Формирование распылением
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2009 г. ) |
Формирование распылением , также известное как литье распылением , напыление распылением. [ 1 ] и уплотнение на месте , [ 2 ] представляет собой метод литья близких к чистой форме металлических деталей, , с однородной микроструктурой путем осаждения полутвердых распыляемых капель на формованную подложку. При формовании распылением сплав плавится, обычно в индукционной печи , затем расплавленный металл медленно выливается через конический промежуточный промежуточный промежуточный промежуточный промежуточный стакан малого диаметра в керамическое сопло . Расплавленный металл выходит из печи в виде тонкой свободно падающей струи и разбивается на капли кольцевой решеткой газовых струй, которые затем движутся вниз, ускоряясь газовыми струями, и ударяются о подложку. Процесс устроен таким образом, что капли ударяются о подложку, пока она находится в полутвердом состоянии, что обеспечивает достаточное количество жидкой фракции для «склеивания» твердой фракции вместе. Осаждение продолжается, постепенно формируя заготовку, на подложке металлическую полученную распылением.
Процесс формования распылением газа ( GASF ) обычно имеет скорость потока расплавленного сплава 1–20 кг/мин, хотя системы с двумя распылителями могут достигать скорости потока металла до 80 кг/мин. Заготовки из специальной стали массой 1 тонна и более производятся методом распыления на коммерческой основе вместе с кольцевыми заготовками из никелевого суперсплава массой до 500 кг и экструзионными заготовками из алюминиевых сплавов массой до 400 кг.
История
[ редактировать ]Профессор Сингер из Университета Суонси впервые разработал идею формирования газового распыления в 1970-х годах, при которой газовая струя высокого давления сталкивается со стабильным потоком расплава, вызывая распыление . Полученные капли затем собираются на мишени, которой можно манипулировать внутри распылителя и использовать для формирования почти плотной заготовки почти сетчатой формы. Формовка распылением нашла применение в специализированных отраслях, таких как: нержавеющей сталью облицовка мусоросжигательных заводов труб никелевых суперсплавов для аэрокосмических двигателей ; диски и кольца из ; алюминий - титан , алюминий- неодим и алюминий- серебро мишени напыления ; алюминиево - кремниевые сплавы для гильз цилиндров ; и быстрорежущие стали . История формовки распылением является примером того, как творческий вклад многих исследователей на протяжении ряда лет был необходим для создания инноваций в широко используемом сейчас промышленном процессе.
Преимущества
[ редактировать ]Формирование распылением дает определенные преимущества как по сравнению с традиционной слитков металлургией , так и над более специализированными методами, такими как порошковая металлургия . Во-первых, это гибкий процесс, и его можно использовать для производства широкого спектра материалов, некоторые из которых трудно производить другими методами, например, сплавы Al-5% масс. Li или металлическая матрица Al-SiC, Al2O3 . Al - композиты (ММК). Распыление потока расплава на капли диаметром 10-500 мкм, некоторые из которых, в зависимости от диаметра, быстро охлаждаются до твердого и полутвердого состояния, обеспечивает большое количество зародышеобразователей для остаточной жидкой фракции материала, полученного распылением. верхняя поверхность заготовки. Сочетание быстрого охлаждения в распылении и образования большого количества твердых зародышеобразователей в ударном распылении приводит к образованию тонкой равноосной микроструктуры, обычно в диапазоне 10–100 мкм, с низкими уровнями и короткими масштабами внутреннего разделения растворенных веществ. Эти микроструктурные аспекты обеспечивают преимущества в прочности материала из-за мелкого размера зерен, тонкого распределения дисперсоидов и/или вторичных частиц. преципитатных фаз, а также толерантность к примесям «бродячих» элементов. Эта тонкая структура в состоянии «после напыления» означает, что гомогенизирующей термической обработки часто можно избежать . Из-за сложного пути затвердевания (т.е. быстрого перехода от перегретого расплава к твердым, жидким или полутвердым каплям до температурного равновесия на верхней части полутвердой заготовки и окончательного медленного охлаждения до полностью твердого состояния) материала, полученного распылением, увеличивается растворимость легирующих веществ. Сообщалось также об образовании метастабильных и квазикристаллических фаз.
Одной из главных привлекательных сторон формования распылением является потенциальная экономическая выгода, которую можно получить за счет сокращения количества этапов процесса между расплавом и готовым продуктом. Распылительная формовка может использоваться для производства полос, труб, колец, плакированных прутков/рулонов и цилиндрических продуктов экструзии, в каждом случае с относительно мелкомасштабной микроструктурой даже в больших поперечных сечениях. Преимущества GASF перед порошковой металлургией заключаются в уменьшении количества технологических стадий, при которых можно устранить этапы просеивания, прессования, дегазации и обработки порошка, а также сопутствующие им проблемы безопасности и загрязнения.
Недостатки
[ редактировать ]Процесс формования распылением газового распыления имеет два основных недостатка. Наиболее существенным недостатком является относительно низкий выход процесса с типичными потерями ~30%. Потери происходят из-за избыточного распыления (капли не попадают в появляющуюся заготовку), разбрызгивания материала с поверхности заготовки и «отскока» материала от полутвердой верхней поверхности. Многие операторы процесса формования распылением теперь используют систему инжектора частиц для повторного впрыскивания напыленного порошка и, таким образом, перерабатывают материал, который в противном случае был бы потерян, или продают напыленный порошок как отдельный продукт. Второй существенный недостаток – это контроль процесса. Поскольку это, по сути, процесс свободной формовки со многими взаимозависимыми переменными, оказалось сложно предсказать форму, пористость или скорость осаждения данного сплава. Большая часть контроля основана на опыте оператора и эмпирических отношениях. Частично сложность процесса и отсутствие надежного контроля процесса препятствуют широкой коммерциализации этого процесса. Некоторые разработки, использующие управление с обратной связью, оказались успешными в улучшении вариаций диаметра заготовок и повышении производительности в конкретных системах, но они еще не нашли широкого внедрения.
Пористость, возникающая в результате захвата газа и усадки при затвердевании, является серьезной проблемой для материалов, формованных распылением. Типичная заготовка, полученная распылением, будет иметь пористость 1-2%, причем размер пор зависит от диапазона замерзания сплава и различных параметров процесса. Горячее изостатическое прессование (ГИП) или термомеханическая обработка позволяют залечить эти поры, если они небольшие (менее 30 мкм). Несмотря на эти недостатки, формовка распылением остается экономичным процессом производства трудноизготовляемых нишевых сплавов. Крупномасштабную пористость труднее эффективно лечить, и ее необходимо минимизировать путем тщательного контроля процесса. В некоторых случаях пористость контролируется добавками сплавов, которые реагируют с растворенным и захваченным газом с образованием твердой фазы, например, титан добавляется в медные заготовки с образованием нитрида титана с растворенным и захваченным газообразным азотом . Пористость, даже после консолидации, может ограничивать применение материалов, формованных распылением, например, компоненты вращающихся газовых турбин должны иметь нулевую пористость из-за вредного воздействия на многоцикловая усталость (ВЦУ).
Коммерциализация
[ редактировать ]Несмотря на проблемы, связанные с процессом формования распылением, в течение последних 35 лет сохраняется устойчивый промышленный интерес к формованию распылением. Sandvik-Osprey (бывшая Osprey Metals Ltd) из Нита, Южный Уэльс, владеет патентами на этот процесс и лицензировала эту технологию для ряда отраслей промышленности. В настоящее время по всему миру действуют около 25 лицензиатов, от небольших научно-исследовательских предприятий до полномасштабных коммерческих предприятий. Основное применение — это сырье для низкотемпературных сверхпроводников Nb 3 Sn (CuSn), бурового оборудования (высокопрочный материал CuMnNi) и формовочных инструментов (CuAlFe с высоким содержанием Al). Во всех этих приложениях исследования направлены на то, чтобы совместить недостатки стоимости и сложности формования распылением со спросом на высокоэффективные сплавы в нишевых приложениях.
плавление
[ редактировать ]Самая ранняя работа по формованию распылением была основана на использовании электрической печи с резистивным нагревом. Затем расплав пропускался через сопло Al 2 O 3 диаметром 3 мм . Однако из-за низкой скорости потока для предотвращения затвердевания в сопле был необходим высокий перегрев. Следующим поколением процессов плавления при формовании распылением стали индукционные установки с нижней разливкой, которые предлагают множество преимуществ. В этой системе плавильный тигель находится непосредственно над распылительной головкой, а керамическое сопло подается непосредственно из печи в распылитель. сплава Стопорный стержень проходит через расплав до верхней части разливочного сопла, стержень вынимается, когда расплав достигает заданной температуры для распыления, обычно на 50–150 ° C (от 122 до 302 ° F) выше ликвидуса . В качестве альтернативы используется заранее подготовленная пробка из сплава для блокировки сопла, и при определенном перегреве эта пробка плавится, позволяя содержимому печи стечь через сопло. Другой проблемой, связанной с печами с нижней разливкой, является изменение скорости потока, связанное с уменьшением металлостатического напора в тигле. В некоторых случаях введение инертного газа Компенсировать этот эффект может избыточное давление во время заливки.
Альтернативным подходом является наклонно-разливочная печь, при которой индукционная печь наклоняется для заливки расплава в конический промежуточный промежуточный промежуточный промежуточный продукт, который, в свою очередь, доставляет расплавленный металл к соплу подачи расплава. Преимущество системы наклонной разливки состоит в том, что плавление отделено от процедуры распыления, поэтому проблемы с плавлением и способы их устранения не влияют и не нарушают критическую настройку сопла для подачи расплава.
В наиболее сложной схеме плавки, используемой только для производства турбинных заготовок из никелевых суперсплавов методом распыления, вакуумная индукционная плавка , электрошлаковый переплав и тигли с холодным подом были объединены компанией GE для контроля уровня примесей в сплаве и наличия тугоплавких включений в сплаве. подача расплавленного металла. Формовка распылением чистого металла ( CMSF ) сочетает в себе процесс электрошлакового рафинирования, индукционную направляющую с холодными стенками и формовку распылением газов. Такой подход привел к уменьшению количества дефектов, связанных с расплавом (пор, включений и т. д.), более мелкому среднему размеру зерна, возможности производить более крупные слитки и возможности обрабатывать более широкий спектр сплавов.
Распыление
[ редактировать ]Существует множество различных методов распыления расплавленных металлов, многие из которых взяты из порошковой металлургии и широко рассмотрены в других источниках. При формовании распылением используются два основных метода распыления: центробежное распыление для изготовления колец почти заданной формы и газовое распыление для изготовления заготовок, труб и полос.
Центробежное распыление
[ редактировать ]Центробежное распыление включает заливку расплавленного металла с относительно низкой скоростью потока (0,1–2 кг/мин) на вращающуюся пластину, тарелку или диск, при этом скорость вращения достаточна для создания высоких центробежных сил на периферии и преодоления поверхностного натяжения и вязких сил. расплав фрагментируется на капли. Диаметр капель, получаемых центробежным распылением, зависит в первую очередь от скорости вращения (до 20 000 об/мин) и обычно находится в диапазоне 20–1000 мкм со скоростью охлаждения порядка 104 Кс. −1 . Центробежное распыление обычно проводится в инертной атмосфере Ar или N 2 для предотвращения окисления мелких капель или может проводиться в вакууме .
Газовое распыление
[ редактировать ]Поток расплава выходит из сопла подачи расплава в распылительную камеру. Поток расплава защищен от дестабилизации турбулентной газовой средой в распылительной камере с помощью струй первичного газа, работающих при промежуточном давлении инертного газа от 2 до 4 бар, образующийся поток газа параллелен потоку расплава для стабилизации потока расплава. Вторичный распылитель использует высокую скорость (от 250 до 350 мс). −1 ), газовые струи высокого давления (от 6 до 10 бар), которые воздействуют на поток расплава для достижения распыления. Форсунки распылителя обычно расположены в виде кольцевого пространства или в виде отдельных струй, расположенных симметрично относительно сопла подачи расплава, или, реже, в виде линейного сопла для производства полосовой продукции. Типичные диаметры капель соответствуют логарифмически нормальному распределению с диаметром порошка до ~ 600 мкм и медианным диаметром ~ 150 мкм.
Отношение массового расхода распыляющего газа к массовому расходу расплавленного металла является ключевым параметром в контроле диаметра капли и, следовательно, скорости охлаждения, температуры заготовки и получаемой в результате плотности зародышей твердых частиц. Соотношение газ-металл (GMR) обычно находится в диапазоне от 1,5 до 5,5, при этом выход снижается, а скорость охлаждения в распылении увеличивается с увеличением GMR. Обычно при низком (1,5) GMR выход составляет 75%, если GMR увеличивается до 5,0 при сохранении всех остальных параметров постоянными, выход процесса снижается до 60%.
Были разработаны сканирующие распылители, которые позволяют производить заготовки диаметром до 600 мм, что примерно в два раза больше диаметра, возможного при использовании статического распылителя. Головка распылителя механически колеблется на угол от 5 до 10° с типичной частотой 25 Гц, чтобы отклонить поток расплава, создавая путь распыления, синхронизированный со скоростью вращения коллекторной пластины, для осаждения заготовки с параллельными сторонами. Использование программируемых осциллирующих приводов распылителей позволило улучшить форму и воспроизводимость формы отложений, полученных распылением. Было продемонстрировано, что заготовки с параллельными сторонами и плоской вершиной можно распылять воспроизводимым образом, если вращение подложки и частота колебаний распылителя были синхронизированы и оптимизированы для конкретных сплавов и скоростей течения расплава. Системы с двумя распылителями сочетают в себе статический и сканирующий распылители, что позволяет экономически выгодно распылять заготовки диаметром до 450 мм.
Распыляющим газом, используемым при формовании распылением, обычно является либо N 2 , который может быть либо защитным, либо реактивным в зависимости от системы сплава, либо Ar, который обычно полностью инертен, но более дорог, чем N 2 . Реактивные газы можно вводить в небольших количествах в распыляющий газ для создания сплавов с дисперсионным упрочнением, например, 0,5–10% O 2 в N 2 используется для получения сплавов Al с оксидным дисперсионным упрочнением (ODS). Сравнение формования распылением на основе N 2 и Ar показало, что при прочих равных факторах температура верхней части заготовки была ниже при использовании N 2, чем при использовании Ar, из-за различий в температуропроводности двух распыляющих газов: Ar имеет теплопроводность 0,0179 Вт/мК, что примерно на треть меньше, чем у N 2 при теплопроводности 0,026 Вт/мК.
Механизмы распада расплава и распыления были тщательно исследованы и показали, что распыление обычно состоит из 3 стадий: (1) первичное разрушение потока расплава; (2) расплавленные капли и связки подвергаются вторичному распаду; (3) частицы охлаждаются и затвердевают. Теоретический анализ процесса распыления для прогнозирования размера капель позволил получить модели, обеспечивающие лишь умеренное согласие с экспериментальными данными.
Исследования показывают, что во всех случаях газовое распыление расплавленного металла дает капли в широком диапазоне диаметров, обычно в диапазоне диаметров 10-600 мкм, со средним диаметром ~100 мкм. Диаметр капли определяет динамическое поведение капли в полете, что, в свою очередь, определяет время, доступное для охлаждения в полете, что имеет решающее значение для контроля получаемой микроструктуры заготовки. На дальности полета 300–400 мм прогнозы показывают скорости капель 40–90 мс. −1 для диаметров капель в диапазоне 20–150 мкм соответственно по сравнению с измеренными скоростями ~ 100 мс. −1 , а на расстояниях до 180 мм от распылителя капли продолжали ускоряться газом. Капли охлаждаются в полете преимущественно за счет конвекции и излучения и могут переохлаждаться до 300 ° C (572 ° F) перед зародышеобразованием. Модели и экспериментальные измерения показывают, что маленькие капли (<50 мкм) очень быстро становятся полностью твердыми перед осаждением, капли размером 50-200 мкм обычно являются полутвердыми, а капли диаметром >200 мкм будут жидкими при осаждении. Диапазон динамических и термических характеристик капель приводит к тому, что верхняя поверхность заготовки имеет содержание твердых частиц от 0,3 до 0,6. Не весь материал, попадающий на поверхность, попадает в заготовку: некоторые твердые капли отскакивают или разбрызгиваются с верхней поверхности заготовки или выбрасываются из области осаждения за счет турбулентного движения газа в камере. Доля капель, которые ударяются о поверхность, по сравнению с долей, включенной в заготовку, называется эффективностью прилипания : она зависит от геометрического прилипания, которое является функцией угла распыления относительно подложки, и эффективности термического прилипания, зависящей от распыления и заготовка твердая/жидкая фракция.
Микроструктура, полученная распылением
[ редактировать ]Во время напыления важно поддерживать постоянную температуру верхней поверхности и, следовательно, поддерживать устойчивые условия, если необходимо получить заготовку с однородной микроструктурой. На поверхности заготовки во время распыления должен поддерживаться баланс энтальпии, при котором скорость потери энтальпии (H out ) из заготовки за счет проводимости к распыляющему газу и через подложку, конвекцию и излучение должна быть сбалансирована со скоростью поступления энтальпии ( H в ) от капель в распылителе. Существует множество факторов, которые можно регулировать для поддержания этих условий: высота распыления, давление газа в распылителе, скорость потока расплава, перегрев расплава и конфигурация распылителя - параметры, которые легче всего регулировать. Обычно для контроля размера/положения заготовки и температуры верхней поверхности можно использовать такое оборудование, как камеры замкнутого цикла и оптическую пирометрию. Если H out намного больше H in , то на верхней поверхности заготовки поддерживается постоянная температура. Верхняя поверхность должна быть в мягком состоянии, чтобы способствовать слипанию попадающих капель и частичному переплавлению твердых частиц. Необходимое частичное переплавление твердых капель объясняет отсутствие в конечной микроструктуре дендритных остатков предварительно затвердевших капель. Если Hin недостаточно, чтобы вызвать значительное повторное плавление, образуется микроструктура из слоистых капель, типичная для процессов термического напыления, таких как вакуумно-плазменное напыление (VPS), дуговое напыление и высокоскоростное газокислородное напыление. Были созданы карты обработки для плазменного напыления и формования распылением с использованием установившегося теплового баланса с точки зрения межслоевого времени (времени между событиями осаждения) в зависимости от средней скорости осаждения на единицу площади. На этих картах показаны границы между полосчатой несплавленной микроструктурой и равноосной однородной структурой.
Заключительная фаза затвердевания наступает после того, как капли коснулись мягкой поверхности заготовки и между каплями и заготовкой наступило тепловое равновесие. Остаточная жидкость на этой стадии представлена в виде сплошной сетки, очерчивающей полигональные границы зерен, с типичной долей жидкости 0,3–0,5. Скорости охлаждения при затвердевании заготовки на несколько порядков медленнее скорости охлаждения в распылении и составляют 1-20 Кс. −1 .
Хотя одним из преимуществ формования распылением предположительно является способность производить объемный материал с мелкомасштабной микросегрегацией, а работы по макросегрегации практически или совсем без нее на сплавах Al-Mg-Li-Cu показали, что из-за взаимосвязанной жидкости в заготовке происходит значительное макросегрегация в больших распыленных заготовках из деформируемого алюминия. Распределение Cu, Mg и Li, например, в Al-сплаве 8091 показало удивительно выраженную макросегрегацию с изменением содержания Cu (мас.%) в заготовке 8091, полученной распылением, в диапазоне от примерно 1,4 в центре заготовки до 1,92 на периферии заготовки. . Эти закономерности макросегрегации были объяснены с точки зрения обратной сегрегации, при которой жидкость, богатая растворенными веществами, из центра заготовки всасывается обратно через первичную сетку, богатую алюминием, чтобы обеспечить усадку при затвердевании на периферии заготовки. Было высказано предположение, что этот эффект усугубляется центробежными эффектами от вращения заготовки.
При напылении пористость заготовки обычно составляет 1–2% с областью более высокой пористости в области , закаленной ударом, рядом с подложкой. Самая верхняя часть заготовки часто имеет повышенную пористость, поскольку верхняя часть быстро охлаждается распыляющим газом, который продолжает охлаждать заготовку в течение 10–60 секунд после распыления. Также достигнут небольшой прогресс в понимании и количественной оценке основных физических процессов, которые контролируют пористость после напыления.
В большинстве случаев заготовки с более высокой пористостью в нижней и верхней части скальпируются и перерабатываются. Ультразвуковой контроль иногда используется для определения глубины зон охлаждения, чтобы предотвратить ненужные потери. В зависимости от системы сплава и конечного применения оставшийся объемный материал обычно обрабатывается до закрытия пористости и подвергается ряду термомеханических обработок. Материалы, полученные распылением, редко используются в состоянии после распыления и часто обрабатываются методом HIP для удаления пористости. В некоторых случаях остаточный распыляющий газ в порах может реагировать с легирующими элементами с образованием якобы полезных фаз, например, N 2 реагирует с титаном в никелевом суперсплаве Rene 80 с образованием дисперсии TiN.
Ссылки
[ редактировать ]Приведенный выше текст по существу взят из книги «Формовка Si-Al сплавов распылением для терморегулирования», написанная доктором Элом Ламбурном, докторская филологическая диссертация, 2007 г., Куинс-Колледж. Этот документ находится в открытом доступе в библиотеке Оксфордского университета и доступен в качестве онлайн-ресурса через Оксфордский исследовательский архив (ORA). Для ссылки на эту диссертацию следуйте: [1] .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 446.
- ^ Дегармо, Блэк и Кохсер 2003 , стр. 355.
Библиография
[ редактировать ]- Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4 .