近年喷射成形技术研究及在工模具钢应用进展

材料或半成品坯料，原理如图1，其工艺过程具备如下特点[1-2]。

①快速凝固的组织，金属液滴在惰性气体作用下快速冷却，其成分均匀、组织细小、合金的过饱和度高、无宏观偏析等;

②含氧量低，熔滴液态的时间短及惰性气体保护，沉积坯增氧量小;

③生产工艺流程短，喷射成形工艺在雾化沉积室内由液态金属直接沉积成锭坯或半成品，效率高，生产周期短;

④产品多样性及通用性，适用于多种金属材料的制备工艺。

2 喷射成形技术发展

英国Swansea大学Singer教授第一次提出了喷射成形的技术思想，其后，Singer教授的三个学生创建了Osprey公司，成功制备出Cr12不锈钢及M2工具钢[3]。同时，英国牛津大学、美国麻省理工学院也开展了喷射成形实验研究和理论分析。Osprey公司在1984年推出第一代商业化小型喷射成形实验装置，并在其后建成了第一台150kg熔量的喷射成形设备[4]。

瑞典Sandvik厂率先以喷射沉积技术开发制备不锈钢管和复合钢管[5]。瑞典的Boillat公司和德国的Wieland公司，以喷射成形技术生产出铜合金的圆坯，直径达300mm、长度2000mm，其寿命达到普通电极的2倍[6]。日本住友重工采用Osprey工艺制造轧辊，实际使用寿命是铸造轧辊的2～3倍，应用效果良好[7]。德国PEAK公司则是通过喷射成形技术生产用于德国Daimler-Benz轿车发动机汽缸内衬套，成为其V6和V8轿车发动机的标准部件 [8]。

我国关于喷射成形最早报道是在第六届国际快冷金属会议上，中科院金属所张永昌提出了Al-Si-Cu合金的喷射成形技术研究工作[9]。北京有色院就铝合金材料在喷射成形技术的应用开发工作，研究了合金汽车缸内衬套和超高强度铝合金。北京科技大学张济山教授等引进英国Singer教授的专利平台技术，开展喷射成形相关工作研究。航材院对喷射成形高温合金及工模具材料的研究工作较早，目前拥有一台300公斤的真空喷射成形设备。河冶科技拥有一台可以生产直径500mm长2000mm的喷射成形钢锭的制备设备，以实现工模具材料的工业化生产，同时经过近几年研究开发工作，目前已经建立了HSF系列喷射成形工模具材料体系，实现了工业化生产，产品得到了广大用户的认可。

3 喷射成形工艺参数组织性能影响

喷射成形制备技术是利用粉末冶金气雾化的快速凝固、热态沉积成形相结合的快速成形制备的一种工艺技术，其雾化、沉积、成形过程非常复杂，相关工艺参数多且相互影响，被公认制备工艺窗口窄，所以研究工艺参数之间的影响就非常重要。喷射成形雾化、沉积、凝固过程中影响组织的主要因素包括：材料成分、钢液温度（过热度）、雾化流量、雾化压力、沉积表面气液比、钢锭冷却强度等。如果各工艺参数控制不好，液滴和沉积表面温度高且冷却强度不够会产生粗大的凝固组织，反过来，雾化效果好的液滴和温度较低的沉积表面冷却强度好会形成细小但疏松的组织。如想找到一个最佳区域，形成细小致密的等轴晶区，需考虑相关工艺参数相互影响。

雾化温度（过热度）的高低直接会影响金属熔融的流动性，从而影响雾化的流量，在雾化压力不变的情况下影响气液比，造成霧化锥和沉积面的固液分数和温度场的分布，从而改变沉积凝固过程的冷却强度，雾化温度高，流动性好，液相多，冷却强度低则组织粗大，雾化温度低，流动性差，冷却强度好，固相多，则容易造成组织内部疏松、甚至裂纹及空洞的出现，所以，雾化温度控制的准确性及选择会直接影响到沉积坯的最终质量;雾化压力同样会影响到喷射工艺相关参数，雾化压力直接涉及气体初速度、单位时间的气体流量、雾化效果及带走钢液的热量多少，气体初速度直接影响钢液初次破碎，从而影响雾化的效果，同时带来雾化锥的粒度、温度场的分布、颗粒飞行的速度、沉积面沉积效率、温度场的变化，最终还是影响到沉积坯的冷却强度，冷却强度的改变就会造成沉积坯过热或过冷，从而出现组织粗大或疏松甚至空洞。当然，其他还包括喷嘴流量、材料成分等等相关参数的变化都会影响到沉积坯最终内部质量及组织的细化，需要综合考虑。

4 喷射成形工模具钢的研究进展

高速工具钢的组织直接影响其产品性能，尤其碳化物不均匀度及颗粒度的大小直接影响材料的韧性，不同的生产方式（冷却强度的不同）又直接造成了碳化物的最原始的尺寸，从而影响产品最终性能。如图2为不同生产方式碳化物分布及颗粒度对比，图中明显可见生产方式对材料碳化物的影响。

图2    普通冶炼高速钢、喷射成形

高速钢积及粉末冶金高速钢碳化物对比[10]

组织影响性能，不同生产方式促成不同的组织形貌，最终影响到产品性能。如图3，普通冶炼和喷射成形工艺生产的高速钢M35抗弯强度的对比试验，喷射成形工艺仅从抗弯强度性能方面提升了17-36%。

图3喷射与电渣工艺M35抗弯强度试验

同样在实际应用中性能又表现为产品的使用寿命，如在铣刀铣削试验，采用相同钢种T15通过三种生产方式（普通冶炼、喷射成形和粉末冶金）加工成铣刀后进行切削试验，试验寿命对比喷射成形工艺优于其他两种工艺，分析主要原因应该是喷射成形工艺兼顾了韧性和耐磨性的特点，存在部分孤立大颗粒碳化物，对韧性影响较小同时增加耐磨性[10]。

通过Nb的加入会形成先共析碳化物，达到细化晶粒、改善碳化物分布的作用，同时和V碳化物一样会提升材料的耐磨性。在铰刀应用中，含Nb的喷射成形高速钢的工具寿命是达到了普通M2的3倍，而且是粉末钢ASP23的1.3倍[11]。这样同样说明了喷射成形高速钢兼顾了韧性和耐磨性的优点。

耐蚀耐磨钢主要应用在如塑料机械中的螺杆、食品加工刀具等一些工况条件下的零部件，利用喷射成形方法制备HSF340耐磨耐蚀钢，室温条件下极具优异的耐腐蚀性，最佳耐腐蝕性能在1180℃淬火、540℃回火热处理，此条件下仅为D2腐蚀速率的0.034倍[12]。

5 小结

喷射成形工艺类似于雏形的3D打印，只是形状控制困难，但前段雾化工艺较为简练。喷射成形工艺制备的工模具材料同时具备了韧性和耐磨性的优势，在实际应用中表现极佳。同时应该注意的是其孔隙率的存在需要后续加工进行改善。

参考文献：

[1] Xu Q. Thermal behavior during droplet-based deposition[J].Acta Mater，2001（49）：835-849.

[2]王文明，潘复生.喷射成形技术的发展概况及展望[J].重庆大学学报，2004，27（1）：101-107.

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[4]田世藩，李周.喷射成形的发展及其产业化趋势[J].粉末冶金工业，1999（3）：41-48.

[5] Gerling R ， Schimansky F P ， Wegmann G ， et al. Spray forming of Ti 48.9Al （at.%） and subsequent hot isostatic pressing and forging[J].Materials Science & Engineering A （Structural Materials：， Properties， Microstructure and Processing），2002，326（1）：73-78.

[6]Leatham. Commercial spray forming： exploiting the metallurgical benefits[J].Materials Science Forum，1996（6）：317-320.

[7]Leathman A.G， Lawley A. The Osprey Process： Principles and Application. International[J].Powder Metallurgy，1993，29（4）：321-329.

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[9]张永昌，白丽华.金属雾化喷射沉积工艺的研究进展[J].兵器材料科学与工程，1993，16（1）：39-46.

[10]郑伟，袁华，吴立志.成形工艺对T15高速钢铣刀的影响[C]//全国粉末冶金学术会议暨海峡两岸粉末冶金技术研讨会，2011.

[11]L. Lu a， L.G. Houa， J.X. Zhanga，ed. Improved the microstructures and properties of M3：2 high-speed steel by spray forming and niobium alloying[J].Materials Characterization ，2016（117）：1-8.

[12]米永旺，李惠，张巍.喷射成形耐蚀耐磨钢HSF340组织与性能研究[J].河北冶金，2017（7）.

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