《表2 过热度对沉积坯不同区域孔隙率及区域厚度的影响》

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《喷射成形工艺参数对沉积坯质量的影响》

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图2为雾化压力一定（0.5 MPa）时，在不同过热度条件下制备的沉积坯的外形宏观照片。由图2可以看出，过热度对沉积坯外形的影响显著。当过热度为200℃时形成的沉积坯如图2a所示，其整体为“火山口”状，且表面凹凸不平。此沉积坯外形的形成原因是过热度为200℃时输入热量过高，雾化过程中所形成的熔滴中液相含量高。当高液相含量的熔滴沉积到沉积坯表面时，沉积坯表面的糊状区中液相含量变高，使得流动性加强，导致在雾化气体的冲击和基板旋转离心力的共同作用下难以获得理想的沉积坯外形。一方面，糊状区被雾化气体冲出许多形状不规则、尺寸不一的凹坑。另一方面，糊状区中的液相在基板离心力的作用下从中心向外表面流动，其中更有一部分熔滴被甩出，从而在沉积坯内部形成宏观孔洞，同时，糊状区的液相含量高，难以避免裹入雾化气体，且裹入气体在随后的凝固过程中难以逸出，最终形成近球形的宏观孔隙，如图3a所示。当降低过热度至180℃时，沉积坯外形得到明显改善，如图2b所示，但沉积坯上部仍然存在凹坑，且沉积坯内部也存在明显的宏观孔隙，其致密区域尺寸约为Φ45 mm×40 mm（图3b）。当过热度为170℃时，沉积坯外形得到进一步改善，如图2c所示，整个沉积坯外表面平整光滑，被视为理想的外形。同时，在此过热度条件下所得沉积坯的内部质量良好，未观察到宏观孔隙，且整个致密区域的尺寸增大至Φ60 mm×60 mm，见图3c。继续降低过热度至160℃时，也能获得表面相对光滑的沉积坯，但由于过热度较低，使得钢液粘度增大，导致钢液不能完全有效地雾化成熔滴，从而在雾化锥中存在团块，其在沉积过程中导致沉积坯表面产生缺陷，如图2d中方框所示。从图3d可知，在此过热度条件下所得沉积坯的下部出现了明显的孔隙，与前述较高过热度条件下沉积坯上部形成的孔洞明显不同。其主要原因是当过热度较低时，雾化熔滴中液相含量相对较少，且熔滴沉积到基板时受到冷基板的激冷作用，导致液相流动不足难以完全填充已凝固颗粒间的孔隙，最终形成形状不规则的间隙宏观孔隙。当进一步降低过热度至150℃时，所形成的沉积坯呈薄饼状（图2e），经称重计算后确定材料收得率仅为30%。其主要原因是当过热度过低时，大部分雾化熔滴到达沉积坯表面时已经完全凝固，沉积时被沉积坯表面弹开，导致收得率较低。沉积坯底部在基板激冷作用下宏观孔隙更加明显，过低的过热度还会导致沉积坯出现分层（如图3e虚线所示），对后续的热加工极为不利。表2为在不同过热度条件下所得沉积坯不同区域的孔隙率测试数据。从表2可以看出，沉积坯底部、边缘、表面三个区域的孔隙率较高，严重时底部区域孔隙率可超过30%，很难在实际中使用。心部区域的孔隙率较低，工艺恰当时通常在5%以内。提高过热度不仅能明显降低沉积坯底部区域的孔隙率，还能有效减小底部区域的厚度。如:当过热度从150℃提高至200℃时，底部区域的孔隙率降低5.14%，同时其厚度从13.5 mm降低至8.5 mm，有利于提高材料的利用率。心部、边缘、表面等三个区域的孔隙率都随过热度的提高先降低后增大，其中，心部区域的孔隙率随过热度变化的程度最小，为0.5%～0.9%。