本发明专利技术涉及高速固相颗粒喷射成形的方法和装置，装置包括高速固相粒子发生设备和感应熔炼炉，高速固相粒子发生设备包括聚焦型喷嘴和管体，管体包括料管、锥形管和封闭气体换向室；管体内部轴向插入不锈钢气管，不锈钢气管前端位于锥形管内部，从高压气引入管引入的高压气经过气体换向室从不锈钢气管表面的透气小孔进入不锈钢气管，在锥形管内部形成负压，将固态粉末加速生成高速固相粒子，并从喷嘴喷出；喷嘴位于感应熔炼炉之下，具有一上下贯通的内孔，感应熔炼炉底部的金属液输送导管下端从喷嘴的内孔穿出。本发明专利技术开辟了一种新型的喷射成形技术，可将金属液冷却速度提高到104.5～106℃/S，并可直接生产各种多相亚稳相的复合相材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属与合金的喷射成形(Osprea)
,特别是涉及了一种用高速固相粒子对金属与合金液流进行雾化沉积的特种冶金技术，以及实施该技术的装置。
技术介绍
1989年以来,英国Swance大学的S inger教授首次提出了将金属液体在气雾化的过程中，利用金属液滴携带的热量连续不断的沉积在某种固态基体表面上，从而使液态、半液态滴状金属，以(103°C /秒)极快的冷却速度凝固成具有一定形状和密度的固态金属和合金部件，这一技术一时引起欧美各国的重视。8年后在美国麻省理工大学由gurant教授研究开发了一种多孔谐振腔式超音速气流超声雾化喷射沉积技术，使沉积金属与合金的冷却速度从IO3 103 5°C /秒提高到IO4 105°C /秒，与此同时，英国的喷射成形技术已开始向 实用化、产业化领域发展，曾小批量的生产过0400mm，长6米的高合金管材，发现其可锻性大大提高，日本在1998 1999年间相继在新泻建成了以高速钢为主的高速线材轧辊的喷射成形生产试验基地。我国在1996年以后最先在北京科技大学材料学院建立了相关的超声急冷喷射成形装置，并研发了一种环缝谐振腔式气流超声雾化喷嘴，随后又建立了喷射成形国家试验室。沈阳金属研究所、北京有色金属研究总院、上海冶金研究所等单位也相继开展了喷射成形的相关课题研究。与此同时，国家863、自然基金和973等国家重点研究项目中连续开设了相关研究项目。从喷射成形原理、凝固机理、合金组织结构特征、成形工艺、数模控制等方面做了大量工作。但国内研究的合金多集中在低熔点和有色合金，如Al、Al-Cu, Al-Zn,Al-Si、Cu-Sn-Zn 等合金。然而现有技术存在以下缺点I)采用的雾化喷嘴气体出口速度较低(一般为200米/秒)，只有guran t教授(麻省理工学院)的环孔谐振腔式的喷嘴和北京科技大学吴成义教授的环缝谐振腔式喷嘴可超过I马赫声速(最高可达2. 5马赫)，故对金属液体的分散、冷却和液滴的加速作用有限；2)现有的喷嘴的结构及工艺性能无法满足日益提高的沉积合金材料的要求；3)喷射成形的形式单一，只局限于各种金属与合金的气体喷射成形。从未考虑固相粒子的巨大动能和急冷效果对喷射成形过程的巨大影响。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术缺陷之一。特别提供了一种用高速固相粒子对金属与合金液流进行雾化沉积的特种冶金技术，提供了一种崭新的以极佳的冷速(104 5 IO6oC /S)，极佳的高温瞬间复相混合手段，高能快速的冲击沉积成形，和对合金的快速急冷处理等。这些综合优异的特种冶金条件，使本专利技术的技术和装置可以制备各种金属与固态硬质相的双相和多相复合材料或直接制备具有特殊外貌形态，尺寸要求的部件。又可将同一成分的金属或不同成分的合金按固液两相角色配制，制备成多相假合金。本专利技术提供的这种特殊的冶金技术和材料制备方法，对研究、开拓新技术和揭示材料学中的新现象，提供了新的特殊环境和条件。本专利技术的第一个目的在于提出一种高速固相颗粒喷射成型装置，其特征在于，所述高速固相颗粒喷射成型装置利用高速固相粒子对金属液进行喷射沉积，包括高速固相粒子发生设备和用于盛放金属液的感应熔炼炉(7)，所述高速固相粒子发生设备包括聚焦型的喷嘴(6)和管体，所述管体包括料管(3)，位于所述料管(3)前部的锥形管(4)，以及位于所述料管(3)尾部的封闭的气体换向室(2);所述料管(3)上部安装有输入固态粉末的粉料仓(8);所述气体换向室(2)上方安装有一引入高压气体的高压气引入管(9);所述管体内部轴向插入一不锈钢气管(10)，所述不锈钢气管(10)前端位于所述锥形管(4)内部，后端与电动机(I)相连，位于所述料管(3)内的所述不锈钢气管(10)外表面安装有推送固态粉末的螺旋形推料叶片，位于所述气体换向室(2)内的所述不锈钢气管(10)表面开有透气小孔；所述喷嘴(6)位于感应熔炼炉(7)之下，具有一上下贯通的内孔，所述喷嘴(6)内部有一与所述内孔同轴的环状柱体均压室(15)，所述锥形管(4)尖端连接有粒子流导管 (11 )，所述粒子流导管(11)从喷嘴侧面插入到所述均压室(15 );所述感应熔炼炉(7)底部安装有金属液输送导管(17)；所述金属液输送导管(17)下端从所述喷嘴(6)的内孔穿出。优选地，所述高压气引入管(9)引入的所述高压气体是惰性气体。优选地，所述喷嘴(6)的喷口是与所述内孔同轴且上下贯通的锥形环状缝，所述喷口的环状入口位于均压室下表面，环状出口位于所述喷嘴(6 )下表面，所述环状出口内外半径分别小于环状入口内外半径。本专利技术的另一目的在于提供一种利用高速固相颗粒喷射成型装置制备的喷射沉积合金，其特征在于，所述金属液是单质金属液或合金液，所述高速固相粒子为碳化物、氧化物、氮化物、金刚石粒子、复合陶瓷颗粒或与所述单质金属液或合金液相同成分的固态粒子。优选地，所述碳化物是WC、Ti C、VC、S i C、TaC、NbC、BC、HfC、CrC其中的任一种，或是WC-TiC固溶体粉末；所述氧化物是Al203、Si02、Mg0、Y203、Cr02、Nb203、Hf02其中的任一种；所述氮化物是S iN, BN, Ti N其中的任一种。本专利技术的另一个目的在于提出一种高速固相粒子喷射成型的方法，其特征在于，所述喷射成型的方法包括以下步骤I、电动机(I)带动不锈钢气管(10)轴向旋转；2、从粉料仓(8)向料管(3)加入固态粉末，所述固态粉末通过所述不锈钢气管(10)表面安装的螺旋形推料叶片推向锥形管(4)中；3、从高压气引入管(9)引入到气体换向室(2)内的高压气体通过所述不锈钢气管(10)表面的小孔进入不锈钢气管(10)内部，并从不锈钢气管(10)前端喷射出去，喷射出去的高压气体在锥形管(4)处形成负压场，将所述锥形管(4)中的所述固态粉末加速，并获得高速固相粒子流；4、所述高速固相粒子流通过粒子流导管(11)进入均压室(15)，经均压后，通过聚焦型的喷嘴向下喷出，喷出的高速固相粒子汇集于汇聚焦点F，金属液输送导管(10)底部出口位置H位于汇聚焦点F上方。优选地,所述汇聚焦点F的汇聚角度a范围是25 40°。本专利技术的另一个目的在于提出高速固相颗粒喷射成型装置的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤I、制备高速固相粒子发生器；步骤2、确定喷嘴参数和金属液输送导管出口的最佳位置；步骤3、设置被熔炼金属液的熔炼方式，并根据被熔炼金属液的密度、最大熔炼量，确定坩埚的容积和高度。其中，步骤2中确定所述金属液输送导管出口的最佳位置的步骤包括 I)、将测负压管(20)的下端从感应熔炼炉底部穿出并固定，其中，所述测负压管出口到喷嘴的汇聚焦点F的高度为H’ ；2)、通过粒子流导管(11)输入恒定压强的高压气体，测量此时所述测负压管的压强；3)、调整所述测负压管出口到所述汇聚焦点F的高度H’，保持输入的所述高压气体压强不变，得到相应的测负压管的压强；4)、重复步骤3)，选出使测负压管的压强最大的高度H’，做为金属液输送导管(17)出口高度H的最佳位置。优选地,步骤I具体包括步骤I. 1，根据喷射沉积速度和所要制备的喷射沉积合金成分，确定电动机类型；步骤I. 2，设定螺旋形推料叶片的倾角；步骤I. 3根据喷嘴喷本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高速固相颗粒喷射成型装置，其特征在于，所述高速固相颗粒喷射成型装置利用高速固相粒子对金属液进行喷射沉积，包括高速固相粒子发生设备和用于盛放金属液的感应熔炼炉（7），所述高速固相粒子发生设备包括聚焦型的喷嘴（6）和管体，所述管体包括料管（3），位于所述料管（3）前部的锥形管（4），以及位于所述料管（3）尾部的封闭的气体换向室（2）；所述料管（3）上部安装有输入固态粉末的粉料仓（8）；所述气体换向室（2）上方安装有一引入高压气体的高压气引入管（9）；所述管体内部轴向插入一不锈钢气管（10），所述不锈钢气管（10）前端位于所述锥形管（4）内部，后端与电动机（1）相连，位于所述料管（3）内的所述不锈钢气管（10）外表面安装有推送固态粉末的螺旋形推料叶片，位于所述气体换向室（2）内的所述不锈钢气管（10）表面开有透气小孔；所述喷嘴（6）位于感应熔炼炉（7）之下，具有一上下贯通的内孔，所述喷嘴（6）内部有一与所述内孔同轴的环状柱体均压室（15），所述锥形管（4）尖端连接有粒子流导管（11），所述粒子流导管（11）从喷嘴侧面插入到所述均压室（15）；所述感应熔炼炉（7）底部安装有金属液输送导管（17）；所述金属液输送导管（17）下端从所述喷嘴（6）的内孔穿出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴成义，郭志猛，罗骥，曾鲜，曹慧钦，杨剑，张稳稳，屈彦杰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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