雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.01.003 第19卷第1期 北京科技大学学报 VoL19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展* 张济山陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要雾化喷射沉积成形是一种新型的近终型坯件制备技术，可用于不同合金.该技术已经开始 进人工业化应用阶段.它具有快速凝固一次成形的优点，为新材料的研究与发展提供了有力的工 具，受到世界各国的重视.本文对喷射沉积成形技术的发展现状及其在材料科学研究中的应用情 况进行了综合评述. 关键词雾化喷射沉积成形，材料制备，工业化生产 中图分类号TG394 喷射沉积直接成形是60年代末提出的1种快速凝固新技术，经过多年的发展于80年代 逐渐成熟，并在高技术新材料领域已广泛应用~61.该技术涉及粉末冶金、液态金属雾化、快 速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术.主要优点有：高致密度、低含氧量、快速 凝固的显微组织特征、提高合金性能、工艺流程短、成本降低、高沉积效率、灵活的柔性制造系 统、近终形成形、可制备高性能金属基复合材料等， 正是由于喷射沉积成形技术具有以上突出的优点，近年来受到了国内外学术界及工业 界的高度重视，世界各国竞相参与该技术的开发应用，发展很快.本文将对该项技术的发展情 况及其在材料研究中的应用作一综述 1喷射沉积成形技术在材料研究中的应用 1.1钢材 (1)高合金钢传统高碳高铬工具钢的液析碳化物尺寸及分布一直是冶炼质量控制的难 点之一，一般用快淬粉末冶金法制备高要求的材料.但RSPM法的成本太高，且中间过程的 氧和杂质污染也易使性能变坏.Namba Y)等人用喷射成形法制备了高铬工具钢，得到满意 的结果：虽然沉积态材料的弯曲强度仅为RS/PM材料的45%，但致密化后可达3800MPa,与 粉末材料相当.沉积态与锻后$F材料的碳化物尺度较粉末材料稍大（因为SF法的冷速低于 RSPM),但远低于铸造材料的允许级别. (2)不锈钢AB SANDVIK STEEL已开始用SF法商业化生产不锈钢管.该公司指出 喷射成形有助于抑制某些钢种的偏析倾向，提高直接成形的能力以及改善加工性能，适合于 生产具有高的高温强度和加工硬化性的钢种. 1996-11-20收稿第-…作者男39岁教授博士 ◆国家自然科学基金资助项目

第19 卷 第1 期 1 9 9 7 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s ity o f S c i e n c e a n d T e c 血n o l o gy B e ij in g V o l . 1 9 N 0 . 1 F e b 。 19 9 7 雾化喷射沉积成形材料制备技术 的新进展 * 张 济 山 陈 国 良 北京科技大学新金 属 材料 国家重点实脸室 , 北 京 10 0 0 83 摘要 雾化喷射沉积成形是一种新型 的近终型 坯件制备技术 , 可 用 于 不同合金 . 该技 术已 经开始 进人工业化应用 阶段 . 它具 有快 速凝固一次成形的优 点 , 为新材料的研究与发展提供 了 有力的工 具 , 受到世界各 国的重视 . 本文对喷射沉积成 形技术的发展现状及其在材料科学研究 中的应用 情 况进行 了综合评述 . 关键词 雾化喷射沉积成形 , 材料制备 , 工业 化生产 中图分类号 T G 3 9 4 喷 射沉积 直 接成 形是 60 年 代末 提 出 的 l 种 快 速凝 固新 技术 , 经过 多 年的 发展 于 80 年代 逐渐 成熟 , 并 在 高技 术新 材料 领 域 已 广 泛应 用〔’ 一 6 ] . 该 技术 涉及 粉 末冶金 、 液态 金属 雾化 、 快 速冷却 和非 平衡 凝 固等 多领 域 的新 型 材料 制 备技 术 . 主要 优 点有 : 高致 密 度 、 低 含氧 量 、 快速 凝固的显微组 织特 征 、 提 高合 金性能 、 工 艺流 程短 、 成本 降低 、 高沉 积效 率 、 灵 活 的柔 性 制造系 统 、 近终 形成形 、 可 制备高性能 金属基 复合材料 等 . 正是 由于 喷射沉 积 成 形技 术具 有 以 上突 出 的优 点 , 近年 来受 到 了 国 内外学 术界 及 工 业 界的 高度重 视 , 世界 各 国竞相 参与 该技 术的 开发应 用 , 发展很 快 . 本文将对该项技 术 的发展情 况及其在材料 研究 中 的应 用作一综述 . 1 喷射沉积成形技术在材料研究 中的应用 L l 钢材 l( ) 高合金钢 传统高 碳高铬工具 钢 的液 析碳 化物 尺寸及 分 布一 直是 冶炼质量控 制 的难 点之 一 一般用 快 淬 粉末 冶金 法 制备高 要求 的材 料 . 但 R S爪 M 法 的成本 太 高 , 且 中间 过程 的 氧和 杂质污 染 也易 使性 能 变坏 . N am ba Y[ 7] 等人 用喷 射成 形 法制 备了高铬工 具钢 , 得 到满 意 的结 果 : 虽 然沉 积态材料 的 弯曲强度 仅 为 R S用M 材料 的 45 % , 但致 密化后 可 达 3 8 0 M P a , 与 粉末 材料 相 当 . 沉 积 态 与锻后 S F 材料 的碳 化 物尺 度较 粉末 材 料稍 大 ( 因 为 S F 法 的冷 速低 于 R S用 M ) , 但远 低于 铸造 材料 的允许 级别 . (2 ) 不锈 钢 A B S A N D v IK S T E E L 已 开始用 s F 法 商 业化生 产 不锈 钢管 s[] . 该公 司指 出 喷射成 形有 助 于抑 制某 些 钢种 的偏 析 倾向 , 提 高 直接 成形 的 能力 以 及 改 善加 工性 能 , 适合 于 生 产具有 高 的高温 强度 和加 工硬化 性 的钢种 . 19 9 -6 1 1 一 2 0 收稿 第 一作者 男 3 9岁 教授 博士 国家 自然科学基金资助项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 01. 003

16 北京科技大学学报 1997年第1期 (3)高强度低合金钢(HSLA钢)由文献[9]可知，HLSA-100(低碳贝氏体、Cu沉淀硬化 钢)，沉积获得的材料经轧制消除孔隙后，屈服强度可达814~1021MPa,拉伸强度996~ 1063MPa,延伸率达到18.6%~24.2%，大大优于对应的铸造轧制材料（屈服强度690MPa). 电镜分析显示沉积物中有许多极细的沉淀，粒度仅为35~75nm. (4)高速钢和耐磨合金喷射沉积技术用于生产这类高碳合金具有很大的优越性.快 速凝固可以获得细小且分布均匀的一次相，使性能得到很大改善.例如，直径为150m、长 1m的沉积高速钢坯，经精锻和热加工后一次碳化物的尺寸小于5μm,用Osprey技术生产的 100mm×100mm方坯原始组织中的碳化物在晶界上呈较大块的网状分布，而在晶内呈细 小均匀的分布.热挤压成直径为20mm左右的棒后得到均匀分布的大小2种碳化物.而成分 相同的粉末治金产品中只有细小的碳化物，普通铸锻合金中则存在十分粗大且分布不均匀的 碳化物带.切削试验证明Osprey沉积合金的寿命比PM合金还高约60%.最近对加入体积分 数为10%AL,0,颗粒的钢基耐磨材料的研究表明，不仅耐磨性能明显改善，合金的相对密度 还降低了约5%). 此外，雾化喷射沉积成形的钢种还包括变压器用高硅钢、中碳钢板和其他钢等. 1.2高温合金 目前，已经进行喷射沉积实验研究的高温合金包括：AF115,AF2-1DA,AF2-1DA-6, Alloy625,Astroloy,IN100,IN713,IN718,IN901,MERL76,Merle762,MM002,Nimonic115, Rene4l,Rene80,Rene88DT,Rene95,Rene125,Waspaloy和Ni,Al基合金及其复合材料.坯件 形状包括盘、环、管和棒等.沉积态的等轴晶尺寸一般为15~40μm,坯件密度>98%.考虑用 于祸轮盘，需要良好的抗裂纹萌生能力，许多研究集中在减少沉积坯件的疏松和氧含量，为了 减少坯件中的疏松，促进全致密，最好采用氮气雾化.这是由于氨可以微溶于高温合金中，并 可原位形成弥散分布的亚微米级的(Ti,Nb)(C,N颗粒2)，Ar气不与高温合金发生反应，使合 金难以全致密.用Ar气雾化时，N,和0，的含量分别为~10×10-6和~20×10-6，用氨气雾 化时，分别增加到~150×10-6和~50×10-6，但氧含量低于一般粉末冶金产品2,1).研究 结果表明：①晶粒组织普遍细化(10~30μ)：②可消除粉末合金制品中有害的原始颗粒边 界和粗大的金属间化合物相：③不仅可极大地改善合金的塑性，如一次模锻压缩达80%时不 会出现边角裂纹，而且可使典型的铸造合金（如NI00)易于进行冷热加工；④合金性能得到 明显改善，优于普通铸锻合金而达到或超过粉末合金的水平（表1为喷射沉积N718和 Waspaloy合金的高低温拉伸性能和持久性能结果I).IN625和高碳(0.24%C)N100管材是 喷射沉积高温合金的另一个成功的例子，经过为保证尺寸精度和消除表面疏松层的机加工 后，喷射沉积成形最终产品的总收得率可达75%，高于常规生产40%~50%的收得率，成本 比常规工艺降低30%~50%，而且沉积管的性能达到或超过标准要求（表2）1. HOWMET公司用“SprayCast-X”技术生产镍基高温合金获得成功).对N7I8和 Waspaloy合金，晶粒度基本在ASTM8-9级.经热等静压或轧制致密化的“SprayCast-X"材料 的强度和塑性与对应的锻造合金相比，互有优劣；而“SprayCast-X”合金无论是N7l8还是 Waspaloy,其持久性能均较锻造材料增加2~3倍

· 1 6 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 97 年 第 l期 (3 )高强 度低 合金 钢 ( H s L A 钢 ) 由文献 〔9] 可知 , H L s A 一 l o 0( 低碳 贝 氏体 、 c u 沉 淀硬 化 钢 ) , 沉积 获 得 的材 料 经 轧 制 消 除孔 隙后 , 屈 服 强 度 可 达 8 14 一 1 0 2l M aP , 拉伸 强 度 9 % 一 1 06 3 M P a , 延伸 率达 到 18 . 6 % 一 2 .4 2 % , 大大 优 于对应 的铸 造轧制 材料 ( 屈服 强度 6 90 M aP ) . 电镜 分析 显示 沉积 物 中有 许多 极细 的沉 淀 , 粒度仅 为 35 一 75 n m . ( 4) 高 速钢 和耐 磨合 金 喷射沉 积 技术 用 于生 产这 类 高碳 合金具 有 很大 的优越 性 1[ 01 . 快 速凝 固可 以 获得 细 小 且 分布 均 匀 的 一 次相 , 使性 能 得 到很 大 改 善 . 例如 , 直 径 为 150 ~ 、 长 l m 的沉 积高 速钢坯 , 经精锻 和 热 加工 后一 次碳化 物 的尺 寸 小于 5 林m . 用 o s p r ey 技术 生产 的 or o ~ x 10 m m 方坯 原 始 组织 中的碳 化 物 在 晶界 上 呈较 大 块 的 网状 分布 , 而 在 晶 内呈 细 小均 匀 的分 布 . 热 挤 压成 直径 为 2 0 ~ 左右 的棒 后得 到均 匀分 布 的大 小 2 种 碳 化物 . 而成分 相 同 的粉 末冶 金产 品 中只 有细 小 的碳化 物 , 普通 铸锻 合金 中则存 在 十分 粗大 且 分布不 均匀 的 碳化 物带 . 切 削试验 证 明 o s p r cy 沉 积合金 的 寿命比 PM 合金 还高 约 60 % . 最 近对加 人体积 分 数 为 10 % 1A 2O 3颗 粒 的钢 基 耐 磨材 料 的 研究 表 明 , 不 仅耐磨 性 能 明显 改 善 , 合 金 的相 对密 度 还 降低 了约 5 % l1[] . 此外 , 雾化 喷射 沉积 成形 的钢种 还包 括 变压器 用高硅钢 、 中碳钢 板和其 他钢 等 . L Z 高温合 金 目前 , 已 经进 行 喷射沉 积 实验 研 究 的高温 合 金包 括 : A F 1 15 , A F Z 一 I D A , A F Z 一 I D A 一 6 , A ll o y 6 2 5 , A s otr l o y , 诩 10 0 , NI 7 13 , IN 7 1 8 , IN 9 0 1 , M E R L 7 6 , M e r l e 7 6 2 , M M 0 0 2 , N im o n i e l l s , R e n 已4 1 , R e n 已8 0 , R e n 亡8 8 D T , R e n 己9 5 , R e n 已12 5 , W a s p a l o y 和 N i 3A I 基 合 金 及 其复 合 材料 . 坯 件 形状包括 盘 、 环 、 管 和棒等 . 沉积 态 的等轴 晶 尺 寸 一般为 巧 一 40 协m , 坯 件 密度 >9 8% . 考 虑 用 于 涡轮盘 , 需要 良好的抗 裂纹 萌生 能力 , 许多 研 究集中在减 少沉积 坯件 的疏松 和 氧含量 . 为 了 减 少坯件 中 的疏松 , 促 进全 致 密 , 最 好 采 用氮 气雾 化 . 这是 由于 氮可 以 微 溶 于高 温合 金 中 , 并 可原 位形 成弥 散分 布的 亚微米 级 的 ( iT , N b) (C , N ) 颗粒「” ] . A : 气 不与高 温合 金发 生反 应 , 使合 金难 以 全 致密 · 用 A r 气雾 化 时 , N Z 和 0 2的含 量分 别为 一 10 ` 1 0 一 ` 和 一 20 ` 10 一 气用 氮气雾 化时 , 分别 增加 到 一 1 50 x 10 一 “ 和 一 50 又 10 一 6 , 但 氧含 量低于 一般粉 末冶 金产 品l[ 2,1 3] . 研 究 结果 表 明 : ① 晶粒 组织 普遍 细 化 ( 10 一 30 “ m ) ; ② 可 消除 粉末 合金 制 品中有 害 的原 始颗 粒边 界和 粗大 的金属 间化 合 物相 ; ③ 不 仅 可极 大地 改 善合 金 的塑性 , 如一 次模 锻压缩 达 80 % 时 不 会 出现边 角 裂纹 , 而 且 可使 典型 的铸造 合 金 ( 如 NI 10 0) 易 于进 行冷 热加 工 ; ④ 合金性 能 得 到 明 显 改 善 , 优 于 普 通 铸 锻 合 金 而 达 到 或 超 过 粉 末 合 金 的 水 平 (表 l 为 喷 射 沉 积 NI 71 8 和 W a s p a l o y 合金 的高 低 温拉 伸性 能和 持久 性 能结果 [ ’ 4 ] ) . IN 6 2 5 和高碳 ( o . 2 4 o,o e )州 10 0管 材是 喷 射沉 积 高温 合金 的 另一 个 成 功 的例 子 . 经 过 为保 证 尺 寸 精度 和 消除 表 面疏 松层 的机加 工 后 , 喷射 沉积 成形 最 终产 品 的总 收得 率 可达 75 % , 高于 常规生 产 40 % 一 50 % 的收得 率 , 成 本 比常 规工 艺降低 30 % 一 50 % , 而且 沉积 管 的性能 达到 或超过 标 准要求 (表 2) 〔` 5 ] . H o W M E T 公 司 用 “ s p r a y C a s t 一 X ” 技 术 生 产 镍 基 高温 合 金 获 得 成 功 [` 4 ] . 对 xN 7 l s 和 w as aP lo y 合金 , 晶粒度 基本 在 A S T M S 一 9 级 . 经 热等 静压 或 轧制致 密化 的 “ S p r ay C as t 一 X ” 材 料 的 强 度 和 塑 性 与 对应 的 锻 造 合金 相 比 , 互 有 优 劣 ; 而 “ s p r ay c as t 一 x ” 合金 无 论 是 NI 7 18 还 是 w as p al o y , 其持久 性 能均 较锻造 材料 增加 2 一 3 倍

Vol.19 No.1 张济山等：雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展 17· 表1雾化喷射沉积成形IN718和Waspaloy环经热处理后的性能 状态 室温 649℃ 材料 加工方式 689 MPa o2/MPa ds MPa 81%002 MPa d Mpa1%h 61% 铸锻 1023 1352 31 847 1072 30 123 13 SF+HIP 1138 1369 20 957 1113 17 150 15 N718 SF+轧制 1105 1353 26 924 1097 22 250 21 S+HIP+轧制 1089 1344 27 899 1072 23 271 24 铸锻 895 1312 16 878 1210 18 222 13 Waspaloy SF+HIP 903 1309 29 779 1185 28 700 SF+轧制 961 1367 26 895 1235 25 662 1 SF+HP+轧制 945 1359 29 854 1218 32 666 13铝合金及其复合材料 铝合金的研究由于强大的市场需求得到了迅速的发展，目前已可生产各种不同成分的喷 射沉积成形铝合金（包括各种高强度航空结构用材料，如Al-Zn-Mg(7000),A-Cu-Mg(2000), 表2雾化喷射沉积成形Incone1625管材的力学性能1Al-Mg-Si(6000),Al-Cu-Li(8000)等系列合 金及汽车工业用A-S系列合金)，沉积密 状态 002 MPa d.MPa 81%1% 1沉积态 364 840 57 46 度一般可达96%99%.这些合金表现出 21+热处理 392 840 59 47 优异的组织特征，包括均匀细小的晶粒 3轧制 560 1001 38 (10~50μm)、很低的含氧量(<25× 4技术标准 385 770 30 10-6)、无宏观偏析和均匀分布的弥散细 小的一次相等，与普通粉末和铸造铝合金 相比较，不但工序大大减少，而且没有形成氧化膜和粗大的析出.因此，喷射沉积合金的性能 明显提高，如屈服强度和延伸率均高于相同成分的铸造或粉末冶金合金，采用普通铸造无法 制造的合金成分可以进一步提高性能.例如，在7000系列合金中可以采用以下合金化方 法：O将Zn含量提高到~12%，通过n相(Mg(Zn,Al,Cu)2)进一步促进析出强化1；②利用 过渡族金属形成细小的弥散相A1,X).表3为7075及其改型合金的成分，相应的性能见表 4.可见，增加Z含量或加入过渡族金属可明显提高强度，但同时保持超过粉末冶金材料的塑 性，喷射成形和粉末材料的纵向拉伸强度在低于200℃时显著优于铸造合金，塑性同低温时 差别不大，随温度升高SF和RS/PM材料的延伸率迅速增加.喷射成形Al-Si-Cu合金的抗磨 损性能优于铸造合金，在大压力下约比粉末材料高20%，低压力时基本相当.传统铸造 A1-Si-Cu合金硅含量只能达到6.5%，脆而无法加工，喷射成形及快淬粉末法制备的材料中Si 含量可达20%，并能进行热压或轧制. Alcan International公司还进行了大量喷射沉积铝合金复合材料的研究，在工艺严格控 制的条件下，可以使铝的体积分数高达20%的增强颗粒均匀分布在合金基体中，而且达到较 高的密度(95%~98%).增强颗粒的加人量可以提高到约40%（体积分数）.该公司已成功地 制成长1000mm.直径150mm的铝+SiCp大型复合材料坯件

V o l . 19 N o . 1 张济 山等 : 雾化喷射沉积成形材料制备技术的 新进展 表 1 雾化喷射沉积成形 IN 7 18 和 w a sP al oy 环经热处理后的性能14 状态 材料 室 温 6 4 9 ℃ 加工方式 a0 : / M p a a b / M p a 占/ % a0 : / M p a 吼 / M p a 占/ % 6 8 9 M P a t / h 6 / % 212413158 nl `,O J ù6 勺ō `,,矛 06 `, , ó 2 ù62 了 内`飞é已0 O ù、 à 2 `,Zx , ,J , 矛了 4 n,Rg 尸、ù 4 4 ùf ù 29 月尺,矛n à 99R 八0 ù八,声 l 八jI67 ù ()9 乙OQ ù,、 ù `,2 , - 山, 1卜 7 1 8 1 0 2 3 1 1 3 8 1 1 0 5 1 0 8 9 1 3 5 2 1 3 6 9 1 3 5 3 1 3 4 4 1 0 7 2 1 1 13 1 0 9 7 1 0 7 2 3 0 l 7 12 3 1 5 0 l 3 l 5 1 3 12 1 3 0 9 1 3 67 1 3 5 9 1 2 10 1 1 8 5 1 2 3 5 1 2 1 8 、 àù一,、 . 、以`人ō n,n t 4 只U g9 C, Was P a l o y 铸锻 S F + H lp S F+ 轧制 S F+ H IP + 轧制 铸锻 S F+ H I P S F+ 轧制 S F+ H IP + 轧制 1 . 3 铝合金及其复合材料 铝合 金的研 究 由于强 大 的市场 需求 得到 了迅 速 的发展 , 目前 已 可 生产各 种不 同成 分 的喷 射沉 积成 形 铝 合金 (包 括各 种 高 强度 航 空结 构 用材 料 , 如 lA 一 z n 一 M g ( 7 0 0 0) , lA 一 c u 一 M g (2 0 00) , 表 2 雾化 喷射沉积成形 I n e o n e l 6 2 5 管材 的力学性能 l , 5 , 状态 a0 2 / M p a a b / M p a d /% 沪 / % 1 沉积态 2 卜热处理 3 轧制 4 技术标 准 5 7 4 6 5 9 4 7 38 一 3 0 一 A I 一 M g 一 5 1( 6 0 0 0 ) , ^ l 一 e u 一 L i(5 0 0 0 )等 系列 合 金及 汽 车工 业用 A I 一 is 系列 合金 ) , 沉 积 密 度 一般可 达 9 6% 一 9 % . 这些 合金 表现 出 优 异 的 组 织 特 征 , 包 括 均 匀 细 小 的 晶 粒 ( 1 0 一 5 0 “ m ) 、 很 低 的含 氧量 ( < 2 5 x 1 0 = 6 ) 、 无 宏 观偏 析 和 均 匀分 布 的 弥 散 细 小 的一 次相 等 . 与普 通 粉末 和铸造铝合 金 840 07 4 `八“, ō、 à 6 Q ù孟UR , ù 气j以ōùù工、 相 比较 , 不 但 工序大 大 减少 , 而且 没 有形 成 氧化 膜 和粗 大 的析 出 . 因此 , 喷 射沉 积合金 的性能 明显提 高 , 如屈 服 强度 和延 伸率 均 高于 相 同成 分 的铸 造或 粉末 冶 金合 金 . 采用 普通 铸造 无法 制 造 的合 金 成 分 可 以 进 一 步 提 高性 能 . 例 如 , 在 7 0 0 0 系 列 合金 中可 以 采 用 以 下 合 金 化 方 法 : ① 将 Z n 含量 提 高到 一 12 % , 通过 可相 (M g (Z n, A I , C u) 2 ) 进一 步促进 析 出强 化 [ ’叭 ② 利 用 过渡 族金 属 形成 细小 的弥 散相 A ln x 〔” 〕 . 表 3 为 7 0 7 5 及其 改 型合 金 的成分 , 相 应 的性能 见 表 4 . 可 见 , 增 加 Z n 含 量 或加人 过渡 族金 属可 明 显提高强度 , 但 同时保持超过 粉末 冶金材 料 的塑 性 . 喷射 成 形和 粉末 材 料 的纵向拉 伸 强度 在低 于 2 0 ℃ 时 显著 优 于铸造 合 金 , 塑性 同低 温 时 差别 不 大 , 随温度 升 高 S F 和 R S用 M 材 料 的 延伸率迅 速增 加 . 喷 射成 形 A I 一 5 1 一 C u 合金 的抗磨 损 性 能 优 于 铸造 合金 , 在 大 压 力 下 约 比 粉 末 材 料 高 20 % , 低 压 力 时基 本 相 当 . 传 统 铸 造 lA 一 is 一 C u 合金硅 含量 只 能达 到 6 . 5% , 脆 而无 法加 工 , 喷射 成形 及快 淬粉 末法 制 备的材 料 中 iS 含 量可 达 20 % , 并 能进 行热 压或 轧制 . A k an nI et m iat on al 公 司还 进行 了 大 量 喷射 沉 积 铝合 金 复 合材 料 的研 究 . 在 工 艺严 格 控 制 的条件 下 , 可 以 使铝 的体 积分 数 高达 20 % 的增 强颗 粒均 匀分 布 在合金 基体 中 , 而且 达到 较 高 的密度 ( 95 % 一 98 % ) . 增强 颗粒 的 加人 量 可 以 提 高到 约 40 % (体积 分数 ) . 该 公 司 已成 功 地 制成 长 1 0 0 m m 、 直径 150 ~ 的铝 十 is c p 大 型复合 材料 坯件

·18· 北京科技大学学报 1997年第1期 表37000系列雾化喷射沉积成形铝合金的成分（质量分数）16,1) % 合金 Cu Zn Mg Si Mn Fe Ni Zr Ti Co Cr 7075a 1.6 5.6 2.5 0.3 0.5 0.2 一 0.2 7075b 1.7 5.4 2.4 0.09 0.2 0.3 0.2 7150 2.2 6.6 2.2 0.04 0.02 0.06 0.1 7150X 2.0 12.4 1.9 0.04 0.02 0.05 0.1 7150-FS 2.2 6.6 2.2 0.5 0.02 0.5 0.1 7XXX 1.0 11 2.0 一 0.3 7090 1.0 8.0 2.4 <0.05 <0.08 1.5 7475 1.4 5.5 2.0 <0.05 <0.08 1.5 0.2 7075X 1.7 5.8 2.7 0.07 0.01 0.1 1.0 0.8 0.03 0.3 SS71 1.0 10.0 2.0 0.2 表4雾化喷射沉积7000成形系列铝合金的性能161m 合金 工艺 o,/MPa o。/MPa d1% Kc/MPa·m 方向 7075a 铸造 500 570 26-29L)17-22T) 7075a 铸造 524 586 7 L 7075a 铸造 469 538 T 7075b SF 498 592 12 16 7150 SF 668 624 14 7150FS SF 566 625 11 一 7150X SF 777 809 14 3 一 7XXX SF 705 720 17 17 T-L 7XXX SF 一 一 一 38 L一T 7090 SF 790 805 9 20 L 7090 SF 675 720 5 10 T 7090 PM 685 716 1.3 6 T 7475 SF 562 619 13 L 7475 SF 512 574 16 50 T 7075X 铸造 750 762 6.5 一 7075X PM 627 682 一 7075X SF 786 818 6.5 SS71 SF 688 705 13 L SS71 SF 623 669 1.8 T SS71 SF 590 665 5.1 注：L一纵向，T一横向，S一短向 1.4铜合金 A.Cheng和A.Lawley!1用喷射成形技术在Cu-Zr合金内溶人了过量的Zr,取得和快淬 粉末冶金法相当的效果.对于易偏析的Cu-Ni-Cr和Cu-Ni-Si合金，喷射成形材料有较粉末冶 金制品更优的性能

l8 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 期l 表 3 7 0 00系列界化喷射沉积成形铝合金的成分 质( t分数 ’) l 7l] % 合金 C u Z n M g 5 1 F e N i Z f T i C 0 2 . 5 M l 0 . 3 0 . 2 0 . 0 2 0 . 5 0 . 2 0 . 0 9 0 3 C f 0 . 2 0 . 2 0 . 0 6 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 5 04 7 0 7 5 a 7 0 7 5b 7 1 5 0 7 1 5 0X 7 1 5 0 一 F S 7X X X 7 0 9 0 7 4 7 5 7 0 7 5X 5 5 7 1 2 . 2 2 . 0 2 . 2 5 . 6 5 . 4 6 . 6 12 . 4 6 . 6 l l 8 . 0 5 . 5 5 . 8 1 0 . 0 2 . 4 2 . 2 1 . 9 2 . 2 2 0 2 . 4 2 . 0 0 . 5 0 . 5 0 . 3 1 . 4 < 0 . 0 5 < 0 . 0 5 < 0 . 0 8 < 0 . 0 8 5 一 5 0 . 2 2 . 7 0 . 0 7 0 . 0 1 0 2 . 0 0 . 8 0 . 2 0 . 0 3 0 . 3 表 4 异化喷射沉积 , 00 成形系列铝合金的性能’lI l7 合金 LT 7 0 7 5 a 7 0 7 5 a 7 0 7 5 a 7 0 7 5 b 7 15 0 7 15 0 F S 7 15 0X 7XX X 7XX X 709 0 7 0 9 0 7 0 9 0 7 4 7 5 7 4 7 5 7 0 7 5X 7 0 7 5 X 7 0 7 5X 5 5 7 1 5 5 7 1 5 5 7 1 工艺 铸造 铸造 铸造 a 。 / M Pa 几 / M P a 占 /% .K _ / M P a . m“ 方向 3820131706 `, 41 t `且., `且. `二 5 0 0 5 2 4 4 6 9 4 9 8 6 6 8 5 6 6 77 7 7 0 5 5 7 0 5 8 6 5 3 8 5 9 2 6 2 4 6 2 5 8 0 9 7 2 0 一 2 6 一 2 9 (L ) , 1 7 一 2 2仃) 7 一 l 6 5 0 T 一L L 一 T L T T L T .3L131695 F5 FF恻F 铸造 P M LT只ú 7 9 0 6 7 5 6 8 5 5 6 2 5 1 2 7 5 0 6 2 7 7 8 6 6 8 8 6 2 3 5 9 0 80 5 7 2 0 7 1 6 6 1 9 5 7 4 7 6 2 6 8 2 8 18 7 0 5 6 6 9 6 6 5 6 . 5 6 . 5 l 3 1 . 8 5 . 1 S FF 内乙门含一、ú 注: L 一 纵向 , T 一横向 , S 一短 向 1.4 铜合金 A . c he gn 和 A . L a w le y l[ “ ] 用 喷射 成 形技 术 在 C u 一 rZ 合 金 内溶 人 了过 量 的 rZ , 取 得和 快淬 粉末 冶金 法相 当的效 果 . 对于 易偏 析 的 C u 一 N i 一 C r 和 C u 一 N i 一 is 合 金 , 喷射成 形材料 有较 粉末冶 金 制品更 优的性 能

Vol.19 No.1 张济山等：雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展 ·19· 1.5有序金属间化合物新型材料 该材料包括Ni,Al,Al,(VTi),Al,Ti,Fe,Al,Ti,Cu,AlTi,Mn,AlTi,Cr和Nd-Fe-B等.以 Ni,Al为例，喷射沉积材料的晶粒尺寸只有15μm,没有宏观偏析，性能也达到较高的水平，沉 积状态下的室温断裂延伸率达35%. 2雾化喷射沉积成形技术中试和商业化的现状 2.1管 在瑞典的Sandvik工厂，雾化喷射沉积成形不锈钢管的尺寸已经达到设计极限（即长 8m、外径400mm,质量为1t),年产量可达5000t.喷射成形的管子密度一般达到99.5%，可 直接使用.钢种主要包括：304,304L,310,316,316L,317L,321和347等.其性能与正常工艺 生产的管材相同，组织更加细小而均匀，夹杂物为圆形.所生产的不锈钢管具有均匀的尺寸和 显微组织及沿管长方向夹杂数量低等特点[I).除不锈钢管外，Sandvil冰还将该技术用于涂层或 复合管材，目前管径的极限受到雾化室尺寸的限制，更大尺寸的管材将需要新的装置.US Nay已经建立了一个新的此类工厂，该厂的熔炼能力达到4.5t,将可生产直径为800mm管 材，采用双喷射系统，沉积速率达到200kg/min. 2.2环 Howmet(USA)正在利用500kg的真空熔炼实验工厂生产直径为800mm雾化喷射沉积 成形环，主要材料是高温合金(Waspaloy、N7I8和Rene41合金涡轮环)，用作航空部件.如 采用普通铸造技术，需要将许多轧环焊接起来组成所需的涡轮环，而喷射沉积成形可以一次 制造近似成形的坯件，避免焊接操作引起的显微组织退化.沉积态的晶粒尺寸一般为22~ 45μ，显微组织均匀.在热加工和热处理过程中晶粒的适当粗化有利于提高蠕变抗力. 2.3轧辊 住友重工铸锻厂生产了较大的环件预坯（轧辊）20.目前已经进人商业性开发阶段，并建 立了商用轧辊生产工广.生产的轧辊最大尺寸达：外径800mm,内径610mm、长500mm,质 量500kg.开发的新成分高速钢轧辊，用于热轧，寿命比一般粉末冶金和铸造高速钢轧辊分别 延长1.6~3倍和3.6~100倍.同时还进行了改进其他铸钢和铸铁轧辊性能的尝试.住友至 今已经制造了2000多根轧辊，用于棒、扁棒、线棒和截面轧机.其他制造用于热轧或冷轧的大 直径轧辊或轧辊涂层处理)的工厂正在建设中. 2.4坯段 德国的Peak公司正在制造直径400mm.长1m的各种特殊铝合金的坯段.这些坯段的 外径得到精确控制（±1%），可直接挤压，无需扒皮.住友轻金属正在制造直径为250m,长 1.4m的A-Si合金坯段，其设备是由住友重工提供的.最近SLM宣布每月向马自达公司提供 10t沉积坯件，用以制造Miller循环发动机的压缩机叶片2.Osprey同Alusuisse合作在实验 中采用双喷嘴系统获得了直径465mm的铝合金坯段

V o l . 9 1 N O . 张济山 等 l 雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展 : 1 . 有序金 属5间化合 物新型材料 该材 料 包括 i N 3 A I , A 1 3 (V T i) , A 1 5T i Z F e , A 1 5T i Z C u , A 1 5 T i ZM n , A 1 5 T i ZC r 和 N d 一 F e 一 B 等 · 以 iN 3 AI 为例 , 喷射沉积 材料 的 晶粒 尺寸 只有 15 o m , 没有 宏观 偏析 , 性 能也达 到 较高 的水平 , 沉 积状态下 的室 温 断裂延 伸率达 35 % . 2 雾化 喷射沉积成形技术 中试和 商业化 的现状 .2 1 管 在 瑞 典 的 S an d vi k 工 厂 , 雾 化喷 射 沉积 成 形 不 锈 钢 管 的 尺 寸 已 经 达 到设 计 极 限 ( 即长 s m 、 外径 4 0 0 ~ , 质 量为 lt ) , 年 产量 可 达 5 0 0 0 t . 喷射 成 形的管子 密度一 般达 到 9 .5 % , 可 直 接 使用 . 钢 种 主要 包括 : 3 04 , 30 4 L , 3 10 , 3 16 , 3 16 L , 3 17 L , 犯 1 和 34 7 等 . 其 性 能 与正 常工 艺 生 产 的管材相 同 , 组 织 更加 细小 而均 匀 , 夹 杂物 为 圆形 . 所 生产的不 锈钢管具有 均匀 的尺 寸和 显微 组 织及沿 管 长方 向夹杂 数量低 等特 点 l[ 9 ] . 除不锈 钢管外 , S an dy 议 还将 该技 术用 于涂层 或 复合 管材 . 目前 管 径 的极 限受 到 雾 化 室 尺 寸 的 限制 , 更 大 尺 寸 的管 材 将 需 妥 新 的装 置 . U S N a v y 已 经建 立 了一 个新 的 此类 工 厂 , 该 厂 的熔炼 能力 达到 .4 5t , 将 可生产 直径 为 8 0 ~ 管 材 , 采用 双 喷射系 统 , 沉积速 率达 到 Z o gk m/ in . .2 2 环 H o w m et (U S )A 正在利 用 50 0 k g 的真 空熔炼 实 验工 厂生 产直径 为 80 0 ~ 雾化 喷射沉 积 成形 环 , 主要 材料 是 高温合金 ( w a s p a l o y 、 IN 7 l s 和 R e n e 4 1 合金 涡 轮环 ) , 用作航空部件I , 4 ] . 如 采 用普 通铸造技 术 , 需要 将许 多 轧环 焊接 起来组 成 所需 的 涡轮 环 , 而喷 射沉 积成 形可 以 一 次 制 造 近似 成 形 的坯 件 , 避 免焊 接 操作 引起 的 显 微组 织 退 化 . 沉 积态的 晶 粒尺 寸 一般为 2 一 45 “ m , 显 微组 织均匀 . 在热 加工 和热处理过 程 中晶粒 的 适 当粗 化有 利于提 高蠕 变抗力 . 2 . 3 轧辊 住友 重 工铸 锻厂 生产 了 较 大 的环件 预坯 ( 轧辊 ) 120] . 目前 已 经进人 商 业性 开发 阶段 , 并建 立 了商 用轧 辊生 产 工厂 . 生 产 的轧 辊最 大 尺 寸达 : 外 径 80 0 ~ 、 内径 6 10 In r n 、 长 5 0 r n幻。 , 质 量 50 0 kg . 开发 的新成 分 高速钢 轧辊 , 用 于热 轧 , 寿命 比一般 粉末冶 金和 铸造 高速 钢轧辊 分别 延 长 1 . 6 一 3 倍和 3 . 6 一 1 0 倍 . 同 时还进 行 了改进 其他 铸钢 和铸铁轧 辊性能 的尝试 . 住 友至 今 已 经制 造 了 2 0 0 0 多 根轧 辊 , 用于棒 、 扁 棒 、 线棒 和截 面轧机 . 其他 制造 用于 热轧 或冷轧的大 直径 轧辊 或轧辊 涂层处理 2[ ’ 〕的工 厂正 在建 设 中 . .2 4 坯段 德 国 的 P e ak 公 司正 在制 造 直径 4 0 m m 、 长 l m 的各 种 特 殊铝 合金 的坯 段 . 这 些坯 段 的 外 径得到 精确 控制 ( 士 1% ) , 可 直 接挤 压 , 无需 扒 皮 . 住友 轻金 属 正在 制造 直径 为 2 50 ~ , 长 l . 4 m 的 A I 一 is 合金坯 段 , 其 设备 是 由住友 重工 提供 的 . 最 近 S L M 宣 布每月 向马 自达公 司提 供 l o t 沉 积坯件 , 用 以 制造 M ill e : 循环 发 动机 的压 缩 机 叶片 [ , 2 ] . o s p r e y 同 A一u s u i s s e 合作 在实 验 中采用双 喷嘴系统 获得 了直径 4 65 ~ 的铝合金坯 段