Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Спреймен құю, спреймен құю және ин-ситу тығыздау деп те аталады, бұл жартылай қатты бүркілген тамшыларды пішінді субстратқа құю арқылы біртекті микроқұрылысты металл компоненттерін тор пішініне жақын құю әдісі. Спрей арқылы қорытпаны қалыпты индукциялық пеште балқытады, содан кейін балқыған металл кішкене саңылаулы керамикалық тұмсыққа конустық түрдегі тундша арқылы баяу құйылады. Отынның балқыған түрі пештен ұсақ, еркін құлап жатқан ағын түрінде шығады және газды ұшқыштардың сақина тәрізді тізбегі арқылы тамшыларға бөлінеді. Бұл процесс тамшылардың жартылай қатты күйінде субстратқа соққы беруі үшін ұйымдастырылған, бұл қатты фракцияны "жапсыруға" жеткілікті сұйық фракцияны береді. Орындау жалғасады, субстратқа металлдан бүршік қалыптасқан түйіршік біртіндеп жиналады. Газбен атомдалған бүрку (GASF) процесі, әдетте, балқытылған қорытпаның ағыны 120 кг / мин, бірақ қос атомдағыш жүйелері металл ағыны 80 кг / мин дейін жетуі мүмкін. 1 тонна немесе одан да көп арнайы болат билеттер, 500 кг дейін Ni супер қорытпасының сақиналы бос бөліктерімен және 400 кг дейін Al қорытпасының экструзиялы билеттерімен бірге коммерциялық негізде бүрку арқылы өндірілді.
Spray forming, also known as spray casting, spray deposition and in situ compaction, is a method of casting near net shape metal components with homogeneous microstructures via the deposition of semi solid sprayed droplets onto a shaped substrate. In spray forming an alloy is melted, normally in an induction furnace, then the molten metal is slowly poured through a conical tundish into a small bore ceramic nozzle. The molten metal exits the furnace as a thin free falling stream and is broken up into droplets by an annular array of gas jets, and these droplets then proceed downwards, accelerated by the gas jets to impact onto a substrate. The process is arranged such that the droplets strike the substrate whilst in the semi solid condition, this provides sufficient liquid fraction to 'stick' the solid fraction together. Deposition continues, gradually building up a spray formed billet of metal on the substrate. The gas atomised spray forming (GASF) process typically has a molten alloy flow rate of 1–20 kg/min, although twin atomizer systems can achieve metal flow rates of up to 80 kg/min. Special steel billets of 1 tonne or more have been produced by spray forming on a commercial basis, together with Ni super alloy ring blanks of up to 500 kg and Al alloy extrusion billets of up to 400 kg.
Тарих
Суонси университетінің профессоры Сингер газды атомдаған спрейдің идеясын алғаш рет 1970 жылдары дамытты, онда жоғары қысымды газ ағыны тұрақты балқыту ағынына соқтығысып, атомдастыруды тудырады. Содан кейін алынған тамшылар нысанаға жиналады, оны спрейде өңдеуге болады және оны тор пішіндес тығыз түйіршік жасауға болады. Спреймен қалыптау арнайы салаларда қолданылды: өрт сөндіру құбырларының тот баспалы болаттан жасалған қаптамасы; аэроғарыш қозғалтқыштары үшін никель суперқосымынан жасалған дискілер мен сақиналар; алюминий титан, алюминий неодим және алюминий күмістен жасалған бүркіткіш нысаналар; цилиндрлердің қаптамалары үшін алюминий кремний қорытпалары; және жылдамдықты болаттар. Спрей арқылы қалыптау тарихы көптеген зерттеушілердің көптеген жылдар бойы инновациялық өндіріс процесін жасау үшін қалай шығармашылық үлестерін қажет еткенінің мысалы болып табылады.
Professor Singer at the Swansea University first developed the idea of gas atomised spray forming in the 1970s in which a high pressure gas jet impinges on a stable melt stream to cause atomisation. The resulting droplets are then collected on a target, which can be manipulated within the spray and used to form a near dense billet of near net shape. Spray forming has found applications in specialist industries such as: stainless steel cladding of incinerator tubes; nickel superalloy discs and rings for aerospace engines; aluminium titanium, aluminium neodymium and aluminium silver sputter targets; aluminium silicon alloys for cylinder liners; and high speed steels. The history of spray forming is an example of how the creative contributions of many researchers were necessary over a number of years to produce the innovation of a now widely used industrial process.
Артықшылықтар
Спреймен қалыптау әдеттегі металлургиялық металлургия мен ұнтақ металлургиясы сияқты мамандандырылған техникаларға қарағанда белгілі бір артықшылықтарды ұсынады. Біріншіден, бұл икемді процесс және оны материалдардың кең ауқымын өндіру үшін қолдануға болады, олардың кейбіреулерін басқа әдістермен өндіру қиын, мысалы, 5 массалық% Al Li қорытпалары немесе Al SiC, Al Al2O3 металл матрицалы композиттері (MMC). Еріген ағыстың атомдануы диаметрі 10 500 мкм тамшыларға айналады, олардың кейбіреулері диаметріне байланысты қатты және жартылай қатты күйге тез суытылады, бұл түйіршіктің жоғарғы бетіндегі спрейден қалыптасқан материалдың қалдық сұйық фракциясына көптеген нуклеанттарды береді. Спрейдегі тез салқындату және соқтығысу спрейіндегі қатты нуклеанттардың үлкен популяциясының пайда болуы, әдетте 10-100 мкм диапазонында, ішкі еріген затты бөлудің төмен деңгейі мен қысқа ұзындығы бар ұсақ эквиакслы микроқұрылысқа әкеледі. Бұл микроқұрылымдық аспектілер материалдың беріктігі жағынан артықшылықтарды ұсынады, өйткені ұсақ түйіршік мөлшері, дисперсоидтық және/немесе екіншілік тұнба фазаларының нәзік таралуы, сондай-ақ қоспалардың "аяқ" элементтеріне төзімділік. Бұл "спрейленген" күйдегі нәзік құрылымның арқасында гомогендеуді жылумен өңдеуден жиі аулақ болу мүмкін. Спрей арқылы қалыптастырылған материалдың күрделі қатпарлану жолы (яғни қатты, сұйық немесе жартылай қатты тамшыдан жартылай қатты топтағы температуралық тепе-теңдікке және ақырғы баяу салқындатудан толық қаттыға дейінгі жылдам ауысу) арқасында қорытпа элементтерінің кеңейтілген ерігіштігі және метатұрақ және квазикристалл фазалардың пайда болуы туралы да хабарланған. Спреймен қалыптаудың басты тартымды жақтары - балқыту мен дайын өнім арасындағы процестердің санын азайтудан болатын экономикалық пайда. Спреймен қалыптау арқылы жолақты, түтікті, сақинаны, пластикалы бар / роллді және цилиндрлі экструзиямен азық-түлік өнімдерін өндіруге болады, әр жағдайда салыстырмалы түрде ұсақ масштабтағы микроқұрылыммен, тіпті үлкен көлденең қималармен. Ұнтақ металлургиясына қарағанда газбен тазартылған газдың артықшылығы ұнтақты сүрту, престеу, газдан тазарту және өңдеу кезеңдері мен олардың қауіпсіздік және ластану мәселелерін жоюға болатын процестердің санының азаюынан туындайды.
Spray forming offers certain advantages over both conventional ingot metallurgy and more specialized techniques such as powder metallurgy. Firstly, it is a flexible process and can be used to manufacture a wide range of materials, some of which are difficult to produce by other methods, e. g. Al 5wt% Li alloys or Al SiC, Al Al2O3 metal matrix composites (MMCs). The atomisation of the melt stream into droplets of 10 500 μm diameter, some of which, depending on diameter, cool quickly to the solid and semi solid state provide a large number of nucleants for the residual liquid fraction of the spray formed material on the billet top surface. The combination of rapid cooling in the spray and the generation of a large population of solid nucleants in the impacting spray leads to a fine equiaxed microstructure, typically in the range 10–100 μm, with low levels and short length scales of internal solute partitioning. These microstructural aspects offer advantages in material strength because of fine grain size, refined distribution of dispersoid and/or secondary precipitate phases, as well as tolerance to impurity 'tramp' elements. This fine structure in the 'as sprayed' condition means homogenising heat treatments can often be avoided. Because of the complex solidification path (i. e. the rapid transition from superheated melt to solid, liquid or semi solid droplet to temperature equilibration at semi solid billet top and final slow cooling to fully solid) of the spray formed material, extended solubility of alloying elements and the formation of metastable and quasi crystalline phases has also been reported. One of the major attractions of spray forming is the potential economic benefit to be gained from reducing the number of process steps between melt and finished product. Spray forming can be used to produce strip, tube, ring, clad bar / roll and cylindrical extrusion feed stock products, in each case with a relatively fine scale microstructure even in large cross sections. The benefits of GASF over powder metallurgy accrue from the reduced number of process steps where powder sieving, pressing, de gassing and handling steps and their attendant safety and contamination issues may be removed.
Кемшіліктер
Газды атомдастыруды спрейлеудің екі негізгі кемшілігі бар. Ең маңызды кемшілігі - салыстырмалы түрде төмен өнім беру процесінде, әдетте ~ 30% жоғалту. Жоғалулар көбірек шашыраудан (болып шығатын ұнтақты жоғалтқан тамшылар), ұнтақтың бетінен материалдың шашырауынан және жартылай қатты жоғарғы бетінен материалдың "қайта шашырауынан" пайда болады. Көптеген спрейлеу процесінің операторлары қазір бөлшектерді инжекциялау жүйесін қолданады, бұл арқылы артық спрейлеу ұнтағын қайта инжекциялайды, осылайша жоғалатын материалды қайта өңдейді немесе артық спрейлеу ұнтағын өз алдына өнім ретінде сатады. Екінші үлкен кемшілік - бұл процессті бақылау. Бұл негізінен көптеген өзара байланысты өзгергіштермен еркін қалыптасу процесі болғандықтан, берілген қорытпаның пішінін, саңылаулылығын немесе жиналу жылдамдығын болжау қиын болып шықты. Басқарудың көп бөлігі оператордың тәжірибесіне және эмпирикалық қатынастарға негізделген. Бұл процестің күрделілігі мен сенімді процестерді бақылаудың жоқтығы бұл процестің кеңінен коммерциялануына кедергі келтірді. Кейбір жүйелерде кері қайтаруды бақылау әдісімен жасалған өзгерістердің арқасында білет диаметрінің өзгеруін азайту және өнімділікті арттыру мүмкін болды, бірақ олар әлі де кеңінен қолданылған жоқ. Газдың тұтқындалуынан және қатаюдан болатын кемуден туындайтын саңылаулылық спрейден жасалған материалдарда маңызды проблема болып табылады. Үлгілі бір бүркітпеде құралған билеттің 1% -ы порозды болады, ал порының мөлшері қорытпаның қату диапазонына және әртүрлі процесс параметрлеріне байланысты болады. Ыстық изостатикалық престеу (HIP) немесе термомеханикалық өңдеу осы тесіктерді, егер олар кішкентай болса (30 мкм-ден кем) емдей алады. Осы кемшіліктерге қарамастан, спреймен қалыптау өндірісі қиын, нишалы қорытпаларды өндіру үшін экономикалық процесс болып қала береді. Үлкен масштабтағы саңылаулылықтарды тиімді емдеу қиын және оларды мұқият бақылау арқылы барынша азайту керек. Кейбір жағдайларда, пішінділік еріген және тұтқынға алынған газбен қатты фазаны қалыптастыру үшін әрекеттесетін қорытпа қоспаларымен бақыланады, мысалы, мыс билеттеріне титан қосылып, еріген және тұтқынға алынған азот газымен титан нитриді пайда болады. Тіпті консолидациядан кейін де, пішінділік, спрейден жасалған материалдың қолданылуын шектей алады, мысалы, айналатын газ турбинасының компоненттері жоғары циклдің шаршауына (HCF) зиянды әсер етуі үшін нөлдік пішінділікке ие болуы керек.
There are two major disadvantages to the gas atomisation spray forming process. The most significant disadvantage is the relatively low process yield with typical losses of ~30%. Losses occur because of overspray (droplets missing the emerging billet), splashing of material from the billet surface, and material 'bouncing' off the semi solid top surface. Many operators of the spray forming process now use a particle injector system to re inject the overspray powder, and thus recycle material that would otherwise be lost, or sell the overspray powder as a product in its own right. The second major disadvantage is one of process control. As it is essentially a free forming process with many interdependent variables, it has proved difficult to predict the shape, porosity or deposition rate for a given alloy. Much of the control is based on operator experience and empirical relationships. It is partly the process complexity and lack of robust process control that has prevented the widespread commercialisation of this process. Some developments using feed back control have proved successful in improving the variations in billet diameter and improving yield in specific systems but these have yet to find widespread implementation. Porosity resulting from gas entrapment and solidification shrinkage is a significant problem in spray formed materials. A typical spray formed billet will contain 1 2% porosity with a pore size dependent on alloy freezing range and various process parameters. Hot isostatic pressing (HIP) or thermo mechanical processing can heal these pores if they are small (less than 30 μm). Despite these disadvantages, spray forming remains an economic process for the production of difficult to manufacture, niche alloys. Large scale porosity is more difficult to heal effectively and must be minimised by careful process control. In some cases, porosity is controlled by alloy additions which react with dissolved and entrapped gas to form a solid phase, e. g. titanium added to copper billets to form titanium nitride with dissolved and entrapped nitrogen gas. Porosity, even after consolidation, can limit the applications of spray formed material, for example rotating gas turbine components must have zero porosity because of the detrimental effect on high cycle fatigue (HCF).
Коммерциялық мақсатқа
Спрейлеумен қалыптау процесіне байланысты проблемаларға қарамастан, соңғы 35 жыл ішінде өнеркәсіптің спрейлеуге деген қызығушылығы сақталды. Оңтүстік Уэльстегі Неат қаласындағы Sandvik Osprey (бұрынғы Osprey Metals Ltd) компаниясы бұл процестің патенттерін иеленеді және технологияны бірқатар салаларға лицензиялайды. Қазіргі уақытта әлемде шағын ғылыми-зерттеу және әзірлеу зауыттарынан бастап толық көлемдегі коммерциялық операцияларға дейін шамамен 25 лицензиар жұмыс істейді. Негізгі қолданулар төмен температурадағы Nb3Sn суперөткізгіштерін (CuSn), мұнай бұрғылау жабдықтарын (жоғары беріктікті материал CuMnNi) және құралды қалыптастыруға арналған (Al жоғары құрамы бар CuAlFe). Осы қолданбалардың бәрінде зерттеулер спрейдің құрып шығарудың шығынды және күрделілігін нишалық қолданбаларда жоғары өнімділік қорытпаларына деген сұранысқа сәйкес келтіруді қарастырады.
In spite of the problems associated with the spray forming process there has been sustained industrial interest in spray forming over the last 35 years. Sandvik Osprey (former Osprey Metals Ltd) of Neath, South Wales holds the patents on the process and have licensed the technology to a range of industries. There are currently approximately 25 licensees operating around the world, ranging from small research and development plants to full scale commercial operations. Main applications are prematerial for low temperature Nb3Sn super conductors (CuSn), oil drilling equipment (high strength material CuMnNi) and for forming tools (CuAlFe with high Al content). In all of these applications, research concerns the reconciliation of the cost disadvantages and complexity of spray forming with the demand for high performance alloys in niche applications.
Еріту
Ең алғашқы спрейлік қалыптау жұмыстары резистивті қыздырылған электрлік ұстағыш пешке негізделген. Одан кейін балқыған зат 3 мм диаметрлі Al2O3 тұмсығы арқылы өтеді. Алайда, ағынының төмендігі тұнбаның қатаюына жол бермеу үшін жоғары қыздыруды қажет етті. Спрейлеу кезінде ерітудің келесі буыны - төменгі құю индукциялық қондырғылары болды, олар көптеген артықшылықтар ұсынады. Бұл жүйеде балқыту тигиблі тікелей атомшылдың үстінде, керамикалық соқпақпен тікелей пештен атомшылға беріледі. Тоқтағыштың таяқшасы балқыма арқылы құю соқпағының жоғарғы жағына дейін өтеді, таяқша балқыма бүрку үшін белгіленген температураға жеткенде, әдетте қорытпаның сұйықтығынан жоғары тартылады. Әрі қарай, тұмсықты бөгеу үшін алдын ала дайындалған қорытпа плагин пайдаланылады, ал белгіленген қызу кезінде бұл плагин балқып, пештің мазмұны тұмсықтан ағып кетуіне мүмкіндік береді. Төменгі құю пештеріне байланысты тағы бір мәселе - бұл тигульдегі металл статикалық бас мөлшерін азайтумен байланысты ағынның өзгеруі. Кейбір жағдайларда құю кезінде инертті газдың қысымын арттыру осы әсерді өтеуі мүмкін. Баламалы тәсіл - индукциялық пешті иістендірілген балқымаға құю үшін иістендірілген пешті иістендірілген балқымалық тұмсыққа құю үшін иістендірілген пешті иістендіретін тұмсыққа құю. Телті құю жүйесі балқытуды бүркуден ажыратудың артықшылығын ұсынады, сондықтан балқыту проблемалары мен түзету шешімдері балқытуды жеткізу тұмсығының маңызды орнатылуына әсер етпейді немесе бұзбайды. Ең күрделі балқыту режимі бойынша, тек қана никель суперқосқыштары турбиналарының бланкілерін бүрку үшін, тұнбалау арқылы, вакуумдық индукциялық балқыту, электропластикалық қайта балқыту және суық оттың тигульдерімен бірге, GE қорытпалардың кіршік деңгейін және балқытылған металлдың қоректенуіндегі отқа төзімділік деңгейін бақылау үшін біріктірілген. Таза металлды спрейлеу (CMSF) электрозагтарды тазарту процесін, суық қабырғалы индукциялық жетекті және газды атомдалған спрейлеуді біріктіреді. Бұл тәсіл балқытумен байланысты ақаулардың (поралар, инклюзиялар және т.б.) санын азайтуға әкелді. ), орташа дәнінің ұзындығы, үлкен сынықтарды өндіру мүмкіндігі және қорытпалардың кең ауқымын өңдеу мүмкіндігі.
The earliest spray forming work was based on a resistively heated electric holding furnace. The melt then passed through a 3 mm diameter Al2O3 nozzle. However the low flow rate made a high superheat necessary to prevent solidification in the nozzle. The next generation melting procedures in spray forming applications were bottom pour induction units, which offer many benefits. In this system, the melting crucible is directly above the atomiser head with a ceramic nozzle feeding directly from the furnace to the atomiser. A stopper rod runs through the melt to the top of the pouring nozzle, the rod is withdrawn when the melt reaches the designated temperature for spraying, typically above the alloy's liquidus. Alternatively a pre prepared plug of alloy to block the nozzle is used, and at a specified superheat this plug melts allowing the contents of the furnace to drain through the nozzle. Another problem associated with bottom pour furnaces is the change in flow rate associated with the reducing metalo static head in the crucible. In some cases, introducing an inert gas overpressure during pouring can compensate for this effect. An alternative approach is the tilt pour furnace whereby an induction furnace is tilted to pour the melt into a conical tundish that in turn delivers the molten metal to the melt delivery nozzle. The tilt pour system provides the advantage that melting is decoupled from the spraying procedure so that melting problems and remedial solutions do not affect or disturb the critical set up of the melt delivery nozzle. In the most complex melting arrangement, used only for production of nickel superalloy turbine forging blanks by spray forming, vacuum induction melting, electroslag re melting and cold hearth crucibles have been combined by GE to control alloy impurity levels and the presence of refractory inclusions in the molten metal supply. Clean metal spray forming (CMSF) combines the electroslag refining process, cold walled induction guide and gas atomised spray forming. This approach has led to a reduction in the number of melt related defects (pores, inclusions, etc. ), a finer average grain size, the ability to produce larger ingots and the ability to process a wider range of alloys.
Атомдастыру
Балқытылған металдарды атомдастырудың көптеген әдістері бар, олардың көпшілігі ұнтақ металлургия өнеркәсібінен алынған және басқа жерлерде кеңінен қаралған. Спреймен қалыптауда қолданылатын екі негізгі атомдастыру әдісі бар: тор тәрізді сақиналарды өндіру үшін центробегтік атомдастыру және билеттерді, түтікшелерді және таспаларды өндіру үшін газ атомдастыру.
There are many different techniques for atomisation of molten metals, many of which are derived from the powder metallurgy industry and have been extensively reviewed elsewhere. There are two major atomisation techniques used in spray forming: centrifugal atomisation for the manufacture of near net shape rings and gas atomisation for the manufacture of billets, tube and strip.
Орталықтан ату
Орталықтан тыс атомдастыру - балқыған металлды салыстырмалы түрде төмен ағындық жылдамдықпен (0,1 - 2 кг/мин) айналатын тақтаға, табаққа немесе дискіге құюды қамтиды, мұнда айналу жылдамдығы шеткі жағында жоғары орталықтан тыс күштерді жасауға және беткі кернеу мен сіркелі күштерді жеңуге жеткілікті, сондықтан балқыған металл тамшыларға бөлініп кетеді. Центрифугалық атомдастыру арқылы өндірілген тамшы диаметрлері негізінен айналу жылдамдығына байланысты (20000 айналымға дейін) және әдетте 201000 мкм диапазонында 104 Ks-1 шамасындағы салқындату жылдамдықтарымен болады. Орталықтан тыс атомдастыру әдетте ұсақ тамшылардың тотығуына жол бермеу үшін АР немесе Н2 инерт атмосферасында жүргізіледі немесе вакуумда жұмыс істеуге болады.
Centrifugal atomisation involves pouring molten metal at relatively low flow rates (0.1– 2 kg/min) onto a spinning plate, dish or disc, whereby the rotation speed is sufficient to create high centrifugal forces at the periphery and overcome surface tension and viscous forces so the melt is fragmented into droplets. Droplet diameters produced by centrifugal atomisation are dependent primarily on the rotation speed, (up to 20,000 rpm) and are typically in the range 20–1000 μm with cooling rates of the order 104 Ks−1. Centrifugal atomisation is generally conducted under an inert atmosphere of Ar or N2 to prevent oxidation of the fine droplets or can be operated under vacuum.
Газды атомдастыру
Еріген ағыс ерігенді жеткізу сопақшасынан бүркіткіш камераға шығады. Еріткіш ағыны 2 - 4 бар аралық инерттік газ қысымында жұмыс істейтін бастапқы газ ұшқыштары арқылы бүркіткіш камерадағы турбулентті газ ортасының тұрақсыздануынан қорғалады, нәтижесінде газ ағыны ериту ағынын тұрақтандыру үшін еріту ағынына параллель болады. Екіншілік атомшы жоғары жылдамдықты (250 - 350 мс - 1), жоғары қысымды (6 - 10 бар) газды ұшқыштарды пайдаланып, атомдастыруды жүзеге асырады. Атомдық ағындар әдетте жылтыр түрінде немесе балқытуды жеткізу тұмсығы бойынша симметриялық орналастырылған дискретті ағындар ретінде немесе көбінесе жолақты өнімдерді өндіру үшін сызықтық тұмсық ретінде орналастырылады. Қалыпты тамшы диаметрлері ~600 мкм дейін ұнтақ диаметрлері ~150 мкм массалық медиан диаметрімен логарифмдік қалыпты таралымын ұстанады. Атомдық газдың массалық ағым жылдамдығы мен балқытылған металдың массалық ағым жылдамдығы арақатынасы тамшы диаметрі мен салқындату жылдамдығын, түйіршік температурасын және қатты бөлшектердің ядролық тығыздығын бақылаудағы негізгі параметр болып табылады. Газ металл қатынасы (GMR) әдетте 1,5 - 5,5 аралығында болады, ал шығын азаяды және спрейдегі салқындату жылдамдығы GMR-дің өсуімен артады. Әдетте төменгі (1,5) ГМР-де өнімділік 75% құрайды, егер ГМР-ді 5,0-ға дейін арттырса, барлық басқа параметрлер тұрақты болып қала берсе, процесс өнімділігі 60% -ға дейін төмендейді. Сканерлік атомдағыш құрылғылар әзірленді, олар диаметрі 600 мм-ге дейінгі, яғни статикалық атомдағыш құрылғылары мүмкін болатын диаметрден шамамен екі есе үлкен билеттерді өндіруге мүмкіндік береді. Атомды бөлуші бас 25 Гц жиілікпен 5-10° механикалық тербеліске ұшырайды, бұл еріген ағысты бұрып, коллектор пластинасының айналу жылдамдығымен синхрондастырылған спрей жолын жасайды, осылайша параллельді жақты билет орналасады. Бағдарламаланатын тербелісті атомдық құрылғыларды қолдану арқылы спрей арқылы қалыптастырылған шөгінділердің пішінін және пішінін қайта жаңғыртуды жақсартуға болады. Егер субстраттың айналу жиілігі мен атомдастырушының тербелу жиілігі синхрондастырылып, белгілі бір қорытпалар мен балқыту ағыны үшін оңтайландырылса, қатар жақты, жалпақ жоғарғы жағындағы түймелерді қайталанатын түрде бүркуге болатындығы дәлелденді. Екілік атомдастыру жүйелері статикалық және сканерлік атомдастыруды біріктіреді, бұл 450 мм-ге дейінгі диаметрдегі баллондарды экономикалық тиімділікпен бүркуді мүмкін етеді. Спрейлеуде қолданылатын атомдық газ әдетте N2 болып табылады және қорытпа жүйесіне байланысты қорғаныш немесе реактивті болуы мүмкін, немесе Ar, ол әдетте толығымен инертті, бірақ N2-ден қымбат. Атомдастыру газына аз мөлшерде реактивті газдарды енгізе отырып, дисперсиямен күшейтілген қорытпалар жасауға болады, мысалы, оксид дисперсиямен күшейтілген (ODS) АЛ қорытпаларын өндіру үшін пайдаланылатын N2 құрамындағы 0,510% O2. N2 және Ar негізіндегі бүркуді салыстыру N2 және Ar негізіндегі бүркуді салыстыру N2 және Ar-мен салыстырғанда, барлық басқа факторлар тұрақты болған кезде, N2мен салыстырғанда, билеттің жоғарғы температурасы төмен болды, өйткені екі атомдастырушы газдың жылу диффузивтігі әр түрлі: Ar-ның жылу өткізгіштігі 0,0179 W / mK, бұл жылу өткізгіштігі 0,026 W / mK N2-ден шамамен үштен бір бөлігі кем. Ерітінділердің ыдырау және атомдалу механизмдері кеңінен зерттелді, бұл атомдалу әдетте 3 кезеңнен тұрады: 1) ерітілген ағыстың бастапқы ыдырауы; 2) еріген тамшылар мен буындар екінші реттік ыдыраудан өтеді; 3) бөлшектер суытылады және қатады. Тамшы мөлшерін болжау үшін атомдастыру процесін теориялық талдау эксперименттік деректермен тек орташа келісім беретін модельдерді берді. Зерттеулер барлық жағдайларда балқытылған металдың газды атомдастыру арқылы тамшы диаметрінің кең ауқымы, әдетте диаметрі 10 600 мкм диапазонында, орташа диаметрі ~ 100 мкм болады. Тамшы диаметрі тамшының ұшудағы динамикалық мінез-құлқын реттейді, бұл өз кезегінде ұшудағы салқындауға арналған уақытты анықтайды, бұл алынған билет микроқұрылысын бақылауда өте маңызды. 300-400 мм ұшу қашықтығында болжаулар 20 150 мкм диаметріндегі тамшылардың жылдамдығы 40 90 мс-1 мөлшерінде, өлшенген жылдамдықпен салыстырғанда ~ 100 мс-1 және атомнан 180 мм қашықтықта тамшыларды газ әлі де жылдамдатып отырды. Қапшықтардың ұшып бара жатқан кезде суынуы негізінен конвекция мен сәулелену арқылы жүзеге асады және ядролық түзілуден бұрын суытуды сезінуі мүмкін. Модельдер мен экспери�...
The melt stream exits the melt delivery nozzle into the spray chamber. The melt stream is protected from being destabilised by the turbulent gas environment in the spray chamber by primary gas jets operating at intermediate inert gas pressure of 2 to 4 bar, the resulting gas flow is parallel to the melt stream to stabilise the melt stream. The secondary atomiser uses high velocity (250 to 350 ms−1), high pressure (6 to 10 bar) gas jets to impinge on the melt stream to achieve atomisation. The atomiser jets are usually arranged as an annulus or as discrete jets positioned symmetrically about the melt delivery nozzle, or less commonly, arranged as a linear nozzle for the production of strip products. Typical droplet diameters follow a log normal distribution with powder diameters up to ~600 μm with a mass median diameter of ~150 μm. The atomising gas mass flow rate to molten metal mass flow rate ratio is a key parameter in controlling the droplet diameter and hence the cooling rate, billet temperature and resulting solid particle nucleant density. The gas metal ratio (GMR) is typically in the range 1.5 to 5.5, with yield decreasing and cooling rates in the spray increasing with increasing GMR. Typically at low (1.5) GMR, yield is 75%, if the GMR is increased to 5.0 with all other parameters remaining constant, the process yield is reduced to 60%. Scanning atomisers have been developed which allow the production of billets of up to 600 mm diameter, approximately twice the diameter possible with a static atomiser. The atomiser head is oscillated mechanically through 5 to 10° at a typical frequency of 25 Hz, to deflect the melt stream creating a spray path that is synchronised with the rotation speed of the collector plate in order to deposit a parallel sided billet. By using programmable oscillating atomiser drives it was possible to improve the shape and shape reproducibility of spray formed deposits. It has been demonstrated that parallel sided, flat topped billets could be sprayed in a reproducible manner if the substrate rotation and atomiser oscillation frequency were synchronised and optimised for specific alloys and melt flow rates. Twin atomiser systems combine a static and scanning atomiser, making it possible to spray billets of up to 450 mm diameter with economic benefits. Atomising gas used in spray forming is generally either N2 and can be either protective or reactive depending on the alloy system, or Ar which is generally entirely inert but more expensive than N2. Reactive gasses can be introduced in small quantities to the atomising gas to create dispersion strengthened alloys e. g. 0.5–10% O2 in N2 used to generate oxide dispersion strengthened (ODS) Al alloys. Comparisons of N2 and Ar based spray forming showed that with all other factors remaining constant, the billet top temperature was lower with N2 than with Ar, because of the differences in thermal diffusivity of the two atomising gases: Ar has a thermal conductivity of 0.0179 W/mK which is approximately a third less than N2 with a thermal conductivity of 0.026 W/mK. The mechanisms of melt break up and atomisation have been extensively researched, showing that atomisation typically consists of 3 steps: (1) primary break up of the melt stream; (2) molten droplets and ligaments undergo secondary disintegration; (3) particles cool and solidify. Theoretical analysis of the atomisation process to predict droplet size has yielded models providing only moderate agreement with experimental data. Investigations show that in all cases gas atomisation of molten metal yields a broad range of droplet diameters, typically in the range 10 600 μm diameter, with a mean diameter of ~100 μm. Droplet diameter governs the dynamic behaviour of the droplet in flight which in turn determines the time available for in flight cooling which is critical in controlling the resulting billet microstructure. At a flight distance of 300–400 mm, predictions show droplet velocities of 40 90 ms−1 for droplet diameters in the range 20 150 μm respectively, compared to measured velocities of ~100 ms−1, and at distances of up to 180 mm from the atomiser, droplets were still being accelerated by the gas. Droplets cool in flight predominantly by convection and radiation, and can experience undercooling of up to prior to nucleation. Models and experimental measurements show that small droplets (<50 μm) very rapidly become fully solid prior to deposition, 50 200 μm droplets will be typically semi solid and droplets of diameters >200 μm will be liquid at deposition. The range of droplet dynamic and thermal histories result in a billet top surface of 0.3 to 0.6 solid fraction. Not all material that impacts the surface is incorporated into the billet: some solid droplets will bounce or splash off the billet top surface or be directed out of the deposition region by turbulent gas movement in the chamber. The proportion of droplets that impact the surface compared to the proportion that are incorporated into the billet has been termed the sticking efficiency: dependent on the geometric sticking which is a function of the spray angle relative to substrate and the thermal sticking efficiency dependent on spray and billet solid/liquid fraction.
Сприй арқылы қалыптасқан микроқұрылым
Сырлау кезінде үнемі жоғары температураны ұстап тұру және осылайша тұрақты күй жағдайын сақтау қажет, егер микроқұрылымы тұрақты билет өндірілуі тиіс болса. Бюллетінің бетінде, бүрку кезінде энтальпиялық тепе-теңдік сақталуы керек, онда бүркуден бөлінген газға және субстратқа, конвекцияға және сәулеленуге өткізгіштік арқылы жоғалған энтальпияның жылдамдығы (Hout) спрейдегі тамшылардан ентальпиялық кіріс жылдамдығымен (Hin) теңдестірілуі керек. Бұл жағдайларды сақтау үшін әртүрлі факторларды реттеуге болады: бүрку биіктігі, атомдық газ қысымы, балқыту ағыны, балқытудың қызуы және атомдық конфигурация, бұл параметрлер ең оңай реттеледі. Әдетте, жабық контурлы камералар мен оптикалық пирометрия сияқты жабдықтарды билеттің өлшемін / орнын және жоғарғы бет температурасын бақылау үшін пайдалануға болады. Егер Hout-тан Hin-і әлдеқайда үлкен болса, онда билеттің жоғарғы бетінде тұрақты температура сақталады. Жоғары бет қатты бөлшектердің жабысуын және ішінара еруін қамтамасыз ету үшін жұмсақ болуы керек. Қатты тамшылардың қайта балқыуы соңғы микроқұрылыста алдын ала қатаңдаған тамшылардан дендриттік қалдықтардың болмауымен түсіндіріледі. Егер HIN едәуір ерітуді тудыратын жеткіліксіз болса, қабаты бар тамшылардың "жапырақ" микроқұрылымы пайда болады, бұл вакуумдық плазмалық бүрку (VPS), доғалық бүрку және жоғары жылдамдықты оксигенді отын сияқты термиялық бүрку процестеріне тән. Плазмалық бүрку және бүрку үшін өңдеу карталары жасалды, олар бірлік аумаққа орташа бүрку жылдамдығына қатысты қабат аралық уақыт (тұнбау оқиғалары арасындағы уақыт) тұрғысынан тұрақты күйдегі жылу балансын қолданады. Бұл карталар жолақты бірікпеген микроқұрылым мен тең осьті біртекті құрылым арасындағы шекараны көрсетеді. Қаттыланудың соңғы кезеңі тамшылар ұсақ билеттің бетіне әсер еткеннен кейін және тамшылар мен билет арасында жылулық тепе-теңдік болғаннан кейін пайда болады. Бұл кезеңде қалдық сұйықтық көпбұрышты түйіршектер шекарасын белгілейтін үздіксіз желі түрінде болады, оның типтік сұйықтық фракциясы 0,3 0,5 құрайды. Билеттің қатып қалуы кезінде салқындату жылдамдығы спрейдегі салқындату жылдамдығынан бірнеше шамамен баяу, 1 20 Ks-1. Спреймен қалыптаудың бір артықшылығы - бұл майда масштабтағы микросегрегациямен сыйымды материалды өндіру мүмкіндігі және Al Mg Li Cu қорытпаларында макросегрегация жұмысы аз немесе мүлдем жоқ болса да, түйіршіктегі өзара байланысқан сұйықтық салдарынан ірі спреймен қалыптастырылған Al түйіршіктерінде макросегрегация елеулі болды. Мысалы, 8091 АЛ қорытпасындағы Cu, Mg және Li үлестірімі 8091 белбеуінің ортасында шамамен 1,4-тен белбеудің шетінде 1,92 дейін 8091 белбеуінің бүркімеленген белбеуінде Cu ((күндік салмағы%) өзгерісімен таңқаларлықтай айқын макросегрегацияны көрсетті. Бұл макросегрегация үлгілері кері сегрегация тұрғысынан түсіндірілді, онда түйіршік ортасынан еріген бай сұйықтық түйіршіктің шетіндегі қатудың қысқаруын қоректендіру үшін бастапқы А-ға бай желі арқылы сорып алынады. Бұл әсерді билеттің айналуынан болатын центробегтік әсерлер күшейтеді деп болжалды. Сырқағанда билеттің пороздылығы әдетте 12% болады, ал субстратқа іргелес орналасқан шпалданған аймақта пороздылығы жоғары аймақ болады. Билеттің ең жоғарғы жағында көбінесе көбейген порозность болады, өйткені оның жоғарғы жағы тез арада атомдалатын газбен салқындатылады, ол бүркуден кейін 10 ~ 60 секунд бойы билетті салқындата береді. Сондай-ақ, бүркіткіш ретінде шұңқырлылықты басқаратын физикалық физиканы түсіну мен сандық тұрғыда анықтауда аз жетістіктер болды. Көп жағдайда билеттің түбіндегі және жоғарғы бөлігіндегі жоғары пороздықтар скальппен қайта өңделеді. Кейде қажетсіз ысырап болудың алдын алу үшін суық аймақ аймақтарының тереңдігін анықтау үшін ультрадыбыстық тексеру қолданылады. Қоспа жүйесі мен соңғы қолдануға байланысты қалған сыйымды материал әдетте пороздылығы толығымен жабылып, әртүрлі термомеханикалық өңдеулерге ұшырайды. Спрейден жасалған материалдар сирек қолданылады және көбінесе HIPing арқылы пороздылықты жою үшін өңделеді. Кейбір жағдайларда, порда қалған атомдық газ қорытпа элементтерімен әрекеттесіп, пайдалы фазалар пайда болуы мүмкін, мысалы, никельдің жоғары қорытпасы Rene 80 титанымен әрекеттесетін N2 TiN дисперсиясын қалыптастырады.
During spraying it is essential to maintain a constant top surface temperature and hence maintain steady state conditions if a billet with consistent microstructure is to be produced. At the billet surface, during spraying an enthalpy balance must be maintained where the rate of enthalpy lost (Hout) from the billet by conduction to the atomising gas and through the substrate, convection and radiation must be balanced with the rate of enthalpy input (Hin) from the droplets in the spray. There are a variety of factors that can be adjusted in order to maintain these conditions: spray height, atomiser gas pressure, melt flow rate, melt superheat and atomiser configuration, being those parameters most readily adjusted. Typically equipment such as closed circuit cameras and optical pyrometry can be used to monitor billet size/position and top surface temperature. If Hout is much greater Hin then a steady temperature is maintained at the billet top surface. The top surface should be in a mushy condition in order to promote sticking of incoming droplets and partial re melting of solid particles. The necessary partial re melting of solid droplets explains the absence of dendritic remnants from pre solidified droplets in the final microstructure. If Hin is insufficient to cause significant re melting, a 'splat' microstructure of layered droplets will form, typical of thermal spray processes such as vacuum plasma spraying (VPS), arc spraying and high velocity oxy fuel. Processing maps have been produced for plasma spraying and spray forming using a steady state heat balance in terms of the interlayer time (time between deposition events) against average deposition rate per unit area. These maps show the boundaries between banded un fused microstructure and an equiaxed homogeneous structure. The final phase of solidification occurs once droplets have impacted the mushy billet surface and thermal equilibration has taken place between the droplets and the billet. At this stage residual liquid is present as continuous network delineating polygonal grain boundaries, with a typical liquid fraction of 0.3 – 0.5. The cooling rates during solidification of the billet is several orders of magnitude slower than the cooling rate in the spray, at 1 20 Ks−1. Although one of the benefits of spray forming is purportedly the ability to produce bulk material with fine scale microsegregation and little or no macrosegregation work on Al Mg Li Cu alloys showed that as a consequence of the interconnected liquid in the billet there was significant macrosegregation in large spray formed wrought Al billets. The distribution of Cu, Mg and Li in, for example, Al alloy 8091 showed surprisingly pronounced macrosegregation with the variation of Cu(wt%) in a spray formed 8091 billet, ranging from approximately 1.4 at the billet centre to 1.92 at the billet periphery. These macrosegregation patterns were explained in terms of inverse segregation in which solute rich liquid from the billet centre is sucked back through the primary Al rich network to feed solidification shrinkage at the billet periphery. This effect was suggested to be exacerbated by centrifugal effects from the billet rotation. As sprayed the billet porosity is typically 1–2% with a region of higher porosity in the splat quenched region adjacent to the substrate. The very top of the billet often shows increased porosity because the top is rapidly chilled by the atomising gas which continues to chill the billet for 10–60 seconds after spraying. There has also been little progress in understanding and quantifying the underlying physics that controls as sprayed porosity. In most cases, the higher porosity at the billet base and top are scalped and recycled. Ultrasonic inspection is sometimes used to determine the depth of the chill zone regions to prevent unnecessary wastage. Depending on the alloy system and the final application, the remaining bulk material is usually processed to close porosity and subjected to a range of thermo mechanical treatments. Spray formed materials are rarely used in the as sprayed condition and are often treated by HIPing to remove porosity. In some cases, the residual atomising gas in pores may react with alloying elements to form allegedly beneficial phases e. g. N2 reacting with titanium in nickel superalloy Rene 80 to form a dispersion of TiN.