喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研_省略_展_一_喷射成形技术的原理_特

Email： cscui@ iwt． unibremen． de 作者简介： 崔成松， 男， 工学博士， 主要从事快速凝固技术、 新材料开发及计算机模拟等方面的研究，
第2 期
崔成松等： 喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研究进展（ 一）
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气体雾化成细小液滴， 并喷射沉积到以一定方式 运动的基底表面。金属雾滴在雾化气流冷却作用 下快速凝固， 到达沉积表面时， 小尺寸的雾滴凝固 成为固体颗粒， 较大尺寸的雾滴仍保持液态， 而中 间尺寸的雾滴则含有一定比例液相 。这些凝固程 高速撞 度不同的大小雾滴被雾化气流加速运动， 击沉积表面， 随之在沉积表面附着、 铺展、 熔合， 逐 步沉积生长为一个金属实体。喷射成形把液态金 属的雾化和金属雾滴的沉积自然地结合起来 ， 能 以最少的工序直接从液态金属制取具有快速凝固 组织特征的高性能材料 （ 或半成品坯料 ） 。 通过 合理地设计沉积基底的形状和控制其运动方式 ， 可以制备圆锭、 管坯、 环坯、 板坯、 圆盘等不同形 状、 甚至不具简单对称形状的沉积坯。 如将金属 雾滴喷入具有一定形状的模具空腔里， 也可以获 。 得复杂形状的构件 1． 2 喷射成形的主要特点 1． 2． 1 喷射成形与热喷涂的区别 但它与热喷涂有 喷射成形的雏形是热喷涂，
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为解决金属粉末氧化以及致密化周期长的问 题， 英国 Swansea 大学冶金系 Singer 教授在 1968 年首次提出了喷射成形的技术思想 ， 称之为 Spray ［9 ］ rolling 。这种方法是将金属熔液喷射到旋转圆 筒上制成板状半成品， 随后直接轧制出金属薄带。 1974 年， Singer 教授的三个学生 Brooks、 Leatham 和 Coombs 创建了 Osprey 公司， 研制出了可制造
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2012 年 3 月
SHANGHAI METALS
March， 2012
喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研究进展（ 一） — — —喷射成形技术的原理、 特点及发展现状
崔成松
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章靖国
2
（ 1． 德国不来梅材料科学研究所， Bremen 28359 ，Germany； 2． 上海市金属学会， 上海 200020 ）
［ 3， 3136 ］ 。 料包括铝、 钢、 铜、 镍基合金及其复合材料 自 2000 年起每 3 年一届的喷射成形国际研讨会
大量的实验研究， 涉及到广泛的合金系统。 英国 的牛津大学、 美国的麻省理工学院也在自制的小 型实验装置上开展了实验研究和理论分析 。通过 喷射成形工艺控制， 可以得到具有细小均匀等轴 晶组织、 无宏观偏析和连通孔隙、 氧含量很低的沉 Osprey 公司对实验装置和工艺 积坯。在此期间， 不断进行改进， 于 1984 年推出熔化量为 20 kg 钢 的第一代商业化非真空小型喷射成形实验装置 。 Osprey 公司不断扩大装置容量， 此后， 并建成了第 ［11 ］ 一台 150 kg 钢熔化量的喷射成形设备 。 2． 3 喷射成形的技术发展和相关机理的深入研究 这阶段对喷射成形技术开始了有明确应用背 景和具体产品对象的系统研究。 例如早期 GE 对 IN718 ， 美国海军和 Sandvik 公司对 IN625 高温合 Ospery 公司对高速钢锻坯， 金和不锈钢管， 日本住 友重工对高碳、 高铬工具钢轧辊的开发等
着显著的区别。 首先， 喷射成形过程金属在坩埚 内熔化， 通过导流管传输， 金属流率高， 铝合金和 工具钢的 沉 积 速 率 分 别 可 达 15 kg / min 和 100 kg / min［6］； 热喷涂过程则要对加入喷枪的少量粉 末、 棒材或丝材进行快速加热熔化， 然后沉积， 故 ［7 ］ 其沉积速率远低于喷射成形 。 其次， 喷射成形 过程是一个动态热平衡过程， 金属液滴在沉积到 基底时多处于半凝固状态， 沉积坯体表面也处于 半凝固状态， 残余液相能够填充已凝固颗粒之间 ， 的缝隙 凝固组织为细小等轴晶。 而热喷涂材料 在沉积时处于液态， 液滴沉积后被基体急冷， 迅速 凝固， 沉积表面常呈完全固态， 先后沉积的液滴之 间往往出现间隙， 最终形成层状组织。 所以喷射 成形材料通常比热喷涂材料致密， 也更加均匀。 第三， 热喷涂只是在工件表面一个极薄层的范围 内加工以改善表面性能， 喷射成形则可用于三维 大尺寸材料的制备。 1． 2． 2 相对于普通铸造和粉末冶金的优点 喷射成形在雾化喷射阶段其冷却速度可达 10 ～ 10 5 K / s［2-8］， 属于快速凝固范畴。 由于它是
and Materials Transactions 等材料科学界重要期刊 上发表了一系列学术论文， 对喷射成形技术的发
［2 ， 1730 ］ 。 展和应用起到积极的推动作用 与此同时， 德国 Bremen 大学自 80 年代末开
展熔体雾化及喷射沉积的科学研究， 持续得到了 德国工业研究协会、 德国科教 德国研究基金会、 部、 德国经济技术部及欧盟的高强度资助 ， 先后建 DPV 成 4 台不同规模的喷射成形设备， 拥有 PDA、 等在线检测雾滴尺寸、 速度及温度的先进仪器， 同 时还拥有高温计、 高速摄影、 雾粒收集器等装置用 于检测和分析喷射雾流的质量和能量分布及沉积 坯的形状和温度分布特性。 Bremen 大学研究开 发了多种有特色的喷射成形工艺， 可以制备不同 形状的近终形坯件（ 如锭、 管、 环、 板等） ， 研制的材
PRINCIPLE，CHARACTERISTICS AND DEVELOPEMENT STATUS
Cui Chengsong1 Zhang Jingguo2 （ 1． Foundation Institute for Materials Science，Bremen 28359 ，Germany； 2． Shanghai Society of Metals，Shanghai 200020 ，China） 【Abstract】 Spray forming is an advanced rapid solidification technology for the manufacture of nearnetshape materials． It showed unique advantages and broad application prospect in the manufacture of high performance iron and steel materials． The basic principle and main characteristics of spray forming technology was introduced briefly，and the development history and current status of the technology was reviewed． 【Key Words】 Spray Forming，Rapid Solidification，Manufacture，Iron and Steel 已成为当今 直接制造金属零件的快速成型技术， 世界新材料开发与应用的一个热点， 并正在大力 推进产业化。 本综述将连续介绍喷射成形技术的原理、 特点 及发展与现状； 阐述各种喷射成形钢铁材料的研究 进展， 对喷射成形钢铁材料的组织和性能特征进行 综合评述； 并介绍喷射成形钢铁材料的工业化生产 概况， 并讨论其研究发展方向和应用前景。 1 1． 1 喷射成形的原理及特点 喷射成形基本原理 在喷射成形过程中， 金属或合金液流被高速
直接从液态金属制备大体积预成形坯件 ， 因此， 喷 射成形兼有粉末冶金快速凝固和铸件直接成型的 ［23， 5 ］ ： 优点， 其独特性表现在以下几个方面
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上
海
金
属
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较厚尺寸锻造毛坯的 Osprey 工艺， 并成功地制备 ［10 ］ 了 12% 铬不锈钢和 M2 工具钢 。这样， 喷射成 形工艺作为一种与常规冶炼铸锭加锻压工艺不同 的、 全新的材料制备工艺技术出现了 。 2． 2 喷射成形技术的初期实验研究 这期间主要在 Osprey 公司的装置上进行了
喷射成形， 也称喷射铸造或喷射沉积， 是一种 先进的快速凝固近终形材料制备技术 。它将金属 熔体雾化和沉积成形两个过程合为一体， 可直接 由液态金属制取快速凝固预成形毛坯， 是一种近 终形和半固态加工技术。喷射成形具有快速凝固 特征， 与传统铸锭冶金方法相比， 具有材料组织细 化、 成分均匀的特点。同时， 它克服了粉末冶金技 术工序复杂、 氧化严重等问题， 具有其它快速凝固 技术无法比拟的优点， 为三维大尺寸快速凝固材 料的制备提供了一条新途径。喷射成形不仅是一 种先进的短流程坯料制备技术， 还正在发展成为
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（ 1 ） 组织细小均匀。 在喷射成形过程中， 微 小的雾滴依靠与高速气体的对流换热， 过热和结 晶潜热能迅速释放出来。 凝固过程中， 由于冷却 速度快， 在较大的过冷度下， 大量细小晶核瞬时形 成， 在短时间内来不及长大， 最后得到细小均匀的 在未完全凝固的雾滴中以及沉 凝固组织。而且， 积坯表面的半固态薄层中已凝固的枝晶由于机械 溅射作用而被打碎， 在随后的凝固过程中也会形 成细小的等轴晶组织。 （ 2 ） 成份均匀， 无宏观偏析。 在喷射成形过 程中， 合金的冷凝速度非常快， 溶质原子来不及扩 且沉积坯表层处于半凝固态， 无横向液 散和偏聚， 态金属流动， 喷射到沉积坯表层的雾滴原地凝固 ， 保持与母合金一致的成分， 因此喷射沉积可获得 无宏观偏析的毛坯， 其微观偏析程度也大大减弱。 （ 3 ） 含氧量低。喷射成形过程通常在惰性气 体保护下完成， 避免了高温金属与大气的接触， 减 少了氧化程度。 （ 4 ） 较高的材料致密度。 由于在凝固时基本 不发生金属液的宏观流动， 毛坯中不发生缩孔， 而 且喷射成形工艺减少了氧化， 降低了杂质含量， 可 获得比较致密的毛坯。 （ 5 ） 工序简单， 成本低。 与粉末冶金工艺相 比， 喷射成形工艺大大减少了产品工序 ， 缩短了产 品的生产周期， 提高了生产率。 （ 6 ） 在制备金属基复合材料上有着独特的优 势。将陶瓷颗粒与雾化金属液滴共同喷射沉积 ， 能获得均匀分布的颗粒增强金属基复合材料 （ MMC ） 。传统制备方法如搅拌铸造和复合铸造 等由于熔融金属和增强颗粒接触时间长， 难以避 免金属 / 陶瓷界面反应， 生成组织粗大的不利相。 而喷 射 成 形 由 于 凝 固 时 间 短， 界面反应被有效 抑止。 2 2． 1 喷射成形技术的发展与现状 喷射成形技术的提出