双雾化系统连续式喷射沉积装置
阅读说明：本技术 双雾化系统连续式喷射沉积装置 (Continuous jet deposition device with double atomization systems ) 是由 蔡志勇 王日初 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双雾化系统连续式喷射沉积装置,包括熔炼单元、第一雾化单元、第二雾化单元、沉积单元和控制单元；所述第一雾化单元和第二雾化单元分别与所述熔炼单元连接,所述熔炼单元将原材料加热至融化形成熔体,所述第一雾化单元与所述第二雾化单元接收所述熔炼单元形成的熔体；所述沉积单元设有基底,第一雾化单元与第二雾化单元所喷射的雾化液滴沉积在沉积单元的基底上；所述控制单元控制第一雾化单元与第二雾化单元的启停,并控制第一雾化单元与第二雾化单元交替喷射雾化液。本发明可以实现无缝切换,保证雾化和沉积过程的不间断进行,从而确保喷射沉积过程连续性和稳定性。(The invention relates to a continuous jet deposition device with double atomization systems, which comprises a smelting unit, a first atomization unit, a second atomization unit, a deposition unit and a control unit, wherein the smelting unit is used for smelting a molten metal; the first atomizing unit and the second atomizing unit are respectively connected with the smelting unit, the smelting unit heats the raw materials to be molten to form a melt, and the first atomizing unit and the second atomizing unit receive the melt formed by the smelting unit; the deposition unit is provided with a substrate, and atomized liquid drops sprayed by the first atomization unit and the second atomization unit are deposited on the substrate of the deposition unit; the control unit controls the start and stop of the first atomization unit and the second atomization unit and controls the first atomization unit and the second atomization unit to alternately spray atomized liquid. The invention can realize seamless switching and ensure the uninterrupted atomization and deposition process, thereby ensuring the continuity and stability of the spray deposition process.)
技术领域
本发明涉及金属及合金制备装置及其应用的开发技术领域，尤其涉及一种双雾化系统连续式喷射沉积装置。
背景技术
喷射沉积技术，也称为喷射成形或喷射铸造技术，将熔体雾化和沉积过程合为一体，是一种结合快速凝固、半固态加工和近终成形的综合工艺。喷射沉积可简单的分为雾化和沉积两个过程，雾化是将熔炼得到的金属或合金熔体在高压气体作用下破碎成细小的液滴，沉积则是飞行一定距离并发生一定程度凝固(半固态)的液滴沉积在基底上形成锭坯的过程。因此，喷射沉积的稳定化首先需要确保熔体雾化过程的连续稳定进行，而喷射沉积关键装置的优化改造是实现稳定化生产的基础。
1974年，英国Osprey金属公司的Brooks和Leatham等成功地将喷射沉积原理应用于锻造坯的生产，并逐渐发展为著名的Osprey工艺。2000年Osprey金属公司首先利用喷射沉积制备电子封装Al-(22％～70％)Si合金，也称为热膨胀可控合金(CE,Controlledexpansion)，其锭坯直径达到250mm；获得的Al-Si合金可使用普通刀具加工，表面可以镀覆Ni、Cu、Ag及Au等，已成功应用于军用、航天、航空电子产品的封装。
在目前已有的研究和实践生产中，所采用喷射沉积装置大多采用单喷嘴或固定的双喷嘴形成雾化液滴。这种结构的喷射沉积装备，由于喷嘴材质、漏包、气体等外界因素具有不连续性，比如雾化过程因喷嘴损耗需要更换而被迫暂定，因而不利于喷射沉积过程的持续稳定进行。此外，现有喷射沉积装置在更换雾化设备过程中，由于雾化器在沉积基底上方，部分残渣容易掉落在已沉积锭坯上表面，在后续沉积过程被卷入锭坯中间，从而对沉积锭坯的质量和稳定性造成不利影响。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种双雾化系统连续式喷射沉积装置，采用两套雾化系统，并同时与一个气体连接及控制器连接，可以实现无缝切换，保证雾化和沉积过程的不间断进行，从而确保喷射沉积过程连续性和稳定性。
一种双雾化系统连续式喷射沉积装置，其特征在于：包括熔炼单元、第一雾化单元、第二雾化单元、沉积单元和控制单元；所述第一雾化单元和第二雾化单元分别与所述熔炼单元连接，所述熔炼单元将原材料加热至融化形成熔体，所述第一雾化单元与所述第二雾化单元接收所述熔炼单元形成的熔体；所述沉积单元设有基底，第一雾化单元与第二雾化单元所喷射的雾化液滴沉积在沉积单元的基底上；所述控制单元控制第一雾化单元与第二雾化单元的启停，并控制第一雾化单元与第二雾化单元交替喷射雾化液。
本发明所述的双雾化系统连续式喷射沉积装置，可实现快速无缝切换，实现雾化和沉积过程的不间断进行，从而确保喷射沉积过程连续性和稳定性，并且提高喷射沉积过程的自动化程度。
进一步地，所述第一雾化单元包括第一漏包与第一堵杆；所述第二雾化单元包括第二漏包与第二堵杆；所述第一堵杆与所述第二堵杆的空间位置可变；当所述第一堵杆堵住第一漏包底部的开口时，第一雾化单元停止喷射雾化液；当所述第二堵杆堵住第二漏包底部的开口时，第二雾化单元停止喷射雾化液。
进一步地，还包括气体连接及控制器；所述气体连接及控制器与所述第一堵杆和所述第二堵杆固定连接，所述控制单元通过控制所述气体连接及控制器来改变第一堵杆与第二堵杆的空间位置，从而控制第一雾化单元与第二雾化单元的启停。
进一步地，所述控制单元具体为PLC系统；所述PLC系统与所述气体连接及控制器电连接，通过控制所述气体连接及控制器进一步控制第一雾化单元与第二雾化单元的启停。
进一步地，所述PLC系统根据不同合金熔体的特性通过所述气体连接及控制器调整雾化气体压力。
进一步地，第一雾化单元还包括第一喷嘴和第一雾化器，第一喷嘴设置在第一漏包的底部开口，第一雾化器设置在第一喷嘴的末端；第二雾化单元还包括第二喷嘴和第二雾化器，第二喷嘴设置在第二漏包的底部开口，第二雾化器设置在第二喷嘴的末端；第一雾化器与第二雾化器将熔体转化为雾化液滴。
进一步地，还包括监控单元；所述监控单元检测第一漏包、第二漏包、第一喷嘴、第二喷嘴以及沉积单元的基底上的沉积情况。
进一步地，所述熔炼单元包括两套熔炼装置，所述两套熔炼装置可熔炼不同的金属原材料，并将得到的熔体分别转移到第一雾化单元与第二雾化单元。
进一步地，所述控制单元依据需要制备的梯度材料的梯度层的厚度控制第一雾化单元与第二雾化单元的启停时间。
进一步地，所述沉积单元设有升降装置，所述升降装置可控制基底的垂直高度，且基底具有旋转功能。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明实施例1中双雾化系统连续式喷射沉积装置的结构简图；
图2为本发明双雾化系统连续式喷射沉积装置的雾化部分的结构简图；
图3为本发明实施例2中双雾化系统连续式喷射沉积装置的结构简图；
图4为本发明双雾化系统连续式喷射沉积装置制备的高硅铝合金锭坯的实物图；
图5为本发明双雾化系统连续式喷射沉积装置制备的高硅铝梯度材料的界面形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
请参阅图1，图1是本实施例的双雾化系统连续式喷射沉积装置的结构示意图。该双雾化系统连续式喷射沉积装置包括熔炼单元10、雾化平台20、第一雾化单元30、第二雾化单元40、气体连接及控制器50、沉积单元60、监控单元70、除尘单元80以及控制单元90(图未示)。
整套装置设置在一个雾化腔体内，所述雾化腔体的顶端设有投料口，所述投料口下方设置有熔炼单元10，所述熔炼单元10用于将原材料加热至融化形成熔体，也可以对熔体进行保温维持其物理形态。熔炼单元10下方设置有雾化平台20，所述雾化平台20的水平宽度贯穿整个雾化腔体，雾化平台20上设有第一雾化单元30与第二雾化单元40，所述第一雾化单元30与第二雾化单元40固定在雾化腔体内部的侧壁上，并相对雾化腔体的几何中心呈对称分布。第一雾化单元30与第二雾化单元40同时连接有一个气体连接及控制器50，气体连接及控制器50可控制第一雾化单元30与第二雾化单元40的启停。沉积单元60设置在所述雾化平台20的下方，用于承接从第一雾化单元30与第二雾化单元40中喷射出的雾化液滴，沉积单元60的顶端设置有基底，雾化液滴在基底上的沉积过程中会相互粘接形成一定尺寸的合金锭坯；沉积单元60的基底具有旋转功能，且附有升降装置，使得基底的垂直高度可以变化。监控单元70设置在雾化腔体的侧壁上，用于监测漏包、喷嘴的损耗情况以及沉积单元60的基底上的沉积情况，监控单元70所监测到的信息可用于控制雾化单元启停的依据。除尘单元80设置在雾化腔体的最底端，用于清除雾化腔体内的杂质。所述控制单元90具体为PLC(可编程逻辑控制器)系统，所述气体连接及控制器50与PLC系统电连接，PLC系统可以控制气体连接及控制器50，进一步控制两个雾化单元的工作状态，从而控制两个雾化单元的切换，并可以根据不同合金熔体的特性调整雾化气体压力。
所述熔炼单元10、第一雾化单元30、第二雾化单元40、气体连接及控制器50以及沉积单元60均处于全密闭环境中，同时所述双雾化系统连续式喷射沉积装置还设有真空系统与气体保护系统，使用时先将腔体抽至真空后再充入保护气体。
请参阅图2，图2是本发明双雾化系统连续式喷射沉积装置的雾化部分的结构示意图。图2展示了第一雾化单元30与第二雾化单元40的细节结构，第一雾化单元30与第二雾化单元40的具体组成相同且以沉积单元60的基底为中心呈对称分布，下面以第一雾化单元30为例说明其结构。
第一雾化单元30包括第一漏包31、第一堵杆32、第一喷嘴33以及第一雾化器34。所述第一漏包31设置在所述熔炼单元10的下方，其上方无盖，底部呈漏斗状，熔炼单元10所熔炼的熔体可以通过第一漏包31上方的开口转移到其中。所述第一堵杆32分为两段，其中一段为横向，另一段为纵向，横向堵杆与纵向堵杆相互垂直，横向堵杆设置在雾化腔体的内部侧壁上并与侧壁方向垂直，且延伸至第一漏包31的内部，同时与纵向堵杆固定连接，纵向堵杆下方延伸至第一漏包31的下部开口处，所述气体连接及控制器50通过操控纵向堵杆的运动从而控制第一漏包31下部开口的开合，从而控制第一雾化单元30的启停。所述第一喷嘴33设置在第一漏包31的下部开口处，形态呈一段折线，并指向下方的沉积单元60的基底，用于将熔体引流至所述基底上。所述第一雾化器34设置在所述第一喷嘴33的末端，所述第一雾化器34的喷射口由高频摆动机构控制雾化锥的形状，其摆动频率由所述PLC系统控制，第一雾化器34的喷射口可以将熔体转化为雾化液滴，液滴在高压气体作用下飞行并逐渐冷却凝固，未完全凝固的半固态浆料在沉积单元60的基底上不断沉积、冷却形成合金锭坯。
第二雾化单元40包括第二漏包41、第二堵杆42、第二喷嘴43以及第二雾化器44。第二雾化单元40的所有部件及其尺寸与第一雾化单元30一致，且与第一雾化单元30以沉积单元60的基底为中心呈对称分布，在此不再赘述。
本实施例的双雾化系统连续式喷射沉积装置按照如下方式运作：
S1、在使用前，先将金属原料预先通过投料口置于熔炼单元10内，再将整个雾化腔体抽至真空，然后充入保护气体，具体地，所述保护气体可以为高纯氮气；
S2、待雾化腔体内充满保护气体后，使用熔炼单元10对原料进行高温熔炼，原料全部转化为熔体后熔炼单元10由熔炼状态转换为保温状态，然后将金属熔体转移到第一雾化单元30与第二雾化单元40中的第一漏包31与第二漏包41中，此时，第一堵杆32与第二堵杆42均严密封死对应漏包的下部开口；
S3、通过PLC系统控制第一堵杆31使其开启，同时通过气体连接及控制器50开启高压气体并调节雾化器的气体压力0.8～0.95MPa，流经喷嘴的金属熔体被雾化器雾化成细小的液滴；
S4、在雾化液滴在高压气体的作用下开始在沉积单元60的基底上沉积时，控制沉积单元60的基底旋转且控制其垂直高度下降，同时开启监控单元70与除尘单元80，由于雾化液滴的不断沉积，半固态液滴相互粘接逐渐形成一定尺寸的合金锭坯；
S5、根据监控单元70所监测的漏包、喷嘴等的损耗情况以及沉积单元60上的沉积情况，采用PLC系统控制第一堵杆32与第二堵杆42，具体地，使得第一堵杆32恢复阻挡第一漏包31下端开口的状态，同时使第二堵杆42变为开启状态，即由第二雾化单元40替换第一雾化单元30继续进行喷射沉积，其过程重复S3～S5；
S6、根据具体的需要，可以用上述步骤的方式在第一雾化单元30与第二雾化单元40之间不断更换，实现雾化和沉积过程的持续稳定进行，从而得到所需的喷射沉积金属锭坯。
以上运作过程的描述中，先使用第一雾化单元30进行喷射沉积，在实际使用中，第一雾化单元30与第二雾化单元40的使用顺序可以相互替换。
请参阅图4，图4是本实施例所制备的Al-50％Si合金的实物状态。在这个制备实例里，步骤S2中，熔炼温度为1300～1400℃，保温温度为1150～1200℃，喷嘴直径设定为3.5mm。
实施例2
请参阅图3，图3是本实施例的双雾化系统连续式喷射沉积装置的结构示意图。在本实施例中，通过增设一个熔炼系统来实现两种不同成分合金的雾化和沉积，即熔炼单元10包括两个熔炼装置，分别对应第一雾化单元30与第二雾化单元40。通过使每一个雾化单元分别对应一个熔炼装置，可以用于制备梯度材料，梯度层的厚度根据实际需求可以通过调节两个雾化单元的雾化时间进行控制。
除了上述特征，本实施例的其余技术特征与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施例的双雾化系统连续式喷射沉积装置按照如下方式运作：
S1、在使用前，先将两种不同的金属原料预先通过投料口置于熔炼单元10的两个熔炼装置内，再将整个雾化腔体抽至真空，然后充入保护气体，具体地，所述保护气体可以为高纯氮气；
S2、待雾化腔体内充满保护气体后，使用熔炼单元10中的两个熔炼装置对两种不同的原料分别进行高温熔炼，原料全部转化为熔体后熔炼单元10由熔炼状态转换为保温状态，然后将两个熔炼装置内的金属熔体分别转移到第一雾化单元30与第二雾化单元40中的第一漏包31与第二漏包41中，此时，第一堵杆32与第二堵杆42均严密封死对应漏包的下部开口；
S3、根据实际的使用需求以及两个雾化单元的漏包中的熔体成分，通过PLC系统控制第一堵杆32与第二堵杆42的其中之一使其开启，同时通过气体连接及控制器50开启高压气体并调节雾化器的气体压力0.8～0.95MPa，流经喷嘴的金属熔体被雾化器雾化成细小的液滴；
S4、在雾化液滴在高压气体的作用下开始在沉积单元60的基底上沉积时，控制沉积单元60的基底旋转且控制其垂直高度下降，同时开启监控单元70与除尘单元80，由于雾化液滴的不断沉积，半固态液滴相互粘接逐渐形成一定尺寸的合金锭坯；
S5、根据梯度层的厚度要求和监控单元70所监测的漏包、喷嘴等的损耗情况以及沉积单元60上的沉积情况，采用PLC系统控制第一堵杆32与第二堵杆42，具体地，使得开启的堵杆恢复阻挡其相应的漏包，同时使另一个堵杆变为开启状态，即替换另一个雾化单元继续进行喷射沉积，其过程重复S3～S5；
S6、根据具体的需要，可以用上述步骤的方式在第一雾化单元30与第二雾化单元40之间不断更换，实现雾化和沉积过程的持续稳定进行，通过调节两套雾化系统的雾化时间控制梯度层的厚度，从而得到所需的喷射沉积高硅铝合金梯度材料锭坯。
请参阅图5，图5是本实施例所制备的Al-27％Si/Al-50％Si梯度材料的宏观形貌。在这个制备实例里，Al-50％Si所对应的熔炼装置的熔炼温度为1300～1400℃，保温温度为1150～1200℃，喷嘴直径设定为3.5mm；Al-27％Si所对应的熔炼装置的熔炼温度为1000～1200℃，保温温度为900～950℃，喷嘴直径设定为3.0mm。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。