• 超轻Al-Li合金(Li含量可达4%) （Ultralit
UL40）是锂含量高达4%的铝锂系合金，由 加拿大铝业(英国)公司所属的科斯普雷高技 术铝材公司(Cosprey Advance Aluminium Materials)开发的是目前最轻的工业铝合金 (密度为2410kg/m3)、其比刚度、比强度比它
应用
• 目前，喷射沉积技术的重要应用和发展方向主要
集中在高性能的新型铝合金材料方向。主要研制 的高性能铝基合金有：高比强度、高比模量低密 度铝锂合金；低膨胀耐磨高硅铝合金；高强度高 韧性耐蚀高锌铝合金；新型颗粒增强铝基复合材 料以及耐热高强Al-Fe-X合金系。此外，喷射成形 技术已用于铁基、铜基、镁基、钛基和高温合金, 以及金属基复合材料等材料,并且已成功地生产铝 基、铜基、不锈钢包管和镍基涡轮环坯等。 还应 用于超合金、高速钢、工具钢、高铬铸铁、金属 间化合物等材料及制品。
• 对于运动的基底和不同角度的喷射，通常需
通过计算机模拟预测最终形状
• 工艺过程与影响参数
• 气雾化喷射沉积 • N2、Ar • 制备Al、Ni、Fe
等材料
喷射沉积的工艺控制过程
• 沉积体毛坯的形状、组织和性能关键取决于两个状态: (1) 即将
沉积的喷射颗粒状态(颗粒中的固相含量) ; (2) 沉积体表面状态 (沉积体形状和顶层液相含量)。
强制喷到雾化流中，熔融金属和颗粒增强相 共同沉积在冷基底上，形成颗粒增强金属基 复合材料
• 三种加入方式：颗粒从雾化气体管道中喷出；
颗粒引入到熔体流出口；颗粒强制喷入金属 熔滴雾化锥内；
工艺特点
• 优点
• 细晶显微组织结构。快冷(103K/s~104K/s)和破碎。
10~100um等轴晶粒，通过快速凝固使沉淀相或析出 相尺寸0.5~15um；可以减少或避免热处理和热加工 过程；
• 喷射沉积法通过控制合金液滴的尺寸、飞行速度和液滴接触基
板时的温度与凝固状态获得理想的产品。以上目标参数可通过 调整气流速度、喷嘴结构、喷射距离等可控参数实现。沉积坯 的组织及喷射沉积工艺参数的选择与雾化熔滴散热速度密切相 关,而雾化熔滴和雾化气体之间的换热系数又受到雾化熔滴和雾 化气体之间相对速度的决定性影响。雾化气流速度随着离开雾 化喷嘴距离的增加而逐渐减小,同时也随径向距离增加而减小, 具体衰减规律与雾化喷嘴等有关。其基本过程如下图所示：
• 残余孔隙。通常需经过挤压、锻造、热等静
压等后续工序消除；
• 难以达到100%材料利用率。喷射碎削、表
层去处、废品等
基本原理
包括：
• 雾化过程液流破碎原理 • 液滴动力学与热交换原理 • 液滴沉积和成型坯的凝固原理
• 液流破碎原理
• 通常应用离心雾化或双流雾化原理，因为只
有这两种方式能够实现1~20kg/min流量液流 的喷射沉积；
q / V 4 [T ( T 1 )h H ]
• q：单位面积传热速率 • ：单位体积射流中金属质量 • V：沉积颗粒轴向速率 • h：金属比热 • H ：熔化潜热 • T:颗粒到达沉积表面温度 • T1：金属固相线温度
• 成坯形状
• 在静止的基底上喷射沉积，通常获得的成型
坯截面形貌为高斯曲线
第六章 喷射沉积
目录
• 发展历程 • 工艺特点 • 基本原理 • 工艺过程与影响参数 • 应用与举例
发展历程
• 70年代Singer在Swansea Univ.开发出来，主要
是喷射轧制过程；
• 随后Ospray Metals 公司开发出Ospray工艺，并
获得了专利；
• 美国MIT开发了液体动压紧实技术(Liquid
• 近型成形。可制备大型挤压粉末筛分、成型 与烧结等工序，减少了颗粒的污染；
• 可制备金属基复合材料。将陶瓷相与气体一起喷向
金属熔体，可获得均匀分布的复合材料；
• 适用性广。可制备大部分金属，如Al、Pb、Cu、
Mg、Ni、Ti、Co等。
• 缺点
新型铝合金生产中的成功应用（一）—— 超轻Al-Li合金
• Al-Li系合金具有重量轻、弹性模量高等特点，在铝合
金中每加入1%重量的锂，密度会减低3%，弹性模量 约增加6%。原则上，用Al-Li系合金作结构材料、飞 行器的重量可以减轻15%。
• 由于锂的化学活性极强，采用粉末冶金方法，合金
中会含大量氧化物，显著降低合金的疲劳强度和断裂 韧性，而采用铸造法，合金中会析出粗大化合物相， 增加材料脆性，也无法生产锂含量高的铝锂合金。研 究表明，喷射成形工艺生产的铝锂合金组织细小，洁 净无氧化夹杂物，具有较高的韧性和塑性。采用铸造 法易造成各向异性，通过喷射沉积，细化晶粒，可制 备高均匀度材料。
Dynamics Compaction)，通过高压雾化气体， 得到细小、快淬的液滴；
• 1988年，美国加洲大学开发了“雾化共沉积技
术”，制备金属基复合材料；
• 随后，Lawley提出了“反应雾化成形技术”，
可制备金属基自生复合材料
• 喷射共沉积
• Singer发明，把具有一定动量的颗粒增强相
• 基本原理与“粉末雾化”一节相同
• 液滴动力学与热交换原理
• 液滴的动力学与热交换行为主要是指液滴在
飞行过程中与雾化气体的动量和热量相互作 用；
• 通常需控制：
• 液滴飞行途径，尽量减少过喷射(Overspray)
损失和控制成型坯形状；
• 液滴热交换，控制沉积温度和固相含量
• 气流的轴向速度通常遵循指数规律衰减
vg vgiexp(z)
• 液滴的飞行速度与其尺寸相关
• 小颗粒加速较快，但达到气流速
度后，衰减也快；
• 大颗粒速度较慢，但飞行稳定，
速度变化小
• 液滴的热行为
• 不同尺寸颗粒的传热系数和冷却速度不同，如10um
颗粒传热系数11.45x103Wm-2 K-1，冷速为334x103Ks-1； 200um颗粒则为2.89x103Wm-2 K-1，冷速为21x103Ks-1， 因此在喷射沉积距离处存在一定的固/液量比
• 在0.4m处，Al-Cu合金10~30um颗粒为固态；
50~120um为半熔融态，大于200um颗粒为液态；据此 可计算不同距离的固液比
颗粒（Droplet)沉积
• 粘合效率(Sticking Efficient)：与颗粒的
状态和基底的状态相关，半固态或液态 颗粒与半固态基底粘合最好
沉积的临界条件