年６月　第２５卷第２期　包头钢铁学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂａｙｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｍｅｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊｕｎｅ，２ＯＯ６　Ｖｏｌ２５。Ｎｏ２　

文章编号：１００４—９７６２（２００６）０２—０１２３—０６　

金属喷射成型过程沉积坯的生成及其传热过程研究。　

张　胤　，樊俊飞　，贺友多　，任三兵　，乐海荣　

（１．内蒙古科技大学稀土学院，内蒙古包头０１４０１０；２．宝钢钢铁有限公司技术中心，上海２０１９００）　

关键词：喷射成型；液滴；统计模型　

中图分类号：ＴＦＩ２４．３９；ＴＧ３９４　文献标识码：Ａ　摘要：通过概率模拟的方法，建立了金属喷射成型过程中大量金属液滴的统计模型．应用该模型对喷射成型过　

程中钢液的喷射过程进行了研究，给出了在喷射过程中不同尺寸液滴的分布，以及不同液滴产生的位置、初速度分　

布．通过大量液滴的统计。确定出整个喷射过程液滴的产生、运动和传热情况，为进一步研究液滴在沉积面上的沉　

积情况提供前提和依据．　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｂｉｌｌｅｔｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　

ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｐｒａｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　

ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎ　，ＦＡＮ　Ｊｕｎ　ｆｅｉ　，ＨＥ　Ｙｏｕ．ｄｕｏ　，ＲＥＮ　Ｓａｎ．ｂｉｎｇ￣，ＹＵＥ　Ｈａｉ．ｒｏｎｇ２　

（１．Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｂａｏｔｏｕ，０１４０１０。Ｃｉｒｍａ；２．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｅｎ—　

ｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１９００，Ｃｈｉｎａ）　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐｍｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｓｔｕｄｙ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｔｈｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　ｍａｓｓ　ｍｅｔａｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍｅｔａｌ　ｓｐｒａｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ