粉末冶金原理與工藝范文
時間：2023-12-07 18:02:30
導語：如何才能寫好一篇粉末冶金原理與工藝，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
《粉末冶金原理》是我校材料科學與工程專業、金屬材料方向的一門專業必修課。本課程的任務是使學生獲得有關金屬粉體燒結材料的基本知識和制造工藝，了解制取各種粉末的工藝過程；熟悉粉末體與粉末性能及應用，初步掌握混料、壓制成形、燒結和必要的后續處理以及形成制品的工藝方法。在學習本門課程后，學生應知悉粉末冶金在實際生產生活中的應用情況，具有合理選取粉末成分、制定工藝路線和生產粉末冶金材料的能力，為日后從事相關技術工作打下必要的基礎。由于課程開在大四，學生在學習過程中往往由于找工作的壓力而覺得沒有興趣，不愿記憶和深入理解。從而造成學習效果差等問題。針對這些現象與問題，教師在課程講授的過程中，應注意做到以下幾個方面。
一、吃透教學大綱
教師講課，首先需要深入地了解教學大綱，了解課程所需講授的知識和學生所需掌握的程度，講授的過程中做到有的放矢。我校《粉末冶金原理》課程主要包括“緒論”、“粉末制取方法”、“粉末體與粉末性能”、“壓制和成形”、“燒結”、“粉末冶金材料”、“粉末冶金安全知識”等七部分。其中重點章節有“粉末制取方法”、“粉末體與粉末性能”、“燒結”等三章；其他章節則難度略低。緒論部分看似簡單，但是對于教師所掌握本課程知識的全面性要求較高。如何使得學生了解本課程的性質、任務、內容、學習方法與要求、粉末冶金材料在制造業中的地位和作用等，需要仔細地琢磨。要讓學生在第一節課上就對這種特殊的材料制備方法產生興趣，愿意同老師一起學習粉末冶金學的知識。“粉末制取方法”、“粉末體與粉末性能”、“燒結”等三章內容是學生學習的重點，這三章內容對教師的要求很高，教師對知識的掌握程度，講課技巧等各方面水平都要提高。“壓制和成形”、“粉末冶金材料”、“粉末冶金安全知識”等三章則相對較簡單，學生對于這幾部分內容的理解不是很困難。這幾章的教授方式應該以拓寬知識面、增強學生學習興趣等為主。可以重點講授新興的粉末冶金技術、新興的粉末冶金材料應用領域和應用實例等，拓寬學生的視野，激發其學習興趣。
二、多方尋找教學資源，充實自身
當前講授《粉末冶金原理》課程，應該綜合依靠課本、幻燈片、模型和板書等來進行。單純地依靠傳統的課本和板書的教學方式已經被淘汰，但是單純地依靠幻燈片的方式同樣不可取。單純依靠幻燈片講解，學生與教師的互動難活躍起來，教學效果有時甚至不如板書。《粉末冶金原理》課程的教學資源大約有如下幾種。
1.教材是課堂講授最重要的資源。我校所選擇的王盤鑫編著的《粉末冶金原理》課程教材，較注重工藝性和粉末冶金材料的應用方面，而對于粉末冶金原理部分相對簡略。我校金屬方向的大四學生金屬學基礎比較扎實而學習時間相對較少，這樣的教材較適合這些學生的學習。
2.各種粉末冶金相關材料和設備的照片、原理圖、錄像等教學資料。這些資料非常重要，課本知識畢竟簡單且枯燥，不利于講授和理解。另外，所選教材不能涵蓋現代粉末冶金所具有的最新發展水平，教師應多方收集各類教學素材，特別是注意查找最新的研究成果，同行的課件等。所查找到的素材往往有所重復，還應當反復挑選，找到適合同學們學習的最佳組合方式。
3.教師手寫教案。俗話說“好記性不如爛筆頭”，紙版教案是每一個教師必須認真準備的。在書寫教案的過程中，教師可以加深對于課程知識的理解，編排課程講授的順序，提煉課程的難點，甚至可以寫下與課程有關的任何話。以上這些都是幻燈片所難以做到的，而最重要的是，通過書寫來理解和記憶，比通過制作幻燈片來記憶更深刻、透徹。教師絕對不能迷信幻燈片，況且做好手寫版的教案，也是老師的一種本分。
4.板書。幻燈片所不能表達的知識其實很多，這個時候就需要教師親自在黑板上書寫。良好的板書，能夠給人以美感，在表達清楚所教授知識的同時，可激發學生的學習興趣。良好的板書布局，簡潔易懂的書寫（畫圖）方式，甚至清晰易讀的字體，都是教師所應具有的基本素質。
三、重視授課學生，因材施教
了解學生是指教師在課堂課余時間觀察分析學生的思想情緒等心理狀況，以掌握學生各方面的情況。這就需要教師必須具有善于觀察分析和與學生深入溝通交流的能力。只有在準確全面了解學生的內心活動、個性特征和智力水平后，才能有針對性地實施相應的教育教學措施。實踐證明，如果教師對學生的個性、心理等方面不深入了解，不聞不問，漫不經心，對全班學生都采取完全相同的教育教學方法，往往難以取得好的教育教學效果。《粉末冶金原理》是一門專業性非常強的專業課，概念、設備原理較多，理解和記憶具有一定的難度。具體說來，大四的同學同時面對著找工作的壓力，學習時間和精力相對有限，絕大多數同學沒有時間課下預習和復習，在講授《粉末冶金原理》課程的時候，要立足于課堂，將知識講授清楚。《粉末冶金原理》課時量比較充足，對于同學們感興趣的知識點，應不怕麻煩，詳細講解，力求激發出同學們的學習興趣，使其感受到掌握知識的樂趣。在實際講課過程中，應引導學生積極思維，培養學生自由思考的習慣，具體方法如下：①鼓勵學生參與課堂活動，以課堂討論、提問、抽取同學講解某一問題等更加活潑的方式引導學生與教師和其他同學互動，主動思考。②注重“因材施教”原則。在《粉末冶金原理》課程的講授過程中，經常會有同學由于找工作的原因請假，我們應該支持。同時，也應針對這一實際情況積極調整授課方式。有時需要將兩節課的內容壓縮在一節講，有時又需要調整重點內容的順序來適應。需要教師備課扎實且能靈活變化。③既要教授課本知識、專業知識，又注重同學們學習興趣和學習能力的培養。坦率地講，很難想象金屬材料方向的同學會有較多人日后從事粉末冶金相關工作。多講些材料學的相關原理和粉末冶金應用實例，讓學生對于課程內容感興趣，自發尋找一些知識充實自身，也是非常重要的。
對于《粉末冶金原理》的講授，其關鍵點在于講授內容的專業特色與社會要求、人才成長規律之間，以及學生特點與工作需要之間，進行系統地調整，尋求平衡。這樣不僅能夠使同學們掌握書本知識，而且能使他們對課程感興趣，并在日后的工作中進行應用，成為用的人才。
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篇2
關鍵詞： 轉向管柱； 粉末冶金； 移動架； 模具設計； 工藝； 材料
中圖分類號： TF 124.32文獻標志碼： 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
粉末冶金是一門制造金屬與非金屬粉末和以其為原料，經過壓制、燒結及各種后續處理工藝制取金屬材料和制品的科學技術，是一項以較低的成本制造高性能鐵基粉末冶金制品的技術[1-2].近年來，隨著汽車行業飛速發展，為了降低汽車的生產成本，越來越多的零部件用粉末冶金方法來制備.
轉向管柱是車輛轉向系統中的重要部件.其主要作用是通過接收駕駛員作用在方向盤上的扭矩，將其傳遞到轉向器，從而使方向盤的轉動轉化成齒條的移動，控制車輪按照預期方向運動[3].轉向管柱中的粉末冶金移動架（如圖1所示）是轉向管柱實現前后上下4個方向調整的核心零件，分別和另外2個粉末冶金齒條相配合，實現方向盤的調節功能.同時，轉向管柱的移動架是汽車中的安全件，對密度和性能有一定的要求，且需要熱處理.該產品若采用傳統機加工的方式，幾乎不能加工，形狀非常復雜，且精度要求較高.因此，為了實現大批量生產，使用粉末冶金的方法來制造該零件，解決了目前生產效率低、制造成本高的問題.
1零件的結構和性能特點
粉末冶金移動架，其形狀復雜，在整個轉向柱中起承上啟下的關聯作用，分別與軸向架、徑向架的齒部咬合，使轉向管柱具有多方向的調節作用（如圖2所示）.包括平齒面A、斜齒面B、限位凹面C、帶鍵槽的內孔D，以及限位柱E.尺寸精度方面，其中齒形輪廓度要求0.05 mm，齒面高度差≤0.15 mm，限位柱和限位凹面輪廓度0.1 mm.
2材料和壓機的選擇
2.1材料的選擇
鑒于產品的結構特點、性能以及材料要求（材料牌號：Sint D11，w碳>0.75%，w銅為1%～5%），基礎鐵粉選擇霧化鐵粉，選用硬脂酸鋅為劑.硬脂酸鋅熔點低，稍加熱就能使其熔化成液相來減少粉末的內外摩擦，使其容易成形.
2.2壓機的選擇
根據產品的截面積和密度要求，測算出產品大概需要50 t的壓制壓力來制備.壓制壓力F可按下式計算[4]：
F=kps（1）
式中：p為單位壓力；s為受壓橫截面積；k為安全系數，k=1.15～1.50，取1.20.
根據式（1）計算壓制壓力，則F=1.2×5×8.4=50.4 t.
同時需要上一下三的模具結構，考慮形狀和結構特別復雜，所以選擇使用160 t機械式壓力成形機和上二下三的標準模架.
3工藝流程設計
3.1工藝的制定
根據產品要求，工藝制定如下：混料、壓制、燒結、振動去毛刺、滲碳淬火、清洗和包裝.由于產品精度要求高，在試驗過程中需嚴格控制磕碰傷.
3.2粉末的混合
采用雙錐型自動混料設備，其優點在于無死角、效率高、易清理，非常適合大批量生產[4].混料后粉末泊松比為2.8～3.2，壓縮性大于7.0.由于產品具有很高的硬度要求，為保證成分的穩定性，采用全自動秤料系統.
3.3壓制工藝
圖3為轉向管柱粉末冶金移動架壓制成形過程，分為粉末充填、粉末傳輸、壓制和脫模4個階段.
由于采用上一下三的成形結構，產品每部分充填值都要非常精確，才能保證壓制時每段密度是均勻的.為保證產品上下段密度均勻，成形過程中采用陰模和芯棒同時浮動.脫模時，采用保壓拉下式脫模，并以內下模為基準點，把產品完全從模具中脫出.壓制壓力50 t，壓制效率6件/min，產品高度直接達到成品要求.
3.4燒結工藝
燒結是粉末冶金生產過程中最基本的工序之一.所謂燒結，就是將粉末壓坯在低于其主要成分熔點的溫度下進行加熱，從而提高壓坯強度和各種力學性能的一種過程[2].FeCCu三元體系的燒結為有限多元系固相燒結類[2].采用連續式普通網帶燒結爐進行燒結，燒結溫度為1 120 ℃，燒結時間30 min，采用氨分解和氮氣的還原性保護氣氛，露點為-40 ℃，防止產品氧化并去除表面氧化顆粒.冷卻段采用常規水冷.
3.5振動去毛刺
鑒于產品的使用工況，產品外觀不允許有毛刺和飛邊.移動架形狀又較為復雜，采用盤刷或者噴砂的方式都不可行，所以選用鋼球振動的方式去毛刺，其效率高、去毛刺效果好.去毛刺介質選用鋼球，振動時間為10 min.
3.6熱處理工藝
熱處理采用鐵基粉末冶金通用的整體滲碳淬火[5]，即在分解氨氣氛下，將燒結的零件加熱到860 ℃，保溫30 min，然后在860 ℃下將零件淬于50 ℃溫油中.最后在150 ℃下回火5 min，達到硬度要求.
3.7清洗包裝
由于零件用于汽車轉向管柱系統，所以對產品清潔度有一定要求.采用高壓油清洗工藝可以符合要求，也具有一定的效率.產品清洗后，采用散裝的方式進行包裝.
4模具的設計
4.1成形模具主要零件的尺寸計算
4.1.1陰模高度
陰模高度應滿足粉末充填和定位的需要.因此，陰模高度一般包括粉末充填的高度、下模沖的定位高度和上模沖壓縮粉末前進入陰模的深度[6]，即
H陰=H粉+h上+h下（2）
下模沖的定位高度h下是根據下模沖與陰模之間的裝配需要而選定的.總的來說，以能滿足下模沖在陰模的定位需要為原則，一般取10～30 mm，本文中取20 mm.上模沖的定位高度h上取0.綜上，陰模高度為：
H陰=65+20+0=85 mm
4.1.2陰模和模沖尺寸確定
由于移動架形狀特別復雜，所以每個模沖的尺寸需要同比例縮放，由材料試驗結果得到，壓制彈性后效為0.15%，燒結變形量為0.25%.根據模具尺寸計算公式如下[6]：
D=D產（1-t-s）（3）
式中：D為模具尺寸；t為壓坯的徑向彈性后效；s為壓坯的徑向燒結收縮率；D產為產品外徑.通過該公式可計算出每個模沖的尺寸.
4.1.3模沖高度的計算
由于采用上一下三的成形結構，上模高度只需采用閉合高度的最小值，通常取100 mm.
外下模計算如下[6-9]：
H外下模=H陰+H法蘭+H脫模（4）
式中：H外下模為外下模高度；H陰為陰模高度；H法蘭為安裝用法蘭高度，通常取15 mm；H脫模為脫模所需要高度，通常取10～20 mm.
根據式（4），H外下模=85+15+10=110 mm.
中下模計算如下[6-9]：
H中下模=H外下模+H法蘭+H脫模+H墊塊（5）
式中：H中下模為中下模高度；H墊塊為外下模墊塊高度.
根據式（5），H中下模=110+15+10+50=185 mm.
內下模計算如下[6-9]：
H內下模=H中下模+H法蘭+H脫模+H墊塊
式中：H內下模為中下模高度.
根據式（5），H內下模=185+15+10+40=250 mm.
4.2模具設計中的注意事項
移動架較為復雜，產品臺階數多，設計過程特別需要注意模具的分型區域.同時，單個模沖的成形面積特別小，模沖又特別長，熱處理硬度需要控制在特別緊的范圍內.在試驗過程中，模具壽命是難點，需要在脫模、圓角過渡等方面特別注意.
通過大量的理論計算和實際生產的細節討論，制定了轉向管柱移動架生產的模具樣式和具體的試驗工藝.通過混料、壓制、燒結和熱處理等一系列工序設計，對移動架的開發進行了詳細的說明.在所有的工作中，模具設計是重點.經過對移動架的設計，可以制造該零件為生產所需.目前該產品已經實現批量生產，取得了較好的經濟效益，解決了機加工高成本和低效率的問題.
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篇3
關鍵詞： 高強高導；TiB2Cu基復合材料；研究現狀；展望
中圖分類號： TB331文獻標識碼： 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
高強度導電材料在航空、航天、電工及電子等行業有著極為廣泛的用途，如電車及電力火車架空導線、大容量觸頭開關、電阻焊電極、電觸頭、集成電路引線框架等，都需要既具有高導電導熱性又具有高強度的耐熱穩定性材料[1].銅基復合材料具有高耐熱穩定性和高強高導的特點，克服了傳統銅合金的某些不足，大大提高了使用溫度范圍，能較好地滿足以上需求，因此，銅基復合材料近年來得到了較大的發展.
利用彌散耐熱穩定性好的陶瓷粒子強化銅基體是一種很好的方法.其中TiB2陶瓷顆粒具有高熔點、高硬度、高彈性模量，耐磨性好，熱膨脹系數較低和高導電導熱等特性，同其他陶瓷增強材料相比，它使金屬的導電率、熱導率下降量較小，使得TiB2Cu基復合材料具有較高的導電率和高的軟化溫度，因而TiB2作為銅基增強相的研究，已成為復合材料研究領域的一大熱點[23].TiB2Cu基復合材料既具有優良的導電性，又具有高的強度和優越的高溫性能，被認為是極有發展潛力和應用前景的新型功能材料，已逐漸受到各國的高度重視[45].
TiB2增強銅基復合材料的力學性能，主要取決于銅基體、增強體的性能以及增強體與銅基體之間界面的特性.用于制備TiB2Cu基復合材料的傳統方法，主要是非原位復合方式，即直接添加陶瓷強化粒子到熔融或粉末基體中，強化相與陶瓷金屬基復合材料的合成不是同步完成.但外加的增強顆粒往往比較粗大，增強體與基體潤濕性差，顆粒/基體界面反應始終是影響傳統攪拌鑄造和粉末冶金的技術難題[6].本文主要介紹了目前較有發展前途的、能使第二相彌散分布于基體中、甚至具有納米級顆粒增強銅基復合材料的原位復合制備方法.
上海有色金屬第34卷
第1期何代華，等：高強高導TiB2Cu基復合材料的研究現狀及展望
1納米級顆粒增強銅基復合材料的制備方法1.1機械合金化法
機械合金化法（MA）是Benjamin[7]等于20世紀60年代為解決TiB2Cu基復合材料中的浸潤性問題而最先提出的，其原理是利用固態粉末直接形成合金的一種方法，后來為廣大學者接受并廣泛使用.
Biselli[7]等在1994年利用機械合金化法球磨Cu、Ti和B粉，經適當的熱處理制取出TiB2Cu復合材料.X射線衍射和EDS分析表明，球磨粉只有加熱到600℃附近才反應生成TiB2，到800℃附近反應完成.TEM觀察發現，Cu5%（體積百分比）TiB2合金700℃擠壓后在晶粒內部和晶界上分布有5～15 nm的TiB2粒子.球磨粉在退火初期，硬度不斷增加，到600℃附近達峰值，這是由于Ti和B粉發生反應生成穩定的硼化物所致，更高溫度時硬度稍有降低，但降幅很小.西安交通大學董仕節[89]等研究了燒結工藝和TiB2含量對TiB2增強銅基復合材料性能的影響.提出TiB2/Cu復合材料導電率定量計算公式如下[10]：σ=σ01-11+0.87/c（1）σ為銅基復合材料導電率，σ0為基體銅的導電率，c為TiB2體積含量.
李京徽[11]采用機械合金化方法，先球磨制備CuTiB2復合粉末，然后通過壓制燒結方法制備CuTiB2復合材料.提出了機械合金化法制備CuTiB2復合材料的合理工藝是：球磨時間60 h，壓制壓力400 MPa，燒結溫度900℃，保溫時間2.5 h.
機械合金化法是在固態下實現合金化，不經過氣相、液相，不受物質的蒸汽壓、熔點等物理特性因素的制約，使過去用傳統熔煉工藝難以實現的某些物質的合金化、遠離熱力學平衡的準穩態、非平衡態及新物質合成等成為可能；增強相與基體具有很好的結合性；增強相顆粒分布均勻，尺寸細小.唯一的缺點是制備過程中可能帶入雜質，純度不夠高.
1.2自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法（SHS）是1967年由前蘇聯學者Merzhannov等發明的，是利用放熱反應使混合體系的反應自發地持續進行，生成金屬陶瓷或金屬間化合物的一種方法.劉利[12]等采用自蔓延高溫燃燒合成技術研究了材料體系對合成過程中產物特性（溫度、燃燒速度及產物等）的影響.研究結果表明，在體系中添加一定的金屬鉬或鐵，明顯改善了體系的潤濕性；鉬或鐵的加入使產物中金屬分布更加均勻，大大降低了產物孔隙率.同時鉬的加入還明顯降低了晶粒尺寸.
SHS法制備金屬基復合材料有生產過程簡單、反應迅速、反應溫度高以及易獲得復雜相或亞穩定相和應用范圍廣等特點.但缺點是反應難以控制，產品空隙率高，難以獲得高密度的產品，不能嚴格控制反應過程和產品的性能，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
粉末冶金法是生產銅及銅基復合材料結構件、摩擦材料和高導電材料的重要方法[13].制備TiB2Cu一般采用直接混合法和包覆混合法制取[14].主要工藝過程包括：（1）制取復合粉末；（2）復合粉末成型；（3）復合粉末燒結.吳波[1516]等以Cu、Ti、B4C合金粉末為原料，制備了TiB2Cu復合材料，得出最佳工藝參數為：以TiB2理論生成量為5%（質量分數）配料，在800 MPa壓力下對球磨后的合金粉末進行模壓，在1 273℃經4.5 h保溫燒結，經原位反應可獲得TiB100彌散增強的銅基復合材料.試樣的導電率為：20.2%IACS，硬度（HV）為161.張劍平[6]等采用粉末冶金法制備了TiB2Cu復合材料，研究了真空加熱燒結和微波燒結兩種不同燒結方式對該復合材料組織和性能的影響.
粉末冶金法是最早用來制造金屬基復合材料的方法，雖然有很多優點，如可實現多種類型的復合，充分發揮各組分材料的特性，是一種低成本生產高性能復合材料的工藝技術.但由于基體和增強相在尺寸、形狀和物理化學性能上有很多差別，提高TiB2增強相與銅基體的潤濕性，提高基體與增強相之間的界面結合強度，從而提高復合材料的綜合性能，將依然是TiB2Cu基復合材料的研究方向.
1.4噴射沉積法
噴射沉積法制備TiB2Cu基復合材料，主要包括傳統噴射沉積法和反應噴射沉積法.傳統噴射沉積法是熔煉好含反應元素的合金后再進行噴射沉積[17].此方法是在銅合金熔體內反應元素間發生化學反應生成彌散粒子，然后利用噴射沉積法使強化粒子均勻分布在銅基體內.反應噴射沉積法是利用液滴與反應氣體、注入的粒子或不同合金的液滴間發生原位化學反應合成彌散強化銅合金[1819].在反應噴射沉積過程中，由于液滴的比表面積大和處在高溫狀態，能使反應元素間在液滴飛行過程中或在沉積后，能在銅基體內部原位合成細小的彌散強化相.噴射沉積法的優點主要是：晶粒細小，無宏觀偏析、顆粒均勻分布于基體中；一次性快速復合成坯料，生產工藝簡單，效率高.
2高強高導TiB2Cu基復合材料的研究展望隨著復合材料技術的發展，原位復合法得到了迅速發展，該材料以其獨特的優點，在高強高導電性TiB2Cu基復合材料的制備方面顯示出巨大的應用潛力和良好的發展前景.高強度導電TiB2Cu基復合材料是綜合性能優良的新興材料，這類材料在現代國防和民用工業領域有著很大的應用潛力.自20世紀70年代以來，高強度導電銅基材料的開發研究一直非常活躍，除了開發出多種高強度導電銅基復合材料外，還派生和創造出許多新的制備技術，對此類材料的基礎理論也開展了廣泛的研究.現有的高強度導電TiB2Cu基材料的開發及制備技術還存在諸多難題，我國在這方面的研制與發達國家相比還存在較大差距.因此，借鑒國外經驗，今后的研發工作主要著眼于以下幾個方面：
（1） 對現有制備工藝的研究和改進.如在傳統的粉末冶金法中引入由微波加熱與基座輻射加熱相結合的新型工藝；原位合成技術與粉末冶金技術的綜合運用等，由單一的制備方法向幾種工藝相復合的方向發展.
（2） TiB2增強相向超細化、納米化方向發展.納米增強相尺寸較小，容易聚集，所以可使納米增強相的表面改性；TiB2納米粒子與基體的界面相互作用機制，可優化界面結構，充分發揮界面的增強效應；納米TiB2增強相在銅基體中更加均勻彌散地分布等是研究的熱點.
（3） 增強相也由單一的TiB2顆粒向復合陶瓷顆粒方面發展.如增加TiB2和Al2O3兩相顆粒進行復合增強.
（4） 充分發揮材料的設計自由性，探索高性能、低成本和容易大規模生產的TiB2Cu銅基復合材料的制備工藝，推進高強度導電材料的產業化應用，將成為今后研究的重要課題.
3結束語
基于TiB2Cu基復合材料優良的導電性、高強度和耐高溫等一系列優異性能，今后圍繞其導電性和強度展開研究仍是一個熱點，進而簡化工藝流程、降低生產成本，逐漸工業化也是今后的研究方向.特別是隨著我國高鐵系統的發展，TiB2Cu基復合材料的需求缺口很大，所帶來的市場經濟效益相當可觀.
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篇4
關鍵詞：特種陶瓷；成形；燒結；粉末冶金；陶瓷材料
1 引 言
陶瓷分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類，特種陶瓷是以人工化合物為原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷。它主要用于高溫環境、機械、電子、宇航、醫學工程等方面，成為近代尖端科學技術的重要組成部分。特種陶瓷作為一種重要的結構材料，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優點，無論在傳統工業領域，還是在新興的高技術領域都有著廣泛的應用。因此研究特種陶瓷制備技術至關重要。
2 陶瓷原料的制備方法
粉料的制備工藝(是機械研磨方法，還是化學方法)、粉料的性質(粒度大小、形態、尺寸分布、相結構)和成形工藝對燒結時微觀結構的形成和發展有著巨大的影響，即陶瓷的最終微觀組織結構不僅與燒結工藝有關，而且還受粉料性質的影響。由于陶瓷的材料零件制造工藝一體化的特點，使得顯微組織結構的優劣不單單影響材料本身的性能，而且還直接影響著制品的性能。陶瓷材料本身具有硬、脆、難變形等特點。因此，陶瓷材料的制備工藝顯得更加重要。
由于陶瓷材料是采用粉末燒結的方法制造的，而燒結過程主要是沿粉料表面或晶界的固相擴散物質的遷移過程。因此界面和表面的大小起著至關重要的作用。就是說，粉末的粒徑是描述粉末品質的最重要的參數。因為粉末粒徑越小，表面積越大，單位質量粉末的表面積(比表面積)越大，燒結時進行固相擴散物質遷移的界面就越多，即越容易致密化。制備現代陶瓷材料所用粉末都是亞微米(＜lμm)級超細粉末，且現在已發展到納米級超細粉。粉末顆粒形狀、尺寸分布及相結構對陶瓷的性能也有著顯著的影響。
粉末制備方法很多，但大體上可以歸結為機械研磨法和化學法兩個方面。傳統陶瓷粉料的合成方法是固相反應加機械粉碎(球磨)。其過程一般為：將所需要的組分或它們的先驅物用機械球磨方法進行粉碎并混合。然后在一定的溫度下煅燒，使組分之間發生固相反應，得到所需的物相。同時，機械球磨混合無法使組分分布達到微觀均勻，而且粉末的細度有限，通常很難小于lμm而達到亞微米級。機械球磨法有干磨和濕磨兩種方法。
為了克服機械研磨法的缺點，人們普遍采用化學法得到各種粉末原料。根據起始組分的形態和反應的不同，化學法可分為以下三種類型：
（1） 液相合成法
液相有熔液和溶液兩種。將陶瓷的熔液制成液滴，以等離子流使之形成霧狀，固化后便可獲得粉末。雖然這種方法作為合成金屬而廣泛使用，但陶瓷的液化必須在高溫下進行，因為一面分解，另一面易于引起相分離。所以廣泛采用溶液合成法。
（2） 氣相合成法
氣相合成法有蒸發凝聚法（物理氣相沉積、PVD）和化學氣相沉積（CVD）法。由氣相合成析出的固體形態有晶須、薄膜、晶粒和微細粉末等。蒸發凝聚法與液相合成法中的溶液噴霧法一樣，將原料在高溫下氣化，用電弧、等離子體進行急冷而使其凝縮為微細粉料。
（3） 氣相反應法
氣相反應法是通過金屬化合物蒸氣的化學反應而合成的方法。一般在SiC、Si3N4等的合成中使用該方法。
3 特種陶瓷的成形工藝
粉末成形是陶瓷材料或制品制備過程中的重要環節。粉料成形技術的目的是為了使坯體內部結構均勻、致密，它是提高陶瓷產品可靠性的關鍵步驟。成形過程就是將分散體系（粉料、塑性物料、漿料）轉變為具有一定幾何形狀和強度的塊體，也稱素坯。粉末的成形方法很多，如膠態成形工藝、固體無模成形工藝、陶瓷膠態注射成形等。其選擇主要取決于制品的形狀和性能要求及粉末自身的性質(粒徑、分布等)。不同形態的物料應用不同的成形方法。究竟選擇哪一種成形方法取決于對制品各方面的要求和粉料的自身性質（如顆粒尺寸、分布、表面積）。
陶瓷材料的成形除將粉末壓成一定形狀外，還可以外加壓力，使粉末顆粒之間相互作用，并減少孔隙度，使顆粒之間接觸點產生殘余應力(外加能量的儲存)。這種殘余應力在燒結過程中，是固相擴散物質遷移致密化的驅動力。沒有經過冷成形壓實的粉末，即使在很高的溫度下燒結，也不會產生致密化的制品。經燒結后即可得到致密無孔的陶瓷，可見成形在陶瓷燒結致密化中的重要作用。坯體成形的方法種類很多，如：
（1） 熱壓鑄成形
熱壓鑄成形也是注漿成形的一種，但不同之處在于它是在坯料中混入石蠟，利用石蠟的熱流特性，使用金屬模具在壓力下進行成形，冷凝后獲得坯體的方法。熱壓鑄成形的工作原理如下：先將定量石蠟熔化為蠟液再與烘干的陶瓷粉混合，凝固后制成蠟板，再將蠟板置于熱壓鑄機筒內，加熱熔化成漿料，通過吸鑄口壓入模腔，保壓、去壓、冷卻成形，然后脫模取出坯體，熱壓鑄形成的坯體在燒結之前須經排蠟處理。該工藝適合形狀復雜、精度要求高的中小型產品的生產，設備簡單、操作方便、勞動強度小、生產效率高。在特種陶瓷生產中經常被采用。但該工藝工序比較復雜、耗能大、工期長，對于大而長的薄壁制品，由于其不易充滿模具型腔而不太適宜。
（2） 擠壓成形
將粉料、粘結劑、劑等與水均勻混合，然后將塑性物料擠壓出剛性模具即可得到管狀、柱狀、板狀以及多孔柱狀成形體。其缺點主要是物料強度低容易變形，并可能產生表面凹坑和起泡、開裂以及內部裂紋等缺陷。擠壓成形用的物料以粘結劑和水做塑性載體，尤其需用粘土以提高物料相容性，故其廣泛應用于傳統耐火材料，如爐管以及一些電子材料的成形生產。
（3） 流延成形
流延成形是將粉料與塑化劑混合得到流動的粘稠漿料，然后將漿料均勻地涂到轉動著的基帶上，或用刀片均勻地刷到支撐面上，形成漿膜，干燥后得到一層薄膜，薄膜厚度一般為0.01～1mm。流延法用于鐵電材料的澆注成形。此外，它還被廣泛用于多層陶瓷、電子電路基板、壓電陶瓷等器件的生產中。
（4） 凝膠注模成形
凝膠注模成形是一種膠態成形工藝，它將傳統陶瓷工藝和化學理論有機結合起來，將高分子化學單體聚合的方法靈活地引入到陶瓷的成形工藝中，通過將有機聚合物單體及陶瓷粉末顆粒分散在介質中制成低粘度，高固相體積分數的濃懸浮體，并加入引發劑和催化劑，然后將濃懸浮體（漿料）注入非多孔模具中，通過引發劑和催化劑的作用使有機物聚合物單體交聯聚合成三維網狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結而固化成坯體。凝膠注模成形作為一種新型的膠態成形方法，可凈尺寸成形形狀復雜、強度高、微觀結構均勻、密度高的坯體，燒結成瓷的部件較干壓成形的陶瓷部件有更好的電性能。目前已廣泛應用于電子、光學、汽車等領域。
（5） 氣相成形
利用氣相反應生成納米顆粒，如能使顆粒有效而且致密地沉積到模具表面，累積到一定厚度即成為制品，或者先使用其它方法制成一個具有開口氣孔的坯體，再通過氣相沉積工藝將氣孔填充致密，用這種方法可以制造各種復合材料。由于固相顆粒的生成與成形過程同時進行，因此可以避免一般超細粉料中的團聚問題。在成形過程中不存在排除液相的問題，從而避免了濕法工藝帶來的種種弊端。
（6） 軋模成形
將準備好的坯料伴以一定量的有機粘結劑置于兩輥之間進行輥軋，然后將軋好的坯片經沖切工序制成所需的坯件。軋輥成形時坯料只是在厚度和前進方向上受到碾壓，寬度方向受力較小。因此，坯料和粘結劑會出現定向排列。干燥燒結時橫向收縮大易出現變形和開裂，坯體性能會出現各向異性。另外，對厚度小于0.08mm的超薄片，軋模成形是難以軋制的，質量也不易控制。
（7） 注漿成形
根據所需陶瓷的組成進行配料計算，選擇適當的方法制備陶瓷粉體進行混合、塑化、造粒等，才能應用于成形。注漿成形適用于制造大型的、形狀復雜的、薄壁的陶瓷產品。對料漿性能也有一定的要求，如：流動性好、粘度小，利于料漿充型，穩定性好。料漿能長時間保持穩定，不易沉淀和分層，含水量和含氣量盡可能小等。注漿成形的方法有：空心注漿和實心注漿。為提高注漿速度和坯體質量，可采用壓力注漿、離心注漿和真空注漿等新方法。注漿成形工藝成本低、過程簡單、易于操作和控制，但成形形狀粗糙，注漿時間較長、坯體密度、強度也不高。在傳統注漿成形的基礎上，相繼發展產生了新的壓濾成形和離心注漿成形工藝，借助于外加壓力和離心力的作用，來提高素坯的密度和強度，避免了注射成形中復雜的脫脂過程，但由于坯體均勻性差，因而不能滿足制備高性能、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溫下熔融、低溫下凝固的特性來進行成形的，成形之后再把高聚物脫除。注射成形的優點是可成形形狀復雜的部件，并且具有高尺寸精度和均勻的顯微結構。缺點是模具設計加工和有機物排除過程中的成本較高。在克服傳統注射成形缺點的基礎上，水溶液注射成形和氣相輔助注射成形工藝便發展起來。水溶液注射成形采用水溶性的聚合物作為有機載體，較好地解決了脫脂問題。水溶液注射成形技術可以很容易地實現自動控制，比起傳統的注射成形成本低。氣體輔助注射成形是把氣體引入聚合物熔體中而使成形更容易進行。陶瓷膠態注射成形是將低粘度、高固相體積分數的水基陶瓷濃懸浮體注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再經燒結，制得顯微結構均勻、無缺陷和凈尺寸的高性能、高可靠性的陶瓷部件，并大大降低陶瓷制造成本。陶瓷膠態注射成形解決了兩個重要的關鍵技術：陶瓷濃懸浮體的快速原位固化和注射過程的可控性。通過深入研究發現壓力可以快速誘導陶瓷濃懸浮體的原位固化，從而開發出壓力誘導陶瓷成形技術。通過膠態注射成形技術可以獲得高密度、高均勻性和高強度的陶瓷坯體。這種成形技術可以消除陶瓷粉體顆粒的團聚體，減少燒結過程中復雜形狀部件的變形、開裂，從而減少最終部件的機加工量，獲得高可靠性的陶瓷材料與部件。避免了傳統陶瓷注射成形使用大量有機物所導致的排膠困難的問題，實現了膠態成形的注射過程，適合于規模化的生產，是高技術陶瓷產業化的核心技術。
（9） 粉末注射成形
金屬、陶瓷粉末注射成形（PIM）是一種新的金屬、陶瓷零部件制備技術。它是將聚合物注射成形技術引入粉末冶金領域而生成的一種全新零部件加工技術。該技術應用塑料工業中注射成形的原理，將金屬、陶瓷粉末和聚合物粘結劑混煉成均勻的具有粘塑性的流體，經注射機注入模具成形，再脫除粘結劑后燒結全致密化而制得各種零部件。PIM作為一種制造高質量精密零件的近凈成形技術，具有比常規粉末冶金和機加工方法無法比擬的優勢。PIM能制造許多具有復雜形狀特征的零件：如各種外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉通孔、盲孔、凹臺與鍵銷、加強筋板、表面滾花等，這些零件都是無法用常規粉末冶金方法制得。由于通過PIM制造的零件幾乎不需要再進行機加工，所以減少了材料的消耗，因此在所要求生產的復雜形狀零件數量高于一定值時，PIM比機加工方法更經濟。PIM工藝的優勢為：能一次成形生產形狀復雜的金屬、陶瓷等零部件。產品成本低、光潔度好、精度高（0.3%～0.1%），一般無需后續加工。產品強度、硬度、延伸率等力學性能高、耐磨性好、耐疲勞、組織均勻。原材料利用率高，生產自動化程度高，工序簡單，可連續大批量生產。無污染，生產過程為清潔工藝生產。
坯體除以上成形方法之外，還有模壓成形、等靜壓成形等方法，當配方、混合、成形等工序完成后，還必須進行燒結才能使材料獲得預期的顯微結構，賦予材料各種性能。
4 特種陶瓷的燒結方法
燒結是將成形后的坯體加熱到高溫并保持一定時間，通過固相或部分液相擴散物質遷移，而消除孔隙。將顆粒狀陶瓷坯體置于高溫爐中，使其致密化形成強固體材料過程。燒結開始于坯料顆粒間空隙排除，使相鄰粒子結合成緊密體。但燒結過程必須具備兩個基本條件：應該存在物質遷移機理；必須有一種能量（熱能）促進和維持物質遷移。現在精細陶瓷燒結機理已出現了氣相燒結、固相燒結、液相燒結及反應液體燒結等四種燒結模式。它們材料結構機理與燒結驅動力方式各不相同，尤其傳統陶瓷和大部分電子陶瓷燒結依賴于液相形成、粘滯流動和溶解再沉淀過程，而對于高純、高強結構陶瓷燒結，則以固相燒結為主，它們通過晶界擴散或點陣擴散來達到物質遷移。燒結是陶瓷材料制備工藝過程中的一個十分重要的最終環節。近年來也開始對陶瓷材料進行熱處理，以改善其性能。
（1） 常壓燒結（或稱無壓燒結）
常壓燒結是使用最廣泛的一種方法。它在大氣中燒結，即不抽真空，也不加任何保護氣體在電阻爐中進行燒結。這種方法適用于燒結氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷有時也采用常壓燒結。陶瓷器、耐火材料最先采用這種方法。后來，氧化鋁、鐵氧體等許多新的陶瓷也采用了這一方法。與其它方法相比經濟有效，但也有不利之處。為了使物質所具的功能充分發揮出來，也有采用其它方法進行燒結的情況。常壓燒結用電阻爐的關鍵部件是發熱體元件。通常生產中應根據不同材料的燒結溫度，而選擇不同加熱體的電阻爐。
（2） 熱壓燒結(HP)
熱壓燒結即是將粉末填充于模型內，在高溫下一邊加壓一邊進行燒結的方法，同時進行加溫、加壓(機械壓力而不是氣壓)的燒結。加壓方式一般都是單向加壓，熱壓時的壓力不能太高，一般為50MPa。而冷壓成形的壓力可達200 MPa，甚至更高。熱壓燒結的加熱方式仍為電阻加熱，加壓方式為液壓傳動加載。熱壓燒結使用的模具多為石墨模具。它制造簡單、成本低。熱壓燒結的主要優點是加快致密化進程，減少氣孔隙，提高致密度，同時，可降低燒結溫度。Si3N4、SiC、Al2O3陶瓷等使用該法燒結，然而因成本較高，故其應用受到限制。
（3） 熱等靜壓(HIP)
熱等靜壓一般是沿單軸方向進行加壓燒結，相對而言，這種方法是借助于氣體壓力而施加等靜壓的方法。除SiC、Si3N4使用該法外，Al2O3、超硬合金等也使用該法。盡管熱壓燒結有許多優點，但由于是單軸向加壓，故只能制得形狀簡單如片狀或環狀的樣品。另外，對非等軸晶系的樣品熱壓后片狀或柱狀晶粒嚴重擇優取向而產生各向異性。熱等靜壓與熱壓和無壓燒結一樣，已成功地用于多種結構陶瓷的燒結或后處理。此外，熱等靜壓還可以用于金屬鑄件、金屬基復合材料、噴射沉積成形材料、機械合金化與粉末冶金材料和產品零部件的致密化等。
（4） 氣氛燒結
氣氛燒結是采用各種氣氛作保護或反應參與物，進行燒結。常用的有真空、氫、氧、氮和惰性氣體（如氬）等各種氣氛。例如透明氧化鋁陶瓷可用氫氣氛燒結，透明鐵電陶瓷宜用氧氣氛燒結，氮化物陶瓷如氮化鋁等宜用氮氣氛燒結。
5 特種陶瓷技術的未來發展趨勢
特種陶瓷成形技術未來的發展將集中于以下幾個發面：進一步開發已提出的各種無模成形技術在制備不同陶瓷材料中的應用；性能更加復雜的結構層以及在層內的穿插、交織、連接結構和成分三維變化的設計；大型異形件的結構設計與制造；陶瓷微結構的制造及實際應用；進一步開發無污染和環境協調的新技術。
在燒結方面，特種陶瓷制品因其特殊的性能要求，需要用不同于傳統陶瓷制品的燒成工藝與燒結技術。隨著特種陶瓷工業的發展，其燒成機理、燒結技術及特殊的窯爐設施的研究均取得突破性的進展。在特種陶瓷的精密加工方面：特種陶瓷屬于脆性材料，硬度高、脆性大，其物理機械性能(尤其是韌性和強度)與金屬材料有較大差異，加工性能差、加工難度大。因此，研究特種陶瓷材料的磨削機理，選擇最佳的磨削方法是當前要解決的主要問題。
6 結 語
特種陶瓷由于擁有眾多優異性能，因而用途廣泛。現按材料的性能及種類簡要說明。耐熱性能優良的特種陶瓷可望作為超高溫材料用于原子能有關的高溫結構材料、高溫電極材料等；隔熱性優良的特種陶瓷可作為新的高溫隔熱材料，用于高溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應容器、核反應堆等；導熱性優良的特種陶瓷可用作內部裝有大規模集成電路和超大規模集成電路電子器件的散熱片；耐磨性優良的硬質特種陶瓷用途廣泛，目前的工作主要集中在軸承、切削刀具方面；高強度的陶瓷可用于燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪、套管等；在加工機械上可用于機床身、軸承、燃燒噴嘴等。
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Preparation and Trends of Special Ceramics
XIAO Yan
（Jiangmen Chemical Materials， Jiangmen 529100)
篇5
高速鋼的耐磨性以及硬度與殘余奧式體含量有著密切關系，已經有相關研究表明，殘余奧式體含量的高低直接影響高速鋼的性能。一般情況下，高速鋼的常用材料為W18Cr4V，所以，研究高速鋼的熱處理工藝，實際就是研究材料W18Cr4V的熱處理工藝參數，對其參數進行相關優化，能夠降低加工成本，提高經濟效益，對模具產品的制作過程有著重要意義。
一、高速鋼介紹
高速鋼（High Speed Steels）也稱之為鋒鋼，是一種具有高硬度、高耐熱性以及高耐磨性的工具鋼。最先是由美國的F.W泰勒以及M.懷特在1898年制造出來的，工藝性能、強度以及韌性配合較好。所以，通常被用來制造比較復雜的耐沖擊的金屬刀具、薄刃以及冷擠壓模具等。主要的優點就是能夠避免熔煉生產導致的碳化物偏析，從而引起的機械性能的降低以及熱處理變形等。高速鋼的熱處理工藝比較復雜，需要經過退火、淬火、回火等一系列過程，因此，在進行高速鋼的熱處理工藝時應設計合理的參數以及工藝方案。
二、高速鋼的熱處理工藝參數設計
不同的淬火以及回火溫度都會影響高速鋼的硬度以及耐磨性，因此，為了能夠提高速鋼的耐磨性以及硬度，必須對熱處理工藝參數進行準確設計。
（一）熱處理工藝
對材料W18Cr4V進行熱處理時，工藝流程為：采用1250℃-1350℃進行淬火，采用560℃-580℃進行回火，需要三到四次。材料W18Cr4V中的主要化學成為C、MO、W、Cr以及Mn 等，采用鐵磁性對殘余奧式體進行含量的測定，熱處理主要是采用高溫箱式電阻以及熱爐，將溫度控制在100℃-1100℃，控溫范圍±5℃；加熱淬火溫度的處理通常設置為1100℃，1150℃，1250℃；最后進行回火處理。一般情況下，高速鋼的回火溫度控制在560℃-570℃之間，需要注意的是，遇到對模具質量要求較高的熱處理工藝時，應該將回火溫度控制在350℃-450℃之間。采用高速鋼制造模具時，淬火后應進行350℃-450℃的回火，但是為了能夠進一步的獲取穩定以及堅韌的馬氏體組織，需要再次進行560℃-580℃的回火，有利于進一步消除內應力。
（二）熱處理工藝參數的對材料硬度以及粗糙度的影響
高速鋼經過淬火以及回火之后，高速鋼中的主要組織就為奧氏體與馬氏體，在進行熱處理的過程中，碳化物的形狀、類型以及分布并沒有明顯的變化，但是經過淬火加熱溫度以及回火加熱溫度之后，從而使基礎組織中的奧氏體與馬氏體相對數量就會發生比較大的變化，剩下奧式體就會對材料產生一定的影響。采用鐵磁性法來對剩下奧式體含量以及表面的硬度、粗糙度進行測量，測試原理為Ar=[（α0-α）/α0）]×100%，其中Ar表示殘余奧式體積的百分率；α0表示的是側標樣陽檢流計偏轉角；α是測被測樣塊時檢流計偏轉角。得到以下數據，如下表1所示：
由上表1中可以看出，根據淬火以及回火的溫度值，能夠表明，淬火以及回火的溫度對參與奧式體含量有著比較大的影響，也就是當淬火溫度逐漸升高時，殘余奧氏體的含量也就越高，所占的百分比在逐漸下降；同時，當淬火溫度比較低時，奧氏體中溶解的碳以及合金元量比較少，并且馬氏體轉變的終止溫度在逐漸升高，也就表明奧氏體的穩定性比較差，殘余奧氏體的含量也就比較低。回火溫度升高時，剩下奧氏體含量逐漸減少，呈現反比。從上表1中還能夠看出當淬火溫度達到1150℃時，在經過350℃以及570℃的兩次回火時，材料表面的強度達到了最大值67.1 HRC，也能夠得到比較穩定的馬氏體組織，所采取的獲試樣的表面粗糙度最低。
三、結束語
綜上所述，淬火溫度以及回火溫度對殘余奧氏體含量、硬度以及表面粗糙度有著顯著的影響，在進行熱處理工藝時，充分了解淬火溫度與回火溫度與硬度以及粗糙組之間的關系，選擇合適的溫度。經過上面的研究表明，當淬火溫度達到1150℃時，兩次回火的溫度為350℃以及570℃時，此時材料的耐磨性以及粗糙度比較好，能夠滿足工具制作的需要，同時還解決相關資源。
參考文獻
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篇6
關鍵詞:梯度功能材料，復合材料，研究進展
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、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。
近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4. 1 FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6 結束語
FGM 的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉，多產業結合，國際化合作的方向發展。
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篇7
1.1常用汽車用TiAl合金制備技術TiAl基合金同Ti合金一樣，在高溫時具有高的化學活性，因此一般沿用熔煉Ti合金的方法進行熔煉[5]。但相對于熔煉Ti合金來說，熔煉TiAl基合金又具有自身的典型特點，如其合金元素在熔煉過程的反應熱高，對間隙元素的敏感性高；存在合金元素含量高，成分容錯度小，各元素物性差別大等特征，且其性能對組織敏感性高等問題，這使TiAl基合金熔煉和鑄錠變得更加困難。目前已有三種冶金熔煉方法被成功地應用于TiAl基合金的生產[7]：即感應凝殼熔煉、真空電弧熔煉和等離子束熔煉。日本、俄羅斯等國均有采用以上方法熔煉TiAl基合金的方法。日本大同特殊鋼公司設計制造了水冷銅坩堝感應熔煉爐—懸浮熔煉爐，再將懸浮熔煉方法與真空吸鑄法相結合，開發出了LEVICAST技術，可以熔煉出高質量的TiAI基合金，用于大規模生產。真空自耗電弧熔煉法熔化能力大、熔煉時間短及工藝過程簡單，俄羅斯VSMPO公司已經澆注出了直徑達到960mm，質量達到1.0-25噸的鑄錠。但這種方法必須用較大的壓力機制備自耗電極，殘料利用率低，不能有效去除低密度夾雜(LDI)和高密度夾雜(I-IDI)等。現有應用感應凝殼熔煉主要用于制備尺寸為75-125mm的小直徑鑄錠，真空電弧熔煉和等離子束熔煉方法主要用于制備直徑尺寸為200-350mm的鑄錠。采用后兩種工藝應注意大直徑尺寸鑄錠溫度場不均勻引起的熱應力造成TiAl基合金鑄錠開裂[8]。但這些方法熔煉TiAl基合金均有所不足，如所形成的熔池較淺，熔體溫度難以維持，這對成分精確度和均勻性要求較高的TiAl基合金構成不利影響。在TiAl基合金的制備工藝中，除了研究零部件的近凈形加工工藝，還需進一步研究增壓器渦輪與合金鋼軸的結合方式及發動機閥門表面的耐磨處理等相關技術[6]。針對加工現狀復雜的汽車發動機關鍵零部件鈦鋁合金的制備而言，因其室溫延展性和高溫熱加工性較差，常采用熔模精密鑄造工藝一次性鑄成形狀復雜、壁薄的零部件，且采用該工藝加工的工件的精度準確、表面粗糙度低，大幅度提高了TiAl合金的利用率[9]。目前，發達國家車用發動機部件使用TiAl合金的研究已取得實用化成功。另外，在發動機用鈦鋁基合金的制備方面，美國GE公司，德國GKSS研究所、漢堡大學及日本京都大學、日本川崎重工株式會社和我國的哈爾濱工業大學等相繼成功研制了不同用途的汽車用TiAl金屬間化合物部件[10]。
1.2汽車發動機進/排氣閥采用輕質TiAl合金排氣閥對改善發動機的性能具有重要意義，它可以使發動機能耗節省5-8%，轉速提高300rpm，并能減輕噪音和環境污染。因此各國工業界對此非常重視。汽車發動機排氣閥是在600-900℃高溫下工作的往復部件。在實際運行中，在交變的沖擊載荷、蠕變載荷、高溫、腐蝕和燃燒氣氛等惡劣條件下，常常由于排氣閥過早疲勞、蠕變、磨損而引起發動機故障和動力性能下降。因此，要求排氣閥材料應具有足夠的硬度、耐熱、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕、不彎曲變形、質輕等特點。為了使得發動機有高輸出能，并提高轉速，節能減排，對長桿件排氣閥的研究就顯得尤為重要。但采用精密鑄造方法制備該類零件時，由于TiAl熔體流動性和充型性差，易在桿部及端部形成縮孔。這些缺陷在后續熱等靜壓過程可以消除，但會改變零件形狀，造成彎曲、凹陷等新的缺陷。日本住友公司、美國福特公司、通用電器公司和德國的一些公司都已相繼開發出相應零件。另外，金屬型離心鑄造方法最適y-TiA1合金排氣閥的中、大批量生產，在美國、德國和日本等發達國家，這方面的研究工作相繼展開，該工藝在文獻中給出其原理圖，如圖1所示。針對TiAl合金用于汽車零部件而言，國內對TiAl合金鑄造技術也開展多年的研究，蘇彥慶等利用真空感應凝殼熔煉設備熔鑄了TiAl合金483Q發動機排氣閥門坯件，經過等靜壓及機械加工后制得的TiAl合金排氣閥門重量比原材質的減少了49.3%。經483Q柴油機臺架試驗測試結果表明，TiAl合金適宜于制作高熱負荷條件下的排氣閥門零件。長春工業大學的陳華發明公開了一種鈦鋁基粉末冶金汽車發動機排氣閥材料及其制造方法[15]，其冶金粉末材料的成分及含量(at%)為：Ti45.7-48.9%、Al45.7-47.5%、Nb5.4-6.8%，按一定成分配制的粉末首先經高能球磨，球磨預合成后的粉末置于模具中，進行熱壓真空燒結，所制備出的TiAl基合金排氣閥具有超細晶/納米晶組織，其中TiAl相晶粒尺寸＜500nm，Ti3Al相晶粒尺寸＜100nm，成分均勻、性能優異。關于元素粉末冶金徑向熱壓法制備汽車發動機進/排氣閥的過程如文獻[14]中給出的原理圖，如圖2所示。
1.3增壓器用渦輪轉子渦輪輕質化能使渦輪轉子的慣性降低，加速性能提高[16]。日本川崎重工業株式會社首先制作了TiAl合金精鑄增壓渦輪轉子，并在加速性實驗中達到24×104轉/分，與Inconel713（即K418）渦輪相比其加速響應性大為提高[3]。目前廢氣渦輪增壓存在的缺點是發動機的扭矩適應性系數降低，發動機的加速特性變差，由此影響車輛起動和加速時的排放標準。而用TiAl合金取代K418類高溫合金或耐熱鋼，可因渦輪轉子重量減小、轉子慣量降低而改善發動機的加速瞬時響應性。TiAl增壓渦輪轉子研究運用最成功的是在日本，日本開發了一種用于精鑄渦輪的TiAl基合金，其名義成分為Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si，采用反壓鑄造法新技術鑄造的TiAl金屬間化合物增壓渦輪已成功應用于三菱等跑車。同時，TiAl渦輪增壓器應用最成功的也是在日本，于1998裝備了1000臺左右的Lancer汽車，到2003年的時候，其數量已經增加到20000臺，這些渦輪增壓器的成分為Ti-46Al-6.5Nb和一些微量元素。2.4汽車發動機葉片德國材料研究所Wanger采用熔模精密鑄造工藝制成了TiAl合金發動機葉片，并在汽輪機工作條件下（700℃，1600r/min）成功進行了旋轉實驗。另外，日本川崎重工業株式會社和日本的大同特殊鋼稱采用熔模精密鑄造工藝制成了TiAl合金葉輪比耐熱合金葉輪達到170000r/min的時間縮短26%左右[3]，且可提高葉輪的最大轉速。
2鈦鋁基合金在汽車發動機零部件上的應用現狀
由于TiAl基合金室溫塑性低，高溫強度、抗氧化性不足，制造困難等不足，使實用化相當困難。日本大同特殊鋼公司自上世紀八十年代開展TiAl基合金的實用化研究以來，逐漸開發出了TiAl基合金近凈形加工的精密鑄造和接合等相關技術，于1998年實現了TiAl基合金的賽車發動機增壓器渦輪的實用化[17]。為進一步改善TiAl基合金的高溫抗氧化性能，常選用二元合金中性能最好的Ti-33.5%Al為基體合金，加入優化的Cr、Si、Nb各元素，并將其組織設計成韌性較高的γ/α2網籃組織，開發出了用于排氣閥的RNT004（Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si）和用于渦輪葉片的抗氧化性、蠕變強度都更好的RNT004（Ti-33.5Al-4.8Nb-1.0Cr-0.5Si）TiAl合金。在高溫下，RNT004和RNT650的比強度都比通常使用的Inconel751和Inconel713C超合金的高，抗氧化性比二元Ti-33.5Al合金有明顯改善。在900℃以下，RNT650顯示出與Inconel713C相當的抗氧化性。采用RNT004、RNT650的增壓器用渦輪，與傳統的Inconel713C的相比，慣性降低、加速性能提高，1998年初，實現了賽車用增壓器渦輪的實用化，1999年用LEVICAST鑄造法制造了抗氧化性更好的高鈮合金渦輪，用于市場售車。為了使發動機具有高輸出能和降低燃料費，以及提高轉速和減少動閥的磨損，對精密鑄造RNT004閥的發動機進行系統試驗很有必要。為改善閥表面及軸部的耐磨性，常采用等離子滲碳處理使表面形成了Ti2AlC相而提高耐磨性。TiAl基合金用于渦輪增壓器已有十余年的歷史，將其廣泛用于普通汽車，尤其是轎車，必須降低其制備成本。另外，在TiAl金屬間化合物的實用化研究進程中，既要從合金熔煉工藝及成分優化入手，又要結合制造工藝過程中和生產中所存在的問題提出系統的解決方案，以獲得制備車用輕質TiAl金屬間化合物合金的有效途徑。
3結論
篇8
摘要： 闡述了CuNiSn合金依靠其良好的力學性能和環保等特點,作為一種有望替代鈹青銅的新型銅基彈性合金,被廣泛應用于制作各種接插件、彈簧件和開關等彈性元件.文章介紹了該合金國內外研究現狀和制備工藝,分析了Ti、Si、Cr、Al、Co、Fe、In和Mn等元素對合金組織和性能的影響,指出了CuNiSn合金未來研究的重點應集中在降低合金偏析程度、優化加工工藝和添加適當微量元素提升其性能等方面.
關鍵詞： CuNiSn合金; 高彈性; 制備方法
中圖分類號： TG 146.1+1文獻標志碼： 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
鈹青銅作為一種性能優異的析出硬化型銅基彈性合金［1］,不僅具有很高的強度、彈性、耐磨性和耐疲勞性,還具有良好的導電、導熱、無磁和沖擊無火花等性能.因而被廣泛應用于電子信息工業、航空航天、精密儀器儀表以及家用電器等方面.近年來,伴隨著電子信息行業不斷地朝集成化、小型化、微型化和更高的可靠穩定性方向發展,鈹青銅作為彈性元件常被用來制造電子信息設備中的信號開關、接插件、彈簧件和繼電器等元件.這要求鈹青銅產品在使用中要有更高的性能指標,一是要在保證元件強度的同時減小元件的尺寸;二是要求元件在長期使用過程中具有可靠的接觸性、高溫下良好的導電穩定性和抗應力松弛性［2］.而鈹青銅固有的缺點也日益顯露,鈹青銅制元件出現的問題也日漸突出.如在高溫下抗應力松弛能力差、高溫導電穩定性低和時效之后元件的變形度大等.此外,鈹青銅在生產時存在有毒粉塵問題,且它的化合物毒性更大.鈹的化合物被吸入后,會在人體的組織和血漿里形成具有可溶解性的類似膠狀物質.該物質能夠和血紅蛋白發生化學反應,而產生一種能夠使人體組織器官病變的物質.長時間在這種有毒粉塵環境下工作,還會引發癌癥等疾病［3］.隨著人們環保意識的不斷提高,鈹青銅的生產成本也在日益增加［4-5］.因此,研究開發一種能夠替代鈹青銅的合金已日益迫切.
目前,已成功研制開發了性能與鈹青銅相近且不含Be的銅基彈性合金.如CuNiSn系合金、CuNiAl系合金和鈦青銅等.與鈹青銅相比,CuNiSn系合金具有諸多優點［6］:(1) 高強度、高硬度、高彈性、可焊性和可鍍性等;(2) 200℃下良好的抗熱應力松弛性;(3) 100～300℃下優異的導電穩定性;(3) 時效后元件變形小,加工時對夾具要求低,節約成本;(4) 無毒環保.基于CuNiSn系合金的優點,近年來該合金引起了人們的關注,眾多研究者對其組織、性能及加工工藝進行了大量研究［7-9］,并取得了一定的成果.
上海有色金屬第35卷
第1期吳語,等:高彈性合金CuNiSn的研究與發展
1國內外研究現狀
早在上世紀20年代,國外就開始對CuNiSn系合金進行了大量的研究,并注意到了這類合金的時效強化現象.研究［10］發現,在銅錫合金中加入Ni后,能很好地改善合金鑄件的性能,同時還提高了合金的強度.鑒于此現象,對CuNiSn合金的三元平衡相圖中的富銅區域進行了進一步研究,并最終確定了α相的邊界.隨著觀察手段的不斷完善,Bastow和Kirkwood［11］運用顯微探針分析法深入研究了CuNiSn系合金的富銅相區.并明確提出,由于Ni元素的加入,銅錫合金中Sn在Cu中的溶解度被抑制,致使α+γ相的范圍擴大.也正是由于Ni元素的加入,銅錫合金在后續的加工和熱處理中出現了一種有序面心立方(fcc)結構的金屬間中間相(CuxNi1-x)3Sn.到上世紀60年代,John等［12］建立了調幅分解強化理論基礎,并把該理論成功地應用到了金屬、高分子、陶瓷和功能材料的研究與開發領域.70年代以后,Schwartz等［13］應用透射電子顯微鏡(TEM)分析技術,觀察到了CuNiSn系合金時效過程中的調幅分解現象,這為具有調幅分解現象的材料強化提供了理論根據.隨后,Plewes［14］在時效之前對CuNiSn系合金施以較大的冷加工變形,從而使合金的塑韌性增強,獲得了較高力學性能的合金.而且,Plewes［14］在美國貝爾試驗室研制出性能優異的CuNiSn系調幅分解強化型合金,其強度在某些方面甚至趕超鈹青銅.最終,使得CuNiSn系合金投入規模化生產［15］.80年代,美國材料試驗協會把三種調幅分解強化型CuNiSn合金正式列入了標準(ASTMB740-84).近期,王艷輝等［16］對Cu15Ni8Sn合金在225～550℃之間時效時組織的變化進行了深入的研究.Lourenco等［17］運用附帶有硬度儀的DSC設備研究了Cu9Ni6Sn合金的相變規律［18-19］.Jyrki［20］通過試驗和計算的方法對 CuNiSn系合金的三元相圖進行了優化處理［21］.
國內雖對CuNiSn系合金的研究比國外稍晚,但在該系合金的組織和性能等方面的研究并不比國外差.但國內在材料的制備方面相對落后.如國外已成功地應用噴射成型技術和無偏析連鑄技術生產出Dmax=65 cm、單重為15 t的CuNiSn系合金型材,而國內卻仍處在試驗室的研究和開發階段.自從上世紀70年代,昆明貴金屬研究所對CuNiSn系合金進行研究以來,國內的一些研究所和高校,如北京有色研究總院、上海鋼鐵研究所和上海交通大學等多家院校和單位對該系列的合金進行了不同方面的研究,并取得了一定的成果.
2常用制備工藝
由于Cu與Ni在元素周期表中的位置相鄰,原子半徑相差甚微,而且兩者都為fcc晶體結構,Cu與Ni理論上是典型的無限固溶體.因此,Ni的加入可以保證合金在良好塑性的前提下,顯著提高不同條件下合金的強度和彈性.但由于CuNi二元合金相圖中的液相線與固相線之間的間距太大,再加上Ni原子在Cu中的擴散速度慢等原因,CuNi二元合金鑄態下存在明顯的樹枝晶［22］.
Sn作為溶質原子溶解在以Cu原子為溶劑的點陣中形成固溶體.但由于Sn元素在Cu中的溶解度有限,且其溶解度隨溫度的降低而急劇降低,因此當Sn超過一定量時,Sn元素將會產生偏析,合金中會出現一種新的θ相,(Cu,Ni)3Sn［22］.偏析將會嚴重影響合金微觀組織結構,使合金后續加工困難.如果采用傳統的冶金鑄造技術,CuNiSn系合金的偏析情況將會更加嚴重.為了抑制Sn元素的偏析,目前采用了各種制備方法來抑制CuNiSn系合金的偏析.
2.1機械合金化法
機械合金化法的原理是在合金粉末進行機械混合前,將預合金粉以一定比例混合配制.在高能球磨機中高速長時間運轉,最終將合金粉粉碎成彌散分布的超細顆粒.在之后的球磨過程中,合金粉由于受力后發生塑性形變產生復合,最終實現擴散和固態反應.該方法有諸多優點:(1) 能使所制備合金的固溶度有一定的提高,能夠制得納米級的合金粉;(2) 有利于彈性合金導電性能的提高［23-24］.通過此法,用高純度的Cu、Ni、Sn原料可制備出納米級過飽和的Cu15Ni8Sn合金固溶體,之后再采用傳統的粉末冶金工藝(壓制燒結軋制),使Cu15Ni8Sn合金納米粉末成型.研究表明,該方法制備的Cu15Ni8Sn合金,不僅固溶度提高,還消除了合金元素的偏析,從而改善了合金組織性能.另外,用機械合金化法制備的Cu15%Nb(15%代表體積分數)復合材料,在高溫下具有良好的穩定性和力學性能.該方法生產的合金粉末的缺陷為:缺陷密度高、脆性大和表面易氧化等,同時還造成壓制成型困難［25-27］,這些缺陷阻礙了該方法在實際生產中的推廣.
2.2快速凝固法
快速凝固法主要采用meltspinning法［3］來獲得CuNiSn系合金,其基本原理是采用特殊的冷卻方法,使合金在液態情況下以很高的冷卻速率凝固.目前,最高冷卻速率可達105 K/s.CuNiSn系合金在這么高的冷卻速率下,即使不能使其成分100%分布均勻,也能一定程度地減輕合金中Sn的偏析,縮短合金枝晶間的距離.如熔鑄法獲取的Cu15Ni8Sn合金枝晶偏析間距達到20 μm,但快速凝固法獲取的該合金枝晶間距僅為5 μm,此間距遠小于熔鑄法制得的合金的枝晶間距.而且,此方法能夠制備通過傳統熔煉法不能獲得的高Sn合金,如Cu10Ni12Sn.由于Sn含量太高,傳統方法制備的合金中Sn分布偏析嚴重,致使合金性能很差.但采用快速凝固法卻能制得該合金的帶材,而且成分均勻,性能優異.快速凝固法存在工藝復雜、裝備昂貴等缺點,限制了該法在實際生產中的推廣.
2.3粉末冶金法
粉末冶金法是制取合金前,先對其進行霧化處理,從而制得預合金粉,然后再用傳統的制備方法對其制備.所需的原料粉末一般可分為兩種:一種是利用快速凝固法霧化制得的CuNiSn三元預合金粉末,該法的制備工藝如圖1(a)所示［28］;另一種方法就是用錫青銅二元合金粉,通過添加銅粉或鎳粉混合制得.錫青銅的作用是保證Sn能夠完全地固溶在Cu中,以防因Ni元素的加入而減小Sn在Cu中的固溶度.通過以上兩種方法可知,要減輕Sn的偏析情況,需通過合金化的方法加入.由此可知,粉末合金法能夠制備出Sn含量高,且分布較均勻的合金.
原始粉料制好后,可通過不同的加工方法使其成型.目前,三元預合金粉的成型方法多數采用輥軋直接軋制成型,如圖1(b)所示.從圖1(b)中可以看出,當原始合金粉通過料斗進入軋輥,軋制成板帶狀后對其進行一定溫度的燒結.為了提高材料的密度,可將合金反復軋制,退火后再卷帶［29］.另一種方式是采用傳統的壓制燒結再成型.粉末在混合過程中,添加質量分數為0.5%的硬脂酸鋅做劑,再用壓力達310～775 MPa的水壓把粉末壓制成料坯.為了使劑充分發揮作用,把壓制的坯放在400℃恒溫下保溫5 min.最后,再把壓坯放置于800～1 050℃爐中燒結10～30 min.試驗中,壓坯燒結溫度和時間的選定,主要依據燒結時合金液相出現的多少來確定.燒結過程中壓坯會產生變形,為避免此情況出現,可對板帶材分步燒結.試驗表明:經分步燒結的坯料比等溫燒結的質量更高,后者坯料的孔隙率比前者低很多,合金分布更均一.這是由于:分布燒結時,合金坯料要先在低溫階段保溫一段時間,使其成分擴散均一,提高了合金的固相線,從而在之后的高溫區燒結時,能有效地抑制液相的產生.這樣不僅保證了壓坯原有的形狀,又有利于改善合金的性能.但分步燒結也有自身的缺陷,即會使所燒結的壓坯產生應變帶和不規則晶界,降低材料的塑韌性.為了避免這些缺陷的出現,可將壓坯燒結后直接進行固溶處理和時效.采用該方法不但能夠抑制應變帶的出現,還能有效抑制晶界珠光體型結構的長大,進而獲得具有高強度和高塑韌性的材料.此外,這種方法對燒結后仍需復壓復燒的材料有很好的借鑒意義.
圖1粉末冶金法設備及工藝流程
Fig.1Powder metallurgy method of equipment and technological process
2.4真空熔煉法
江西理工大學柳瑞清等［30］采用中頻真空感應熔煉法熔煉Cu9.5Ni2.3Sn合金,能夠使Sn的質量分數從3%減少到1%.對鑄錠進行650℃×10 h的均勻化處理,能夠獲得成分均勻的單相α固溶體,同時消除了該合金的枝晶偏析.再對鑄錠進行如下處理工藝:850℃×30 min一次冷軋(50%)850℃×60 min固溶處理二次冷軋(50%)480℃×2 h三次冷軋(65%).工藝處理后該合金抗拉強度達732 MPa,電導率達9.8 %IACS.王艷輝等［16］在C72900(Cu15Ni8Sn)合金中加入微量Si,張利衡等［31］在C72700(Cu9Ni6Sn)合金中加入微量Fe,利用真空中頻感應爐熔鑄,之后對鑄錠采取均勻化處理,發現合金的樹枝晶基本消除,并獲得組成相對均一的α固溶體.另外,真空法熔煉時,除加入Fe、Si元素外,還可加入適量的Mn、Cr或Ti等元素來改善CuNiSn系合金的其他組織和性能.如果再配上快速冷凝裝備,鑄錠質量會更佳.
2.5噴射成型法
噴射成型法是把熔融的金屬或合金熔液先霧化成彌散的霧滴狀,再利用高壓高速氣流把液霧噴射到收集器上,形成均勻細小并具有一定規則形狀(管、板、錠)的形坯.該方法在制備過程中,一些元素因為熔點較低,致使凝固時還沒來得擴散.最終,合金的成分更均勻,晶粒也更細小.另外,采用噴射成型法制取的合金坯,由于不存在成分不均的現象,因此合金性能與粉末冶金法制備的合金相當,甚至更優.采用此法制得的C72900合金相比傳統方法來講,前者不但組織成分更加均勻,而且性能也更優.但該法的不足之處在于:在制備過程中,霧化的金屬液滴易被溶解,致使微小孔隙產生,影響了合金的性能.
3添加元素對CuNiSn系合金組織性能的影響采用適當的合金制備方法,可以獲得成分均勻的CuNiSn系合金鑄錠,但實際生產中考慮到成本等因素,理想的合金制備方法很難得到推廣,大規模的生產中仍采用傳統的合金制備方法.消除或減輕該合金的枝晶偏析,使其更易進行機械加工,成為阻礙該合金生產的難點.近年來,研究者開始嘗試采用傳統的熔煉工藝,在CuNiSn系合金中添加第四、第五元素,來改善合金的組織和性能,常用的主要有Ti、Si、Cr、Al、Co、Fe、In和Mn等元素.
Miki等［32］運用定量金相法研究了上述元素對Cu10Ni8Sn合金的影響.發現:這些添加元素均能夠抑制晶界胞狀組織的形核和長大.其中Ti、Si、Cr和Al的抑制作用尤為明顯.研究［32］還發現,在固溶水淬處理時,除Al和Mn外,其他元素能夠很大程度地抑制合金晶粒的長大,以及在后續的時效階段,還能抑制胞狀組織的生長.除Mn元素外,其他添加元素在Cu10Ni8Sn合金中主要形成了細小的不溶性粒子,如Ti3Ni相和Ni31Si12相.因此,Miki等［32］認為正是這些細小粒子的形成,抑制了合金固溶階段晶界前沿的遷移和時效階段胞狀組織的生長.眾多添加元素中,Ti和Si的抑制作用最為明顯.
由圖2［32］可知,In加快了合金基體硬度的升高,Cr、Co、Ti、Si和Al延緩了基體硬度的升高,尤其是Al的添加,延緩效果最明顯.添加Al后,基體硬度的升高分為兩個階段,第二階段被明顯延遲.第一階段硬度變化是因為調幅分解的進一步發展;第二階段硬度的變化是調幅結構中的富Sn區γ′中間相的形成［33-34］.因此,添加的Al可能主要阻礙了γ′相的生長.圖2(b)是Cu10Ni8SnX合金在450℃時效時胞狀組織平均大小的變化圖.可以看出,所有的添加元素均可阻礙胞狀組織的生長,并且可以降低胞狀物的生長速率.其中,Al、Ti和Si的影響比較明顯.
圖2Cu10Ni8SnX合金450℃時效后性能
Fig.2The aging performance at 450℃ of Cu10Ni8SnX alloy
由圖2(a)可以推斷［32］,時效階段胞狀物被抑制長大的機制與固溶階段晶粒被抑制長大的機制類似.即固溶時細小不溶粒子存在于基體和晶界處,并在時效時抑制了胞狀物的長大.由圖2(b)可以推斷,在850℃固溶和450℃時效,除Al和Mn外,其余添加元素的作用與從圖2(a)推斷的作用相似.通過TEM觀察,確定在Cu10Ni8Sn合金中添加Si后形成不溶粒子為Ni31Si12相［33-35］.添加Cr和Al時,不溶粒子可能為Cr和Ni3Al相,但是這一現象不能由X衍射觀察到,這些不溶粒子在晶界處通過釘扎作用抑制了胞狀物的形核和胞狀物晶界前沿的移動［36-37］.添加Al的Cu10Ni8Sn合金晶粒尺寸不是很細小,并且固溶時不溶粒子的數量不多,但是合金中胞狀物的生長依然受到明顯的抑制.這主要是因為Al的原子尺寸大于Cu和Ni,增大了合金基體中α相的晶格參數,從而造成α相和γ′ 相的晶格參數差異性降低,并最終造成基體和胞狀物之間應力的不同,使得胞狀物生長的驅動力減小.另外,添加Mn的Cu10Ni8Sn合金固溶后的晶粒尺寸增大,這是因為Mn具有除氧的作用,即Mn加入后降低了基體晶界含氧粒子(如基體中的Cu2O)和晶界的體積分數,這將阻礙晶界的移動［32］.由此看來,Mn的抑制作用機理與其他添加元素不同.
圖3合金固溶后晶粒尺寸和450℃時效時胞狀物生長率之間的關系
Fig.3Relationship between solid solution grain size and cell material growth rate aging at 450℃
除添加第四元素外,也有添加兩種合金元素的.一般是兩種添加元素相互作用,共同使合金的組織性能得到改善.如在低Sn的Cu9Ni2.5Sn合金中同時添加Si與Al元素.一方面,Si元素與合金基體中的Ni元素形成δ-Ni2Si相,該相能夠在合金時效后期抑制不連續沉淀,使合金由固溶強化型轉變成沉淀強化型［38］.王艷輝［38］發現δ-Ni2Si相與Cu9Ni2.5Sn合金基體晶格存在一定的位向關系:(110)m∥(211)ppt、［110―］m∥［324―］ppt.Al元素主要通過增加Si的固溶度來提高合金的沉淀強化效果［31］.將一定質量分數的Mn(0.76 %～1.05 %)和Cr (0.19 %～0.21 %)加入到Cu9Ni6Sn合金中,Mn和C在一定溫度下能完全固溶到合金中.時效階段,少量Mn和Cr具有促進合金時效過程的作用,還可以提高時效溫度和在酸性腐蝕環境中的抗腐蝕性能［39］.
4發展前景
CuNiSn系合金中Sn的質量分數＞4%時為調幅分解強化型合金,上世紀70年代由美國貝爾試驗室研制開發,該合金是一種很有發展前途的新型銅基彈性材料.該系列合金除具有優良的抗腐蝕性和抗應力松弛性外,還具有較高的強度和彈性,因此被廣泛應用在儀器、儀表和電子、電器產品中來部分替代鈹青銅.
但因CuNiSn系合金自身存在的一些不足之處影響其規模化生產應用［40］.(1) 相對鈹青銅,該合金的電導率較低.如鈹青銅的導電率一般在20%IACS左右,但CuNiSn系合金僅有7～8%IACS;(2) 大部分CuNiSn系合金的高性能指標只能在實驗室的苛刻條件下達到,在工業化生產中卻很難達到理想值;(3) 為了使CuNiSn系合金在時效處理時得到理想的調幅結構和第二相分布,時效處理前需對合金進行較大的預冷加工變形.這要求沖制模應具有較高的強度和耐磨性.而鈹青銅則不需要,因為鈹青銅固溶處理后可直接進行時效.或者時效前只需較小的預冷加工變形量,簡單的工藝操作就可以使其獲得良好的強度.
基于CuNiSn系合金良好的發展潛力和自身存在的一些不足之處,今后的的研究重點應放在以下幾個方面:(1) 探索水平連鑄生產工藝對CuNiSn系合金鑄坯組織的影響,建立適合合金產業化的生產工藝;(2) 尋求更有效的抑制合金偏析的方法和熱處理工藝;(3) 尋找合金力學性能一定,電導率提高和其他性能改善的新方法、新工藝.
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篇9
關鍵詞：常壓燒結技術 材料科學與工程專業 實驗教學 研究 應用
一、前言
在材料科學與工程專業的本科教學工作中，學生在高年級就開始學習材料科學與工程專業的基礎課程和專業課程。其中在材料科學與工程專業課程教學中，在講述材料的制備工藝方法中講述過常壓燒結工藝制備和合成復合材料。常壓燒結工藝是制備金屬陶瓷復合材料以及其他類型復合材料的主要方法。常壓燒結工藝首先將原料粉末通過壓力成型工藝制備出具有一定形狀的試樣坯體，并放入到高溫燒結爐中進行高溫燒結得到致密的燒結試樣，所以通過常壓燒結工藝得到較高致密度的燒結制品。所以常壓燒結工藝制造的燒結制品的致密度較高，力學性能較高。常壓燒結工藝可以制備復合材料和梯度功能材料等。常壓燒結工藝燒結速度慢，燒結時間較長，但是燒結溫度較高，可以制備比較致密的燒結塊材。采用常壓燒結工藝可以制備復合材料等。常壓燒結工藝制備復合材料由于具有可以達到凈近尺寸成形的優勢，常壓燒結工藝可以根據工程需要制造形狀復雜的燒結制品和零部件，所以常壓燒結工藝能夠廣泛應用于工程領域中。在材料科學與工程專業的本科課程教學中，在材料加工工程和材料制備方法中都講述過常壓燒結技術。此外還可以將常壓燒結技術制備復合材料作為一項實驗教學內容安排學生進行實驗，使學生認識和了解常壓燒結技術制備復合材料的工藝過程。所以常壓燒結工藝制備復合材料在材料科學與工程專業教學實踐中得到廣泛的應用。本文主要講述常壓燒結工藝的原理和工程應用，并講述常壓燒結工藝在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用，并對常壓燒結工藝的未來發展趨勢和發展方向進行分析和預測。
二、常壓燒結技術的原理和工程應用
常壓燒結工藝首先是將原料粉末通過壓力成型工藝制備出具有一定形狀的試樣坯體，并放入到高溫燒結爐中進行高溫燒結得到致密的燒結試樣。常壓燒結工藝是在燒結過程中對材料不進行加壓而使其在高溫燒結爐中以一定的氣氛壓力下燒結制備致密的燒結制品，常壓燒結工藝是目前應用最普遍的一種燒結方法。常壓燒結工藝包括了在空氣條件下的常壓燒結工藝和某種特殊氣體氣氛條件下的常壓燒結工藝。普通陶瓷材料一般是在氧化氣氛下燒結，大氣條件下的常壓燒結在陶瓷生產中經常采用。對于在空氣中難于燒結的陶瓷制品如透光體或非氧化物常用氣氛燒結法。這種方法是在爐內通入氣體形成所要求的氣氛，使制品在特定的氣氛下燒結。用這種方法可防止陶瓷材料在高溫下氧化可直到促進燒結提高制品的致密度。常壓燒結工藝屬于在大氣壓條件下坯體自由燒結的過程。在無外加動力下材料開始燒結，常壓燒結溫度通常比較高。其中常壓燒結工藝普遍采用的是高溫燒結工藝，常壓燒結工藝只需要高溫燒結爐，所以制備工藝比較簡單。常壓燒結工藝燒結溫度較高，可以制備比較致密的燒結制品。采用常壓燒結工藝的工藝過程是，首先將粉末原料通過壓力成型工藝制成所需要形狀的預制體，此預制體具有一定的致密度，并將預制體放入到高溫燒結爐中進行高溫燒結工藝，在一定的燒結溫度下保溫一段時間得到致密度較高的燒結制品。常壓燒結工藝可選擇的材料種類比較多，適用面也比較廣泛。采用常壓燒結工藝可以制備各種復雜形狀的燒結制品和零部件，所以常壓燒結工藝在材料科學與工程領域有著廣泛的研究和應用。
篇10
關鍵詞:成形技術;制模技術;銑削技術
一、精密成形技術
精密成形技術對于提高產品精度、縮短產品交貨期、減少切削加工和降低生產成本均有著重要意義。近10年來,精密鑄造技術、精密壓力加工技術與精密焊接技術突飛猛進。
在精密鑄造方面,熔模精密鑄造、陶瓷型精密鑄造、金屬型鑄造和消失模鑄造等技術得到了重點發展,鑄件質量大大提高。例如采用消失模的鑄件,壁厚公差可達±0.15mm,表面粗糙度可達Ra25μm。在精密壓力加工方面,精沖技術、超塑成形技術、冷擠壓技術、成形軋制、無飛邊熱模鍛技術、溫鍛技術、多向模鍛技術發展很快。例如700mm汽輪機葉片精密輥鍛和精整復合工藝已成功應用于生產,楔橫軋技術在汽車、拖拉機精密軸類鍛件的生產中顯示出極佳的經濟性。除傳統的鍛造工藝外,近年來半固態金屬成形技術也日趨成熟,引起工業界的普遍關注。
此外,在粉末冶金和塑料加工方面,金屬粉末超塑性成形、粉末注射成形、粉末噴射和噴涂成形以及塑料注射成形中氣體輔助技術和熱流道技術的成功應用,大大擴充了現代精密塑性加工的應用范圍。
精密成形技術發展速度之快、應用之廣,使國際機械加工技術協會有充足的理由認為,在21世紀之初,精密成形與磨削加工相結合的加工方式,將取代大部分中、小零件的切削加工,在2010年左右,精密成形的精度將會進一步提高,成形公差可望達到當今的磨削精度,實現工業界夢寐以求的"凈成形"(無余量的完全零件形狀)的奮斗目標。
二、快速成型與快速制模技術
快速成型技術(RP)是快速原型與制造技術的簡稱,其成型原理為:先由幾何造型軟件生成產品的三維模型,然后按一定厚度分層,獲得各個截面的平面信息,經數據處理后,數控系統有序地連續加工出每個薄層并使它們粘接成型。快速成型主要有激光立體光刻(SLA)、分層實體制造(LOM)、選擇性激光燒結 (SLS)和熔融沉積制造(FDM)等方法。
快速成型技術對于模具的快速制造產生了重要的影響和推動作用。用于小批量生產的塑料模具和冷沖壓模具可以依照由快速成型方法所獲得的產品實體直接用硅橡膠、環氧樹脂或金屬材料制造。用于大批量生產的各種模具也可由快速成型和鑄造技術相結合的方法制造。快速制模技術由于具有制造周期短、成本低、綜合經濟效益高等優點,十分適合新產品開發和小批量多品種的生產方式,近10年來發展非常迅速。除了快速成型在快速制模中應用外,電弧噴涂成形技術、實型鑄造制模技術、氮氣彈簧在沖壓模具中的應用、鋅基合金制模技術、低熔點合金制模技術、銅基合金制模技術、電鑄技術在注塑模具中的應用、環氧樹脂制模技術、無模多點成形技術、疊層鋼板制模技術等快速制模的新工藝、新方法和新設備層出不窮,顯示出強大的生命力和顯著的經濟效益。
三、高速銑削和電火花銑削技術
電火花銑削加工技術(又稱為電火花創成加工技術)是電火花加工技術的重大發展,這是一種替代傳統的用成型電極加工模具型腔的新技術。
伴隨著高速切削電火花加工技術的進步,模具加工過程的檢測手段和模具表面處理技術也取得了很大進展。現代三坐標測量機除了能高精度地測量復雜曲面的數據外,其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施以及簡便的操作步驟使得現場自動化檢測成為可能。
在模具表面處理方面,拋光技術的進步也十分突出。現代超聲拋光設備能使模具表面拋光至Ra0.05～0.025μm,達到鏡面拋光的要求。模具表面耐磨、耐腐蝕和花紋處理技術也有長足的進步。
四、CAD/CAM技術
在CAD/CAM技術日新月異的今天,工業部門已不滿足于僅僅將計算機作為繪圖和數控編程的工具,工程技術人員迫切地希望在同一軟件環境下,既能自動繪圖,又能有設計、計算、分析和加工的能力,于是模具CAD/CAE/CAM集成化系統便應運而生。在各類塑性加工工藝中,塑料注射成形工藝計算機集成系統的應用最為突出。世界著名的CAD/CAM系統,如CADDS5,Pro和UGⅡ等,均實現了CAD/CAM系統與塑料注射過程模擬、模具結構設計和模具型腔數控加工的初步集成并取得了顯著的經濟和社會效益。為了適應國際發展潮流,華中理工大學模具技術國家重點實驗室正在開發新一代塑料注射模軟件。所謂新一代注塑模軟件,是指利用計算機集成制造技術(CIM)開發的注塑模集成制造系統(CIMS),這種高度集成的系統能支持模具設計與制造的全過程,具有智能化、集成化、面向裝配和模具可制造性評價等特點。
應該指出的是,在CIMS基礎上發展起來的虛擬技術將在21世紀的塑性加工領域發揮作用。所謂虛擬技術,是指以CAD/CAM支持的仿真技術為前提,對設計、加工、裝配、試模等工序建立相關聯的數學模型,配置必要的硬件(如頭盔、手套或者信號反饋裝置等)和軟件(如圖形加速軟件、虛擬現實模型語言等),形成虛擬的環境、虛擬的過程、虛擬的產品和虛擬的企業。
在虛擬技術的支持下,從用戶訂貨,產品創意、設計到零部件生產、裝配、銷售以及售后服務等全過程的各個環節都可以分別由處在不同地域的企業進行互利合作。通過國際互聯網、局域網和企業內部網實現模具的異地設計和異地制造,提高企業快速響應市場的能力。
五、結束語
