粉末冶金原理与工艺范文
时间：2023-12-07 18:02:30
导语：如何才能写好一篇粉末冶金原理与工艺，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
《粉末冶金原理》是我校材料科学与工程专业、金属材料方向的一门专业必修课。本课程的任务是使学生获得有关金属粉体烧结材料的基本知识和制造工艺，了解制取各种粉末的工艺过程；熟悉粉末体与粉末性能及应用，初步掌握混料、压制成形、烧结和必要的后续处理以及形成制品的工艺方法。在学习本门课程后，学生应知悉粉末冶金在实际生产生活中的应用情况，具有合理选取粉末成分、制定工艺路线和生产粉末冶金材料的能力，为日后从事相关技术工作打下必要的基础。由于课程开在大四，学生在学习过程中往往由于找工作的压力而觉得没有兴趣，不愿记忆和深入理解。从而造成学习效果差等问题。针对这些现象与问题，教师在课程讲授的过程中，应注意做到以下几个方面。
一、吃透教学大纲
教师讲课，首先需要深入地了解教学大纲，了解课程所需讲授的知识和学生所需掌握的程度，讲授的过程中做到有的放矢。我校《粉末冶金原理》课程主要包括“绪论”、“粉末制取方法”、“粉末体与粉末性能”、“压制和成形”、“烧结”、“粉末冶金材料”、“粉末冶金安全知识”等七部分。其中重点章节有“粉末制取方法”、“粉末体与粉末性能”、“烧结”等三章；其他章节则难度略低。绪论部分看似简单，但是对于教师所掌握本课程知识的全面性要求较高。如何使得学生了解本课程的性质、任务、内容、学习方法与要求、粉末冶金材料在制造业中的地位和作用等，需要仔细地琢磨。要让学生在第一节课上就对这种特殊的材料制备方法产生兴趣，愿意同老师一起学习粉末冶金学的知识。“粉末制取方法”、“粉末体与粉末性能”、“烧结”等三章内容是学生学习的重点，这三章内容对教师的要求很高，教师对知识的掌握程度，讲课技巧等各方面水平都要提高。“压制和成形”、“粉末冶金材料”、“粉末冶金安全知识”等三章则相对较简单，学生对于这几部分内容的理解不是很困难。这几章的教授方式应该以拓宽知识面、增强学生学习兴趣等为主。可以重点讲授新兴的粉末冶金技术、新兴的粉末冶金材料应用领域和应用实例等，拓宽学生的视野，激发其学习兴趣。
二、多方寻找教学资源，充实自身
当前讲授《粉末冶金原理》课程，应该综合依靠课本、幻灯片、模型和板书等来进行。单纯地依靠传统的课本和板书的教学方式已经被淘汰，但是单纯地依靠幻灯片的方式同样不可取。单纯依靠幻灯片讲解，学生与教师的互动难活跃起来，教学效果有时甚至不如板书。《粉末冶金原理》课程的教学资源大约有如下几种。
1.教材是课堂讲授最重要的资源。我校所选择的王盘鑫编著的《粉末冶金原理》课程教材，较注重工艺性和粉末冶金材料的应用方面，而对于粉末冶金原理部分相对简略。我校金属方向的大四学生金属学基础比较扎实而学习时间相对较少，这样的教材较适合这些学生的学习。
2.各种粉末冶金相关材料和设备的照片、原理图、录像等教学资料。这些资料非常重要，课本知识毕竟简单且枯燥，不利于讲授和理解。另外，所选教材不能涵盖现代粉末冶金所具有的最新发展水平，教师应多方收集各类教学素材，特别是注意查找最新的研究成果，同行的课件等。所查找到的素材往往有所重复，还应当反复挑选，找到适合同学们学习的最佳组合方式。
3.教师手写教案。俗话说“好记性不如烂笔头”，纸版教案是每一个教师必须认真准备的。在书写教案的过程中，教师可以加深对于课程知识的理解，编排课程讲授的顺序，提炼课程的难点，甚至可以写下与课程有关的任何话。以上这些都是幻灯片所难以做到的，而最重要的是，通过书写来理解和记忆，比通过制作幻灯片来记忆更深刻、透彻。教师绝对不能迷信幻灯片，况且做好手写版的教案，也是老师的一种本分。
4.板书。幻灯片所不能表达的知识其实很多，这个时候就需要教师亲自在黑板上书写。良好的板书，能够给人以美感，在表达清楚所教授知识的同时，可激发学生的学习兴趣。良好的板书布局，简洁易懂的书写（画图）方式，甚至清晰易读的字体，都是教师所应具有的基本素质。
三、重视授课学生，因材施教
了解学生是指教师在课堂课余时间观察分析学生的思想情绪等心理状况，以掌握学生各方面的情况。这就需要教师必须具有善于观察分析和与学生深入沟通交流的能力。只有在准确全面了解学生的内心活动、个性特征和智力水平后，才能有针对性地实施相应的教育教学措施。实践证明，如果教师对学生的个性、心理等方面不深入了解，不闻不问，漫不经心，对全班学生都采取完全相同的教育教学方法，往往难以取得好的教育教学效果。《粉末冶金原理》是一门专业性非常强的专业课，概念、设备原理较多，理解和记忆具有一定的难度。具体说来，大四的同学同时面对着找工作的压力，学习时间和精力相对有限，绝大多数同学没有时间课下预习和复习，在讲授《粉末冶金原理》课程的时候，要立足于课堂，将知识讲授清楚。《粉末冶金原理》课时量比较充足，对于同学们感兴趣的知识点，应不怕麻烦，详细讲解，力求激发出同学们的学习兴趣，使其感受到掌握知识的乐趣。在实际讲课过程中，应引导学生积极思维，培养学生自由思考的习惯，具体方法如下：①鼓励学生参与课堂活动，以课堂讨论、提问、抽取同学讲解某一问题等更加活泼的方式引导学生与教师和其他同学互动，主动思考。②注重“因材施教”原则。在《粉末冶金原理》课程的讲授过程中，经常会有同学由于找工作的原因请假，我们应该支持。同时，也应针对这一实际情况积极调整授课方式。有时需要将两节课的内容压缩在一节讲，有时又需要调整重点内容的顺序来适应。需要教师备课扎实且能灵活变化。③既要教授课本知识、专业知识，又注重同学们学习兴趣和学习能力的培养。坦率地讲，很难想象金属材料方向的同学会有较多人日后从事粉末冶金相关工作。多讲些材料学的相关原理和粉末冶金应用实例，让学生对于课程内容感兴趣，自发寻找一些知识充实自身，也是非常重要的。
对于《粉末冶金原理》的讲授，其关键点在于讲授内容的专业特色与社会要求、人才成长规律之间，以及学生特点与工作需要之间，进行系统地调整，寻求平衡。这样不仅能够使同学们掌握书本知识，而且能使他们对课程感兴趣，并在日后的工作中进行应用，成为用的人才。
参考文献：
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篇2
关键词： 转向管柱； 粉末冶金； 移动架； 模具设计； 工艺； 材料
中图分类号： TF 124.32文献标志码： A
The Development of Powder Metallurgy Movable Frame
of Automotive Steering Column
PENG Jingguang， CHEN Di
（Shanghai Automotive Powder Metallurgy Co.， Ltd.， Shanghai 200072， China）
Abstract： The movable frame is one of the critical parts of automotive steering column.This paper dealt with the structure，performance，material selection and production process of it.It was complicated in shape with high precision.It hence always failed if it was produced with traditional machining method.In order to achieve massive production，powder metallurgy was used to produce parts of automotive steering column，which could improve the production efficiency and reduce the costs.Therefore，powder metallurgy movable frame with high precision，high strength complicated shape and in accordance with actual conditions could be developed by working out rational technology.
Keywords： steering column； powder metallurgy； movable frame； mold design； technology； material
粉末冶金是一门制造金属与非金属粉末和以其为原料，经过压制、烧结及各种后续处理工艺制取金属材料和制品的科学技术，是一项以较低的成本制造高性能铁基粉末冶金制品的技术[1-2].近年来，随着汽车行业飞速发展，为了降低汽车的生产成本，越来越多的零部件用粉末冶金方法来制备.
转向管柱是车辆转向系统中的重要部件.其主要作用是通过接收驾驶员作用在方向盘上的扭矩，将其传递到转向器，从而使方向盘的转动转化成齿条的移动，控制车轮按照预期方向运动[3].转向管柱中的粉末冶金移动架（如图1所示）是转向管柱实现前后上下4个方向调整的核心零件，分别和另外2个粉末冶金齿条相配合，实现方向盘的调节功能.同时，转向管柱的移动架是汽车中的安全件，对密度和性能有一定的要求，且需要热处理.该产品若采用传统机加工的方式，几乎不能加工，形状非常复杂，且精度要求较高.因此，为了实现大批量生产，使用粉末冶金的方法来制造该零件，解决了目前生产效率低、制造成本高的问题.
1零件的结构和性能特点
粉末冶金移动架，其形状复杂，在整个转向柱中起承上启下的关联作用，分别与轴向架、径向架的齿部咬合，使转向管柱具有多方向的调节作用（如图2所示）.包括平齿面A、斜齿面B、限位凹面C、带键槽的内孔D，以及限位柱E.尺寸精度方面，其中齿形轮廓度要求0.05 mm，齿面高度差≤0.15 mm，限位柱和限位凹面轮廓度0.1 mm.
2材料和压机的选择
2.1材料的选择
鉴于产品的结构特点、性能以及材料要求（材料牌号：Sint D11，w碳>0.75%，w铜为1%～5%），基础铁粉选择雾化铁粉，选用硬脂酸锌为剂.硬脂酸锌熔点低，稍加热就能使其熔化成液相来减少粉末的内外摩擦，使其容易成形.
2.2压机的选择
根据产品的截面积和密度要求，测算出产品大概需要50 t的压制压力来制备.压制压力F可按下式计算[4]：
F=kps（1）
式中：p为单位压力；s为受压横截面积；k为安全系数，k=1.15～1.50，取1.20.
根据式（1）计算压制压力，则F=1.2×5×8.4=50.4 t.
同时需要上一下三的模具结构，考虑形状和结构特别复杂，所以选择使用160 t机械式压力成形机和上二下三的标准模架.
3工艺流程设计
3.1工艺的制定
根据产品要求，工艺制定如下：混料、压制、烧结、振动去毛刺、渗碳淬火、清洗和包装.由于产品精度要求高，在试验过程中需严格控制磕碰伤.
3.2粉末的混合
采用双锥型自动混料设备，其优点在于无死角、效率高、易清理，非常适合大批量生产[4].混料后粉末泊松比为2.8～3.2，压缩性大于7.0.由于产品具有很高的硬度要求，为保证成分的稳定性，采用全自动秤料系统.
3.3压制工艺
图3为转向管柱粉末冶金移动架压制成形过程，分为粉末充填、粉末传输、压制和脱模4个阶段.
由于采用上一下三的成形结构，产品每部分充填值都要非常精确，才能保证压制时每段密度是均匀的.为保证产品上下段密度均匀，成形过程中采用阴模和芯棒同时浮动.脱模时，采用保压拉下式脱模，并以内下模为基准点，把产品完全从模具中脱出.压制压力50 t，压制效率6件/min，产品高度直接达到成品要求.
3.4烧结工艺
烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一.所谓烧结，就是将粉末压坯在低于其主要成分熔点的温度下进行加热，从而提高压坯强度和各种力学性能的一种过程[2].FeCCu三元体系的烧结为有限多元系固相烧结类[2].采用连续式普通网带烧结炉进行烧结，烧结温度为1 120 ℃，烧结时间30 min，采用氨分解和氮气的还原性保护气氛，露点为-40 ℃，防止产品氧化并去除表面氧化颗粒.冷却段采用常规水冷.
3.5振动去毛刺
鉴于产品的使用工况，产品外观不允许有毛刺和飞边.移动架形状又较为复杂，采用盘刷或者喷砂的方式都不可行，所以选用钢球振动的方式去毛刺，其效率高、去毛刺效果好.去毛刺介质选用钢球，振动时间为10 min.
3.6热处理工艺
热处理采用铁基粉末冶金通用的整体渗碳淬火[5]，即在分解氨气氛下，将烧结的零件加热到860 ℃，保温30 min，然后在860 ℃下将零件淬于50 ℃温油中.最后在150 ℃下回火5 min，达到硬度要求.
3.7清洗包装
由于零件用于汽车转向管柱系统，所以对产品清洁度有一定要求.采用高压油清洗工艺可以符合要求，也具有一定的效率.产品清洗后，采用散装的方式进行包装.
4模具的设计
4.1成形模具主要零件的尺寸计算
4.1.1阴模高度
阴模高度应满足粉末充填和定位的需要.因此，阴模高度一般包括粉末充填的高度、下模冲的定位高度和上模冲压缩粉末前进入阴模的深度[6]，即
H阴=H粉+h上+h下（2）
下模冲的定位高度h下是根据下模冲与阴模之间的装配需要而选定的.总的来说，以能满足下模冲在阴模的定位需要为原则，一般取10～30 mm，本文中取20 mm.上模冲的定位高度h上取0.综上，阴模高度为：
H阴=65+20+0=85 mm
4.1.2阴模和模冲尺寸确定
由于移动架形状特别复杂，所以每个模冲的尺寸需要同比例缩放，由材料试验结果得到，压制弹性后效为0.15%，烧结变形量为0.25%.根据模具尺寸计算公式如下[6]：
D=D产（1-t-s）（3）
式中：D为模具尺寸；t为压坯的径向弹性后效；s为压坯的径向烧结收缩率；D产为产品外径.通过该公式可计算出每个模冲的尺寸.
4.1.3模冲高度的计算
由于采用上一下三的成形结构，上模高度只需采用闭合高度的最小值，通常取100 mm.
外下模计算如下[6-9]：
H外下模=H阴+H法兰+H脱模（4）
式中：H外下模为外下模高度；H阴为阴模高度；H法兰为安装用法兰高度，通常取15 mm；H脱模为脱模所需要高度，通常取10～20 mm.
根据式（4），H外下模=85+15+10=110 mm.
中下模计算如下[6-9]：
H中下模=H外下模+H法兰+H脱模+H垫块（5）
式中：H中下模为中下模高度；H垫块为外下模垫块高度.
根据式（5），H中下模=110+15+10+50=185 mm.
内下模计算如下[6-9]：
H内下模=H中下模+H法兰+H脱模+H垫块
式中：H内下模为中下模高度.
根据式（5），H内下模=185+15+10+40=250 mm.
4.2模具设计中的注意事项
移动架较为复杂，产品台阶数多，设计过程特别需要注意模具的分型区域.同时，单个模冲的成形面积特别小，模冲又特别长，热处理硬度需要控制在特别紧的范围内.在试验过程中，模具寿命是难点，需要在脱模、圆角过渡等方面特别注意.
通过大量的理论计算和实际生产的细节讨论，制定了转向管柱移动架生产的模具样式和具体的试验工艺.通过混料、压制、烧结和热处理等一系列工序设计，对移动架的开发进行了详细的说明.在所有的工作中，模具设计是重点.经过对移动架的设计，可以制造该零件为生产所需.目前该产品已经实现批量生产，取得了较好的经济效益，解决了机加工高成本和低效率的问题.
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篇3
关键词： 高强高导；TiB2Cu基复合材料；研究现状；展望
中图分类号： TB331文献标识码： A
Research Situation and Prospects for High Strength and High
Electrical Conductivity TiB2Cu Matrix Composites
HE Daihua， LIU Ping， LIU Xinkuan， MA Fengcang， LI Wei，
CHEN Xiaohong， GUO Kuixuan， LIU Ting
（School of Materials Science and Engineering， University of Shanghai for
Science and Technology， Shanghai 200093， China）
Abstract： The TiB2Cu matrix composites with excellent performances of high strength and high electric conductivity have extensive application prospects.In the paper，we focus on the fabrication techniques of TiB2Cu matrix composites.The prospects for the composites are also presented.
Key words： high strength and high electric conductivity；TiB2Cu matrix composites；research situation；prospect
0前言
高强度导电材料在航空、航天、电工及电子等行业有着极为广泛的用途，如电车及电力火车架空导线、大容量触头开关、电阻焊电极、电触头、集成电路引线框架等，都需要既具有高导电导热性又具有高强度的耐热稳定性材料[1].铜基复合材料具有高耐热稳定性和高强高导的特点，克服了传统铜合金的某些不足，大大提高了使用温度范围，能较好地满足以上需求，因此，铜基复合材料近年来得到了较大的发展.
利用弥散耐热稳定性好的陶瓷粒子强化铜基体是一种很好的方法.其中TiB2陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高弹性模量，耐磨性好，热膨胀系数较低和高导电导热等特性，同其他陶瓷增强材料相比，它使金属的导电率、热导率下降量较小，使得TiB2Cu基复合材料具有较高的导电率和高的软化温度，因而TiB2作为铜基增强相的研究，已成为复合材料研究领域的一大热点[23].TiB2Cu基复合材料既具有优良的导电性，又具有高的强度和优越的高温性能，被认为是极有发展潜力和应用前景的新型功能材料，已逐渐受到各国的高度重视[45].
TiB2增强铜基复合材料的力学性能，主要取决于铜基体、增强体的性能以及增强体与铜基体之间界面的特性.用于制备TiB2Cu基复合材料的传统方法，主要是非原位复合方式，即直接添加陶瓷强化粒子到熔融或粉末基体中，强化相与陶瓷金属基复合材料的合成不是同步完成.但外加的增强颗粒往往比较粗大，增强体与基体润湿性差，颗粒/基体界面反应始终是影响传统搅拌铸造和粉末冶金的技术难题[6].本文主要介绍了目前较有发展前途的、能使第二相弥散分布于基体中、甚至具有纳米级颗粒增强铜基复合材料的原位复合制备方法.
上海有色金属第34卷
第1期何代华，等：高强高导TiB2Cu基复合材料的研究现状及展望
1纳米级颗粒增强铜基复合材料的制备方法1.1机械合金化法
机械合金化法（MA）是Benjamin[7]等于20世纪60年代为解决TiB2Cu基复合材料中的浸润性问题而最先提出的，其原理是利用固态粉末直接形成合金的一种方法，后来为广大学者接受并广泛使用.
Biselli[7]等在1994年利用机械合金化法球磨Cu、Ti和B粉，经适当的热处理制取出TiB2Cu复合材料.X射线衍射和EDS分析表明，球磨粉只有加热到600℃附近才反应生成TiB2，到800℃附近反应完成.TEM观察发现，Cu5%（体积百分比）TiB2合金700℃挤压后在晶粒内部和晶界上分布有5～15 nm的TiB2粒子.球磨粉在退火初期，硬度不断增加，到600℃附近达峰值，这是由于Ti和B粉发生反应生成稳定的硼化物所致，更高温度时硬度稍有降低，但降幅很小.西安交通大学董仕节[89]等研究了烧结工艺和TiB2含量对TiB2增强铜基复合材料性能的影响.提出TiB2/Cu复合材料导电率定量计算公式如下[10]：σ=σ01-11+0.87/c（1）σ为铜基复合材料导电率，σ0为基体铜的导电率，c为TiB2体积含量.
李京徽[11]采用机械合金化方法，先球磨制备CuTiB2复合粉末，然后通过压制烧结方法制备CuTiB2复合材料.提出了机械合金化法制备CuTiB2复合材料的合理工艺是：球磨时间60 h，压制压力400 MPa，烧结温度900℃，保温时间2.5 h.
机械合金化法是在固态下实现合金化，不经过气相、液相，不受物质的蒸汽压、熔点等物理特性因素的制约，使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化、远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质合成等成为可能；增强相与基体具有很好的结合性；增强相颗粒分布均匀，尺寸细小.唯一的缺点是制备过程中可能带入杂质，纯度不够高.
1.2自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法（SHS）是1967年由前苏联学者Merzhannov等发明的，是利用放热反应使混合体系的反应自发地持续进行，生成金属陶瓷或金属间化合物的一种方法.刘利[12]等采用自蔓延高温燃烧合成技术研究了材料体系对合成过程中产物特性（温度、燃烧速度及产物等）的影响.研究结果表明，在体系中添加一定的金属钼或铁，明显改善了体系的润湿性；钼或铁的加入使产物中金属分布更加均匀，大大降低了产物孔隙率.同时钼的加入还明显降低了晶粒尺寸.
SHS法制备金属基复合材料有生产过程简单、反应迅速、反应温度高以及易获得复杂相或亚稳定相和应用范围广等特点.但缺点是反应难以控制，产品空隙率高，难以获得高密度的产品，不能严格控制反应过程和产品的性能，所用原料往往可燃、易爆或有毒，需要采取特殊的安全措施.
1.3粉末冶金法
粉末冶金法是生产铜及铜基复合材料结构件、摩擦材料和高导电材料的重要方法[13].制备TiB2Cu一般采用直接混合法和包覆混合法制取[14].主要工艺过程包括：（1）制取复合粉末；（2）复合粉末成型；（3）复合粉末烧结.吴波[1516]等以Cu、Ti、B4C合金粉末为原料，制备了TiB2Cu复合材料，得出最佳工艺参数为：以TiB2理论生成量为5%（质量分数）配料，在800 MPa压力下对球磨后的合金粉末进行模压，在1 273℃经4.5 h保温烧结，经原位反应可获得TiB100弥散增强的铜基复合材料.试样的导电率为：20.2%IACS，硬度（HV）为161.张剑平[6]等采用粉末冶金法制备了TiB2Cu复合材料，研究了真空加热烧结和微波烧结两种不同烧结方式对该复合材料组织和性能的影响.
粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法，虽然有很多优点，如可实现多种类型的复合，充分发挥各组分材料的特性，是一种低成本生产高性能复合材料的工艺技术.但由于基体和增强相在尺寸、形状和物理化学性能上有很多差别，提高TiB2增强相与铜基体的润湿性，提高基体与增强相之间的界面结合强度，从而提高复合材料的综合性能，将依然是TiB2Cu基复合材料的研究方向.
1.4喷射沉积法
喷射沉积法制备TiB2Cu基复合材料，主要包括传统喷射沉积法和反应喷射沉积法.传统喷射沉积法是熔炼好含反应元素的合金后再进行喷射沉积[17].此方法是在铜合金熔体内反应元素间发生化学反应生成弥散粒子，然后利用喷射沉积法使强化粒子均匀分布在铜基体内.反应喷射沉积法是利用液滴与反应气体、注入的粒子或不同合金的液滴间发生原位化学反应合成弥散强化铜合金[1819].在反应喷射沉积过程中，由于液滴的比表面积大和处在高温状态，能使反应元素间在液滴飞行过程中或在沉积后，能在铜基体内部原位合成细小的弥散强化相.喷射沉积法的优点主要是：晶粒细小，无宏观偏析、颗粒均匀分布于基体中；一次性快速复合成坯料，生产工艺简单，效率高.
2高强高导TiB2Cu基复合材料的研究展望随着复合材料技术的发展，原位复合法得到了迅速发展，该材料以其独特的优点，在高强高导电性TiB2Cu基复合材料的制备方面显示出巨大的应用潜力和良好的发展前景.高强度导电TiB2Cu基复合材料是综合性能优良的新兴材料，这类材料在现代国防和民用工业领域有着很大的应用潜力.自20世纪70年代以来，高强度导电铜基材料的开发研究一直非常活跃，除了开发出多种高强度导电铜基复合材料外，还派生和创造出许多新的制备技术，对此类材料的基础理论也开展了广泛的研究.现有的高强度导电TiB2Cu基材料的开发及制备技术还存在诸多难题，我国在这方面的研制与发达国家相比还存在较大差距.因此，借鉴国外经验，今后的研发工作主要着眼于以下几个方面：
（1） 对现有制备工艺的研究和改进.如在传统的粉末冶金法中引入由微波加热与基座辐射加热相结合的新型工艺；原位合成技术与粉末冶金技术的综合运用等，由单一的制备方法向几种工艺相复合的方向发展.
（2） TiB2增强相向超细化、纳米化方向发展.纳米增强相尺寸较小，容易聚集，所以可使纳米增强相的表面改性；TiB2纳米粒子与基体的界面相互作用机制，可优化界面结构，充分发挥界面的增强效应；纳米TiB2增强相在铜基体中更加均匀弥散地分布等是研究的热点.
（3） 增强相也由单一的TiB2颗粒向复合陶瓷颗粒方面发展.如增加TiB2和Al2O3两相颗粒进行复合增强.
（4） 充分发挥材料的设计自由性，探索高性能、低成本和容易大规模生产的TiB2Cu铜基复合材料的制备工艺，推进高强度导电材料的产业化应用，将成为今后研究的重要课题.
3结束语
基于TiB2Cu基复合材料优良的导电性、高强度和耐高温等一系列优异性能，今后围绕其导电性和强度展开研究仍是一个热点，进而简化工艺流程、降低生产成本，逐渐工业化也是今后的研究方向.特别是随着我国高铁系统的发展，TiB2Cu基复合材料的需求缺口很大，所带来的市场经济效益相当可观.
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篇4
关键词：特种陶瓷；成形；烧结；粉末冶金；陶瓷材料
1 引 言
陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，特种陶瓷是以人工化合物为原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷。它主要用于高温环境、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。特种陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域，还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用。因此研究特种陶瓷制备技术至关重要。
2 陶瓷原料的制备方法
粉料的制备工艺(是机械研磨方法，还是化学方法)、粉料的性质(粒度大小、形态、尺寸分布、相结构)和成形工艺对烧结时微观结构的形成和发展有着巨大的影响，即陶瓷的最终微观组织结构不仅与烧结工艺有关，而且还受粉料性质的影响。由于陶瓷的材料零件制造工艺一体化的特点，使得显微组织结构的优劣不单单影响材料本身的性能，而且还直接影响着制品的性能。陶瓷材料本身具有硬、脆、难变形等特点。因此，陶瓷材料的制备工艺显得更加重要。
由于陶瓷材料是采用粉末烧结的方法制造的，而烧结过程主要是沿粉料表面或晶界的固相扩散物质的迁移过程。因此界面和表面的大小起着至关重要的作用。就是说，粉末的粒径是描述粉末品质的最重要的参数。因为粉末粒径越小，表面积越大，单位质量粉末的表面积(比表面积)越大，烧结时进行固相扩散物质迁移的界面就越多，即越容易致密化。制备现代陶瓷材料所用粉末都是亚微米(＜lμm)级超细粉末，且现在已发展到纳米级超细粉。粉末颗粒形状、尺寸分布及相结构对陶瓷的性能也有着显著的影响。
粉末制备方法很多，但大体上可以归结为机械研磨法和化学法两个方面。传统陶瓷粉料的合成方法是固相反应加机械粉碎(球磨)。其过程一般为：将所需要的组分或它们的先驱物用机械球磨方法进行粉碎并混合。然后在一定的温度下煅烧，使组分之间发生固相反应，得到所需的物相。同时，机械球磨混合无法使组分分布达到微观均匀，而且粉末的细度有限，通常很难小于lμm而达到亚微米级。机械球磨法有干磨和湿磨两种方法。
为了克服机械研磨法的缺点，人们普遍采用化学法得到各种粉末原料。根据起始组分的形态和反应的不同，化学法可分为以下三种类型：
（1） 液相合成法
液相有熔液和溶液两种。将陶瓷的熔液制成液滴，以等离子流使之形成雾状，固化后便可获得粉末。虽然这种方法作为合成金属而广泛使用，但陶瓷的液化必须在高温下进行，因为一面分解，另一面易于引起相分离。所以广泛采用溶液合成法。
（2） 气相合成法
气相合成法有蒸发凝聚法（物理气相沉积、PVD）和化学气相沉积（CVD）法。由气相合成析出的固体形态有晶须、薄膜、晶粒和微细粉末等。蒸发凝聚法与液相合成法中的溶液喷雾法一样，将原料在高温下气化，用电弧、等离子体进行急冷而使其凝缩为微细粉料。
（3） 气相反应法
气相反应法是通过金属化合物蒸气的化学反应而合成的方法。一般在SiC、Si3N4等的合成中使用该方法。
3 特种陶瓷的成形工艺
粉末成形是陶瓷材料或制品制备过程中的重要环节。粉料成形技术的目的是为了使坯体内部结构均匀、致密，它是提高陶瓷产品可靠性的关键步骤。成形过程就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆料）转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。粉末的成形方法很多，如胶态成形工艺、固体无模成形工艺、陶瓷胶态注射成形等。其选择主要取决于制品的形状和性能要求及粉末自身的性质(粒径、分布等)。不同形态的物料应用不同的成形方法。究竟选择哪一种成形方法取决于对制品各方面的要求和粉料的自身性质（如颗粒尺寸、分布、表面积）。
陶瓷材料的成形除将粉末压成一定形状外，还可以外加压力，使粉末颗粒之间相互作用，并减少孔隙度，使颗粒之间接触点产生残余应力(外加能量的储存)。这种残余应力在烧结过程中，是固相扩散物质迁移致密化的驱动力。没有经过冷成形压实的粉末，即使在很高的温度下烧结，也不会产生致密化的制品。经烧结后即可得到致密无孔的陶瓷，可见成形在陶瓷烧结致密化中的重要作用。坯体成形的方法种类很多，如：
（1） 热压铸成形
热压铸成形也是注浆成形的一种，但不同之处在于它是在坯料中混入石蜡，利用石蜡的热流特性，使用金属模具在压力下进行成形，冷凝后获得坯体的方法。热压铸成形的工作原理如下：先将定量石蜡熔化为蜡液再与烘干的陶瓷粉混合，凝固后制成蜡板，再将蜡板置于热压铸机筒内，加热熔化成浆料，通过吸铸口压入模腔，保压、去压、冷却成形，然后脱模取出坯体，热压铸形成的坯体在烧结之前须经排蜡处理。该工艺适合形状复杂、精度要求高的中小型产品的生产，设备简单、操作方便、劳动强度小、生产效率高。在特种陶瓷生产中经常被采用。但该工艺工序比较复杂、耗能大、工期长，对于大而长的薄壁制品，由于其不易充满模具型腔而不太适宜。
（2） 挤压成形
将粉料、粘结剂、剂等与水均匀混合，然后将塑性物料挤压出刚性模具即可得到管状、柱状、板状以及多孔柱状成形体。其缺点主要是物料强度低容易变形，并可能产生表面凹坑和起泡、开裂以及内部裂纹等缺陷。挤压成形用的物料以粘结剂和水做塑性载体，尤其需用粘土以提高物料相容性，故其广泛应用于传统耐火材料，如炉管以及一些电子材料的成形生产。
（3） 流延成形
流延成形是将粉料与塑化剂混合得到流动的粘稠浆料，然后将浆料均匀地涂到转动着的基带上，或用刀片均匀地刷到支撑面上，形成浆膜，干燥后得到一层薄膜，薄膜厚度一般为0.01～1mm。流延法用于铁电材料的浇注成形。此外，它还被广泛用于多层陶瓷、电子电路基板、压电陶瓷等器件的生产中。
（4） 凝胶注模成形
凝胶注模成形是一种胶态成形工艺，它将传统陶瓷工艺和化学理论有机结合起来，将高分子化学单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷的成形工艺中，通过将有机聚合物单体及陶瓷粉末颗粒分散在介质中制成低粘度，高固相体积分数的浓悬浮体，并加入引发剂和催化剂，然后将浓悬浮体（浆料）注入非多孔模具中，通过引发剂和催化剂的作用使有机物聚合物单体交联聚合成三维网状聚合物凝胶，并将陶瓷颗粒原位粘结而固化成坯体。凝胶注模成形作为一种新型的胶态成形方法，可净尺寸成形形状复杂、强度高、微观结构均匀、密度高的坯体，烧结成瓷的部件较干压成形的陶瓷部件有更好的电性能。目前已广泛应用于电子、光学、汽车等领域。
（5） 气相成形
利用气相反应生成纳米颗粒，如能使颗粒有效而且致密地沉积到模具表面，累积到一定厚度即成为制品，或者先使用其它方法制成一个具有开口气孔的坯体，再通过气相沉积工艺将气孔填充致密，用这种方法可以制造各种复合材料。由于固相颗粒的生成与成形过程同时进行，因此可以避免一般超细粉料中的团聚问题。在成形过程中不存在排除液相的问题，从而避免了湿法工艺带来的种种弊端。
（6） 轧模成形
将准备好的坯料伴以一定量的有机粘结剂置于两辊之间进行辊轧，然后将轧好的坯片经冲切工序制成所需的坯件。轧辊成形时坯料只是在厚度和前进方向上受到碾压，宽度方向受力较小。因此，坯料和粘结剂会出现定向排列。干燥烧结时横向收缩大易出现变形和开裂，坯体性能会出现各向异性。另外，对厚度小于0.08mm的超薄片，轧模成形是难以轧制的，质量也不易控制。
（7） 注浆成形
根据所需陶瓷的组成进行配料计算，选择适当的方法制备陶瓷粉体进行混合、塑化、造粒等，才能应用于成形。注浆成形适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的陶瓷产品。对料浆性能也有一定的要求，如：流动性好、粘度小，利于料浆充型，稳定性好。料浆能长时间保持稳定，不易沉淀和分层，含水量和含气量尽可能小等。注浆成形的方法有：空心注浆和实心注浆。为提高注浆速度和坯体质量，可采用压力注浆、离心注浆和真空注浆等新方法。注浆成形工艺成本低、过程简单、易于操作和控制，但成形形状粗糙，注浆时间较长、坯体密度、强度也不高。在传统注浆成形的基础上，相继发展产生了新的压滤成形和离心注浆成形工艺，借助于外加压力和离心力的作用，来提高素坯的密度和强度，避免了注射成形中复杂的脱脂过程，但由于坯体均匀性差，因而不能满足制备高性能、高可靠性陶瓷材料的要求。
（8） 注射成形
陶瓷注射成形是借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成形的，成形之后再把高聚物脱除。注射成形的优点是可成形形状复杂的部件，并且具有高尺寸精度和均匀的显微结构。缺点是模具设计加工和有机物排除过程中的成本较高。在克服传统注射成形缺点的基础上，水溶液注射成形和气相辅助注射成形工艺便发展起来。水溶液注射成形采用水溶性的聚合物作为有机载体，较好地解决了脱脂问题。水溶液注射成形技术可以很容易地实现自动控制，比起传统的注射成形成本低。气体辅助注射成形是把气体引入聚合物熔体中而使成形更容易进行。陶瓷胶态注射成形是将低粘度、高固相体积分数的水基陶瓷浓悬浮体注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再经烧结，制得显微结构均匀、无缺陷和净尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件，并大大降低陶瓷制造成本。陶瓷胶态注射成形解决了两个重要的关键技术：陶瓷浓悬浮体的快速原位固化和注射过程的可控性。通过深入研究发现压力可以快速诱导陶瓷浓悬浮体的原位固化，从而开发出压力诱导陶瓷成形技术。通过胶态注射成形技术可以获得高密度、高均匀性和高强度的陶瓷坯体。这种成形技术可以消除陶瓷粉体颗粒的团聚体，减少烧结过程中复杂形状部件的变形、开裂，从而减少最终部件的机加工量，获得高可靠性的陶瓷材料与部件。避免了传统陶瓷注射成形使用大量有机物所导致的排胶困难的问题，实现了胶态成形的注射过程，适合于规模化的生产，是高技术陶瓷产业化的核心技术。
（9） 粉末注射成形
金属、陶瓷粉末注射成形（PIM）是一种新的金属、陶瓷零部件制备技术。它是将聚合物注射成形技术引入粉末冶金领域而生成的一种全新零部件加工技术。该技术应用塑料工业中注射成形的原理，将金属、陶瓷粉末和聚合物粘结剂混炼成均匀的具有粘塑性的流体，经注射机注入模具成形，再脱除粘结剂后烧结全致密化而制得各种零部件。PIM作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有比常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势。PIM能制造许多具有复杂形状特征的零件：如各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉通孔、盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等，这些零件都是无法用常规粉末冶金方法制得。由于通过PIM制造的零件几乎不需要再进行机加工，所以减少了材料的消耗，因此在所要求生产的复杂形状零件数量高于一定值时，PIM比机加工方法更经济。PIM工艺的优势为：能一次成形生产形状复杂的金属、陶瓷等零部件。产品成本低、光洁度好、精度高（0.3%～0.1%），一般无需后续加工。产品强度、硬度、延伸率等力学性能高、耐磨性好、耐疲劳、组织均匀。原材料利用率高，生产自动化程度高，工序简单，可连续大批量生产。无污染，生产过程为清洁工艺生产。
坯体除以上成形方法之外，还有模压成形、等静压成形等方法，当配方、混合、成形等工序完成后，还必须进行烧结才能使材料获得预期的显微结构，赋予材料各种性能。
4 特种陶瓷的烧结方法
烧结是将成形后的坯体加热到高温并保持一定时间，通过固相或部分液相扩散物质迁移，而消除孔隙。将颗粒状陶瓷坯体置于高温炉中，使其致密化形成强固体材料过程。烧结开始于坯料颗粒间空隙排除，使相邻粒子结合成紧密体。但烧结过程必须具备两个基本条件：应该存在物质迁移机理；必须有一种能量（热能）促进和维持物质迁移。现在精细陶瓷烧结机理已出现了气相烧结、固相烧结、液相烧结及反应液体烧结等四种烧结模式。它们材料结构机理与烧结驱动力方式各不相同，尤其传统陶瓷和大部分电子陶瓷烧结依赖于液相形成、粘滞流动和溶解再沉淀过程，而对于高纯、高强结构陶瓷烧结，则以固相烧结为主，它们通过晶界扩散或点阵扩散来达到物质迁移。烧结是陶瓷材料制备工艺过程中的一个十分重要的最终环节。近年来也开始对陶瓷材料进行热处理，以改善其性能。
（1） 常压烧结（或称无压烧结）
常压烧结是使用最广泛的一种方法。它在大气中烧结，即不抽真空，也不加任何保护气体在电阻炉中进行烧结。这种方法适用于烧结氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷有时也采用常压烧结。陶瓷器、耐火材料最先采用这种方法。后来，氧化铝、铁氧体等许多新的陶瓷也采用了这一方法。与其它方法相比经济有效，但也有不利之处。为了使物质所具的功能充分发挥出来，也有采用其它方法进行烧结的情况。常压烧结用电阻炉的关键部件是发热体元件。通常生产中应根据不同材料的烧结温度，而选择不同加热体的电阻炉。
（2） 热压烧结(HP)
热压烧结即是将粉末填充于模型内，在高温下一边加压一边进行烧结的方法，同时进行加温、加压(机械压力而不是气压)的烧结。加压方式一般都是单向加压，热压时的压力不能太高，一般为50MPa。而冷压成形的压力可达200 MPa，甚至更高。热压烧结的加热方式仍为电阻加热，加压方式为液压传动加载。热压烧结使用的模具多为石墨模具。它制造简单、成本低。热压烧结的主要优点是加快致密化进程，减少气孔隙，提高致密度，同时，可降低烧结温度。Si3N4、SiC、Al2O3陶瓷等使用该法烧结，然而因成本较高，故其应用受到限制。
（3） 热等静压(HIP)
热等静压一般是沿单轴方向进行加压烧结，相对而言，这种方法是借助于气体压力而施加等静压的方法。除SiC、Si3N4使用该法外，Al2O3、超硬合金等也使用该法。尽管热压烧结有许多优点，但由于是单轴向加压，故只能制得形状简单如片状或环状的样品。另外，对非等轴晶系的样品热压后片状或柱状晶粒严重择优取向而产生各向异性。热等静压与热压和无压烧结一样，已成功地用于多种结构陶瓷的烧结或后处理。此外，热等静压还可以用于金属铸件、金属基复合材料、喷射沉积成形材料、机械合金化与粉末冶金材料和产品零部件的致密化等。
（4） 气氛烧结
气氛烧结是采用各种气氛作保护或反应参与物，进行烧结。常用的有真空、氢、氧、氮和惰性气体（如氩）等各种气氛。例如透明氧化铝陶瓷可用氢气氛烧结，透明铁电陶瓷宜用氧气氛烧结，氮化物陶瓷如氮化铝等宜用氮气氛烧结。
5 特种陶瓷技术的未来发展趋势
特种陶瓷成形技术未来的发展将集中于以下几个发面：进一步开发已提出的各种无模成形技术在制备不同陶瓷材料中的应用；性能更加复杂的结构层以及在层内的穿插、交织、连接结构和成分三维变化的设计；大型异形件的结构设计与制造；陶瓷微结构的制造及实际应用；进一步开发无污染和环境协调的新技术。
在烧结方面，特种陶瓷制品因其特殊的性能要求，需要用不同于传统陶瓷制品的烧成工艺与烧结技术。随着特种陶瓷工业的发展，其烧成机理、烧结技术及特殊的窑炉设施的研究均取得突破性的进展。在特种陶瓷的精密加工方面：特种陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大，其物理机械性能(尤其是韧性和强度)与金属材料有较大差异，加工性能差、加工难度大。因此，研究特种陶瓷材料的磨削机理，选择最佳的磨削方法是当前要解决的主要问题。
6 结 语
特种陶瓷由于拥有众多优异性能，因而用途广泛。现按材料的性能及种类简要说明。耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等；隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料，用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等；导热性优良的特种陶瓷可用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片；耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛，目前的工作主要集中在轴承、切削刀具方面；高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等；在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。
参考文献
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Preparation and Trends of Special Ceramics
XIAO Yan
（Jiangmen Chemical Materials， Jiangmen 529100)
篇5
高速钢的耐磨性以及硬度与残余奥式体含量有着密切关系，已经有相关研究表明，残余奥式体含量的高低直接影响高速钢的性能。一般情况下，高速钢的常用材料为W18Cr4V，所以，研究高速钢的热处理工艺，实际就是研究材料W18Cr4V的热处理工艺参数，对其参数进行相关优化，能够降低加工成本，提高经济效益，对模具产品的制作过程有着重要意义。
一、高速钢介绍
高速钢（High Speed Steels）也称之为锋钢，是一种具有高硬度、高耐热性以及高耐磨性的工具钢。最先是由美国的F.W泰勒以及M.怀特在1898年制造出来的，工艺性能、强度以及韧性配合较好。所以，通常被用来制造比较复杂的耐冲击的金属刀具、薄刃以及冷挤压模具等。主要的优点就是能够避免熔炼生产导致的碳化物偏析，从而引起的机械性能的降低以及热处理变形等。高速钢的热处理工艺比较复杂，需要经过退火、淬火、回火等一系列过程，因此，在进行高速钢的热处理工艺时应设计合理的参数以及工艺方案。
二、高速钢的热处理工艺参数设计
不同的淬火以及回火温度都会影响高速钢的硬度以及耐磨性，因此，为了能够提高速钢的耐磨性以及硬度，必须对热处理工艺参数进行准确设计。
（一）热处理工艺
对材料W18Cr4V进行热处理时，工艺流程为：采用1250℃-1350℃进行淬火，采用560℃-580℃进行回火，需要三到四次。材料W18Cr4V中的主要化学成为C、MO、W、Cr以及Mn 等，采用铁磁性对残余奥式体进行含量的测定，热处理主要是采用高温箱式电阻以及热炉，将温度控制在100℃-1100℃，控温范围±5℃；加热淬火温度的处理通常设置为1100℃，1150℃，1250℃；最后进行回火处理。一般情况下，高速钢的回火温度控制在560℃-570℃之间，需要注意的是，遇到对模具质量要求较高的热处理工艺时，应该将回火温度控制在350℃-450℃之间。采用高速钢制造模具时，淬火后应进行350℃-450℃的回火，但是为了能够进一步的获取稳定以及坚韧的马氏体组织，需要再次进行560℃-580℃的回火，有利于进一步消除内应力。
（二）热处理工艺参数的对材料硬度以及粗糙度的影响
高速钢经过淬火以及回火之后，高速钢中的主要组织就为奥氏体与马氏体，在进行热处理的过程中，碳化物的形状、类型以及分布并没有明显的变化，但是经过淬火加热温度以及回火加热温度之后，从而使基础组织中的奥氏体与马氏体相对数量就会发生比较大的变化，剩下奥式体就会对材料产生一定的影响。采用铁磁性法来对剩下奥式体含量以及表面的硬度、粗糙度进行测量，测试原理为Ar=[（α0-α）/α0）]×100%，其中Ar表示残余奥式体积的百分率；α0表示的是侧标样阳检流计偏转角；α是测被测样块时检流计偏转角。得到以下数据，如下表1所示：
由上表1中可以看出，根据淬火以及回火的温度值，能够表明，淬火以及回火的温度对参与奥式体含量有着比较大的影响，也就是当淬火温度逐渐升高时，残余奥氏体的含量也就越高，所占的百分比在逐渐下降；同时，当淬火温度比较低时，奥氏体中溶解的碳以及合金元量比较少，并且马氏体转变的终止温度在逐渐升高，也就表明奥氏体的稳定性比较差，残余奥氏体的含量也就比较低。回火温度升高时，剩下奥氏体含量逐渐减少，呈现反比。从上表1中还能够看出当淬火温度达到1150℃时，在经过350℃以及570℃的两次回火时，材料表面的强度达到了最大值67.1 HRC，也能够得到比较稳定的马氏体组织，所采取的获试样的表面粗糙度最低。
三、结束语
综上所述，淬火温度以及回火温度对残余奥氏体含量、硬度以及表面粗糙度有着显著的影响，在进行热处理工艺时，充分了解淬火温度与回火温度与硬度以及粗糙组之间的关系，选择合适的温度。经过上面的研究表明，当淬火温度达到1150℃时，两次回火的温度为350℃以及570℃时，此时材料的耐磨性以及粗糙度比较好，能够满足工具制作的需要，同时还解决相关资源。
参考文献
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篇6
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。
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
FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。
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篇7
1.1常用汽车用TiAl合金制备技术TiAl基合金同Ti合金一样，在高温时具有高的化学活性，因此一般沿用熔炼Ti合金的方法进行熔炼[5]。但相对于熔炼Ti合金来说，熔炼TiAl基合金又具有自身的典型特点，如其合金元素在熔炼过程的反应热高，对间隙元素的敏感性高；存在合金元素含量高，成分容错度小，各元素物性差别大等特征，且其性能对组织敏感性高等问题，这使TiAl基合金熔炼和铸锭变得更加困难。目前已有三种冶金熔炼方法被成功地应用于TiAl基合金的生产[7]：即感应凝壳熔炼、真空电弧熔炼和等离子束熔炼。日本、俄罗斯等国均有采用以上方法熔炼TiAl基合金的方法。日本大同特殊钢公司设计制造了水冷铜坩埚感应熔炼炉—悬浮熔炼炉，再将悬浮熔炼方法与真空吸铸法相结合，开发出了LEVICAST技术，可以熔炼出高质量的TiAI基合金，用于大规模生产。真空自耗电弧熔炼法熔化能力大、熔炼时间短及工艺过程简单，俄罗斯VSMPO公司已经浇注出了直径达到960mm，质量达到1.0-25吨的铸锭。但这种方法必须用较大的压力机制备自耗电极，残料利用率低，不能有效去除低密度夹杂(LDI)和高密度夹杂(I-IDI)等。现有应用感应凝壳熔炼主要用于制备尺寸为75-125mm的小直径铸锭，真空电弧熔炼和等离子束熔炼方法主要用于制备直径尺寸为200-350mm的铸锭。采用后两种工艺应注意大直径尺寸铸锭温度场不均匀引起的热应力造成TiAl基合金铸锭开裂[8]。但这些方法熔炼TiAl基合金均有所不足，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这对成分精确度和均匀性要求较高的TiAl基合金构成不利影响。在TiAl基合金的制备工艺中，除了研究零部件的近净形加工工艺，还需进一步研究增压器涡轮与合金钢轴的结合方式及发动机阀门表面的耐磨处理等相关技术[6]。针对加工现状复杂的汽车发动机关键零部件钛铝合金的制备而言，因其室温延展性和高温热加工性较差，常采用熔模精密铸造工艺一次性铸成形状复杂、壁薄的零部件，且采用该工艺加工的工件的精度准确、表面粗糙度低，大幅度提高了TiAl合金的利用率[9]。目前，发达国家车用发动机部件使用TiAl合金的研究已取得实用化成功。另外，在发动机用钛铝基合金的制备方面，美国GE公司，德国GKSS研究所、汉堡大学及日本京都大学、日本川崎重工株式会社和我国的哈尔滨工业大学等相继成功研制了不同用途的汽车用TiAl金属间化合物部件[10]。
1.2汽车发动机进/排气阀采用轻质TiAl合金排气阀对改善发动机的性能具有重要意义，它可以使发动机能耗节省5-8%，转速提高300rpm，并能减轻噪音和环境污染。因此各国工业界对此非常重视。汽车发动机排气阀是在600-900℃高温下工作的往复部件。在实际运行中，在交变的冲击载荷、蠕变载荷、高温、腐蚀和燃烧气氛等恶劣条件下，常常由于排气阀过早疲劳、蠕变、磨损而引起发动机故障和动力性能下降。因此，要求排气阀材料应具有足够的硬度、耐热、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、不弯曲变形、质轻等特点。为了使得发动机有高输出能，并提高转速，节能减排，对长杆件排气阀的研究就显得尤为重要。但采用精密铸造方法制备该类零件时，由于TiAl熔体流动性和充型性差，易在杆部及端部形成缩孔。这些缺陷在后续热等静压过程可以消除，但会改变零件形状，造成弯曲、凹陷等新的缺陷。日本住友公司、美国福特公司、通用电器公司和德国的一些公司都已相继开发出相应零件。另外，金属型离心铸造方法最适y-TiA1合金排气阀的中、大批量生产，在美国、德国和日本等发达国家，这方面的研究工作相继展开，该工艺在文献中给出其原理图，如图1所示。针对TiAl合金用于汽车零部件而言，国内对TiAl合金铸造技术也开展多年的研究，苏彦庆等利用真空感应凝壳熔炼设备熔铸了TiAl合金483Q发动机排气阀门坯件，经过等静压及机械加工后制得的TiAl合金排气阀门重量比原材质的减少了49.3%。经483Q柴油机台架试验测试结果表明，TiAl合金适宜于制作高热负荷条件下的排气阀门零件。长春工业大学的陈华发明公开了一种钛铝基粉末冶金汽车发动机排气阀材料及其制造方法[15]，其冶金粉末材料的成分及含量(at%)为：Ti45.7-48.9%、Al45.7-47.5%、Nb5.4-6.8%，按一定成分配制的粉末首先经高能球磨，球磨预合成后的粉末置于模具中，进行热压真空烧结，所制备出的TiAl基合金排气阀具有超细晶/纳米晶组织，其中TiAl相晶粒尺寸＜500nm，Ti3Al相晶粒尺寸＜100nm，成分均匀、性能优异。关于元素粉末冶金径向热压法制备汽车发动机进/排气阀的过程如文献[14]中给出的原理图，如图2所示。
1.3增压器用涡轮转子涡轮轻质化能使涡轮转子的惯性降低，加速性能提高[16]。日本川崎重工业株式会社首先制作了TiAl合金精铸增压涡轮转子，并在加速性实验中达到24×104转/分，与Inconel713（即K418）涡轮相比其加速响应性大为提高[3]。目前废气涡轮增压存在的缺点是发动机的扭矩适应性系数降低，发动机的加速特性变差，由此影响车辆起动和加速时的排放标准。而用TiAl合金取代K418类高温合金或耐热钢，可因涡轮转子重量减小、转子惯量降低而改善发动机的加速瞬时响应性。TiAl增压涡轮转子研究运用最成功的是在日本，日本开发了一种用于精铸涡轮的TiAl基合金，其名义成分为Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si，采用反压铸造法新技术铸造的TiAl金属间化合物增压涡轮已成功应用于三菱等跑车。同时，TiAl涡轮增压器应用最成功的也是在日本，于1998装备了1000台左右的Lancer汽车，到2003年的时候，其数量已经增加到20000台，这些涡轮增压器的成分为Ti-46Al-6.5Nb和一些微量元素。2.4汽车发动机叶片德国材料研究所Wanger采用熔模精密铸造工艺制成了TiAl合金发动机叶片，并在汽轮机工作条件下（700℃，1600r/min）成功进行了旋转实验。另外，日本川崎重工业株式会社和日本的大同特殊钢称采用熔模精密铸造工艺制成了TiAl合金叶轮比耐热合金叶轮达到170000r/min的时间缩短26%左右[3]，且可提高叶轮的最大转速。
2钛铝基合金在汽车发动机零部件上的应用现状
由于TiAl基合金室温塑性低，高温强度、抗氧化性不足，制造困难等不足，使实用化相当困难。日本大同特殊钢公司自上世纪八十年代开展TiAl基合金的实用化研究以来，逐渐开发出了TiAl基合金近净形加工的精密铸造和接合等相关技术，于1998年实现了TiAl基合金的赛车发动机增压器涡轮的实用化[17]。为进一步改善TiAl基合金的高温抗氧化性能，常选用二元合金中性能最好的Ti-33.5%Al为基体合金，加入优化的Cr、Si、Nb各元素，并将其组织设计成韧性较高的γ/α2网篮组织，开发出了用于排气阀的RNT004（Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si）和用于涡轮叶片的抗氧化性、蠕变强度都更好的RNT004（Ti-33.5Al-4.8Nb-1.0Cr-0.5Si）TiAl合金。在高温下，RNT004和RNT650的比强度都比通常使用的Inconel751和Inconel713C超合金的高，抗氧化性比二元Ti-33.5Al合金有明显改善。在900℃以下，RNT650显示出与Inconel713C相当的抗氧化性。采用RNT004、RNT650的增压器用涡轮，与传统的Inconel713C的相比，惯性降低、加速性能提高，1998年初，实现了赛车用增压器涡轮的实用化，1999年用LEVICAST铸造法制造了抗氧化性更好的高铌合金涡轮，用于市场售车。为了使发动机具有高输出能和降低燃料费，以及提高转速和减少动阀的磨损，对精密铸造RNT004阀的发动机进行系统试验很有必要。为改善阀表面及轴部的耐磨性，常采用等离子渗碳处理使表面形成了Ti2AlC相而提高耐磨性。TiAl基合金用于涡轮增压器已有十余年的历史，将其广泛用于普通汽车，尤其是轿车，必须降低其制备成本。另外，在TiAl金属间化合物的实用化研究进程中，既要从合金熔炼工艺及成分优化入手，又要结合制造工艺过程中和生产中所存在的问题提出系统的解决方案，以获得制备车用轻质TiAl金属间化合物合金的有效途径。
3结论
篇8
摘要： 阐述了CuNiSn合金依靠其良好的力学性能和环保等特点,作为一种有望替代铍青铜的新型铜基弹性合金,被广泛应用于制作各种接插件、弹簧件和开关等弹性元件.文章介绍了该合金国内外研究现状和制备工艺,分析了Ti、Si、Cr、Al、Co、Fe、In和Mn等元素对合金组织和性能的影响,指出了CuNiSn合金未来研究的重点应集中在降低合金偏析程度、优化加工工艺和添加适当微量元素提升其性能等方面.
关键词： CuNiSn合金; 高弹性; 制备方法
中图分类号： TG 146.1+1文献标志码： A
Research and Development Prospect of Highelastic CuNiSn Alloy
WU Yu1,2, YANG Shengli3
(1.JCCTechnology Center of Copper Processing Department, Nanchang 330096, China;
2.National Copper Smelting and Fabrication Engineering Research Center, Nanchang 330096,
China; 3.General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China)
Abstract： This article focuses on the good mechanics feature and environment protection of CuNiSn Alloy which can be expected to be a new type of Copper alloy with high elastic feature to replace current CuBe Alloy and to be widely applied in making various kinds of connectors,spring parts,switches and etc.The current research status and manufacturing technology at home and abroad is stated in the article.The influence to the microstructure and properties of alloy by Ti, Si, Cr, Al, Co, Fe, In, and Mn is analyzed.It is pointed out that the study and research to CuNiSn Alloy should be focused on lowering the unevenness of chemical distribution in the alloy, optimizing preparation process and adding in a little other chemical elements so as to enhancing the alloy feature.
Key words： CuNiSn alloy; high elastic; preparation process
0前言
铍青铜作为一种性能优异的析出硬化型铜基弹性合金［1］,不仅具有很高的强度、弹性、耐磨性和耐疲劳性,还具有良好的导电、导热、无磁和冲击无火花等性能.因而被广泛应用于电子信息工业、航空航天、精密仪器仪表以及家用电器等方面.近年来,伴随着电子信息行业不断地朝集成化、小型化、微型化和更高的可靠稳定性方向发展,铍青铜作为弹性元件常被用来制造电子信息设备中的信号开关、接插件、弹簧件和继电器等元件.这要求铍青铜产品在使用中要有更高的性能指标,一是要在保证元件强度的同时减小元件的尺寸;二是要求元件在长期使用过程中具有可靠的接触性、高温下良好的导电稳定性和抗应力松弛性［2］.而铍青铜固有的缺点也日益显露,铍青铜制元件出现的问题也日渐突出.如在高温下抗应力松弛能力差、高温导电稳定性低和时效之后元件的变形度大等.此外,铍青铜在生产时存在有毒粉尘问题,且它的化合物毒性更大.铍的化合物被吸入后,会在人体的组织和血浆里形成具有可溶解性的类似胶状物质.该物质能够和血红蛋白发生化学反应,而产生一种能够使人体组织器官病变的物质.长时间在这种有毒粉尘环境下工作,还会引发癌症等疾病［3］.随着人们环保意识的不断提高,铍青铜的生产成本也在日益增加［4-5］.因此,研究开发一种能够替代铍青铜的合金已日益迫切.
目前,已成功研制开发了性能与铍青铜相近且不含Be的铜基弹性合金.如CuNiSn系合金、CuNiAl系合金和钛青铜等.与铍青铜相比,CuNiSn系合金具有诸多优点［6］:(1) 高强度、高硬度、高弹性、可焊性和可镀性等;(2) 200℃下良好的抗热应力松弛性;(3) 100～300℃下优异的导电稳定性;(3) 时效后元件变形小,加工时对夹具要求低,节约成本;(4) 无毒环保.基于CuNiSn系合金的优点,近年来该合金引起了人们的关注,众多研究者对其组织、性能及加工工艺进行了大量研究［7-9］,并取得了一定的成果.
上海有色金属第35卷
第1期吴语,等:高弹性合金CuNiSn的研究与发展
1国内外研究现状
早在上世纪20年代,国外就开始对CuNiSn系合金进行了大量的研究,并注意到了这类合金的时效强化现象.研究［10］发现,在铜锡合金中加入Ni后,能很好地改善合金铸件的性能,同时还提高了合金的强度.鉴于此现象,对CuNiSn合金的三元平衡相图中的富铜区域进行了进一步研究,并最终确定了α相的边界.随着观察手段的不断完善,Bastow和Kirkwood［11］运用显微探针分析法深入研究了CuNiSn系合金的富铜相区.并明确提出,由于Ni元素的加入,铜锡合金中Sn在Cu中的溶解度被抑制,致使α+γ相的范围扩大.也正是由于Ni元素的加入,铜锡合金在后续的加工和热处理中出现了一种有序面心立方(fcc)结构的金属间中间相(CuxNi1-x)3Sn.到上世纪60年代,John等［12］建立了调幅分解强化理论基础,并把该理论成功地应用到了金属、高分子、陶瓷和功能材料的研究与开发领域.70年代以后,Schwartz等［13］应用透射电子显微镜(TEM)分析技术,观察到了CuNiSn系合金时效过程中的调幅分解现象,这为具有调幅分解现象的材料强化提供了理论根据.随后,Plewes［14］在时效之前对CuNiSn系合金施以较大的冷加工变形,从而使合金的塑韧性增强,获得了较高力学性能的合金.而且,Plewes［14］在美国贝尔试验室研制出性能优异的CuNiSn系调幅分解强化型合金,其强度在某些方面甚至赶超铍青铜.最终,使得CuNiSn系合金投入规模化生产［15］.80年代,美国材料试验协会把三种调幅分解强化型CuNiSn合金正式列入了标准(ASTMB740-84).近期,王艳辉等［16］对Cu15Ni8Sn合金在225～550℃之间时效时组织的变化进行了深入的研究.Lourenco等［17］运用附带有硬度仪的DSC设备研究了Cu9Ni6Sn合金的相变规律［18-19］.Jyrki［20］通过试验和计算的方法对 CuNiSn系合金的三元相图进行了优化处理［21］.
国内虽对CuNiSn系合金的研究比国外稍晚,但在该系合金的组织和性能等方面的研究并不比国外差.但国内在材料的制备方面相对落后.如国外已成功地应用喷射成型技术和无偏析连铸技术生产出Dmax=65 cm、单重为15 t的CuNiSn系合金型材,而国内却仍处在试验室的研究和开发阶段.自从上世纪70年代,昆明贵金属研究所对CuNiSn系合金进行研究以来,国内的一些研究所和高校,如北京有色研究总院、上海钢铁研究所和上海交通大学等多家院校和单位对该系列的合金进行了不同方面的研究,并取得了一定的成果.
2常用制备工艺
由于Cu与Ni在元素周期表中的位置相邻,原子半径相差甚微,而且两者都为fcc晶体结构,Cu与Ni理论上是典型的无限固溶体.因此,Ni的加入可以保证合金在良好塑性的前提下,显著提高不同条件下合金的强度和弹性.但由于CuNi二元合金相图中的液相线与固相线之间的间距太大,再加上Ni原子在Cu中的扩散速度慢等原因,CuNi二元合金铸态下存在明显的树枝晶［22］.
Sn作为溶质原子溶解在以Cu原子为溶剂的点阵中形成固溶体.但由于Sn元素在Cu中的溶解度有限,且其溶解度随温度的降低而急剧降低,因此当Sn超过一定量时,Sn元素将会产生偏析,合金中会出现一种新的θ相,(Cu,Ni)3Sn［22］.偏析将会严重影响合金微观组织结构,使合金后续加工困难.如果采用传统的冶金铸造技术,CuNiSn系合金的偏析情况将会更加严重.为了抑制Sn元素的偏析,目前采用了各种制备方法来抑制CuNiSn系合金的偏析.
2.1机械合金化法
机械合金化法的原理是在合金粉末进行机械混合前,将预合金粉以一定比例混合配制.在高能球磨机中高速长时间运转,最终将合金粉粉碎成弥散分布的超细颗粒.在之后的球磨过程中,合金粉由于受力后发生塑性形变产生复合,最终实现扩散和固态反应.该方法有诸多优点:(1) 能使所制备合金的固溶度有一定的提高,能够制得纳米级的合金粉;(2) 有利于弹性合金导电性能的提高［23-24］.通过此法,用高纯度的Cu、Ni、Sn原料可制备出纳米级过饱和的Cu15Ni8Sn合金固溶体,之后再采用传统的粉末冶金工艺(压制烧结轧制),使Cu15Ni8Sn合金纳米粉末成型.研究表明,该方法制备的Cu15Ni8Sn合金,不仅固溶度提高,还消除了合金元素的偏析,从而改善了合金组织性能.另外,用机械合金化法制备的Cu15%Nb(15%代表体积分数)复合材料,在高温下具有良好的稳定性和力学性能.该方法生产的合金粉末的缺陷为:缺陷密度高、脆性大和表面易氧化等,同时还造成压制成型困难［25-27］,这些缺陷阻碍了该方法在实际生产中的推广.
2.2快速凝固法
快速凝固法主要采用meltspinning法［3］来获得CuNiSn系合金,其基本原理是采用特殊的冷却方法,使合金在液态情况下以很高的冷却速率凝固.目前,最高冷却速率可达105 K/s.CuNiSn系合金在这么高的冷却速率下,即使不能使其成分100%分布均匀,也能一定程度地减轻合金中Sn的偏析,缩短合金枝晶间的距离.如熔铸法获取的Cu15Ni8Sn合金枝晶偏析间距达到20 μm,但快速凝固法获取的该合金枝晶间距仅为5 μm,此间距远小于熔铸法制得的合金的枝晶间距.而且,此方法能够制备通过传统熔炼法不能获得的高Sn合金,如Cu10Ni12Sn.由于Sn含量太高,传统方法制备的合金中Sn分布偏析严重,致使合金性能很差.但采用快速凝固法却能制得该合金的带材,而且成分均匀,性能优异.快速凝固法存在工艺复杂、装备昂贵等缺点,限制了该法在实际生产中的推广.
2.3粉末冶金法
粉末冶金法是制取合金前,先对其进行雾化处理,从而制得预合金粉,然后再用传统的制备方法对其制备.所需的原料粉末一般可分为两种:一种是利用快速凝固法雾化制得的CuNiSn三元预合金粉末,该法的制备工艺如图1(a)所示［28］;另一种方法就是用锡青铜二元合金粉,通过添加铜粉或镍粉混合制得.锡青铜的作用是保证Sn能够完全地固溶在Cu中,以防因Ni元素的加入而减小Sn在Cu中的固溶度.通过以上两种方法可知,要减轻Sn的偏析情况,需通过合金化的方法加入.由此可知,粉末合金法能够制备出Sn含量高,且分布较均匀的合金.
原始粉料制好后,可通过不同的加工方法使其成型.目前,三元预合金粉的成型方法多数采用辊轧直接轧制成型,如图1(b)所示.从图1(b)中可以看出,当原始合金粉通过料斗进入轧辊,轧制成板带状后对其进行一定温度的烧结.为了提高材料的密度,可将合金反复轧制,退火后再卷带［29］.另一种方式是采用传统的压制烧结再成型.粉末在混合过程中,添加质量分数为0.5%的硬脂酸锌做剂,再用压力达310～775 MPa的水压把粉末压制成料坯.为了使剂充分发挥作用,把压制的坯放在400℃恒温下保温5 min.最后,再把压坯放置于800～1 050℃炉中烧结10～30 min.试验中,压坯烧结温度和时间的选定,主要依据烧结时合金液相出现的多少来确定.烧结过程中压坯会产生变形,为避免此情况出现,可对板带材分步烧结.试验表明:经分步烧结的坯料比等温烧结的质量更高,后者坯料的孔隙率比前者低很多,合金分布更均一.这是由于:分布烧结时,合金坯料要先在低温阶段保温一段时间,使其成分扩散均一,提高了合金的固相线,从而在之后的高温区烧结时,能有效地抑制液相的产生.这样不仅保证了压坯原有的形状,又有利于改善合金的性能.但分步烧结也有自身的缺陷,即会使所烧结的压坯产生应变带和不规则晶界,降低材料的塑韧性.为了避免这些缺陷的出现,可将压坯烧结后直接进行固溶处理和时效.采用该方法不但能够抑制应变带的出现,还能有效抑制晶界珠光体型结构的长大,进而获得具有高强度和高塑韧性的材料.此外,这种方法对烧结后仍需复压复烧的材料有很好的借鉴意义.
图1粉末冶金法设备及工艺流程
Fig.1Powder metallurgy method of equipment and technological process
2.4真空熔炼法
江西理工大学柳瑞清等［30］采用中频真空感应熔炼法熔炼Cu9.5Ni2.3Sn合金,能够使Sn的质量分数从3%减少到1%.对铸锭进行650℃×10 h的均匀化处理,能够获得成分均匀的单相α固溶体,同时消除了该合金的枝晶偏析.再对铸锭进行如下处理工艺:850℃×30 min一次冷轧(50%)850℃×60 min固溶处理二次冷轧(50%)480℃×2 h三次冷轧(65%).工艺处理后该合金抗拉强度达732 MPa,电导率达9.8 %IACS.王艳辉等［16］在C72900(Cu15Ni8Sn)合金中加入微量Si,张利衡等［31］在C72700(Cu9Ni6Sn)合金中加入微量Fe,利用真空中频感应炉熔铸,之后对铸锭采取均匀化处理,发现合金的树枝晶基本消除,并获得组成相对均一的α固溶体.另外,真空法熔炼时,除加入Fe、Si元素外,还可加入适量的Mn、Cr或Ti等元素来改善CuNiSn系合金的其他组织和性能.如果再配上快速冷凝装备,铸锭质量会更佳.
2.5喷射成型法
喷射成型法是把熔融的金属或合金熔液先雾化成弥散的雾滴状,再利用高压高速气流把液雾喷射到收集器上,形成均匀细小并具有一定规则形状(管、板、锭)的形坯.该方法在制备过程中,一些元素因为熔点较低,致使凝固时还没来得扩散.最终,合金的成分更均匀,晶粒也更细小.另外,采用喷射成型法制取的合金坯,由于不存在成分不均的现象,因此合金性能与粉末冶金法制备的合金相当,甚至更优.采用此法制得的C72900合金相比传统方法来讲,前者不但组织成分更加均匀,而且性能也更优.但该法的不足之处在于:在制备过程中,雾化的金属液滴易被溶解,致使微小孔隙产生,影响了合金的性能.
3添加元素对CuNiSn系合金组织性能的影响采用适当的合金制备方法,可以获得成分均匀的CuNiSn系合金铸锭,但实际生产中考虑到成本等因素,理想的合金制备方法很难得到推广,大规模的生产中仍采用传统的合金制备方法.消除或减轻该合金的枝晶偏析,使其更易进行机械加工,成为阻碍该合金生产的难点.近年来,研究者开始尝试采用传统的熔炼工艺,在CuNiSn系合金中添加第四、第五元素,来改善合金的组织和性能,常用的主要有Ti、Si、Cr、Al、Co、Fe、In和Mn等元素.
Miki等［32］运用定量金相法研究了上述元素对Cu10Ni8Sn合金的影响.发现:这些添加元素均能够抑制晶界胞状组织的形核和长大.其中Ti、Si、Cr和Al的抑制作用尤为明显.研究［32］还发现,在固溶水淬处理时,除Al和Mn外,其他元素能够很大程度地抑制合金晶粒的长大,以及在后续的时效阶段,还能抑制胞状组织的生长.除Mn元素外,其他添加元素在Cu10Ni8Sn合金中主要形成了细小的不溶性粒子,如Ti3Ni相和Ni31Si12相.因此,Miki等［32］认为正是这些细小粒子的形成,抑制了合金固溶阶段晶界前沿的迁移和时效阶段胞状组织的生长.众多添加元素中,Ti和Si的抑制作用最为明显.
由图2［32］可知,In加快了合金基体硬度的升高,Cr、Co、Ti、Si和Al延缓了基体硬度的升高,尤其是Al的添加,延缓效果最明显.添加Al后,基体硬度的升高分为两个阶段,第二阶段被明显延迟.第一阶段硬度变化是因为调幅分解的进一步发展;第二阶段硬度的变化是调幅结构中的富Sn区γ′中间相的形成［33-34］.因此,添加的Al可能主要阻碍了γ′相的生长.图2(b)是Cu10Ni8SnX合金在450℃时效时胞状组织平均大小的变化图.可以看出,所有的添加元素均可阻碍胞状组织的生长,并且可以降低胞状物的生长速率.其中,Al、Ti和Si的影响比较明显.
图2Cu10Ni8SnX合金450℃时效后性能
Fig.2The aging performance at 450℃ of Cu10Ni8SnX alloy
由图2(a)可以推断［32］,时效阶段胞状物被抑制长大的机制与固溶阶段晶粒被抑制长大的机制类似.即固溶时细小不溶粒子存在于基体和晶界处,并在时效时抑制了胞状物的长大.由图2(b)可以推断,在850℃固溶和450℃时效,除Al和Mn外,其余添加元素的作用与从图2(a)推断的作用相似.通过TEM观察,确定在Cu10Ni8Sn合金中添加Si后形成不溶粒子为Ni31Si12相［33-35］.添加Cr和Al时,不溶粒子可能为Cr和Ni3Al相,但是这一现象不能由X衍射观察到,这些不溶粒子在晶界处通过钉扎作用抑制了胞状物的形核和胞状物晶界前沿的移动［36-37］.添加Al的Cu10Ni8Sn合金晶粒尺寸不是很细小,并且固溶时不溶粒子的数量不多,但是合金中胞状物的生长依然受到明显的抑制.这主要是因为Al的原子尺寸大于Cu和Ni,增大了合金基体中α相的晶格参数,从而造成α相和γ′ 相的晶格参数差异性降低,并最终造成基体和胞状物之间应力的不同,使得胞状物生长的驱动力减小.另外,添加Mn的Cu10Ni8Sn合金固溶后的晶粒尺寸增大,这是因为Mn具有除氧的作用,即Mn加入后降低了基体晶界含氧粒子(如基体中的Cu2O)和晶界的体积分数,这将阻碍晶界的移动［32］.由此看来,Mn的抑制作用机理与其他添加元素不同.
图3合金固溶后晶粒尺寸和450℃时效时胞状物生长率之间的关系
Fig.3Relationship between solid solution grain size and cell material growth rate aging at 450℃
除添加第四元素外,也有添加两种合金元素的.一般是两种添加元素相互作用,共同使合金的组织性能得到改善.如在低Sn的Cu9Ni2.5Sn合金中同时添加Si与Al元素.一方面,Si元素与合金基体中的Ni元素形成δ-Ni2Si相,该相能够在合金时效后期抑制不连续沉淀,使合金由固溶强化型转变成沉淀强化型［38］.王艳辉［38］发现δ-Ni2Si相与Cu9Ni2.5Sn合金基体晶格存在一定的位向关系:(110)m∥(211)ppt、［110―］m∥［324―］ppt.Al元素主要通过增加Si的固溶度来提高合金的沉淀强化效果［31］.将一定质量分数的Mn(0.76 %～1.05 %)和Cr (0.19 %～0.21 %)加入到Cu9Ni6Sn合金中,Mn和C在一定温度下能完全固溶到合金中.时效阶段,少量Mn和Cr具有促进合金时效过程的作用,还可以提高时效温度和在酸性腐蚀环境中的抗腐蚀性能［39］.
4发展前景
CuNiSn系合金中Sn的质量分数＞4%时为调幅分解强化型合金,上世纪70年代由美国贝尔试验室研制开发,该合金是一种很有发展前途的新型铜基弹性材料.该系列合金除具有优良的抗腐蚀性和抗应力松弛性外,还具有较高的强度和弹性,因此被广泛应用在仪器、仪表和电子、电器产品中来部分替代铍青铜.
但因CuNiSn系合金自身存在的一些不足之处影响其规模化生产应用［40］.(1) 相对铍青铜,该合金的电导率较低.如铍青铜的导电率一般在20%IACS左右,但CuNiSn系合金仅有7～8%IACS;(2) 大部分CuNiSn系合金的高性能指标只能在实验室的苛刻条件下达到,在工业化生产中却很难达到理想值;(3) 为了使CuNiSn系合金在时效处理时得到理想的调幅结构和第二相分布,时效处理前需对合金进行较大的预冷加工变形.这要求冲制模应具有较高的强度和耐磨性.而铍青铜则不需要,因为铍青铜固溶处理后可直接进行时效.或者时效前只需较小的预冷加工变形量,简单的工艺操作就可以使其获得良好的强度.
基于CuNiSn系合金良好的发展潜力和自身存在的一些不足之处,今后的的研究重点应放在以下几个方面:(1) 探索水平连铸生产工艺对CuNiSn系合金铸坯组织的影响,建立适合合金产业化的生产工艺;(2) 寻求更有效的抑制合金偏析的方法和热处理工艺;(3) 寻找合金力学性能一定,电导率提高和其他性能改善的新方法、新工艺.
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篇9
关键词：常压烧结技术 材料科学与工程专业 实验教学 研究 应用
一、前言
在材料科学与工程专业的本科教学工作中，学生在高年级就开始学习材料科学与工程专业的基础课程和专业课程。其中在材料科学与工程专业课程教学中，在讲述材料的制备工艺方法中讲述过常压烧结工艺制备和合成复合材料。常压烧结工艺是制备金属陶瓷复合材料以及其他类型复合材料的主要方法。常压烧结工艺首先将原料粉末通过压力成型工艺制备出具有一定形状的试样坯体，并放入到高温烧结炉中进行高温烧结得到致密的烧结试样，所以通过常压烧结工艺得到较高致密度的烧结制品。所以常压烧结工艺制造的烧结制品的致密度较高，力学性能较高。常压烧结工艺可以制备复合材料和梯度功能材料等。常压烧结工艺烧结速度慢，烧结时间较长，但是烧结温度较高，可以制备比较致密的烧结块材。采用常压烧结工艺可以制备复合材料等。常压烧结工艺制备复合材料由于具有可以达到净近尺寸成形的优势，常压烧结工艺可以根据工程需要制造形状复杂的烧结制品和零部件，所以常压烧结工艺能够广泛应用于工程领域中。在材料科学与工程专业的本科课程教学中，在材料加工工程和材料制备方法中都讲述过常压烧结技术。此外还可以将常压烧结技术制备复合材料作为一项实验教学内容安排学生进行实验，使学生认识和了解常压烧结技术制备复合材料的工艺过程。所以常压烧结工艺制备复合材料在材料科学与工程专业教学实践中得到广泛的应用。本文主要讲述常压烧结工艺的原理和工程应用，并讲述常压烧结工艺在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并对常压烧结工艺的未来发展趋势和发展方向进行分析和预测。
二、常压烧结技术的原理和工程应用
常压烧结工艺首先是将原料粉末通过压力成型工艺制备出具有一定形状的试样坯体，并放入到高温烧结炉中进行高温烧结得到致密的烧结试样。常压烧结工艺是在烧结过程中对材料不进行加压而使其在高温烧结炉中以一定的气氛压力下烧结制备致密的烧结制品，常压烧结工艺是目前应用最普遍的一种烧结方法。常压烧结工艺包括了在空气条件下的常压烧结工艺和某种特殊气体气氛条件下的常压烧结工艺。普通陶瓷材料一般是在氧化气氛下烧结，大气条件下的常压烧结在陶瓷生产中经常采用。对于在空气中难于烧结的陶瓷制品如透光体或非氧化物常用气氛烧结法。这种方法是在炉内通入气体形成所要求的气氛，使制品在特定的气氛下烧结。用这种方法可防止陶瓷材料在高温下氧化可直到促进烧结提高制品的致密度。常压烧结工艺属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。在无外加动力下材料开始烧结，常压烧结温度通常比较高。其中常压烧结工艺普遍采用的是高温烧结工艺，常压烧结工艺只需要高温烧结炉，所以制备工艺比较简单。常压烧结工艺烧结温度较高，可以制备比较致密的烧结制品。采用常压烧结工艺的工艺过程是，首先将粉末原料通过压力成型工艺制成所需要形状的预制体，此预制体具有一定的致密度，并将预制体放入到高温烧结炉中进行高温烧结工艺，在一定的烧结温度下保温一段时间得到致密度较高的烧结制品。常压烧结工艺可选择的材料种类比较多，适用面也比较广泛。采用常压烧结工艺可以制备各种复杂形状的烧结制品和零部件，所以常压烧结工艺在材料科学与工程领域有着广泛的研究和应用。
篇10
关键词:成形技术;制模技术;铣削技术
一、精密成形技术
精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来,精密铸造技术、精密压力加工技术与精密焊接技术突飞猛进。
在精密铸造方面,熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造和消失模铸造等技术得到了重点发展,铸件质量大大提高。例如采用消失模的铸件,壁厚公差可达±0.15mm,表面粗糙度可达Ra25μm。在精密压力加工方面,精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、多向模锻技术发展很快。例如700mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺已成功应用于生产,楔横轧技术在汽车、拖拉机精密轴类锻件的生产中显示出极佳的经济性。除传统的锻造工艺外,近年来半固态金属成形技术也日趋成熟,引起工业界的普遍关注。
此外,在粉末冶金和塑料加工方面,金属粉末超塑性成形、粉末注射成形、粉末喷射和喷涂成形以及塑料注射成形中气体辅助技术和热流道技术的成功应用,大大扩充了现代精密塑性加工的应用范围。
精密成形技术发展速度之快、应用之广,使国际机械加工技术协会有充足的理由认为,在21世纪之初,精密成形与磨削加工相结合的加工方式,将取代大部分中、小零件的切削加工,在2010年左右,精密成形的精度将会进一步提高,成形公差可望达到当今的磨削精度,实现工业界梦寐以求的"净成形"(无余量的完全零件形状)的奋斗目标。
二、快速成型与快速制模技术
快速成型技术(RP)是快速原型与制造技术的简称,其成型原理为:先由几何造型软件生成产品的三维模型,然后按一定厚度分层,获得各个截面的平面信息,经数据处理后,数控系统有序地连续加工出每个薄层并使它们粘接成型。快速成型主要有激光立体光刻(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结 (SLS)和熔融沉积制造(FDM)等方法。
快速成型技术对于模具的快速制造产生了重要的影响和推动作用。用于小批量生产的塑料模具和冷冲压模具可以依照由快速成型方法所获得的产品实体直接用硅橡胶、环氧树脂或金属材料制造。用于大批量生产的各种模具也可由快速成型和铸造技术相结合的方法制造。快速制模技术由于具有制造周期短、成本低、综合经济效益高等优点,十分适合新产品开发和小批量多品种的生产方式,近10年来发展非常迅速。除了快速成型在快速制模中应用外,电弧喷涂成形技术、实型铸造制模技术、氮气弹簧在冲压模具中的应用、锌基合金制模技术、低熔点合金制模技术、铜基合金制模技术、电铸技术在注塑模具中的应用、环氧树脂制模技术、无模多点成形技术、叠层钢板制模技术等快速制模的新工艺、新方法和新设备层出不穷,显示出强大的生命力和显著的经济效益。
三、高速铣削和电火花铣削技术
电火花铣削加工技术(又称为电火花创成加工技术)是电火花加工技术的重大发展,这是一种替代传统的用成型电极加工模具型腔的新技术。
伴随着高速切削电火花加工技术的进步,模具加工过程的检测手段和模具表面处理技术也取得了很大进展。现代三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施以及简便的操作步骤使得现场自动化检测成为可能。
在模具表面处理方面,抛光技术的进步也十分突出。现代超声抛光设备能使模具表面抛光至Ra0.05～0.025μm,达到镜面抛光的要求。模具表面耐磨、耐腐蚀和花纹处理技术也有长足的进步。
四、CAD/CAM技术
在CAD/CAM技术日新月异的今天,工业部门已不满足于仅仅将计算机作为绘图和数控编程的工具,工程技术人员迫切地希望在同一软件环境下,既能自动绘图,又能有设计、计算、分析和加工的能力,于是模具CAD/CAE/CAM集成化系统便应运而生。在各类塑性加工工艺中,塑料注射成形工艺计算机集成系统的应用最为突出。世界著名的CAD/CAM系统,如CADDS5,Pro和UGⅡ等,均实现了CAD/CAM系统与塑料注射过程模拟、模具结构设计和模具型腔数控加工的初步集成并取得了显著的经济和社会效益。为了适应国际发展潮流,华中理工大学模具技术国家重点实验室正在开发新一代塑料注射模软件。所谓新一代注塑模软件,是指利用计算机集成制造技术(CIM)开发的注塑模集成制造系统(CIMS),这种高度集成的系统能支持模具设计与制造的全过程,具有智能化、集成化、面向装配和模具可制造性评价等特点。
应该指出的是,在CIMS基础上发展起来的虚拟技术将在21世纪的塑性加工领域发挥作用。所谓虚拟技术,是指以CAD/CAM支持的仿真技术为前提,对设计、加工、装配、试模等工序建立相关联的数学模型,配置必要的硬件(如头盔、手套或者信号反馈装置等)和软件(如图形加速软件、虚拟现实模型语言等),形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品和虚拟的企业。
在虚拟技术的支持下,从用户订货,产品创意、设计到零部件生产、装配、销售以及售后服务等全过程的各个环节都可以分别由处在不同地域的企业进行互利合作。通过国际互联网、局域网和企业内部网实现模具的异地设计和异地制造,提高企业快速响应市场的能力。
五、结束语
