喷射成形结合了凝固过程中快速冷却的冶金优势，产生了低偏析、精细的微观组织，并与近净形状加工相关的成本优势。它在制造某些部件方面具有特殊的优势，例如航空发动机的环和外壳。随着航空发动机直径的增加以提供更多的动力，制造所需的大直径环和外壳变得更加困难。喷雾成形提供了一种更容易制造这些大型部件的方法，它也允许使用目前不能用于其他制造方法的合金。它为生产性能更强的部件提供了一条途径，最终可能导致更大、更强大的飞机。 历史喷射成形在20世纪70年代由位于尼斯的鱼鹰金属公司商业化，因此通常被称为鱼鹰工艺。鱼鹰许可证持有者包括主要的铝、铜、铁和镍合金制造商。德国PEAK的生产设施生产高含硅铝合金(每年3500吨)，用于梅赛德斯的气缸套，美国Sprayform Technologies International (STI)为航空航天工业生产大直径镍环(每年每班500吨)。 这个过程喷射成形工艺示意图如图1所示。第一步是Ar或N2熔体流的气体雾化，产生10-500μm液滴的喷雾。这些液滴沉积在喷射锥体下不断增长的喷射预制件表面，在那里，任何残留的液体在喷射预制件冷却相对缓慢并凝固。
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图1所示。喷射成形工艺示意图。 |
C喷淋成型材料的特点亚博网站下载通过共沉积固体陶瓷相(通常为5-15μm SiC颗粒)，可以制造钢坯、环和板等几何形状，以及颗粒增强金属基复合材料(MMCs)。喷射预制体在所有预制部位均有直径为15-50μm的等轴晶粒，微观偏析和宏观偏析水平较低。喷射预制体的微观结构主要取决于沉积时的平均喷射固相分数，该分数通常在0.3 ~ 0.8之间。喷射预制件通常含有1-3vol%的残余孔隙率，并需要通过挤压、热等静压(HIPing)、轧制等后续加工达到全密度。 Sp的优点射线形成与常规加工的材料相比，固结喷射成形材料的拉伸、韧性、亚博网站下载疲劳和蠕变行为表现出相同或优越的性能。喷雾成形近净形状加工的经济效益对部件很敏感，但例如，在制造大直径镍高温合金航空发动机环的过程中，与铸造和锻造方法或粉末加工相比，预计可实现高达30%的节省。 商业评估项目联合王国在英国，谢菲尔德的Allvac-SMP公司与鱼鹰公司和丹麦钢铁公司合作，探索了用于航空航天的喷雾成形大直径镍高温合金预制件的商业可行性。已经生产了一吨直径400毫米、长度1200毫米的预制件。目前正在研究在下游工艺如环件轧制和/或HIPing中，喷射成形直径600 mm和长2700 mm的预制件作为可锻压性提高的原料的可行性。 美利坚合众国在美国有两个主要的项目来开发喷射成形镍高温合金。通用电气和Teledyne Allvac参与的一个方案的目标是开发喷雾成型和锻造的压缩机和涡轮盘。由于这些关键部件是疲劳敏感的，因此必须消除所有耐火基夹杂物。因此，一个中试装置已经投入使用，该装置结合了真空感应熔体(VIM)原料电渣重熔、冷坩埚感应熔体和用于熔体底部浇注的冷感应导流装置。这种配置消除了陶瓷坩埚和喷嘴的需求，并能够以每分钟20公斤的速度生产280kg预制件。 Sprayform技术国际Sprayform技术国际项目(Pratt & Whitney和Howmet的合资企业)旨在制造大直径喷雾成形环和套管。在这种情况下，将VIM和喷涂在大直径旋转钢芯上相结合，可以直接用2700公斤的熔体制造直径为1400毫米的环。采用镍高温合金IN718制造的PW4000发动机高压涡轮机匣环经喷淋成形、HIPed成形和(或)环轧制，并在发动机上进行了成功的试验。 喷射成形镍高温合金特征喷射形成的镍高温合金组织通常由细小的等轴晶、低化学偏析、细化的碳化物和减少形成的脆化拓扑紧密堆积相(TCP)。加工、热加工和机加工的改进有可能减少零件制造的时间和降低成本。例如，与传统的铸造和锻造材料相比，更低的流动应力和更高的可锻性使得仅在两个辊道次中喷射成形镍高温合金环的减少超过50%。亚博网站下载最后细节的加工是航空发动机环和外壳制造中最昂贵的阶段之一。喷射成形Ni高温合金的切削速度提高了25-35%，刀具寿命提高了4倍以上。 属性加工的改善不会以牺牲机械性能为代价。喷射成形和固结IN718和U720的极限抗拉强度和抗拉强度与铸造和锻造的同类产品相当。此外，蠕变应力断裂性能和低周疲劳性能有相当或略有改善。用于制造航空发动机外壳的Jetehete M152钢的力学性能也得到了改善。强度、延展性、蠕变应变和硬度均在航空航天规格范围内，即使在喷射成形状态下也是如此。因此，对于某些部件来说，有可能从近净形状喷射成形获得最大效益，而不需要通过下游的热机械加工来提高性能。 基于“增大化现实”技术对N2用于雾化气体在镍高温合金的最佳喷射成形和氩或氮的使用方面，存在着技术和科学上的争议2雾化烧天然气。如果使用氩气，在HIP固结过程中封闭的孔隙度可能会在焊接操作或使用温度升高时重新出现，这就是所谓的热致孔隙度(TIP)。由于氩在Ni中的溶解度很低，会发生TIP反应，并可能严重损害机械性能。Ar也比N贵2．如果N2作为雾化气体，则由于N2与普通合金添加Ti反应迅速，形成TiN。然而，TiN的形成本身可能不利于机械性能，特别是疲劳寿命，并可能在任何过喷粉末的回收中引入成本损失。 喷射成形铝合金对喷射成形过程中快速冷却所提供的均匀组织的开发进行了研究。在20世纪80年代和90年代初，Cospray和英国的加拿大铝业公司使用一个300公斤的小方坯中试工厂研究了喷雾成形铝合金。最近，PEAK公司生产了直径300毫米、长2.5米的Al-Si坯料。 铝锂合金Cospray最初的发展重点是传统的8090和8091铝锂合金。与直接冷却铸造合金相比，喷射成形合金的晶粒尺寸在20 ~ 50μm左右，第二相颗粒和晶界析出更加均匀。yabo214坯料可以通过HIPed、锻造或挤压成形，以达到在喷射孔隙状态下的愈合。与镍高温合金类似，与常规加工材料相比，喷射成形的显微组织具有更好的性能。亚博网站下载此外，污染物Na和H水平降低，进一步提高了韧性和断裂韧性。 Aluminium-Lithium-Zirconium合金除了那些可以在直流铸造材料中实现的新合金，含有Li和Zr添加剂的新合金随后已与洛克希德公司和GKN-Westland直升机公司合作开发。亚博网站下载高Li水平导致高强度、高模量和低密度，而高Zr水平导致高体积分数的分散颗粒控制晶粒和亚晶粒结构。yabo214在航天器和直升机上已确定了重大的潜在应用，在这两方面节省重量是极为重要的。已经开发了两种新合金:UL30 [Al-3.0 li -1.0 cu -0.7 mg - 03U]和UL40 [Al-4. oli -0.2 zr]，后者是市场上可获得的密度最低的铝合金。 喷射成形铝合金的性能喷射成型8090、UL30、UL40的挤压和峰时效纵向性能对比见表1。UL30合金是一种高强度合金，旨在实现其高强度，而不需要进行冷加工来析出S'-Al2例如需要8090的CuMg相位。消除冷加工是生产高强度锻件的一个优势，这样就可以在不需要冷压缩的情况下生产锻件，从而节约成本。 表1。喷射成型8090、UL30和UL40的挤压峰时效纵向性能。
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0.2%耐压(MN.m .－２） |
512 |
503 |
459 |
极限抗拉强度(mn－２） |
550 |
515 |
528 |
延伸率(%) |
5．1 |
4．9 |
4．7 |
K1 c(MN.m3/2） |
46.4 |
34.6 |
20．1 |
扬斯模量(GN.m－２） |
79.0 |
81.5 |
83.4 |
密度(g.cm3） |
2.54 |
2.51 |
2．41 |
其他铝合金
高强度7XXX和高温2XXX系列合金也进行了类似的合金开发计划。在7XXX合金中，商业直流铸造合金可以含有高达8%的Zn(如7449和7055)。而喷射成形合金中Zn含量可达11-12%，Zr含量高于正常水平，如Al-11.5Zn-2.5Mg-1.0Cu-0.2Zr。与传统的7075和7050相比，这些合金锻件的强度和韧性得到了改善。与传统的高温合金2618相比，2XXX系列合金还采用了更高水平的Cu、Mn和其他弥散体形成元素，如Zr、V和Ti，以获得更高的性能。UL40和高锌7XXX系列合金，以及其他航空航天合金可从鱼鹰金属。 虽然已经开发了许多新的Al合金专门用于喷射成形，但航空发动机应用镍合金的不同市场和工程要求将喷射成形的发展重点放在降低现有合金的制造成本上。然而，随着喷射成形逐渐在利基市场建立起来，例如STI正在开发的市场，镍高温合金的合金开发将继续进行。 喷雾形式/臀部由于喷射成形/HIP路线消除了大直径镍高温合金套管必须采用适合大量环滚压减少的变形合金成分的传统限制，因此在高温应用中，喷射成形的环的成分与铸造合金的成分更接近。这些合金目前正在牛津大学先进材料和复合材料中心(OCAMAC)最近安装的鱼鹰(Osprey)单元中进行研究，见图2。亚博网站下载本研究的目标是开发出能够提高作业温度和机械性能、成本相对较低的环和套管。
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图2。OCAMAC高温合金喷雾成形装置，用于安装过程中的合金开发。 |
经济可行性在许多航空航天材料中，精喷成形显微组织所带来的力学性能的改善已得到证实。亚博网站下载喷射成形技术面临的另一个挑战是如何在生产环境中实现潜在的经济效益。经济可行性的核心是保持液态金属原料到喷射成型产品的有效转换。由于液滴轨迹控制不佳(过度喷涂)、液滴过度飞溅或在预制件顶部表面反弹、不可复制的喷涂形状和不良的冶金质量(如过多的孔隙)，工艺收率受到影响。所有这些方面及其操纵都在几所大学和企业研究实验室进行调查。例如，Cospray与OCAMAC合作实现了一个在线视觉系统，用于铝合金喷射成形期间的日常形状控制，该系统将直径300 mm的预成形件的直径变化从±10 mm减少到±1 mm。 工艺ng条件虽然形状控制现在成为生产系统的标准，但良好冶金质量的工艺条件通常是预先设定的，而不是在线操作。一些合金成分对喷射成形条件的变化表现出明显的敏感性，而另一些合金成分则较宽容，喷射成形时气孔率低，组织细小。对最佳喷射条件和合金成分之间关系的定量解释尚待开发。同样，对孔隙形成的认识和控制是另一个很少受到关注的领域。 相反，最近在了解喷雾成形过程中发生的其他一些关键过程方面取得了重要进展。在喷雾过程中，细固体颗粒作为大液滴中液体的成核剂的重要性已经yabo214得到了证明，并且定量地说明了从与喷涂涂层相关联的层状组织向等轴组织转变的热条件。使用精密激光和高速成像技术也揭示了液滴飞溅和反弹在降低工艺成品率中的重要性。最后一个例子强调了提高对喷涂成形的基本认识和控制的障碍之一——喷涂成形过程中有意义的条件在线测量通常是困难的，因为特别恶劣的制造条件，经常需要专门的技术。 年代ummary对于一些镍和铝航空航天合金来说，喷雾成形已经从实验室转向生产环境，在这种环境下，可以实现性能的提高和成本的降低。这一趋势很可能会持续下去，但如果将成本降低与利用喷射成形的特殊凝固条件设计的合金的开发结合起来，将获得最佳效益。实现这一前景的核心是对微观结构和产量控制因素的基本理解的不断增长，这可能会得到数值模拟和复杂诊断技术的使用的很大帮助。 |