倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及喷射成形工艺参数制订方法，特别设及倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工 艺下具有复杂关联关系的多工艺参数的制订方法。
【背景技术】
[0002] 喷射成形是新一代合金快速凝固技术。凝固技术发展的主要方向是提高凝固速 率，其主要实现方式是通过细化烙体凝固单元来提高散热速率。凝固技术经历了模铸阶段， 发展到半连续铸造技术，其凝固单元从厘米级到毫米级，而作为新一代凝固技术，喷射成形 技术的凝固单元达到微米级。
[0003] 喷射成形基本过程是将液态金属在受控气氛（常见为惰性）中雾化，形成液滴喷 射流，经过飞行冷却，在半固态时沉积到收集器上，烙合形成致密巧。它把液态金属的雾化 (快速凝固）和雾化烙滴的沉积（烙滴动态致密固化）结合起来，在一步冶金操作中，直接 从液态金属制备巧件。喷射沉积实际上可看作半固态沉积层的叠加而形成。
[0004] 喷射成形工艺的独特性就在于其快速凝固过程，包括雾化和沉积两个核屯、阶段， 只有当雾化喷射锥和沉积巧表面均为半固态沉积状态时，才能获得具有理想的微观组织的 材料，因此，半固态凝固过程需要始终维持在很窄的工艺窗口内进行。运对喷射沉积工艺参 数及其稳定性提出了较高要求。 阳〇化]喷射成形工艺发展方向之一是巧件的大规格化，倾斜式双（多）喷嘴扫描喷射成 形工艺是实现巧件大规格化的主要方法之一，该工艺设及到的工艺参数众多，工艺参数之 间具有较高的关联度，对雾化过程、物质沉积分布状态及半固态凝固及沉积状态有很大影 响。
[0006] 在现有的喷射成形工艺参数优化及制订方法中，一般通过建立喷射沉积过程的理 论工艺模型来优化计算局部的工艺参数，工艺模型及计算方法较为复杂，难W适用于工程 化实施中对工艺参数制订的快速、简便、全面性要求。对倾斜式双（多）喷嘴扫描喷射成形 工艺下完整的工艺参数制订过程及方法目前未有报道。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订 方法，主要解决具有关联关系的多工艺参数的制订步骤及其工程化计算方法，为大规格巧 件喷射成形半固态沉积提供工艺保证。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0009] 倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺是指：锭巧及其收集盘所在轴线为竖直方向，喷 嘴与轴线呈一角度倾斜安装，喷嘴包括2个（内喷嘴、外喷嘴），喷嘴绕着其轴线作往复扫描 运动，扫描运动由电机驱动的机械机构实现。
[0010] 工艺参数设及喷射成形内工艺参数和外工艺参数。内工艺参数是指喷射成形过程 形成的实现金属烙体快速凝固及半固态沉积的过程参数，该参数直接决定喷射成形巧件的 组织形态和质量，如烙体雾化液滴粒度及凝固速度、喷射锥在沉积面处的半固态状态、沉积 表面的半固态状态、沉积表面金属物质分布状态、物质沉积速度。外工艺参数是指为获得理 想的内工艺参数而通过工艺设备调整设置所对应的工艺参数。
[0011] 本发明所述的工艺参数制订是特指外工艺参数。
[0012] 外工艺参数包括：烙体雾化工艺参数、喷嘴倾斜及扫描工艺参数、收集盘运动工艺 参数。
[0013] 烙体雾化工艺参数包括：烙体溫度、雾化气体压力、喷嘴出口面积、喷嘴锥角、导液 管直径。
[0014] 喷嘴倾斜及扫描工艺参数包括：内、外喷嘴的喷嘴偏屯、距eg、e%，喷嘴倾斜角a 内、口 外，0 内、0 外，f内、。
[0015] 收集盘运动工艺参数包括：雾化锥喷射高度h、收集盘下降速度、收集盘旋转 速度n。
[0016] 倾斜式双喷嘴扫描喷射成形工艺参数制订方法包括W下步骤：
[0017] 步骤一：确定基本工艺参数，包括基本内工艺参数和基本外工艺参数，运些参数是 制定和计算其他工艺参数的前提条件。
[0018] (1)所述的基本外工艺参数是指受设备结构限制不易调整、或由金属烙体本身特 性决定的参数，包括：由某一金属合金所确定的烙体溫度，由喷嘴结构确定的雾化器出口面 积、喷嘴锥角，由喷嘴安装位置确定的内、外喷嘴偏屯、距。
[0019] 似所述的基本内工艺参数包括物质沉积速度V、雾化锥喷射高度h、G/M比率、收 得率口。
[0020] ①雾化锥喷射高度h是指烙体雾化后形成的雾化锥飞行距离，在此过程中进行热 交换而快速凝固，该参数决定了物质的半固态状态，是首先需要确定的，其依据是仿真计算 和实验得出的数据。
[0021] ②物质沉积速度V是指雾化锥在巧件沉积表面上单位时间内沉积增长厚度，该参 数决定了表面半固态沉积状态，是通过实验得出的数据。 阳0巧③G/M比率是指雾化器流量与金属烙体流率的比值，决定了烙体的雾化质量，是 仿真计算和实验得出的数据。
[0023] 步骤二：确定收集盘的下降速度
[0024] 收集盘下降速度Vft^^i根据物质沉积速度V确定，=V; 阳02引步骤S:确定内、外喷嘴扫描频率frt、收集盘旋转速度n
[0026] (1)确定内、外喷嘴扫描频率、％
[0027] 内、外喷嘴扫描频率受到扫描机械机构强度和疲劳寿命的限制，frt、％的取值范 围为甜Z-15HZ。
[0028] (2)确定收集盘旋转速度n
[0029] 在喷嘴扫描运动和收集盘旋转运动的共同作用下，雾化锥物质在沉积表面上的物 质按某一轨迹呈周期分布，为了提高物质在沉积表面的分布的均匀性，内、外喷嘴扫描频率 frt、％与收集盘旋转速度n的关系应满足的关系为：
[0030] k内=6〇 ?f内/n和k外=6〇 ?f外/n是无理数；
[0031] 步骤四：确定内、外喷嘴扫描区域
[0032] 根据需要喷射成形的锭巧目标直径确定内外喷嘴的扫描区域；内、外喷嘴的 扫描区域均为环形，用rgi、rg2表示内喷嘴的扫描区域内外径，用r^M、r%2外喷嘴的扫描 区域内外径； 阳的引 （1)1内1为锭巧中屯、位置，r内1 = 0 ;
[0034] 似r外2为锭巧目柄直径d触，r外2=d触；
[0035] (3)内、外喷嘴扫描区域具有C宽度的交叉范围，表示为r外i=rh2-c;
[0036] (4)内、外喷嘴扫描区域面积Sa、S外根据（式1、式。计算：
[0037]
[0038] 综合考虑内、外喷嘴导液管直径的差异W及内、外喷嘴扫描范围角的机构调整可 实现性，喷嘴扫描区域面积Sg、S%比值设为1. 5~2之间，根据该比值可计算r% 1、rh2;
[0039] 步骤五：确定内、外喷嘴倾斜角度及扫描范围角
[0040] 根据喷射成形工艺各个工艺几何参数间的关系，可得到式3、式4，
[0041 ]
[0042] 式中，h为雾化锥喷射高度，eg为内喷嘴偏屯、距，e%外喷嘴偏屯、距；
[0043]由（式3、式4)可计算得到内、外喷嘴的扫描参数：内、外喷嘴倾斜角ag、a和 内、外喷嘴扫描范围角Prt、e外；
[0044] 步骤六：确定内外喷嘴导液管直径
[0045] (1)内喷嘴导液管烙体流率m内确定
[0046] 内喷嘴导液管烙体流率mg根据沉积速度V、内喷嘴扫描区域面积Sg、烙体密度P 疮体、收得率P计算得到，其计算公式为：m内=V? ?P疮体/P;
[0047] 似内喷嘴导液管直径确定 W48] 根据漏包液位高度H、内喷嘴导液管烙体流率mg、烙体密度P、烙体流量系数y，采用式5计算内喷嘴导液管直径dh，
[0049]
[0050] (3)外喷嘴导液管烙体流率m外确定
[0051] 外喷嘴导液管烙体流率根据沉积速度V、外喷嘴扫描区域面积S%、收得率P计 算得到，其计算公式为：1% =V?S% /P;
[0052] (4)外喷嘴导液管直径确定
[0053] 计算方法同步骤（2)中内喷嘴导液管直径确定；
[0054] 步骤屯：确定内、外喷嘴雾化气体压力P内、P外 阳05引根据内喷嘴导液管烙体流率mg、G/M比率、内喷嘴出口面积Ag、雾化气体密度P 利用式6计算内喷嘴雾化气体压力Ph，
[0056]
(式 6);
[0057] 根据外喷嘴导液管烙体流率、G/M比率、外喷嘴出口面积A%、雾化气体密度P 利用式7计算外喷嘴雾化气体压力，
[0058] (式 7)。
[0059] 本发明的有益效果：
[0060] (1)提供了一种倾斜双喷嘴喷射成形工艺参数制订过程和计算方法，有效地解决 了诸多工艺参数之间的禪合和相互影响。
[0061] (2)提供了一种工艺参数工程化计算方法，计算过程和计算方法简便、快速、全面， 便于工程化实施。
[0062] (3)将诸多喷射成形工艺参数分为内参数和外参数，内参数取决于合金材料，外参 数由设备和工艺来实现，该方法可满足合金材料的喷射成形工艺要求。
[0063] (4)本发明工艺参数制订的目标参数为锭巧直径，因此可实现不同直径锭巧规格 的工艺参数制订。
【附图说明】
[0064] 图1为双喷嘴扫描喷射成形装置及其参数的示意图。
[0065] 图2为内外喷嘴扫描区域及其参数示意图。
[0066] 图中，1-收集盘；2-锭巧沉积表面；3-内喷嘴；4-外喷嘴；5-内喷嘴扫描轴；6-外 喷嘴扫描轴；7-外