專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高速固相顆粒噴射成形的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬與合金的噴射成形(Osprea)技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及了一種用高速固相粒子對(duì)金屬與合金液流進(jìn)行霧化沉積的特種冶金技術(shù)，以及實(shí)施該技術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
1989年以來(lái),英國(guó)Swance大學(xué)的S inger教授首次提出了將金屬液體在氣霧化的過(guò)程中，利用金屬液滴攜帶的熱量連續(xù)不斷的沉積在某種固態(tài)基體表面上，從而使液態(tài)、半液態(tài)滴狀金屬，以(103°C /秒)極快的冷卻速度凝固成具有一定形狀和密度的固態(tài)金屬和合金部件，這一技術(shù)一時(shí)引起歐美各國(guó)的重視。8年后在美國(guó)麻省理工大學(xué)由gurant教授研究開(kāi)發(fā)了一種多孔諧振腔式超音速氣流超聲霧化噴射沉積技術(shù)，使沉積金屬與合金的冷卻速度從IO3 103 5°C /秒提高到IO4 105°C /秒，與此同時(shí)，英國(guó)的噴射成形技術(shù)已開(kāi)始向 實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域發(fā)展，曾小批量的生產(chǎn)過(guò)0400mm，長(zhǎng)6米的高合金管材，發(fā)現(xiàn)其可鍛性大大提高，日本在1998 1999年間相繼在新瀉建成了以高速鋼為主的高速線材軋輥的噴射成形生產(chǎn)試驗(yàn)基地。我國(guó)在1996年以后最先在北京科技大學(xué)材料學(xué)院建立了相關(guān)的超聲急冷噴射成形裝置，并研發(fā)了一種環(huán)縫諧振腔式氣流超聲霧化噴嘴，隨后又建立了噴射成形國(guó)家試驗(yàn)室。沈陽(yáng)金屬研究所、北京有色金屬研究總院、上海冶金研究所等單位也相繼開(kāi)展了噴射成形的相關(guān)課題研究。與此同時(shí)，國(guó)家863、自然基金和973等國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目中連續(xù)開(kāi)設(shè)了相關(guān)研究項(xiàng)目。從噴射成形原理、凝固機(jī)理、合金組織結(jié)構(gòu)特征、成形工藝、數(shù)?？刂频确矫孀隽舜罅抗ぷ鳌５珖?guó)內(nèi)研究的合金多集中在低熔點(diǎn)和有色合金，如Al、Al-Cu, Al-Zn,Al-Si、Cu-Sn-Zn 等合金。然而現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn)I)采用的霧化噴嘴氣體出口速度較低(一般為200米/秒)，只有g(shù)uran t教授(麻省理工學(xué)院)的環(huán)孔諧振腔式的噴嘴和北京科技大學(xué)吳成義教授的環(huán)縫諧振腔式噴嘴可超過(guò)I馬赫聲速(最高可達(dá)2. 5馬赫)，故對(duì)金屬液體的分散、冷卻和液滴的加速作用有限；2)現(xiàn)有的噴嘴的結(jié)構(gòu)及工藝性能無(wú)法滿(mǎn)足日益提高的沉積合金材料的要求；3)噴射成形的形式單一，只局限于各種金屬與合金的氣體噴射成形。從未考慮固相粒子的巨大動(dòng)能和急冷效果對(duì)噴射成形過(guò)程的巨大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。特別提供了一種用高速固相粒子對(duì)金屬與合金液流進(jìn)行霧化沉積的特種冶金技術(shù)，提供了一種嶄新的以極佳的冷速(104 5 IO6oC /S)，極佳的高溫瞬間復(fù)相混合手段，高能快速的沖擊沉積成形，和對(duì)合金的快速急冷處理等。這些綜合優(yōu)異的特種冶金條件，使本發(fā)明的技術(shù)和裝置可以制備各種金屬與固態(tài)硬質(zhì)相的雙相和多相復(fù)合材料或直接制備具有特殊外貌形態(tài)，尺寸要求的部件。又可將同一成分的金屬或不同成分的合金按固液兩相角色配制，制備成多相假合金。本發(fā)明提供的這種特殊的冶金技術(shù)和材料制備方法，對(duì)研究、開(kāi)拓新技術(shù)和揭示材料學(xué)中的新現(xiàn)象，提供了新的特殊環(huán)境和條件。本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出一種高速固相顆粒噴射成型裝置，其特征在于，所述高速固相顆粒噴射成型裝置利用高速固相粒子對(duì)金屬液進(jìn)行噴射沉積，包括高速固相粒子發(fā)生設(shè)備和用于盛放金屬液的感應(yīng)熔煉爐(7)，所述高速固相粒子發(fā)生設(shè)備包括聚焦型的噴嘴(6)和管體，所述管體包括料管(3)，位于所述料管(3)前部的錐形管(4)，以及位于所述料管(3)尾部的封閉的氣體換向室(2);所述料管(3)上部安裝有輸入固態(tài)粉末的粉料倉(cāng)(8);所述氣體換向室(2)上方安裝有一引入高壓氣體的高壓氣引入管(9);所述管體內(nèi)部軸向插入一不銹鋼氣管(10)，所述不銹鋼氣管(10)前端位于所述錐形管(4)內(nèi)部，后端與電動(dòng)機(jī)(I)相連，位于所述料管(3)內(nèi)的所述不銹鋼氣管(10)外表面安裝有推送固態(tài)粉末的螺旋形推料葉片，位于所述氣體換向室(2)內(nèi)的所述不銹鋼氣管(10)表面開(kāi)有透氣小孔；所述噴嘴(6)位于感應(yīng)熔煉爐(7)之下，具有一上下貫通的內(nèi)孔，所述噴嘴(6)內(nèi)部有一與所述內(nèi)孔同軸的環(huán)狀柱體均壓室(15)，所述錐形管(4)尖端連接有粒子流導(dǎo)管 (11 )，所述粒子流導(dǎo)管(11)從噴嘴側(cè)面插入到所述均壓室(15 );所述感應(yīng)熔煉爐(7)底部安裝有金屬液輸送導(dǎo)管(17)；所述金屬液輸送導(dǎo)管(17)下端從所述噴嘴(6)的內(nèi)孔穿出。優(yōu)選地，所述高壓氣引入管(9)引入的所述高壓氣體是惰性氣體。優(yōu)選地，所述噴嘴(6)的噴口是與所述內(nèi)孔同軸且上下貫通的錐形環(huán)狀縫，所述噴口的環(huán)狀入口位于均壓室下表面，環(huán)狀出口位于所述噴嘴(6 )下表面，所述環(huán)狀出口內(nèi)外半徑分別小于環(huán)狀入口內(nèi)外半徑。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用高速固相顆粒噴射成型裝置制備的噴射沉積合金，其特征在于，所述金屬液是單質(zhì)金屬液或合金液，所述高速固相粒子為碳化物、氧化物、氮化物、金剛石粒子、復(fù)合陶瓷顆?；蚺c所述單質(zhì)金屬液或合金液相同成分的固態(tài)粒子。優(yōu)選地，所述碳化物是WC、Ti C、VC、S i C、TaC、NbC、BC、HfC、CrC其中的任一種，或是WC-TiC固溶體粉末；所述氧化物是Al203、Si02、Mg0、Y203、Cr02、Nb203、Hf02其中的任一種；所述氮化物是S iN, BN, Ti N其中的任一種。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種高速固相粒子噴射成型的方法，其特征在于，所述噴射成型的方法包括以下步驟I、電動(dòng)機(jī)(I)帶動(dòng)不銹鋼氣管(10)軸向旋轉(zhuǎn)；2、從粉料倉(cāng)(8)向料管(3)加入固態(tài)粉末，所述固態(tài)粉末通過(guò)所述不銹鋼氣管(10)表面安裝的螺旋形推料葉片推向錐形管(4)中；3、從高壓氣引入管(9)引入到氣體換向室(2)內(nèi)的高壓氣體通過(guò)所述不銹鋼氣管
(10)表面的小孔進(jìn)入不銹鋼氣管(10)內(nèi)部，并從不銹鋼氣管(10)前端噴射出去，噴射出去的高壓氣體在錐形管(4)處形成負(fù)壓場(chǎng)，將所述錐形管(4)中的所述固態(tài)粉末加速，并獲得高速固相粒子流；4、所述高速固相粒子流通過(guò)粒子流導(dǎo)管(11)進(jìn)入均壓室(15)，經(jīng)均壓后，通過(guò)聚焦型的噴嘴向下噴出，噴出的高速固相粒子匯集于匯聚焦點(diǎn)F，金屬液輸送導(dǎo)管(10)底部出口位置H位于匯聚焦點(diǎn)F上方。優(yōu)選地,所述匯聚焦點(diǎn)F的匯聚角度a范圍是25 40°。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出高速固相顆粒噴射成型裝置的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟I、制備高速固相粒子發(fā)生器；步驟2、確定噴嘴參數(shù)和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置；步驟3、設(shè)置被熔煉金屬液的熔煉方式，并根據(jù)被熔煉金屬液的密度、最大熔煉量，確定坩堝的容積和高度。其中，步驟2中確定所述金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置的步驟包括
I)、將測(cè)負(fù)壓管(20)的下端從感應(yīng)熔煉爐底部穿出并固定，其中，所述測(cè)負(fù)壓管出口到噴嘴的匯聚焦點(diǎn)F的高度為H’ ；2)、通過(guò)粒子流導(dǎo)管(11)輸入恒定壓強(qiáng)的高壓氣體，測(cè)量此時(shí)所述測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)；3)、調(diào)整所述測(cè)負(fù)壓管出口到所述匯聚焦點(diǎn)F的高度H’，保持輸入的所述高壓氣體壓強(qiáng)不變，得到相應(yīng)的測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)；4)、重復(fù)步驟3)，選出使測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)最大的高度H’，做為金屬液輸送導(dǎo)管
(17)出口高度H的最佳位置。優(yōu)選地,步驟I具體包括步驟I. 1，根據(jù)噴射沉積速度和所要制備的噴射沉積合金成分，確定電動(dòng)機(jī)類(lèi)型；步驟I. 2，設(shè)定螺旋形推料葉片的傾角；步驟I. 3根據(jù)噴嘴噴出的固相粒子的流量設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和高壓氣體的壓強(qiáng)。優(yōu)選地，步驟2中所述確定噴嘴參數(shù)的步驟包括步驟2. I、根據(jù)噴射沉積速度設(shè)定金屬液輸送導(dǎo)管(17)的內(nèi)外徑dl，d2 ；步驟2. 2、基于所述金屬液輸送導(dǎo)管(17)的外徑d2確定噴嘴的參數(shù)；步驟2中，在確定噴嘴參數(shù)和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置之后還具有以下步驟步驟2. 3、在不加入高速固相粒子的情況下將感應(yīng)熔煉爐內(nèi)的金屬熔化，在不同壓強(qiáng)的高壓氣體下，實(shí)際測(cè)定熔化的金屬液流量值；步驟2. 4、加入高速固相粒子后，將感應(yīng)熔爐內(nèi)的金屬熔化，獲得噴射沉積合金試樣；步驟2. 5、對(duì)不同位置的噴射沉積合金試樣進(jìn)行成分分析，確定固相粒子含量，并對(duì)噴射沉積各參數(shù)進(jìn)行修正。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，本發(fā)明采用的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下優(yōu)點(diǎn)I.打破以往23年來(lái)噴射成形技術(shù)局限于氣體霧化作為噴射成形基礎(chǔ)的僵局，開(kāi)辟了一種新型的噴射成形技術(shù)的新領(lǐng)域。2.本發(fā)明提供的技術(shù)可以將金屬液滴的冷卻速度更進(jìn)一步提高到IO4 5 106°C /S03.防止感應(yīng)熔爐中高溫金屬液流反噴。4.可直接生產(chǎn)各種多相亞穩(wěn)相的復(fù)合相材料，如鋼八碳化鎢、碳化鈦、碳化釩…)，Al/ (S i、S i 02, S i C、Cu、Ti)，Ti/(Al2O3'Ti N、VC…)等。5.可生產(chǎn)各種密度梯度、成分梯度、磁性梯度、硬度梯度，各種化性、物性梯度材料。6.可生產(chǎn)浮雕、半浮雕等藝術(shù)產(chǎn)品。7.本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)單獨(dú)，性能穩(wěn)定，容易推廣使用，適用于中小企業(yè)投資生產(chǎn)。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明具體實(shí)施例中高速固相顆粒噴射成形裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例中進(jìn)行高速固相顆粒噴射成形裝置制備的示意圖；圖3為本發(fā)明中高速固相顆粒噴射成形裝置的噴射出口部分放大圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式，來(lái)表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實(shí)施例包括落入所附加權(quán)利要求書(shū)的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。下面參考說(shuō)明書(shū)附圖描述本發(fā)明的高速固相顆粒噴射成形裝置、方法，制備該高速固相顆粒噴射成形裝置的方法，以及利用該高速固相顆粒噴射成形裝置制備得到的噴射沉積合金。具體實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種高速固相顆粒噴射成形裝置。如附圖I所示，高速固相顆粒噴射成形裝置包括高速固相粒子發(fā)生設(shè)備和盛放金屬液的感應(yīng)熔煉爐。高速固相粒子發(fā)生設(shè)備包括電動(dòng)機(jī)I ;氣體換向室2 ;料管3 ;錐形管4 ;固液相顆粒沉積物5 ;噴嘴6 ;感應(yīng)熔煉爐7 ;粉料倉(cāng)8 ;高壓氣引入管9 ;不銹鋼氣管10。如附圖2所示，感應(yīng)熔煉爐包括熔煉坩堝底16 ;金屬液輸送導(dǎo)管17 ;高(中)頻感應(yīng)圈23 ;石墨坩堝25 ;其中，高(中)頻感應(yīng)圈23位于石墨坩堝外側(cè)，為了感應(yīng)熔煉爐內(nèi)金屬液流的保溫，以及坩堝與感應(yīng)圈的絕緣，在石墨坩堝25外層可以涂上一層(MgCHMgCl6)自凝耐火材料保溫層(厚度8 12_)烘干，形成熔煉坩堝鎂砂層24。為了便于(中頻)電源連接，感應(yīng)熔煉爐中所有部件可安裝在一個(gè)可移動(dòng)的臺(tái)車(chē)。高速固相粒子發(fā)生設(shè)備的管體部分包括料管3，位于料管3前部的錐形管4，以及位于料管3尾部的封閉的氣體換向室2 ;料管上部安裝有輸入固態(tài)粉末的粉料倉(cāng)8 ;氣體換向室2上方安裝有一引入高壓氣體的高壓氣引入管9 ;管體內(nèi)部軸向插入一不銹鋼氣管10，所述不銹鋼氣管10前端位于所述錐形管4內(nèi)部，尾端伸出管體并與電動(dòng)機(jī)I相連，位于料管內(nèi)的不銹鋼氣管10外表面安裝有將固態(tài)粉末推送到錐形管4內(nèi)的螺旋形推料葉片，位于氣體換向室2內(nèi)的不銹鋼氣管10表面開(kāi)有透氣小孔；噴嘴6位于感應(yīng)熔煉爐7之下，具有一上下貫通的內(nèi)孔，噴嘴6內(nèi)部有一與所述內(nèi)孔同軸的環(huán)狀柱體均壓室15，錐形管4尖端連接有輸送高速固相粒子的粒子流導(dǎo)管11，所述粒子流導(dǎo)管11從噴嘴側(cè)面插入到所述均壓室15 ；所述感應(yīng)熔煉爐7底部安裝有金屬液輸送導(dǎo)管17 ；所述金屬液輸送導(dǎo)管17下端從所述噴嘴6的內(nèi)孔穿出。為了使高速固相粒子發(fā)生裝置產(chǎn)生的高速固相粒子流與金屬液輸送導(dǎo)管中輸送的金屬流達(dá)到充分有效的混合，可以利用負(fù)壓作用，采用聚焦型噴嘴6將高速固相粒子流匯集成一種在空間上有某種特定角度a ( a =25 40° )的(高能粒子流)霧化錐體13，并·有固定的匯聚焦點(diǎn)F (mm)。而這一錐體的內(nèi)腔即為射流負(fù)壓區(qū)(負(fù)壓場(chǎng))，如圖2。在負(fù)壓作用下感應(yīng)熔煉爐內(nèi)的金屬液流很順利地進(jìn)入霧化錐體的中心，且在負(fù)壓射流的作用下，迅速穿過(guò)霧化錐體的焦點(diǎn)強(qiáng)行被粉碎并同時(shí)與固相粒子進(jìn)行機(jī)械的物理的強(qiáng)制性混合.優(yōu)選地，聚焦型噴嘴6的噴口可以是錐形環(huán)狀縫14 (或環(huán)孔)，所述錐形環(huán)狀縫與內(nèi)孔同軸且上下貫通，錐形環(huán)狀縫的入口是位于均壓室15下表面的與內(nèi)孔同軸的大的圓環(huán)形，出口是位于噴嘴6下表面的與內(nèi)孔同軸的小的圓環(huán)形，即出口內(nèi)外半徑均小于入口內(nèi)外半徑(所述錐形環(huán)狀縫可以理解為兩個(gè)底面大小不同的等高圓臺(tái)套接形成的縫隙)。高速固相粒子流通過(guò)所述錐形環(huán)狀縫向下呈匯集狀噴出。進(jìn)一步地，從高壓氣引入管9中引入的用以固相粒子加速的高壓氣體必須考慮在高溫下是否對(duì)金屬液流和固相粒子產(chǎn)生有害的化學(xué)反應(yīng)(如氧化、氮化等)，否則必須使用Ar、He等惰性氣體。進(jìn)一步得，為了保證粉料倉(cāng)8中的粉末能順利的落入料管中，在料倉(cāng)的中心處可增加一臺(tái)立式攪拌撥叉，可消除粉末的架空一拱橋效應(yīng)。具體實(shí)施例二本實(shí)施例提供一種利用具體實(shí)施例一的高速固相顆粒噴射成形裝置進(jìn)行高速固相顆粒噴射成型的方法。所述高速固相顆粒噴射成型的工作方式如下步驟一，電動(dòng)機(jī)I帶動(dòng)不銹鋼氣管10軸向旋轉(zhuǎn)；步驟二，從粉料倉(cāng)8向料管3加入固態(tài)粉末，所述固態(tài)粉末通過(guò)不銹鋼氣管表面安裝的螺旋推料葉片推向錐形管4中；步驟三，從高壓氣引入管9引入到氣體換向室2內(nèi)的高壓氣體通過(guò)所述不銹鋼氣管10表面的小孔進(jìn)入不銹鋼氣管10內(nèi)部，并從不銹鋼氣管10前端噴射出去，噴射出去的高壓氣體在錐形管4處形成負(fù)壓場(chǎng)，將所述錐形管4中的固態(tài)粉末加速，并獲得高速固相粒子流；步驟四，所述高速固相粒子流通過(guò)粒子流導(dǎo)管11進(jìn)入均壓室15，經(jīng)均壓后，通過(guò)聚焦型噴嘴向下噴出，噴出的高速固相粒子匯集于匯聚焦點(diǎn)F，金屬液輸送導(dǎo)管10出口位置H位于匯聚焦點(diǎn)F上方。高速固相顆粒噴射成型的工作原理如下
首先，通過(guò)負(fù)壓作用獲得高速固相粒子流。電動(dòng)機(jī)I用來(lái)帶動(dòng)一段較長(zhǎng)的不銹鋼氣管10不停的旋轉(zhuǎn)。在高壓氣引入管9的下方設(shè)有一個(gè)氣體換向室2。進(jìn)入換向室2內(nèi)的高壓氣體，在不銹鋼氣管10不停地轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)不銹鋼氣管10表面上的小孔進(jìn)入到不銹鋼氣管10內(nèi)并向左噴射出去。在錐形管4處，高速氣流形成射流(負(fù)壓)。在不銹鋼氣管10的外層，焊有螺旋形推料葉片。從粉料倉(cāng)8內(nèi)落下的固態(tài)粉末，通過(guò)螺旋推料葉片在料管3內(nèi)旋轉(zhuǎn)，不斷的將固態(tài)粉末推向錐形管4處。由于高速氣流在錐形管4處形成的射流(負(fù)壓)作用，在極短的時(shí)間內(nèi)將固態(tài)顆粒加速即可獲得高速固相粒子流。其次，通過(guò)負(fù)壓作用達(dá)到高速固相粒子與金屬液流的充分混合。采用聚焦型噴嘴6將高速固相粒子流匯集成一種在空間上有某種特定角度a (a =25 40° )的(高能粒子流)霧化錐體13，并有固定的匯聚焦點(diǎn)F (mm)，而這一錐體的內(nèi)腔即為射流負(fù)壓區(qū)(負(fù)壓場(chǎng))，如圖2。在負(fù)壓作用下感應(yīng)熔煉爐內(nèi)的金屬液流很順利地進(jìn)入霧化錐體的中心，且在負(fù)壓射流的作用下，迅速穿過(guò)霧化錐體的焦點(diǎn)強(qiáng)行被粉碎并同時(shí)與固相粒子進(jìn)行機(jī)械的物理的強(qiáng)制性混合，這種快速混合又為隨后的一系列的化學(xué)、物理反應(yīng)、金屬學(xué)相變等提供了極佳的便利條件。在這種極端高溫的極短暫的條件下，金屬與固相粒子之間將會(huì)發(fā)生很新穎的變化。具體實(shí)施例三具體實(shí)施例一中的高速固相粒子噴射沉積設(shè)備的制備方法如下步驟I,制備高速固相粒子發(fā)生器步驟I. 1，根據(jù)噴射沉積速度和所要制備的噴射沉積合金成分，確定發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型。根據(jù)噴射沉積速度和所要制備的噴射沉積合金成分(需要制備的金屬和固相粒子的復(fù)合材料的成分)，得到所需的高速固相粒子的供給速度，根據(jù)這一供給速度，設(shè)定滿(mǎn)足這一技術(shù)要求的粉料推進(jìn)設(shè)備，即電動(dòng)機(jī)。步驟I. 2，設(shè)定螺旋推料葉片的傾角。螺旋推料葉片傾斜角度關(guān)系著將料管3中的固態(tài)粉末向錐形管推進(jìn)的速度，角度越大，推進(jìn)速度越慢，角度越小，推進(jìn)速度越快。為了保證粉料有效地向料管前端推進(jìn)，應(yīng)當(dāng)盡量減小螺旋推料葉片的傾斜角度。步驟I. 3，根據(jù)噴嘴噴出的固相粒子的流量設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和高壓氣體的壓強(qiáng)。具體為在一定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，一定的高壓氣體壓強(qiáng)下精確的測(cè)量從噴嘴噴出的固相粒子的流量(速度g/min)，在一定的誤差范圍內(nèi)反復(fù)多次，最終確定出最合理的電機(jī)轉(zhuǎn)速n，高壓氣體的壓強(qiáng)P。步驟2，確定噴嘴和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置。步驟2. I，設(shè)定金屬液輸送導(dǎo)管的內(nèi)外徑dl，d2 ;參見(jiàn)附圖3，首先確定金屬液流導(dǎo)管直徑d的大小。當(dāng)噴射沉積速度很大(> 5 10 kg /min)時(shí)金屬液輸送導(dǎo)管的內(nèi)徑應(yīng)按d彡4 IOmm設(shè)計(jì)并選擇陶瓷管17 (見(jiàn)附圖2中17)。當(dāng)金屬液流直徑過(guò)小(d< 0.5 2_)時(shí)，由于金屬液體的表面張力很大(如Sn; a =540 560 達(dá)因 /cm。Al; o =865 915 達(dá)因 /cm。Cu; o =130 135 達(dá)因 /cm。Zn; a =774 824達(dá)因/cm。)金屬液流無(wú)法依靠重力從液流導(dǎo)管中自動(dòng)流出。否則需要在金屬液面上方施加足夠的氣壓，才能使金屬液流從液流導(dǎo)管中流出(實(shí)際為擠出)。當(dāng)金屬液流直徑d確定后，應(yīng)即時(shí)確定陶瓷(純Al2O3)管17的內(nèi)徑Cl1和外徑d2. —般內(nèi)徑Cl1即為金屬液流直徑。陶瓷管外徑d2要由陶瓷管壁厚決定，一般壁厚為B=I 5mm。實(shí)際應(yīng)從保溫絕熱和急熱碎裂兩方面考慮。一般多選擇壁厚為B=I 2_。步驟2. 2，確定噴嘴的參數(shù)，具體包括噴嘴內(nèi)孔R(shí)、環(huán)縫出口的最小直徑D、環(huán)縫寬度、噴射角度a、均壓室內(nèi)徑M、外徑N、高L。參見(jiàn)附圖3，在陶瓷管外徑d2確定后，噴嘴6的內(nèi)孔直徑R可確定。一般為R彡1.3d2。噴嘴的環(huán)縫(或環(huán)孔)出口 14的最小直徑為D= (I. 2 1.5) R。環(huán)縫寬度(內(nèi)外半徑差)隨固相粒子直徑和流量增大而加大，一般為0.8 3mm。當(dāng)a噴射角選定后(a =25 40° )，均壓腔(室)的內(nèi)、外徑即可確定，一般均壓室內(nèi)徑MS I. 2D，均壓室外徑N ^ 3. 均壓室高L > 0. 75D。根據(jù)上述數(shù)據(jù)即可設(shè)計(jì)出噴嘴的基本尺寸。在噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要適當(dāng)考慮加工工藝及裝配關(guān)系等。
步驟2. 3,確定金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置。由于金屬液流從高溫熔煉坩堝25內(nèi)流出時(shí)，必須經(jīng)絕熱的陶瓷管(金屬液流導(dǎo)管)17流出并連續(xù)不斷的送入到霧化錐體13的射流負(fù)壓區(qū)內(nèi)，才能連續(xù)不斷的使金屬液流與高速粒子流完成一系列的霧化粉碎，多相混合和沉積過(guò)程。但是因射流負(fù)壓區(qū)的體積很小，而金屬液流導(dǎo)管的直徑較大，其出口的位置H (高度mm)與焦點(diǎn)F之間的微小距離變化都將會(huì)明顯的影響金屬液流導(dǎo)管內(nèi)的負(fù)壓值，而這一負(fù)壓值對(duì)整個(gè)噴射沉積過(guò)程的成敗有著極為關(guān)鍵的作用，特別當(dāng)負(fù)壓值變?yōu)檎龎褐禃r(shí)，高溫金屬液流將會(huì)出現(xiàn)反噴，這是極其危險(xiǎn)的情況。本發(fā)明設(shè)計(jì)采用以下部件組成一種簡(jiǎn)單實(shí)用的負(fù)壓測(cè)定裝置進(jìn)行金屬液輸送導(dǎo)管出口位置的測(cè)定，如附圖2所示，包括測(cè)負(fù)壓管20、橡膠密封墊18、加壓管19、透明塑料管21，透明塑料管21與測(cè)負(fù)壓管20頂端套接的，透明塑料管21中注入水，形成測(cè)量壓強(qiáng)的水柱22，所述測(cè)負(fù)壓管下端通過(guò)用于安裝金屬液輸送導(dǎo)管的感應(yīng)熔煉爐底部通孔中穿出。步驟2. 3，包括以下步驟2.3. 1，將測(cè)負(fù)壓管(20)下端從感應(yīng)熔煉爐(7)底部穿出并固定，所述測(cè)負(fù)壓管
(20)出口到聚焦型噴嘴的匯聚焦點(diǎn)F的高度為H’ ；2. 3. 2，通過(guò)粒子流導(dǎo)管(11)輸入恒定壓強(qiáng)的高壓氣體，獲得此時(shí)測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)；2. 3. 3，調(diào)整測(cè)負(fù)壓管出口到匯聚焦點(diǎn)F的高度H’，保持輸入的所述高壓氣體壓強(qiáng)不變，得到相應(yīng)的測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)；2. 3. 4，重復(fù)步驟2. 3. 3，選出使測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)最大的高度H’，做為金屬液輸送導(dǎo)管(17)出口的最佳位置。具體測(cè)定方式為將測(cè)負(fù)壓管20的下端用橡膠密封墊18緊緊地固定在某一出口高度H’，隨后通過(guò)加壓管19，用手壓緊橡膠密封墊圈18，同時(shí)在粒子流導(dǎo)管11中僅通入恒定壓強(qiáng)的工作氣體(高壓氣體)，測(cè)量測(cè)負(fù)壓管壓強(qiáng)，在此利用水柱壓差A(yù) P表示測(cè)負(fù)壓管壓強(qiáng)。觀察透明塑料管21中的水柱22，記錄水柱壓差A(yù)P，然后關(guān)閉工作氣體，立即測(cè)量H’高度，得出一組H’ -AP數(shù)據(jù)。然后改變H’高度，保持氣體壓強(qiáng)不變，不斷測(cè)出不同的H’ - A P數(shù)據(jù)關(guān)系，最后選出一組A P最大值對(duì)應(yīng)的H’值即為金屬液輸送導(dǎo)管出口高度H的最佳位置，并即時(shí)用自凝耐火水泥固定金屬液輸送導(dǎo)管出口位置。
通常當(dāng)水柱的負(fù)壓值A(chǔ) P>500mm時(shí)，即為金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳的精確的位置。步驟2. 4，純金屬液流量的測(cè)定將金屬熔化后，在不同壓強(qiáng)的高壓氣體下，實(shí)際測(cè)定純金屬液流量值(kg/min)，此時(shí)，氣體中不加入固相粒子。與此同時(shí)要反復(fù)確認(rèn)金屬液輸送導(dǎo)管出口位置H值不變，以防止實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)出口位置H值的變動(dòng)，帶來(lái)不良后果。步驟2. 5，加入固相粒子時(shí)金屬液流量的測(cè)定在加入固相粒子，調(diào)整好高壓氣的氣壓強(qiáng)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)后，將感應(yīng)熔爐內(nèi)的金屬熔化，進(jìn)行加入固相粒子的噴射沉積合金試樣準(zhǔn)備，然后對(duì)試樣不同位置取樣分析。步驟2. 6,固相粒子成分分析 對(duì)不同位置的噴射沉積合金試樣進(jìn)行成分分析，確定固相粒子含量以便對(duì)噴射沉積各參數(shù)進(jìn)行修正。步驟3，制備熔煉設(shè)備步驟3. I，確定被熔煉金屬液熔煉方式。主要根據(jù)被熔煉金屬的特性如熔點(diǎn)、抗氧化能力、抗氮化能力、抗碳化能力、鐵磁性等，選擇金屬的加熱熔化方式，如電阻熔化加熱、高、中、低頻感應(yīng)加熱等。步驟3. 2，根據(jù)被熔煉金屬液的密度、最大熔煉量，確定坩堝的參數(shù)。包括，坩堝容積、坩堝高度。坩堝容積V >最大熔煉量/被熔煉金屬液的密度；坩堝高度W彡坩堝容積/|> (坩堝內(nèi)徑/2)2]；具體實(shí)施例四制備一臺(tái)20 kg，Sn — 10%SiC合金的高速固相粒子噴射沉積設(shè)備。噴射沉積速度為I I. 5 kg /分，最大熔煉量為20 kg的Sn合金液。Sn熔點(diǎn)為232°C，固相粒子為S i C粉2 kg，平均粒徑為2，5 ii m。采用0. 8 IMPa壓強(qiáng)N2氣為粒子加速的高壓氣體，其制備方法如下步驟I，制備高速固相粒子發(fā)生器；步驟I. 1，根據(jù)沉積速度(I I. 5 kg/min)及合金成分(Sn—10%S i C)可知高速固相粒子SiC粉的供給速度為100 150g/min。顯然這一速度是很微小的，為了達(dá)到并能穩(wěn)定的滿(mǎn)足這一技術(shù)要求，可以采用低速的且無(wú)極變速的電動(dòng)機(jī)調(diào)整達(dá)到粉料的供給速度。步驟I. 2，設(shè)定螺旋形推料葉片傾斜角度小于15°，葉片直徑在15 20_之間。另外，不銹鋼氣管10的外徑為IOmm,內(nèi)徑為7mm。步驟I. 3，在一定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，一定的隊(duì)氣壓下精確的測(cè)量從噴嘴噴出的S i C流量(速度g/mi n)，反復(fù)5次，誤差< ±5%，最終確定出最合理的電機(jī)轉(zhuǎn)速n，N2氣壓強(qiáng)P。步驟2,確定噴嘴和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置步驟2. I，本實(shí)施例中因噴射量小(I I. 5 kg /min)，故液流直徑設(shè)計(jì)為d=5mm。陶瓷(純Al2O3)管17的內(nèi)徑Cl1即為金屬液流直徑，dfd。陶瓷管壁厚B=L 5mm，故陶瓷管17直徑為 Cl1=Smm, d2=8mm。步驟2. 2，本實(shí)施例中噴嘴內(nèi)孔設(shè)計(jì)為R=L 3d2=l. 3X8=10. 4_。噴嘴的環(huán)縫(或環(huán)孔)出氣口 14的最小直徑為D=L 2R=1. 2X 10. 4=12. 48mm。環(huán)縫寬度取1mm。均壓室內(nèi)徑M 彡 I. 2D=14. 976mm ^ 15mm,均壓室外徑 N 彡 3. 5D=43. 68mm,均壓室高 L 彡 0. 75D=9. 36mm。步驟2. 3-步驟2. 6與具體實(shí)施例三一致，在此不在累述。步驟3，制備熔煉設(shè)備步驟3. 1，本實(shí)施例中，由于Sn金屬?zèng)]有鐵磁性，不能直接感應(yīng)加熱，故采取用石墨坩堝感應(yīng)放熱間接將Sn熔化的方法，見(jiàn)附圖2中的25。因?yàn)镾n的熔點(diǎn)很低(231. 9°C)。也可以采用簡(jiǎn)單的電阻爐加熱熔化。步驟3. 2，考慮到錫在過(guò)熱溫度600°C時(shí)的密度為6. 71g/cm3和最大熔煉量20 kg,
故坩堝的內(nèi)腔容積必須
權(quán)利要求
1.一種高速固相顆粒噴射成型裝置，其特征在于，所述高速固相顆粒噴射成型裝置利用高速固相粒子對(duì)金屬液進(jìn)行噴射沉積，包括高速固相粒子發(fā)生設(shè)備和用于盛放金屬液的感應(yīng)熔煉爐(7)，所述高速固相粒子發(fā)生設(shè)備包括聚焦型的噴嘴(6)和管體，所述管體包括料管(3)，位于所述料管(3)前部的錐形管(4)，以及位于所述料管(3)尾部的封閉的氣體換向室(2 );所述料管(3 )上部安裝有輸入固態(tài)粉末的粉料倉(cāng)(8 );所述氣體換向室(2 )上方安裝有一引入高壓氣體的高壓氣引入管(9);所述管體內(nèi)部軸向插入一不銹鋼氣管(10)，所述不銹鋼氣管(10)前端位于所述錐形管(4)內(nèi)部，后端與電動(dòng)機(jī)(I)相連，位于所述料管(3)內(nèi)的所述不銹鋼氣管(10)外表面安裝有推送固態(tài)粉末的螺旋形推料葉片，位于所述氣體換向室(2)內(nèi)的所述不銹鋼氣管(10)表面開(kāi)有透氣小孔； 所述噴嘴(6)位于感應(yīng)熔煉爐(7)之下，具有一上下貫通的內(nèi)孔，所述噴嘴(6)內(nèi)部有一與所述內(nèi)孔同軸的環(huán)狀柱體均壓室(15)，所述錐形管(4)尖端連接有粒子流導(dǎo)管(11)，所述粒子流導(dǎo)管(11)從噴嘴側(cè)面插入到所述均壓室(15)； 所述感應(yīng)熔煉爐(7)底部安裝有金屬液輸送導(dǎo)管(17); 所述金屬液輸送導(dǎo)管(17)下端從所述噴嘴(6)的內(nèi)孔穿出。
2.如權(quán)利要求I所述的高速固相顆粒噴射成型裝置制備，其特征在于，所述高壓氣引入管(9)引入的所述高壓氣體是惰性氣體。
3.如權(quán)利要求I所述的高速固相顆粒噴射成型裝置制備，其特征在于， 所述噴嘴(6)的噴口是與所述內(nèi)孔同軸且上下貫通的錐形環(huán)狀縫，所述噴口的環(huán)狀入口位于均壓室下表面，環(huán)狀出口位于所述噴嘴(6)下表面，所述環(huán)狀出口內(nèi)外半徑分別小于環(huán)狀入口內(nèi)外半徑。
4.利用如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的高速固相顆粒噴射成型裝置制備的噴射沉積合金，其特征在于，所述金屬液是單質(zhì)金屬液或合金液，所述高速固相粒子為碳化物、氧化物、氮化物、金剛石粒子、復(fù)合陶瓷顆?；蚺c所述單質(zhì)金屬液或合金液相同成分的固態(tài)粒子。
5.如權(quán)利要求4所述的利用高速固相顆粒噴射成型裝置制備的噴射沉積合金，其特征在于，所述碳化物是wc、TiC, VC、SiC, TaC, NbC, BC、HfC, CrC其中的任一種，或是WC-TiC固溶體粉末；所述氧化物是Al203、Si02、Mg0、Y203、Cr02、Nb203、HfO2其中的任一種；所述氮化物是SiN、BN、TiN其中的任一種。
6.一種利用如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的高速固相顆粒噴射成型裝置的噴射成型方法，其特征在于，所述噴射成型方法包括以下步驟 步驟I、電動(dòng)機(jī)(I)帶動(dòng)不銹鋼氣管(10)軸向旋轉(zhuǎn)； 步驟2、從粉料倉(cāng)(8)向料管(3)加入固態(tài)粉末，所述固態(tài)粉末通過(guò)所述不銹鋼氣管(10)表面安裝的螺旋形推料葉片推向錐形管(4)中； 步驟3、從高壓氣引入管(9)引入到氣體換向室(2)內(nèi)的高壓氣體通過(guò)所述不銹鋼氣管(10)表面的小孔進(jìn)入不銹鋼氣管(10)內(nèi)部，并從不銹鋼氣管(10)前端噴射出去，噴射出去的高壓氣體在錐形管(4)處形成負(fù)壓場(chǎng)，將所述錐形管(4)中的所述固態(tài)粉末加速，并獲得高速固相粒子流； 步驟4、所述高速固相粒子流通過(guò)粒子流導(dǎo)管(11)進(jìn)入均壓室(15)，經(jīng)均壓后，通過(guò)聚焦型的噴嘴(6)向下噴出，噴出的高速固相粒子匯集于匯聚焦點(diǎn)F，金屬液輸送導(dǎo)管(10)底部出口位置H位于匯聚焦點(diǎn)F上方。
7.如權(quán)利要求6所述的噴射成型方法，其特征在于所述匯聚焦點(diǎn)F的匯聚角度α范圍是25 40。。
8.如權(quán)利要求I所述的高速固相顆粒噴射成型裝置的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟I、制備高速固相粒子發(fā)生器； 步驟2、確定噴嘴參數(shù)和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置； 步驟3、設(shè)置被熔煉金屬液的熔煉方式，并根據(jù)被熔煉金屬液的密度、最大熔煉量，確定樹(shù)禍的容積和聞度； 其中，步驟2中確定所述金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置的步驟包括 1)、將測(cè)負(fù)壓管(20)下端從感應(yīng)熔煉爐(7)底部穿出并固定，其中，所述測(cè)負(fù)壓管(20)出口到噴嘴(6)的匯聚焦點(diǎn)F的高度為H’ ； 2)、通過(guò)粒子流導(dǎo)管(11)輸入恒定壓強(qiáng)的高壓氣體，測(cè)量此時(shí)所述測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)； 3)、調(diào)整所述測(cè)負(fù)壓管出口到所述匯聚焦點(diǎn)F的高度H’，保持輸入的所述高壓氣體壓強(qiáng)不變，得到相應(yīng)的測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)； 4)、重復(fù)步驟3)，選出使測(cè)負(fù)壓管的壓強(qiáng)最大的高度H’，做為金屬液輸送導(dǎo)管(17)出口高度H的最佳位置。
9.如權(quán)利要求8所述的高速固相顆粒噴射成型裝置的制備方法，其特征在于，步驟I具體包括 步驟1.1，根據(jù)噴射沉積速度和所要制備的噴射沉積合金成分，確定電動(dòng)機(jī)類(lèi)型； 步驟I. 2,設(shè)定螺旋形推料葉片的傾角； 步驟I. 3 根據(jù)噴嘴噴出的固相粒子的流量設(shè)定所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和高壓氣體的壓強(qiáng)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的高速固相顆粒噴射成型裝置的制備方法，其特征在于，步驟2中所述確定噴嘴參數(shù)的步驟包括 步驟2. I、根據(jù)噴射沉積速度設(shè)定金屬液輸送導(dǎo)管(17)的內(nèi)外徑dl，d2 ； 步驟2. 2、基于所述金屬液輸送導(dǎo)管(17)的外徑d2確定噴嘴的參數(shù)； 步驟2中，在確定噴嘴參數(shù)和金屬液輸送導(dǎo)管出口的最佳位置之后還具有以下步驟步驟2. 3、在不加入高速固相粒子的情況下將感應(yīng)熔煉爐內(nèi)的金屬熔化，在不同壓強(qiáng)的高壓氣體下，實(shí)際測(cè)定熔化的金屬液流量值； 步驟2. 4、加入高速固相粒子后，將感應(yīng)熔爐內(nèi)的金屬熔化，獲得噴射沉積合金試樣；步驟2. 5、對(duì)不同位置的噴射沉積合金試樣進(jìn)行成分分析，確定固相粒子含量，并對(duì)噴射沉積各參數(shù)進(jìn)行修正。
全文摘要
本發(fā)明涉及高速固相顆粒噴射成形的方法和裝置，裝置包括高速固相粒子發(fā)生設(shè)備和感應(yīng)熔煉爐，高速固相粒子發(fā)生設(shè)備包括聚焦型噴嘴和管體，管體包括料管、錐形管和封閉氣體換向室；管體內(nèi)部軸向插入不銹鋼氣管，不銹鋼氣管前端位于錐形管內(nèi)部，從高壓氣引入管引入的高壓氣經(jīng)過(guò)氣體換向室從不銹鋼氣管表面的透氣小孔進(jìn)入不銹鋼氣管，在錐形管內(nèi)部形成負(fù)壓，將固態(tài)粉末加速生成高速固相粒子，并從噴嘴噴出；噴嘴位于感應(yīng)熔煉爐之下，具有一上下貫通的內(nèi)孔，感應(yīng)熔煉爐底部的金屬液輸送導(dǎo)管下端從噴嘴的內(nèi)孔穿出。本發(fā)明開(kāi)辟了一種新型的噴射成形技術(shù)，可將金屬液冷卻速度提高到104.5～106℃/S，并可直接生產(chǎn)各種多相亞穩(wěn)相的復(fù)合相材料。
文檔編號(hào)B22F3/115GK102814497SQ20121032074
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者吳成義, 郭志猛, 羅驥, 曾鮮, 曹慧欽, 楊劍, 張穩(wěn)穩(wěn), 屈彥杰 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)