（完整版）材料先進(jìn)加工技術(shù)

（完整版）材料先進(jìn)加工技術(shù)1.快速凝固快速凝固技術(shù)的發(fā)展，把液態(tài)成型加工推進(jìn)到遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，極大地推動(dòng)了非晶、細(xì)晶、微晶等非平衡新材料的發(fā)展。傳統(tǒng)的快速凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，非晶絲材、箔材的制備。近年來(lái)快速凝固技術(shù)主要在兩個(gè)方面得到發(fā)展：①利用噴射成型、超高壓、深過(guò)冷，結(jié)合適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)，發(fā)展體材料直接成型的快速凝固技術(shù)；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結(jié)構(gòu)的新材料。目前快速凝固技術(shù)被廣泛地用于非晶或超細(xì)組織的線材、帶材和體材料的制備與成型。2.半固態(tài)成型半固態(tài)成型是利用凝固組織控制的技術(shù).20世紀(jì)70年代初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemings教授等首先提出了半固態(tài)加工技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固式，開(kāi)辟了強(qiáng)制均勻凝固的先河。半固態(tài)成型包括半固態(tài)流變成型和半固態(tài)觸變成形兩類：前者是將制備的半固態(tài)漿料直接成型，如壓鑄成型（稱為半固態(tài)流變壓鑄）；后者是對(duì)制備好的半固態(tài)坯料進(jìn)行重新加熱，使其達(dá)到半熔融狀態(tài)，然后進(jìn)行成型，如擠壓成型（稱為半固態(tài)觸變擠壓）3.無(wú)模成型為了解決復(fù)雜形狀或深殼件產(chǎn)品沖壓、拉深成型設(shè)備規(guī)模大、模具成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、靈活度低等缺點(diǎn)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)產(chǎn)品多樣性（多品種、小規(guī)模）的需求，20世紀(jì)80年代以來(lái)，柔性加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)受到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。典型的無(wú)模成型技術(shù)有增量成型、無(wú)摸拉拔、無(wú)模多點(diǎn)成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術(shù)超塑性成型加工技術(shù)具有成型壓力低、產(chǎn)品尺寸與形狀精度高等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展方向主要包括兩個(gè)方面：一是大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結(jié)構(gòu)、飛機(jī)艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦合金、鎂合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型加工粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)、制備預(yù)成型一體化；可自由組裝材料結(jié)構(gòu)從而精確調(diào)控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復(fù)合材料。它是近20年來(lái)材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的熱點(diǎn)與主要發(fā)展方向之一。自1990年以來(lái)，世界粉末冶金年銷售量增加了近2倍。2003年北美鐵基粉末。相關(guān)的模具、工藝設(shè)備和最終零件產(chǎn)品的銷售額已達(dá)到91億美元，其中粉末冶金零件的銷售為64億美元。美國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的粉末冶金產(chǎn)品占全球市場(chǎng)的一半以上?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，粉末冶金工業(yè)仍將保持較高的增長(zhǎng)速率。粉末材料成型加工技術(shù)的研究重點(diǎn)包括粉末注射成型膠態(tài)成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強(qiáng)化燒結(jié)等。6.陶瓷膠態(tài)成型20世紀(jì)80年代中期，為了避免在注射成型工藝中使用大量的有機(jī)體所造成的脫脂排膠困難以及引發(fā)環(huán)境問(wèn)題，傳統(tǒng)的注漿成型因其幾乎不需要添加有機(jī)物、工藝成本低、易于操作制等特點(diǎn)而再度受到重視，但由于其胚體密度低、強(qiáng)度差等原因，他并不適合制備高性能的陶瓷材料。進(jìn)入90年代之后，圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導(dǎo)絮凝成形、膠態(tài)振動(dòng)注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現(xiàn)，受到嚴(yán)重重視。原位凝固成形工藝被認(rèn)為是提高胚體的均勻性，進(jìn)而提高陶瓷材料可靠性的唯一途徑，得到了迅速的發(fā)展，已逐步獲得實(shí)際應(yīng)用。7.激光快速成型激光快速成形技術(shù)，是20實(shí)際90年代中期由現(xiàn)代材料技術(shù)、激光技術(shù)和快速原型制造術(shù)相結(jié)合的近終形快速制備新技術(shù)。采用該技術(shù)的成形件完全致密且具有細(xì)小均勻的內(nèi)部組織，從而具有優(yōu)越的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，同時(shí)零件的復(fù)雜程度基本不受限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于國(guó)防高科技領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)激光快速成形起步稍晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究和相關(guān)設(shè)備建設(shè)方面已有較好的前期工作，具備了通過(guò)進(jìn)一步研究形成自身特色的激光快速成形技術(shù)的條件。8.電磁場(chǎng)附加制備與成型技術(shù)在材料的制備與成形加工過(guò)程中，通過(guò)施加附加外場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)等），可以顯著改善材料的組織，提高材料的性能，提高生產(chǎn)效率。典型的溫度場(chǎng)附加制備與形加工技術(shù)有熔體過(guò)熱處理、定向凝固技術(shù)等；典型的力場(chǎng)附加制備與成形技術(shù)有半固態(tài)加工等；典型的電磁場(chǎng)附加制備與成形加工技術(shù)有電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、磁場(chǎng)附加熱處理技術(shù)、電磁振動(dòng)注射成形技術(shù)等。近年來(lái)，有關(guān)電磁場(chǎng)附加制備與成形加工技術(shù)的研究在國(guó)際上已形成一門新的材料科學(xué)分支——材料電磁處理，并且得到迅速發(fā)展。9.先進(jìn)連接技術(shù)①鋁合金激光焊接②鎂合金激光焊接③機(jī)器人智能焊接10.表面改質(zhì)改性在材料的使用過(guò)程中，材料的表面性質(zhì)和功能非常重要，許多體材料的失效也往往是從表面開(kāi)始的。通過(guò)涂覆（或沉積、外延生長(zhǎng)）表面薄層材料或特殊能量手段改變?cè)牧媳砻娴慕Y(jié)構(gòu)（即對(duì)處理進(jìn)行表面改性），賦予較廉價(jià)的體材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用價(jià)值和產(chǎn)品的附加值，是數(shù)十年來(lái)材料表面加工處理研究領(lǐng)域的主要努力方向。材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為三個(gè)綜合，即過(guò)程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合。由于上述材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，材料制備、成型與加工技術(shù)的發(fā)展將具有以下兩個(gè)主要特征：（1）性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的一體化。（2）在材料設(shè)計(jì)、制備、成型與加工處理的全過(guò)程中對(duì)材料的組織性能和形狀尺寸進(jìn)行精確控制。實(shí)際上，第一個(gè)特征實(shí)現(xiàn)材料技術(shù)的第五次革命、進(jìn)入新材料設(shè)計(jì)與制備加工工藝時(shí)代的標(biāo)志。實(shí)現(xiàn)第二個(gè)特征則要求具備兩個(gè)基本條件：一是計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的高度發(fā)展；二是材料數(shù)據(jù)庫(kù)的高度完備化?；谏鲜霾牧霞庸ぜ夹g(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)和特征，金屬材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面。1）常規(guī)材料加工工藝的短流程化和高效化。打破傳統(tǒng)材料成形與加工模式，工藝環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)近終形、短流程的連續(xù)化生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率。例如，半固態(tài)流變成形、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠等是將凝固與成形兩個(gè)過(guò)程合二為一，實(shí)行精確控制，形成以節(jié)能、降耗、提高生產(chǎn)效率為主要特征的新技術(shù)和新工藝。目前國(guó)外鋁合金和鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段。鋁合金半固態(tài)成型方法主要有流變壓鑄2）發(fā)展先進(jìn)的成形加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織與性能的精確控制例如，非平衡凝固技術(shù)、電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、等溫成形技術(shù)、低溫強(qiáng)加工技術(shù)、先進(jìn)層狀復(fù)合材料成形、先進(jìn)超塑性成形、激光焊接、電子束焊接、復(fù)合熱源焊接、擴(kuò)散焊接、摩擦焊接等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織與性能的精確控制，不僅可以提高傳統(tǒng)材料的使用性能，還有利于改善難加工材料的加工性能，開(kāi)發(fā)高附加值材料。3）材料設(shè)計(jì)（包括成分設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)）、制備與成形加工一體化發(fā)展材料設(shè)計(jì)、制備與成型加工一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料和零部件的高效，近終形，短流程成型。典型的技術(shù)有噴射技術(shù)、粉末注射成形、激光快速成型等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷材料、復(fù)合材料、梯度功能材料零部件制備成型加工的研究熱點(diǎn)。材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工的一體化，是實(shí)現(xiàn)真正意義上的全過(guò)程的組織性能精確控制的前提和基礎(chǔ)。4）開(kāi)發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料和新產(chǎn)品塊體非晶合金制備和應(yīng)用技術(shù)、連續(xù)定向凝固成形技術(shù)、電磁約束成型技術(shù)、雙結(jié)晶器連鑄與充芯連鑄復(fù)合技術(shù)、多坯料擠壓技術(shù)、微成形加工技術(shù)等，是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新型制備與成形加工技術(shù)。這些技術(shù)在特種高性能材料或制品的制備與成形技術(shù)加工方面具有各自的特色，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。5）發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與過(guò)程仿真技術(shù)，構(gòu)建完善的材料數(shù)據(jù)庫(kù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算材料科學(xué)已成為一門新興的交學(xué)科，是除實(shí)驗(yàn)和理論外解決材料科學(xué)中實(shí)際問(wèn)題的第3個(gè)重要研究方法。它可以比理論和實(shí)驗(yàn)做得更深刻、更全面、更細(xì)致，可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)暫時(shí)還做不到的研究。因此，基于知識(shí)的材料成形工藝模擬仿真是材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會(huì)的測(cè)算,模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技術(shù)成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設(shè)備利用率30%～60%，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30%～60%等。目前，模擬仿真技術(shù)已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊接過(guò)程的模擬仿真研究也取得了可喜的進(jìn)展。高性能、高保真、高效率、多學(xué)科及多尺度是模擬仿真技術(shù)的努力目標(biāo)，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來(lái)研究的新熱點(diǎn)課題。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，可深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其各物理化學(xué)過(guò)程中宏觀、微觀變化機(jī)制，并由材料成分、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。計(jì)算材料科學(xué)的研究范圍包括從埃量級(jí)的量子力學(xué)計(jì)算到連續(xù)介質(zhì)層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個(gè)層次：納米級(jí)、微觀、介觀及宏觀層次。在國(guó)外，多尺度模擬已在汽車及航天工業(yè)中得到應(yīng)用。鑄件凝固過(guò)程的微觀組織模擬以晶粒尺度從凝固熱力學(xué)與結(jié)晶動(dòng)力學(xué)兩方面研究材料的組織和性能。20世紀(jì)90年代鑄造微觀模擬開(kāi)始由試驗(yàn)研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展，國(guó)內(nèi)的研究雖處于起步階段，但在用相場(chǎng)法研究鋁合金枝晶生長(zhǎng)、用CellularAutomaton法研究鋁合金組織演變和汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預(yù)測(cè)等方面均已取得重要進(jìn)展。鍛造過(guò)程的三維晶粒度預(yù)測(cè)也有進(jìn)展。6）材料的智能化制備與成形加工技術(shù)材料的智能化制備與成形加工技術(shù)是1986年由美國(guó)材料科學(xué)界提出的“第三代”材料成形加工技術(shù)，20世紀(jì)90年代以來(lái)受到日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視它通過(guò)綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)等，以成分、性能、工藝一體化設(shè)計(jì)與工藝控制方法，實(shí)現(xiàn)材料組織性能與成形加工質(zhì)量，同時(shí)達(dá)到縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境負(fù)荷的目的。材料的智能化制備與成形