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喷射沉积技术 彭超群， 黄伯云 （中南大学粉末冶金国家重点实验室， 长沙 “ ） 摘要给出了喷射沉积的定义， 简要介绍了喷射沉积技术的发展概况、 基本原理、 工艺控制过程及应用， 指出了今后几年 的研究方向。 关键词喷射沉积； 原理； 工艺； 应用 中图分类号 9 5 9 6 工艺蜚声于世， 成为喷射沉积的代名词 〔〕 。 世纪0 年代末， 美国麻省理工大学的A B , 9 3 4 C提出以超声气体雾化制备细粒度、 高速度的 雾化液滴为特征的液体动压成形工艺 （D E F） 〔〕 。这 类工艺的冷却速率约为“ “ G／5， 组织细小， 是 典型的快速凝固材料。由于超声雾化难以连续获 得， 冷却过快导致材料收率降低、 孔隙度较高， 因此， 难以实现工业应用。 我国的喷射沉积技术研究始于 世纪 年代 中后期， 主要的研究单位有中科院金属研究所、 中南 大学、 哈尔滨工业大学、 西北工业大学、 北京科技大 学、 北京有色金属研究总院、 北京航空材料研究院和 上海钢铁研究所等， 其中中科院金属所研究了D E F 工艺， 其余大多数沿用 5 9 6 模式。哈尔滨工业大 学、 北京科技大学和北京航空材料研究院对材料的 组织凝固特征和工艺过程开展研究， 上海钢铁研究 所在喷射沉积制备复合轧辊方面取得较大进展。中 南大学陈振华、 黄培云发明了一项专利 多层喷 射沉积技术， 改变了传统喷射沉积工艺中雾化锥 ／ 基 底的单向直线运动模式， 利用往复沉积强化冷却效 果， 从而解决了在制备厚度很大的坯件时组织易恶 化为铸态组织的问题， 并能优化复合材料中增强相 的分布及其与基体的结合状态。多层喷射沉积过程 的原理如图“所示。这一技术已被成功应用于制备 对冷速敏感的- H .’ 6 .I.1 7合金和/ “ 、 / / “、 / / /铝合金及1 7 F颗粒增强复合材料。大型多层 喷射沉积装置能制备单件质量达“ 8的锭坯和管 坯 〔〕 。 喷射沉积半固态加工是利用金属材料从固态向 液态， 或从液态向固态转变过程中， 在半固态温度区 间内实现的加工过程。 世纪0 年代初，美国麻 第J 卷第“期 年月 有色金属 A A ’ K L 1M K 喷射沉积的基本原理 〔 2部分凝固 的颗粒； 2液态颗粒；7 2含细小结晶核心的液膜 图“喷射沉积法沉积体的表面和液滴状态 “ ; 0 ’ . 3 , 3 6 “ A 0 “ 66 ’ - * , 1 5 - . 6 , * - 5 “ 1 合金液滴沉积后的凝固过程是由基板和沉积 体的传热过程控制的。为了获得大的凝固速率， 基 板应具有大的蓄热系数。然而， 随着沉积体厚度的 增大， 沉积体中的热阻增大， 成为传热的控制环节。 同时， 随着沉积过程的进行， 沉积体和基板吸收的合 金液滴带来的热量越来越多， 温度不断升高， 从而导 致凝固速率减小。因此， 提高冷却速率并保证凝固 速率稳定， 是喷射沉积技术工艺过程控制的关键。 对此可采取的工艺措施是 对基板和沉积体采取必 要的冷却措施； 控制沉积速度。 喷射沉积的工艺控制过程 喷射沉积法通过控制合金液滴的尺寸、 飞行速 度和液滴接触基板时的温度与凝固状态获得理想的 产品。以上目标参数可通过调整气流速度、 喷嘴结 构、 喷射距离等可控参数实现。 沉积坯的组织及喷射沉积工艺参数的选择与雾 化熔滴散热速度密切相关， 而雾化熔滴和雾化气体 之间的换热系数又受到雾化熔滴和雾化气体之间相 对速度的决定性影响 〔B〕 。雾化气流速度随着离开 雾化喷嘴距离的增加而逐渐减小， 同时也随径向距 第期彭超群等 喷射沉积技术 万方数据 离增加而减小， 具体衰减规律与雾化喷嘴等有关。 李周等 〔〕 针对超音速度雾化喷嘴系统， 从理论 与实验两方面研究了雾化气体流场的变化规律， 同 时探讨了雾化熔滴与气体流场之间的相互作用。 喷射成形所用喷嘴形成的气流一般是轴对称 的。图“给出了轴对称自由射流流动示意图， 图中 点为射流源极点，“为射流某一截面的轴向速 度， “为该截面上任意一点的纵向速度，为该截 面的射流半径。 图雾化气体自由射流流动示意图 * 5 0 - / 0 1 5 * 3 / 0 4 4 4 * - 0 30 1 , - 0 2 , - 0 3 , 4 4 - / * , 图雾化气流轴线速度的变化 ; L 7 喷射沉积法带材连铸技术的工作原理如图L所 示 〔8 9〕 。仍以激冷带为基础， 但合金液不是采用连续 浇注的方法， 而是通过喷射， 沉积在激冷带上， 在激 冷带的激冷作用下发生凝固与冷却。通过激冷带的 运动， 连续将铸锭从一侧送出。在该过程中， 铸锭的 上表面是完全开放的自由表面。热量只能通过下部 的激冷带导出。虽然导热速率将小于双侧激冷连续 78 有色金属第 7卷 万方数据 表雾化参数对沉积坯成形性和密度的影响 “ ／7比 成形性 铸造密度 ／ 2 “ 0 *QN 7 “ * 2 I . ’ 0 4， B D A，B * 2 2 2 7 3 2 ’ ’ * F，/ * 0 6 A, 7 3 F 2 / *C N D 7 “ 48 . / 5 5 * 2 , 3 2 Q * /PQ，V / F 8， 2 / . O QB 6 , .W / 2 ，“ C J ，“ “ E J C ［“ ］Q * /PQ，_ / Y， 2 / . O I * 2 Q_ / ’ 0L * O 9 3 3 / , / * 00 ; . . ’ * F 2 * 0 3 4 2 3 2 , * . F 7 * 2 , 5 * F7 / 3 / ’ * 2 0 6 2 O 7 “ 48 . 3 ’ / 70 ’ 3 2 *；’ * , ’ . ；2 , * . F 7；/ ’ ’ . , / 2 * N 有色金属第 卷 万方数据