喷射成形是20世纪70年代由英国人A.胜家(Singer)首先提出的。后来,英国奥斯普瑞(Osprey)公司将其发展成一种实用技术,称为Osprey工艺。控制喷射沉积和液体动压实,本质上也是喷射成形。
当一股熔化的金属液流通过雾化喷嘴时,被高速气流雾化成不同大小的液滴(直径10~300微米),这些液滴被气体加速冲向收集器并在飞行过程中冷却后凝固。在到达收集器时,较小的液滴已完全凝固,大的液滴仍保持液相。而大多数中间尺寸的液滴则处于半固/半液状态或过冷状态。这些粒子撞击到收集器表面时,半固/半液态粒子会破碎,大的液态粒子变成扁平状将小的固相粒子及半固态粒子碎片黏合在一起,凝固后形成密实的块状材料。这种喷射成形的材料具有快速凝固加粉末冶金的特征。
与铸锭法及粉末冶金法相比,喷射成形工艺方法具有以下优点:①通用性及灵活性好,可方便地生产各种合金材料制品,如圆锭、管坯、板坯及成形件,也可方便地生产多层复合材料。②向雾化的液滴中喷入碳化硅等陶瓷颗粒,可方便地生产颗粒增强金属基复合材料。颗粒的体积含量可达20%以上。③喷射成形材料的密度可达理论密度的98%以上,晶粒细小,无宏观偏析及枝晶组织,可减小二次加工的变形量,简化二次加工工序。某些材料还具有触变性,可用半固态加工方法制造复杂形状的零件。④与粉末冶金工艺相比,简化了生产工序,从根本上解决了氧的污染问题。喷射成形的铝合金中的氧含量可从粉末冶金的2000ppm降到150ppm以下。⑤具有很高的生产率。单喷嘴的生产率可达到5~150千克/分钟,一般相当于铝、铜合金的半连铸及连铸生产率。
用于喷射成形圆锭(复合材料)及管坯的装置主要由5部分组成:①金属的熔化及分配部分,可采用感应炉或中间包。②雾化喷嘴,一般采用单喷嘴。为得到厚度均匀的制品,喷嘴可以摆动,或采用多个喷嘴。③雾化沉积室,对于活性金属,需配有真空装置。④收集器驱动装置。⑤气体控制装置,用来控制金属液面上的压力、雾化压力以及雾化沉积室内的压力。如制备颗粒增强材料,需加装颗粒喷射装置。此外,还有收粉装置以及必要的防保安全装置。
喷射成形只有少数工厂用于正式生产,大多是试验装置,用于锌、铝、铜、镁及钴合金,钛合金和SiCp/Al材料的圆锭直径可达100~300毫米,长度可达14米,沉积速度为5~25千克/分钟产品晶粒细小,不含有氧化膜,性能和粉末冶金产品及变形制品相当。IN718和René 95高温合金具有细小的等轴晶粒(30微米),可达到100%的密度,性能也达到或超过变形合金。镍铝金属间化合物的晶粒尺寸可小到15微米,可直接作圆坯和管坯。合金钢管已可批量生产,直径为100~400毫米,壁厚可达40毫米,长度可达8米,沉寂速度为40~150千克/分钟。喷射成形方法生产的复合线材轧辊已有商品出售。喷射成形技术的发展,会显著地提高材料的性能,简化加工过程,并使传统的材料制备及加工方法发生根本性变化,从而满足各种需要。