专利名称：一种两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统及成型方法
技术领域：
本发明涉及应用两级雾化喷射成形技术制备圆盘、圆管及圆环等具有大口径轴对称中心孔零件的方法，特别涉及熔融金属的雾化方式以及金属熔滴的沉积方式。
背景技术：
喷射成形技术是近30年发展起来的利用快速凝固方法直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进的成形技术。其过程是将熔融金属雾化成微小的液态熔滴，然后在高速气流的带动下，微小熔滴直接喷射在较冷的接收器上，从而成形零件。采用喷射成形制备的材料具有如下优良特性(I)晶粒细小、成分均匀、合金元素过饱和度高、无宏观偏析；(2) 含氧量低，雾化熔滴处于液态的时间极短，且有惰性气氛的保护，因此沉积坯的增氧量很小，基本上与母合金同一水平；(3)成形工艺简单，产品生产工序大大简化。此外，它还是一种合金化、过程设计以及产品成形紧密结合，集成度很高的柔性制造过程。
以Osprey模式为代表的传统喷射成形工艺采用惰性气体雾化熔融金属，其气流速度较低小于音速，该成形方式有如下不足(I)由于气体密度小、动量低，故雾化的效率很低，得到雾化熔滴的平均粒径较大，且雾化熔滴尺寸分布区间较宽；(2)由于传统喷射成形工艺本身的局限性，成形大口径轴对称中心孔零件难度很大；(3)喷射成形合金微观组织中不可避免存在孔隙，约为3% 6%。孔隙作为一种组织缺陷，割裂基体连续性，会降低材料的力学性能，而大口径薄壁管件的致密化及塑性加工工艺不易实现。发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统及成型方法，用于喷射成形圆盘、圆管及圆环等具有大口径轴对称中心孔零件。
本发明采用气体雾化与机械雾化相结合的混合雾化方法减小熔滴的平均粒径，同时采用离心方法，使沉积的半固态熔滴相互挤压以降低沉积坯的孔隙率。基于上述原理本发明提出了一种两级雾化喷射成形具有大口径轴对称中心孔类零件的方法。基本原理是: 高速惰性气体由雾化喷嘴喷出对熔融金属进行雾化，形成雾化锥，该过程为第一级雾化，即高速气体雾化；雾化锥中金属熔滴在飞行过程中与甩出盘相撞。由于甩出盘本身做高速旋转，与熔滴的相对速度很大，经过碰撞及离心作用熔滴被进一步细化，这是第二级雾化，即机械雾化；经过两次雾化后，金属熔滴以很高速度飞向接收模具，并在该过程中发生快速凝固，最终在接收模具上沉积成形，由于环形模具做高速旋转，接收的半固态液滴由于离心力的作用会挤占之前沉积产生的孔隙，降低沉积坯的孔隙率。环形模具高速转动同时能够沿轴向上下运动，通过调节轴向的进给速度、总进给量可以控制成形件的壁厚及轴向长度。
一种两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统，其特征在于包括真空室1，坩埚2，加热线圈3，机械甩出盘6，止通棒7，导液管8，高压气体雾化喷嘴9，冷却装置10，环形模具11 以及储气瓶13 ;其中坩埚2，加热线圈3、止通棒7，导液管8以及雾化喷嘴9位于真空室I 的上半部分，坩埚2位于真空罐I上半部分的中心位置，并通过其底部的螺纹通孔与导液管8相连，止通棒7与导液管8以及坩埚2底部的螺纹通孔共轴，且能够沿其轴线上下移动， 通过控制其锥形端与坩埚2底部的螺纹通孔分离或贴合控制熔融金属的流下与否。所述坩埚2的外围设有加热线圈3，雾化喷嘴9包围在导液管8的外部且与置于真空罐I外部的储气瓶13通过管路相连；机械甩出盘6以及环形模具11置于真空室I的下半部分，机械出盘 7通过旋转轴与旋转机构连接，能够沿其轴线做高速转动，且其上端设有对甩出盘的工作表面进行降温的冷却装置11，环形模具12置于机械甩出盘7外部，下端中心通过旋转轴与旋转机构连接，具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度。
所述雾化喷嘴9出气口切线方向与竖直轴线呈15° 45°夹角，雾化喷嘴9的出气口形状为Laval形。雾化气体的压力优选为0. 2 I. 5Mpa。
一种用于权利要求I或2所述系统制备圆盘类零件的方法，其特征在于步骤如下
步骤I :将母体合金置入坩埚中，并将真空室抽真空至小于50Pa ；
步骤2 :接通加热线圈3加热母体合金至熔融态，并使其具有30°C 200°C过热度；
步骤3 :向上移动止通棒使熔融金属沿导液管8流下进入高压气体雾化区，同时打开储气瓶13上的控制阀门，使得压力为0. 2 I. 5Mpa的惰性气体经过雾化喷嘴9的对液态金属进行雾化，得到的雾化液滴以与竖直轴线形成15° 45°夹角的方向撞击高速旋转的机械甩出盘6 ;机械甩出盘6以2000 3000r/min转速进行旋转，在旋转中将熔滴在撞击力和离心力的共同作用下被进一步细化，并高速飞向环形接收模具11，熔滴在飞行过程中逐渐凝固被在高速转动的环形模具上沉积成形；所述环形模具的转速为1000 1500r/ min ；
步骤4 :对得到的沉积坯进行修形加工，去除工艺余量得到最终零件。
本发明提出的两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统及成型方法，通过两级雾化能够有效地细化雾化颗粒，提高金属熔滴的凝固速度，增大成形材料的致密性，改善材料的微观结构，减少后续的致密化处理工序，降低成本。具有如下的有益效果
(I)两级雾化法可以有效的降低雾化熔滴的平均粒径。现有的普通高压气体雾化能够将熔融金属雾化成10 200微米的液态熔滴，两级雾化能够使熔滴的平均粒径减小一半，可以得到晶粒更为细小的微观组织。
(2)提高成形件致密性。由于改变了熔滴的沉积方式，接收模具做高速转动，在离心力作用下半固态熔滴能够有效的挤占沉积产生的空穴，成形件孔隙率小于I %，无需进行致密化处理；
(3)提高材料的利用率。机加方法如铣削、车削等加工圆盘、圆环类零件需要去除大量的材料，材料利用率很低，与之相比该方法可以大大提高材料的利用率，尤其是对于大口径薄壁件。
图I是两级雾化喷射成形圆盘类零件装置结构示意图。
图中1为真空室，2为坩埚，3为加热线圈，4为第一级雾化锥，5为储气瓶，6为第二级雾化锥，7为甩出盘，8为止通棒，9为导液管，10为高压气体喷嘴，11为冷却装置，12为环形模具，13为沉积坯。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述
本实施例的系统，包括内部尺寸高2m，直径I. 2m的真空室1，高0.2m直径0. 18m 的坩埚2，加热线圈3，储气瓶5，直径0. 3m的机械甩出盘7，止通棒8，导液管9，高压气体雾化喷嘴10，冷却装置11以及直径0. Sm的环形模具12 ;其中坩埚2，加热线圈3、止通棒8， 导液管9以及雾化喷嘴10位于真空室I的上半部分，坩埚2位于真空罐I上半部分的中心位置，并通过其底部的螺纹通孔与导液管9相连，止通棒8与导液管9以及坩埚2底部的螺纹通孔共轴，且能够沿其轴线上下移动，通过控制其锥形端与坩埚2底部的螺纹通孔分离或贴合控制熔融金属的流下与否；所述坩埚2的外围设有加热线圈3，雾化喷嘴10包围在导液管9的外部且与置于真空罐I外部的储气瓶5通过管路相连；机械甩出盘7以及环形模具12置于真空室I的下半部分，机械出盘7通过旋转轴连与旋转机构连接，能够沿其轴线做高速转动，且其上端设有对甩出盘的工作表面进行降温的冷却装置11，环形模具12置于机械甩出盘7外部，下端中心通过旋转轴与旋转机构连接，具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度。
冷却装置11采用液氮对机械甩出盘7的工作表面进行冷却，提高其工作寿命。
所述雾化喷嘴10出气口切线方向与竖直轴线呈30°夹角，雾化喷嘴10的出气口形状为Laval形。雾化气体的压力优选为0. 2 I. 5Mpa。
机械甩出盘7与环形模具12旋转轴线有一定偏心距，偏心距大小与成形零件直径相关。
以喷射成形Al_20wt% Si圆环坯体为例，采用本系统说明该发明实施方式。过共晶Al-Si合金具有质轻、强度高、耐磨性好等优异的综合性能在汽车发动机关重部件中逐渐得到应用，如薄壁缸套、气缸衬套等。常规铸造条件下Si含量增加会造成初生Si相粗化， 使材料的加工性能及机械性能大为降低；而传统喷射成形方法制得坯件孔隙率较大，需要后续的致密化工序。而本发明提供的方法能够有效的解决上述问题，其具体实施方式
为
(I)母体合金置入坩埚2中，并将真空室I抽真空至小于50Pa ；
(2)启动加热设备3，将金属加热至熔融状态并使之过热度为100°C。打开止通棒 8使熔融金属沿导液管9流下，进入高压气体雾化区；
(3)应用高压惰性气体对由导液管9流下的熔融金属进行雾化。气体雾化完成后熔滴以较高速度飞向机械甩出盘7，在雾化喷嘴9与机械甩出盘7之间形成第一级雾化锥 4，且熔滴在飞行过程中逐渐凝固；
(4)第一级雾化锥4中熔滴撞击高速旋转的机械甩出盘7，熔滴在撞击力和离心力的共同作用下被进一步细化，并高速飞向环形模具12，形成第二级雾化锥6，熔滴在飞行过程中继续凝固，通过控制喷嘴10到机械甩出盘7的距离使得到达环形接收模具时熔滴的固相分数为60% ；
(5)半固态金属熔滴高速撞击环形接收模具12。环形模具12在高速转动同时沿轴向向下运动，接收雾化熔滴并凝固成形。由于模具12做高速转动，在离心力作用下半固态熔滴挤占沉积过程中产生的空穴，成形坯件的孔隙率很小。
(6)对得到的沉积坯进行修形加工，去除工艺余量得到最终零件。
权利要求
1.一种两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统，其特征在于包括真空室(1)，坩埚(2)， 加热线圈(3)，储气瓶(5)机械甩出盘(7)，止通棒(8)，导液管(9)，高压气体雾化喷嘴(10)，冷却装置(11)以及环形模具(12);其中坩埚(2)，加热线圈(3)、止通棒(8)，导液管(9)以及雾化喷嘴(10)位于真空室(I)的上半部分，坩埚(2)位于真空罐(I)上半部分的中心位置，并通过其底部的螺纹通孔与导液管(9)相连，止通棒(8)与导液管(9)以及坩埚(2)底部的螺纹通孔共轴，且能够沿其轴线上下移动，通过控制其锥形端与坩埚(2)底部的螺纹通孔分离或贴合控制熔融金属的流下；所述坩埚(2)的外围设有加热线圈(3)，雾化喷嘴(10)包围在导液管(9)的外部且与置于真空罐(I)外部的储气瓶(5)通过管路相连；机械甩出盘(7)以及环形模具(12)置于真空室(I)的下半部分，机械出盘(7)通过旋转轴与旋转机构连接，能够沿其轴线做高速转动，且其上端设有对甩出盘的工作表面进行降温的冷却装置(11)，环形模具(12)置于机械甩出盘(7)外部，下端中心通过旋转轴与旋转机构连接，具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度。
2.根据权利要求I所述两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统，其特征在于所述雾化喷嘴(10)出气口切线方向与竖直轴线呈15° 45°夹角，雾化喷嘴(10)的出气口形状为 Laval形。雾化气体的压力优选为0. 2 I. 5Mpa。
3.一种用于权利要求I或2所述系统制备圆盘类零件的方法，其特征在于步骤如下步骤I :将母体合金置入坩埚中，并将真空室抽真空至小于50Pa ；步骤2:接通加热线圈(3)加热母体合金至熔融态，并使其具有30°C 200°C过热度；步骤3 :向上移动止通棒使熔融金属沿导液管(9)流下进入高压气体雾化区，同时打开储气瓶(5)上的控制阀门，使得压力为0. 2 I. 5Mpa的惰性气体经过雾化喷嘴(10)的对液态金属进行雾化，得到的雾化液滴以与竖直轴线形成15° 45°夹角的方向撞击高速旋转的机械甩出盘(7);机械甩出盘(7)以2000 3000r/min转速进行旋转，在旋转中将熔滴在撞击力和离心力的共同作用下被进一步细化，并高速飞向环形接收模具(12)，熔滴在飞行过程中逐渐凝固被在高速转动的环形模具上沉积成形；所述环形模具的转速为1000 1500r/min ；步骤4 :对得到的沉积坯进行修形加工，去除工艺余量得到最终零件。
全文摘要
本发明提供一种两级雾化喷射成形圆盘类零件的系统及成型方法，高速惰性气体由雾化喷嘴喷出对熔融金属进行雾化，形成雾化锥，该过程为第一级雾化；雾化锥中金属熔滴在飞行过程中与甩出盘相撞。由于甩出盘本身做高速旋转，与熔滴的相对速度很大，经过碰撞及离心作用熔滴被进一步细化，这是第二级雾化；经过两次雾化后，金属熔滴以很高速度飞向接收模具，并在该过程中发生快速凝固，最终在接收模具上沉积成形，由于环形模具做高速旋转，接收的半固态液滴由于离心力的作用会挤占之前沉积产生的孔隙，降低沉积坯的孔隙率。环形模具高速转动同时能够沿轴向上下运动，通过调节轴向的进给速度、总进给量可以控制成形件的壁厚及轴向长度。
文档编号B22F3/115GK102528035SQ201110456500
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者司朝润, 张贤杰, 曹小宝, 李玉军, 王俊彪 申请人:西北工业大学