技术领域
[0001] 本申请涉及金属管靶制备技术领域，具体而言，涉及一种制备金属管靶的装置、方法。
相关背景技术
[0002] 相比于现有实心件掏空工艺制备金属管靶，喷射成形是一种逐渐成熟的制备金属实心件和空心件的新工艺。喷射成形是充分利用已精炼的液态金属，经雾化成液滴射流，使半凝固的细小颗粒沉积在托盘上，快速凝固形成金属管靶的技术，该技术能够实现金属的组织细化、成分均匀、消除了宏观偏析，大幅度提高金属的机械性能。具体地，现有的一些利用喷射成形制备金属管靶的方案中，通过旋转平移机构带动水平设置的薄壁金属管靶边旋转边后退，金属高速射流从雾化喷嘴喷出后，垂直喷射到所述薄壁金属管靶上，然后成形出具有指定厚度的管坯。也有的是将上述的水平旋转往复移动变成竖直旋转往复移动。但是采用上述制备方法时，容易造成喷射液滴的过喷，一部分液滴可能无法喷射到金属管靶的表面，造成制得的金属管靶组织疏松，存在较多孔隙。
具体实施方式
[0022] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0023] 因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0024] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0025] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0026] 在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0027] 第一方面，本申请实施例提供一种制备金属管靶的装置10，请参照图1，其包括管靶模具11、第二旋转驱动机构12、旋转支撑台13、第一旋转驱动机构14、升降机构15以及用于容纳熔体并能够将熔体进行喷射的喷射机构16。
[0028] 其中，管靶模具11为环状空心结构，以用于容纳冷却液111(参照图1和图2)，其中，冷却液111可以为水或者其他冷媒，本申请实施例对冷却液111不做限定，只要能够实现冷却效果即可。且管靶模具11具有圆筒状模具内壁112以形成容纳空间，旋转支撑台13设于容纳空间内。
[0029] 第一旋转驱动机构14被构造成用于驱动旋转支撑台13沿旋转轴线朝第一方向旋转；升降机构15被构造成用于驱动第一旋转驱动机构14升降，以带动旋转支撑台13进行升降。
[0030] 示例性地，第一旋转驱动机构14包括第二电机141和旋转轴142，第二电机141的动力输出轴与旋转轴142同轴连接，旋转轴142与旋转支撑台连接，通过第二电机141能够驱动旋转支撑台绕旋转轴线转动。
[0031] 示例性地，升降机构15通过液压缸或者气缸驱动实现升降，升降机构15具有升降平台，第二电机141设于升降平台上。
[0032] 喷射机构16固定设于旋转支撑台13上，喷射机构16的远离旋转轴线的一侧具有用于将熔体喷射至圆筒状模具内壁112的喷射口1612a。可选地，喷射机构可以设置两个，两个喷射机构设置于旋转轴线的相对两侧。可以理解的是，喷射机构也可以设置三个、四个等，只要喷射机构能够将熔体喷射至圆筒状模具内壁112即可。
[0033] 在一些实施方案中，坩埚座161包括连接的座体1611以及喷嘴1612，喷嘴1612的一端与出液口连通，另一端为喷射口1612a，喷嘴1612的外壁环设有感应线圈163。
[0034] 通过对感应线圈163通交流电使得坩埚162内的金属熔体产生电磁感应而发热，从而能够对坩埚162内的金属熔体进行较好地保温。
[0035] 示例性地，坩埚座161包括连接的座体1611以及喷嘴1612，喷嘴1612的一端与出液口连通，另一端为喷射口1612a，喷嘴1612的外壁环设有感应线圈163。则喷嘴1612的外壁的感应线圈163通交流电后也能对经过喷嘴1612的金属熔体进行保温。
[0036] 当需要制备金属管靶时，升降机构15驱动第一旋转驱动机构14下降，第一旋转驱动机构14驱动旋转支撑台13沿旋转轴线朝第一方向旋转，旋转支撑台旋转过程中带动喷射机构16沿旋转轴线旋转，喷射机构16中的熔体在离心力的作用下从喷射口1612a喷射出来，冲击到圆筒状模具内壁112，管靶模具11内的冷却液111具有冷却效果，从而使得冲击到圆筒状模具内壁112的熔体能够快速冷却凝固形成金属管靶，凝固后的金属管靶与圆筒状模具内壁112分界面明显，可容易脱模。
[0037] 其中，旋转支撑台13下降并伴随旋转，则熔体能够以螺旋线的喷射方式喷射到圆筒状模具内壁112，有利于熔体在圆筒状模具内壁112均匀分布，致密性良好，不易形成孔隙，改善了现有技术中金属管靶组织疏松和孔隙较多的问题。另外，熔体进行离心喷射时能够冲击和搅拌熔池，使得固液界面层较薄，晶粒较细。
[0038] 在一些实施方案中，喷射口1612a与圆筒状模具内壁112之间的距离为10～40cm。如果喷射口1612a与圆筒状模具内壁112之间的距离太大，当金属熔体的离心力太小时，则容易造成熔体无法射流到圆筒状模具内壁112；如果喷射口1612a与圆筒状模具内壁112之间的距离太小，且当金属熔体的离心力太大时，则容易造成熔体射流到圆筒状模具内壁112的冲击力太大，不利于熔体在圆筒状模具内壁112上进行冶金结合。因此，选择喷射口1612a与圆筒状模具内壁112之间的距离为10～40cm，配合合适的离心力能够使得熔体喷射到圆筒状模具内壁112时形成更好的冶金结合。
[0039] 示例性地，喷射口1612a与圆筒状模具内壁112之间的距离为10cm、20cm、30cm或40cm。
[0040] 进一步，当制备金属管靶的装置10还包括第二旋转驱动机构12，第二旋转驱动机构12被构造成用于驱动管靶模具11沿旋转轴线朝第二方向旋转，第二方向与第一方向相反。
[0041] 示例性地，管靶模具11底部连接有连接件113，第二旋转驱动机构12包括第一电机121、第一齿轮122、第二齿轮123和支撑件124，第一电机121的动力输出端与第一齿轮122同轴连接，且第一齿轮122的转动轴线与管靶模具11的旋转轴线平行，则第一电机121运行能够驱动第一齿轮122转动。第一齿轮122与第二齿轮123啮合，且第二齿轮123的下表面安装有滚珠，支撑件124设有圆环形滑槽，滚珠能够在圆环形滑槽中滑动，则第一齿轮122转动时能够带动第二齿轮123在支撑件124上转动。第二齿轮123的上表面与连接件113连接，通过第二齿轮123转动则能够带动连接件113转动，进而带动管靶模具11转动。其中，连接件113和第二齿轮123均开设有贯穿通道，旋转轴142穿设于贯穿通道。
[0042] 在旋转支撑台13朝第一方向旋转的同时，通过第二旋转驱动机构12驱动管靶模具11沿旋转轴线旋转，管靶模具11自旋转能够加快圆筒状模具内壁112表面的熔体的热量散失，更加有利于熔体的快速冷却。并且，喷射机构16与管靶模具11朝相反的方向旋转，更加有利于离心射流熔体在圆筒状模具内壁112结合，进一步减小射流的飞溅和过喷的几率，提高熔体之间的结合力。
[0043] 第二方面，本申请实施例提供一种制备金属管靶的方法，其利用第一方面实施例的制备金属管靶的装置10制备金属管靶，其步骤包括：
[0044] 通过第一旋转驱动机构14驱动旋转支撑台13沿旋转轴线朝第一方向以≥240r/min的速度旋转，同时通过升降机构15驱动旋转支撑台13下降，以使得喷射机构16内的熔体从喷射口1612a喷射至圆筒状模具内壁112并由管靶模具11中的冷却液111冷却。
[0045] 其中，设于旋转支撑台13的旋转轴线的两侧的喷射机构16内的熔体可以为同种材质的金属熔体，也可以为不同材质的金属熔体，本申请实施例对金属熔体的种类不做具体限定。另外，还可以是旋转轴线的一侧的喷射机构16内容纳金属熔体，另一侧的喷射机构16内容纳金属或非金属增强颗粒的熔体以制备增强相复合管靶。
[0046] 可选地，喷射机构16内的熔体的喷射温度为Tm+(100～150℃)，该喷射温度能够保持熔体具有较好的流动性，有利于喷射时形成射流，如果低于该温度，则熔体的流动性较差。其中，喷射机构16内的熔体的温度可以通过热电偶进行实时检测。
[0047] 其中，第一旋转驱动机构14驱动旋转支撑台13旋转时的旋转速度≥240r/min，使得喷射机构16内的熔体具有较高的喷射压强，从而能够从喷射口1612a喷射出来形成射流喷射至圆筒状模具内壁112。如果旋转速度太小，则可能造成离心力太小使得熔体不能成功喷射至圆筒状模具内壁112。
[0048] 本申请的发明人在研究中发现，如果旋转支撑台13的旋转速度过大，则对喷射机构16的耐压能力的要求较高，容易造成喷射机构16的寿命降低，因而，在一些实施方案中，旋转支撑台13的旋转速度为240～600r/min，例如为240r/min、300r/min、350r/min、400r/min、450r/min、500r/min、550r/min和600r/min中的任一者或者任意两者之间的数值。
[0049] 在一些实施方案中，升降机构15驱动旋转支撑台13以15～60cm/min的速度下降，例如为15cm/min、20cm/min、25cm/min、30cm/min、40cm/min、50cm/min和60cm/min中的任一者或者任意两者之间的数值。旋转支撑台13以15～60cm/min的速度下降时，有利于在较短的时间内获得一定尺寸的金属管靶并提高管靶的表面质量。
[0050] 进一步地，当包括了第二旋转驱动机构12时，通过第二旋转驱动机构12驱动管靶模具11沿旋转轴线朝第二方向以120～300r/min的速度旋转；第一方向与第二方向相反，且管靶模具11的旋转速度小于旋转支撑台的旋转速度。
[0051] 管靶模具11的旋转速度小于旋转支撑台的旋转速度，管靶模具11的旋转速度为120～300r/min，且旋转支撑台13和管靶模具11的旋转方向相反，有利于熔体在同一位置处的扫描式沉积。并且，管靶模具11具有合适的旋转速度不容易造成金属管靶成分偏析，经本申请的发明人研究发现，如果管靶模具11的旋转速度过低是可能造成成分偏析的。
[0052] 可选地，管靶模具11的旋转速度为120r/min、150r/min、180r/min、200r/min、220r/min、250r/min、280r/min和300r/min中的任一者或者任意两者之间的数值。
[0053] 进一步地，当制备金属管靶时，可以将制备金属管靶的装置10保持在惰性气氛下，以防止活泼金属被氧化。其中，可以将制备金属管靶的装置10放置在惰性气体保持室中，预先用真空泵抽真空，然后通入惰性气体进行保护。
[0054] 实施例1
[0055] 本实施例提供一种制备金属管靶的方法，其利用上述的制备金属管靶的装置10制备金属管靶，其步骤包括：
[0056] 在两个坩埚162内盛装高碳高钒高速钢熔体，按重量百分比计，熔体的成分包括C：2.5％、Cr：4％、Mo：3％、V：8％、W：4％、Si：0.5％、Mn：0.4％和余量的Fe；
[0057] 通过第二旋转驱动机构12驱动管靶模具11沿旋转轴线朝第二方向以120r/min的速度旋转；
[0058] 通过第一旋转驱动机构驱动旋转支撑台13沿旋转轴线朝第一方向以240r/min的速度旋转，第一方向与第二方向相反；同时通过升降机构15驱动旋转支撑台13以30cm/min的速度下降，以使得喷射机构16内的熔体从喷射口1612a喷射至圆筒状模具内壁112并由管靶模具11中的冷却液111冷却形成金属管靶，其中，喷射口1612a至圆筒状模具内壁112的距离为15cm，熔体的喷射温度控制在1450℃。
[0059] 本实施例制得的金属管靶表面品质较好，碳化物分布均匀，孔隙很少。其中，初生碳化物平均晶粒尺寸为6μm，铸态未热处理平均显微硬度达到890HV。
[0060] 实施例2
[0061] 本实施例提供一种制备金属管靶的方法，与实施例1的不同之处仅在于，本实施例的管靶模具11的旋转速度为240r/min，旋转支撑台13的旋转速度为500r/min。
[0062] 本实施例制得的金属管靶表面品质较好，碳化物分布均匀，孔隙很少。其中，初生碳化物平均晶粒尺寸为8μm，铸态未热处理平均显微硬度达到860HV。
[0063] 实施例3
[0064] 本实施例提供一种制备金属管靶的方法，与实施例1的不同之处仅在于，本实施例的管靶模具11的旋转速度为300r/min，旋转支撑台13的旋转速度为600r/min。
[0065] 本实施例制得的金属管靶表面品质较好，且铸态未热处理平均显微硬度达到840HV。
[0066] 实施例4
[0067] 本对比例提供一种制备金属管靶的方法，与实施例1的不同之处在于，本对比例的管靶模具11的旋转速度为60r/min。
[0068] 本对比例制得的金属管靶表面品质较好，碳化物分布均匀，孔隙少，但是局部出现了网状碳化物。其中，初生碳化物平均晶粒尺寸为12μm，铸态未热处理平均显微硬度达到845HV。
[0069] 对比例1
[0070] 本对比例提供一种制备金属管靶的方法，与实施例1的不同之处在于，本对比例的管靶模具11的旋转速度为120r/min，旋转支撑台13的旋转速度为60r/min，喷射口1612a至圆筒状模具内壁112的距离为40cm。
[0071] 本申请的发明人发现，由于离心力不足，熔体从喷嘴1612喷出后难以到达圆筒状模具内壁112表面。
[0072] 对比例2
[0073] 本对比例提供一种制备金属管靶的方法，与实施例1的不同之处在于，本对比例的管靶模具11的旋转速度为600r/min，旋转支撑台13的旋转速度为600r/min。
[0074] 本对比例制得的金属管靶表面品质较好，其中，铸态未热处理平均显微硬度达到850HV。但是对比例的旋转支撑台13的旋转速度较高，使得喷嘴1612的寿命降低。
[0075] 其中，需要说明的是，实施例1、2和4中的初生碳化物平均晶粒尺寸是基于SEM(扫描电子显微镜)图通过Image Pro Plus统计分析，其中，实施例1、2和4的SEM图如图3～图5所示，图3～图5中的M2C和MC均为初生碳化物，初生碳化物平均晶粒尺寸是基于这两种碳化物进行的计算。实施例1～实施例4及对比例2的铸态未热处理平均显微硬度的测试方法是参照GB/T4340‑2009《金属材料维氏硬度试验》标准进行测试的。
[0076] 从实施例1～实施例4以及对比例1～对比例2的实验结果来看，实施例4的管靶模具的旋转速度为60r/min，最后得到的金属管靶与实施例1相比，出现了粗大的网状碳化物，说明了管靶模具的旋转速度过低可能会导致成分偏析。而对比例2的旋转支撑台的旋转速度为60r/min，喷射口至圆筒状模具内壁的距离为40cm，导致了熔体喷射时的冲击力无法让射流到达圆筒状模具内壁。
[0077] 以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
