基于傅里叶变换的高平整度喷射成形板坯材料制备理论分析.docVIP

基于傅里叶变换的高平整度喷射成形板坯材料制备理论分析 12机研 摘要：喷射成形是Singe最早提出并经多人研究发展形成的一种快速凝固技术，它足利用高能气体将熔融的金属液体雾化成粒滴，而粒滴沉积在基板上固化成近成品工件的过程。该技术可以通过快速冷却来获得晶粒细小、组织均匀并小产生偏析的合金工件，同时可以提高合金的可加工性。具有很广阔的应用前景。由于喷射成形的喷嘴喷出的颗粒服从正态分布，所以要想制备高平整度的板坯材料比较困难，一般都需要经行后续的锻压处理。工程信号分析，通过把方波进行傅里叶变换转换成三角级数，近而对信号进行处理。本文应用了这一思想，首先把正态分布曲线近似成正弦函数曲线，然后通过按一定的工艺参数多次喷射，最终得到高平整度的板坯材料。 关键词：傅里叶变换，喷射成形，平整度，板坯 0前言 喷射成形技术作为新兴的材料制备方法与传统的铸锭制备材料相比，有着不可比拟的优势。比如：1．材料致密度高2．形成合金的氧含量低3．具有快速凝固的显微组织特征（等轴晶）4.合金性能比常规铸锻材料有较大的提高且容易加工成形，甚至可以获得超塑性。5.工艺流程短，成本降低6.充分利用能源7.沉积效率高8.灵活的柔性制造系统（通用性和多样性）9．近终形成性。但是，同样因为喷射成形是新型材料制备技术，其本身也存在着很多缺陷和不足，比如：1.存在过喷的现象，过喷粉末的处理与应用增加了成本，降低了沉积效率2.产品的尺寸均匀性难以严格控制3.综合理论研究深度不够，无法有效指导各种实际应用。有鉴于此，对喷射成形的理论研究就是一项有必要也有意义的事。 本文着重介绍一种改善喷射成形板坯材料平整度的理论方法，其思想来源是傅里叶变换。一个周期方波信号可以由频率成整数倍的正弦波谐波叠加而成，这是一个逼近的思想，工程上一般取前5个正弦函数来近似方波，其近似程度能达到97%以上，当然，随着正弦波的增加，逼近的效果会越来越好。喷射成形中，喷嘴喷出的粉末粒度服从正态分布，在制备板坯材料的时候，喷嘴保持不动，基板沿X轴方向运动，就相当于正态分布沿X轴方向不定积分，其结果仍然服从正态分布。改变喷嘴的雾化角就相当于改变正态分布的标准差σ，工程中一般取3σ作为正态分布的简化。在一定范围内，正态分布可以近似成正弦函数。这样，用喷射成形制备板坯材料的过程就相当于用正弦函数近似方波的过程。 1喷射成形的原理 喷射成形主要由合金熔液的雾化、雾化熔滴的飞行与冷却、沉积坯的生长三个连续过程构成。它的基本原理见图1-1，其过程可定性的描述为：金属或合金高温熔体在导流管的熔滴射流。熔滴的尺寸在几微米到几百微米之间，其分布特性与喷嘴的设计和雾化参数有关。熔滴射流在高速气流作用下加速，并与气流进行强烈的热交换，其冷却速率在103~105K/s之间。在到达沉积坯前，由于冷速的不同，小于某一临界尺寸的熔滴凝结为固体颗粒，较大尺寸的可能仍为液态，而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒。这些大大小小、凝固程度不同的熔滴，以高速撞击沉积器表面，随之在沉积器表面附着、铺展（变形或破碎）、堆积、熔合形成一个薄的半液态层顺序凝固结晶，逐步沉积生长成为一个大块致密的金属实体。由此可见，喷射成形是把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（熔滴动态致密固化）自然地结合起来，在一步冶金操作中以较少的工序直接从液态金属制取具有快速凝固特性、整体致密、接近零件最终形态的坯件，具有巨大的技术经济效益。 图1-1 喷射成形带材的原理示意图 1一熔液池；2一铸带；3一导辊；4一激冷带；5一除尘系统； 6一雾化系统；7一惰性气体室直浇道 2喷射成形工艺过程及技术关键 2.1喷射成形装置及工艺参数 金属喷射成形工艺装备主体由熔化室（熔化坩埚）、雾化室和沉积基板构成（图2-1） . 熔化室位于雾化室的上方，其主要作用是熔化金属，根据不同的熔炼要求，熔化过程用氮气或其它惰性气体以及真空保护.液体金属经过塞杆或中间漏斗注入坩埚底部导流管内，进入雾化室，雾化室的上部有喷嘴，高压高速的惰性气体（氮气、氩气）经雾化喷嘴冲击熔融的金属或合金液流，将液流雾化成弥散细小的液态颗粒，雾化室下部是沉积基板，雾化液滴在高压高速气流的带动下加速运动，飞行一段距离后（一般为300 ~ 400 mm）沉积在基板上，形成高度致密的沉积坯料，通过控制和调整基板的运动可以得到不同形状的沉积毛坯，由于液滴与雾化气流进行强烈的对流换热，金属喷射成形材料凝固时获得很高的冷却速度，一般冷却速度都可达到103 K/ S 以上。 图2-1 雾化沉积工艺示意图 2.2 喷射成形技术关键 金属喷射成形的实际操作依赖于几项关键技术：其一，雾化颗粒撞击基板时的状态，若为液态，则与传统铸造接近；若为固态，则无法形成工件。 因此，要求在撞击基板前的瞬间为半固态