的MIT、Drexel和加州大学、US Navy和宾州
AR，英国的Swansea和Birmingham大学，德
国的不莱梅学院，韩国的RISI，我国台湾的成
功大学等。
二、喷射沉积技术的基本原理
过热的合金液体在高 压惰性气体或机械力离 心雾化，形成微细的液 滴。液滴在飞行过程中 冷却、凝固，形成固液 两相颗粒喷射流，并直 接喷射到较冷的基底上， 产生撞击、粘结、凝固， 从而形成沉积物。
(3)液滴和外加反应剂粒子的固液反应
MO+X→XO+M 液滴与外加反应剂之间的液固反应体系的选择 可利用氧化物的Δ G°-T图，用氧化物比较稳定的金 属去还原与之比较相对不稳定的氧化物。如用CuO、 Fe2O3、SiO2等作为反应剂与Al反应生成Al2O3，并 与基体金属Al在Osprey工艺中发生共沉积。 在沉积过程中，由于金属液体被过热，金属液 体被高压气体充分雾化成细小液粒后，与反应剂发 生化学反应。
生产宽带材存在困难。可以采用多喷嘴解决，
但存在边界结合问题。
4.喷射锻造
喷射锻造也是 Osprey金属有限公司 早期发展起来的一种 喷射沉积工艺 。雾 化金属液滴喷射流直 接喷射进入模子中， 形成锻造毛坯。 模子通常是铜制 水冷的，也可用高温 陶瓷。
优点：
预成形坯内无连通孔隙，可在空气中锻造。
(3)目前国际上的技术水平

英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。 德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸 约1000mm×2000mm×10mm的钢板。


德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。
反应剂颗粒的加入 有两种形式：
在雾化沉积过程中， 从雾化锥外采用环孔 或对称吹管，用N2气 作载体，将反应剂加 入到雾化锥中；
反应剂直接从雾化喷 枪内加入，与雾化金 属液滴一同沉积下来。
反应喷射沉积技术的特点 ： 良好的组织特征 反应喷射沉积技术结合了熔化、快速凝固的 特点，能得到比较细小的晶粒组织，而且在保 证了细晶基体和增强颗粒分布均匀的同时，也 保证了增强颗粒与基体间良好的化学和冶金结 合，反应生成的陶瓷相颗粒非常细小，从而制 得优良性能的复合材料。 节约热能 反应过程充分利用金属液体的过热温度发生 化学反应，达到了节约热能的目的。
优点：
很容易地同时实现喷射沉积与致密化，从而生 产出达到理论密度的沉积坯，并防止内部氧化， 并且体现出快速凝固的优点。 一般来说，任何厚度的沉积物在整个厚度范围 内均得到充分均匀的加工。 沉积物机械性能大为改善，内应力降低，其性 能水平相当于喷射轧制或传统金属热加工产品 的性能。
6.喷射共沉积法
沉积工艺的代名词。
2.LDC技术的发明
20世纪70年代后期，美国 麻省理工学院的N.J.Grant教授 和加州大学欧文(Irvine)分校的 Lavernia等人采用超声雾化法将 金属熔体雾化成极细的液滴，然 后沉积在一个水冷载体上，发展 成了液体动压成形(LDC)工艺。 实际上，LDC工艺和Osprey工艺 均属喷射沉积，只是前者更加强 调雾化液滴的微细效果和沉积坯 的冷却效果。
应合成陶瓷粒子技术结合起来的一种制备颗粒
增强金属基复合材料的新技术。
在喷射沉积过程中，金属液体被充分雾化
成细小的液滴，使其具有很大的体表面积，同 时又处于一定的过热条件下，这就为喷射沉积 过程中液滴与外加反应剂接触，发生化学反应 提供了驱动力。
(1)雾化气体与金属液滴之间的气-液反应
将金属液体在氧化性气氛或含氮气氛中充分雾化成细 小的液滴，使其自发迅速地在表面发生氧化或氮化反 应，而后氧化物或氮化物与金属一起沉积下来，最终
喷射沉积坯的组织和性能在很大程度上取 决于喷射密度。
低喷射密度沉积
即到达基体表面的雾化颗粒稀少，则先前
大多数溅射物在到达该处之前已完全凝固。原
来和新覆盖上去的溅射物的冷却速度较高，先
凝固的溅射物能快速地传走热量。由于沉积过
程中的随机性，沉积坯中存在一些微细的空隙 和孔洞，而且不容易由新的溅射液滴来充满。
的A. R. E. Singer教授于
1968年提出，1970年首次公 开报导的。当时他把熔融金 属雾化沉积在一个旋转的基 体上，形成沉积坯料，并直 接轧制成带材。
1974年R. Brooks等人
成功地将Singer提出的
喷射沉积原理应用于锻
造毛坯的生产，发展成 了世界著名的Osprey工 艺，开发出了适合于喷 射沉积工艺的一系列合 金，从此，Osprey工艺 蜚声于世，成为了喷射
三、喷射沉积工艺和装置

喷雾沉积 离心喷射沉积 喷射轧制
喷射锻造
同时喷射喷丸
喷射沉积坯快速原型
喷射共沉积 反应喷射沉积
1.喷雾沉积
金属液体通过惰性
气体雾化后沉积在基
底上形成特定形状沉
积坯的工艺。被广泛
地用于制备管、棒、 板(带)坯等。
对大尺寸坯和宽板坯制备也可以采用 多喷嘴结构 。
3. CSD工艺的发明
原理：采用的是离心 雾化装置，将液体金 属离心雾化为0.5～ 1.5 mm的液粒，金属 液粒冲击冷衬底时， 冷却速度可达104～ 106 K/s。
1980年英国的Aurora钢铁公司开始将喷射沉积
技术应用于高合金工具钢的生产，进一步发展
了雾化沉积工艺，开发出了“控制喷射沉积
凝固和成形工艺，称之为喷射沉积(Spray
Deposition)或喷射成形(Spray Forming)工艺，
很好地解决了上述矛盾。 该工艺的诞生对铸造、粉末冶金等技术产生了 深远的影响，成为当今最引人注目的材料制备方 法之一。
1.Osprey技术的发明
喷射沉积的概念和原理
最早是由英国Swansea大学
原理：在喷射沉积过 程中，把具有一定动 量的颗粒增强相喷到
雾化颗粒喷射流中，
两者共同沉积到较冷 的基体上，以制备颗 粒增强金属基复合材 料的一种方法。
在喷射共沉积过程中，增强颗粒的加入方
式有三种：
直接从雾化气体管道中加入
将增强颗粒直接加入到金属熔体中
将颗粒流直接喷入金属熔体的雾化锥中
技术特点:
绝大部分雾化颗粒在与沉积基体碰撞前仍保持
为液态，沉积坯形成铸造化组织。
雾化颗粒在与基体碰撞时，部分颗粒为液态
( 约占 30% ～ 50%) ，部分颗粒为全固态和半固态， 在基体上碰撞沉积后有可能在沉积层表面形成 液体薄层，很容易与下层的沉积颗粒结合成 致 密的沉积层。
由于喷射速度较快，在下一批雾化颗粒到达之前，在沉
第十章
喷射沉积技术
一、喷射沉积技术发展概况
快速凝固/粉末冶金技术(RS/PM)的优点：
材料的晶粒细小
成分及组织均匀 能够形成亚稳相
材料的力学性能优异
RS/PM技术存在以下不足：
工艺复杂
粉末氧化严重
难于制备大件等问题。
鉴于上述考虑，人们又在探索新型的材料制 备技术。 20世纪60年代末又发展起来一种新型的快速
形成具有弥散分布的复合材料。例如：
Cu(Al)+N2/O2→Cu(Al)+Al2O3+N2 Fe(Al)+N2→Fe(Al)+AlN Fe(Al)+N2/O2→Fe(Al)+Al2O3+N2
(2)含有反应剂的熔体间的液／液反应
将含有反应剂元素的合金液混合，并雾化或将 含有反应剂元素的合金液在雾化时发生碰撞混和， 从而发生化学反应的液液反应。 Cu/TiB2 复合材料 的制备就是这方面的典型例子，其反应式为: Cu-B＋Cu-Ti→Cu+TiB2
冷铜坩埚熔炼后，由石墨喷嘴中流出到下端高
速旋转的水冷铜盘，被离心粉碎成微细液滴， 并沉积在基体上。
优点：除了能生产高性能的细晶粒材料外， 它还可以生产采用别的方法难于生产的大直径 环件或管材。将大直径的短管切开可以作为轧
制薄板用的厚坯。另外离心喷射沉积工艺消耗
惰性气体量很少，特别有利于生产易受气氛污 染的钛材。
预成形坯为细晶胞状组织，具有优良的热加工
性能。经锻造之后，得到了全致密的锻件，锻 件比传统的冲锻件更具各向同性，并具有优良 的机械性能。 Osprey金属有限公司已制备出许多合金钢和
高温合金锻件。高温合金的含氧量一般为
0.002% ～0.004%。
5.同时喷射喷丸
原理：在喷射沉积 的同时，通过锥形 喷射嘴射出喷丸， 正好打在刚沉积的 表面上，使沉积物 顶层产生塑性变形。 弹丸最后收集在喷 射室的底部。
美国的Howmet公司能够生产直径Ф800mm， 长500mm的高温合金环瑞士Swiss Metal公司制备
了直径300mm，长度为2200mm的铜合金锭，
其材质为可取代Cu-Be合金的Cu-15Ni-8Sn，可
用作弹簧材料的高Sn青铜和做焊接电极的Cu-
Cr-Zr合金及耐磨材料Cu-C合金。
由于很多雾化颗粒处于半固态，并且沉积层表面有液体
薄层存在，故沉积层中的孔隙率将会非常小。
3.传统的喷射沉积理论
Singer 教授认为可以用 喷射密度 这个概 念来描述喷射沉积过程。 所谓喷射密度是指单位时间内沉积在基体 单位面积上的物质量。
喷射密度主要取决于单位时间雾化气体和 液体金属质量比(GMR)、喷射高度H和基体运 动状态。
2.离心喷射沉积
原理：熔融金属
被离心雾化，半固态
雾化颗粒沉积在冷的
衬底上。离心喷射沉
积可以在真空或低压
惰性气体中进行。
英国 Aurora 钢公司利用 CSD 工艺生产了直 径达3m和厚度为60mm的工具钢垫圈。 英国伯明翰大学采用离心喷射沉积制备了 Ф 400mm 的 Ti48Al2Mn2Nb 薄壁管，钛合金在 水