[發明專利]一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法

有效

• 申請號: 200910130880.3
• 申請日: 2009-04-17
• 公開（公告）號: CN101559490A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 張國慶;張勇;李周;袁華;許文勇;劉娜
• 申請（專利權）人: 中國航空工業第一集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115
• 代理公司: 中國航空專利中心
• 代理人: 李建英

技術領域

本發明屬于材料加工領域。涉及一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法。

背景技術

噴射成形工藝過程主要由合金熔液霧化、熔滴飛行與冷卻、沉積坯生長三個連續過程構成。合金熔體在導流管末端，被霧化氣流破碎成大量尺寸在幾微米～幾百微米之間的細小熔滴，熔滴在高速氣流作用下加速，同時與氣流進行快速熱交換(冷卻速率高達10³～10⁶K/S)。由于冷速的不同，到達沉積坯前小于某一臨界尺寸的熔滴冷凝成固體顆粒，較大尺寸的可能仍為液態，處于中間尺寸的熔滴則為含有一定液相的半凝固顆粒。這無數個凝固程度不同的熔滴，高速撞擊沉積器表面，在沉積器表面附著、堆積、鋪展、熔合形成一個薄的半液態層并順序凝固結晶，逐步沉積成一個大塊致密的金屬坯體。因此，噴射成形是把液態金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動態致密固化)結合在一步冶金操作中完成，不但減少工序，具有明顯的經濟效應，而且組織均勻，提高材料性能。

噴射成形工藝的一個突出優點就是制備出的材料晶粒細小，組織十分均勻。在霧化過程中，熔滴中熔質原子的擴散和偏聚被限制在金屬熔滴的微小尺寸范圍內。在沉積過程中，由于冷卻速度較快且沉積坯表面處于半凝固狀態，溶質原子來不及擴散與偏聚，部分金屬熔滴快速冷凝生成細小的枝晶組織，其余尺寸較大的不同凝固狀態的霧化熔滴高速撞擊在沉積坯表面后，內部凝固成的枝晶絕大部分被破碎，形成許多晶粒凝固核心(即晶核)，然后沉積坯發生緩慢的高溫退火過程，生成由等軸晶組成的均勻的內部組織。因而，噴射成形材料無宏觀偏析(即使微觀偏析程度也較低)，特別有利于制備易偏析的高合金化材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼等。

在噴射成形過程中，金屬熔滴的霧化是在惰性氣體保護下進行的，且時間很短(一般為10^-3秒)，因此被氧化的程度很低。與傳統粉末冶金工藝相比，由于減少了貯藏、運輸、篩分、包套、壓制等多道工序，大大縮短了生產周期，材料利用率高，經濟效益顯著，有利于工業生產。有人研究認為，制備成同樣的材料，噴射成形的成本比傳統粉末冶金工藝可降低約30％。

利用噴射成形的快速凝固特點，可以解決傳統工藝方法制備合金中較易出現的偏析、一次碳化物粗大、熱加工性差等問題。上海寶鋼研究院申請的專利《一種使高釩高鈷高速鋼獲得超塑性性能的方法》(申請號：200410024855.4)，即通過噴射成形工藝使高釩高鈷高速鋼獲得超塑性能。用噴射成形方法后，具有超塑性性能且添加昂貴金屬的高釩高鈷高速鋼可以實現一次成形形狀較復雜的刀具和模具，大大減少了材料、能源和時間的消耗。他們采用一種高速鋼進行試驗表明，噴射成形高速鋼的超塑性溫度范圍寬，且在較高的應變速率(1×10^-1S^-1)下，仍有100％以上的高溫拉伸延伸率，在同樣條件下遠高于常規鑄錠鍛軋工藝制備的高速鋼的塑性，但是，采用此方法成型制備的高速鋼其內部的夾雜物含量較高。

發明內容

本發明的目的是提出一種使高速鋼內部的夾雜物含量降低的一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法。本發明的技術解決方案是，

(1)在10-3Pa真空氣氛中熔化并精煉后的高速鋼鋼液，在傾倒入中間包時，采用氧化釔部分穩定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液，鋼液噴射成形前，對熔煉室和霧化室進行洗氣操作，即將高速鋼母合金料放入真空感應爐內加熱，并在合金料熔化前，采用機械泵和增壓泵對熔煉室和霧化室抽真空，真空度低于10^-3Pa，關閉各真空閥，向熔煉室和霧化室內充入N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的高純氮氣，當壓力接近1atm后，抽真空，真空度低于10-3Pa，重復操作三次；

(2)向熔煉室和霧化室內充入N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的高純氮氣，氣體壓力接近1atm；

(3)把精煉均勻的高速鋼鋼液按每分鐘50公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包內，鋼液經中間包過濾，通過導流管，將鋼液在霧化噴嘴處以壓力70atm、純度N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的氮氣霧化成熔滴，熔滴沉積在沉積器上形成沉積坯；

(4)當霧化沉積完成后，把霧化室和熔煉室抽真空，使高溫沉積坯處于真空狀態，真空度低于10^-2Pa。

(5)當沉積坯溫度低于200℃，破真空，取出沉積坯。