雾化喷射沉积成形材料制备基本过程的分析

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1996i.05.010 第18卷第5期 北京科技大学学报 Vol.18 No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct.1996 雾化喷射沉积成形材料制备基本过程的分析* 张济山孙祖庆陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室材料科学与工程系，北京100083 摘要简要介绍目前为止喷射沉积过程所涉及的主要基本过程及其影响因素的主要研究结果及 相应的理论，也给出实验处理方法的基本原理， 关键词雾化喷射沉积成形，快速凝固，材料制备 中图分类号TG394.3 喷射沉积直接成形是60年代末提出的学术思想，经过多年的发展于80年代逐渐成熟为 一种快速凝固新技术，在高技术新材料领域已广泛应用.它是一项涉及粉末冶金、液态金属 雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术，其特点是将经气体雾化的液 态金属熔滴沉积到一定形状的接收器上，直接制成一定形状的产品喷射沉积成形技术的主主 主要优点可见文献[1-4]. 1雾化喷射沉积成形的基本过程及原理 图1归纳了喷射沉积过程所涉及的主要基本过程及其影响因素.显然，这些基本过程各 自受不同影响因素的控制，但又相互关联.前一过程的结果往往作为下一过程的初始条件或 边界条件，对沉积材料的最终组织和性能有直接或间接的影响.近年来对喷射沉积成形过程 涉及它的基本问题虽有一定的研究，但往往侧重于某些子过程，如熔滴在空中飞行过程中的 冷却与凝固，沉积后的冷却与凝固等.但从整体角度考虑这些子过程之间的相互关系，及如 何应用分析结果进行优化控制喷射沉积过程的研究仍很少见. 1.1液态金属与气体的输运过程 该过程主要决定如何获得稳定的气体与液态金属的流量比(G/M),这是获得稳定的、 范围较窄的熔滴尺寸分布及冷却速度并最终获得均匀组织的关键因素之一5~山.当GM 增加时，熔滴尺寸将减小，相应的冷却速度将增加.显然，G/M的波动不仅导致雾化熔滴的冷 却速度和凝固过程的波动，而且导致沉积件尺寸的不均匀性，难以获得所需形状的材料. 对密耦型(close coupled)气体雾化过程，气体射流与液态金属导流管之间的气体动力学 交互作用可使局部区域的压力偏离环境压力，形成局部正压或负压.在这种情况下，液态金 属的流量也受到局部压力的影响，即Mf(△P,h),△P为导流管端部的局部压力(P)与环境 压力(P)的差值，h为液态金属的静压头.△P的大小取决于雾化气体的压力、导流管的形 1996-06-15收稿第一作者男30岁副教授博士 ◆国家自然科学基金资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 雾化喷射沉积成形材料制备基本过程 的分析 张济 山 孙祖庆 陈 国 良 北京 科技 大 学新 金属 材 料 国家重点 实验室材料科学 与工程 系 ， 北京 摘要 简要 介绍 目前 为止 喷射沉积过程所涉及 的主要基本过程及其影 响 因素的主要研究结果及 相 应 的理论 ， 也给 出实验处理方法 的基本原理 关键词 雾化喷射沉积成形 ， 快速凝固 ， 材料制备 中图分类号 喷射沉积直 接成形 是 年代末 提 出的学术思想 ， 经过多 年 的发展于 年代逐渐成熟 为 一 种快 速凝 固新技 术 ， 在 高技 术新 材料 领域 已 广泛应 用 它是 一项 涉及 粉末 冶金 、 液 态金 属 雾 化 、 快 速 冷 却和 非平 衡凝 固等多领 域 的新 型 材 料制备技 术 其特点是 将 经气体雾化 的液 态金 属 熔滴沉积 到 一定 形状 的接 收器 上 ，直接 制成 一定形状 的产 品 喷射沉积成 形技 术 的主 主 主要 优 点 可 见 文 献 【 一 雾化 喷射沉积成形 的基本过程及原理 图 归 纳 了 喷射 沉 积 过 程 所 涉 及 的 主要 基 本过 程 及 其影 响 因素 显 然 ， 这 些 基 本 过 程 各 自受 不 同影 响 因素 的控 制 ， 但 又 相 互 关联 前一 过 程 的结果 往 往 作 为 下 一 过 程 的初 始 条 件 或 边 界 条件 ， 对沉 积 材料 的最 终组 织 和性 能有 直 接 或 间接 的影 响 近 年来 对喷射沉 积成 形 过程 涉及 它 的基 本 问题 虽 有 一定 的研 究 ， 但 往 往侧 重 于 某 些 子 过 程 ， 如熔滴 在 空 中飞行过 程 中的 冷却与凝 固 ， 沉 积后 的冷却 与凝 固等 但 从 整体角度 考虑 这 些 子 过 程 之 间 的相 互 关 系 ， 及 如 何 应 用 分 析结果 进行 优化控 制 喷射 沉 积过 程 的研 究仍 很 少见 液态金属 与气体的输运 过 程 该 过 程 主 要 决 定 如 何 获 得 稳 定 的气 体 与 液 态 金 属 的流 量 比 这 是 获 得 稳 定 的 、 范 围 较 窄 的熔 滴 尺 寸 分 布 及 冷却 速 度 并 最 终 获 得 均 匀 组 织 的 关键 因 素之 一 一 川 当 浏 增 加 时 ，熔滴 尺 寸将减小 ， 相 应 的冷 却速度 将增 加 显然 ， 的波 动不仅 导致雾化熔 滴 的冷 却速 度 和 凝 固过 程 的波 动 ， 而 且 导致 沉 积件 尺 寸 的不 均匀性 ， 难 以 获得 所 需 形 状 的材 料 对密祸 型 叩 气体雾化过 程 ， 气体射流 与液 态金 属 导流 管 之 间 的气体 动力 学 交 互 作 用 可 使 局 部 区 域 的压 力 偏 离 环境 压 力 ， 形 成 局 部 正 压 或 负压 在 这 种情 况 下 ， 液 态金 属 的流量 也 受 到 局 部压 力 的影 响 ， 即 材长厂 △尸 ， ， △尸 为导流 管端部 的局 部压力 尸 与环境 压 力 尸， 的 差 值 ， 为 液 态 金 属 的静 压 头 · △尸 的 大 小 取 决 于 雾 化 气 体 的 压 力 、 导 流 管 的形 一 一 巧 收稿 第 一 作 者 男 岁 副教 授 博 士 国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．05．010

Vol.18 No.5 张济山等：雾化喷射沉积成形材料制备基本过程的分析 ·441· 影响固素 基本过程 结果输出与输人 金属液导流管尺寸、 导流管端部形成正压 形状及与雾化喷嘴的 相对距离 液体金属与气体 或，负压区，金属液的 雾化气体的种类 的输运过程 流速和气体的流速 气体喷嘴的设计 液滴的尺寸和质量分布 金属液的过热度及流速 单个液滴的温度与速度 雾化气体的压力 液体金属的雾化过程 喷雾的形状与运动 (如采用扫描喷嘴) 气体速度场分布 液滴的温度、质量与速度分布 雾化液滴向沉积器 喷射距离 液滴与气体之间的热量和动量 表面的输运过程 交换 液滴的凝固 喷雾中液/固相的相对含量 快速凝固组织特征的形成 沉积体的形状 沉积表面的温度和粗糙度 沉积器或沉积体 沉积过程的收得率 沉积器的形状与运动 表面的沉积过程 向沉积体表面的质量、热 液滴与表面的结合效率 量及动量的传输 沉积器的运动和温度 显微组织（晶粒度、 松度及 与冷却基板的热交换 沉积体的冷却与凝固过程 一次相的析出与分布) 与气体及环境的热交换 再结晶（高温退火） 沉积体的显微组织与性能 否 重复以上过程 评价 是否满足材料的设计要求？ 高性能材料 图1雾化喷射沉积成形材料制备的基本过程及其影响因素 状、尺寸及其相对于气体喷嘴的位置等因素 Ado等人川根据流体动力学理论确定喷射沉积成形过程中金属液的流量可表示为： M=-(dh dm4,p=1.Co py2(2h-AP) (1) 其中，C。为熔体的释放系数，取决于导流管出口处的雷诺数，一般可近似认为C,取决 于dh/dt.上式即为喷射沉积过程中金属液的流量方程.其中△P取决于导流管的位置和气 体的压力，可独立于h发生变化.因此，根据(1)式正确选择h和△P的组合即可获得所希望 的稳定的M值. 1.2液态金属的雾化过程 这部分研究的主要目的是提出模型预测喷雾中熔滴的尺寸分布及其与工艺参数之间的

张济 山 等 雾化 喷射沉积成形材料制备基本过程 的分析 科 影 响固素 基本过程 结果输 出与输人 金属 液 导流 管尺 寸 、 形状及 与雾化喷嘴的 相 对距离 雾化气体的种类 气体喷嘴的设计 液体金属 与气体 的输运过程 导流管端部形成正 压 或 ， 负压 区 ， 金属液 的 流速和 气体的流速 金属 液 的过热度及 流速 雾化气体的压力 液体金属 的雾化过程 液滴的尺 寸和 质量分布 单个液滴 的温度 与速度 喷雾 的形 状 与运动 如采用 扫描喷嘴 喷射距离 雾化液滴 向沉积器 表 面 的输运过程 气体速度场分布 液滴的温度 、 质量 与速度分布 液滴 与气体之 间 的热量和 动量 交换 液滴 的凝 固 喷雾 中液 固相 的相 对含量 快 速 凝 固组织特征 的形 成 沉积表面 的温度和 粗糙度 沉积器 的形状 与运 动 液滴 与表 面 的结合效率 沉积器或沉积体 表 面 的沉积过程 沉积体的形状 沉积过程 的收得 率 向沉积体表面 的质量 、 热 量 及 动量 的传输 沉积器 的运 动和 温度 与冷却基板 的热交换 与气体及 环境 的热交换 沉积体的冷却 与凝 固 过程 显微组织 晶粒度 、 疏松度 及 一 次相 的析 出 与分布 再结晶 高温退 火 沉积体 的显微组织 与性 能 评价 是 否 满 足 材料 的 设计要 求 高性 能材料 图 雾化喷射沉积成形材料制备的基本过程及 其影 响因素 状 、 尺 寸 及 其 相 对于 气 体 喷 嘴 的位 置 等 因 素 等 人〔” 根 据 流体 动力 学理 论 确定 喷射沉 积 成 形 过 程 中金 属 液 的流 量 可 表 示 为 ， ， ， △尸 、 一 。 ，‘ 、 乙 ‘ 力 一 一二一 一 尸 其 中 ， 为熔 体 的释 放 系数 ， 取 决 于 导流 管 出 口 处 的雷 诺数 ， 一 般 可 近 似 认 为 几 取决 于 上 式 即 为 喷射 沉 积 过 程 中金 属 液 的流 量 方 程 其 中 △尸 取 决 于 导流 管 的位 置 和 气 体 的压 力 ， 可 独 立 于 发生 变 化 因此 ， 根 据 式 正 确 选 择 和 △尸 的组 合 即可 获 得 所 希望 的稳 定 的 值 液态金 属 的雾化 过 程 这 部 分 研 究 的 主要 目的是 提 出模 型 预 测 喷 雾 中熔 滴 的 尺 寸分 布 及 其 与 工 艺 参数 之 间 的

·442 北京科技大学学报 1996年No.5 定量关系.日前得出的平均熔滴直径d。的表达式主要有以下两种，即式(2)1,2和(3)： =[0 (2) 其中，We为Weber数；d,为导流管直径；4m和u分别为金属液和气体的粘度；JmJ为金 属与气体的流速比；k为常数.Jm可由(I)式求出.(2)式的预测结果与实验测得的A1合金粉 末颗粒的尺寸分布结果一致2. ka Ommdo d(GMR) (3) 其中GMR为气体与金属的流速比(JIJ).实际应用中还经常采用实验测定颗粒的尺寸分布. 1.3雾化熔滴向沉积器的输运过程 单个熔滴可视为直径为的球体，假设熔滴沿直线轨迹运动，当其在流体介质中加速运 动时，牛顿第二定律可表述为3，： Fpa(/CPd (4) 式中，v为熔滴的速度；V为熔滴的体积；A为熔滴的表面积，C。为“拖拽系数”，与雷诺数 有关： Co=0.28+6Re/2+21Re-1 (5) 为了预测颗粒在飞行过程中形成的显微组织，必须了解熔滴内部温度的变化及熔滴的 凝固行为.由于雾化熔滴十分细小(<300m,其内部的温度梯度完全可以忽略16.冷却过 程可简化为牛顿冷却问题在这种情况下，熔滴与环境的热平衡可表示为： paVd+ (6) 右侧第二项为辐射散热.T,为雾化室壁的温度.由于气体流速较大，辐射散热项往往可以忽 略不计.又由于Biot数B<0.1,使熔滴与气体之间的热交换可视为受界面过程控制. 1.4沉积器表面的沉积过程 在确定了单个熔滴的温度后，就可以得出到达沉积器表面时喷雾的含热量，也就是输入 沉积体的热量.这是进一步研究沉积后凝固过程的重要起始条件之一 ∑Hn(d)df(d) Hsp = (8) ∑dfd) 其中，f(d),H。(d)分别为直径为d,的熔滴分数和热焓.因此，喷雾的平均温度为： 乙，-。0-/A以 Jmce (9) 式中的f、为喷雾集合体中的平均固相分数 1.5沉积体的冷却与凝固过程 沉积体中的温度分布可以根据特定的起始条件和边界条件由(11)式求得，181

北 京 科 技 大 学 学 报 年 定量 关 系 目 前得 出 的 平 均 熔滴 直径 魂 。 的表 达式 主要 有 以 下 两种 ， 即式 〔‘， 和 、 。 一 、 、 参 · 全」 ’ ‘ ’ 其 中 ， 脸 为 数 。 为 导流 管 直 径 群 和 群 分 别 为金 属 液 和 气 体 的粘 度 为金 属 与 气 体 的 流 速 比 为常 数 可 由 式 求 出 式 的预测 结 果 与 实验测 得 的 合金 粉 末 颗粒 的尺 寸分布 结果 一致 〔 ’ 。 弋 群盘凡 一 。 盖。 几 ’ 其 中 为气体 与金 属 的流 速 比 · 实 际应 用 中还 经 常采 用 实验 测定颗粒 的尺 寸分 布 · 雾化 熔滴 向沉积器 的输运 过程 单个熔 滴 可 视 为直 径 为 的 球体 假 设 熔 滴 沿直 线轨迹 运 动 ， 当其在 流体介 质 中加 速 运 动 时 ， 牛 顿第二 定 律 可 表 述 为 〔” ， ’ 」 石分 凡石子 切 一 一 ’ 。 一 。 一 ‘ 心 一 式 中 ， ， 为熔 滴 的 速度 犷 为熔 滴 的体积 为熔 滴 的表 面 积 ， 。 为 “ 拖 拽 系数 ” ， 与雷诺数 有 关 ‘ ’ · ，‘ ’ 一 ’ 为 了 预 测 颗 粒 在 飞 行 过 程 中形 成 的显微 组 织 ， 必 须 了解 熔 滴 内部 温 度 的变 化 及 熔 滴 的 凝 固 行 为 由于 雾 化 熔 滴 十 分 细 小 巧 ， 其 内部 的 温 度 梯 度 完 全 可 以 忽 略 〔 ‘ 冷 却 过 程 可 简化 为 牛 顿冷 却 问题 在 这 种情 况下 ， 熔滴 与环境 的热 平衡 可 表 示 为 坑 ， 一 从 一 此心 川 一 聪 右 侧 第 二 项 为 辐射 散 热 为雾化 室 壁 的温 度 由于 气体流 速 较 大 辐 射 散 热项 往 往 可 以 忽 略不 计 又 由于 数 ， 使熔 滴 与气体之 间的热 交 换 可 视 为受界 面 过程 控 制 沉积 器表 面 的沉积 过程 在 确 定 了单 个熔 滴 的 温度 后 ， 就 可 以 得 出到 达沉 积器 表 面 时 喷雾 的含 热 量 ， 也就是 输人 沉 积 体 的热 量 这是 进 一 步研 究 沉 积 后凝 固过 程 的重要起 始条件 之 一 二气 ‘ ， 刃 凡 二 试 其 中 ， 试 ， 乓 ‘ 分 别 为 直径 为 ，的熔 滴分 数 和 热烩 因此 ， 喷雾 的平 均 温度 为 拭 。 一 一 ， △ ’ － 二 式 中的 、 为 喷雾集 合 体 中的平均 固相 分数 沉积 体 的冷却与凝 固过 程 沉 积 体 中的温 度 分 布 可 以 根 据特 定 的起 始条件 和 边 界 条件 由 式 求得 〔” ， ’

Vol.18 No.5 张济山等：雾化喷射沉积成形材料制备基本过程的分析 ·443· 8H/8t=(0/0x)(ou/dx) (10) x的坐标原点选在基板表面.其中， [(u-urs)/a+H u>uLs H=(u uLs)H 0Ts u=ikg(T-Ts) T<Ts (12) “s=k(T-T) (13) 起始条件和边界条件包括： (a)下表面（即基板与沉积体的界面）的传热量为(x=0): k(T/0x)=hpor(T-Tsub) (14) (b)上表面边界条件为(x=XⅪ沉积体厚度)，H由(8)式给出. k (OT 0x)=(Hsp-Htop)Jm As hop(T-T) (15) (©)起始条件（即沉积开始时的温度分布）要根据一定的假设条件确定1s1. 1.6沉积体的显微组织 在确定了沉积体的温度分布之后，即可进一步分析沉积体内的显微组织特征，例如，枝 晶间距的大小， é=A(T)6 (16) 其中，立为凝固过程中的平均冷却速度，T=TT/4,TT=Tmx-Tu,其中，4为局部凝固 时间. 除枝晶间距外，显微疏松也是一个重要的显微组织特征.显微疏松一般对工艺参数的变 化十分敏感，它可以起源于雾化气体的捕获，金属收缩及喷雾中液相供给不足引起固体颗粒 或枝晶残片之间搭接形成的“冷疏松”.前两个是显微疏松的主要机制，后者只有在工艺控 制不当时才会发生.一般隋性雾化气体引起较高的疏松度，而反应性气体由于被捕获后可 以通过与金属的反应被除去，使相应的疏松度降低。 2雾化喷射沉积成形过程的重要问题 2.1雾化过程 ()在现有模型处理中大多采用（⑦）式对热交换系数h进行估算.这一假设的可靠性令人 怀疑，因为雾化过程的实际条件同(7)式导出的条件有所不同.目前还没有更好的结果可以 替代这一假设. (2)模型处理中完全忽略了雾化室内气体回流的影响.雾化气体在碰到室壁和沉积体后 会形成一定的气体回流.这种气体回流与喷射的气体射流相互迭加，将对实际雾化过程产 生明显影响 (3)模型处理中假设雾化气体射流沿中心线径向的分布是均匀的.这一点已被实验和理 论分析证明是不成立的2，.实际上，气体射流的速度沿径向呈高斯分布，沿轴线速度最高. (4)关于过冷度的处理，模型仅给出了两种极端的情况，即完全非均匀形核（无过冷）和

张济 山等 雾化喷射沉积成形材料制备基本过程 的分析 ， 刁 己 刁 刁 刁 的坐 标 原 点选在基板 表 面 其 中 ， 一 城 从 、 一 气 一 几 爪 “ 一 飞气 一 爪 了、 了 以︸ 、产了 一 几 一 起 始 条件 和 边 界条件 包括 下 表 面 即基 板 与沉积体 的界 面 的传 热量 为 一 无 己 刁 一 上 表 面边 界 条件 为 沉 积体厚度， 凡 由 式 给 出 。 一 。 一 。 风 一 几 起 始条件 即沉积 开始 时 的温 度分布 要 根据一定 的假设条件 确定 〔 ’ 沉积体 的显微组 织 在 确 定 了沉 积 体 的温 度分 布 之 后 ， 即可 进 一 步 分 析沉 积 体 内的显 微 组 织 特 征 ， 例 如 ， 枝 晶 间距 的大 小 ‘ 通 少 一 吞 其 中 ， 少 为凝 固 过 程 中 的平 均 冷 却 速 度 ， 少 二 。 ， 界 一 ， 其 中 ， ‘ 为 局 部 凝 固 时 间 除枝 晶 间距外 ， 显微疏 松 也是 一 个 重要 的显微 组 织 特 征 显微 疏 松 一 般 对工 艺 参数 的变 化 十分 敏感 ， 它 可 以 起 源 于 雾 化 气 体 的捕 获 ， 金 属 收缩及 喷雾 中液 相供 给不 足 引起 固体颗粒 或 枝 晶 残 片 之 间搭接 形 成 的 “ 冷 疏 松 ” 前 两 个 是 显 微 疏 松 的 主 要 机 制 ， 后 者 只 有 在 工 艺 控 制 不 当时才 会 发 生 一 般 隋性 雾 化 气体引起 较 高 的疏 松 度 ， 而 反 应性 气 体 由于 被 捕 获后 可 以 通 过 与 金 属 的反 应 被 除 去 使 相 应 的疏 松度 降低 雾化 喷射沉积成形过程 的重要 问题 雾化 过 程 在 现 有 模 型 处 理 中大 多 采 用 式 对热 交 换 系 数 进 行 估 算 这 一 假设 的可 靠性 令 人 怀 疑 ， 因 为 雾 化 过 程 的实 际 条 件 同 式 导 出 的 条件 有 所 不 同 目前 还 没 有 更 好 的结 果 可 以 替代 这 一 假 设 模 型 处 理 中完 全 忽 略 了雾化 室 内气 体 回 流 的影 响 雾 化 气体 在 碰 到 室 壁 和 沉 积 体后 会形 成 一 定 的 气 体 回 流 这 种 气 体 回 流 与 喷射 的 气 体射 流 相 互 迭 加 ， 将 对实 际 雾 化 过 程 产 生 明显影 响 模 型处理 中假 设 雾化 气体 射 流 沿 中心 线径 向的分 布 是 均 匀 的 这 一 点 已 被 实验 和理 论分 析证 明是 不 成 立 的 实 际 上 ， 气 体射 流 的速 度 沿 径 向呈 高斯分 布 ， 沿 轴 线 速 度 最 高 关 于 过 冷度 的处理 ， 模 型 仅 给 出 了两 种 极端 的情 况 ， 即完 全 非均 匀 形 核 无过 冷 和

·444· 北京科技大学学报 1996年N0.5 完全均匀形核.但实际上，熔滴是否能达到均匀形核是一个几率问题从宏观上看，喷雾的凝 固介于两种极端情况之间. 2.2沉积过程 (1)假设沉积速度沿径向是均匀一致的，而且不随时间变化.但实际上沉积速率沿径向是 不均匀的，而且往往随时间变化 (2)热交换仅沿厚度方向按热传导方式进行，完全忽略了其它方式的热交换，如辐射散 热等当沉积体较大时，侧表面辐射散热及热流的径向传导作用不容忽略. (3)沉积表面通过气体射流散热的计算中采用的传热系数h.仅能做到数量级上大致正 确，因为目前对此过程的了解还很少， (4)在沉积基板处的热交换由一固定的热传导系数h,控制但事实上，由于界面上热应力 的作用造成界面上的热接触远远偏离理想状态，所以h,是界面状态及时间的函数. (5)目前多数模型（如文献[18]）计算得出的沉积体凝固过程中的冷却速度均为10℃s的 数量级，这与根据显微组织特征（如枝晶间距）测量反推出来的冷却速度相差约2~3个数 量级另外，偏析的减小与细小等轴晶的形成也表明凝固时间远小于计算结果 (6)对雾化喷射沉积的一个重要领域，即颗粒增强金属基复合材料(MMCs)的基本过程 尚缺少研究.事实上，只需在模型分析中引入增强颗粒的影响，即可对该过程进行研究. 3结论 雾化喷射沉积成形是一个十分复杂的多参数控制过程.可以通过适当的处理将其分解 为相互关联的基本子过程，对这些基本过程可以分别进行模拟与试验研究.为了优化喷射沉 积过程，获得高性能新材料，必须对整个过程作整体把握.研究过程中必须仔细考虑各个子 过程之间的相互关系，不可孤立地研究单一的子过程，对于现有的研究结果，有些需要进行 修正或重新加以考虑. 参考文献 1 Zhang J S,Zhang W J,Chen G L.In:NATO Conf.on Science and Technology of Rapid Solidifi- cation and Processing,USA,1994.135 2张济山，陈国良.材料科学与工程，1995,13：21 3 Lubarska H.J Metals,1970.22:45 4 Rai G.Laveria E.J Metals,1985,37:22 5 Mathur P,Annavarapu S,Apelian D.Mater Sci Eng,1991.A142:261 6 Singer A E.Met Mater,1970,4:246 7 Evans R,Leathan A G.Powder Metall,1985.28:13 8 Lavernia E J.Grant N J.Mater Sci Eng.1988,98:381 9 Ando T,Tsao C Y,et at.J Powder Metall,1990,26:311 10 Lavernia E J,Gutierrez E M,Szekely J.Inter J Rapid Solid,1988.4:89 11 Szekely J.Fluid Flow Phenomena in Metals Processing.New York:Acaderaic Press,1979.261 12 Ranger AA.Nicholls J A.AIAA J,1969,7:258

北 京 科 技 大 学 学 报 完全 均 匀 形 核 但 实 际上 ， 熔 滴是 否 能 达 到 均 匀 形 核 是 一 个几 率 问题 从宏 观 上 看 固介 于 两种 极 端情 况 之 间 年 喷雾 的凝 沉积 过程 假设沉 积 速度沿 径 向是 均 匀 一 致 的 ， 而 且 不 随 时 间变化 但 实 际上 沉 积 速 率 沿 径 向是 不 均 匀 的 ， 而 且 往 往 随 时 间变 化 热交 换 仅 沿 厚 度方 向按 热传 导方 式 进 行 ， 完全 忽 略 了 其 它 方 式 的热交 换 ， 如 辐 射 散 热等 当沉 积 体较 大 时 ， 侧表 面 辐射散 热及 热 流 的径 向传 导作 用不容 忽 略 沉 积 表 面 通 过 气 体射 流 散 热 的计算 中采 用 的传 热 系 数 仅 能 做 到 数量 级 上 大 致 正 确 ， 因 为 目前 对此过 程 的 了解 还很 少 在 沉积基 板 处 的热 交换 由一 固定 的热传 导系数 控 制 但 事 实上 ， 由于 界 面 上 热应力 的作 用 造 成 界 面上 的热 接触 远远偏 离理 想 状 态 ， 所 以 ，是 界 面状态及 时 间的 函 数 目前多 数模 型 如 文献〔 计算 得 出的沉 积体凝 固过程 中的冷却 速度 均 为 ℃ 的 数量 级 ， 这 与根 据 显微 组 织特 征 如枝 晶 间距 测 量 反 推 出来 的冷 却速 度相 差 约 一 个 数 量 级 另 外 ， 偏 析 的减小 与细小 等轴 晶 的形 成 也 表 明凝 固时 间远小 于 计算 结果 对雾 化 喷射 沉 积 的一 个重要 领 域 ， 即颗粒 增 强 金 属基 复合材 料 的基 本 过程 尚缺 少研 究 事 实上 ， 只需 在模 型分 析 中引人 增 强颗粒 的影 响 ， 即可 对 该过 程进行研 究 结 论 雾 化 喷射 沉 积 成 形 是 一 个 十分 复 杂 的 多 参 数 控 制 过 程 可 以 通 过 适 当的处 理 将 其 分 解 为相 互 关联 的基 本 子过 程 ， 对这 些 基 本过程 可 以 分别 进行模 拟 与 试 验研 究 为 了 优 化 喷射沉 积 过 程 ， 获得 高性 能新 材 料 ， 必须 对整个 过 程 作 整 体把 握 研 究 过 程 中必 须 仔 细 考 虑各 个 子 过 程 之 间 的相 互 关 系 ， 不 可 孤 立 地 研 究 单 一 的 子 过 程 对于 现 有 的研 究 结果 ， 有 些 需 要 进 行 修正 或 重新 加 以考虑 参 考 文 献 ， ， ， ， 张济 山 ， 陈国 良 材料科学 与工 程 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 一 ，

Vol.18 No.5 张济山等：雾化喷射沉积成形材料制备基本过程的分析 ·445· 13 Clitt R,Grace J R.Bubbles,Drops and Particles.New York:Academic Press,1978 14 Levi C J,Mehrabian R.Metall Trans A,1982,13A:221 15 Ranz W E,Marshall W R.Chem Eng Prog,1952,48:172 16 Miravete E G,Lavernia E J.et at.Metall.Trans.A,1987,20A:71 17 Miravete E G,Lavernia E J.Inter J Rap Solid,1988,4:125 18 Bewlay B P,Cantor B.Metall Trans B,1990,21B:899 Fundamentals of the Spray Forming Processes for Fabrication of Materials Zhang Jishan Sun Zuqing Chen Guoliang State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,USTB Beijing,100083,PRC ABSTRACT Spray forming is a complicated process controlled by many variables.In order to control the microstructure of the spray deposited preforms to obtain the optimum properties,it is important to thoroughly understand the fundamentals of the spray forming deposition processes,and the factors of the processing parameters.In this paper,the major processes and the influential factors concerning the spray forming process as well as the results of the theoretical and experimental analyses up to now in this field were briefly reviewed. KEY WORDS spray forming,rapid solidification,material processing

张济 山等 雾化喷射沉积成形 材料 制备基本过程 的分析 ， ， ’ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 妙 ， ， ， ，