傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數(shù)制訂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及噴射成形工藝參數(shù)制訂方法，特別設(shè)及傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工 藝下具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的多工藝參數(shù)的制訂方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 噴射成形是新一代合金快速凝固技術(shù)。凝固技術(shù)發(fā)展的主要方向是提高凝固速 率，其主要實(shí)現(xiàn)方式是通過細(xì)化烙體凝固單元來提高散熱速率。凝固技術(shù)經(jīng)歷了模鑄階段， 發(fā)展到半連續(xù)鑄造技術(shù)，其凝固單元從厘米級到毫米級，而作為新一代凝固技術(shù)，噴射成形 技術(shù)的凝固單元達(dá)到微米級。
[0003] 噴射成形基本過程是將液態(tài)金屬在受控氣氛（常見為惰性）中霧化，形成液滴噴 射流，經(jīng)過飛行冷卻，在半固態(tài)時沉積到收集器上，烙合形成致密巧。它把液態(tài)金屬的霧化 (快速凝固）和霧化烙滴的沉積（烙滴動態(tài)致密固化）結(jié)合起來，在一步冶金操作中，直接 從液態(tài)金屬制備巧件。噴射沉積實(shí)際上可看作半固態(tài)沉積層的疊加而形成。
[0004] 噴射成形工藝的獨(dú)特性就在于其快速凝固過程，包括霧化和沉積兩個核屯、階段， 只有當(dāng)霧化噴射錐和沉積巧表面均為半固態(tài)沉積狀態(tài)時，才能獲得具有理想的微觀組織的 材料，因此，半固態(tài)凝固過程需要始終維持在很窄的工藝窗口內(nèi)進(jìn)行。運(yùn)對噴射沉積工藝參 數(shù)及其穩(wěn)定性提出了較高要求。 陽〇化]噴射成形工藝發(fā)展方向之一是巧件的大規(guī)格化，傾斜式雙（多）噴嘴掃描噴射成 形工藝是實(shí)現(xiàn)巧件大規(guī)格化的主要方法之一，該工藝設(shè)及到的工藝參數(shù)眾多，工藝參數(shù)之 間具有較高的關(guān)聯(lián)度，對霧化過程、物質(zhì)沉積分布狀態(tài)及半固態(tài)凝固及沉積狀態(tài)有很大影 響。
[0006] 在現(xiàn)有的噴射成形工藝參數(shù)優(yōu)化及制訂方法中，一般通過建立噴射沉積過程的理 論工藝模型來優(yōu)化計算局部的工藝參數(shù)，工藝模型及計算方法較為復(fù)雜，難W適用于工程 化實(shí)施中對工藝參數(shù)制訂的快速、簡便、全面性要求。對傾斜式雙（多）噴嘴掃描噴射成形 工藝下完整的工藝參數(shù)制訂過程及方法目前未有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數(shù)制訂 方法，主要解決具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的多工藝參數(shù)的制訂步驟及其工程化計算方法，為大規(guī)格巧 件噴射成形半固態(tài)沉積提供工藝保證。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] 傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝是指：錠巧及其收集盤所在軸線為豎直方向，噴 嘴與軸線呈一角度傾斜安裝，噴嘴包括2個（內(nèi)噴嘴、外噴嘴），噴嘴繞著其軸線作往復(fù)掃描 運(yùn)動，掃描運(yùn)動由電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0010] 工藝參數(shù)設(shè)及噴射成形內(nèi)工藝參數(shù)和外工藝參數(shù)。內(nèi)工藝參數(shù)是指噴射成形過程 形成的實(shí)現(xiàn)金屬烙體快速凝固及半固態(tài)沉積的過程參數(shù)，該參數(shù)直接決定噴射成形巧件的 組織形態(tài)和質(zhì)量，如烙體霧化液滴粒度及凝固速度、噴射錐在沉積面處的半固態(tài)狀態(tài)、沉積 表面的半固態(tài)狀態(tài)、沉積表面金屬物質(zhì)分布狀態(tài)、物質(zhì)沉積速度。外工藝參數(shù)是指為獲得理 想的內(nèi)工藝參數(shù)而通過工藝設(shè)備調(diào)整設(shè)置所對應(yīng)的工藝參數(shù)。
[0011] 本發(fā)明所述的工藝參數(shù)制訂是特指外工藝參數(shù)。
[0012] 外工藝參數(shù)包括：烙體霧化工藝參數(shù)、噴嘴傾斜及掃描工藝參數(shù)、收集盤運(yùn)動工藝 參數(shù)。
[0013] 烙體霧化工藝參數(shù)包括：烙體溫度、霧化氣體壓力、噴嘴出口面積、噴嘴錐角、導(dǎo)液 管直徑。
[0014] 噴嘴傾斜及掃描工藝參數(shù)包括：內(nèi)、外噴嘴的噴嘴偏屯、距eg、e%，噴嘴傾斜角a 內(nèi)、口 外，0 內(nèi)、0 外，f內(nèi)、。
[0015] 收集盤運(yùn)動工藝參數(shù)包括：霧化錐噴射高度h、收集盤下降速度、收集盤旋轉(zhuǎn) 速度n。
[0016] 傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數(shù)制訂方法包括W下步驟：
[0017] 步驟一：確定基本工藝參數(shù)，包括基本內(nèi)工藝參數(shù)和基本外工藝參數(shù)，運(yùn)些參數(shù)是 制定和計算其他工藝參數(shù)的前提條件。
[0018] (1)所述的基本外工藝參數(shù)是指受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制不易調(diào)整、或由金屬烙體本身特 性決定的參數(shù)，包括：由某一金屬合金所確定的烙體溫度，由噴嘴結(jié)構(gòu)確定的霧化器出口面 積、噴嘴錐角，由噴嘴安裝位置確定的內(nèi)、外噴嘴偏屯、距。
[0019] 似所述的基本內(nèi)工藝參數(shù)包括物質(zhì)沉積速度V、霧化錐噴射高度h、G/M比率、收 得率口。
[0020] ①霧化錐噴射高度h是指烙體霧化后形成的霧化錐飛行距離，在此過程中進(jìn)行熱 交換而快速凝固，該參數(shù)決定了物質(zhì)的半固態(tài)狀態(tài)，是首先需要確定的，其依據(jù)是仿真計算 和實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)。
[0021] ②物質(zhì)沉積速度V是指霧化錐在巧件沉積表面上單位時間內(nèi)沉積增長厚度，該參 數(shù)決定了表面半固態(tài)沉積狀態(tài)，是通過實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)。 陽0巧③G/M比率是指霧化器流量與金屬烙體流率的比值，決定了烙體的霧化質(zhì)量，是 仿真計算和實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)。
[0023] 步驟二：確定收集盤的下降速度
[0024] 收集盤下降速度Vft^^i根據(jù)物質(zhì)沉積速度V確定，=V; 陽02引步驟S:確定內(nèi)、外噴嘴掃描頻率frt、收集盤旋轉(zhuǎn)速度n
[0026] (1)確定內(nèi)、外噴嘴掃描頻率、％
[0027] 內(nèi)、外噴嘴掃描頻率受到掃描機(jī)械機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命的限制，frt、％的取值范 圍為甜Z-15HZ。
[0028] (2)確定收集盤旋轉(zhuǎn)速度n
[0029] 在噴嘴掃描運(yùn)動和收集盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的共同作用下，霧化錐物質(zhì)在沉積表面上的物 質(zhì)按某一軌跡呈周期分布，為了提高物質(zhì)在沉積表面的分布的均勻性，內(nèi)、外噴嘴掃描頻率 frt、％與收集盤旋轉(zhuǎn)速度n的關(guān)系應(yīng)滿足的關(guān)系為：
[0030] k內(nèi)=6〇 ?f內(nèi)/n和k外=6〇 ?f外/n是無理數(shù)；
[0031] 步驟四：確定內(nèi)、外噴嘴掃描區(qū)域
[0032] 根據(jù)需要噴射成形的錠巧目標(biāo)直徑確定內(nèi)外噴嘴的掃描區(qū)域；內(nèi)、外噴嘴的 掃描區(qū)域均為環(huán)形，用rgi、rg2表示內(nèi)噴嘴的掃描區(qū)域內(nèi)外徑，用r^M、r%2外噴嘴的掃描 區(qū)域內(nèi)外徑； 陽的引 （1)1內(nèi)1為錠巧中屯、位置，r內(nèi)1 = 0 ;
[0034] 似r外2為錠巧目柄直徑d觸，r外2=d觸；
[0035] (3)內(nèi)、外噴嘴掃描區(qū)域具有C寬度的交叉范圍，表示為r外i=rh2-c;
[0036] (4)內(nèi)、外噴嘴掃描區(qū)域面積Sa、S外根據(jù)（式1、式。計算：
[0037]
[0038] 綜合考慮內(nèi)、外噴嘴導(dǎo)液管直徑的差異W及內(nèi)、外噴嘴掃描范圍角的機(jī)構(gòu)調(diào)整可 實(shí)現(xiàn)性，噴嘴掃描區(qū)域面積Sg、S%比值設(shè)為1. 5~2之間，根據(jù)該比值可計算r% 1、rh2;
[0039] 步驟五：確定內(nèi)、外噴嘴傾斜角度及掃描范圍角
[0040] 根據(jù)噴射成形工藝各個工藝幾何參數(shù)間的關(guān)系，可得到式3、式4，
[0041 ]
[0042] 式中，h為霧化錐噴射高度，eg為內(nèi)噴嘴偏屯、距，e%外噴嘴偏屯、距；
[0043]由（式3、式4)可計算得到內(nèi)、外噴嘴的掃描參數(shù)：內(nèi)、外噴嘴傾斜角ag、a和 內(nèi)、外噴嘴掃描范圍角Prt、e外；
[0044] 步驟六：確定內(nèi)外噴嘴導(dǎo)液管直徑
[0045] (1)內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管烙體流率m內(nèi)確定
[0046] 內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管烙體流率mg根據(jù)沉積速度V、內(nèi)噴嘴掃描區(qū)域面積Sg、烙體密度P 瘡體、收得率P計算得到，其計算公式為：m內(nèi)=V? ?P瘡體/P;
[0047] 似內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管直徑確定 W48] 根據(jù)漏包液位高度H、內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管烙體流率mg、烙體密度P、烙體流量系數(shù)y，采用式5計算內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管直徑dh，
[0049]
[0050] (3)外噴嘴導(dǎo)液管烙體流率m外確定
[0051] 外噴嘴導(dǎo)液管烙體流率根據(jù)沉積速度V、外噴嘴掃描區(qū)域面積S%、收得率P計 算得到，其計算公式為：1% =V?S% /P;
[0052] (4)外噴嘴導(dǎo)液管直徑確定
[0053] 計算方法同步驟（2)中內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管直徑確定；
[0054] 步驟屯：確定內(nèi)、外噴嘴霧化氣體壓力P內(nèi)、P外 陽05引根據(jù)內(nèi)噴嘴導(dǎo)液管烙體流率mg、G/M比率、內(nèi)噴嘴出口面積Ag、霧化氣體密度P 利用式6計算內(nèi)噴嘴霧化氣體壓力Ph，
[0056]
(式 6);
[0057] 根據(jù)外噴嘴導(dǎo)液管烙體流率、G/M比率、外噴嘴出口面積A%、霧化氣體密度P 利用式7計算外噴嘴霧化氣體壓力，
[0058] (式 7)。
[0059] 本發(fā)明的有益效果：
[0060] (1)提供了一種傾斜雙噴嘴噴射成形工藝參數(shù)制訂過程和計算方法，有效地解決 了諸多工藝參數(shù)之間的禪合和相互影響。
[0061] (2)提供了一種工藝參數(shù)工程化計算方法，計算過程和計算方法簡便、快速、全面， 便于工程化實(shí)施。
[0062] (3)將諸多噴射成形工藝參數(shù)分為內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)，內(nèi)參數(shù)取決于合金材料，外參 數(shù)由設(shè)備和工藝來實(shí)現(xiàn)，該方法可滿足合金材料的噴射成形工藝要求。
[0063] (4)本發(fā)明工藝參數(shù)制訂的目標(biāo)參數(shù)為錠巧直徑，因此可實(shí)現(xiàn)不同直徑錠巧規(guī)格 的工藝參數(shù)制訂。
【附圖說明】
[0064] 圖1為雙噴嘴掃描噴射成形裝置及其參數(shù)的示意圖。
[0065] 圖2為內(nèi)外噴嘴掃描區(qū)域及其參數(shù)示意圖。
[0066] 圖中，1-收集盤；2-錠巧沉積表面；3-內(nèi)噴嘴；4-外噴嘴；5-內(nèi)噴嘴掃描軸；6-外 噴嘴掃描軸；7-外