Формовка распылением, также называемая литьем распылением, представляет собой металлургический процесс, который формирует компоненты, близкие к чистой форме, с низкой сегрегацией и однородной микроструктурой. Процесс сочетает в себе явления распыления, осаждения и консолидации. Формовка распылением может легко использовать сплавы для производства компонентов, которые трудно отливать, таких как никель, сплавы на основе, быстрорежущая сталь и т. д. Этот передовой производственный процесс используется для производства колец, дисков и уплотнительных сегментов для авиационных двигателей. Не только это, но он также используется для производства труб, инструментов и цилиндрических экструзионно-плакированных прутков.
История распылительной формовки
В 1970-х годах Сингер и его команда успешно использовали распылительную формовку для производства компонентов еды в Университетском колледже Суонси. Он продемонстрировал, что газовое распыление может формировать металлические полосы непосредственно из расплавленного металла. Osprey была первой компанией, которая использовала этот процесс на коммерческом уровне. Вот почему его также называли процессом Osprey. Позже для производства металлических компонентов также использовалось жидкостное динамическое уплотнение (LDC), которое подчеркивало быстрое затвердевание для улучшения свойств материала. Со временем распылительная формовка металла проложила путь для его использования в производстве форм, близких к заданным.
Процесс формования распылением
Подготовка расплава
На первом этапе процесса распылительного формования в тигле готовится чистый, предварительно смешанный металлический расплав. Здесь:
- Для уменьшения температурного градиента поддерживается очень низкий перегрев.
- Для предотвращения окисления плавильная камера продувается инертным газом, например азотом или аргоном.
- Для поддержания защитной атмосферы применяется небольшое избыточное давление.
Доставка расплава
Теперь этот расплав выгружается со дна тигля через промежуточный ковш в зону распыления. На этом этапе обеспечивается постоянный, контролируемый поток расплава для надлежащего распыления.
атомизация
В камере автоматизации быстро движущийся инертный газ смешивается с расплавом, образуя мелкие капли. Размер этих капель составляет от 20 до 200 мкм. Газовая струя не только отвечает за образование мелких капель, но и обеспечивает конвективное охлаждение и инициирует быстрое затвердевание по мере прохождения капель через распылитель.
Охлаждение и ускорение капель
Покидая распылительную камеру, капли разгоняются до скоростей 50–100 м/с, охлаждаясь в полете. Около 60–80% скрытого тепла удаляется из капель в течение нескольких миллисекунд распыления. Оставшееся тепло рассеивается в течение периода до 300 секунд. Таким образом, капля затвердевает, достигая подложки на разных стадиях.
Нанесение на подложку
Наконец, капля падает на движущуюся или неподвижную подложку, сплющивается и затвердевает, образуя плотный консолидированный осадок. Плотность материала здесь составляет от 96 до 99.5%.
Разработка микроструктуры
Процесс формования распылением металла способствует переохлаждению, что приводит к образованию мелких, одинаковых по размеру и форме частиц во всех направлениях. Состав материала остается однородным из-за отсутствия макросегрегации.
Применение процесса распылительной формовки
Производство полос и листов
Металлические полосы и листы с мелкозернистой структурой изготавливаются методом распылительной формовки. Эти листы и полосы обладают высокой коррозионной стойкостью и замечательными механическими свойствами.
Кольца и трубки
Одной из самых замечательных областей применения распылительной формовки является производство колец большого диаметра и бесшовных труб. Эти кольца и трубы производятся для отраслей, где важны высокие показатели прочности и веса, а также однородная микроструктура. В основном они производятся для аэрокосмических компонентов и оборудования для генерации электроэнергии.
Конструкционные материалы
Формовка распылением также широко используется в производстве конструкционных металлов в различных отраслях промышленности. Сюда входят такие материалы, как алюминий, сталь и медные сплавы.
Алюминиевые сплавы
Производство различных сплавов на основе алюминия осуществляется методом распылительной формовки, например:
- Сплавы Al-Si для автомобильной промышленности. Эти сплавы обеспечивают улучшенную износостойкость и литейность компонентов.
- Сплавы Al-Li для аэрокосмической и морской промышленности.
Преимущества распылительной формовки
Почти чистая форма
При распылительной формовке полутвердые металлические частицы непосредственно осаждаются на подложку, производя материал с формой, близкой к чистой. Это не только приводит к минимизации отходов материала, но и снижает общую стоимость производства.
Меньше дефектов
Процесс осуществляется в инертной атмосфере, что означает меньшую вероятность реакции металла с кислородом или другими газами. Это помогает предотвратить дефекты в конечном продукте.
Снижение затрат и энергопотребления
Одним из исключительных преимуществ металлического распылительного формования является то, что оно не требует дорогих форм или инструментов и потребляет меньше энергии. Это делает его экономически эффективным и быстрым.
Ровная и тонкая микроструктура
Материалы, полученные методом распыления, как правило, имеют небольшие размеры зерна и мелкие вторичные фазы. В результате они имеют равномерную внутреннюю структуру, что обеспечивает лучшие механические свойства.
Высокая плотность
In обычный процесс порошковой металлургии, из-за ограниченного процесса прессования и низкой эффективности спекания, плотность деталей обычно составляет около 95%. Тогда как при формовании распылением высокая плотность деталей обычно до 98% достигается за счет минимизации пористости.
Ограничения источников данных для распылительной формовки
Пористость конечного продукта
Хотя хорошо известно, что распылительное формование позволяет получать тонкие микроструктуры материала, конечный продукт все равно имеет небольшие внутренние отверстия, такие как литая пористость. Вот почему может потребоваться такая обработка, как прокатка или экструзия.
Потери металла
В процессе может быть потеряно значительное количество металла. Сюда входит:
- при распылении: Металлические капли, не попавшие в цель.
- Отскок: Капли, которые ударяются о поверхность, но не прилипают.
- Обработка: Излишки материала, которые необходимо удалить позже.
Высокая стоимость инертных газов
Мы знаем, что для распыления расплавленных металлов требуется инертный газ, но он довольно дорогой, что делает процесс менее экономичным.
Сложный контроль процесса
Контролировать и управлять процессом в режиме реального времени сложно, что затрудняет обеспечение постоянной микроструктуры и формы без дополнительных корректировок или исправлений.