喷射成形工艺的发展现状及其对先进铝合金产业的影响张 豪1,2,张 捷2,杨 杰2,杨永平2,张 荻1,曾苏民3(1.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海 200030;2.张家港华通喷射成形有限公司,江苏 张家港 215625;3.西南铝业(集团)有限责任公司,重庆 九龙坡 401326)摘要:对喷射成形技术的发展现状及其对先进铝合金产业结构的影响作了综述和分析。
认为喷射成形工艺是一种新型的快速凝固近形材料制备方法,其产品具有组织精细、合金含量高、力学性能优越、生产效率高、产品规格大的优点,填补了传统铸造和粉末冶金工艺的产品空白,将对铝合金性能升级和产业结构产生深远影响,推动我国先进铝合金产业的发展。
关键词:喷射成形;铝合金;粉末冶金;治金工艺中图分类号:TG113.1 文献标识码:A 文章编号:1005-4898(2005)04-0001-06Current Development Situation of Spray Forming Process and Its Influence on Advanced Aluminum Alloy IndustryZHANG Hao 1,2,ZHANG Jie 2,YANG Jie 2,YANG Yong -ping 2,ZHANG Di 1,ZENG Su -min 3(1.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030;2.Zhangjiagang Huatong Spra y For ming Co .Ltd .,Jiangsu 215625;3.Southwest Aluminum (Group )Co .Ltd .,Chongqing 401326,China )Abstract :The current develop ment situation of spray forming process and its influence on advanced aluminum alloy industril struc -ture are described and analyzed .It is known that spary forming process is a novel rapid solidification technology for metal produc -tion .The advantages of the products made by this process include fine microstructure ,high alloy content ,excellent mechanical properties ,high productivity and large scale product .The process has been filling a vacancy in conventional casting and p ower metallurgical processes .Key words :spray forming ;alu minum alloy ;powder metallurgy ;metallurgical process收稿日期:2005-06-03作者简介:张豪(1970-),江苏镇江人,上海交通大学材料学院博士后,韩国国家科学技术研究院(KIST )高级访问学者。
专业方向:喷射成形,粉末冶金,半固态成形。
1 喷射成形技术的原理及其基本特征20世纪70年代初,英国的Singer 教授率先提出了喷射成形(spray for ming )工艺的概念和原理〔1〕,它又被称为喷射沉积(spray deposition )、喷射铸造(spra y casting )。
其中一种典型的装置结构见图1。
它的基本工艺过程是采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行,在这些液滴还未完全凝固前,将其沉积到具有一定形状和特定运动的接收基底上并使之成形。
1金属熔体 2漏包 3雾化器 4雾化平台5雾化锥 6沉积坯 7接收基底 8传动机构9沉积室 10排气及粉尘收集图1 喷射成形装置示意图喷射成形工艺的凝固过程显著区别于铸造和粉末冶金工艺(如图2所示),与后两种工艺相比,具有如表1所列的技术特征。
雾化时金属液被高压气体击碎成很小的液滴,并与雾化气体发生强对流散热,使液滴获得很大的冷却速度(一般为102～105K/s)以及很高的轴向速度(约100m/s),雾化液滴高速撞击在预先沉积的坯体上,将已经形成的枝晶打碎,使组织球化,因此喷射成形材料具有细小的等轴晶组织,晶粒大小一般在0.9～15μm之间。
喷射成形态材料中通常还伴随着低水平的溶质原子再分配、第二相细化和金属间化合物(< 15μm)。
另外,由于冷却速度快,使沉积材料的固溶度得到提高且形成了一些亚稳相,在随后的热处理中合理控制析出相的析出行为可得到最佳的力学性能。
由于凝固过程仅为几毫秒,几乎是原位凝固,合金元素的宏观迁移局限在晶粒范围内,因此喷射成形材料几乎没有宏观偏析。
喷射成形工艺将金属熔体的雾化和沉积成形两个过程合而为一,可直接由液态金属制取接近产品最终形状的毛坯。
相当于将常规粉末冶金工艺所需的制粉、储存、运输、筛分、压制烧结,甚至轧制、锻造等工序合为一步,但仍保留粉末冶金最终成形的特点,从而大大缩短生产周期,提高生产效率,降低成本。
同时由于喷射成形过程在惰性气氛中完成,因此避免了粉末处理中表面氧化和各种工序中引入的杂质而带来的材料污染问题,成倍提高塑性和韧性。
喷射成形的沉积实际上可看作半固态沉积层的推进而形成,因此内部结合良好,沉积态密度可达理论密度的95%以上,工艺控制合理可达99%,而且通过随后的冷加工或热加工,如热等静压、热压、真空热压、热挤压等,很容易达到完全致密化。
可用喷射成形工艺制备的材料范围很宽,如Al、Mg、Cu、Ni、Ti、Co、Pb、钢铁等。
另外,在制备用其它方法难以制备的材料以及金属基复合材料上喷射成形工艺有独特的优势。
表1 喷射成形与铸造、粉末冶金工艺特征比较项目铸造粉末冶金喷射成形凝固速率/K·s-1～10102～105102～105平均晶粒度/μm102～150.9～15晶粒形状树枝状树枝状等轴状,可用于半固态加工坯料合金相粒度/μm103<15<15合金元素偏析距离/μm>103<101<101合金元素含量极限一般高,难成形高,可开发新型合金,如Al-70Si 氧化物、杂质含量低高最低强度一般高高塑性一般差好热加工性一般差好高合金产品规模成本贵昂贵低生产效率高低高杂质敏感性高较高低生产过程控制要求一般较高高产品规格灵活小大,不宜太小图2 喷射成形凝固过程示图喷射成形工艺的凝固过程以毫秒计,比铸造工艺低几个数量级,与快速凝固粉末冶金工艺相当,并且要在这么短的时间内完成合金组织致密和产品成形,因而对工艺的凝固过程控制要求很高。
图3显示了合金组织致密与过程工艺参数间的定性关系。
其中关键过程工艺参数分别是雾化锥沉积前和已沉积产品表层的固液相含量。
分析和试验结果显示,致密的合金组织所对应的过程工艺参数只有很窄的变化范围。
如果没有完善的工艺模型和智能化自动控制成套设备,就无法保证产品质量的稳定。
产品形状精度将牵涉到成材率,必须通过智能化自动控制程序完成,才能使误差缩小。
因此,喷射成形工艺的生产过程控制要求很高。
图3 喷射成形关键过程参数对成形的影响2 喷射成形工艺与产品的过去和现状2.1 国际上发达国家喷射成形工艺的产业化1974年英国的Osprey 金属有限公司成功地将Singer 提出的喷射成形原理应用于锻造毛坯的实际生产,取得了喷射成形技术的专利。
在此期间,该公司对喷射成形的工艺进行了大量的研究,开发出适于喷射成形的一系列合金,设计并制造了多种喷射成形成套设备,生产出了传统方法难以得到的高性能超合金管、环、筒、棒和坯件,取得了多项专利〔2,3〕。
1978年,喷射成形技术才显示出制备各种不同形状、多种合金成分厚坯件的能力。
Osprey 公司由此成为早期喷射成形产业的主要技术来源。
美国麻省理工学院开发出了液相动态压结(LDC -Liq -uid dynamic compaction )喷射成形技术,在严格控制雾化气氛的前提下,利用超音速高压气体雾化得到细小、快冷的液滴〔4〕。
1988年,美国加州大学Irvine 分校在喷射沉积技术基础上开发出制备金属基复合材料的喷射共沉积技术(Spray co -deposition )〔5,6〕,该工艺在基体金属雾化的同时,由位于雾化器侧面的喷管向基体金属雾流中喷吹入增强颗粒,制备的复合材料组织细小、性能优越。
随后La wley 等人又提出了反应雾化成形技术(Reactive spray form -ing )〔7〕,该技术将雾化成形工艺和化学反应法制备复合材料技术结合在一起,用以制备性能优越的金属基原位自生复合材料。
与此同时,一些大学和研究所在喷射成形的机制与模型化以及计算机控制方面做了许多卓有成效的工作,如美国MIT System Cor -poration 用计算机控制基板的多维移动制得复杂不对称形状的工件。
进入20世纪90年代,喷射成形产业开始蓬勃发展,年产值已经达到数十亿英镑。
国际上每隔3年举行一次喷射成形国际研讨会,至今已举办了4届,大大促进了喷射成形产业的发展。
目前国外从事喷射成形产业的单位〔8,9〕包括:Sandvik 公司下属的Osprey 公司、Danspray 公司、Alcoa 公司、美国海军研究所、Alusuiss 公司、British Rollomakers 公司、For ged Rolls 公司、GE 公司、Mannesmann -Demag 公司、Peak 公司、Pechiney 公司、Sandivik 公司、Swissmetal 公司、Teledyne Allvac 公司、Wieland Werke 公司、住友公司等。
在世界范围内,已有几十条生产线,产品涉及管、环、板材、棒材等,合金体系涉及Al合金、Cu合金、Mg合金、工模具钢、高温合金、超合金、磁性合金、金属基复合材料、层状金属复合材料等等,主要应用于航空航天工业、汽车工业、电子工业以及钢铁工业等部门,部分产品如表2所示。
在铝合金民品领域,突出的例子是Al-Si系合金在汽车工业上的应用。
喷射成形过共晶Al-Si 合金Si颗粒可细化到5μm,这样不仅易于机加工,而且其耐磨性能也很好。