喷射成形过程中雾化锥体的温度场与质量场

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.02.009 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing A度.1994 喷射成形过程中雾化锥体的温度场与质量场+ 吴成义张丽英殷皓吴庆文 北京科技大学材料科学与工程系，北京10083 摘要本文着重研究了喷射成形过程中雾化锥体的温度场与质量场的测定方法，进一步测定了纯 铝及ZQS6-6-3青铜的温度场和质量场，并讨论了其特征. 关键词喷射-成形，雾化锥体，温度场/质量场 中图分类号TG394 Temperature and Mass Field of the Atomization Cone during Spray Forming Wu Chengyi Zhang Liying Yin Hao Wu Qingwen Department of Materials Science and Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Special emphasis of this paper is laid on the measure methods of the temperature field and the mass field of the atomization cone during the spray forming.The temperature field and the mass field of pure aluminum and 6-6-3 copper alloy were measured. The characteristics of these fields are discussed. KEY WORDS spray-forming,atomization-conical bodies,temperature field/mass field 喷射成形过程是一个动态平衡过程，影响因素很多·~引.一些学者从理论上提出了大、 中、小3种熔滴颗粒沉积行为的模型I4-6).Grant和Cantor1采用红外热成像法测量了沉积 过程中沉积体表面温度分布，由此得知沉积体表面的温度分布是从内向外降低趋势，该文对 雾化过程中最基本的雾化锥体的温度场和质量场特征未进行测定和深人研究. 雾化锥体的温度场是指雾化锥体空间内所有垂直雾化方向的截面上温度的分布状态，雾 化锥体的质量场是指雾化锥体空间内所有垂直雾化方向的截面上，单位时间内、单位截面上接 收熔滴的质量多少（也称雾化沉积速率g/cm2·s)· 在喷射形成过程中，温度场与质量场的特征，将直接影响产品的外形及合金的致密程 度，特别是对喷射成形过程的自动控制有十分重要的作用·因此本文着重研究温度场和质量 场的测定方法并讨论其特征， 1993-06-04收稿第一作者男55岁教授 十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 “ 上 声 喷射成形过程 中雾化锥体 的温度 场 与 质量场 吴 成义 张 丽英 殷 皓 吴庆文 北京科 技大学材料科 学 与工 程 系 ， 北京 〕 摘要 本文着重研究 了喷射成形过程 中雾化锥体的温度场与质量 场的测定方法 进一步测定 了纯 铝及 一 一 青铜的温度 场和 质量 场 ， 并讨论 了其特征 关键词 喷射一 成形 ， 雾化锥体 ， 温度场 质量 场 中图分类号 几坦浑 而 刀 十 “ 朗卿 叼 “ 。 尧 长泊 豁 吧 ， 月口口 价 以 ， 颐 眠 瞬 名 昆 】 切皿 一 一 以 刀 叭七 忱 们。 记 哈 臼 巴犯 闷黔喇 印 一 ， 〕 一 ， 忱 ℃ 坦 名 喷射成形 过程是 一 个 动态平衡过程 ， 影 响 因素很多 【 ’ 一 ’ 一 些 学 者 从理 论 上 提 出 了 大 、 中 、 小 种熔滴颗粒沉积行 为 的模型 【 一 和 ’ 采 用红外 热成 像 法 测 量 了沉 积 过程 中沉积体表 面温度分布 ， 由此得 知沉积体表面 的温度分布是从 内向外 降低 趋 势 该 文对 雾化过程 中最基 本 的雾化锥体的温度 场和 质量 场特征未 进行测 定 和 深人研究 雾化锥体 的温度 场是 指雾化锥 体空 间 内所有垂直雾化方 向的截 面上温度 的分布 状态 雾 化锥体的质量场是指雾化锥体空 间内所有垂 直雾化方 向的截 面上 ， 单位 时 间 内 、 单位截面上接 收熔滴 的质量 多 少 也称雾 化沉积速 率 ’ · 在喷射形成过程 中 ， 温度场 与质 量 场 的 特 征 ， 将直 接 影 响产 品 的外 形 及 合金 的致 密程 度 ， 特别 是 对喷射成形 过程 的 自动控制 有 十分重要 的作 用 因此本文着 重研究 温度场和质量 场的测定方法并讨论其特征 卯 一 肠一 以 收稿 第一作者 男 岁 教 授 国家 自然科学基金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．02．009

.140 北京科技大学学报 第16卷 1试验内容及方法 1.1试验设备和原材料 喷射成形设备如图1所示，该设备主要由熔化、雾化、接收及附属系统（电源、真空、 冷却系统)等4部分组成，其中最重要的是雾化喷嘴，其结构将影响雾化锥体的温度场和质 量场特征，本试验采用环孔式喷嘴， 测定温度场所用合金为ZQS6-6-3青铜及纯铝；测定质量场所用合金为纯铝. 1.2试验基本参数 试验采用的喷射成形工艺参数为：熔液温度6-6-3合金为1250℃.纯铝1000℃；其 他条件相同，即漏嘴直径2.2mm,雾化气体为氮气，雾化压力为0.8MPa. 1.3试验方法 测定温度场采用如下方法（见图2）：在雾化焦点下某一高度处放置一块用耐火材料做 的冷基体板，在其上不同半径位置处装上8根热电偶，并在垂直方向的另一半径上同样安装 8根热电偶，固定雾化条件，在雾化过程中用X一Y记录仪测量并记录温度，可得到任一H 高度截面上的温度分布数据，然后改变H高度，并缩小热电偶之间的距离，测出其他高度截 面上的温度分布数据，从而可得到整个雾化锥体的温度场· 测定质量场采用如下方法：在雾化焦点下某一高度H处放置一块用耐火材料做的冷基 体板，固定雾化参数，记录雾化时间，将沉积的圆盘形试样切割成底面积近似的小块然后称 重，并同时测量和校核截面积，计算各小块底面上的沉积速率值 雾化焦点 熔化坩埚 雾化锥体 感应图 真空熔炼室 熔化金属 漏包 气喷嘴 氨气进口 金属液流 热电偶孔 冷基体- 雾化锥体 真空系统 沉积成形坯件 喷射室 冷基体板 图2热电偶安装位置示意图 图1喷射成形设备示意图 Fig.2 Schematic diagram of Fig.1 Schematic diagram of spey forming installation situration of thermocouple

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 试验 内容及方法 试验设 备和原 材料 喷射成形 设备如 图 所示 ， 该设备 主要 由熔化 、 雾 化 、 接 收 及 附 属 系 统 电源 、 真 空 、 冷却 系 统 等 部分组成 其 中最重 要 的是 雾化 喷嘴 ， 其结 构将影 响雾化锥体的温度 场和质 量 场特征 本试验 采 用 环孔式 喷 嘴 测 定温度场所用 合金 为 一 一 青铜及 纯铝 测 定质量 场所 用合金 为纯 铝 试验基本参数 试验采 用 的喷射成形 工 艺 参数 为 熔 液 温 度 一 一 合 金 为 ℃ 纯 铝 《 洲〕 ℃ 其 他条件相 同 ， 即漏 嘴直径 ， 雾化气体为氮气 ， 雾化压力 为 试验方 法 测定 温度 场采 用 如 下方法 见 图 在雾 化 焦 点 下 某 一 高 度 处 放 置 一 块 用 耐 火 材 料 做 的冷基体板 ， 在其上 不 同半 径位置处装上 根 热 电偶 ， 并在垂直方 向的另 一半 径上 同样安装 根热 电偶 固定雾 化条件 ， 在雾化过程 中用 一 记 录 仪 测 量 并 记 录 温 度 ， 可 得 到 任一 高度截 面上 的温度分布数据 ， 然后 改变 高度 ， 并缩小热 电偶之 间的距离 ， 测 出其他高度截 面上 的温度分布数据 ， 从而 可得到 整个雾化锥体的温度 场 测 定 质量 场采 用 如 下方 法 在雾 化焦 点下某 一 高度 处放 置 一 块 用 耐 火 材 料 做 的冷 基 体板 ， 固定 雾化参数 ， 记 录雾化 时 间 ， 将沉积 的 圆盘形 试样切 割成底 面积近似 的小块然后称 重 ， 并 同 时测 量 和 校 核截 面积 ， 计算 各小块底 面上 的沉积速 率值 真空 熔炼室 熔化金 属 漏包 氮气进 口 金属液流 雾化锥体 热电偶孔 沉积成形坯件 肥国叨，尸一 三因 冷基体板 图 瑰 热电偶安装位置示意图 ︸﹄一 ﹄︸ 图 喷射成形设备示意 图 叱 出印回血 血卿朋 印柑沙 肠皿吨

第2期 吴成义等：喷射成形过程中雾伦锥体的温度场与质量场 .141. 2 试验结果及讨论 2.1温度场 表2为高度H=195m的截面上各点温度数据.每一高度的截面，可得一组数据（此 处路)，根据这些数据绘制图3和图4. 表1高度为19smm载面上的温度分布/℃ Table 1 Temperature distribution on H=195 mm section/C 热电偶位置/mm 材料 0 8 16 24 32 40 48 6-6-3青铜 920 920 910 903 850 712 620 型 775 775 760 748 580 360 230 图3为6一6一3青铜合金雾化锥体的温度场.图4为纯铝的雾化锥体温度场·由图3可 以明显看出在雾化锥体中同一高度截面的温度分布是中心温度高，边缘温度低·这是由于气 一液交互作用，使雾化锥体中溶滴颗粒大小，数量在同一平面内分布不同，溶滴携带热量也 不同所造成的).在熔滴下落过程中，气体对大小熔滴颗粒冷速不同，大熔滴冷却慢，小熔 滴冷却快，而沉积试样表面温度是由熔滴所带热量决定，沉积物中心的大熔滴数量比边缘 多[)，同时雾化锥体心部的熔滴不易散热，边缘的熔滴易向周围气体散热·同理图4也有 同样结果· H/mm,T/℃ H/mm,T/C △45° 45° 1080 H,=75 1040 H,=105 985 H4=95 1000H3=135 898 H3=130 H2=165 960 820 XH,=195 H2=160 920 775 H,=195 600 0广163248 0163248 中心距R/mm 中心距R/mm 图36-6-3青铜合金雾化锥体温度场 图4纯铝雾化锥体温度场 Fig.3 Temperature field of atomization cone Fig.4 Temperature field of atomization of 6-6-3 copper alloy cone of purity Al

第 期 吴成义等 喷射成形过程 中雾伦锥体的温度 场 与质量 场 试验结果及讨论 温度场 表 为 高度 的截面 上各 点温度 数 据 每 一 高 度 的 截 面 ， 可 得 一 组 数 据 此 处略 ， 根据这些数据绘制 图 和 图 表 高度为 另 截面上的温度分布 ℃ 介 阮 肠划孵” 比 血州加曲阅 见 即改如 ℃ 热 电 偶 位 置 材料 一 一 青铜 加 加 印 卯 印 铝 印 印 刀 图 为 一 一 青铜合金雾化锥体的温度 场 图 为纯铝 的雾化锥 体温 度 场 由 图 可 以 明显看 出在雾化锥体中同一高度截面的 温度分布是 中心温度高 ， 边缘温 度低 这是 由于气 一 液交互作 用 ， 使雾化锥体 中溶滴颗粒大小 、 数量 在 同一平 面 内分布不 同 ， 溶滴携 带 热量 也 不 同所造成 的 〔 在熔滴下落过程 中 ， 气体对大小熔滴颗粒冷速不 同 ， 大 熔滴 冷 却慢 ， 小 熔 滴冷却快 ， 而沉积试样表 面温度 是 由熔滴 所 带热 量 决 定 ， 沉 积 物 中心 的大 熔 滴 数 量 比边 缘 多 〔 ， 同时雾化锥体心部 的熔滴不 易 散 热 ， 边 缘 的熔 滴易 向周 围气 体散 热 同理 图 也 有 同样 结果 ℃ 护 ’ ℃ 瓜 ，， 一 ， ， ， 从 ， 又欠衬， 热， 砂 一 ’‘ 。 心月 、 气‘气了勺盯叮 工，衬︸一 ︸一 尸了 叩 ， 二 八 石 中心距 中心距 皿 图 一 一 青铜合金雾化锥体温度场 瑰 护 碑 恤℃ 血 妇月 扮位犯 苗 一 一 “ 明阵 图 钝铝雾化锥体温度场 奄 ” 碑” 代 口 协面 位刃 侧班比

…142 北京科技大学学报 第16卷 随着H的减小，距离焦点愈近的截面上，雾化锥体的中心温度与边缘温度差愈加明 显·这是由于金属熔滴在雾化初期，还没有在气流中扩散开来，大量的熔化热集中在较小的 截面内，故造成雾化锥体中心与边缘温度差十分严重，如H=75mm时，中心与边缘温度差 达450℃，而且中心温度几乎与熔液温度相同，如果在此高度设置冷基板表面，显然喷射 成形过程是难以进行的，而且合金的晶粒将十分粗大，形状也很难稳定7，) 2.2质量场 表2为H=195mm截面上金属铝的质量分布数据.同理每一高度截面上均可测得相应 的数据·根据这些数据绘制雾化锥体的质量场，见图5. 表2高度为1巧mm截面上质量分布数据 Table 2 Data of mass distribution in H=195 mm section 切 样 编 号 质量分布数据 1 2 3 4 5 质量/g 1.44546 1.44546 1.172500.97890 0.63717 截面积/cm2 0.63 0.63 0.53 0.49 0.57 沉积时间/s 6 6 6 6 6 沉积速率/g/cm2·s 0.38 0.38 0.37 0.34 0.19 从图5可以看出，在同一高度截面上中心区域的沉积速 H/mm.n/g°am2.sl 率大，边缘区域沉积速率小，即质量分布是中心比边缘高， 而且在沉积中心附近一定范围内的质量分布相对稳定.上述现 00 象主要是因为在雾化锥体内，由于气一液交互作用使得熔滴 H3=135 颗粒大小、数量分布等不同.一般认为大熔滴集中在雾化锥体 H2=165 中心，小熔滴集中在雾化锥体边缘，在单位截面内，雾化锥 0.5 体心部的熔滴数量也比边缘多， H=195 0.3 另外，雾化锥体边缘冷却散热效果好，使边缘熔滴到达 01428 沉积表面时凝固颗粒所占体积分数大，这些颗粒在表面形成 中心距R/mm 硬质点，颗粒间孔隙不易被填充· 图5纯铝雾化锥体质置场 从动力学考虑，熔滴打在冷基体边缘时，，由于垂直沉积 Fig.5 Mass field of atomization 方向上的分力小，粘结动力小不易粘连，易被气流带走， 根据文献报导，熔滴沿喷射轴向的运动速度是随喷射轴 cone of purity alminium 横向偏离的距离的增加而诚小【9，，以上多种原因造成上述结果.应当指出的是，当H减 小时，该面上的沉积速率明显增加，但各点处的沉积速率差值也相应增加， 4 结论 (1)雾化锥体的温度场分布不均匀·任何高度的截面内，温度分布规律均是中心温度

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 随着 的减 小 ， 距 离 焦 点 愈 近 的 截 面 上 ， 雾 化 锥 体 的 中心 温 度 与 边 缘 温 度 差 愈 加 明 显 这是 由于 金 属 熔滴在 雾化初 期 ， 还没有 在 气流 中扩散开来 ， 大量 的熔化热集 中在较小的 截面 内 ， 故造成雾化锥 体 中心 与边缘温度 差 十分严重 如 时 ， 中心 与边缘温度差 达 ℃ ， 而且 中心 温度几乎 与熔 液温度相 同 如 果 在 此 高 度 设 置 冷 基 板 表 面 ， 显 然 喷射 成形过程是 难 以 进行 的 ， 而且 合 金 的 晶粒将 十分粗大 ， 形 状也很难稳定 「 ， ’ 质量场 表 为 截 面上 金属 铝 的质量分布 数 据 同理 每 一 高 度 截 面 上 均 可 测 得 相 应 的数据 根 据这些 数据绘制 雾化锥 体的质量 场 ， 见 图 表 高度为 好 创 截面上质 分布数据 油 晓 肠 ，甲 业翻加妇 ” 见 卿州亩 切 样 编 号 质量分布数据 － 质量 截面积 恤 ， 沉积时 间 沉积速率 皿 一 科 一 科 印 卯 叨 从 图 可 以 看 出 ， 在 同一 高度截面上 中心 区域 的沉积速 率大 ， 边 缘 区域沉积速率小 ， 即质量分布是 中心 比边缘高 ， 而且在沉积中心 附近一定 范 围 内的质量分布相对稳定 上 述 现 象 主要是 因 为在雾化锥 体 内 ， 由于气 一 液交互作用使得熔滴 颗粒大小 、 数量分布等不同 一般认为大熔滴集 中在雾化锥体 中心 ， 小熔滴集 中在雾化锥体边缘 ， 在单位截面 内 ， 雾化锥 体心部 的熔滴数量 也 比边缘多 另外 ， 雾化锥 体边 缘冷却散热效果好 ， 使边缘熔滴到 达 沉积表 面 时凝固颗粒所 占体积分数大 ， 这些颗粒在 表面形成 硬质点 ， 颗粒 间孔 隙不 易 被填充 从 动力 学考虑 ， 熔滴打在 冷基体边缘 时 ， 由于 垂直沉积 方 向上 的分力 小 ， 粘 结动力 小不 易粘连 ， 易被气流 带走 根据文献报导 ， 熔滴沿 喷射 轴 向的运 动速度是 随喷射轴 时’ 一 · 中心距 图 纯铝雾化锥体质最场 触 匆胭 血 恤而 位犯 。 润姆 训 川 元‘ 口 横 向偏 离 的距 离 的增 加 而 减 小 【 ， ’ 以 上 多 种 原 因造成 上 述 结 果 应 当指 出 的是 ， 当 减 小 时 ， 该面上 的沉积速率 明显增加 ， 但各点处的沉积速率差值也相 应增加 结 论 雾化锥 体的温 度 场分布不 均 匀 任何 高 度 的截 面 内 ， 温 度 分 布规律 均 是 中心 温 度

第2期 吴成义等：喷射成形过程中雾化锥体的温度场与质量场 .143. 高，边缘温度低，离雾化焦点距离越近，这种温度差别越大， (2)雾化锥体的质量场分布不均匀.沉积物中心沉积速率大，边缘速率小，并且靠近沉 积中心附近质量分布相对均匀， 参考文献 I Singer A R E,Evans R W.Incremental Solidification and Forming.Met Technol,1983,10(2):61 2 Mathur P,Apelian D,Lawley A.Analysis of the Spray Deposition Process.Acta Metall,1989,37(2):429 3 Leatham A G,et al.A New Technology for Spray-deposition Preform Shapes.Modern Developments in Powder Metallurgy,1985,15-17:157 4 Yoshio Ikawa,et al.Spray Deposition Method and Its Application to the Production of Mill Rolls ISIJ International,1990,30(9):756 5 Estrada J L.Duszczyk J.Characteristics of Rapidly Solidified Al-Si-X Preforms Produced by the Osprey Process.J Mater Sci,1990,25 (2B)1381 6 Lavernia E J.Systhesis of Particulate Reinforoed Metal Matrix Composites Using Spray Atomization and Co-deposition.SAMPE Quarterly,1991,22(2):2 7 Grant PS,Cantor B.Infrared Thermal Imaging Measurement of Deposit Surface Temperatures During Spray Deposition.Powder Metall,1990.33(2):144 8 Bewlay B P.Cantor B.Modeling of Spray Deposition:Measurements of Particle Size,Gas Velocity,Parti- cle Velocity and Spray Temperature in Gas-Atomized Sprays.Metall Trans,1990.21B(10):809 9 Kim M H,Jones H.Rapidly Quenched Metals.In Masumoto T and Suzuki.H eds.Sendai:The Japan Institute of Metals,1982.85 10 Smith N P,et al.Int Conf on Liquid Atomization and Spraying Systems.London:1985 鲁子米米子米米号米米号米号米米米米半米 (上接138页) 参考文献 1 Hiragbayashi K,Thaniguchi Y.Selective Deposition of Diamond Crystals by Chemical Vapor Deposi- tion Using a Tungsten-Filament Method.Appl Phys Lett.1988,53 (19):1815 2吕反修，王建军，杨保雄，陈俊.C仙对低压气相沉积金刚石形核的毙响，高技术通讯，1992,2(10)：1 3 Meilunas R J,Chang R P H,et al.Nucleation of Diamond on Surfaces Using Carbon Clusters.Appl Phys Lett,1991,59(26):3461 4泽田秀雄，聚合反应热力学，北京：科学出版社，1985.112 5 Pehrsson Pehr E,et al.Hydrocarbon Oil-based Acceleration of CVD Diamond Uncleation.In Proceeding of Second International Conference on the New diamond Science and Technology,DC, USA,1991.397

第 期 吴成义等 喷射成形过程 中雾化锥体的温度场与质量 场 高 ， 边缘温度低 ， 离雾化焦 点距 离越 近 ， 这种温度差别越大 雾 化锥体 的质量 场分布 不 均匀 沉积物 中心沉积速率大 ， 边 缘速率小 ， 并 且 靠 近 沉 积 中心 附近质量 分布相 对均 匀 参 考 文 献 们罗 ， 论 氓 园 记币 山 」‘ 戈 ， ， ， ， 协 认 邓 此 块 韶油 ℃留 川以 切』， ， 份廿以 ， 戈 一 英 娜 短 】 认 七 川戮 ， 一 巧 桃 ， 飞 块户粥 刘 代吐切沈 沮 巧 ， 明 ， ， 巧 左刃 记币曰 一 一 刁 以月 巴粥 ， 男 ， 五 邓 路 以 川七 以 司 肋 详巧 此 业卫 一 韶 珑川 ， ， 份 ， 〔泣 丘州刃 址 沙唱 块 氏户关 认心 ， 男〕 ， 】 ， 〔如 ‘ 】 块环 巧 汪 址 ， 习 】面 ， 亡 长川 切 一 汾妇 邓 枉 ， 男 ， 刃 如 ， 坛沮 双〕 伐】 女 们 ， 而 ， 吻 」孟 丫旧 声 巧 助耐。 上接 页 参 考 文 献 梦巧 ， 灰】氏 众 〕 那 比 罗 一 】 对 那 仕 ， 韶 ， 吕反修 ， 王 建军 ， 杨保雄 ， 陈俊 对低压气相 沉积金 刚石形 核 的影 响 高技术通讯 ， 卯 ， ， ， “ 贬 免 粥 雌 妞什幻 璐把玲 哪 玫住 ， ， 摊 泽 田 秀雄 聚合反 应热力 学 北 京 科 学 出版社 ， 双 〕 ， 山 口 〕 一 滔记 泥】 众 〕〔， 翔刀习泊 以刀 伽 代泊 证 于戈 ， 〔 ， ， 卯