CN102319898A - 一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：中频感应熔炉、中转坩埚、高压气体喷嘴、接收器、三维工作台和超声换能器工具头设于真空罐内；真空罐体通过管路连接真空机，侧壁上开有进出料口，中频感应熔炉通过熔炉支架固定在支撑板上，并连接控制其运动的伺服电机机构；中转坩埚置于中频感应熔炉一侧的下方，并通过其底部的螺纹通孔与导流管连接，超声换能器工具头固定于固定支架上。本发明能够有效地细化雾化颗粒，提高金属收得率，其技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，涉及应用超声雾化技术制备高性能合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统。
背景技术
喷射成形技术是近30年发展起来的利用快速凝固方法直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进的成形技术，主要由熔融金属的雾化、雾化熔滴的沉积等连续过程组成。喷射成形技术属于快速凝固范畴，从而消除了宏观偏析并细化了组织，提高了材料的性能，尤其是高合金化材料的热加工性能得到了改善；喷射成形是由熔融金属直接转变为半成品的过程，简化了生产工序，使生产成本比粉末冶金降低40％以上；喷射成形技术具有近终形成形的灵活柔性制造特点。此外，喷射坯件也不存在堆焊或热喷涂等液态表面加工技术中不可避免的表面缺陷。在制造高合金金属部件例如模具嵌入件、工具头等方面这些特征尤其显著。
以Osprey模式为代表的传统喷射成形工艺均采用高速惰性气体雾化熔融金属，其气流速度较低(小于音速)，消耗大量惰性气体，雾化效率较低，并且雾化产生的颗粒尺寸分布不均。为此，美国MIT对雾化装置进行改进完善，发展了LDC(Liquid DynamicCompaction)工艺。其原理是将Hartman振动管的谐振原理应用于雾化器，使雾化气体在产生2～2.5倍超音速气流的同时产生80～100kHz的脉冲频率，粉碎效率大为改善。但是雾化器加工困难，并且由于过分强调冷却效率，导致沉积组织疏松。
超声气雾化的能量利用率仍然很低并且需要消耗大量的惰性气体，相比之下，超声波雾化是一种能量利用率高、惰性气体消耗量小并且所产生的液滴球形度好、粒度可控、粒度范围窄的技术，成形部件的晶粒更加细小，微观组织更为均匀一致。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，用来制备高性能合金或金属基复合材料零部件或模具。该成形系统能够有效地细化雾化颗粒，提高金属收得率，其技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。
技术方案
一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于包括真空罐1、中频感应熔炉2、高压气体阀门5、储气罐6、伺服电机机构8、止通棒9、中转坩埚10、高压气体喷嘴11、接收器12、三维工作台13、超声换能器工具头15、导流管16、控温电阻17、步进电机19、固定支架22、支撑板23、超声换能器24和真空机25；中频感应熔炉2、中转坩埚10、高压气体喷嘴11、接收器12、三维工作台13和超声换能器工具头15设于真空罐1内；真空罐1内部空间被支撑板23分为相互贯通的上下两部分，罐体通过管路连接真空机25，侧壁上开有进出料口4，罐体内部设有贯通上下的固定支架22；中频感应熔炉2通过熔炉支架27固定在支撑板23上，并连接控制其运动的伺服电机机构8；中转坩埚10置于真空罐1的中部，中频感应熔炉2一侧的下方，且固定于支撑板23上，外围设有控温电阻17，并通过其底部的螺纹通孔与导流管16连接，中转坩埚10中的熔融金属通过通孔与导流管16组成的通路流下；步进电机19位于中转坩埚10上端并通过支杆固定于固定支架22上，能够带动与之相连的止通棒9的上下运动，使止通棒9的锥形端与中转坩埚10底部的螺纹通孔分离或贴合从而控制熔融金属的流下；超声换能器工具头15固定于固定支架22上，与真空罐1外部的超声换能器24连接，工具头顶端与导流管出口端之间的距离为5～30mm，并保证工具头15的轴线与由导流管16流下的液流夹角为90～180°；高压气体喷嘴11位于超声振动工具头15斜上方，通过管路连接真空罐1外部的高压气体阀门5，然后连接储气罐6；接收器12固定在三维工作台13上，整体置于真空罐1底部，且位于导流管16出口的下端。
在真空罐1的底部设有收集由于过喷产生的粉末的除粉机构14。
所述伺服电机机构8包括伺服电机29和齿轮减速器30，伺服电机29通过齿轮减速器30控制中频感应熔炉2的转动。
中转坩埚10上设有温度传感器18，温度传感器18通过支杆固定于固定支架22上。
所述高压气体喷嘴11的下部有一圈集中流向导流管正下方的环缝出气口，出气口切线方向与竖直轴线呈10°～50°夹角。
所述高压气体喷嘴11的喷嘴内部形状为Laval型。
所述超声换能器工具头15的表面为平面或曲面。
有益效果
本发明提出的一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，具有如下的有益效果：
1、本喷射成形装置结构简单，工艺可控性强；
2、直接利用超声振动雾化熔融金属，减少气体消耗，生产成本低；
3、本喷射成形装置，可直接生产在尺寸、形状和热力学条件等方面均一化的金属颗粒及粉末；
4、本装置可以将处于合适热力学状态的金属液滴按所需金属零件的参数沉积于相应位置，直接从液态金属制备出具有快速凝固组织特征、结构致密、近终形、高质量的金属部件或模具；
5、本装置可以制备颗粒增强金属基复合材料，强化颗粒可以通过两种方式获得，一是对于成形铝基复合材料，高速气流为氧气与惰性气体的混合气体，其中氧气的含量为5～40vt％(体积分数)。液滴中的铝与氧气发生化学反应在液滴的表面形成一层氧化膜，在沉积过程中金属熔滴之间或与沉积台发生碰撞，使得表面的氧化膜破裂并均匀弥散在沉积坯中，得到Al2O3/Al复合材料；二是在气流喷嘴中加入增强颗粒，通过高速惰性气体使颗粒均匀分布在沉积坯中。
附图说明
图1：本发明提出的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统结构示意图；
图中，1为真空罐，2为中频感应熔炉，3为中频感应炉电源箱，4为进出料口，5为高压气体阀门，6为储气罐，7为控制器，8为齿轮减速器与伺服电机，9为止通棒，10为中转坩埚，11为高压气体喷嘴，12为接收器，13为三维工作台，14为除粉机构，15为超声换能器工具头，16为导流管，17为控温电阻，18为温度传感器，19为步进电机，20为电机控制开关，21为温度显示终端，22为固定支架，23为支撑板，24为超声换能器，25为真空机；
图2：喷射成形系统的中频感应熔炉示意图；
图中，26为中频感应信号及冷却水管道，27为熔炉支架，28为伺服电机电源线，29为伺服电机，30为齿轮减速器；
图3：喷射成形系统的气流喷嘴结构示意图；
图中，31为高速气体入口，32为增强颗粒入口。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例为一超声雾化喷射成形系统，该系统通过压电振荡器产生的振荡扰动熔融金属流，使其破裂为均匀的液滴，金属液滴经高速气体加速，快速撞击接收器，通过控制三维工作台运动轨迹使金属液滴在不同部位沉积固化以制备高质量的金属零部件。该系统由真空装置、金属熔炼装置、雾化装置、沉积装置、控制装置以及除尘装置组成，分别实现真空环境获取、金属熔炼、金属熔体雾化、金属液滴的沉积固化成形、三维工作台行程和电机开关控制以及过喷粉末的收集等功能。
真空装置如图1：由真空罐1、真空机24及相应管路组成。真空罐为内径1.2m的圆柱体，侧壁开有Φ90cm的进出料口。罐体内部空间被支撑板分为相互贯通的两部分，上部是金属熔炼室，下部是雾化沉积室。抽气孔位于罐体侧壁距顶部1/5处，真空机可以对真空灌抽真空至小于50Pa，真空罐内部进出料口的对侧有一贯通上下的固定支架22；
金属熔炼装置如图1，2所示：由中频感应熔炉2、中转坩埚10、控温电阻17、温度传感器18、止通棒9、导流管16、步进电机19等组成。金属熔炼装置位于真空罐的上半部分。中频感应熔炉2通过支架固定在支撑板上，如图2所示，感应炉2的两侧各有一轴，轴与支架上的轴座配合，其中一侧的轴与齿轮减速器30相连，齿轮减速器30由伺服电机29带动，各轴通过联轴器相互连接。金属熔炼完成后在齿轮减速器30的带动下感应炉2发生翻转，金属熔体被倒入中转坩埚10中。过热度对金属成形件性能及雾化沉积过程能否顺利进行有很大影响，过热度因金属种类不同而各异，其范围约为50～400℃，为保证熔体的过热度，在中转坩埚10外部设有控温电阻17，起到保温控温的作用。中转坩埚10底部有一螺纹通孔，通过螺纹连接将其与导流管16连接在一起。止通棒9的一端为锥形能够与坩埚底部螺纹孔贴合阻止金属熔体流下。导流管16、螺纹通孔与止通棒9三者同轴。止通棒9的另外一端通过联轴器与步进电机19相连，启动步进电机19带动止通棒9一起向上移动，可以使金属熔体通过螺纹孔及导流管16流下。步进电机19与温度传感器18通过滑块连杆机构固定在固定支架22上，连接稳定且可调；
雾化装置由超声换能器24、工具头15、高速气流喷嘴11、储气罐6等组成。超声换能器24及储气罐6在真空罐外部，工具头15及高速气流喷嘴11位于真空罐下半部分。超声振荡器工具头15固定在固定支架22上且对齐导流管16下端开口，工具头15可沿竖直方向调节位置以及在轴向调节倾斜角度，其与导流管16下端的距离在5～30mm之间，保证工具头15的轴线与由导流管16流下的液流夹角为90～180°，工具头15表面可为平面或曲面。振荡由压电陶瓷型换能器24产生，经聚能器放大振幅，超声频率范围为10～45Hz，功率不小于100w。整体采用风冷降温，使压电陶瓷片低于居里温度的一半，以保证其正常工作。高速气体喷嘴11位于超声振动工具头15斜上方，喷嘴进气口压力优选0.2～1.5Mpa。如图3所示，喷嘴包括一个中间有一锥形通孔的高压气室，该通孔为增强颗粒加入口，可以向高速气流中添加SiC，TiC，SiO2，Al2O3，TiB2等粉末，下部有一圈集中流向导流管正下方的环缝出气口，出气口切线方向与竖直轴线呈10°～50°夹角，喷嘴内部形状可为Laval型，以加速气流。喷嘴方向正对液滴接收器12，使得高速气流能够完全扫略工具头表面上方而又不干扰金属液流，对飞离工具头15表面的弥散金属液滴进行加速。
沉积装置由接收器12和三维工作台13组成。接收器12位于工具头15及高速气体喷嘴11的下方，三维调整台13位于真空室1的底部、接收器12的下方，用以夹持模具或接受器12。控制器存储要求加工零件的形状尺寸数据，根据液滴飞行规律、下落距离等参数，控制三维工作台12的移动使接收器承接金属液滴并固化成形。沉积过程中半固态液滴的固相分数保持在60％～70％范围；
控制器包括三维工作台行程控制器7，步进电机以及伺服电机的开关20，控制器位于罐体外部，能够控制工作台的行程以及步进电机及伺服电机的开启与关闭。
所有进出罐体的管路通过法兰盘与罐体连接。
下面以喷射成形7075(Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu；质量分数％)为例对本发明做进一步详述。
1、打开真空室进出料口4，在熔炼炉2中加入7075合金，调整超声换能器工具头15与导流管16下端的距离为25mm，其轴线与液流的夹角为135°；
2、真空机25对真空室1抽真空至10Pa，然后对真空腔室充入惰性保护气体至80kpa；
3、启动高频感应设备对金属进行加热熔化，使熔融7075的过热度为100℃，将金属熔体转移到坩埚10中。打开超声换能24，启动超声雾化器，超声频率范围30kHz，功率300w；打开止通棒9，使金属熔体流到工具头15表面，在超声振荡器的作用下，金属熔体雾化成均匀的液滴；
4、启动加速气流装置，加速气体喷嘴11位于超声振动工具头15斜上方，喷嘴进气口压力为0.5Mpa，喷嘴方向正对液滴接收器12，液滴在飞行过程中逐渐凝固，通过控制飞行距离，使得沉积前雾化液滴的固相分数为60％；
5、三维调整台13在控制器7的控制下按照确定的轨迹运动，半固态金属液滴在高速气流带动下撞击模具或接收器12凝固成所需形状的坯件。
Claims (7)
1.一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于包括真空罐(1)、中频感应熔炉(2)、高压气体阀门(5)、储气罐(6)、伺服电机机构(8)、止通棒(9)、中转坩埚(10)、高压气体喷嘴(11)、接收器(12)、三维工作台(13)、超声换能器工具头(15)、导流管(16)、控温电阻(17)、步进电机(19)、固定支架(22)、支撑板(23)、超声换能器(24)和真空机(25)；中频感应熔炉(2)、中转坩埚(10)、高压气体喷嘴(11)、接收器(12)、三维工作台(13)和超声换能器工具头(15)设于真空罐(1)内；真空罐(1)内部空间被支撑板(23)分为相互贯通的上下两部分，罐体通过管路连接真空机(25)，侧壁上开有进出料口(4)，罐体内部设有贯通上下的固定支架(22)；中频感应熔炉(2)通过熔炉支架(27)固定在支撑板(23)上，并连接控制其运动的伺服电机机构(8)；中转坩埚(10)置于真空罐(1)的中部，中频感应熔炉(2)一侧的下方，且固定于支撑板(23)上，外围设有控温电阻(17)，并通过其底部的螺纹通孔与导流管(16)连接，中转坩埚(10)中的熔融金属通过通孔与导流管(16)组成的通路流下；步进电机(19)位于中转坩埚(10)上端并通过支杆固定于固定支架(22)上，能够带动与之相连的止通棒(9)的上下运动，使止通棒(9)的锥形端与中转坩埚(10)底部的螺纹通孔分离或贴合从而控制熔融金属的流下；超声换能器工具头(15)固定于固定支架(22)上，与真空罐(1)外部的超声换能器(24)连接，工具头顶端与导流管出口端之间的距离为5～30mm，并保证工具头(15)的轴线与由导流管(16)流下的液流夹角为90～180°；高压气体喷嘴(11)位于超声振动工具头(15)斜上方，通过管路连接真空罐(1)外部的高压气体阀门(5)，然后连接储气罐(6)；接收器(12)固定在三维工作台(13)上，整体置于真空罐(1)底部，且位于导流管(16)出口的下端。
2.根据权利要求1所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：在真空罐(1)的底部设有收集由于过喷产生的粉末的除粉机构(14)。
3.根据权利要求1所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：所述伺服电机机构8包括伺服电机(29)和齿轮减速器(30)，伺服电机(29)通过齿轮减速器(30)控制中频感应熔炉(2)的转动。
4.根据权利要求1所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：中转坩埚(10)上设有温度传感器(18)，温度传感器(18)通过支杆固定于固定支架(22)上。
5.根据权利要求1所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：所述高压气体喷嘴(11)的下部有一圈集中流向导流管正下方的环缝出气口，出气口切线方向与竖直轴线10°～50°夹角。
6.根据权利要求1或5所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：所述高压气体喷嘴(11)的喷嘴内部形状为Laval型。
7.根据权利要求1所述的制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统，其特征在于：所述超声换能器工具头(15)的表面为平面或曲面。
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