专利名称：一种环管状或环管状异型结构件的制备方法
技术领域：
本发明涉及喷射成形技术，特别提供料一种离心喷射成形环管状或环管状异型结构件的方法和装置。
背景技术：
航空航天、兵器、高速列车、船舶等领域都需要一些大型的薄壳零部件，有铝合金、镁合金及钛合金，也有不锈钢、高温合金，超高强度钢，铜合金等。也有添加增强颗粒的复合材料。如飞机前端框体，蒙皮，航天燃料储箱，鱼雷壳体，高速列车制动盘。目前制备的管材从直径300-800mm，壁厚为2-3mm，主要用于潜艇、鱼雷管、轴封、轴套及轴承、炮管、飞机发动机盖等。美国还将喷射成形铝合金用于鱼雷壳、燃料箱、装甲板、导弹和航天飞机等零部件上。此外，德国、英国和前苏联均有该技术在军事装备上应用的报道。
铸造成形大型零部件，由于坯件的冷却速度很慢，锭坯内部温差极大，容易产生很大的内应力，甚至造成铸锭的炸裂。在制备大型复合材料时，铸造成型由于存在增强相搅拌不均匀，容易产生不良的界面反应等问题。
喷射沉积技术是七十年代发展起来的一种新型快速凝固技术，该技术是将金属熔化，然后通过气体雾化或者离心雾化等方式将金属熔体分散，喷射到运动或者静止的基体上，直接制备出管、棒、锭、板坯的近尽成形方法。该方法具有凝固速度快、合金组织细小、工艺简单、适于制备大尺寸产品等优点。与传统的铸锭或浇铸方法相比，喷射成形解决了合金成分偏析、成分不准确、组织粗大和难以加工成形等问题；与常规的粉末冶金方法相比.它不需要在快速冷凝制粉后再次固化成型，可致杂质含量低、致密性好、工艺简化，更主要地是克服了粉末固化成型引起的严重氧化、在较大尺寸成型时压实以及设备等方面存在的困难。1993年，S.Hariprasad等开始研究用喷射沉积的方法直接制备耐热铝合金坯件，对熔体过热温度、喷射高度、气/液流率比等参数进行了优化研究，制备出质量好的沉积坯。目前，英国的ospray公司、Rolls-Royc。公司、Swansea。大学，美国GE公司、麻省理工学院(MIT)等公司和大学在进行喷射沉积技术及应用研究。
目前喷射成形的热点在雾化喷射成形，在此方面有很多的专利和研究文章。也有用气体雾化喷射沉积技术生产大型管、壳、板等部件，并已经实现工业化。但是该设备造价高，需要雾化器和高压气体的辅助，需要大量气体，对在喷射时容易形成闭合的气孔，增加合金的气体含量。在制备管状和环状的部件，效率比较低，浪费比较大。
离心喷射沉积也是喷射沉积的一种，可以实现熔炼和成形的一体化，从组织控制的角度看，这种技术可形成随机取向、组织细小的结构，又具有和保持了部分快速冷凝的组织；并且，该方法既简化了设备和工艺流程，还可实现近型成形，具备喷射成形的各项优点，同时又由于它是借助于离心力雾化熔融的金属，因此，与目前常用的气体雾化喷射成形技术相比，它不需要雾化器和高压气体的辅助等设备，可采用真空条件下喷射成形，既简化了设备，又可避免氩气和氮气以及其中含有的微量氧气辅助喷射成形时给合金组织结构带来的一些额外的影响，同时该工艺特别容易制备大的薄壳件、大直径的管，环、板等，通过后期热处理，可以实现材料的致密化和尺寸的大型化。
国际上，离心喷射成形目前主要在英国的伯明翰大学和利用伯明翰大学设备的合作研究的牛津大学，他们承担了欧洲有关航空材料开发的任务。他们采取的是在成形室中，在距离熔炼炉喷嘴下方约250mm处置一铜盘，铜盘周围设有沉积物接收衬板，衬板可在竖直方向上下运动。当熔融的金属从喷嘴下注至以高速旋转的水冷铜盘时，极大的离心力使金属熔体雾化成细小的液滴并飞快地溅射沉积在预先设置的接收衬底上，衬板无水冷，通常采用园管或环状衬板进行等距离沉积成形。存在的问题是熔融金属容易凝结在铜盘表面，到一定质量时再脱离旋转盘，对设备危害较大。转速无法太高，雾化的液滴尺寸大，凝结到接收板上会出现枝晶。
国内所有有关离心喷射沉积论文都是福州大学陈文哲博士开展的，但所有样品都是来自于英国伯明翰大学，工艺也相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环管状或环管状异型结构件的制备方法及专用装置，其离心雾化的液滴更加细小，对设备的损害较小，同时所制备出的环管状或环管状异型结构件的组织更加细密。
本发明提供了一种环管状或平板状或者异型结构件的制备方法，其特征在于将熔融金属或合金，或含有增强颗粒的金属或合金，或者分别将增强颗粒与金属或合金，在杯状离心器的离心力的作用下破碎成细颗粒，从环管状或平板状或者的异型收集板的内部喷射沉积到环管状或平板状或者的异型收集板的内表面，从而形成环管状或平板状或者异型结构件。
本发明环管状或平板状或者异型结构件的制备方法中，最好在喷射前，在所述收集板的内表面涂脱模剂或者其它防污染的涂层，也可以不涂。
本发明环管状或平板状或者异型结构件的制备方法中，最好在喷射前，对所述杯状离心器进行预热。
本发明环管状或平板状或者异型结构件的制备方法中，喷射时，所述杯状离心器与环管状或平板状或者异型收集板可以沿轴向相对运动。
本发明还提供了一种专门用于上述环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置，其特征在于包括置于喷射室内的一环管状或平板状或者的异型收集板；一置于环管状或平板状或者异型收集板的轴心部位，并以该轴为旋转轴的杯状离心器；一置于杯状离心器上方的底部带导液管的坩埚；所述坩埚、导液管带有加热器。
本发明专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置中，所述杯状离心器为由驱动机构带动的离心杯，离心杯的内部形状为直壁式、曲面式、斜面式。
本发明专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置中，所述离心杯的内部还可以带有筋肋，筋肋是直的，或者是曲线式。
本发明专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置中，离心杯可以由上下排布的多个杯体构成。
本发明专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置中，所述离心杯可以带有加热器。
本发明专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置中，所述收集板为水冷结构。
本发明的技术关键是离心雾化是通过高速旋转是旋转杯来实现的，不同于平板式离心器，杯状离心器提供了液态金属增加速度的可能，液滴离心到杯边时，液滴顺杯壁向上爬，并在此过程随加速并接近杯壁的速度，到达杯顶沿时，离心力把液滴雾化成微小液滴，抛向收集板。旋转杯的材料可以是铜及铜合金、钢、不锈钢、高温合金、钛及钛合金、铝及铝合金或者其他金属或者合金，可以与喷射金属或者合金相同的材料，可以是石墨、BN，BC、Al2O3，CaO，MgO，SiO2、SiC也可以是多种金属或者合金以及非金属(氧化物、氮化物，碳化物等)的复合体；离心雾化旋转杯的外径为25-300mm，转速为35000-1000r/min；本发明中收集管(或者环或者板)一般是带水冷或者气冷的等距离的管状铜或者铜合金，也可以是钢、不锈钢或者与喷射材料相同的材料。其截面形状可以平直也可以是异型形状，也可以是平板，收集管(环或者板)可以作上下往复式运动，运动速度可以设置成匀速，也可以采取可编程的方式变为变速。在喷射前表面可以涂脱模剂或者其它防污染的涂层，也可以不涂；本发明中喷射室可以是真空状态，也可以是抽真空后冲氩气或者氮气、氢气、一定分压的氧气、一氧化碳、二氧化碳等气体，可以负压，也可以是正压；气氛可以是静止的也可以外循环，外循环可以冷却、加热气氛，循环中也可以增加过滤装置。通过控制金属的过热温度和气氛，可以在喷射沉积的同时反应生成氧化物、碳化物或者金属间化合物增强相；本发明中金属或者合金的加热可以是电阻式加热，也可以是感应加热，也可以是真空电弧熔炼和真空电弧熔壳熔炼和电子束熔炼；本发明中坩埚、导液管和杯状旋转杯必须预热，可以采用电阻或者中频感应预热；本发明中离心喷射成形可以与高压气喷射微粉组合，可以喷射金属和增强颗粒或者纤维的复合材料；收集管或者环此时需要在轴向旋转；本发明离心喷射成形时金属液的流量是通过金属液面的高度和导液管出口的直径控制；本发明中离心喷射成形的金属及合金可以是铝及铝合金及铝基复合材料；镁及镁合金及镁基复合材料；钛及钛合金；钛金属间化合物；铝金属间化合物；铜及铜合金及铜基复合材料；镍及镍合金及镍基复合材料；钢及不锈钢；高温合金；铅及其合金，锡及锡合金，银及银合金及银基复合材料；锌及锌合金及复合材料；磁性材料，储氢合金。
由于采用本发明的雾化方式，雾化颗粒小，几乎无成分偏析，因此特别适用于高熔点金属的喷射成型。另外本发明离心喷射成型的方式，特别适用于筒状结构件的喷射成型，效率很高，同时材料利用率也很高，因而制备成本较低，易于实现工业化。最后本发明方法可以在真空条件下实现，因此成品坯料中没有封闭气孔，所以可以极大地提高成品的质量。
图1为离心喷射成形示意图；图2为直壁离心杯结构示意；图3为曲面离心杯结构示意；图4为斜面离心杯结构示意；
图5为直壁筋肋离心杯结构示意；图6为组合离心杯结构示意。
具体实施例方式离心喷射成形的设备结构如图1所示，图中1为坩埚，2为感应线圈，3为导液管，4为离心杯，5为沉积层，6为收集板；离心杯的形状可以是直壁式，曲面式、斜面式，无论直壁还是曲面式、斜面式，其中均可以有筋肋，筋肋可以是直的，也可以是曲线式。同时坩锅也可以是组合式，从而可以喷射不同的金属或者金属和增强颗粒。
实施例1Al2O3/Cu复合材料是一种具有广泛应用前景的高强高导电结构材料，同时由于Al2O3颗粒的增强，材料还有良好的抗磨损能力和抗电弧侵蚀能力。目前Al2O3/Cu复合材料已应用在微波结构材料上，并希望应用于电阻焊电板头、转换开关、代银触头、水平连铸造结晶器、集成电路IC引线框架等。但由于Al2O3颗粒与Cu的界面润湿性很差，密度偏差又大，直接向基体金属Cu液中加人Al2O3颗粒存在困难。内氧化法是目前制备这种材料的主要方法，其基本原理是通过金属或合金中发生的化学反应生成增强相颗粒并使之均匀分散于基体之中制备复合材料。
我们采取反应喷射成形制备Al2O3/Cu复合材料；工艺熔炼Cu-0.8％Al；抽真空到1Pa，充氩气到1000Pa，再抽真空到1Pa，之后充氩气到1000Pa，充氧气1升；喷射中间加氧气3次，添加量根据理论计算冶炼合金浇铸温度中频感应加热，熔点基础上过热240℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热180℃；离心杯尺寸80mm；离心杯转速12000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量15t/h；收集管尺寸直径350mm，长度500mm；收集管升降速度5mm/min沉积厚度3mm样品性能管状，均匀，低孔隙；相对密度90％；金相观察成分弥散的氧化铝分布再铜基体中间；分析其中铝的氧化为氧化铝的转化率为98％以上，有部分氧化的铜通过真空和还原处理成纯铜；实施例2Cu-15Ni-8Sn(质量分数，w％)合金在需要高强度、高导电率及耐腐蚀的工业应用中可代替Cu-Be合金，用以制造连接器、弹簧、电开关齿轮、接触器及膜片。但是，该合金由于Ni和Sn含量高，在传统的冶金铸造凝固过程中，合金元素易在晶界偏析，导致强度下降并给后续加工带来困难。粉末冶金生产此类合金，其产品形状只能是简单的薄板和带材卫。用利用离心喷射成形这一快速凝固工艺，可使添加的合金元素在凝固过程中来不及扩散，难以形成成分偏析；工艺抽真空到1Pa，充氩气到500Pa；合金浇铸温度中频感应加热，熔点基础上过热200℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热150℃；离心杯尺寸80mm；离心杯转速12000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量6t/h；收集管尺寸直径350mm，长度500mm；收集管升降速度1mm/s沉积厚度10mm样品性能管状，均匀，低孔隙；相对密度98％；金相观察成分偏析很小，有很细小的枝晶；实施例3铝基轴瓦材料由于具有质轻、高导热性、高耐腐蚀性和良好的摩擦磨损性能等特点，在汽车工业、航空航天、机械制造业等领域具有十分广泛的用途。由于Al-Pb轴瓦合金比Cu-Sn轴瓦合金更容易在摩擦表面形成铅自润滑膜，表面性能更优越，同时Pb的价格仅为Sn的1/10-1/20。因此研究开发新型的Al-Pb耐磨合金具有重要的技术意义和经济意义。
由于Al与Pb在室温不互溶，而且在液态甚至很高温度也存在较宽的固溶间隙，同时组元之间较大的密度差异以及单组元凝固点的较大差异，导致了用铸造等方法难以制备出Pb粒子细小均匀弥散分布在基体上的Al-Pb轴瓦合金。
工艺将纯度为99.0％的Al、Pb、Si、Sn、Cu按15％Pb，4％Si，1％Sn，1.5％Cu(质量分数)配制后熔炼；抽真空到1Pa；合金浇铸温度中频感应加热，熔点基础上过热150℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热100℃；离心杯尺寸120mm；离心杯转速8000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量12t/h；收集管尺寸直径500mm，长度900mm；收集管升降速度35mm/min沉积厚度5mm样品性能管状，均匀，低孔隙；相对密度95％；金相观察成分无偏析，微米级的Pb弥散分布在基体中；
实施例4Al-Si合金特别是高硅的AlSi合金强度高、耐磨性强，其管件和环件在汽车和火车等领域有大量的需求，但是高比例的Si的在AlSi合金中极易形成偏析，而大尺寸的环件浇铸生产和热加工也是有难度的。
工艺选择Al-25Si配制后熔炼；抽真空到1Pa；合金浇铸温度中频感应加热，熔点基础上过热200℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热150℃；离心杯尺寸200mm；离心杯转速6000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量6t/h；收集管尺寸直径600mm，长度1000mm；收集管升降速度35mm/min沉积厚度10mm样品性能大口径AlSi合金管；相对密度90％；金相观察成分偏析很小，Si弥散分布在基体中；
实施例5BC/Al复合材料在耐磨方面性能非常优良，而此材料无法采取冶炼法生产，现在一般采取粉末冶金法生产；可以采取离心喷射成形生产此材料；工艺选择2024Al合金熔炼；抽真空到1Pa；通入N2到500Pa；合金浇铸温度中频感应加热，熔点基础上过热200℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热150℃；在喷射离心喷射到收集管位置放置4个固体粉喷射头(类似喷砂)，用高压N2喷射BC，速度3g/s；离心杯尺寸200mm；离心杯转速6000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量6t/h；收集管尺寸直径350mm，长度400mm；收集管升降速度200mm/min；收集管旋转速度100r/min；沉积厚度10mm；气体压力大于1个大气压后自由排出；样品性能相对密度95％；金相观察BC均匀弥散在铝合金基体中，BC的含量大约23％(质量)；
实施例6Al与Pb在室温不互溶，密度差异较大、凝固温度差异也较大，用铸造等方法难以制备偏析小的Al-Pb合金。采取复合离心喷射成形工艺制备Al-Pb合金工艺将Al和Pb分别在2个电阻炉中熔炼；抽真空到1Pa；充氩气1000Pa保护；2种金属浇铸温度熔点基础上过热150℃；离心杯、导液管、离心杯预热，过热100℃；组合式离心杯尺寸120mm；离心杯转速8000r/min；收集管无氧铜，有水冷，水冷量6t/h；收集管尺寸直径350mm，长度500mm；收集管升降速度100mm/min；沉积厚度15mm；分别将2种金属的熔液注入离心杯，通过导液管出口直径控制流量，其中铅导液管的出口直径是铝的1/3。2种金属分别离心喷射到收集管，喷射的位置上下差20mm；形成Al-Pb合金；样品性能管状，均匀，低孔隙；相对密度98％；金相观察成分无偏析，Pb弥散分布在基体中。
权利要求
1.一种环管状或环管状异型结构件的制备方法，其特征在于将熔融金属或合金，或含有增强颗粒的金属或合金，或者分别将增强颗粒与金属或合金，在杯状离心器的离心力的作用下破碎成细颗粒，从环管状或环管状的异型收集板的内部喷射沉积到环管状或环管状的异型收集板的内表面，从而形成环管状或环管状异型结构件。
2.按照权利要求1所述环管状或环管状异型结构件的制备方法，其特征在于喷射前，在所述收集板的内表面涂脱模剂或者其它防污染的涂层，或者不涂。
3.按照权利要求1所述环管状或环管状异型结构件的制备方法，其特征在于喷射前，对所述杯状离心器进行预热。
4.按照权利要求1所述环管状或环管状异型结构件的制备方法，其特征在于喷射时，所述杯状离心器与环管状或环管状的异型收集板沿轴向相对运动。
5.一种专门用于权利要求1所述环管状或环管状异型结构件的制备方法的装置，其特征在于包括置于喷射室内的一环管状或平板状或者异型收集板；一置于环管状或平板状或者异型收集板的轴心部位，并以该轴为旋转轴的杯状离心器；一置于杯状离心器上方的底部带导液管的坩埚；所述坩埚、导液管带有加热器。
6.按照权利要求5所述专门用于环管状或环管状异型结构件的制备方法的装置，其特征在于所述杯状离心器为由驱动机构带动的离心杯，离心杯的内部形状为直壁式、曲面式、斜面式。
7.按照权利要求6所述专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置，其特征在于所述离心杯的内部可以带有筋肋，筋肋是直的，或者是曲线式。
8.按照权利要求6或7所述专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置，其特征在于所述离心杯可以由上下排布的多个杯体构成。
9.按照权利要求5所述专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置，其特征在于所述离心杯带有加热器。
10.按照权利要求5所述专门用于环管状或平板状或者异型结构件的制备方法的装置，其特征在于所述收集板为水冷结构。
全文摘要
一种环管状或环管状异型结构件的制备方法，其特征在于将熔融金属或合金，或含有增强颗粒的金属或合金，或者分别将增强颗粒与金属或合金，在杯状离心器的离心力的作用下破碎成细颗粒，从环管状或环管状的异型收集板的内部喷射沉积到环管状或环管状的异型收集板的内表面，从而形成环管状或环管状异型结构件。本发明可以使离心雾化的液滴更加细小，对设备的损害较小，同时所制备出的环管状或环管状异型结构件的组织更加细密。
文档编号B22F3/115GK101091988SQ20061004695
公开日2007年12月26日 申请日期2006年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者李洪锡, 夏春明 申请人:中国科学院金属研究所