粉末冶金的优点范文

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【关键词】粉末冶金 模具 仿真技术 加工方法

中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-111-01

0引言

粉末冶金是通过制取金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为生产原材料，通过过压制成形、烧结等工艺过程，制造出各种粉末冶金制品的工艺技术。现在，这种工艺已经成为我们在新材料研制领域内的重要工艺技术。在粉末冶金工业中，模具对于在很多工序中都有所应用，并且对于整个生产工艺也具有较大的影响。粉末冶金模具是粉末冶金制品生产的重要工艺装备，粉末冶金模具的质量对粉末冶金制品的质量具有直接的影响。然而，粉末冶金模具的质量主要取决于它的加工过程。因此，对于粉末冶金模具加工方法及仿真技术的研究，对于粉末冶金工业具有重大的意义。

1 粉末冶金模具的加工方法

目前，对于粉末冶金模具的先进加工方法种类很多，其中各种加工方法也是各有特点。现就几种主要的粉末冶金模具加工方法进行介绍，并对各种方法的特点和对粉末冶金模具的影响进行探讨。

1.1 电火花加工方法

电火花加工的方法，是通过在放电瞬间产生剧烈高温。然后，利用这一高温将工件的表面熔化（甚至汽化），从而达到机械加工的目的。这种加工方法在一些难以加工的超硬材料加工中具有明显的优势。

（1）电火花加工方法的特点

电火花加工方法能够有效的填补常规的机械加工方法对于难加工材料的不足，适用于对于强度高、熔点高、硬度高等难加工的材料的加工。另外，由于电火花加工方法直接利用电能与热能进行加工，因此在加工过程中可以实现加工的自动化控制。再者，这种加工方法的精细度很高，对于粉末冶金模具这种加工质量要求较高的产品是一种较为合适的加工方法。不过，这种方法也存在着一定的缺点，那就是利用电火花加工方法加工的粉末冶金模具的表面粗糙度较高，会对粉末冶金工业造成一定的影响。

（2）电火花加工方法在模具加工中的应用

在粉末冶金模具电火花加工中，常是通过使用数控电火花机床来进行加工的。数控电火花机床可以实现粉末冶金模具的精密加工，确保满足粉末冶金模具的质量要求。在粉末冶金模具的尺寸精度、仿形精度和表面质量等方面将发挥重要的作用。

1.2 仿形磨削加工方法

利用仿形磨削加工方法加工粉末冶金模具，即是通过利用专门的平面磨床，通过仿形尺对粉末冶金模具进行仿形磨削。这种粉末冶金模具加工方法的特点是其加工生产的粉末冶金模具的精密度较高，且表面较为光滑、平整，粗糙度较低。这种加工方法的缺点是加工效率较低。

1.3 数控线切割加工方法

数控线切割加工的方法，是通过将金属丝电极安装在一个转动的贮丝筒上，然后分别将被切割工件与金属丝电极接到高频电源的正、负极上，通过计算机技术控制控制电极的移动方向，并通过电火花加工达到自动切割的目的。

数控线切割方法是计算机技术与电火花加工技术的结合，可以发挥电火花加工方法的优点，还可以实现自动切割的目的。其在粉末冶金模具的加工上具有重要的作用。由于这种加工方法对于电极没有特别的要求，并可以对各种硬度和形状的工件进行加工。数控线切割加工的方法，还可以反复的使用电极丝，加工损耗小、精度高等特点，非常适合粉末冶金模具的加工生产。因此，数控线切割加工的方法也是目前在粉末冶金模具加工中最常用的方法之一。

2 粉末冶金模具的数控加工动态仿真

计算机仿真技术在各类科技领域都有广泛的影响，随着计算机仿真技术不断发展成熟，已经可以应用到产品从概念设计到结束使用寿命的整个周期的各个环节中，其中在产品的加工阶段应用更为广泛。在粉末冶金模具的加工过程中，仿真技术的应用将对粉末冶金模具的加工行业，甚至整个粉末冶金工业都具有重要的意义。

在粉末冶金模具的加工过程中，建立一个较为精确的数控加工动态仿真模型，通过模拟整个模具加工过程，从而获得在粉末冶金模具加工过程中所需的几何数据和力学信息，以及加工过程中可能发生的不良影响和可能出现的偏差值。通过数控动态仿真模型，便可以在加工前获得准确的信息，规避可能产生的不良影响，有效的降低了加工失误、偏差等现象发生的可能性。

在粉末冶金模具的加工过程中，利用精确的数控加工动态仿真模型，可以获得准确的数控加工代码，避免加工的错误和偏差；另外，还可以对加工误差值、刀具磨损等进行预测，为保证粉末冶金模具的质量要求和刀具的更换提供重要的参考信息。因此，在粉末冶金模具的制造加工过程中，计算机仿真技术发挥了重要的作用，对于保证模具加工生产的质量和提高模具生产效率都有很大的帮助。

3 结语

粉末冶金模具的加工，对于粉末冶金制品的质量具有很大的影响。目前，对于粉末冶金模具的加工方法仍具有很大的发展空间，计算机仿真技术在粉末冶金模具加工中的应用，也还需要人们不断的进行发展和研究。

参考文献：

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1高速压制

高速压制技术的诞生实现了总质量大于5.0kg的高密度大型粉末冶金零件的烧结，在20ms之内对粉末实现压缩处理，在3000ms之内实现多次的压制，提高齿轮零件的密度。当前粉末冶金的困境可通过高速压制打破，鉴于传统的压制成形对成形压力的要求非常高，但是压机吨位又对成形压力造成了限制，因此无法满足传统压制成形技术的成形压力要求，高速压制基本上不会受到成形压力的影响。粉末带有预合金化与扩散合金化的双重特征，其密度最大可达到7.7g/cm3，在粉末冶金行业得到了广泛的应用。通过液压进行控制的冲锤，其产生的冲击波比较强，可实现高速压制的致密化，而致密化的程度主要是由冲锤的速度以及质量而决定的，因此其采用的是液压控制，因此可防止出现非轴向反弹，避免损坏压坯。进行多次高速压制是可行的，并且经过重复压制之后，齿轮零件的密度会显著增加，单次的冲击时间间隔要求＜300ms，通过计算机对冲锤的冲击功以及行程实现精准的控制，确保多次冲击压制可快速完成。然而，高速压制技术尚处于研究阶段，在复杂的台阶型的零件制备方面尚有很大的潜力可供挖掘。

2烧结齿轮的表面致密化技术

提高粉末冶金齿轮零件性能的核心方法在于提高密度，笔者认为，经过热处理以及后加工的齿轮零件，其性能并不十分理想，出现了失效的问题，而失效问题出现的主要原因是齿轮的表面接触疲劳，提高齿轮疲劳性能的的主要途径及时提高其表面的密度。对齿轮进行表面渗碳或者是激光热处理，可提高齿轮的外部硬度，增加其碳含量，提高其耐磨性与韧性。粉末冶金齿轮普遍存在着一定数量的孔隙，因此其表面接触疲劳强度不如经过铸轧钢加工的齿轮，然而经过表面致密化处理之后，齿部跟轧辊模进行接触的表面可达到全致密的效果。经过表面致密化之后，齿轮的齿部表面处于无孔状态，心部则是多孔体，因为只有齿轮的表面承受外加的应力，所以可降低齿轮的生产成本。通过轧辊模对烧结齿轮进行反复地轧制，可切实提高齿轮的齿形精度以及尺寸精度。如果齿轮的表面致密化深度＞0.7mm，则齿轮的表面接触疲劳强度得以增强，降低齿轮的表面粗糙度，臻于“镜面”标准，保持绝对的光滑状态，降低齿轮在运行时所产生的噪音。再对表面无孔的齿轮进行热处理，按照渗碳钢的水平对齿轮的接触疲劳强度以及弯曲疲劳强度进行适当的调整，大致的技术流程为成形烧结机加工表面致密化热处理。表面致密化技术的优点可概括为噪音低、尺寸精度高、耐磨性高、耐腐蚀性强等，而这正是高质量的齿轮所必须要具备的客观条件，即便是密度仅仅为7.25g/cm3的烧结齿轮，经过表面致密化处理之后，其表面接触的疲劳性能比铸轧钢更高。

3结语

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[关键词] CNTs；镁基；复合材料；制备方法

[中图分类号] TB331 [文献标识码] A 文章编号：1671-0037（2014）01-66-1.5

镁及镁合金具有密度低，比强度、比刚度高，铸造性能和切削加工性好等优点，被广泛应用于汽车、航空、航天、通讯、光学仪器和计算机制造业。但镁合金强度低，耐腐蚀性能差严重阻碍其广泛应用。

碳纳米管不仅具有极高的强度、韧性和弹性模量，而且具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。这些独特的性能使之特别适宜作为复合材料的纳米增强相。近年来，碳纳米管作为金属的增强材料来强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等方面发挥了重要作用。

近些年，镁基复合材料成为了金属基复合材料领域的新兴研究热点之一，碳纳米管增强镁基复合材料的研究也逐渐成为材料学者研究重点之一。本文就目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的制备技术做综述，以供研究者参考。

1 熔体搅拌法

熔体搅拌法是通过机械或电磁搅拌使增强相充分弥散到基体熔体中，最终凝固成形的工艺方法。主要原理是利用高速旋转的搅拌器搅动金属熔体，将CNTS加入到熔体漩涡中，依靠漩涡的负压抽吸作用使CNTS进入金属熔体中，并随着熔体的强烈流动迅速扩散[1]。

周国华[2]等人采用搅拌铸造法制备了CNTs/AM60镁基复合材料。研究采用机械搅拌法，在精炼处理后，在机械搅拌过程下不断加入碳纳米管到镁熔体中，搅拌时间20 min，然后采用真空吸铸法制得拉伸试样。研究结果显示，碳纳米管具有细化镁合金组织的作用，在拉伸过程中，能够起到搭接晶粒和承载变形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用搅拌铸造法制备了CNTS / Mg基复合材料时，金属熔化后采用搅拌桨以450 r / min的转速搅拌，然后用氩气喷枪将熔体均匀地喷射沉积到基板上，从而制得CNTS / Mg基复合材料。力学性能测试表明，复合材料具有较好的力学性能。

李四年[4]等人采用液态搅拌铸造法制备了CNTS/Mg基复合材料。CNTS加入前首先经过了化学镀镍处理，研究采用了正交实验，考察了CNTS加入量、加入温度和搅拌时间对复合材料组织和性能的影响。研究结果表表明，CNTS加入量在1.0%、加热温度在680 ℃、搅拌3 min时，能获得综合性能较好的复合材料。

搅拌铸造法优点是工艺简单、成本低、操作简单，因此在研究CNTS增强镁基复合材料方面得到广泛应用。但搅拌铸造法在熔炼和浇铸时，金属镁液容易氧化，CNTS均匀地分散到基体中也存在一定难度。

2 消失模铸造法

消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型黏结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

周国华[5]等人就通过消失模铸造法制备CNTs / ZM5镁合金复合材料。将PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超声分散10 min后过滤、静置20 h，装入发泡模具发泡成型，用线切割机加工制得消失模。把制得的含碳纳米管的消失模具放入砂箱内，填满砂并紧实，将自行配制的ZM5镁合金熔体浇注制得复合材料。实验结果表明，碳纳米管对镁合金有较强的增强效果，对ZM5合金的晶粒有明显的细化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS与镁合金基体粉末进行机械混合，通过模压等方法制坯，然后加入到合金两相区进行烧结成型的一种成型工艺。粉末冶金法的优点在于合金成分体积分数可任意配比而且分布比较均匀，可以避免在铸造过程中产生的成分偏析现象，而且由于烧结温度是在合金两相区进行，能够避免由于高温产生的氧化等问题。

沈金龙[6]等人采用粉末冶金的方法制备了多壁碳纳米管增强镁基复合材料。试验采用CCl4作为分散剂将镁粉和CNTS混合，在室温下将混合粉末采用双向压制成型后进行真空烧结，制成碳纳米/强镁基复合材料。研究结果表明：碳纳米管提高了复合材料的硬度和强度，镁基复合材料的强化主要来自增强体的强化作用、细晶强化和析出强化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空热压烧结粉末冶金法制备了碳纳米管增强镁基复合材料。研究发现，当CNTs含量为2%时，复合材料的弹性模量提高9%。

杨益利用利用粉末冶金法，制备了碳纳米管增强镁基复合材料，研究了碳纳米管制备工艺和含量对复合材料组织和性能的影响。研究采用真空热压烧结技术，通过研究发现，在热压温度为600 ℃、保压时间20 min、保压压力在20MPa、CNTS含量为1.0%时，制得的复合材料具有强度最高值。TEM分析CNTS与镁基体结合良好，增强机理主要有复合强化、桥连强化和细晶强化。

4 熔体浸渗法

熔体浸渗法是先把增强相预制成形，然后将合金熔体倾入，在熔体的毛细现象作用下或者一定的压力下使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸掺和负压浸渗三种。

Shimizu等采用无压渗透的方法制备了碳纳米管增强镁基复合材料，随后进行了热挤压，力学性能测试显示，抗拉强度达到了388MPa、韧性提高了5%。

5 预制块铸造法

周国华等人采用碳纳米管预制块铸造法制备了CNTS / AZ91镁基复合材料。将AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不锈钢网筛过滤后在模具中压制成预制块。然后利用钟罩将预制块压入镁熔体并缓慢搅拌至预制块完全溶解，采用真空吸铸法制得复合材料试样。研究结果表明，预制块铸造法能够使CNTs均匀分散到镁合金熔体中，复合材料的晶粒组织得到细化，力学性能明显提高。

6 结语

近年来，CNTs在增强镁基复合材料的研究越来越多，目前存在的主要问题是CNTs的分散和与基体界面的结合等问题。由于但碳纳米管具有高的比表面能，使其在与其他材料的复合过程中易形成团聚，导致复合材料性能不甚理想，最终起不到纳米增强相的效果，同时碳纳米管属轻质纳米纤维，与各类金属的比重相差太大，不易复合。目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的研究还处于初期阶段，随着技术的不断发展，新工艺和新方法不断出现，CNTs的分散及与基体的界面结合等问题将逐渐被解决，开发出性能优异的CNTs / Mg基复合材料将有着重要的意义。

参考文献：

[1]张玉龙.先进复合材料制造技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003

[2]周国华，曾效舒，袁秋红.铸造法制备CNTS/AM60镁基复合材料的研究[J].铸造，2009，58（1）：43-46.

[3]Goh C S， Wei J， et al.Ductility improvement and fatigue studies in Mg-CNT nano-composites[J].Compos Sci.Techn，2008，

68：1432.

[4]李四年，宋守志，余天庆等.铸造法制备纳米碳管增强镁基复合材料[J].特种铸造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周国华，曾效舒，袁秋红等.消失模铸造法制备CNTS/ZM5镁合金复合材料的研究[J].热加工工艺，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龙，李四年，余天庆等.粉末冶金法制备镁基复合材料的力学性能和增强机理研究[J].铸造技术，2005，26（4）：309-312.

[7]Carreno-Morelli E， Yang J， et al.Carbon nanotube/magnesium composites[J].Phys Status Solidi A， 2004，201（8）：53.

[8]杨益.碳纳米管增强镁基复合材料的制备与性能研究[D].北京：国防科学技术大学硕士论文，2006.

收稿日期：2013年12月12日。

基金项目：郑州市科技攻关项目（20130839），黄河科技学院大学生创新创业实践训练计划项目（2013XSCX025）。

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关键词：激光焊接技术 种类 特点 方法应用

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光指在能量相应于两个能级能量差的光子作用下，诱导在高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。其产生的基本条件包括泵浦源、激活介质和谐振腔等。激光具有方向性好、单色性好、相干性好和光脉冲可以极窄的特点。

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。激光焊接技术的发展历经了固体受激物质气体受激物质固体受激物质、脉冲激光焊接连续激光焊接、低功率高功率、薄板厚件、低速高速、低频高频及低效高效的历史。激光焊接技术以其独具的深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化等优点，在各种加工制造业中得到了高度重视。

1 激光焊接技术

激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，当高强度激光束照射在材料表面上时，部分光能将被材料吸收而转变成热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的。一般要根据金属材料的光学性质（如反射和吸收）和热学性质（如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等）来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等，对普通金属来说，光强吸收系数大约在105～109cm-1数量级。如果激光的功率密度为105～109瓦/cm2，则在金属表面的穿透深度为微米数量级。为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑，要控制激光功率密度，使金属表面温度维持在沸点附近。对一般金属，激光功率密度常取105～106瓦/cm2左右。

1.1激光焊接技术的种类

激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类。脉冲激光焊特别适用于对电子工业和仪表工业微形件的焊接，可以实现薄片（012mm以上）、薄膜（几微米到几十微米）、丝与丝（直径0102）012mm）、密封缝焊和异种金属、异种材料的焊接，如集成电路外引线和内引线（硅片上蒸镀有118Lm的铝膜和50Lm厚铝箔间）的焊接，微波器件中速调管的钽片和钼片的焊接，零点几毫米不锈钢、铜、镍、钽等金属丝的对接、重迭、十字接、T字接，密封性微型继电器、石英晶体器件外壳和航空仪表零件的焊接等。

连续激光焊接主要使用大功率CO2气体激光器，适合于从薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各种焊接。

1.2激光焊接技术的特点

激光焊接技术具有的优势主要集中在以下几个方面：

（1）能量密度大且放出极其迅速，在高速加工中能避免热损伤和焊接变形，可进行精密零件、热敏感性材料加工。

（2）被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，不需要气体保护或真空环境。

（3）激光可对绝缘材料直接焊接，对异种金属材料焊接比较容易，甚至能把金属与非金属焊接在一起。

（4）激光焊接装置不需要与被焊接工件接触。激光束可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，还可用光导纤维将其引到难以接近的部位进行焊接。激光还可以穿过透明材料进行聚焦，因此可以焊接一般方法难以接近的接头或无法安置的接焊点，如真空管中电极的焊接。

（5）激光束不会带来任何磨损，且能长时间稳定工作。

1.3激光焊接技术不足之处

激光焊接也存在不足，包括激光器及用于激光束传导和聚集的附属系统成本过高，操作成本也很高，特别是需要大量昂贵保护气体（如氦等）的应用场合。激光束的紧密聚集、热量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点，也带来了接头装配的难题，很小的组装偏差就会导致焊接条件较大的变化，甚至很窄的间隙（≤0.1mm）也能引起激光辐射耦合的缺陷和热效率的降低。高反射率材料（如铝、铜等）的激光焊接，如要减少反射，则需要仔细优化激光辐射的条件，必要时还需采用涂层材料。同时，这些金属的热导率较大，在焊接启动时应使用较高的激光能量密度，这有时会导致激光反射回激光器，从而引起光学元件的损坏。构件在焊接过程中的装配偏差也可能引起激光束具有危险性的反射。

2 技工焊接技术应用领域

2.1制造业应用

激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

2.2粉末冶金领域

随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

2.3汽车工业

20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

2.4电子工业

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

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关键词：铁基，粉末冶金，激光，表面强化

 

1.激光表面强化工艺参数的确定

激光热处理工艺参数主要是指激光器输出功率P，光斑直径d（两者决定了功率密度）和扫描速度V（决定了激光与工件的作用时间），它们直接影响硬化层的宽度、深度、硬度、组织以及机械性能。

1.1激光功率

当光斑直径和扫描速度一定时，工件表面的最大加热时间是恒定的。随着激光器输出功率的增加，硬化层宽度和深度增加。这是因为当激光器输出功率增大时，光斑的平均功率密度增加，金属表面吸收的能量增加，使得表面温度进一步提高，经过金属基体的快速热传递，金属表面下处于相变温度Ac1 以上的区域亦增大，从而导致硬化层深度和宽度增加。

1.2扫描速度

扫描速度是工件与激光束相对运动速度，它反映了金属表面被加热的时间。当其它条件一定时，随着扫描速度的增大，硬化层深度和宽度减小。这是因为扫描速度高，加热时间减小，金属表面层吸收的能量降低，导致硬化层深度和宽度减小。

降低扫描速度，以延长加热时间可使硬化层深度和硬度提高。试验结果表明：如果激光器输出功率不足，即使延长加热时间，金属硬化效果也并不好，反而加宽了热影响区。

若扫描速度太慢，使得热量向光束移动方向的反向传导，致使冷却速度太慢，使表面出现熔融和回火现象，使硬度降低；若扫描速度太快，由于照射时间太短，输入的能量不足，使得照射区内温度达不到完全淬火温度，从而使得表面硬度降低。

激光输出功率和扫描速度对硬化层深度的影响几乎为线性关系。随着激光输出功率的增大和扫描速度的降低，硬化层深度增加。激光功率增加意味着单位时间内的能量增加，则试件吸收的总能量增加，在试件内温度场中超过临界转变温度的范围扩大，即发生马氏体转变的区域增加，故硬化层的深度增加。扫描速度的降低，意味着热作用时间的延长。在其它条件不变时，总能量也是增加的，因此降低激光扫描速度和增加激光输出功率效果是一致的。综上所述，激光相变硬化层的深度取决于激光加热时的温度场。而材料达到给定温度的深度主要依赖于能量密度。激光相变硬化层层深与激光能量密度之间存在良好的线性关系。

还可知激光功率和扫描速度不同，显微硬度的分布也不同。激光功率为3200W，扫描速度为8mm/s 时的表面硬度最高，约828HV。随着激光功率增加和扫描速度降低，材料的表面加热温度提高，在激光的快速加热和随后的快速冷却过程中，奥氏体晶粒得到了进一步的细化，马氏体中的固溶含碳量和合金元素含量增加，碳和合金元素的大量溶入也造成了静畸变强化，从而增大了表面显微硬度。激光输出功率过高或扫描速度过低时，样品中的蓄热量增大，造成冷却速度缓慢，无法达到自激淬火的临界冷却速度，淬不成马氏体，使硬度值降低。

试验研究表明，如果不对激光淬火提出过高的要求，利用连续输出功率在千瓦级的二氧化碳激光设备，对铁基材料表面进行热处理并不困难。然而不同激光设备之间的工艺移植并非易事。工业生产中，维护激光处理工艺的可重复性是保证产品质量的需要。但是，激光淬火同其他传统的热处理相比，它具有可以精确控制热处理区域及工件变形小等一系列优点。只要能够较好的控制激光淬火工艺过程，原则上可以使用价格便宜、易于加工的材料制造工件的基体，在工件的关键部位用激光进行处理，便能显著提高产品的质量，简化工件的生产工艺，降低工件的生产成本，增强激光淬火对其它传统热处理工艺的竞争能力。

2.激光表面淬火铁基粉末冶金材料的硬度分布

各种成分的铁基粉末冶金材料经过宽带激光表面淬火后显微硬度有了显著的提高。铁基粉末冶金材料的显微硬度从淬火前到淬火后提高近3倍，合金元素Cr含量的增加使得硬化层深度略有增加，因为Cr 能提高钢的淬透性。从表层到心部，随着与表面距离的增加，显微硬度也呈现出层状分布并呈逐渐降低趋势直至基体。在此我们还可大概将其分为三层：第一层为完全淬硬层，显微硬度约为HV0.3623-669，厚度约为1.0-1.2mm。在这一层中显微硬度变化幅度不大，基本上曲线比较平坦，这同其他淬火方式相同，所不同的是激光淬火最高显微硬度一般在次表层；第二层为过渡区，厚度约为0.3mm，显微硬度约为HV0.3400-650；第三层为基体，显微硬度约为HV0.3250-320。

3.激光淬火表面强化的机理

激光表面处理具有加热速度快、热效率高，加热范围及热变形小的特点，不致引起开裂缺陷。宽带激光束与聚集光束比较，具有一次扫描处理区域大、硬化层更为均匀的优点，具有广阔的工业应用前景。。

激光硬化时，激光与材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段：把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能转变为热能，加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破坏；材料在激光辐照后的相变或融化凝固或冲击产生晶格畸变及位错，最终达到硬化效果。。

从物理冶金角度，激光相变硬化与常规热处理并无两样，只不过是前者为局部的急热急冷过程。由于加热时间短，加热温度高，当激光束被切断或移开后，材料表面冷速很快，热影响区域小，硬化层较浅，一般只有0.3-2.0mm。这对于要求变形小，形状复杂和要求局部处理的零件来说较为合适。由于加热速度快，加热时间短，因此其相变硬化也具有自己的特点：激光热处理加热速度比其他淬火方法更快，使材料表面迅速达到奥氏体化温度，使得扩散均匀化来不及进行，原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织。在随后通过自身热传递而快速冷却，奥氏体组织通过无扩散过程转化为马氏体。由于是快速冷却，使Ms 线升高，使得我们试验中得到的马氏体组织含量较常规热处理的多，不同的微观区域内马氏体形成温度有很大的差异，这也导致了细小马氏体组织的形成，同时组织细化，这是由于激光超快速加热条件下，过热度大，造成相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，它既可以在原晶界和亚晶界上形核，也可以在相界面和其它晶体缺陷处成核。而在快速加热的瞬间奥氏体化使晶粒来不及长大。在马氏体转变时，必然转变为细小的马氏体组织。。研究表明，激光相变硬化处理后可获得直径为2μm 的超细晶粒。激光处理加热速度快，易使金属表面过热，随后冷速亦快，残留奥氏体量增加，碳来不及扩散，使得奥氏体中碳量增加，随着奥氏体向马氏体转变，得到高碳马氏体，提高了硬度。而激光处理后的马氏体组织为板条马氏体和孪晶马氏体组织，其中位错密度极高，可达1011-1012条/cm2，比常规淬火提高至少两个数量级，并且残余奥氏体中存在大量的位错塞积群。马氏体在高度受扼的状态下形成，因此形成了本质上是变形马氏体的淬硬组织。因此，我们认为，晶粒超细化，高的马氏体含量，马氏体高位错密度和高的固溶含碳量是材料经激光热处理后获得超高表面硬度的主要原因。

参考文献

[1]李华彬,何安西,曹雷,扬健,李学荣. Cu/Fe复合粉的性能及应用研究[J].四川有色金属, 2005,(01) .

[2]程继贵,夏永红,王华林,徐卫兵.聚苯乙烯/铜粉温压成型的研究[J].工程塑料应用,2000,(06) .

篇6

一、金属间化合物材料的概述和应用

金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主组成的二元或多元系合金中出现的中间相。金属间化合物主要指金属与金属间，金属与类金属之间按一定剂量比所形成的化合物，金属间化合物有的已是或将是重要的新型功能材料和结构材料。金属间化合物的历史由来已久，金属间化合物的研究已经成为材料科学研究的热点之一。人们发现许多金属间化合物的强度并不是随温度的升高而单调地下降，相反是先升高后降低。因为这一特性，掀起了新一轮金属间化合物的研究热潮，使金属间化合物具备了成为新型高温结构材料的基础。现在已研究出许多方法和措施，用来改善和提高金属间化合物的塑性，为将金属间化合物材料开发成为有实用价值的结构材料打下基础。金属间化合物是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物强度高，抗氧化性能好和抗硫化腐蚀性能优良，优于不锈钢和钴基，镍基合金等传统的高温合金，而且具有较高的韧性，因此金属间化合物被公认为是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物材料作为近20年内才发展起来的新材料，相对于传统金属材料具有特殊的优点和规律，广泛用于制备金属间化合物基复合材料。金属间化合物相对于金属材料为脆性材料，相对于其他材料则具有一定的韧性，并且具有相当高的塑性。某些金属间化合物还具有反常的强度-温度关系，在一定的温度范围内，强度随着温度的升高而升高，这对高温结构材料的开发和应用给予很大的希望。此外许多金属间化合物材料具有良好的抗氧化性能，耐腐蚀性能和耐磨损性能，如Ni-Al金属间化合物和Fe-Al金属间化合物材料。因此采用金属间化合物和其他材料相复合制备复合材料可以提高金属间化合物材料的力学性能。

金属间化合物具有一系列的优异性能是最具有吸引力的新一代高温结构材料和表面涂层材料。金属间化合物的种类非常多，近年来国内外主要研究集中于Ni-Al金属间化合物，Ti-Al金属间化合物，Fe-Al金属间化合物等含Al金属间化合物的研究。目前金属间化合物材料已经研究和开发的较为广泛。许多金属间化合物材料已经用于铸造，锻压和高温熔炼等。金属间化合物材料具有高温强度好，高温抗蠕变性能强，抗腐蚀性能好，抗氧化性能好等优点，且在一定的温度范围内金属间化合物的屈服强度随着温度的升高而升高。但是金属间化合物材料作为使用的结构材料，还存在硬度低，断裂韧性差以及高温强度低等缺点。将金属间化合物与其他材料进行复合制备金属间化合物基复合材料，以制备出兼具有二者优点的复合材料是当前的重要研究和发展方向。金属间化合物材料具有较高的加工硬化率和较特殊的高温性能，因而被认为是下一代高温结构材料和高温耐磨损材料之一，特别是在改善金属间化合物材料的塑性后，更是受到了广泛的重视和研究。为了进一步提高金属间化合物材料的综合性能，很多研究工作者在金属间化合物材料中加入强化相制备金属间化合物复合材料，即形成金属间化合物基复合材料。可以向金属间化合物中加入碳化物硬质相制备耐磨损的金属间化合物基复合材料。金属间化合物材料具有许多优秀的性能而被广泛的应用到工程领域中。

二、金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中的研究和应用

金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应用在工程领域中，所以应该在材料科学与工程专业的课堂教学和实践教学中增加一些金属间化合物的知识和内容。金属间化合物材料主要包括Al系金属间化合物材料，主要有Fe-Al金属间化合物，Ni-Al金属间化合物，Ti-Al金属间化合物等，还有其他的如Cu-Al合金，Cu-Zn合金以及Ni-Ti合金体系等金属间化合物材料。由于一般常用的金属间化合物是由两种金属元素形成的化合物并具有典型的二元相图，所以可以通过认识和了解金属间化合物学习和掌握二元相图的知识内容。此外金属间化合物材料的制备工艺方法也有很多，主要有金属熔炼法，高温自蔓延反应合成法，机械合金化法，反应烧结法，粉末冶金工艺等多种方法。其中反应熔炼法是将不同种金属元素放到熔炼炉中进行熔化形成金属合金熔体使其均匀混合并冷却形成金属间化合物材料。高温自蔓延反应合成方法是通过反应放出大量的热量维持反应继续进行最终形成所需要的金属合金材料。机械合金化工艺过程是利用高能球磨机把两种纯金属粉末放入球磨罐中并加入适量的添加剂进行球磨，粉末的制备由机械合金化过程完成，块体的制备则由烧结过程实现，机械合金化工艺是一种固态反应的过程。机械合金化技术是近年来发展起来的一种材料制备方法，机械合金化工艺通过对粉末反复的破碎，焊合来达到合金化的目的，由于合金化过程中引入大量的应变，缺陷以及纳米级的微结构，机械合金化制备的材料具有一些与传统方法制备材料不同的特性。通过机械合金化工艺就可以制备出金属间化合物粉末。粉末冶金技术是制备金属间化合物材料比较常用的一种方法。以单质或合金粉末为原料，一般是先用塑性加工的方法把粉末制备成所需要的复合材料制件，然后在烧结同时实现了制件的成型。反应烧结法是将不同种金属元素粉末通过热压烧结工艺或者常压烧结工艺形成金属间化合物块体材料。金属间化合物材料的制备通常采用粉末冶金工艺进行制备。

由于金属间化合物材料原料成本较低，制备工艺不复杂，所以对于金属间化合物材料的制备和性能的研究工作可以引入到材料科学与工程专业的实验教学工作中。可以在实验教学的课程中增加金属间化合物材料的制备和性能的研究内容，例如通过反应熔炼法，机械合金化方法和粉末冶金法等制备金属间化合物材料，并对金属间化合物材料的结构和性能进行研究。通过以上实验教学过程可以锻炼学生的实践能力和分析能力，还可以加深学生对材料科学与工程专业知识内容的认识和了解。在上述实验方法中，其中机械合金化工艺是比较实用并且能够在实验室里进行的。机械合金化工艺是将两种不同的金属粉末混合并经过高能球磨过程制成金属间化合物粉末，并通过烧结过程制备金属间化合物块材。机械合金化工艺可以在实验室里进行，可以安排学生通过机械合金化工艺制备金属间化合物材料。此外在本科学生的专业课程设计和毕业设计期间也可以安排学生进行金属间化合物材料的制备和性能的研究工作。通过对金属间化合物材料的制备和性能的研究工作，使得学生充分的认识和了解金属间化合物材料的性能特点，并加深学生对所学习的材料科学与工程专业课程知识内容的认识和了解，使得学生对材料科学与工程专业的课程内容有一定的掌握和熟悉，并通过实验教学过程提高了学生的实践能力和分析问题解决问题的能力，扩展了学生的知识面。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课程，并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验教学课程，这将有助于提高学生的实践能力并扩展了学生的知识面，这为本科学生以后学习材料科学与工程专业的知识内容打下坚实的实验基础。

三、金属间化合物材料未来的研究方向和发展趋势

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关键词：碳滑板；地铁备件；消耗规律

中图分类号：TF341 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0097-02

1 受电弓滑板背景知识介绍

1.1 受电弓滑板的概念

受电弓滑板是直接连接受电弓与接触网导线的继电器，在静止或者滑动的状态下，为电力机车从接触导线上获取电力。在使用过程中，滑板直接在自然环境中，并且不停地与接触网导线发生摩擦与冲击，其中有两种磨损形式，分别是机械磨损和电气磨损。因此在选用过程中，要考虑以下性能与参数：导电性、抗电弧烧伤性、建模耐磨性、强度、适应性、电阻率和接触电阻。

1.2 受电弓滑板发展概况

在受电弓滑板的发展过程中，共采用过以下几种继电材料，分别是纯金属滑板、粉末冶金滑板、碳滑板、浸金属碳滑板以及复合材料滑板，其中纯金属滑板虽然寿命长、强度高，但由于对接触导线磨耗大，现已禁止生产。粉末冶金滑板也由于其含油率低对接触网导线严重磨耗而适用范围受限。碳滑板虽然磨耗较小，但机械强度低、耐冲击韧性差，在运用中不断改进，形成了浸金属碳滑板，包括整体式和组装式两种，具有较好的电学性能，并且由于碳基中大量存在的气孔被填满金属，形成实用的凝体，结合了碳材料和金属材料的优点，目前运用最为广泛。

2 南京地铁受电弓滑板使用状况

南京地铁一号线、二号线及南延线电客车受电弓滑板采用的是德国Schunk品牌，并配套使用的是Schunk自主研发制造的碳滑板。属于整体式碳滑板，一条完整的碳滑板由金属和在金属槽内的碳条组成，金属槽能够导出电流以及一个防止振动和扭动的起稳定的面。

该碳滑板拥有良好的摩擦系数、最小的受电网磨损、很轻的重量以及很小的环境污染。碳石墨不会融化，有很好的导电性和导热性，有很好的抗火花性能。另外Schunk 公司的碳滑板结合了夹紧控制、焊接以及粘结技术。所有的碳滑板以较强的操作可靠性为特征。在使用寿命里，能很好地阻止外部温度以及稳定的性能。有很好的恢复性以及突然事故后的自行恢复能力，可靠的受流器需要在特殊环境条件下工作，因为碳滑条可能在异常电流负荷和长时间的超负荷情况下工作。

3 南京地铁受电弓滑板消耗现状

目前南京地铁一号线运行时间已有7年多，共有电客车20列，总里程为21.72km，二号线运行时间有3年，总里程为37.95km，一号线南延线运行时间有3年，总里程为25.08km，另外与一号线并线运行里程为14.32km，总计39.4公里。三条线全部采用同一型号的碳滑板和接触网导线，当碳滑板本身没有贯穿裂纹时，按照磨耗厚度进行更换，当碳刷条最薄处小于4.5mm时，必须成对更换，每季度历年消耗状况如表1所示。

由于一号线开通时间较长，下面主要对一号线进行分析，虽然每季度用量波动较大，但从年用量来看，从2008～2011年，一号线每年更换数量为80、74、80、81，刚好保持在线路安装量80左右，也就是说每年更换一批碳滑板，消耗率较为稳定。平均每年更换一次，碳滑板的初始厚度为22mm，按照一号线电客车平均每年运营10万km来算，平均每万km消耗1.75mm，低于业内同类碳滑板消耗率。

但在2012年消耗数量迅速增加，经分析主要有以下三个原因：

（1）一号线和南延线车辆在一起维修，按照领用数量统计不准确，合起来一号线和南延线2012年的更换率为26%，而一号线从2008～2011年的更换率为25%，基本

持平。

（2）从2010～2012年第三季度一号线电客车全部进行大修，大修时更换了一批国产碳滑板，使用寿命较短，导致从2011年下半年到2012年消耗量猛增。

（3）南延线开通以来，客流量一直较大，几次更改运营图后列车上线比例加大，年运营公里达到18万km，对碳滑板的消耗量也有很大的影响。

4 结语

作为地铁车辆动力来源的一个重要媒介，碳滑板承担着从受电弓接收电流的作用，如果质量不稳定，将大大影响电客车运营，目前南京地铁采用的Schunk公司碳滑板，消耗率低于业内水平，质量稳定可靠。由于南京地铁开通时间较多，样本量不大，目前难以对季度消耗中突发性大需求进行分析，同时由于缺乏每列车具体的用量数据，将在以后的研究中进一步深入。

参考文献

[1]蒋灵君.刚性接触网线路车辆碳滑板异常磨耗分析[J].

现代城市轨道交通，2011，（3）.

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关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展

Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.

Key words :FGM；composite；the Advance

0 引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。

近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1 FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2 FGM的特性和分类

2.1 FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2 FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3 FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。

功　能

应　用　领　域 材　料　组　合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材 陶瓷　金属

陶瓷　金属

塑料　金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石　金属

碳纤维　金属　塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料 轻元素　高强度材料

耐热材料　遮避材料

耐热材料　遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学 磷灰石　氧化铝

磷灰石　金属

磷灰石　塑料

异种塑料

硅芯片　塑料

电磁功能

电磁功能 陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板 压电陶瓷　塑料

压电陶瓷　塑料

硅　化合物半导体

多层磁性薄膜

金属　铁磁体

金属　铁磁体

金属　陶瓷

金属　超导陶瓷

塑料　导电性材料

陶瓷　陶瓷

光学功能 防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光 透明材料　玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素　玻璃

能源转化功能

MHD 发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池 陶瓷　高熔点金属

金属　陶瓷

金属　硅化物

陶瓷　固体电解质

金属　陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4 FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

转贴于 4. 1 　FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。

4. 2　FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。

4. 2. 1 　粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。

4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)

SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4. 2. 3 喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)

PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2　激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。

4.2.3.3 热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4 电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5 气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]

4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4. 3 FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5 FGM的研究发展方向

5.1 存在的问题

作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6 结束语

篇9

目前，QPQ表面改性技术在国内也得到大量推广应用，尤其在汽车、摩托车、纺机、机床、电器开关、工模具上使用效果非常突出。其具体的特点如下：

良好的耐磨性、耐疲劳性能

该工艺能极大地提高各种黑色金属零件表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系数。产品经过QPQ处理后，耐磨性比常规淬火、高频淬火高16倍以上，比20＃钢渗碳淬火高9倍以上，比镀硬铬和离子氮化高2倍以上。

良好的抗腐蚀性能

对几种不同材料、不同工艺处理的样品按同样的试验条件，按ASTMBll7标准进行了连续喷雾试验，盐雾试验温度35±2℃，相对湿度＞95％，5％NaCL水溶液喷雾。试验结果表明，经QPQ处理后的零件抗蚀性是1Crl8Ni9Ti不锈钢的5倍，是镀硬铬的70倍，是发黑的280倍。

产品处理以后变形小

工件经QPQ处理处理之后几乎没有变形产生，可以有效的解决常规热处理方法难以解决的硬化变形难题。目前，QPQ技术在众多得轴类零件、细长杆件上应用得非常成功，有效的解决了一直以来存在的热处理硬化和产品变形的矛盾。

时间周期短

工件经QPQ处理后，在提高其硬度和耐磨性的基础上同时提高其抗腐蚀能力，并且形成黑色、漂亮的外观，可以代替常规的淬火一回火一发黑（镀铬）等多道工序，缩短生产周期，降低生产成本。大量的生产数据表明，QPQ处理与渗碳淬火相比可以节能50％，比镀硬铬节约成本30％，性价比高。

无公害水平高、无环境污染

QPQ处理工艺过程经有关环保部门检测鉴定，并经全国各地用户的实际使用证明，各种有害物质排放量均低于国家排放标准允许值。由于技术先进，质量稳定，QPQ技术应用的产品有数百种之多，已在全国各地建立了多条生产线。

适用范围广泛

篇10

关键词：SiCP/AlSi复合材料；喷射沉积；热挤压；干滑动磨损；磨损机制

中图分类号：TB331 文献标识码：A

Dry Sliding Wear Properties of Spray Formed and Hot

Extruded SiCp /AlSi Composites

TENG Jie，LAI Shizhen， ZOU Jinwei，WU Haojie，HUANG Ruiming

（College of Materials Science and Engineering，Hunan Univ.Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：Aluminiumbased composites containing 7%， 13% ，20%Si contents and 15vol% of SiCp were fabricated by spray deposition technique and followed by hot extrusion. The dry sliding wear performance of SiCP/AlSi composites was investigated. Dry sliding wear tests have been performed using a blockonring type apparatus under different normal loads of 10， 50， 100，120，150，200 and 220 N and at a constant sliding speed of 1 m/s. The microstructures， morphologies and phases of worn Surfaces were analyzed by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and energydispersive Xray microanalysis （EDX）， respectively.The results have shown that Al20%Si/SiCp composite has better wear properties in the applied load range and the transition load increases with silicon content increasing. At low test load （50 N）， the main wear mechanism is oxidation wear and abrasive wear for three composites. Adhesive wear becomes the main wear mechanism for SiCp/Al7Si at 120 N and SiCp/Al13Si at 200 N. But for SiCp/Al20Si at 220 N， the main wear mechanism is still oxidation wear， and has a minor adhesive wear.

Key words： SiCP/AlSi composite； spray deposition； hot extruded；dry sliding wear； wear mechanism

节能、减排、轻量化的发展趋势大大促进了轻质高强度材料在汽车中的发展和应用[1].SiCP/AlSi复合材料具有高比强度、比刚度、优良的耐磨性、低的热膨胀系数和低密度的优点，在汽车的一些耐磨部件上已得到成功应用（如刹车盘、刹车片、发动机活塞和气缸套、连杆等），并受到世界各国研究者越来越多的关注[2].研究发现复合材料的制备技术是影响材料自身耐磨损性能的一个重要因素[3].SiCP/AlSi复合材料的制备方法通常有搅拌铸造法、粉末冶金法和喷射沉积法等.传统的搅拌铸造法制备SiCP/AlSi复合材料时，难以避免初晶硅粗大以及增强颗粒易团聚等问题，严重影响了复合材料的性能.粉末冶金法存在生产过程复杂、成本高，难以在实际生产中得到广泛应用等不足.喷射沉积法作为一种非平衡制备技术，具有快速凝固和近净成形的特点，制备出的SiCP/AlSi复合材料初晶硅颗粒细小、增强颗粒均匀分布.但是通过喷射沉积法制备的复合材料常常存在一些孔隙[4]，需通过热挤压或热扎制等塑性变形的方法来减少或消除孔隙，从而进一步提高复合材料的力学性能和耐磨损性能.增强颗粒的尺寸大小是影响复合材料耐磨损性能的另一个重要因素[5]，过大的增强颗粒在基体内容易产生应力集中，且在外加载荷的作用下，容易开裂破碎，严重影响复合材料的耐磨性能.已有的对于复合材料干滑动摩擦磨损性能的研究，多侧重于常规制备方式以及低Si含量条件下复合材料的摩擦磨损性能及其磨损机制[6-9].

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） SiCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

2.4 磨损机制

研究表明[13-14]铝基复合材料与钢质对偶摩擦过程中，粘着磨损至复合材料严重粘附在钢质摩擦对偶表面是导致复合材料摩擦磨损失效的一个主要机制.基体中的硬质颗粒如初晶硅、碳化硅颗粒主要起承接摩擦载荷和保护基体的作用，同时在一定程度上阻止基体的变形.从图4和图5可知3种复合材料在轻微磨损阶段，磨粒磨损是其主要的磨损机制.同时在低载荷时，从图6（a），（c），（e）可以很清楚地观测到存在一定的氧含量，外露的磨损表面发生了氧化磨损，所以轻微磨损阶段氧化磨损是另一种主要磨损机制.随着摩擦载荷的增加，3种复合材料表现出不同的磨损特征.SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料由于硅含量相对较低，其组织中初晶硅数量较少，对基体的保护作用较弱，复合材料摩擦表面易发生较严重的塑性变形，如图4（b），（d）和图5（b），（d）所示.另外，摩擦表面的氧含量明显减少（图6（b），（d））也意味着摩擦层稳定性较差，此时SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料以粘着磨损为主，并出现复合材料向对偶材料的转移，如图7（a），（b）所示.SiCP/Al20Si复合材料基体中初晶硅含量高，对基体的保护和延缓基体变形的能力较强，即使在严重磨损阶段，其摩擦表面仍未出现严重的塑性变形，向摩擦对偶转移的程度大大降低，如图7（c）所示.此时SiCP/Al20Si复合材料存在轻微的粘着磨损，磨损表面的氧含量高（图6（f）），图4（f）中存在的孔洞也说明存在着氧化磨屑[15].因此SiCP/Al20Si复合材料在严重磨损阶段仍以氧化磨损为主，并伴有轻微的粘着磨损.

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） iCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

3 结 论

由喷射沉积法制备出SiCP/AlSi复合材料，并经热挤压加工，经T6热处理后，对复合材料的干滑动磨损性能进行了试验分析，得出以下结论：

1） 由于喷射沉积法冷却速度快，制备出的SiCP/AlSi复合材料中的初晶硅晶粒细小，2 μm左右，增强颗粒分布均匀.

2） 随着基体中Si含量的增加，SiCP/AlSi复合材料的磨损率随着减小，并且磨损由轻微磨损阶段向严重磨损阶段的临界载荷值增大.SiCP/Al20Si复合材料在所有相同试验载荷下磨损率都最低.

3） 在轻微磨损阶段，SiCP/AlSi复合材料磨损机制以磨粒磨损和氧化磨损为主；在严重磨损阶段，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料存在严重的塑性形变，磨损机制以粘着磨损为主，而对于SiCP/Al20Si复合材料磨损机制则以氧化磨损为主并伴有轻微的粘着磨损.

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