2A12鋁合金噴射沉積坯的形狀控制及顯微組織

鄭大亮，高 鵬，尹建成，劉英莉，王宇鋒，鐘 毅

（昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093）

0 引 言

噴射沉積技術由英國Singer教授［1］于20世紀70年代首次提出，是一種基于快速凝固的先進材料制備技術。該技術的優點是：材料具有快速凝固的顯微組織特征，晶粒為細小的等軸晶，消除了宏觀偏析，含氧量低，材料性能高，工藝流程短，成本低［2-3］。連續擠壓技術是1971年英國原子能局（UKAEA）斯普林菲爾德研究所的Green教授發明。連續擠壓具有的特點是：能耗低，材料利用率高，可實現連續化生產，制品組織性能均勻性好，設備緊湊、占地小，生產費用低［4-5］。

噴射沉積連續擠壓技術結合了噴射沉積技術和連續擠壓技術，具有流程短、近凈成形、節能、可連續化生產等特點，可實現高合金低塑性材料的制備生產，未來具有廣闊的應用前景。它是利用噴射沉積快速冷卻制備的坯料作為連續擠壓的原材料，再利用連續擠壓進行連續化生產，連續擠壓后能夠消除噴射沉積坯中的空隙，使沉積坯致密。

噴射沉積與連續擠壓兩種技術對接匹配是該集成技術面臨的關鍵問題。一般噴射沉積坯較寬（大于100mm），而連續擠壓機輪槽較窄（10～28mm），存在尺寸不匹配的問題，因此，必須嚴格控制噴射沉積坯形狀與尺寸，使噴射沉積坯料盡可能多地沉積到連續擠壓機輪槽內，才能實現噴射沉積與連續擠壓兩種技術良好對接匹配。目前，關于噴射沉積的研究［6-13］較多，其中噴射沉積沉積坯形狀控制的研究也有一些［14-16］，但這些研究都是通過控制沉積坯與噴嘴之間的相對運動來實現沉積坯的特定形狀，且制備的沉積坯尺寸較大，不能滿足噴射沉積連續擠壓的工藝要求。探索如何使噴射沉積坯落在較窄的寬度范圍，不僅對噴射沉積連續擠壓技術意義重大，還可實現近凈成形小尺寸坯料的直接噴射制備，而此方面的研究國內外仍是空白。通常噴射沉積所采用的噴嘴為環孔型噴嘴［2］，其噴射區域為圓形，多用于制備圓柱狀沉積坯。而采用噴射沉積連續擠壓工藝時，半固態沉積坯必須沉積到連續擠壓機輪槽內，所以沉積坯應控制成窄條狀，采用環形噴嘴已不合適。為此，作者利用自主設計的雙輥和四輥流型控制器，選擇線性噴嘴，通過改變霧化氣體壓力來實現對噴射沉積區域的控制，并對沉積坯形狀和顯微組織進行了觀察。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為2A12硬鋁合金，其名義成分為Al-4.3Cu-1.5Mg（質量分數／%）。沉積基板為45鋼板，噴射沉積連續擠壓選用的線性噴嘴參數見表1，兩種結構的流型控制器的工作示意見圖1。

表1 線性噴嘴的參數Tab.1 The parameters of linear nozzle

圖1 兩種流型控制器工作示意圖Fig.1 The zone control schematic of the two types flow controller：（a）twin-roller flow controller and（b）four-roller flow controller

據作者前期的研究發現，輥輪轉速越快，區域控制效果越好。因此，大輥轉速均選擇為1 500r·min-1，經計算其線速度為12.2m·s-1。

采用自由噴射、雙輥流型控制器和四輥流型控制器進行沉積，過熱度192℃，霧化氣體壓力0.4MPa，大輥轉速1 500r·min-1，噴射沉積距離265mm。觀察沉積區域的控制效果，選出區域控制效果最好的一種流型控制器，在不同霧化氣體壓力（0.2，0.3，0.4MPa）下，進行噴射沉積連續擠壓，其它參數不變。隨后采用Leica光學顯微鏡觀察沉積坯的顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 流型控制器的選擇

由圖2可以看出，采用自由噴射沉積時，沉積坯大致呈橢圓形，沉積坯尺寸較大；采用雙輥流型控制器進行噴射試驗時，沉積坯形貌已經有了改變，中心部隆起較高，呈高斯分布，即有大量金屬熔滴沉積到了沉積坯中部，但其寬度仍然較寬，須進一步減小沉積區域寬度；采用四輥流型控制器進行噴射試驗時，沉積坯長度和寬度都大大減小，而且沉積坯橫截面的高斯分布明顯，沉積坯總寬度約20mm，在中心15mm范圍內集中有80%沉積坯，基本滿足與連續擠壓機輪槽的幾何匹配。

采用自由噴射沉積時，由于氣流沒有限制，由線性噴嘴噴出的金屬熔滴破碎霧化，自由降落，飛行中有一定發散角，形成近似橢圓形的沉積坯，尺寸較大。由于中部氣流最強，所攜帶的金屬熔滴也最多，因此沉積坯中部產生橢圓形隆起；而周圍區域發散氣流較小，所攜帶金屬熔滴也較少，因此產生的外輪廓尺寸較大但較薄。采用流型控制器約束噴射時，10mm寬的輥縫間距有效控制了霧化氣體發散，同時輥面線速度達到12.2m·s-1，其產生的離心力可將粘附的熔滴甩下。采用雙輥流型控制器可以初步限制氣流以達到控制沉積坯寬度的作用，但輥縫離沉積基板還有一定距離，所以氣流仍會產生一定發散，沉積坯寬度仍然較寬。四輥流型控制器在雙輥的下方增加了一對小輥，氣流得到了二次限制，同時小輥輥縫與沉積基板距離較近，也有效地避免熔滴飛行時沉積范圍的擴大，因此所制得沉積坯寬度較窄，且集中在中心部分。

圖2 三種試驗條件下沉積坯橫截面形貌Fig.2 The cross-sectional morphology of deposited billets in the three experiment conditions：（a）free spray；（b）twin-roller flow controller control and（c）four-roller flow controller control

從圖3可見，三種沉積坯均有噴射沉積典型的顯微組織，晶粒大致呈球狀等軸晶，大小均勻，沉積坯內部有明顯的孔隙。從晶粒尺寸上來看，當采用四輥流型控制器（0.4MPa霧化氣體壓力）時，晶粒最細小均勻，晶粒尺寸為27μm，約為相同的霧化氣體壓力下自由噴射沉積坯晶粒尺寸的一半。影響噴射沉積坯晶粒尺寸的主要因素為熔滴的冷卻速率［6-7］，在自由噴射沉積時，通過調節氣體與金屬流速比可控制冷速，通常增大霧化氣體壓力可使晶粒更細小。而采用雙輥和四輥流型控制器進行沉積時，熔滴接觸到輥面后，冷的鋼輥表面加速了接觸熔滴的冷卻速率，相當于二次冷卻，進一步強化了快速凝固效果。這點對于降低噴射沉積霧化氣體消耗非常有利，可以在獲得相同快速凝固晶粒組織的同時降低生產成本。

圖3 三種試驗條件下沉積坯的顯微組織（0.4MPa）Fig.3 Microstructure of deposited billets in three experiment conditions（0.4MPa）：（a）free spray；（b）twin-roller flow controller control and（c）four-roller flow controller control

綜上可知，同等條件下采用四輥流型控制器不但沉積坯寬度最窄，而且晶粒最細小；即達到了相同快速凝固效果，又節約霧化氣體。

2.2 霧化氣體壓力的選擇

采用四輥流型控制器在三種霧化氣體壓力下的沉積坯整體長寬相差不大，但沉積坯的質量相差較大，0.2MPa下制得的沉積坯質量約為0.3MPa下的1.5倍，約為0.4MPa下的3倍。由圖4可以看出，霧化氣體壓力為0.2MPa時，制得的沉積坯高斯分布較平緩，寬度大；0.3MPa時，沉積坯寬度較窄，高度最高；0.4MPa時，沉積坯寬度最窄，高度較矮。當霧化氣體壓力較大時，沉積坯中心部隆起部分會變窄，這點有利于與連續擠壓的結合，但是隨著霧化氣體壓力的增大，過噴粉末會大大增加，造成材料利用率的降低，此外較大的固相分數也不利于后續連續擠壓的致密化；而霧化氣體壓力較小時，噴射過程中過噴粉末較少，沉積坯質量較大，但是寬度較寬，真正落入擠壓機輪槽內的金屬質量較少，也造成材料利用率降低，此外由于冷卻速率的下降，晶粒粗大。當選用0.2MPa時，中心隆起部分寬度過寬，沉積入輪槽較少，而選用0.4MPa時，中心部分較窄，但過噴粉末較多，從沉積坯截面形貌來看選擇0.3 MPa霧化氣體壓力最合適。

由圖5可見，隨著霧化氣體壓力的減小，沉積坯晶粒尺寸不斷增大，在0.4，0.3，0.2MPa的霧化氣體壓力下，所得沉積坯的晶粒尺寸分別為27，32，60μm。0.3MPa霧化氣體壓力時，晶粒尺寸約為0.2MPa時的一半；而采用0.4MPa時，晶粒尺寸并沒有比0.3MPa減小很多。因此選用0.3MPa霧化氣體壓力，既可獲得較好的快速凝固效果，又能盡可能地降低氣體消耗，節約成本。從圖6可見，采用四輥流型控制器，在0.3MPa霧化氣體壓力下噴射沉積連續擠壓制備的直徑7mm 2A12鋁合金桿表面光潔。

圖4 采用四輥流型控制器在不同霧化氣體壓力下制得沉積坯的截面形貌Fig.4 The cross-sectional morphology in different gas pressures under four-roller flow controller control

圖5 采用四輥流型控制器在三種霧化氣體壓力下制得沉積坯的顯微組織Fig.5 The microstructure of deposited billets in different gas pressures under four-roller flow controller control

圖6 0.3MPa霧化氣體壓力下噴射沉積連續擠壓制備的直徑7mm 2A12鋁合金桿Fig.6 2A12Al alloy rod in diameter of 7mm prepared by spray conforming in gas pressure of 0.3MPa

3 結 論

（1）采用四輥流型控制器對噴射沉積過程進行控制，得到的沉積坯寬20mm，沉積坯截面呈高斯分布，可滿足噴射沉積連續擠壓工藝要求。

（2）采用四輥流型控制器進行噴射沉積時，沉積坯晶粒為球狀，晶粒尺寸最小，約為相同條件下自由噴射沉積時的一半。

（3）采用四輥流型控制器進行沉積時，最適合的霧化氣體壓力為0.3MPa。

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