傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數制訂方法與流程

2023-06-21 03:38:31 3

本發明涉及噴射成形工藝參數制訂方法，特別涉及傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝下具有複雜關聯關係的多工藝參數的制訂方法。

背景技術：
噴射成形是新一代合金快速凝固技術。凝固技術發展的主要方向是提高凝固速率，其主要實現方式是通過細化熔體凝固單元來提高散熱速率。凝固技術經歷了模鑄階段，發展到半連續鑄造技術，其凝固單元從釐米級到毫米級，而作為新一代凝固技術，噴射成形技術的凝固單元達到微米級。噴射成形基本過程是將液態金屬在受控氣氛(常見為惰性)中霧化，形成液滴噴射流，經過飛行冷卻，在半固態時沉積到收集器上，熔合形成緻密坯。它把液態金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(熔滴動態緻密固化)結合起來，在一步冶金操作中，直接從液態金屬製備坯件。噴射沉積實際上可看作半固態沉積層的疊加而形成。噴射成形工藝的獨特性就在於其快速凝固過程，包括霧化和沉積兩個核心階段，只有當霧化噴射錐和沉積坯表面均為半固態沉積狀態時，才能獲得具有理想的微觀組織的材料，因此，半固態凝固過程需要始終維持在很窄的工藝窗口內進行。這對噴射沉積工藝參數及其穩定性提出了較高要求。噴射成形工藝發展方向之一是坯件的大規格化，傾斜式雙(多)噴嘴掃描噴射成形工藝是實現坯件大規格化的主要方法之一，該工藝涉及到的工藝參數眾多，工藝參數之間具有較高的關聯度，對霧化過程、物質沉積分布狀態及半固態凝固及沉積狀態有很大影響。在現有的噴射成形工藝參數優化及制訂方法中，一般通過建立噴射沉積過程的理論工藝模型來優化計算局部的工藝參數，工藝模型及計算方法較為複雜，難以適用於工程化實施中對工藝參數制訂的快速、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制訂過程及方法目前未有報導。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數制訂方法，主要解決具有關聯關係的多工藝參數的制訂步驟及其工程化計算方法，為大規格坯件噴射成形半固態沉積提供工藝保證。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝是指：錠坯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(內噴嘴、外噴嘴)，噴嘴繞著其軸線作往復掃描運動，掃描運動由電機驅動的機械機構實現。工藝參數涉及噴射成形內工藝參數和外工藝參數。內工藝參數是指噴射成形過程形成的實現金屬熔體快速凝固及半固態沉積的過程參數，該參數直接決定噴射成形坯件的組織形態和質量，如熔體霧化液滴粒度及凝固速度、噴射錐在沉積面處的半固態狀態、沉積表面的半固態狀態、沉積表面金屬物質分布狀態、物質沉積速度。外工藝參數是指為獲得理想的內工藝參數而通過工藝設備調整設置所對應的工藝參數。本發明所述的工藝參數制訂是特指外工藝參數。外工藝參數包括：熔體霧化工藝參數、噴嘴傾斜及掃描工藝參數、收集盤運動工藝參數。熔體霧化工藝參數包括：熔體溫度、霧化氣體壓力、噴嘴出口面積、噴嘴錐角、導液管直徑。噴嘴傾斜及掃描工藝參數包括：內、外噴嘴的噴嘴偏心距e內、e外，噴嘴傾斜角α內、α外，噴嘴掃描範圍角β內、β外，噴嘴掃描頻率f內、f外。收集盤運動工藝參數包括：霧化錐噴射高度h、收集盤下降速度v收集盤、收集盤旋轉速度n。傾斜式雙噴嘴掃描噴射成形工藝參數制訂方法包括以下步驟：步驟一：確定基本工藝參數，包括基本內工藝參數和基本外工藝參數，這些參數是制定和計算其他工藝參數的前提條件。(1)所述的基本外工藝參數是指受設備結構限制不易調整、或由金屬熔體本身特性決定的參數，包括：由某一金屬合金所確定的熔體溫度，由噴嘴結構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、外噴嘴偏心距。(2)所述的基本內工藝參數包括物質沉積速度V、霧化錐噴射高度h、G/M比率、收得率ρ。①霧化錐噴射高度h是指熔體霧化後形成的霧化錐飛行距離，在此過程中進行熱交換而快速凝固，該參數決定了物質的半固態狀態，是首先需要確定的，其依據是仿真計算和實驗得出的數據。②物質沉積速度V是指霧化錐在坯件沉積表面上單位時間內沉積增長厚度，該參數決定了表面半固態沉積狀態，是通過實驗得出的數據。③G/M比率是指霧化器流量與金屬熔體流率的比值，決定了熔體的霧化質量，是仿真計算和實驗得出的數據。步驟二：確定收集盤的下降速度收集盤下降速度v收集盤根據物質沉積速度V確定，v收集盤＝V；步驟三：確定內、外噴嘴掃描頻率f內、f外、收集盤旋轉速度n(1)確定內、外噴嘴掃描頻率f內、f外內、外噴嘴掃描頻率受到掃描機械機構強度和疲勞壽命的限制，f內、f外的取值範圍為5Hz-15Hz。(2)確定收集盤旋轉速度n在噴嘴掃描運動和收集盤旋轉運動的共同作用下，霧化錐物質在沉積表面上的物質按某一軌跡呈周期分布，為了提高物質在沉積表面的分布的均勻性，內、外噴嘴掃描頻率f內、f外與收集盤旋轉速度n的關係應滿足的關係為：k內＝60·f內/n和k外＝60·f外/n；k內、k外是無理數；步驟四：確定內、外噴嘴掃描區域根據需要噴射成形的錠坯目標直徑d錠坯，確定內外噴嘴的掃描區域；內、外噴嘴的掃描區域均為環形，用r內1、r內2表示內噴嘴的掃描區域內外徑，用r外1、r外2外噴嘴的掃描區域內外徑；(1)r內1為錠坯中心位置，r內1＝0；(2)r外2為錠坯目標直徑d錠坯，r外2＝d錠坯；(3)內、外噴嘴掃描區域具有c寬度的交叉範圍，表示為r外1＝r內2-c；(4)內、外噴嘴掃描區域面積S內、S外根據(式1、式2)計算：綜合考慮內、外噴嘴導液管直徑的差異以及內、外噴嘴掃描範圍角的機構調整可實現性，噴嘴掃描區域面積S內、S外比值設為1.5～2之間，根據該比值可計算r外1、r內2；步驟五：確定內、外噴嘴傾斜角度及掃描範圍角根據噴射成形工藝各個工藝幾何參數間的關係，可得到式3、式4，式中，h為霧化錐噴射高度，e內為內噴嘴偏心距，e外外噴嘴偏心距；由(式3、式4)可計算得到內、外噴嘴的掃描參數：內、外噴嘴傾斜角α內、α外和內、外噴嘴掃描範圍角β內、β外；步驟六：確定內外噴嘴導液管直徑(1)內噴嘴導液管熔體流率m內確定內噴嘴導液管熔體流率m內根據沉積速度V、內噴嘴掃描區域面積S內、熔體密度ρ熔體、收得率ρ計算得到，其計算公式為：m內＝V·S內·ρ熔體/ρ；(2)內噴嘴導液管直徑確定根據漏包液位高度H、內噴嘴導液管熔體流率m內、熔體密度ρ熔體、熔體流量係數μ熔體，採用式5計算內噴嘴導液管直徑d內，(3)外噴嘴導液管熔體流率m外確定外噴嘴導液管熔體流率m外根據沉積速度V、外噴嘴掃描區域面積S外、收得率ρ計算得到，其計算公式為：m外＝V·S外·ρ熔體/ρ；(4)外噴嘴導液管直徑確定計算方法同步驟(2)中內噴嘴導液管直徑確定；步驟七：確定內、外噴嘴霧化氣體壓力p內、p外根據內噴嘴導液管熔體流率m內、G/M比率、內噴嘴出口面積A內、霧化氣體密度ρ氣，利用式6計算內噴嘴霧化氣體壓力p內，根據外噴嘴導液管熔體流率m外、G/M比率、外噴嘴出口面積A外、霧化氣體密度ρ氣，利用式7計算外噴嘴霧化氣體壓力p外；本發明的有益效果：(1)提供了一種傾斜雙噴嘴噴射成形工藝參數制訂過程和計算方法，有效地解決了諸多工藝參數之間的耦合和相互影響。(2)提供了一種工藝參數工程化計算方法，計算過程和計算方法簡便、快速、全面，便於工程化實施。(3)將諸多噴射成形工藝參數分為內參數和外參數，內參數取決於合金材料，外參數由設備和工藝來實現，該方法可滿足合金材料的噴射成形工藝要求。(4)本發明工藝參數制訂的目標參數為錠坯直徑，因此可實現不同直徑錠坯規格的工藝參數制訂。附圖說明圖1為雙噴嘴掃描噴射成形裝置及其參數的示意圖。圖2為內外噴嘴掃描區域及其參數示意圖。圖中，1-收集盤；2-錠坯沉積表面；3-內噴嘴；4-外噴嘴；5-內噴嘴掃描軸；6-外噴嘴掃描軸；7-外噴嘴掃描沉澱區域；8-內噴嘴掃描沉澱區域。具體實施方式以7XXX系鋁合金噴射成形為例說明本發明的技術方案。計算相應外工藝參數的步驟如下：步驟一：確定基本工藝參數根據該合金熔體噴射成形實驗數據，所獲得的噴射成形部分基本內工藝參數為：物質沉積速度V＝30mm/min，霧化錐噴射高度h＝450mm，收得率ρ＝0.7,熔體密度ρ熔體＝2.85g/cm3。基本外工藝參數為：熔體溫度為680℃-720℃，噴嘴出口面積為150mm2、噴嘴錐角為6°，內噴嘴偏心距e內＝500mm，外噴嘴偏心距e外＝650mm。所要噴射成形的錠坯目標直徑d錠坯＝550mm。步驟二：制定收集盤下降速度v收集盤收集盤下降速度v收集盤根據物質沉積速度V確定，v收集盤＝V＝30mm/min；步驟三：確定內、外噴嘴掃描頻率f內、f外、收集盤旋轉速度n內、外噴嘴掃描頻率f內、f外在掃描機械機構許可的條件下儘可能大；在噴嘴掃描運動和收集盤旋轉運動的共同作用下，霧化錐物質在沉積表面上的物質按某一軌跡呈周期分布，為了提高物質在沉積表面的分布的均勻性，內、外噴嘴掃描頻率f內、f外與收集盤旋轉速度n的關係應滿足的關係為：k內＝60·f內/n和k外＝60·f外/n，k內、k外是無理數。因此，制訂收集盤旋轉速度n＝77rpm，f內＝8Hz，f外＝8Hz。步驟四：確定內、外噴嘴的掃描區域及其掃描面積S內、S外，進而計算內、外噴嘴傾斜角α內、α外和內、外噴嘴掃描範圍角β內、β外根據需要噴射成形的錠坯目標直徑d錠坯，確定內外噴嘴的掃描區域；內、外噴嘴的掃描區域均為環形，用r內1、r內2表示內噴嘴的掃描區域內外徑，用r外1、r外2外噴嘴的掃描區域內外徑；(1)r內1為錠坯中心位置，r內1＝0；(2)r外2為錠坯目標直徑d錠坯，r外2＝d錠坯＝550mm；(3)內、外噴嘴掃描區域的交叉寬度c＝0，即r外1＝r內2；(4)內、外噴嘴掃描區域面積S內、S外根據(式1、式2)計算：內、外噴嘴掃描區域面積S內、S外比值為1.3，根據該比值，由式1和式2可計算得：r外1＝205mm、r內2＝205mm；根據得到的r外1、r內2，再由式1和式2可計算得S內、S外分別為103244mm2,134217mm2。步驟五：確定內、外噴嘴傾斜角度及掃描範圍角根據附圖1中所示的噴射成形工藝各個工藝幾何參數間的關係，可得到式3、式4，式中，r外1＝205mm，r內2＝205mm，r外2＝550mm，內噴嘴偏心距e內＝500mm，外噴嘴偏心距e外＝650mm，由(式3、式4)可計算得到內、外噴嘴的掃描參數：內、外噴嘴傾斜角α內＝16.5°、α外＝25°和內、外噴嘴掃描範圍角β內＝11°、β外＝4°。步驟六：確定內、外噴嘴導液管直徑在滿足步驟(3)條件下，霧化錐物質在沉積表面上分布可近似為平均分布。內噴嘴導液管熔體流率m內根據沉積速度V、內噴嘴掃描區域面積S內、收得率ρ計算得到：內噴嘴導液管熔體流率m內＝V·S內·ρ熔體/ρ＝30×103244×2.85×10-6÷0.7＝12.2kg/min外噴嘴導液管熔體流率m外的計算方法同內噴嘴導液管熔體流率的計算方法，m外＝V·S外·ρ熔體/ρ＝30×134237×2.85×10-6÷0.7＝15.8kg/min內、外噴嘴導液管直徑確定：根據漏包液位高度、內噴嘴導液管熔體流率m內、熔體密度等，採用伯努利方程計算內噴嘴導液管直徑。設定漏包液位高度為350mm，熔體流量係數μ熔體＝0.65，根據計算內、外噴嘴導液管直徑分別為4.5mm、5.1mm。步驟七：確定內、外噴嘴霧化氣體壓力p內、p外霧化氣體為氮氣，密度ρ氣＝1.25g/L，G/M比率為7.8×105mm/g。根據內噴嘴導液管熔體流率m內、G/M比率、內噴嘴出口面積A內＝150mm2，利用計算內噴嘴霧化氣體壓力p內＝0.7Mpa。根據外噴嘴導液管熔體流率m外、G/M比率、外噴嘴出口面積A內＝150mm2，利用計算外噴嘴霧化氣體壓力p外＝1.1Mpa。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。