Введение
Спрей-форминг, также известный как литье в виде распыления, осаждение в виде распыления и уплотнение на месте, является методом литья металлических компонентов с однородными микроструктурами с помощью осаждения полутвердых распыленных капель на формованную подложку. В распылении образуется сплав, который плавится, как правило, в индукционной печи, затем расплавленный металл медленно заливается через конический тунд в небольшой керамический сопла. Расплавленный металл выходит из печи в виде тонкого свободно падающего потока и разбивается на капли кольцевым массивом газовых струй, и эти капли затем движутся вниз, ускоряясь газовыми струями, чтобы удариться о подложку. Процесс организован таким образом, что капли попадают на субстрат в полутвердом состоянии, что обеспечивает достаточную жидкую фракцию для "приклеивания" твердой фракции. Осаждение продолжается, постепенно создавая на подложке металлический комок в виде распыления. Процесс газового распыления обычно имеет скорость потока расплавленного сплава 1 × 20 кг / мин, хотя системы с двойным распылением могут достигать скоростей потока металла до 80 кг / мин. Специальные стальные бильты весом 1 тонну и более были изготовлены при помощи формования впрыском на коммерческой основе, а также кольцевые бланки из суперсплава Ni весом до 500 кг и бильты из сплава Al весом до 400 кг.
История
Профессор Сингер из Университета Суонси впервые разработал идею газового атомизированного распыления в 1970-х годах, в котором высокодавленный газовый струя сталкивается со стабильным потоком плавления, вызывая атомизацию. Полученные капли затем собираются на мишень, с которой можно манипулировать в спрее и использовать для формирования почти плотного коробки почти сетчатой формы. Спряжеобразование нашло применение в таких специализированных отраслях промышленности, как: облицовка труб мусоросжигателей из нержавеющей стали; диски и кольца из суперсплава никеля для аэрокосмических двигателей; алюминиевые титановые, алюминиевые неодимовые и алюминиевые серебряные цели для распыления; алюминиевые кремниевые сплавы для вкладок цилиндров; и высокоскоростные стали. История формования спреем является примером того, как творческий вклад многих исследователей был необходим в течение ряда лет для производства инноваций в промышленном процессе, который сейчас широко используется.
Преимущества
Спрей-форминг предлагает определенные преимущества как по сравнению с традиционной металлургией слитков, так и более специализированными методами, такими как порошковая металлургия. Во-первых, это гибкий процесс, который может использоваться для производства широкого спектра материалов, некоторые из которых трудно изготовить другими методами, например, сплавы Al 5wt% Li или Al SiC, композиты Al Al2O3 с металлической матрицей (MMC). Атомное расщепление потока плавления в капли диаметром 10 500 мкм, некоторые из которых, в зависимости от диаметра, быстро охлаждаются до твердого и полутвердого состояния, обеспечивают большое количество нуклеантов для остаточной жидкой фракции распыленного материала на верхней поверхности билета. Сочетание быстрого охлаждения в распылителе и создание большой популяции твердых нуклеантов в ударном распылителе приводит к тонкой равноволновой микроструктуре, обычно в диапазоне 10100 мкм, с низкими уровнями и короткими длинами внутреннего разделения растворенного вещества. Эти микроструктурные аспекты предлагают преимущества в прочности материала из-за размеров мелких зерен, утонченного распределения дисперсоидных и/или вторичных осадочных фаз, а также толерантности к элементам "осадочных" примесей. Эта тонкая структура в "распыленном" состоянии означает, что гомогенизирующей термической обработке часто можно избежать. Из-за сложного пути затвердевания (т.е. быстрого перехода от перегретого плавленого материала к твердому, жидкому или полутвердому капле, к равновесию температуры на полутвердом верхушке и окончательному медленному охлаждению до полностью твердого материала) распыляемого материала, также сообщалось о расширенной растворимости легирующих элементов и образовании метастабильных и квазикристаллических фаз. Одной из главных привлекательных черт формования в виде распыления является потенциальная экономическая выгода, получаемая от сокращения количества этапов процесса между плавлением и готовым продуктом. Спрей-формингом можно производить ленты, трубки, кольца, покрытые стержни/ролики и продукты цилиндрического экструзионного производства, причем в каждом случае микроструктура имеет относительно тонкий масштаб даже в больших поперечных сечениях. Преимущества ГАЗФ по сравнению с порошковой металлургией обусловлены сокращением числа этапов процесса, в которых могут быть устранены этапы просеивания порошка, прессования, дегазирования и обработки, а также связанные с ними проблемы безопасности и загрязнения.
Недостатки
Процесс распыления газа в виде распыления имеет два основных недостатка. Наиболее значительным недостатком является относительно низкий урожай процесса с типичными потерями ~ 30%. Потери возникают из-за перераспыления (капли, не попадающие в появляющийся комок), брызг материала с поверхности комок и "отскакивания" материала от полутвердой верхней поверхности. Многие операторы процесса формования в распыленном виде теперь используют систему инжекции частиц для повторного впрыска перераспыленного порошка и, таким образом, перерабатывают материал, который в противном случае был бы потерян, или продают перераспыленный порошок как продукт в отдельности. Второй большой недостаток - это контроль процесса. Поскольку это по существу свободное формирующее действие со многими взаимозависимыми переменными, оказалось трудно предсказать форму, пористость или скорость осаждения для данного сплава. Большая часть управления основана на опыте оператора и эмпирических отношениях. Отчасти это связано с сложностью процесса и отсутствием надежного контроля процесса, что препятствовало широкой коммерциализации этого процесса. Некоторые разработки с использованием контроля обратной связи оказались успешными в улучшении колебаний диаметра колючки и улучшении урожайности в конкретных системах, но они еще не нашли широкого применения. Порозность, возникающая в результате зацепления газа и сжатия при затвердевании, является серьезной проблемой в материалах, сформированных в виде распыления. Типичный билет, сформированный в виде распыления, будет содержать пористость 12%, при этом размер пор будет зависеть от диапазона замерзания сплава и различных параметров процесса. Горячее изостатическое прессование (HIP) или термомеханическая обработка могут исцелить эти поры, если они небольшие (менее 30 мкм). Несмотря на эти недостатки, формование впрыском остается экономическим процессом для производства трудноизготавливаемых нишевых сплавов. Большие пористые участки труднее эффективно заживают и должны быть сведены к минимуму путем тщательного контроля процесса. В некоторых случаях пористость контролируется добавлением сплавов, которые вступают в реакцию с растворенным и захваченным газом, образуя твердую фазу, например, титан, добавленный к медной коробке, образует нитрид титана с растворенным и захваченным газом азота. Порозность, даже после консолидации, может ограничить применение материала, сформированного в виде распыления, например, компоненты вращающихся газовых турбин должны иметь нулевую пористость из-за вредного воздействия на высокую усталость цикла (HCF).
Коммерциализация
Несмотря на проблемы, связанные с процессом формования, в течение последних 35 лет промышленный интерес к формованию был устойчивым. Sandvik Osprey (бывшая Osprey Metals Ltd) из Неа, Южный Уэльс, владеет патентами на этот процесс и лицензирует технологию для целого ряда отраслей промышленности. В настоящее время в мире действует около 25 лицензиатов, начиная от небольших научно-исследовательских и опытно-конструкторских предприятий и заканчивая полномасштабными коммерческими операциями. Основные применения - это предварительные материалы для низкотемпературных сверхпроводников Nb3Sn (CuSn), оборудования для бурения нефти (материал с высокой прочностью CuMnNi) и для формования инструментов (CuAlFe с высоким содержанием Al). Во всех этих областях исследования касаются согласования недостатков стоимости и сложности формования распылением с спросом на высокопроизводительные сплавы в нишевых областях.
Таяние
Первые работы по формованию распылением основывались на резистивно нагреваемой электрической термофоре. Затем расплав проходит через сопла Al2O3 диаметром 3 мм. Однако низкая скорость потока потребовала высокого перегрева, чтобы предотвратить затвердевание в сопла. Следующим поколением методов плавления в приложениях для формования распылением стали индукционные установки нижнего литья, которые предлагают много преимуществ. В этой системе плавильный тигль находится непосредственно над головкой атомизатора с керамической насадкой, подающей непосредственно из печи в атомизатор. Запорная палка проходит через расплавленный металл до верхней части наполнительной сопла, палка вытягивается, когда расплавленный металл достигает установленной температуры для распыления, обычно выше жидкости сплава. В качестве альтернативы используется предварительно подготовленная пробка из сплава для блокировки насадки, и при заданном перегреве эта пробка плавится, позволяя содержимому печи сливаться через насадку. Другая проблема, связанная с нижними литьевыми печами, - это изменение скорости потока, связанное с уменьшением металлической статической головы в тигле. В некоторых случаях, введение перенапряжения инертного газа во время литья может компенсировать этот эффект. Альтернативный подход - наклонная литейная печь, при которой индукционная печь наклоняется, чтобы залить плавленый металл в конический тунд, который, в свою очередь, доставляет расплавленный металл в сопла для подачи плавленого металла. Система наклона наполнения обеспечивает преимущество, что плавление отделяется от процедуры распыления, так что проблемы плавления и исправные решения не влияют или нарушают критическую установку сопла для подачи плавленого топлива. В самой сложной системе плавления, используемой только для производства турбинных кованых пустоты из сверхсплава никеля путем формования впрыском, вакуумное индукционное плавление, электроплавление и холодное плавильное тиглы были объединены GE для контроля уровня примеси сплава и наличия огнеупорных включений в расплавленном металлическом запасе. Чистое металлическое распыливание (CMSF) сочетает в себе процесс очистки электрозолоты, индукционный гид с холодными стенками и газовое атомизированное распыливание. Этот подход привел к сокращению числа дефектов, связанных с плавлением (поры, включения и т. д.). ), более тонкий размер среднего зерна, возможность производства более крупных слитков и возможность обрабатывать более широкий спектр сплавов.
Атомизация
Существует множество различных методов атомизации расплавленных металлов, многие из которых получены из промышленности порошковой металлургии и были подробно рассмотрены в других местах. Существует два основных метода распыливания, используемых при распылении: центробежное распыливание для изготовления кольцов почти сетчатой формы и газовое распыливание для изготовления колонн, труб и полос.
Центробежная распыливающая система
Центробежная атомизация включает в себя налив расплавленного металла с относительно низкими скоростями потока (0,1 2 кг/мин) на спинную пластину, тарелку или диск, при этом скорость вращения достаточна для создания высоких центробежных сил на периферии и преодоления поверхностного напряжения и вязких сил, поэтому расплав фрагментируется на капли. Диаметры капель, полученных при центрифужной атомизации, зависят в первую очередь от скорости вращения (до 20 000 оборотов в минуту) и обычно находятся в диапазоне 201000 мкм с скоростью охлаждения порядка 104 Ks−1. Центробежная атомизация обычно проводится в инертной атмосфере Ar или N2, чтобы предотвратить окисление мелких капель, или может проводиться в вакууме.
Атомная обработка газа
Тонкость плавления выходит из сопла для подачи плавления в камеру распыления. Тонкость потока плавления защищена от дестабилизации турбулентной газовой средой в камере распыления первичными газовыми струями, работающими при промежуточном давлении инертного газа от 2 до 4 бар. Полученный газовый поток параллелен потоку плавления для стабилизации потока плавления. Вторичный атомизатор использует высокоскоростные (250-350 мс−1) и высокодавление (6-10 бар) газовые струи для воздействия на расплавленный поток для достижения атомизации. В результате испытаний на химические вещества, используемые в качестве химических веществ, было установлено, что они не могут быть использованы в качестве химических веществ. Типичные диаметры капель следуют логистическому нормальному распределению с диаметрами порошка до ~600 мкм с медианным диаметром массы ~150 мкм. Массовый расход атомирующего газа в расчете на массовый расход расплавленного металла является ключевым параметром в контроле диаметра капель и, следовательно, скорости охлаждения, температуры колонки и плотности нуклеанта твердых частиц. Отношение газометаллических соединений (GMR) обычно находится в диапазоне от 1,5 до 5,5, при этом уровень выхода уменьшается, а скорость охлаждения в распылителе увеличивается с увеличением GMR. Обычно при низкой ГМР (1,5) урожайность составляет 75%, если ГМР увеличивается до 5,0 при сохранении всех остальных параметров неизменными, урожайность процесса снижается до 60%. Разработаны сканирующие распылители, которые позволяют производить коробки диаметром до 600 мм, что примерно в два раза больше диаметра, возможного при использовании статического распылителя. Голова атомизатора колеблется механически на 5-10° при типичной частоте 25 Гц, чтобы отклонить расплавленный поток, создавая траекторию распыления, синхронизированную со скоростью вращения коллекторной пластины, чтобы отложить параллельно расположенный конец. Используя программируемые колебательные атомизаторы, удалось улучшить форму и воспроизводимость формы отложений, сформированных в виде распыления. Было показано, что параллельные боковые, плосковерховые колонки могут быть распылены воспроизводимым образом, если частота вращения подложки и частота колебаний атомизатора были синхронизированы и оптимизированы для конкретных сплавов и скоростей потока плавления. Двойные системы атомизации сочетают в себе статический и сканирующий атомизаторы, что позволяет распылять билет диаметром до 450 мм с экономическими преимуществами. Газ для атомизации, используемый при распылении, обычно представляет собой N2 и может быть защитным или реактивным в зависимости от системы сплава, или Ar, который обычно полностью инертен, но дороже, чем N2. В небольшом количестве в распылительный газ могут вводиться реактивные газы для создания дисперсивно укрепленных сплавов, например, 0,510% O2 в N2, используемых для создания оксидно-дисперсивно укрепленных (ODS) сплавов АЛ. Сравнения распыления на основе N2 и Ar показали, что при остальных неизменных факторах температура верха колонки была ниже с N2 чем с Ar из-за различий в тепловой диффузивности двух атомирующих газов: Ar имеет теплопроводность 0,0179 W/mK, что примерно на треть меньше, чем N2 с теплопроводностью 0,026 W/mK. Механизмы распада и атомизации расплава были тщательно исследованы, показав, что атомизация обычно состоит из 3 этапов: (1) первичное распадение потока расплава; (2) расплавленные капли и связки подвергаются вторичному расщеплению; (3) частицы охлаждаются и затвердевают. Теоретический анализ процесса атомизации для прогнозирования размера капель привел к моделям, которые лишь умеренно согласуются с экспериментальными данными. Исследования показывают, что во всех случаях газовое распыление расплавленного металла дает широкий диапазон диаметров капель, обычно в диапазоне 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 полученной микроструктуры билета. На расстоянии полета 300400 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 и на расстояниях до 180 мм от атомизатора, капли все еще ускорялись газом. Капли охлаждаются в полете преимущественно конвекцией и излучением...
Микроструктура, сформированная в виде распыления
При распылении необходимо поддерживать постоянную температуру поверхности и, следовательно, поддерживать стабильные условия, если будет получен билет с последовательной микроструктурой. На поверхности билета во время распыления должен поддерживаться энтальпийный баланс, при котором скорость энтальпии, потерянной (Hout) от билета при провождении в атомирующий газ и через субстрат, конвекцию и излучение, должна быть сбалансирована со скоростью входа энтальпии (Hin) от капель в распылении. Существует множество факторов, которые могут быть скорректированы для поддержания этих условий: высота распыления, давление газа в распылителе, скорость потока плавления, перегрев плавления и конфигурация распылителя, причем эти параметры наиболее легко регулируются. Обычно для мониторинга размера/позиции колонки и температуры верхней поверхности можно использовать оборудование, такое как камеры с замкнутым контуром и оптическая пирометрия. Если Hout намного больше Hin, то на верхней поверхности колонки поддерживается постоянная температура. Верхняя поверхность должна быть мягкой, чтобы способствовать прилиплению поступающих капель и частичному переплавлению твердых частиц. Необходимость частичного переплавления твердых капель объясняет отсутствие дендритных остатков из предварительно затвердевших капель в конечной микроструктуре. Если Хин недостаточно, чтобы вызвать значительное переплавление, образуется "разблокированная" микроструктура слоистых капель, типичная для процессов термического распыления, таких как вакуумное распыление плазмы (VPS), дуговое распыление и высокоскоростное окси-топливо. Для распыления плазмы и формования при помощи распыления были составлены карты обработки с использованием теплового баланса в устойчивом состоянии с точки зрения времени между слоями (время между событиями осаждения) по сравнению со средней скоростью осаждения на единицу площади. На этих картах показаны границы между полосой нерастворенной микроструктурой и равноосевой однородной структурой. Заключительная фаза затвердевания происходит после того, как капли попадают на мягкую поверхность колючки, и происходит тепловое равновесие между капельками и колючкой. На этой стадии остаточная жидкость присутствует в виде непрерывной сети, очерчивающей границы многоугольных зерен, с типичной жидкой фракцией 0,3 0,5. Скорость охлаждения при затвердевании колонки на несколько порядков меньше скорости охлаждения в спрее, при 1 20 Ks−1. Хотя одним из преимуществ формования распылением является якобы способность производить сыпучий материал с микросегрегацией в тонком масштабе и небольшой или отсутствующей макросегрегацией, работа над сплавами Al Mg Li Cu показала, что вследствие взаимосвязанной жидкости в коробке была значительная макросегрегация в крупных формованных распылением кованых коробках Al. Распределение Cu, Mg и Li, например, в сплаве Al 8091, показало удивительно выраженную макросегрегацию с изменением Cu ((в массе%) в распыленном формируемом билете 8091, варьирующемся от примерно 1,4 в центре билета до 1,92 на периферии билета. Эти макросегрегационные модели были объяснены с точки зрения обратной сегрегации, при которой жидкость, богатая растворенными веществами, из центра билета всасывается обратно через первичную сеть, богатую алкалием, для питания сжатия застывания на периферии билета. Предполагалось, что этот эффект усугубляется центробежными эффектами от вращения колонки. При распылении пористость билета обычно составляет 12%, при этом область более высокой пористости в области с затушенным пятном, прилегающей к подложке. Сама верхняя часть колонки часто имеет повышенную пористость, потому что верхняя часть быстро охлаждается атомизирующим газом, который продолжает охлаждать колонку в течение 10 60 секунд после опрыскивания. Также был небольшой прогресс в понимании и количественном определении физики, которая контролирует порчивость при распылении. В большинстве случаев, более высокая пористость в основании и верхушке билета скальпируется и перерабатывается. Ультразвуковой контроль иногда используется для определения глубины охлаждающих зон, чтобы предотвратить ненужные потери. В зависимости от системы сплава и конечного применения, остаток сыпучего материала обычно обрабатывается до закрытой пористости и подвергается ряду термомеханических обработок. Материалы, сформированные в виде р...