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题目：喷射沉积技术的发展及其应用
院（部）系 所 学 专 业 年级、班级 完成人姓名 学号
材料科学与工程
材料工程 2014级 卫明 2014730056
喷射沉积技术的发展及其应用
摘要：喷射沉积技术是一种新的金属成形工艺,作为高性能结构件的一种先进制坯技术,应用愈来愈广泛。本文对该工艺进行了综述，并介绍了喷射沉积技术的特点及其在诸多领域的应用现状。
关键词：喷射沉积；应用；现状
Development and Its Application of Spray Deposition Technology
Abstract : The spray deposition technology is a new metal forming technology.As an advanced technology, it was applied more widely in manufacturing high-performance structural blanks.The proce was reviewed and the characteristic of spray deposition technology and prospects of spray forming and application status.Key words : spray forming ；application ；status
1.前言
金属的喷射沉积技术是一种新的金属成形工艺。由于人们对液态金属经雾化到动态固结这一过程的不同理解, 它往往又被冠之以喷射成形(SF)、喷射沉积(SD)、喷射铸造(SC)、液体动态固结(LDC)及控制喷射沉积(CSD)等名称。喷射成形的概念最早是由英国Swansea 大学冶金及材料工程系Singer 教授于1968 年首先提出,并于1972 年获得专利[1]，而作为一种工程技术则是从1974 年英国OsprayMetals 公司取得专利权开始。喷射成形技术包括金属熔化、雾化和沉积等三个工艺过程。即将金属熔化成液态金属后,雾化成熔滴颗粒, 随即直接沉积在具有一定形状的收集器上,从而获得致密的大块金属实体。这一过程全部是在密闭舱体内完成, 完全取消了粉末处理、烧结等工序,避免了金属的污染。由于液态金属是在惰性气流作用下雾化和沉积, 所获得的金属实体具有偏析小、晶粒细小等特性[2]。利用这一技术可以得到一般快速凝固方法无法得到的大尺寸的金属实体。总之,雾化喷射沉积技术既克服了传统铸造过程中存在的晶粒粗大、偏析严重的缺点,又屏弃了粉末冶金工艺中工序繁多、氧化严重等不足,同时又兼有粉末冶金技术的优点,是一种极具竞争力的快速凝固工艺。因此引起了各国科技、企业界的广泛重视,得到了迅速的发展。
喷射沉积技术是在Ospray 技术的基础上增加真空熔化处理技术而形成的。预处理的合金在坩埚中通过真空感应冶炼后, 通过漏斗状计量口流入Ospray 工艺装置,熔化的合金流经过2 次高纯度的氩气雾化成很细的雾滴[3]。再将雾化后的金属熔滴直接喷射到金属基底，在基底上沉积形成半凝固沉积层, 依靠金属基底的热传导使沉积层不断地凝固形成较致密的预制坯料。通过更换不同形状的冷却机体而喷雾成形各种形状的预制坯(如圆盘、块坯、环形坯或管坯等),随后进行锻造。合金沉积的形状和厚度通过芯棒的退回来控制。其生产环类或壳类零件长达1.5 m, 直径达51.4m。在合金熔化过程中,允许添加其他合金,不像常规制坯那样要进行严格地隔离[4]。一般情况下,氧含量
2.喷射沉积技术的应用
2.1 喷射沉积技术在合金制造中的应用 喷射沉积技术目前已被广泛用来研究和开发多种快速凝固材料，取得了很好的效果，所研制的不锈钢，工具钢，高强度低合金钢，高合金铸铁，耐磨、精密合金，高温合金以及铝、镁等轻合金的组织和性能都得到了改善。下面以部分高温合金及硅铝合金为例作简要介绍。
2.1.1喷射沉积技术在高温合金制造中的应用
高温合金是发动机制造必需的材料，其制坯工艺受到工业界的普遍重视。采用喷射沉积制坯，不但能改善高温合金的显微结构和性能，还可以直接生产成最终形状或接近最终形状的产品，提高材料的利用率,降低产品的成本。喷射沉积制坯高温合金的显微结构比熔铸材料均匀，特别是为改善强度和高温性能增加了溶质含量的合金，其性能如拉伸、蠕变抗力、应力断裂和低周疲劳性能改善尤为明显。另一方面还解决了导致高温合金性能恶化的两种主要缺陷:气孔和夹杂。2.1.2 喷射沉积技术在硅铝合金制造中的应用
喷射沉积硅铝合金经镀金处理后用作电子电路中微波放大器的模块。无线电频率(RF)和微波的封装材料要求极其严格，如低的热膨胀系数(CTE)(与镓砷化合物和氧化铝相当或稍高)，较高的热传导性(>100W·m-1K-1),低密度(100GPa)。另外，还应便于加工、电镀和激光焊接以及不受环境温度变化等因素的影响。从这些要求看，Si-Al 合金是比较理想的材料。其优点随Si 含量的提高表现得尤为突出。但Si含量过高，尤其是超过共晶点时会形成粗大针状或片状多角形Si 相，严重降低合金的力学性能。采用喷射沉积技术，可显著改善合金的纤维组织，减少偏析，提高合金固溶度等，使合金性能得以大幅度提高。利用该技术得到一种新的合金，叫做可控膨胀(CE)合金。CE 合金的CTE 可随着Si 含量变化在Al 和Si 的CTE 之间变化。CE 合金在封装应用上也表现出明显的优点，其重量比纯铝轻15%以上，强度超过高强铝合金。CTE 随温度变化不明显，当温度变化从-50～300℃时，CTE 变化不超过10%，弹性模量大于110GPa，密度，刚度大,如Si-30Al 是53 G Pa·cm 3/ g, 与Kovar(54Fe-29Ni-17Co)的17 G Pa·cm3/g 和Cu275W 的15 G Pa·cm3/g 相比要高得多。由于Si-Al 合金中含有极硬的硅粒子,加以铝基体比较软，常规坯料在加工时很难保证加工精度和低的表面粗糙度及好的表面形状，且刀具易磨损，加工高温铝合金就更不易了。但采用Ospray工艺制坯的高硅(wSi≯70%)Si-A l 合金，利用钛氮化物涂层硬质合金刀具可以顺利地进行机械加工，表面粗糙度Ra≤1.6滋m,甚至还可以加工出棱边。在钻孔时,若钻头上涂一层很薄(
2.2 喷射沉积技术在贵金属领域的应用前景
目前，喷射沉积技术在铝合金、高温合金、金属间化合物中的应用已基本成熟。从贵金属材料的应用领域和材料的形状类型(块、片、丝、膜等)考虑, 喷射沉积技术可以应用到贵金属材料及其复合材料的制备和生产中。(1)电接触材料的生产(如:AgSnO2、Pt-Ir、Pd-Ag、Au-Cr)。
可以预期，利用喷射沉积技术能消除电接触材料成分的宏观偏析、抑制微观偏析的生成、细化晶粒，从而可改善和提高贵金属电接触材料的综合性能。如加工性、氧含量、抗电蚀性等。并减少加工工序、降低成本。
(2)某些贵金属焊料(如:Ag-Cu28、Au-Sn20共晶合金)的生产可实现成分亚稳固溶扩展，及形成均匀细化的微观组织。由此来改善和提高材料的加工性能。(3)为贵金属与金属基复合材料的制备提供了一种可能的制备途径(如；Pt-Pd-Rh-RE 与金属基复合催化材料)。目前，纯贵金属催化网的使用效率在70%左右，如能在有色金属基体上沉积适量的贵金属催化材料，通过挤压、拉制制备出贵金属与金属基复合催化网，可大量节约贵金属。
(4)利用低密度喷射可完成离散表面涂层的生产(如铼管涂铱航空航天火箭喷管复合材料)。喷射沉积技术为贵金属复层材料的生产提供了较为理想的技术方法，并可提高喷管的高温抗氧化性，从而减少冷却用燃料的携带量。总之，喷射沉积作为一项新兴的快速凝固材料制备技术，虽然还存在很多值得研究的问题，但随着人们对喷射沉积技术各领域逐步深入的研究，必将对国民经济的可持续发展和国防工业的发展起到重大的推动作用。2.3 喷射沉积技术在Al-Si 电子封装材料中的应用
A l-Si 合金是一种综合性能可以满足电子封装要求的合金体系，其热膨胀系数(C TE)和热导率随硅含量的变化在一定范围内连续可调.因此，通过设计材料的成分, 可制备出新型轻质并具有热传导率高、热膨胀系数低、与半导体硅和砷化镓匹配及硅含量高(50 %～ 70 %)的Al-Si 合金材料，使之满足现代封装技术的要求。
硅含量较低的Al-Si 合金一般可通过熔化铸造成形，但硅质量分数大于50 %时,Al-Si 合金铸态的显微组织主要由粗大的、孤立的、多面化和高纵横比的一次硅晶体组成，这对材料的力学性能和可加工性将产生不利的影响。针状一次硅相的尺寸为毫米级，这导致材料的显微组织极度各向异性，使此合金极不适合用于电子封装。例如，用于电子封装的板材厚度为1 ～ 5 mm，如果采用铸造材料，那么单个颗粒硅晶体将有可能穿透整个板厚，并且硅颗粒易沿择优晶体学平面发生单方向开裂，这使材料的加工极难达到表面涂装所要求的高精度。采用喷射沉积技术制备的A l-Si 合金，可在不改变材料成分的前提下大幅度提高材料的性能。在喷射成形过程中，经过雾化的Al-Si 合金熔滴在飞行过程中即开始形成硅晶体。在沉积坯表面的凝固相被破碎而产生大量的硅相形核，这些核心长大并相互碰撞限制了硅相的长大，使其无法形成铸造组织中那样孤立的、高度取向性的硅颗粒，而且所形成的硅晶体随机取向，解决了显微组织与性能各向异性的问题。这样使沉积坯在结构上实现了连贯性，具有各向同性的合金组织和性能，有利于材料表面的精细加工。目前，关于硅质量分数高于50 %的Al-Si 合金电子封装材料的研究十分活跃。欧共体实施BRI TE/EU RAM 计划来开发以Al-Si 合金为基础的新型电子封装材料。由欧共体支持的英国Ospray公司于2000 年用喷射沉积技术生产出硅含量最高达到70 %的A l-Si 合金，制备出了A l-27Si ,A l-42Si，Si-50Al，Si-40Al，Si-30Al 系列合金。该公司还可根据用户的需求设计材料的成分，大幅度拓展了Al-Si合金的应用，满足了电子封装业的需求。
目前，国内主要有北京有色金属研究院、北京科技大学、中南大学和中国科学院等单位进行了相关研究，并且取得了一定的成果。田冲等人[5] 采用喷射沉积技术制备了Al-70Si 合金，其组织均匀，Si 相粒子细小，没有粗化和偏析的现象。该合金的CTE 为(7 ～ 8)×10-6K-1，热导率大于100 W/(m ·K)，密度为2.46 g/cm3，机械加工性能良好，可以用普通刀具进行车、铣、刨、钻孔加工.魏衍广等人[6 研究了沉积态合金的显微组织及其随温度变化的规律, Al-70Si 合金的热加工变形温度为560 ～ 590 ℃.王晓峰等人[7] 采用喷射沉积与热等静压结合的方法制备了性能良好的Al-70Si 合金.王磊等人[8] 用该法制备的Al-70Si 合金, 其C TE 为(7 ～ 9)×10-6 K-1 , 热导率为120 W/(m ·K), 抗弯强度为180 MPa。
3.结论
综合已有的研究成果，可见喷射沉积技术有其独特的优越性：①高的致密度。多种合金的直接沉积一般可达理论密度的95%以上，在工艺成熟条件下可达到99%以上。随后对坯件加工则很容易达到完全致密。②较低的含氧量。喷射沉积过程是在惰性气氛中瞬间完成的, 因此金属中的氧含量得到了很好的控制, 而且由于液态金属一次成形,工序简单,避免了粉末冶金工艺中因筛分、贮存、运输等工序带来的氧化,减轻材料的受污染程度。③属于快速凝固的范畴。根据合金类型、雾化沉积条件的不同和沉积坯尺寸大小, 合金的冷却速度可在103～106K·s-1 之间变化。因此喷射沉积合金具有一般快速凝固的组织特征, 主要是晶粒组织细化、宏观偏析消除,合金成分趋于均匀。④流程短工序简化。由于可减少中间工序的投资和能耗,经济性好,因此比粉末冶金具有更强的竞争力。⑤合金性能得到改善。由于快速凝固的组织优势，各种喷射沉积材料的组织性能，如耐蚀、耐磨、磁性、强度、韧性等性能指标均较常规铸锻工艺生产的材料有大幅度提高，或可与粉末冶金材料相当。
喷射沉积技术把液态金属的雾化和雾化熔滴的沉积自然地结合起来, 以较少的工序将合金直接从液态制备成致密、组织细化、成分均匀、结构完整并接近零件实际形状的材料和坯件.用喷射沉积技术生产的A l-Si 系列电子封装材料可与大多数半导体材料匹配，在国外这种材料已进入实用化和商品化阶段，但是国内在高硅铝合金电子封装材料的研制及这类材料的产品化方面还有些差距，进行这方面研究和开发是十分必要的。
参考文献：
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