采用紧耦合喷嘴制备高合金化材料的负压喷射成形工艺的制作方法

专利名称：采用紧耦合喷嘴制备高合金化材料的负压喷射成形工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及ー种利用紧耦合雾化喷嘴通过负压喷射成形制备高合金化材料(高温合金、高速钢)的エ艺方法。
背景技术：
喷射成形是ー种集高合金化金属材料的熔炼、雾化、沉积于一体的近终成形短流程技术，该技术不但克服了传统铸造エ艺导致的宏观偏析及组织粗大问题，而且避免了粉末冶金工艺繁琐及粉末氧化严重等技术难题，特别适合于制备合金化程度高(如高温合金、高速钢等)容易产生偏析的金属材料。喷射成形金属材料具有组织细小、成分均匀、高固溶度等优点。因而，喷射成形技术具有广泛的适用性和产品的多祥性，它不仅适用于多种金属材料，如高温合金、高速钢、工具钢、模具钢、铝-硅合金等，而且为新型材料，如金属间化合·物、复合材料和双性能材料的研制提供了一种先进的技术手段。喷射成形エ艺过程主要由合金液雾化、熔滴飞行与冷却、沉积坯生长三个连续过程构成。合金熔体在导流管末端，被雾化气流破碎成尺寸在几微米 几百微米之间的大量细小熔滴，熔滴在高速气流作用下加速，同时与气流进行快速热交换冷却。雾化后的较大液滴如IOOym以上由于本身的热容量高、质量大，受惯性力的作用比小液滴大，在气体流场中的加速慢，液滴与气流之间的换热系数低，因此大尺寸的液滴在到达沉积面时还处在液相状态。细小的固体颗粒和较大的液滴同时高速射向沉积面，与沉积面发生撞击，固体颗粒的撞击犹如喷丸强化，不断对沉积层进行变形冲击，使沉积层内无法形成大的枝晶组织；而较大体积的液滴在高速撞击下变形成薄片状附着在沉积层表面或发生溅射形成更为细小的液滴进行二次沉积或脱离沉积坯。这无数个凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积器表面，在沉积器表面附着、堆积、铺展、熔合形成一薄半液态层并顺序凝固结晶，逐步沉积成ー个大块致密的金属坯体。喷射成形把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(动态致密固化)结合在一歩冶金操作中完成，不但减少エ序，具有明显的经济效应，而且组织均匀，晶粒细小，提高了难变形加工金属材料的性能。目前，喷射成形エ艺国内外较多的采用自由降落型喷嘴，虽然该类喷嘴減少了喷嘴堵塞的风险，但是雾化出的金属熔滴尺寸较大，影响高合金化材料的组织均匀性。选用合适的喷嘴是获得理想喷射成形高合金化材料组织的关键部件。喷射成形喷嘴设计需要考虑的因素包括(I)雾化气体能够获得尽可能大的出口散射束和能量；(2)雾化介质与金属熔体之间能形成合理的喷射角度；(3)工作稳定，不易堵塞。紧耦合喷嘴的特点是雾化惰性气体出口接近金属液流出ロ，使得最多的气体能量聚集作用于液态金属，只有很少的一部分能量损失在气体出口至液流之间的紊流中，加上雾化气体可以采用较大的角度作用于金属液，因此气体动能损失较少，可以获得中值粒径较小的液滴。但是紧耦合喷嘴存在的ー个突出问题是容易堵塞。具体原因是由于导流管的前端受到雾化气体的冷却，金属液在发生雾化前可能部分已凝固，所以紧耦合喷嘴一般用于低熔点合金的喷射成形，而较少用于高熔点材料，如高温合金等。但是采用紧耦合喷嘴的喷射成形エ艺制备的高合金化金属材料的晶粒度更细，组织更均匀，材料力学性能更好。因此，如果在制备エ艺上获得突破，采用紧耦合喷嘴制备高熔点的合金材料如高温合金也是可行的。例如，北京航空材料研究院采用紧耦合喷嘴的喷射成形エ艺制备高温合金涡轮盘。制备出的喷射成形高温合金涡轮盘有如下优点①无宏观偏析和粉末原始颗粒边界(PPB)，组织细化，氧含量低且无粗大碳化物冷、热加工性能和力学性能显著提高；③制备エ序少，效率高，生产成本低。第二种是自由降落式雾化喷嘴。该种喷嘴中雾化气体与金属液开始相互作用的距离较长，由于作用距离长，气流衰减快，能量利用率低，因此喷射沉积的熔滴尺寸较粗。国内张豪发明ー种制备大规格、多种形状、高致密度、高性能合金及其复合材料的控制往复喷射成形装置(专利号CN03230878.7)。该设备采用非限制式、非扫描雾化喷嘴，金属熔体在高速惰性气体的破碎和带动下，形成高速的雾状喷射流，喷射流与基底进行在线精确控制下的往复沉积运动，沉积于基底表面的合金快速冷却，得到组织致密和一定形状的沉积坯。该装置采用非限制式(即自由降落型)喷嘴，在同样的雾化压カ条件下，雾化液滴的尺寸要比紧耦合式雾化喷嘴大，加上雾化熔滴的飞行速度较低，因此导致沉积坯中的·晶粒尺寸更大。使得采用非限制型喷嘴的喷射成形エ艺比采用紧耦合喷嘴的喷射成形エ艺制备的高合金化材料成分均匀性要差，且力学性能更低。为了提高喷射成形高合金化材料特别是高温合金的纯净度，宝山钢铁股份有限公司的任三兵等提出ー种防止喷射成形制备高温合金时被氧化的方法(专利号CN200710041267. 5)，在喷射成形设备中设置加热体及耐热坩埚材料，加热体位置高于沉积器。而耐热坩埚材料位于加热体上部，其上面加入碳性材料颗粒；在熔炼过程及喷射过程中始終对碳性材料颗粒透烧，碳性材料颗粒在高温下氧化，消耗氧气的同时生成保护性气体，防止高温合金在喷射过程中受到氧化。但是在具体的高温合金喷射成形过程中，国内外很少采用加热碳生成具有还原性但同时具有毒性的一氧化碳来防止高温合金氧化，エ艺可操作性并不強。

发明内容
本发明的目的是提出ー种能够提高高合金化材料的晶粒度，减小偏析的采用紧耦合雾化喷嘴制备高合金化金属材料的负压喷射成形エ艺方法。本发明的技术解决方案是(I)采用真空感应炉熔炼高合金化金属材料；熔炼坩埚采用热等静压加工的高纯电熔镁-铝尖晶石耐火材料制备，其中，坩埚体密度> 99%，且新坩埚使用前必须经高温烘烤和同类合金感应熔炼洗炉一次；(2)喷射成形喷嘴采用超音速紧耦合雾化喷嘴；雾化沉积的气体压カ为50 60atm ；(3)将合金装入熔炼坩埚；(4)抽真空，送电感应加热合金料采用机械泵，罗茨泵和增压泵三级泵系统把设备的熔炼室、雾化室均抽真空，真空度< I X 10_2Pa，送电加热合金料至合金熔化；(5)真空感应熔炼増大真空感应炉的电源功率，在真空环境中熔炼合金，待合金完全熔化后，精炼10 15分钟，使熔化的合金料更均匀且更纯净；
(6)充气在高真空环境下的合金精炼完成后，向熔炼室和雾化室充入高纯氩气，纯度> 99. 9% wt, O2 < 2ppm,压カ为 0. 95 Iatm ；(7)沉积室抽负压启动雾化沉积室的真空系统，把沉积室抽真空。通过真空机组保持熔炼室和雾化沉积室的压差在0. 25 0. 5atm之间，即Psrtl室一P ft nS=0. 3
0.4atm ；(8)负压雾化沉积在雾化沉积室的真空系统启动3 5秒后，把感应熔炼坩埚内精炼均匀的钢液按每分钟20公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包导流系统内，当观察到熔体流出导流管下端后，迅速打开紧耦合雾化喷嘴的高压气体阀，雾化沉积合金熔体，将熔滴喷射沉积在旋转的沉积器上形成沉积坯；雾化气体为高纯氩气，纯度> 99. 99% wt, O2
<2ppm,雾化压カ为80 lOOatm，雾化沉积30秒后，保持沉积室用于抽气的真空机组处于工作状态，沉积室内气压为-0. 2 -0. 3atm ；·(9)当雾化沉积完成后，把熔炼室和雾化沉积室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10_2Pa，合金坯体温度冷却低于200°C后，破真空取出沉积坯。本发明的优点和效果本发明充分结合喷射成形エ艺与雾化喷嘴技术的优点。利用真空感应熔炼设备熔炼喷射成形合金料，采用超音速紧耦合雾化喷嘴，通过优化设计的负压雾化沉积エ艺，制备出体密度高，晶粒细小的高合金化材料(高温合金、高速钢)雾化沉积坯，为喷射成形高温合金涡轮盘、喷射成形エ模具钢等材料打下基础。本发明的优点还包括①防止紧耦合雾化喷嘴堵塞。紧耦合超音速气雾化喷嘴的堵塞问题一直是国内外喷射成形エ艺很难解决的难题。负压雾化沉积エ艺防止了合金钢液因传输距离长，温度变化粘度増加造成的喷嘴堵塞，保证了合金熔体顺畅流到喷嘴处进行雾化；②减少沉积坯内的气体含量。从超音速喷嘴喷出的高压气体在负压作用下，増大了雾化气流对高温合金液的相対速度，使雾化气体与高温合金熔体的动カ交互作用更强烈，提高金属液到达沉积坯顶部时的破碎程度，有利于裹入或夹带的雾化气体的排出，提高沉积坯的致密度降低沉积坯内部晶粒尺寸；由于雾化效率提高，雾化熔滴的中值粒径进ー步降低，沉积坯内晶粒尺寸更小。因此，冶金缺陷和夹杂物的尺寸也进ー步减小，提高了合金沉积坯的冶金质量。研究表明，高速钢的抗弯强度与极限缺陷直径的平方根成反比，因此消除大尺寸夹杂物成为提高高速钢强度和质量的根本途径之一。所有喷射成形高速钢都由碳化物(碳化钨、碳化钥或碳化钒等)和回火的马氏体基体组成。如果硬度高的碳化物在相对硬度较低、韧性高的钢基体上分布不均匀，会直接缩短刀具和模具的使用寿命，而喷射成形高速钢内部的碳化物在高速钢内部分布十分均匀，因此，材料耐磨性更好，使用寿命更长；④设备操作更加安全可靠。通过真空系统进入沉积室的惰性气体，有可能会导致雾化沉积室内的压カ急剧升高，造成危险。通过负压系统强制排出，提高了系统操作时的安全性。本发明有助于提高我国喷射成形高合金化材料(包括高温合金、高速钢等)的冶金质量和性能，推动我国高性能喷射成形高合金化材料的发展，缩短与欧美等发达国家的差距，解决制约喷射成形高合金化材料推广应用的关键问题，为我国先进航空及航天发动机技木，以及加工制造工具的创新及进步提供技术支持。
具体实施方式
本发明的技术方案包括以下步骤(I)采用真空感应炉熔炼高合金化金属材料；熔炼坩埚采用热等静压加工的高纯电熔镁-铝尖晶石耐火材料制备。其中，坩埚体密度> 99%，且新坩埚使用前必须经高温烘烤和同类合金感应熔炼洗炉一次；(2)喷射成形喷嘴采用自主设计的超音速紧耦合雾化喷嘴；雾化沉积的气体压力为 50 60atm ；(3)选合金并装料选择ー种高合金化金属材料，如高温合金或エ模具钢的合金锭，把合金料装入坩埚；(4)抽真空，送电感应加热合金料采用机械泵，罗茨泵和增压泵三级泵系统把设备的熔炼室、雾化室均抽真空，真空度< lX10_2Pa。缓慢送电加热合金料；(5)真空感应熔炼増大中频电源功率，在真空环境中熔炼合金。合金完全熔化后，·精炼10 15分钟，使熔化的合金料更均匀且更纯净；(6)充气在高真空环境下的合金精炼完成后，向熔炼室和雾化室充入高纯惰性气体(> 99. 9% wt, O2 < 2ppm),压カ为 0. 95 Iatm ；(7)沉积室抽负压启动雾化沉积室的真空系统，把沉积室抽真空。通过真空机组保持熔炼室和雾化沉积室的压差在0. 25 0. 5atm之间，即Psrtl室一P ft nS=0. 3
0.4atm。(8)负压雾化沉积在雾化沉积室的真空系统启动3 5秒后，把感应熔炼坩埚内精炼均匀的钢液按每分钟20公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包导流系统内，当观察到熔体流出导流管下端后，迅速打开紧耦合雾化喷嘴的高压气体阀，雾化沉积合金熔体，将熔滴喷射沉积在旋转的沉积器上形成沉积坯；雾化气体为高纯惰性气体(> 99. 99% wt, O2
<2ppm),雾化压カ为80 lOOatm。雾化沉积30秒后,必须始终保持沉积室用于抽气的真空机组处于工作状态，沉积室内气压为-0. 2 -0. 3atm ；负压雾化沉积的主要优点包括①防止紧耦合喷嘴堵塞。紧耦合超音速气雾化喷嘴的堵塞问题一直是国内外喷射成形エ艺很难解决的难题。负压雾化沉积エ艺防止了合金钢液因传输距离长，温度变化粘度増加造成的喷嘴堵塞，保证了合金熔体顺畅流到喷嘴处进行雾化；②减少沉积坯内的气体含量。从超音速喷嘴喷出的高压气体在负压作用下，增大了雾化气流对高温合金液的相対速度，使雾化气体与高温合金熔体的动カ交互作用更强烈，提高金属液到达沉积坯顶部时的破碎程度，有利于裹入或夹带的雾化气体的排出，提高沉积坯的致密度降低夹杂物尺寸；由于雾化效率提高，高温合金细粉的中值粒径进ー步降低，因此，夹杂物的尺寸也进ー步减小，提高了合金沉积坯的冶金质量；④设备操作更加安全可靠。通过真空系统进入沉积室的惰性气体，有可能会导致雾化沉积室内的压カ急剧升高，造成危险。通过负压系统强制排出，提高了系统操作时的安全性。(9)当雾化沉积完成后，把熔炼室和雾化沉积室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10_2Pa。合金坯体温度冷却低于200°C后，破真空取出沉积坯。实施例以合金料化学成分为(wt%)Cl.5 ；W12. 3 ；Co4. 66 ；V5. 2 ；Cr4. 16 ；MoO. 22 ;余 Fe 的高合金化材料为例，放入合金料的重量多少由坩埚大小決定。喷射成形制备高合金化材料的主要操作过程是采用真空感应炉熔炼高合金化金属材料；熔炼坩埚采用热等静压加工的高纯电熔镁-铝尖晶石耐火材料制备。其中，坩埚体密度> 99%，且新坩埚使用前必须经高温烘烤和同类合金感应熔炼洗炉一次；喷射成形喷嘴采用自主设计的超音速紧耦合雾化喷嘴；雾化沉积的气体压カ为50 60atm ;把合金料装入坩埚；把熔炼室、雾化室抽真空，真空度< lX10_2Pa。缓慢送电加热合金料；增大中频电源功率，在真空环境中熔炼合金。合金完全熔化后，精炼10 15分钟。合金精炼完成后，向熔炼室和雾化室充入高纯惰性气体(> 99. 9% wt,O2 < 2ppm)，压カ为0. 95 Iatm ;启动雾化沉积室的真空系统，通过真空机组保持熔炼室和雾化沉积室的压差在0. 25 0. 5atm之间，即室—P ms=0- 3 0. 4atm。在雾化沉积室的真空系统启动3 5秒后，把感应熔炼坩埚内精炼均匀的钢液按每分钟20公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包导流系统内，当观察到熔体流出导流管下端后，打开紧耦合雾化喷嘴的高压雾化气体阀门，雾化沉积合金熔体，把熔滴喷射沉积在旋转的沉积器上形成沉积坯；雾化气体为高纯惰性气体(>99. 99% wt, O2 < 2ppm)，气体压カ为80 lOOatm。雾化沉积30秒后，始终保持沉积室内气压为-0. 2 -0. 3atm。雾化沉积完成后，把熔炼室和雾化沉积室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10_2Pa。合金坯体温度冷却低于200°C后，破真空取出沉积坯。·
权利要求
1.一种采用紧耦合喷嘴制备高合金化材料的负压喷射成形工艺，其步骤是 (1)采用真空感应炉熔炼高合金化金属材料熔炼坩埚采用热等静压加工的高纯电熔镁-铝尖晶石耐火材料制备，其中，坩埚体密度> 99%，且新坩埚使用前必须经高温烘烤和同类合金感应熔炼洗炉一次； (2)喷射成形喷嘴采用超音速紧耦合雾化喷嘴雾化沉积的气体压力为50 60atm； (3)将合金装入熔炼坩埚； (4)抽真空，送电感应加热合金料采用机械泵，罗茨泵和增压泵三级泵系统把设备的熔炼室、雾化室均抽真空，真空度< I X 10_2Pa，送电加热合金料至合金熔化； (5)真空感应熔炼增大真空感应炉的电源功率，在真空环境中熔炼合金，待合金完全熔化后，精炼10 15分钟，使熔化的合金料更均匀且更纯净； (6)充气在高真空环境下的合金精炼完成后，向熔炼室和雾化室充入高纯氩气，纯度> 99. 9% wt, O2 < 2ppm,压力为 0. 95 Iatm ； (7)沉积室抽负压启动雾化沉积室的真空系统，把沉积室抽真空。通过真空机组保持熔炼室和雾化沉积室的压差在0. 25 0. 5atm之间，即P_s— P ras=0. 3 0. 4atm ； (8)负压雾化沉积在雾化沉积室的真空系统启动3 5秒后，把感应熔炼坩埚内精炼均匀的钢液按每分钟20公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包导流系统内，当观察到熔体流出导流管下端后，迅速打开紧耦合雾化喷嘴的高压气体阀，雾化沉积合金熔体，将熔滴喷射沉积在旋转的沉积器上形成沉积坯；雾化气体为高纯氩气，纯度> 99. 99% wt, O2< 2ppm,雾化压力为80 lOOatm，雾化沉积30秒后，保持沉积室用于抽气的真空机组处于工作状态，沉积室内气压为-0. 2 -0. 3atm ； (9)雾化沉积完成后，把熔炼室和雾化沉积室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10_2Pa，合金坯体温度冷却低于200°C后，设备破真空取出沉积坯。
全文摘要
本发明属于高性能金属材料制备技术领域，涉及一种利用紧耦合雾化喷嘴通过负压喷射成形制备高合金化材料(高温合金、高速钢)的工艺方法。本发明充分结合喷射成形工艺与雾化喷嘴技术的优点。利用真空感应熔炼设备熔炼合金料，结合超音速紧耦合雾化喷嘴，通过优化设计的负压雾化沉积工艺，制备出体密度高、晶粒细小、组织均匀的高合金化材料(高温合金、高速钢)雾化沉积坯，为喷射成形高温合金涡轮盘、喷射成形工模具钢等材料的推广应用打下基础。
文档编号B22F3/115GK102784916SQ201210265538
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者张勇, 张国庆, 李周, 袁华, 许文勇 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院