專利名稱：多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于噴射成形工藝領(lǐng)域，特別涉及在復(fù)合材料制造領(lǐng)域，采用多坩堝多噴嘴噴射成形技術(shù)的制備方法。
背景技術(shù)：
噴射成形技術(shù)是一項新興的技術(shù)，該技術(shù)具有快速凝固的特點，可制備常規(guī)工藝難以制備的高合金或超高合金材料，快速凝固促進了金屬組織細化、消除了宏觀偏析，材料晶粒細小、組織均勻，從而大幅度地提高了合金性能。它既克服了傳統(tǒng)的冶金鑄造過程帶來的缺陷，又可免除粉末冶金的制粉、壓制、燒結(jié)等多道工序，節(jié)省了中間步驟，比粉末冶金工藝降低了生產(chǎn)成本縮短了生產(chǎn)時間。噴射成形學(xué)術(shù)思想首先是由英國Swansea大學(xué)的 Singer教授于1968年提出，其目的在于從熔融金屬直接獲得最終產(chǎn)品或半成品。噴射成形作為一種工程技術(shù)則是從1974年英國Osprey Metals公司取得專利權(quán)開始。Osprey公司對其工藝及設(shè)備進行了大量研究后，發(fā)展成了一種實用技術(shù)，并將此命名為Osprey工藝。中國專利200410039057. 9將純Si、Al原材料放入中頻感應(yīng)電爐中升溫熔化，澆鑄成中間合金錠，然后采用噴射成形技術(shù)制備Al-Si合金。從而提供一種低熱膨脹系數(shù)、高熱傳導(dǎo)率、低密度和可加工的高硅鋁合金的制備方法，廣泛適用于電訊、航空、航天、國防和其他相關(guān)工業(yè)電子元器件所需的新型封裝或散熱材料。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)不能提供有效的梯度材料的成形，鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明旨在提供噴射成形制備復(fù)合材料的工藝方法，通過采用多坩堝、多噴嘴結(jié)構(gòu)，精確控制沉積器二維運動方式，實現(xiàn)噴射成形制備復(fù)合材料的新方法。本發(fā)明的目的通過如下手段來實現(xiàn)。多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，采用多坩堝多噴嘴噴射成形技術(shù)的制備方法，所述方法包括如下步驟
(1)待覆層基體表面清理后在惰性氣體保護下加熱升溫；
(2)—個以上的合金液坩堝依次排列在在覆層基體上方，各坩堝中的合金液在液相線以上100-200°C保溫，然后傾倒入中間包，中間包熔體高度控制在150mm-250mm之間，熔體經(jīng)由中間包底部的導(dǎo)流嘴流入霧化器，經(jīng)高壓惰性氣體霧化依次噴射沉積在所述基體表面上得到多層梯度材料。采用如上的方法，提高了噴嘴霧化效率和沉積效率，實現(xiàn)了多層復(fù)合材料的連續(xù)制備。獲得有益的效果為沉積坯孔隙率低(2-4%)、組織細小均勻(平均晶粒度0. 9_20Mffl)、 界面結(jié)合性能較好，材料收得率高(72%-85%)。


如下
圖1.本發(fā)明方法的工序示意圖。圖2.采用本發(fā)明方法所獲成形制備梯度材料的剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進一步的描述。根據(jù)本發(fā)明的基本構(gòu)思，利用多坩堝多噴嘴實現(xiàn)霧化噴射，調(diào)整沉積基體位置、調(diào)整坩堝位置、霧化先后順序、沉積基體運動順序，利用金屬射流剛沉積到基體時接近熔點的高溫和極好的流變性，實現(xiàn)多層復(fù)合材料沉積層之間的冶金結(jié)合，獲得致密的多層復(fù)合材料。其具體做法先對基體表面進行清理或加工并在惰性氣體保護下感應(yīng)加熱；然后，將多種合金液經(jīng)過多坩堝多噴嘴由高壓惰性氣體霧化并依次噴射沉積在所述基體表面上，得到多層復(fù)合材料?；w表面的清理和加工工藝可以采用本領(lǐng)域傳統(tǒng)的清理和加工工藝，只要對本發(fā)明的發(fā)明目的不產(chǎn)生影響即可。具體的例子包括但不限于去污清洗、噴丸或噴砂處理、機械加工等?；w表面在惰性氣體保護下感應(yīng)加熱時，所述基體表面預(yù)熱溫度僅比合金固相線溫度低100-150°C。所述金屬液由高壓惰性氣體霧化并噴射沉積在基體或已沉積層表面上，所述高壓惰性氣體的壓力2-10大氣壓。惰性氣體的種類一般與感應(yīng)加熱所用一致， 對鋼鐵工件一般采用氮氣。液面高度由位置或者重量傳感器在線測量。熔體質(zhì)量流速在 1000-1500kg/h。所述多個限制式噴嘴，其工作介質(zhì)為惰性氣體或設(shè)定的反應(yīng)性氣體，合金熔體在重力作用下進入霧化區(qū)域，氣體壓力2-10大氣壓，不同坩堝中的合金熔液通過霧化噴嘴將具有穩(wěn)定流速的合金液流粉碎，形成穩(wěn)定而密集的液滴噴射流。連續(xù)密集沉積的合金液充分融合，且快速凝固。霧化噴嘴采用掃描運動，增大了噴射沉積區(qū)域，使得沉積更加均勻。所述的精確控制沉積基體溫度，具體為沉積基體的溫度與沉積坯性能、沉積效果、結(jié)合層強度密切相關(guān)。沉積基體經(jīng)過感應(yīng)線圈加熱，預(yù)熱后溫度為合金固相線溫度以下 100-150°C。所述的精確控制沉積基體的運動模式，具體為沉積基體的運動方式與沉積坯形狀、沉積效果密切相關(guān)。所述的控制工藝參數(shù)，具體如下
噴射流在沉積到基體表面之前的飛行距離在500-600mm范圍，多坩堝多噴嘴實現(xiàn)不同合金依次霧化成噴射流，并依次沉積在基體上，形成沉積梯度層?；w初始預(yù)熱溫度比合金固相線溫度低100-150°C?？刂瞥练e基體的運動方式，基體水平運動速度0.5-10mm/s。控制沉積基體運動和沉積距離，在線控制工藝參數(shù)，始終滿足最佳沉積狀態(tài)，保持形狀精度。采用數(shù)字紅外測溫儀分別在線測量沉積層表面溫度和沉積基體溫度，采用工控機和可編程控制器(PLC)接受獨立工藝參數(shù)信號和發(fā)出電機控制指令，在線控制沉積面與噴嘴距離、軸向運動速度、旋轉(zhuǎn)速度，使沉積溫度和距離在最佳范圍內(nèi)。本發(fā)明中存在幾束熔體噴射流，一個坩堝連接一個中間包控制一個霧化噴嘴形成獨立噴射流。本發(fā)明適用于制備的管坯、圓柱錠坯、板材等多沉積層梯度材料。在本發(fā)明的一個具體實施方式
中，合金液由高壓惰性氣體霧化并噴射沉積在基體或已沉積層表面上，所述單個噴射裝置的金屬液的流速為1000-1500kg/h。此處所指的合金液的流速是單個噴射裝置的合金液的流速。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解采用多個噴射裝置合金液的流速為各個單個噴射裝置中流速的組合。
采用本發(fā)明的基本方法，適當(dāng)控制基體與霧化合金液射流之間旋轉(zhuǎn)、往復(fù)等相對運動，可制備各種形狀的復(fù)合材料坯，使沉積層合金均勻、快速、逐層地覆蓋在基體表面，目標(biāo)制備梯度材料可制備成板坯、環(huán)坯、圓柱坯等。本發(fā)明不限于上述細節(jié)的描述，任何不偏離發(fā)明實質(zhì)精神的變化或修飾都將包括在本發(fā)明范疇之中。以下結(jié)合具體實例，進一步闡明本發(fā)明。實施例1
圖1是本發(fā)明的工藝和設(shè)備示意圖。采用雙坩堝、雙噴嘴噴射成形制備Al-Si合金梯度材料?；w(6)選用6061鋁合金材料，將AlSi25、AlSi12鋁合金分別放入坩堝(8)和(9)中經(jīng)感應(yīng)線圈加熱熔化，保溫溫度分別控制在630°C和750°C，基體(6)水平方向移動至噴嘴 (7)下方，AlSiM合金熔液傾倒入中間包中，經(jīng)過噴嘴霧化形成霧化區(qū)，在基體上沉積一層 AlSiM沉積層(5)，隨著基體移動至第二個噴嘴下方，AlSi12合金熔液(1)傾倒入中間包(2) 中，噴嘴霧化形成霧化區(qū)(3)，AlSi12鋁合金在沉積層(5)表面再發(fā)生沉積，形成沉積層(4)。 工藝參數(shù)如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0. 4MPa ；沉積距離600mm ；導(dǎo)流管直徑4mm。
權(quán)利要求
1.多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，采用多坩堝多噴嘴噴射成形技術(shù)的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)待覆層基體表面清理后在惰性氣體保護下加熱升溫；(2)—個以上的合金液坩堝依次排列在在覆層基體上方，各坩堝中的合金液在液相線以上100-200°C保溫，然后傾倒入中間包，中間包熔體高度控制在150mm-250mm之間，熔體經(jīng)由中間包底部的導(dǎo)流嘴流入霧化器，經(jīng)高壓惰性氣體霧化依次噴射沉積在所述基體表面上得到多層梯度材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，其特征在于， 基體表面在惰性氣體保護下采用外置感應(yīng)加熱線圈加熱，所述基體表面溫度加熱至低于沉積層合金固相線溫度100-150°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，其特征在于， 所述合金液經(jīng)多坩堝多噴嘴控制，高壓惰性氣體壓力為2-10大氣壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，其特征在于， 所述基體平面相對于噴嘴作垂直直線平移，軸向移動速度0. 5-10毫米/秒，此時合金液的流速控制在在1000-1500kg/h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多坩堝多噴嘴噴射成形制備梯度材料的方法，采用多坩堝多噴嘴噴射成形技術(shù)。包括如下步驟(1)待覆層基體表面清理后在惰性氣體保護下加熱升溫；(2)一個以上的合金液坩堝依次排列在在覆層基體上方，各坩堝中的合金液經(jīng)高壓惰性氣體霧化依次噴射沉積在所述基體表面上得到多層梯度材料。本發(fā)明方法提高了噴嘴霧化效率和沉積效率，實現(xiàn)了多層復(fù)合材料的連續(xù)制備。獲得梯度材料具有沉積坯孔隙率低、組織細小均勻、界面結(jié)合性能較好，材料收得率高的優(yōu)點。
文檔編號B22F3/115GK102151828SQ20111006632
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者徐軼, 葛昌純 申請人:西南交通大學(xué)