[发明专利]喷射沉积设备

说明书

本发明涉及一种合金或复合材料的生产设备，特别是喷射沉积设备。

目前，喷射沉积工艺已广泛地用于各种管坯、板坯、棒坯等合金和复合材料的生产，该技术本质上都是采用了英国A·singer教授70年代提出的喷射沉积原理：即将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化为颗粒喷射液流，直接喷射在较冷的基体上，经憧击、聚结、凝固成沉积物，其共同特点是沉积物由喷射液流一次性经过基体沉积而成。《兵器材料科学与工程》第17卷第2期(1994年3月)介绍了该工艺的设备和工艺过程。与普通的铸造一压力加工及粉未冶金相比较，它设备工艺简单，能减少许多加工工序，金属利用率高，并能节省大量的能耗。传统的喷射设备，一般采用如图1、图2所示设备，其中包括坩埚1、喷嘴2、基休3、雾化空4、排气管5、传动装置6、内冷装置7，其雾化过程冷却速度虽较高，达10³-10⁵k/t，但沉积物冷却速度一般仅为10-10²k/s，同时在制备直径较大的管坯、厚壁的筒坯、宽和厚的板坯时，加工尺寸往往难达到要求，因为如果通过提高喷射密度来解决，由于冷凝速度不快，造成沉积物的偏析、晶粒粗化、热缩孔缺陷，如采用v型喷嘴、摇动扫描喷嘴或多个喷嘴，工艺又很复杂，这样沉积物的尺寸受到很大限制。

本发明的目的是提供一种喷射沉积的新设备，以加快冷却速度，增加喷射沉积物的尺寸，提高喷射大型坯件质量，同时又不使设备、工艺复杂化。

本发明的喷射沉积设备增加了运动控制装置8、外强冷装置9和连接板10，与坩埚连成一体的喷嘴2和外强冷装置9的导管11均穿过连接板10，并紧固在连接板10上，与连接板10共同组成坩埚系统，连接板10即作为雾化室4的上盖，运动控制装置8作用在连接板10上，控制坩埚系统的运动，其速度的大小和方向均可以调节。外强冷装置9包括供气瓶、开关阀和导管11，其作用是：喷射液流13喷到基体3上后，外强冷装置9导管喷射口12立即喷射冷却介质，对沉积物14进行外冷，其冷却介质为液氮或惰性气体。根据喷射坯件的不同，坩埚系统的运动轨迹和外强冷装置9亦不相同，当喷射管材时，如图3所示，外强外冷装置9的导管喷射口12位于基体3下方，与喷嘴2相对，坩埚系统沿基体3的母线作近似匀速直线运动，同时基体3母线又绕其轴线作匀速转动，金属喷射液喷射在基体3上的沉积轨迹为圆柱螺旋线；喷射板坯时，如图4所示，外强冷装置9在喷嘴两侧各有一导管喷射口12，根据坩埚系统的不同运动方向，分别开启对应的导管喷射口而关闭另外一导管喷射口，使冷却介质恰好在每层喷射液流13沉积后喷入，对每层沉积物14进行外冷，坩埚系统沿平面板状基体3两平行边作往复运动，基体3同时垂直于坩埚系统运动方向作往复运动，金属喷射液喷射在基体3上的沉积轨迹为正弦曲线。运动过程中，导管11的导管喷射口12与喷嘴的相对位置始终不变。这样制得的沉积物14每一层都是坩埚系统和基体3多次运动的结果；合金或复合材料的均匀性、平整性较基体单方面运动都大大提高。根据不同的沉积坯尺寸，可以调整相应的坩埚系统、基体3的运动距离，而调整坩埚系统、基体3的运动速度，可以满足沉积坯的不同性能要求。

利用上述设备制取合金或复合材料时，多层喷射的最佳沉积条件，取决于金属液体的过热温度、气体与喷射金属液流的质量比、喷射距离和基体3、坩埚系统的运动速度。由于基体3可往复运动，多层次喷射沉积中，同一位置的后一沉积物到达距前一沉积物到达的时间间隔比较长，前一层沉积物比较容易溅射凝固，容易形成溅射边界，影响喷射坯件的质量，为保证后一层喷射沉积物到达之前前一层沉积物不完全溅射凝固，消除溅射边界，实现最佳沉积条件，生产过程的工艺参数中，熔融金属的过热温度选取100-200℃，喷射距离用150～200mm，雾化气压为1～1.21MPa，喷嘴出口径28～30mm，基体3转动或移动的频率(单位时间内基体转动的周数或往返移动次数)同坩埚1的移动频率避免选用倍数关系，坩埚的运动频率一般可用1/10～1/6Hz，基体的运动频率可用1/40～1/30Hz，当需要制造长管和大板坯件时，还可同时使用多组坩埚、喷嘴和导管喷射口，来满足最佳沉积条件。此外，用不同的坩埚分别放不同的金属液、加强相制取复合材料时，复合材料的均匀性大大提高。