鄭大亮，高 鵬，尹建成，劉英莉，王宇鋒，鐘 毅

（昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

噴射沉積技術(shù)由英國Singer教授［1］于20世紀(jì)70年代首次提出，是一種基于快速凝固的先進(jìn)材料制備技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：材料具有快速凝固的顯微組織特征，晶粒為細(xì)小的等軸晶，消除了宏觀偏析，含氧量低，材料性能高，工藝流程短，成本低［2-3］。連續(xù)擠壓技術(shù)是1971年英國原子能局（UKAEA）斯普林菲爾德研究所的Green教授發(fā)明。連續(xù)擠壓具有的特點(diǎn)是：能耗低，材料利用率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，制品組織性能均勻性好，設(shè)備緊湊、占地小，生產(chǎn)費(fèi)用低［4-5］。

噴射沉積連續(xù)擠壓技術(shù)結(jié)合了噴射沉積技術(shù)和連續(xù)擠壓技術(shù)，具有流程短、近凈成形、節(jié)能、可連續(xù)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高合金低塑性材料的制備生產(chǎn)，未來具有廣闊的應(yīng)用前景。它是利用噴射沉積快速冷卻制備的坯料作為連續(xù)擠壓的原材料，再利用連續(xù)擠壓進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)，連續(xù)擠壓后能夠消除噴射沉積坯中的空隙，使沉積坯致密。

噴射沉積與連續(xù)擠壓兩種技術(shù)對接匹配是該集成技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題。一般噴射沉積坯較寬（大于100mm），而連續(xù)擠壓機(jī)輪槽較窄（10～28mm），存在尺寸不匹配的問題，因此，必須嚴(yán)格控制噴射沉積坯形狀與尺寸，使噴射沉積坯料盡可能多地沉積到連續(xù)擠壓機(jī)輪槽內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)噴射沉積與連續(xù)擠壓兩種技術(shù)良好對接匹配。目前，關(guān)于噴射沉積的研究［6-13］較多，其中噴射沉積沉積坯形狀控制的研究也有一些［14-16］，但這些研究都是通過控制沉積坯與噴嘴之間的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)沉積坯的特定形狀，且制備的沉積坯尺寸較大，不能滿足噴射沉積連續(xù)擠壓的工藝要求。探索如何使噴射沉積坯落在較窄的寬度范圍，不僅對噴射沉積連續(xù)擠壓技術(shù)意義重大，還可實(shí)現(xiàn)近凈成形小尺寸坯料的直接噴射制備，而此方面的研究國內(nèi)外仍是空白。通常噴射沉積所采用的噴嘴為環(huán)孔型噴嘴［2］，其噴射區(qū)域?yàn)閳A形，多用于制備圓柱狀沉積坯。而采用噴射沉積連續(xù)擠壓工藝時(shí)，半固態(tài)沉積坯必須沉積到連續(xù)擠壓機(jī)輪槽內(nèi)，所以沉積坯應(yīng)控制成窄條狀，采用環(huán)形噴嘴已不合適。為此，作者利用自主設(shè)計(jì)的雙輥和四輥流型控制器，選擇線性噴嘴，通過改變霧化氣體壓力來實(shí)現(xiàn)對噴射沉積區(qū)域的控制，并對沉積坯形狀和顯微組織進(jìn)行了觀察。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2A12硬鋁合金，其名義成分為Al-4.3Cu-1.5Mg（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）。沉積基板為45鋼板，噴射沉積連續(xù)擠壓選用的線性噴嘴參數(shù)見表1，兩種結(jié)構(gòu)的流型控制器的工作示意見圖1。

表1 線性噴嘴的參數(shù)Tab.1 The parameters of linear nozzle

圖1 兩種流型控制器工作示意圖Fig.1 The zone control schematic of the two types flow controller：（a）twin-roller flow controller and（b）four-roller flow controller

據(jù)作者前期的研究發(fā)現(xiàn)，輥輪轉(zhuǎn)速越快，區(qū)域控制效果越好。因此，大輥轉(zhuǎn)速均選擇為1 500r·min-1，經(jīng)計(jì)算其線速度為12.2m·s-1。

采用自由噴射、雙輥流型控制器和四輥流型控制器進(jìn)行沉積，過熱度192℃，霧化氣體壓力0.4MPa，大輥轉(zhuǎn)速1 500r·min-1，噴射沉積距離265mm。觀察沉積區(qū)域的控制效果，選出區(qū)域控制效果最好的一種流型控制器，在不同霧化氣體壓力（0.2，0.3，0.4MPa）下，進(jìn)行噴射沉積連續(xù)擠壓，其它參數(shù)不變。隨后采用Leica光學(xué)顯微鏡觀察沉積坯的顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流型控制器的選擇

由圖2可以看出，采用自由噴射沉積時(shí)，沉積坯大致呈橢圓形，沉積坯尺寸較大；采用雙輥流型控制器進(jìn)行噴射試驗(yàn)時(shí)，沉積坯形貌已經(jīng)有了改變，中心部隆起較高，呈高斯分布，即有大量金屬熔滴沉積到了沉積坯中部，但其寬度仍然較寬，須進(jìn)一步減小沉積區(qū)域?qū)挾?；采用四輥流型控制器進(jìn)行噴射試驗(yàn)時(shí)，沉積坯長度和寬度都大大減小，而且沉積坯橫截面的高斯分布明顯，沉積坯總寬度約20mm，在中心15mm范圍內(nèi)集中有80%沉積坯，基本滿足與連續(xù)擠壓機(jī)輪槽的幾何匹配。

采用自由噴射沉積時(shí)，由于氣流沒有限制，由線性噴嘴噴出的金屬熔滴破碎霧化，自由降落，飛行中有一定發(fā)散角，形成近似橢圓形的沉積坯，尺寸較大。由于中部氣流最強(qiáng)，所攜帶的金屬熔滴也最多，因此沉積坯中部產(chǎn)生橢圓形隆起；而周圍區(qū)域發(fā)散氣流較小，所攜帶金屬熔滴也較少，因此產(chǎn)生的外輪廓尺寸較大但較薄。采用流型控制器約束噴射時(shí)，10mm寬的輥縫間距有效控制了霧化氣體發(fā)散，同時(shí)輥面線速度達(dá)到12.2m·s-1，其產(chǎn)生的離心力可將粘附的熔滴甩下。采用雙輥流型控制器可以初步限制氣流以達(dá)到控制沉積坯寬度的作用，但輥縫離沉積基板還有一定距離，所以氣流仍會產(chǎn)生一定發(fā)散，沉積坯寬度仍然較寬。四輥流型控制器在雙輥的下方增加了一對小輥，氣流得到了二次限制，同時(shí)小輥輥縫與沉積基板距離較近，也有效地避免熔滴飛行時(shí)沉積范圍的擴(kuò)大，因此所制得沉積坯寬度較窄，且集中在中心部分。

圖2 三種試驗(yàn)條件下沉積坯橫截面形貌Fig.2 The cross-sectional morphology of deposited billets in the three experiment conditions：（a）free spray；（b）twin-roller flow controller control and（c）four-roller flow controller control

從圖3可見，三種沉積坯均有噴射沉積典型的顯微組織，晶粒大致呈球狀等軸晶，大小均勻，沉積坯內(nèi)部有明顯的孔隙。從晶粒尺寸上來看，當(dāng)采用四輥流型控制器（0.4MPa霧化氣體壓力）時(shí)，晶粒最細(xì)小均勻，晶粒尺寸為27μm，約為相同的霧化氣體壓力下自由噴射沉積坯晶粒尺寸的一半。影響噴射沉積坯晶粒尺寸的主要因素為熔滴的冷卻速率［6-7］，在自由噴射沉積時(shí)，通過調(diào)節(jié)氣體與金屬流速比可控制冷速，通常增大霧化氣體壓力可使晶粒更細(xì)小。而采用雙輥和四輥流型控制器進(jìn)行沉積時(shí)，熔滴接觸到輥面后，冷的鋼輥表面加速了接觸熔滴的冷卻速率，相當(dāng)于二次冷卻，進(jìn)一步強(qiáng)化了快速凝固效果。這點(diǎn)對于降低噴射沉積霧化氣體消耗非常有利，可以在獲得相同快速凝固晶粒組織的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

圖3 三種試驗(yàn)條件下沉積坯的顯微組織（0.4MPa）Fig.3 Microstructure of deposited billets in three experiment conditions（0.4MPa）：（a）free spray；（b）twin-roller flow controller control and（c）four-roller flow controller control

綜上可知，同等條件下采用四輥流型控制器不但沉積坯寬度最窄，而且晶粒最細(xì)??；即達(dá)到了相同快速凝固效果，又節(jié)約霧化氣體。

2.2 霧化氣體壓力的選擇

采用四輥流型控制器在三種霧化氣體壓力下的沉積坯整體長寬相差不大，但沉積坯的質(zhì)量相差較大，0.2MPa下制得的沉積坯質(zhì)量約為0.3MPa下的1.5倍，約為0.4MPa下的3倍。由圖4可以看出，霧化氣體壓力為0.2MPa時(shí)，制得的沉積坯高斯分布較平緩，寬度大；0.3MPa時(shí)，沉積坯寬度較窄，高度最高；0.4MPa時(shí)，沉積坯寬度最窄，高度較矮。當(dāng)霧化氣體壓力較大時(shí)，沉積坯中心部隆起部分會變窄，這點(diǎn)有利于與連續(xù)擠壓的結(jié)合，但是隨著霧化氣體壓力的增大，過噴粉末會大大增加，造成材料利用率的降低，此外較大的固相分?jǐn)?shù)也不利于后續(xù)連續(xù)擠壓的致密化；而霧化氣體壓力較小時(shí)，噴射過程中過噴粉末較少，沉積坯質(zhì)量較大，但是寬度較寬，真正落入擠壓機(jī)輪槽內(nèi)的金屬質(zhì)量較少，也造成材料利用率降低，此外由于冷卻速率的下降，晶粒粗大。當(dāng)選用0.2MPa時(shí)，中心隆起部分寬度過寬，沉積入輪槽較少，而選用0.4MPa時(shí)，中心部分較窄，但過噴粉末較多，從沉積坯截面形貌來看選擇0.3 MPa霧化氣體壓力最合適。

由圖5可見，隨著霧化氣體壓力的減小，沉積坯晶粒尺寸不斷增大，在0.4，0.3，0.2MPa的霧化氣體壓力下，所得沉積坯的晶粒尺寸分別為27，32，60μm。0.3MPa霧化氣體壓力時(shí)，晶粒尺寸約為0.2MPa時(shí)的一半；而采用0.4MPa時(shí)，晶粒尺寸并沒有比0.3MPa減小很多。因此選用0.3MPa霧化氣體壓力，既可獲得較好的快速凝固效果，又能盡可能地降低氣體消耗，節(jié)約成本。從圖6可見，采用四輥流型控制器，在0.3MPa霧化氣體壓力下噴射沉積連續(xù)擠壓制備的直徑7mm 2A12鋁合金桿表面光潔。

圖4 采用四輥流型控制器在不同霧化氣體壓力下制得沉積坯的截面形貌Fig.4 The cross-sectional morphology in different gas pressures under four-roller flow controller control

圖5 采用四輥流型控制器在三種霧化氣體壓力下制得沉積坯的顯微組織Fig.5 The microstructure of deposited billets in different gas pressures under four-roller flow controller control

圖6 0.3MPa霧化氣體壓力下噴射沉積連續(xù)擠壓制備的直徑7mm 2A12鋁合金桿Fig.6 2A12Al alloy rod in diameter of 7mm prepared by spray conforming in gas pressure of 0.3MPa

3 結(jié) 論

（1）采用四輥流型控制器對噴射沉積過程進(jìn)行控制，得到的沉積坯寬20mm，沉積坯截面呈高斯分布，可滿足噴射沉積連續(xù)擠壓工藝要求。

（2）采用四輥流型控制器進(jìn)行噴射沉積時(shí)，沉積坯晶粒為球狀，晶粒尺寸最小，約為相同條件下自由噴射沉積時(shí)的一半。

（3）采用四輥流型控制器進(jìn)行沉積時(shí)，最適合的霧化氣體壓力為0.3MPa。

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