金属快速成形技术是以生成最终金属零件或模具 为目标,采用离散、堆积的成形思想和制造工艺,使计 算机中的几何模型直接转化为三维立体原型的先进制 造技术。该技术克服了传统加工工艺的缺陷,为制造 业的发展开辟了新的道路,被认为是近20 年来制造领 域内的一次重大突破。其中,金属液滴喷射成形技术 因其成形效率高、表面质量好、可实现近终成型等优势 而倍受青睐[1 ] 。 电弧喷油技术是利用两根连续送进的金属丝之间 产生的电弧熔化金属,采用高压气流将其雾化成小熔 滴并高速喷射至工件表面形成涂层的一种工艺。电弧 喷油技术具有设备简单、成本低、生产效率高、质量可 靠等特点而被广泛用于制备各种性能薄涂层,尤其是 应用在零件表面的防腐与耐磨等领域[2 ] 。近年来,人 们结合电弧喷油技术的优势和金属液滴喷射成形的思 想,提出一种电弧喷油快速成形工艺,并展开了广泛的 研究。鉴于此,本文就电弧喷油快速成形的基本概况、 在模具制造行业的应用研究现状以及喷油成形的关键 技术等方面展开综述,并对电弧喷油快速成形的发展 提出几点建议。 1 金属液滴喷射成形技术 1. 1 近终型喷射成形技术 利用金属液滴喷射沉积技术快速制造零件的最初 思想应该起源于20 世纪60 年代的近终喷射成形工 艺,其基本过程是,熔化的金属在高压惰性气体的作用 下,吸入或被压入陶瓷喷嘴,然后在高速气流的作用 下,雾化成细小的金属液滴,液滴高速沉积在预制形状 的收集器表面上而成形[3 ] 。英国Osprey 公司、瑞典的 Sandvik 工厂以及德国的Peak 公司利用该技术已能 够制造钢管、轧辊等大型零件,最大件质量超过2t ,最 大外径尺寸超过400mm[4 ] 。另外一个发展方向就是 液滴喷射微制造技术,它是指从坩埚底部的喷嘴喷出 形成均匀熔滴流,在下落过程中先后通过充电电极和 偏转电极,熔滴选择性沉积到基板上,控制基板的运动 使熔滴在基板上按需准确定位,逐点逐层沉积最终成 形出复杂的几何造型,该工艺在微型器件制造领域具 电弧喷油快速成形技术研究现状91 有广泛的应用前景[5 ] 。 1. 2 等离子喷油快速成形技术 等离子喷油(熔射) 快速成形技术,是以等离子射 流为热源,在特定工艺条件下,使喷油粉末在原模表面 集结成形,经背衬、脱模、强化等处理,得到具有一定功 能的零件及型腔的制造方法。它合理地利用了等离子 喷油技术与RP 技术的互补性,是一种新的快速、灵 活、材料适应性广泛的零件制造技术和加工方法,主要 应用于模具的快速制造。1995 年,法国学者Feslon A. 采用等离子喷油的方法成功制得高500mm , 厚 015mm ,精度为±0. 03mm 的圆锥形薄壁件[6 ] 。日本 学者Lutz 对等离子喷油法制得的多种陶瓷管件与烧 结方法制得的相应材质陶瓷管件的性能(如粒度与成 分、微观结构、孔隙率、弹性模量与强度、高温强度、热 冲击性能等) 进行了系统研究,为等离子喷油成形技术 进一步发展提供了有力支持[7 ,8 ] 。近年来,国内学者 也展开了这方面的研究,如华中理工大学对等离子喷 涂法制造不锈钢注塑模技术进行研究,并成功制得多 种注塑模具[9 ] 。西安交通大学、清华大学、大连理工大 学在等离子喷油成形金属、陶瓷类模具零件方面也做 了许多有意义的工作[10 ,11 ] 。 1. 3 电弧喷油快速成形技术 电弧喷油快速成形技术是利用金属丝产生电弧, 熔滴脱离丝尖端后被高速气体加速雾化而不断沉积成 形的工艺。它与上述两种喷射技术相比,具有以下几 个方面的不同点: (1) 适用材料。近终型喷射成形主要使用各种碳 钢、高速钢、不锈钢以及有色金属材料,等离子喷油成 形的适用材料主要为各种高性能金属喷油粉末或陶瓷 粉末,电弧喷油成形则适用各种金属实心丝材,或者金 属带包覆金属或陶瓷粉末的粉芯丝材。 (2) 设备要求。近终型喷射和等离子喷油成形的 设备都比较复杂,电弧喷油成形的设备最简单,主要包 括电弧喷油电源、喷抢、送丝和气体供给装置及运动控 制装置。 (3) 成本及能耗。近终型喷射成形的成本较高,具 体因零件形状而异。等离子喷油成形的材料及能量消 耗成本高,能量利用率约4 %～12 %。电弧喷油的成 本最低,丝材来源广泛,能量利用率高达57 %～67 %。 (4) 成形效率。电弧喷油成形的效率最高,约5～ 35kg/ h ,而等离子喷油的成形效率约低于5kg/ h 。 (5) 适合领域。近终型喷射成形的发展分两个方 向,一是可生产小到微米级的精密元器件,二是大到几 百毫米级的大型零件;等离子喷油成形主要用于高性 能金属或陶瓷模具的制造,可实现精密成形,可用于制 造微小模具和有复杂或小内表面的模具;电弧喷油成 形主要适合于各种注塑模、压铸模等模具或壳体类零 件的成形,也可用于零件的快速修复与再制造领域。 通过对比可以看出,虽然近终型喷射成形和等离 子喷油技术比电弧喷油技术制备的涂层性能要高,但 是前者设备复杂、成本高、效率也相对较低,其应用范 围通常适合于航空航天等高端领域高性能零件的快速 制造。有学者也尝试采用高速火焰喷油( HVOF) 技术 进行零件的快速成形,但面临同样的问题[12 ] 。因此, 下文主要就电弧喷油快速成形技术的诸方面作详细的 介绍。 2 电弧喷油快速成形的主要方向———模具快 速制造技术 模具快速制造技术(Rapid Tooling , RT) ,是目前 快速成形( Rapid Prototyping , RP) 技术中发展最迅 速,产值增长最明显的技术之一。电弧喷油快速制模 技术作为快速制模技术中的一种,具有特殊的优点并 得到了较快的发展。20 世纪70 年代,美国TAFA 公 司开始用电弧喷油试制低熔点金属模具,陆续解决了 喷油过程中存在的许多工艺性问题,使喷油设备小型 化,实现了电弧喷油金属在制模工艺中的成功应用。 推出一种新式电弧喷油设备,包括动力与控制装置、 TAFA2M8830 型喷抢以及压缩空气系统[13 ] 。进入20 世纪90 年代后,随着快速原型制造技术的成熟,原型 基模的制作已不存在多大困难,电弧喷油制模技术逐 渐被人们所重视。南洋理工大学Chua C. K. 等应用 此技术制备了注射模具,其成本仅为传统的50 %[14 ] 。 TAFA 公司利用电弧喷油铜、铝或不锈钢等,在原模 (木材、塑料或金属制品) 上制作靠模型壳,填充背衬材 料,可用于多种塑料、玻璃纤维及大型复合材料的生 产,另外,该公司还将电弧喷油制模应用于汽车行业 中,降低了成本,并显著提高了经济效益。在美国,几 乎所有聚氨酯组合鞋底制造商在自动成型设备上都采 用了金属喷油快速制模法进行生产。福特公司采用多 个喷嘴的电弧喷油设备,分别用N2 、Ar 、空气等作为 压缩气体,进行了电弧喷油高熔点材料模具的研究,采 用机器人操作4 把喷抢的喷油工艺,已经可以制造 914mm ×914mm 的模具。Newbyer A. P. 等人用电弧 喷油的方法制得Ni3Al 合金模具以及钢制模具[15 ] 。 1997 年,英国牛津大学先进材料及复合材料研究中 心、美国Hasbor 有限公司、英国喷油成形工模具有限 公司联合进行研究,采用电弧喷油的方法,快速制造工 模具(如生产儿童高位椅支架的注塑模) ,与传统的工 92 材料工程/ 2010 年2 期 模具制造方法相比,显著减少了产品设计与生产的时 间。2002 年举行的国际工模具大会上,英国牛津大学 展示了采用电弧喷油制造的高碳钢汽车覆盖件冲压凸 模,以取代原有数控切削加工制模的工艺,制模时间约 为原有方法1/ 5 。美国Kosikowski D. 等人开发出一 种HVOF2ARC 复合的新型电弧喷油技术,该技术可 用于军用高强度模具及零件的快速成形与再制造,在 军用装备的快速保障方面有很好的应用前景[16 ] 。 在国内,1985 年烟台机械工艺研究所[17 ] 引进意大 利DPT2B 型、MCP2001CL P 型电弧喷油设备,开展了 快速制模技术的研究,并采用电弧喷油锌合金快速制 作注塑模具,取得了满意的效果,制造周期可缩短1/ 2 ～2/ 3 。西安交通大学利用电弧喷油成功制作了锌合 金汽车覆盖件模具[18 ] 。大连理工大学、华侨大学、清 华大学、山东大学等单位也进行了电弧喷油制模的初 步研究[19 ,20 ] 。 3 电弧喷油快速成形关键技术 3. 1 喷油材料 电弧喷油技术制造快速模具/ 零件时,型腔金属壳 体的厚度一般在毫米级以上,高熔点的熔融金属颗粒 沉积到基模上后会释放出较多热量,使基模发生热变 形,降低了型腔的复制精度,并可能导致金属涂层在尚 未达到要求厚度时就发生翘曲、开裂或剥落;低熔点金 属或合金丝材对基模的热影响小,可减少母模热变形, 提高成形件的精度,因而锌、巴氏合金等低熔点材料较 多地用于快速模具的制作[21 ] 。但其硬度只有40 ～ 50HV ,这种低熔点材料的模具寿命较低,应用范围受 到极大限制。从板料冲压模具需要出发,希望涂层硬 度尽量高,西安交大研究出了Zn2Al2Cu 伪合金喷油材 料,其涂层表面硬度达到80～90HV ,通过适当的热处 理,硬度可进一步达到100～110HV ,具有良好的应用 前景[ 18 ] 。 高熔点材料虽然难以喷油成形,但是,如果材料选 择适当,有效控制涂层中的残余应力、氧化物、孔隙等 缺陷,实现厚成形还是有可能的,而且,高熔点材料成 形零件硬度、强度高、综合性能好,具有更广阔的发展 潜力。鉴于此,对电弧喷油高熔点材料快速成形技术 的研究越来越受到重视[ 22 ] 。英国牛津大学[ 23 - 26 ] 采用 N2 作为雾化气体,选用高碳钢丝材( TAFA38 T , Fe2 0. 83 C20. 51 Mn) 作为喷油材料,通过优化喷油路径, 红外热像仪监控成形层温度等手段,实现了厚度高达 10～30mm 模具零件的快速成形,而且利用机器人抓 举4 把喷抢,同时进行喷油,极大地提高了喷油成形的 效率。当成形过程中涂层表面的温度控制在某一较低 值时,高碳钢材料会发生相变,生成马氏体和贝氏体组 织,相变时伴随体积膨胀,产生压应力,可以部分抵消 喷油过程中快速凝固及热不匹配造成的拉应力,因而, 成形层的总体残余应力在较低水平上。 有研究表明,运用电弧喷油技术制备非晶/ 纳米晶 涂层可以获得结合强度高达50MPa 以上、氧化物含量 < 2 %(质量分数) 、硬度达1000HV 的高性能涂层[27 ] 。 该技术主要通过设计非晶形成能力非常强的特定合金 成分的粉芯丝材,利用电弧喷油技术的快速凝固特性, 喷油粉芯丝材而制备含有大量非晶态和纳米晶组织的 涂层。这种技术比热喷油纳米颗粒的粉末(或包覆纳 米颗粒的粉芯丝材) 的成本要低很多,而且非晶纳米晶 含量高,在性能上更胜一筹。该技术主要是依靠特定 的合金成分设计,通过电弧喷油的急速冷却,使合金成 分来不及形核而凝固形成了金属玻璃态(非晶) 组织, 并有部分形核的但来不及扩散长大而形成纳米晶。由 于这种非晶/ 纳米晶复合涂层的高结合强度及硬度、低 氧化物含量等优异性能,很适合于成形厚涂层,据报 道[28 ] ,利用设计的Fe2Cr2B2Si 系粉芯丝材,成功制备 了厚度高达2. 5cm 的非晶纳米晶厚涂层。因此,这种 类型的材料也有望于采用普通的空气雾化电弧喷油方 法快速成形高强度零件。 3. 2 电弧喷油快速成形工艺的研究 电弧喷油过程中,电弧快速加热熔化金属丝材,熔 滴在气流作用下从丝尖端脱离,与雾化气流发生动力 学、传热学及化学交互作用,并发生形状尺寸、速度、温 度以及化学状态(氧化) 的改变;高速飞行的熔滴与基 体表面或已沉积涂层表面发生碰撞,瞬间扁平化并快 速凝固,并有部分发生飞溅;众多飞行的熔滴随着喷抢 的移动随机的叠加,不断增厚,其间伴随着孔隙的产 生、热量的快速传输及应力的形成等缺陷。因此,电弧 喷油是一个非常复杂的工艺过程,研究这些行为是实 现厚成形并揭示其机理的基础。 |
