特種加工技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)特種加工技術(shù)概論摘要：一般認為，現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由四個基本要素組成,即材料的制備與加工、成分組織、材料性能、服役行為和壽命1。材料的制備與加工工藝，與材料的成分和組織、材料的性能一起，構(gòu)成決定材料服役行為和壽命的最基本的三大要素，也充分反映了材料制備與加工技術(shù)的重要作用和地位。關(guān)于材料的制備、成形與加工技術(shù)的研究和開發(fā)材料是科學(xué)技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一，而材料先進成型技術(shù)是目前材料科學(xué)技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。材料先進制備、成形與加工技術(shù)的發(fā)展，既對新材料的研究開發(fā)、應(yīng)用

2、和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用，同時也可有效地改進和提高傳統(tǒng)材料的使用性能對傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的更新改造具有重要作用。發(fā)展材料先進制備、成形與加工技術(shù)，對于提高綜合國力，保障國家安全，改善人民生活質(zhì)量，促進材料科學(xué)技術(shù)自身的進步與發(fā)展具有重要作用，也是國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大需求。隨著各種高新技術(shù)的不斷進步，向材料成型和加工方法提出了更高的要求，想要制造一種零件使之滿足各種高水平的綜合指標，從傳統(tǒng)材料成型方法出發(fā)是非常困難的，常常顧此失彼，即使花費很多的時間和很大的精力得到某種符合要求的零件也需要很長的周期。隨著現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，材料成型方面的新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，從而解決了上述難題，并得到了

3、廣泛推廣。傳統(tǒng)上材料加工技術(shù)主要包括焊接技術(shù)、鑄造技術(shù)、壓力加工技術(shù)三個方面2，本文對近年來出現(xiàn)的特種加工技術(shù)，主要是特種焊接技術(shù)，特種鑄造技術(shù)，特種壓力加工進行總結(jié)，從各類特種加工技術(shù)的原理、分類、應(yīng)用方面作簡要的概述，并對當前材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向作簡要介紹。關(guān)鍵詞：材料加工，特種焊接，特種鑄造，特種壓力加工一、特種焊接技術(shù)1、激光焊激光焊 （Laser Welding）是利用高能量密度的激光束作為熱源進行焊接的一種高效精密的焊接方法3。隨著航空航天、微電子、醫(yī)療及核工業(yè)等的迅猛發(fā)展，對材料性能要求越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足要求，激光焊日益得到廣泛應(yīng)用。激光焊具有高能量密度、深

4、穿透、高精度、適應(yīng)性強等優(yōu)點而受到各發(fā)達國家的重視。激光焊對于一些特殊材料及結(jié)構(gòu)的焊接具有非常重要的作用，這種焊接方法在航空航天、電子、汽車制造、核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并日益受到工業(yè)發(fā)達國家的重視4。1.1 激光焊的原理激光焊接時，激光照射到被焊接材料的表面，與其發(fā)生作用，一部分被反射，一部分進入材料內(nèi)部。對于不透明材料，透射光被吸收，金屬的線性吸收系數(shù)約為107108。對于金屬，激光在金屬表面0.010.1的厚度中被吸收轉(zhuǎn)變成熱能，導(dǎo)致金屬表面溫度升高，再傳向金屬內(nèi)部5。光子轟擊金屬表面形成蒸氣，蒸發(fā)的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉。如果被焊金屬有良好的導(dǎo)熱性能，則會得到較大的熔深

5、。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本質(zhì)上是光波的電磁場與材料相互作用的結(jié)果。激光光波入射材料時，材料中的帶電粒子依著光波電矢量的步調(diào)振動，使光子的輻射能變成了電子的動能。物質(zhì)吸收激光后，首先產(chǎn)生的是某些質(zhì)點的過量能量，如自由電子的動能，束縛電子的激發(fā)能或者還有過量的聲子,這些原始激發(fā)能經(jīng)過一定過程再轉(zhuǎn)化為熱能6。激光除了與其他光源一樣是一種電磁波外，還具有其他光源不具備的特性，如高方向性、高亮度 （光子強度）、高單色性和高相干性。激光加工時，材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)換是在極短的時間 （約為10-9S）內(nèi)完成的7。在這個時間內(nèi)，熱能僅僅局限于材料的激光輻照區(qū)，而后通過熱傳導(dǎo)，熱量由高溫區(qū)傳向低

6、溫區(qū)。金屬對激光的吸收，主要與激光波長、材料的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關(guān)89。一般來說，金屬對激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨電阻率的增加而增大。1.2激光焊的分類按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊可分為傳熱焊 （功率密度小于1052）和深熔焊 （鎖孔焊）。（1）傳熱焊采用的激光光斑功率密度小于1052時，激光將金屬表面加熱到熔點與沸點之間。焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，其熔深輪廓近似為半球形，這種焊接機理稱為傳熱焊10。傳熱焊時，工

7、件表面溫度不超過材料的沸點，工件吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，通過熱傳導(dǎo)將工件熔化，熔池形狀近似為半球形。傳熱焊的特點是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金屬表面所反射，光的吸收率較低，焊接熔深淺，焊接速度慢。其主要用于薄 （厚度1）、小工件的焊接加工。(2) 深熔焊當激光光斑上的功率密度足夠大時 （1062），金屬表面在激光束的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi) （10-810-6）升高到沸點，使金屬熔化和氣化。產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，逸出的蒸氣對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個小凹坑。當光束在小孔底部繼續(xù)加熱時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一

8、方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑進一步加深11。另一方面，向坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續(xù)進行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個細長的孔洞。當光束能量所產(chǎn)生的金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)加深，形成一個深度穩(wěn)定的孔而進行焊接，因此稱之為激光深熔焊 （也稱鎖孔焊）。深熔焊的激光束可深入到焊件內(nèi)部，因而形成深寬比較大的焊縫。如果激光功率足夠大而材料相對較薄，激光焊形成的小孔貫穿整個板厚且背面可以接收到部分激光，這種方法也可稱之為薄板激光小孔效應(yīng)焊12。從機理上看，這兩種焊接方法的前提都是焊接時存在小孔，二者沒有本質(zhì)的區(qū)別。小孔周圍為熔池金屬所包圍，熔化金

9、屬的重力及表面張力有使小孔彌合的趨勢，而連續(xù)產(chǎn)生的金屬蒸氣則力圖維持小孔的存在。隨光束的運動，小孔將隨著光束運動但其形狀和尺寸卻是穩(wěn)定的。小孔的前方形成一個傾斜的燒蝕前沿。在這個區(qū)域，小孔的周圍存在壓力梯度和溫度梯度。在壓力梯度的作用下，燒熔材料繞小孔的周邊由前沿向后沿流動。溫度梯度沿小孔的周邊建立了一個前面大后面小的表面張力，這就進一步驅(qū)使熔融材料繞小孔周邊由前沿向后沿流動，最后在小孔后方凝固起來形成焊縫。激光焊焊接時伴有聲音和顏色的變化，可據(jù)此監(jiān)控焊接過程13。1.3激光焊接在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用目前，國外汽車工業(yè)已安裝了2500多臺激光器用于加工，僅美國通用汽車公司（GM）就安裝了200

10、臺以上，日本豐田汽車公司1990年前后僅從一家激光公司就購買100臺35kW CO2激光器。至今，國外各大汽車公司，如通用、福特、克萊斯勒奔馳、豐田、大眾、B M W、菲亞特等，已全部擁有自己的激光加工生產(chǎn)線，且激光器數(shù)量以每年20%的速度增長14。（1）白車身激光焊接汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和連接上。主要應(yīng)用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車架激光焊接。早期的車身激光焊接應(yīng)用主要是車頂蓋搭接焊，目的是為減噪和適應(yīng)新的更安全的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。Volvo公司是最早開發(fā)車頂激光焊接技術(shù)的廠家。德國大眾公司也相繼在Audi A6、Golf4、Passat等車頂采用了此技

11、術(shù)，奔馳的C/S/E級車（C219、SW140、SW220、EW221等）、B M W公司的5系列、O p e l公司的Vectra車型等更是趨之若鶩。嚴格地講，當時的車頂焊還屬于車身結(jié)構(gòu)件激光焊接，即激光焊縫不能露在車身外表面。但隨著車身件制造及裝配精度的提高以及用于車身表面覆蓋件連接的激光釬焊技術(shù)的出現(xiàn)，車頂蓋激光焊接逐漸被激光釬焊所取代，車頂激光釬焊也成為可直接在車身表面實施連接的新技術(shù)（奔馳公司在C級車后立柱上采用了激光填絲焊接，也屬于少數(shù)車身表面焊接技術(shù)之一）。目前德國大眾汽車公司的車頂焊接幾乎全部是激光釬焊，車型包括Golf5、新Audi A6、MAGOTAN等。車頂激光釬焊并不是

12、最早和惟一的車身激光釬焊技術(shù)。實際上，激光釬焊于1998年最早用在大眾公司生產(chǎn)的Bora車身覆蓋件行李箱蓋的表面連接。至今行李箱蓋激光釬焊已成為車身激光焊接的一個典型應(yīng)用，廣泛用在德系車上，近年來在一些美系車上也可看到。另一項比較重要的車身激光焊接應(yīng)用，是車身結(jié)構(gòu)件（包括車門、車身側(cè)圍框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高車身強度，并可解決一些部位難以實施常規(guī)電阻點焊的難題。德國大眾公司在車身結(jié)構(gòu)件激光焊接方面的應(yīng)用走在世界前面。(2)不等厚激光拼焊板車身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低成本。此項應(yīng)用最早源于1985年Audi 100的底板

13、拼焊，目前已推廣到世界幾乎各大汽車公司。采用激光拼焊板所帶來的好處也顯而易見。如某車型的側(cè)圍門內(nèi)板采用三塊板拼焊在一起，在原材料成本不增加的前提下，較采用單張普通板材單車可節(jié)省用材16kg，提高了材料利用率；如果在不影響整車強度及耐蝕性的前提下，根據(jù)需要將不同部位的材料做局部替換（如用裸板代替鍍鋅板或用薄鋼板代替較厚板），然后激光拼焊到一起，單車可降成本13美元。激光拼焊板正在被世界各地的新車型所接受，激光拼焊板生產(chǎn)將成為一項數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。(3) 齒輪及傳動部件焊接20世紀80年代末，克萊斯勒公司的Kokomo分公司購進九臺6kW CO2激光器，用于齒輪激光焊接，生產(chǎn)能力提高40%。90年

14、代初，美國三大汽車公司投入40多臺激光器用于傳動部件焊接。奔馳公司經(jīng)研究利用激光焊接代替電子束焊接，因為前者焊縫熱影響區(qū)小。美國福特汽車公司用4.7kW CO2激光器焊接車輪鋼圈，鋼圈厚1mm，焊接速度為2.5m/min。該公司還采用帶有視覺系統(tǒng)的激光焊接機，將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起，成為轎車自動變速器的齒輪架部件，生產(chǎn)率為200件/h。意大利菲亞特公司用激光焊接汽車同步齒輪，費用只比老設(shè)備提高一倍，生產(chǎn)效率卻提高57倍。美國阿符科公司研制的HPL工業(yè)用CO2激光焊接機功率為15kW，用于焊接汽車轉(zhuǎn)動組件的兩個齒輪，焊接時間為1S，每小時可焊1000多件。福特公司有20臺5kW CO2

15、激光焊機，通用公司有11臺14kW CO2激光焊機專門用于汽車齒輪焊接。克萊斯勒公司也有10臺69kW CO2激光焊機從事相同的工作。汽車自動變速器駐車棘輪的材料有淬火鋼、奧氏體鋼和特種合金等，通過激光焊接技術(shù)可將這些不同成分的材料連接起來，而且無裂紋出現(xiàn)。1.4激光焊接技術(shù)用于汽車工業(yè)面臨的主要問題（1）工藝參數(shù)優(yōu)化眾所周知，激光焊接具有多參數(shù)特點，通常情況下包括：激光波長、激光束模式（或發(fā)散角）、激光功率、激光偏振特性、激光脈沖頻率、聚焦鏡焦距、激光照射角度、焊接速度、離焦量（或稱焦點位置）、氣體保護方式、保護氣種類及流量、接頭間隙等激光及加工參數(shù)，另外還包括焊接結(jié)構(gòu)、焊接材料、工件厚度等

16、工件特性和參數(shù)15；如果是激光填絲焊（或激光硬纖焊），激光焊接參數(shù)還應(yīng)包括：焊絲直徑、焊絲成分、填絲速度、填絲方向（與焊接方向的關(guān)系）、填絲位置（焊絲熔化端與工件和激光焦點之間的關(guān)系）、填絲角度；如果是激光復(fù)合焊還應(yīng)包括除激光以外焊接熱源（TIG、MIG或等離子源）的相關(guān)參數(shù)16。激光焊接多參數(shù)的特點給激光焊接帶來豐富多彩的焊接結(jié)果，同時也給研究激光焊接帶來很多可變因素和新的課題。無論在開環(huán)控制還是閉環(huán)控制下，激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化或最佳工藝參數(shù)確定的難度和工作量都所增加。由于汽車工業(yè)要求用于大批量生產(chǎn)的各種生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、可靠且易于控制，因此，如何通過篩選和有效控制最少的激光參數(shù)來達到最大控制激

17、光焊接結(jié)果的目的17，則顯得非常重要。(2) 先進工藝方法研究一輛汽車的車身和底盤由數(shù)百種以上的零件組成，采用激光焊接可以把很多不同厚度、牌號、種類、等級的材料焊接在一起，制成各種形狀的零件，大大提高汽車設(shè)計的靈活性18。激光焊接汽車零件（特別是車身件）復(fù)雜性和多樣性的特點，也為激光焊接新方法的不斷涌現(xiàn)提供了動力和廣闊的發(fā)展空間。自激光焊接首次用于汽車工業(yè)以來，除激光傳導(dǎo)焊、激光深熔焊、激光硬纖焊、激光軟纖焊外，又相繼問世了激光雙光束焊接（LDBW）、激光填絲焊（LFW）、激光復(fù)合焊（HLW）、遠程激光焊接（LRW）等新的焊接方法19。每種激光焊接方法的機理、特性及對焊接結(jié)果和焊接性能的影響都

18、需要深入的研究，以使激光焊接加工趨于更加完美，同時也為實際生產(chǎn)中激光焊接技術(shù)應(yīng)用的選擇和創(chuàng)新做必要的準備。（3）性能預(yù)測及質(zhì)量控制能夠有效控制焊接質(zhì)量（形成閉環(huán)控制）和預(yù)測焊接結(jié)果，是焊接研究人員多年的追求。對像激光焊接這樣的快速、精密焊接技術(shù)，形成閉環(huán)控制和預(yù)測焊接結(jié)果尤為重要。激光焊接由于采用計算機控制20，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對形狀特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件實施焊接，也可以完成車頂和側(cè)圍、發(fā)動機架和散熱器架等部件的裝配，如果加上光纖傳輸系統(tǒng)和機械手，就可以進入汽車裝配生產(chǎn)線達到自動化焊接的目的。加工中的閉環(huán)控制可使激光焊接系統(tǒng)幾乎達到完美加工的要求；另一方面，汽

19、車產(chǎn)品質(zhì)量正在邁向更高的近乎完美的水平，也對貢獻于其中的激光焊接技術(shù)盡快實現(xiàn)閉環(huán)控制，提出更迫切的要求。因此，激光焊接加熱過程研究、激光焊接溫度場模擬、激光焊接區(qū)等離子體特性及機理研究21，將對快速預(yù)測激光焊接結(jié)果和有效控制激光焊接質(zhì)量（形成閉環(huán)控制）起到至關(guān)重要的作用，但相關(guān)研究與實際應(yīng)用尚有一段距離。2、攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）由英國的TWI發(fā)明，是一項創(chuàng)新的摩擦焊技術(shù)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)已日趨完善并成功應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船和高速鐵路列車等諸多輕合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，其可焊厚度2100mm。早在1996年，挪威的Mar

20、ine公司和Maritime公司就對船用平板和型材攪拌摩擦焊接流水線制造技術(shù)進行了研究開發(fā)22。2.1攪拌摩擦焊接原理攪拌摩擦焊與傳統(tǒng)摩擦焊相比，都是利用摩擦熱作為焊接熱源，但不同的是，傳統(tǒng)摩擦焊是通過摩擦頂鍛完成焊接的，而攪拌摩擦焊是利用高速旋轉(zhuǎn)和沿焊縫的水平直線運動的攪拌頭對焊接處的材料進行高溫摩擦和攪拌來實現(xiàn)焊接的。攪拌摩擦焊的焊接原理如圖1所示23：其原理是利用一個耐高溫，耐磨損材料制成的攪拌頭插入兩被焊工件接縫處與工件進行摩擦，所產(chǎn)生的熱量使攪拌頭周圍的金屬達到塑性軟化狀態(tài)。隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)并沿焊縫前進，塑性金屬在攪拌針攪拌力的作用下發(fā)生從前到后的流動，兩被焊工件的塑性金屬混合在一起發(fā)

21、生再結(jié)晶，實現(xiàn)連接，形成固態(tài)焊縫24-26。在整個焊接過程中攪拌頭的周圍材料一直處于熱塑性狀態(tài)而沒有溶化，因此，利用攪拌摩擦焊焊接可以避免很多傳統(tǒng)熔化焊中出現(xiàn)的焊接缺陷。但在焊接過程中，攪拌針所在處形成小孔，小孔在隨后的焊接過程中又被填滿，最后在焊縫末端形成匙孔27。在攪拌摩擦焊過程中，攪拌針的長度略小于焊縫的深度，其作用是對接頭處的金屬進行摩擦及攪拌；而攪拌頭上圓柱形的軸肩主要用于與工件表面摩擦產(chǎn)生熱量，防止焊縫處的塑性金屬向外溢出，同時可以清除焊件表面上的氧化膜。攪拌摩擦焊區(qū)別于其他焊接方法的最大特點在于它是一種固相連接技術(shù)，焊接溫度沒有超過被焊金屬的熔點，沒有出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，所以避免了許多

22、熔化焊過程中產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、氣孔等。2.2攪拌摩擦焊接的主要工藝特點（1）保持母材的冶金性能，接頭力學(xué)性能好由于攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，焊縫金屬只達到塑性狀態(tài)，沒有熔化，因此接頭中不會出現(xiàn)熔化焊中的焊接缺陷，因此可以焊接用熔化焊方法難以焊接的材料，如2XXX，7XXX系列的鋁合金28；攪拌摩擦焊焊縫金屬的晶粒細化，形成細小等軸晶，并且合金元素沒有蒸發(fā)和燒損，沒有改變合金的成分及相組成，因此接頭的力學(xué)性能好。焊前不需要進行嚴格的表面清理，并且焊接工作環(huán)境好，無煙塵，無飛濺，噪音小。(2) 不需添加焊接材料在攪拌摩擦焊焊接時不需要添加焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑和保護氣體等，是因為攪

23、拌摩擦焊是通過攪拌頭與焊件之間的摩擦和攪拌作用實現(xiàn)兩部分工件的連接。攪拌摩擦焊中的攪拌頭是唯一的消耗品，但一個工具鋼攪拌頭可以焊接數(shù)百米長的鋁合金焊縫。(3) 接頭變形小，殘余應(yīng)力小由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，不存在熔化焊過程中焊縫處大范圍的熱塑性變形過程，因此焊后接頭處的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊的小很多，不需要進行焊后冷、熱校形，降低了焊接成本。攪拌摩擦焊可以基本實現(xiàn)板件的低應(yīng)力無變形焊接。(4) 可實現(xiàn)異種材料連接，可焊熱裂紋敏感材料攪拌摩擦焊技術(shù)可實現(xiàn)鑄件與擠壓件，金屬與非金屬材料等異種材料的連接，可以焊接熱裂紋敏感的材料，如鋅、鋁等，是因為攪拌摩擦焊是固相連接方法，可以避免熔化焊時形

24、成的液化裂紋或結(jié)晶裂紋。(5) 接頭形式多，不需開專門坡口隨著攪拌摩擦焊研究的不斷深入，其可實現(xiàn)仰焊和俯焊，適用于多種接頭形式的焊接，如對接，搭接，角接等接頭，如圖2所示，甚至可以焊接多層材料或厚度變化的結(jié)構(gòu)。（6）焊接效率高攪拌摩擦焊技術(shù)的焊接設(shè)備較簡單，焊接工藝參數(shù)少，不需要添加材料及保護氣體，因此易實現(xiàn)全位置的自動化焊接，使焊接能量得到最有效的利用。在攪拌摩擦焊過程中是靠攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和沿焊縫移動實現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比以往的焊接方法更方便，更節(jié)能，非常適用于大型板件的焊接，如船板、框架、平臺等。但隨著攪拌摩擦焊技術(shù)研究的不斷深入，其缺點也在逐步被發(fā)現(xiàn)及改進，攪拌摩擦焊的不足之處有：（a

25、）攪拌摩擦焊的被焊工件需要剛性固定，防止焊接過程中焊件間隙變大；（b）被焊工件的背面必須有墊板，防止焊縫塑性金屬塌陷，焊穿；（c）當焊接工藝參數(shù)選擇不當時，焊縫會產(chǎn)生一些熔化焊過程中不會出現(xiàn)的缺陷，如飛邊、溝槽、隧道等缺陷。近些年來，為了彌補上述的不足，研究人員發(fā)明了很多新的攪拌焊接方法，如激光輔助攪拌摩擦焊，無匙孔攪拌摩擦焊，復(fù)合攪拌摩擦焊等29。二、特種鑄造技術(shù)鑄造是一種液態(tài)金屬成型的方法。在各種鑄造方法中，用得最普遍的是砂型鑄造，這是因為砂型鑄造，不僅鑄件生產(chǎn)批量的大小，而且鑄件的形狀、尺寸、重量及合金種類等幾乎都不受限制30。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高以及人類社會

26、生活的需要，對鑄造生產(chǎn)提出了一系列 新的、更高的要求，歸納起來，主要有如下三個方面：（1）要求大量生產(chǎn)同類型、高質(zhì)量而且穩(wěn)定的鑄件，進一步提高鑄件的表面光潔程度、尺寸精度以及內(nèi)在質(zhì)量和機械性能；（2）進一步簡化生產(chǎn)工藝過程，縮短生產(chǎn)周期，便于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程機構(gòu)化、自動化，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件；（3）減少生產(chǎn)原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。為了適應(yīng)上述的要求，近年來，在鑄造技術(shù)中出現(xiàn)了一些新型的工藝和方法，主要是：連續(xù)定向凝固技術(shù)和復(fù)合鑄造技術(shù)。2.1連續(xù)定向凝固傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)為金屬的凝固理論研究以及新型高溫合金的發(fā)展提供了一個極其有效的手段31，但是用傳統(tǒng)的定向凝固方法得到的鑄件（或

27、鑄錠）的長度是有限的，在鑄錠的頂部也就是最后凝固的部分易出現(xiàn)等軸晶，且晶粒粗大。為此開發(fā)出連續(xù)定向凝固技術(shù)，它綜合了連續(xù)鑄造和定向凝固的優(yōu)點，又相互彌補了各自的缺陷和不足，從而可以得到具有理想定向凝固組織、任意長度和斷面形狀的鑄錠。它的出現(xiàn)標志著定向凝固技術(shù)進入了一個新的階段。連續(xù)定向凝固技術(shù)在銅及鋁的單晶線材連續(xù)生產(chǎn)中獲得成功，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對傳輸電纜的保真特性提出越來越高的要求。音像電纜的信號保真性更為重要。多晶電纜中的晶界，特別是垂直于導(dǎo)電方向的晶界，相當于一連串電容，對視頻與音頻信號具有很強的衰減作用。隨著音響設(shè)備和高清晰度電視技術(shù)的發(fā)展，對單晶電纜的需求日益增加。因此，

28、單晶材料連續(xù)定向凝固技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。連續(xù)定向凝固技術(shù)的發(fā)展雖然只有20余年的時間，但發(fā)展速度很快，在日本已經(jīng)投入小批量的工業(yè)生產(chǎn)。在加拿大、美國、韓國、中國等都開展了這一技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究。（1）連續(xù)定向凝固的原理1978年日本千業(yè)工業(yè)大學(xué)教授大野篤美在晶粒型壁游離形核理論的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新的定向凝固方法Ohno Continuous Casting（簡稱 OCC法），即連續(xù)定向凝固法。OCC法的理論基礎(chǔ)是大野篤美長期研究金屬凝固過程中等軸晶的形成機制所提出的“游離形核理論”。20世紀60年代末，大野篤美在研究Chalmers提出的等軸晶“結(jié)晶游離”理論時，證實了等軸晶的形成不是由

29、熔液整體過冷（constitutional super cooling）引起，而主要是由鑄型表面形核分離，帶入熔液內(nèi)部，以及枝晶斷裂或重熔引起32。因而控制凝固組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是控制鑄型表面的形核過程。連續(xù)定向凝固的基本原理是：在連續(xù)定向凝固過程中對鑄型進行加熱，使它的溫度高于被鑄金屬的凝固溫度，并通過在鑄型出口附近的強制冷卻，或同時對鑄型進行分區(qū)加熱與控制，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起沿拉坯方向的溫度梯度，從而使熔體形核后沿著與熱流（拉坯方向）相反的方向，按單一的結(jié)晶取向進行凝固，獲得連續(xù)定向結(jié)晶組織（連續(xù)柱狀晶組織），甚至單晶組織。因此，OCC法技術(shù)與傳統(tǒng)連鑄技術(shù)的根本區(qū)別在于其鑄型是加熱

30、的，而不是冷卻的，如圖3所示：傳統(tǒng)的連鑄過程，金屬或合金液首先在鑄型的急冷作用下凝固，并逐漸向中心生長。因此，在最后凝固的鑄錠中心易產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松及低熔點合金元素與雜質(zhì)元素的偏析。而OCC法連鑄過程中鑄型溫度高于金屬或合金液的凝固溫度，鑄型只能約束金屬或合金液的形狀，而不會在其表面發(fā)生金屬的凝固。凝固界面通常是凸向液相的。這一凝固界面形態(tài)利于獲得定向或單晶凝固組織。OCC法技術(shù)的核心是避免凝固界面附近的側(cè)向散熱，維持很強的軸向熱流，保證凝固界面是凸向液相的。維持這樣的導(dǎo)熱條件需要在離開凝固界面的一定位置進行強制冷卻。由于OCC法依賴于固相的導(dǎo)熱，適用于具有較大熱導(dǎo)率的鋁合金及銅合金。同時

31、，由于隨著鑄錠尺寸的增大，固相導(dǎo)熱的熱阻增大，維持某一散熱條件變得更加困難，因此OCC技術(shù)對鑄錠的尺寸有一定的限制，它只適用于小尺寸的鑄錠。（2）連續(xù)定向凝固的特點鑄型出口端與冷卻區(qū)有懸殊的溫差和高的溫度梯度，鑄型內(nèi)金屬液的熱流主要沿拉鑄方向單向傳輸，滿足定向凝固的條件，可以得到完全單方向凝固的無限長柱狀組織。對其工藝進行優(yōu)化控制使其有利于晶粒的淘汰生長，則可實現(xiàn)單晶的連續(xù)鑄造。OCC法固相與鑄型之間始終有液相隔離，摩擦力小，所需牽引力也小，利于進行任意復(fù)雜形狀截面型材的連鑄；同時，鑄錠表面的自由凝固使其呈鏡面狀態(tài)。因此，OCC法是一種近終形連鑄生產(chǎn)的技術(shù)，可用于那些通過塑性加工難于成形的硬脆

32、合金及金屬間化合物等線材、板材及復(fù)雜管材的連鑄。凝固過程中固液界面始終凸向液相，有利于凝固過程析出的氣體及夾雜進入液相。因此，氣孔、夾渣等缺陷較少；同時，鑄錠中心先于表面凝固，不存在鑄錠中心補縮困難問題。因而可得到無縮孔、縮松等缺陷，組織致密的鑄錠。鑄錠中缺陷少，組織致密，消除了橫向晶界，因而，塑性加工性能好，是生產(chǎn)超細、超薄精細產(chǎn)品的理想坯料。連續(xù)定向凝固鑄坯具有優(yōu)異的延展性，有利于后續(xù)的冷加工。延展性優(yōu)異的原因是柱狀晶取向與冷加工延伸方向一致，不容易產(chǎn)生垂直于加工方向的橫向裂縫。同時抗腐蝕及抗疲勞性能均得到大幅度改善，導(dǎo)電性能優(yōu)異，是生產(chǎn)高保真電纜的優(yōu)質(zhì)材料。2.2復(fù)合鑄造技術(shù)復(fù)合鑄造是指

33、將兩種或兩種以上具有不同性能的金屬材料鑄造成為一個完整的鑄件，使鑄件的不同部位具有不同的性能，以滿足使用的要求。通常是一種合金具有較高的力學(xué)性能，而另一種或幾種合金則具有抗磨、耐蝕、耐熱等特殊使用性能33。常見的復(fù)合鑄造工藝有鑲鑄工藝、重力復(fù)合鑄造、離心復(fù)合鑄造34，近年來還出現(xiàn)了技術(shù)更為先進的水平磁場制動復(fù)合連鑄法（LMF）、包覆層連續(xù)鑄造法（CPC）、電渣包覆鑄造法（ESSLM）、反向凝固連鑄復(fù)合法、復(fù)合線材鑄拉法、雙流連鑄梯度復(fù)合法、雙結(jié)晶器連鑄法、充芯連鑄法（CFC法）等復(fù)合鑄造新技術(shù)和新工藝。（1）水平磁場制動復(fù)合連鑄法（LMF）利用溫度計檢驗和磁流體動力學(xué)分析的方法，研究安裝在結(jié)晶

34、器上的水平磁場（LMF）所產(chǎn)生的磁場對鋼液在結(jié)晶器中流動的影響，發(fā)現(xiàn)LMF可以抑制結(jié)晶器內(nèi)化學(xué)成分的混合程度，導(dǎo)致了一種新的復(fù)合鋼坯連鑄工藝概念的形成，即水平磁場制動復(fù)合連鑄工藝。在這種新工藝中，結(jié)晶器中的不同鋼液通過水平磁場的作用實現(xiàn)分離，并且凝固成復(fù)合鋼坯。用LMF方法生產(chǎn)復(fù)合鋼坯的連鑄工藝如圖4所示：圖4中，水平磁場安裝在結(jié)晶器的下部，兩種不同化學(xué)成分的金屬液分別通過長型和短型的浸入式澆口同時注入結(jié)晶器的上部和下部。如果沒有水平磁場的作用，從兩個澆口流出的兩種金屬液會造成混合。有了水平磁場，它的制動力會對垂直穿過水平磁場的鋼液流產(chǎn)生作用，從而阻止兩種金屬液的混合。根據(jù)磁流體動力學(xué)的原理，

35、在結(jié)晶器中形成以水平磁場為界的上下兩部分。冷卻仍然采用水冷銅結(jié)晶器和出結(jié)晶器后噴水冷卻兩種方式。位于結(jié)晶器上部的熔融鋼液凝固形成復(fù)合鋼坯的外層，位于結(jié)晶器下部的鋼液凝固成復(fù)合鋼坯的芯部。（2）包覆層連續(xù)鑄造法（CPC）軋鋼技術(shù)的發(fā)展要求軋輥具有更高的強韌性和耐磨性，因此近年來歐美和日本不斷采用新的軋輥制造工藝，如CPC、Osprey、HIP、CBC、ESR、CIC等方法，使生產(chǎn)的復(fù)合軋輥的強韌性和耐磨性顯著提高。其中，包覆層連續(xù)鑄造法（Continuous Pouring Process for Cladding，CPC）工藝簡單，復(fù)合性能好，生產(chǎn)成本低。CPC法的原理如圖5所示：將軋輥輥芯材

36、料1垂直地放于水冷紫銅的結(jié)晶器8中，為了減小剛進入結(jié)晶器金屬的冷卻強度，防止出現(xiàn)裂紋，在結(jié)晶器的上部設(shè)置和結(jié)晶器同軸心的石墨隔離環(huán)7。將金屬液4澆注到配置在結(jié)晶器和隔離環(huán)上方的耐火材料澆口杯6和輥芯材料之間，使外層金屬液和輥芯熔合，并順序向上凝固，將凝固部分連續(xù)向下拉拔，實現(xiàn)連續(xù)鑄造包覆輥外層9。為了實現(xiàn)輥芯金屬和外層金屬的冶金結(jié)合，需要控制外層金屬液的溫度，因此在耐火材料澆口杯的外面設(shè)置感應(yīng)加熱線圈5。為了實現(xiàn)輥芯金屬和外層金屬的良好復(fù)合，需要預(yù)熱輥芯材料，防止輥芯材料進入外層金屬液時的溫度太低，因此在輥芯材料的外面設(shè)置感應(yīng)熱線圈3。為了防止輥芯在進入外層金屬液之前被氧化，導(dǎo)致輥芯金屬和外層

37、金屬的復(fù)合質(zhì)量下降，需要在輥芯材料的外面涂一層防氧化涂料2。CPC法的關(guān)鍵技術(shù)包括以下兩個方面，溫度的正確設(shè)定、匹配與控制和輥芯防氧化。CPC法對于解決外層金屬復(fù)合的完整性有著獨到的優(yōu)勢，而在實際生產(chǎn)中產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了保證，但對設(shè)備的能力、廠房條件的要求也比較高，對操作工人的能力和實際操作水平要求較高，且這種方法只適用于單件小批量生產(chǎn)。三、特種壓力加工壓力加工又稱為塑性成形技術(shù)，是金屬加工的重要方法之一，它是利用一些工具或模具使金屬材料在一定的外力作用下獲得一定形狀及一定力學(xué)性能的工藝35。通常分為軋制和鍛壓兩大類，前者是冶金工業(yè)中生產(chǎn)型材、板材、管材的加工方法，后者是機械制造領(lǐng)域內(nèi)生產(chǎn)零件

38、或坯料的加工方法。鍛壓工藝是一門古老的技術(shù)，人們很早就利用金屬塑性變形的規(guī)律，采取合理的技術(shù)措施，將金屬材料在固態(tài)下成形，制成各種工具、兵器、農(nóng)具、日用品和機器36。在工業(yè)革命中，這種古老的工藝在制造業(yè)中發(fā)揮重要作用的同時，其本身也得到了長足的發(fā)展。目前，由于產(chǎn)品的更新?lián)Q代日趨頻繁，金屬塑性加工正朝著復(fù)雜化、多樣化、高性能、高質(zhì)量方向發(fā)展，因此各工業(yè)部門對生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展也提出了愈來愈高的要求，鍛壓工藝的設(shè)計方法和手段也在不斷地更新和發(fā)展。今些年來出現(xiàn)了以粉末鍛造、復(fù)合塑性成形、連續(xù)擠壓成型等為代表性的一系列新型壓力加工工藝方法。3.1粉末鍛造粉末鍛造是將粉末冶金和精密模鍛相結(jié)合的工藝，綜合了二

39、者的優(yōu)點。能以較低的成本和較高的生產(chǎn)率實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。能夠生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件。粉末鍛造（簡稱粉鍛）的研究，實際上起源于20世紀60年代初期。1964年美國GM公司研究了粉末鍛造汽車連桿，同年英國GKN公司對粉末鍛造材料、工藝及預(yù)成形坯的力學(xué)物理性能進行了研究。1970年在紐約召開的第三屆國際粉末冶金會議，對粉末鍛造的發(fā)展起了很大的推動作用。美國粉末鍛造一直處于領(lǐng)先地位，我國從1972年開始粉末鍛造工藝的研究，先后有數(shù)十個單位從事開發(fā)研究，先后建成三條生產(chǎn)線生產(chǎn)齒輪、密封環(huán)等多種零件，能力達100萬件以上。目前，正在不斷擴大粉鍛工藝的研究與應(yīng)用37。（1）粉鍛工藝過程粉末鍛造

40、工藝，通?？煞譃榉勰╁懺?，燒結(jié)鍛造，鍛造燒結(jié)和粉末冷鍛。具體工藝過程如圖6所示，與普通鍛造不同，粉鍛毛坯采用的是粉末預(yù)成形坯。由于冷鍛提高毛坯的密度十分困難，因而常采用熱鍛。對于粉末燒結(jié)鍛造工藝，其前期工序為傳統(tǒng)的粉末冶金生產(chǎn)方法，后期工序為鍛造成形。(2) 粉鍛工藝的特點粉末鍛造屬于無飛邊閉式精密成形，材料利用率高，顯著減少后續(xù)加工工作量。粉末制品零件幾何形狀準確，表面光潔，尺寸精度高，且在大批量生產(chǎn)中零件的一致性好。制件可以由不同粉料混合制成，也可使制件的不同層面具有不同的金屬成分，甚至可以制造鉆石級硬度的零件。工模具磨損減小，使用壽命長。噪聲低，熱輻射減少，改善勞動條件。粉末冶金鍛造工藝

41、雖有許多優(yōu)點，但也有一些不足之處，如零件的大小和形狀還受到一些限制；粉末價格還比較高；零件的韌性較差等。但這些問題隨著粉末冶金和鍛造技術(shù)的發(fā)展，正在逐步解決。隨著粉末冶金和鍛造技術(shù)的進展，其應(yīng)用范圍正在不斷擴大，技術(shù)經(jīng)濟效益將越來越顯著。(3)粉末鍛造的應(yīng)用粉末鍛造在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，主要用來制造高性能的粉末制品，尤其是在汽車制造工業(yè)中應(yīng)用更突出。例如汽車發(fā)動機中的連桿、齒輪、氣門座、氣門挺桿、交流電機轉(zhuǎn)子、啟動齒輪和環(huán)形齒輪；手動變速器中的轂套、倒車空套齒輪、離合器、軸承座圈和同步器中各種齒輪；底盤中的后軸承蓋、扇形齒輪、萬向軸節(jié)、側(cè)齒輪、輪轂、傘齒及環(huán)形輪等近百種復(fù)雜零件適合于采用粉末鍛

42、造工藝生產(chǎn)。其中齒輪和連桿是最能發(fā)揮粉末鍛造優(yōu)點的兩大類零件。這兩類零件均要求有良好的動平衡性能，要求具有均勻的材質(zhì)分布，這正是粉末鍛件特有的優(yōu)點。3.2軋制復(fù)合成形復(fù)合塑性成形技術(shù)指將不同種類的塑性加工方法組合起來，或?qū)⑵渌饘俪尚畏椒ǎㄈ玷T造、粉末冶金等）和塑性加工方法結(jié)合起來使用，使變形金屬在外力作用下產(chǎn)生流動和變形，從而得到所需形狀、尺寸和性能的制品的加工方法。在塑性成形技術(shù)的發(fā)展過程中，復(fù)合化一直是一種技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑，其特點是在成形過程中將原來分屬不同范疇的加工方法組合起來使用，其目的是節(jié)約材料和能源，減少加工難度和加工工序，提高零件的加工精度，盡可能做到無切削（即凈形Net S

43、hape）或少切削，提高勞動生產(chǎn)率和降低成本38，以滿足日益發(fā)展的工業(yè)和社會需求。軋制復(fù)合法主要用于雙金屬板以及減振鋼板、鋁塑復(fù)合板的成形。軋制復(fù)合時，按照坯料是否加熱，可分為熱軋復(fù)合、冷軋復(fù)合和溫軋復(fù)合三種。此外還有一種利用爆炸成形進行接合（焊接），然后進行軋制成形的方法。熱軋復(fù)合先將金屬板的接合面仔細清洗干凈,為了提高界面的接合強度，還可對接合面進行打磨，提高其粗度。軋制坯的制備主要有如圖7所示的兩種方式:其中圖7(a) 為單一復(fù)合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;圖7（b）為組合型復(fù)合坯的情形，適合于復(fù)合層與基體板材在厚度或變形抗力上相差較大的情形。在保持內(nèi)部

44、為真空的條件下將組合坯的四周焊合成一體。為了便于在復(fù)合后將上下復(fù)合板分開，需在兩組復(fù)合坯之間涂覆耐熱化合物，以防止軋制時產(chǎn)生焊合。然后對復(fù)合坯進行加熱軋制，直至所需厚度。當界面較清潔時，一般只需百分之幾的壓下率即可實現(xiàn)有效接合，獲得高性能的復(fù)合界面。熱軋復(fù)合法的缺點在于：當被復(fù)合的材料為鋁、鈦等活性金屬時，易在界面生成脆性金屬間化合物；由于坯料的長度受限制，軋制后切頭剪邊部分所占比例較大，對成品率影響較大。冷軋、溫軋復(fù)合與熱軋復(fù)合相比，冷軋復(fù)合時界面接合較困難。但由于無加熱所帶來的界面氧化，不易在界面生成化合物，無需真空焊接等坯料前處理工藝措施，因而金屬組合的自由度大，適應(yīng)面廣。冷軋復(fù)合的一般

45、方法如下。軋制前先將接合面的油脂、氧化物除去，然后將被復(fù)合的材料疊在一起進行軋制。為了獲得較好的界面接合，軋制壓下率通常需要在70以上。由于冷軋復(fù)合的前處理與軋制均較容易實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，故可使用卷狀坯料（板卷），以提高生產(chǎn)率與成品率。但冷軋復(fù)合時的界面幾乎沒有擴散效果，要達到完全接合很困難。因此，往往在冷軋復(fù)合后施以擴散熱處理，提高復(fù)合材料的界面接合強度。此外，對于冷軋接合較困難的材料，亦可在軋制復(fù)合前進行適當?shù)募訜幔床捎脺剀垙?fù)合的辦法。圖8為帶軋前連續(xù)加熱（低溫），軋后在線連續(xù)擴散熱處理設(shè)備的軋制復(fù)合生產(chǎn)線。爆炸焊接軋制成形法 有些金屬在常溫或低溫下不容易軋制接合，而采用高溫軋制復(fù)合法又存在

46、坯料前處理復(fù)雜、成品率低，或金屬之間易發(fā)生反應(yīng)而形成脆性化合物等缺點。若采用爆炸成形法進行復(fù)合（焊合），然后再采用常規(guī)軋制法（冷軋或熱軋）進行加工可以解決上述問題。爆炸焊接的原理如圖9所示，基板平放在沙土堆上，覆層板通過軟質(zhì)支撐呈一定角度（13）支撐在基板上方，覆層板與基板之間的間隔（利于形成沖擊）大約與覆層板的厚度相等即可。炸藥均勻堆放在覆層板上面，通過引爆在起爆端的雷管，利用爆炸的巨大沖擊力以及爆炸位置的迅速和連續(xù)傳播，在很短的時間（通常為零點幾秒）內(nèi)即可完成整個焊接復(fù)合過程。爆炸成形是一種高能高速成形，其瞬時接合壓力可高達104MPa以上，因而可使界面兩側(cè)的原子達到很近的距離，加上接合過

47、程中伴隨有塑性變形，有利于界面接合。雖然焊接過程中伴隨有高溫的產(chǎn)生，但由于復(fù)合在很短的時間內(nèi)完成，能很好地抑制活性金屬之間的化學(xué)反應(yīng)。四、材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向4.1材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢，可以概括為三個綜合，即過程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合。過程綜合主要包括兩個方面的含義，其一是指材料設(shè)計、制備、成形與加工的一體化，各個環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)越來越緊密；其二是指多個過程（如凝固與成形）的綜合化，或稱短流程化，如噴射成形技術(shù)、半固態(tài)加工技術(shù)、鑄軋一體化技術(shù)等。技術(shù)綜合是指材料加工工程越來越發(fā)展成為一門多種技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)，尤其體現(xiàn)為制備、成形、加工技術(shù)與計算機技術(shù)

48、（計算機模擬與過程仿真）、信息技術(shù)的綜合，與各種先進控制技術(shù)的綜合等。學(xué)科綜合則體現(xiàn)為傳統(tǒng)三級學(xué)科（焊接、鑄造、壓力加工）之間的綜合，與材料物理與化學(xué)、材料學(xué)等二級學(xué)科的綜合，與計算機科學(xué)、信息工程、環(huán)境工程等材料科學(xué)與工程學(xué)科以外的其他一級學(xué)科的綜合。其中，與材料科學(xué)與工程的其他二級學(xué)科的綜合的最大特點是，各二級學(xué)科之間的界限越來越不明顯，學(xué)科滲透與相互依賴性越來越強。從一定意義上來講，學(xué)科綜合的發(fā)展趨勢起因于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求“按照使用要求來設(shè)計材料的性能”的特點。例如，要研制（生產(chǎn)）一種新材料，或加工一種新產(chǎn)品，需要綜合研究和解決材料設(shè)計、材料的組成與結(jié)構(gòu)、材料制備與加工工藝、材料服

49、役行為（包括與環(huán)境的交互作用）、材料的保護與再利用等一系列問題，既包括材料科學(xué)與工程的所有二級、三級學(xué)科問題，也包括計算機科學(xué)技術(shù)、控制工程等其他一級學(xué)科問題。由于上述材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢，可以預(yù)見，在今后較長一段時間內(nèi)，材料與加工技術(shù)的發(fā)展將具有以下兩個主要特征：（1）性能設(shè)計與工藝設(shè)計的一體化。（2）在材料設(shè)計、制備、成形與加工處理的全過程中對材料的組織性能和形狀尺寸進行精確控制。4.2材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向基于上述材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢和特征，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)的材料成形與加工模式，工藝環(huán)節(jié)，實

50、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過程合二為一，實行精確控制，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，國外鋁合金和鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段。鋁合金半固態(tài)成形方法主要有流變壓鑄、觸變壓鑄、觸變鍛造等；而鎂合金半固態(tài)成形的成熟技術(shù)目前只有半固態(tài)觸變注射成形（thixomolding）技術(shù)。半固態(tài)加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向是在高熔點的鋼鐵材料和鈦合金中的應(yīng)用。鈦合金用途廣泛，但成形加工困難，開發(fā)鈦合金半固態(tài)加工技術(shù)具有重要的實際意義。連續(xù)鑄軋是一種將金屬熔體直接軋制成薄帶坯或成品帶材的

51、工藝，自20世紀50年代以來已在鋁合金等有色金屬帶材生產(chǎn)上獲得廣泛應(yīng)用。其進一步的發(fā)展方向是高速高精度、擴大品種規(guī)格以及在鋼鐵材料生產(chǎn)上的應(yīng)用。(2) 發(fā)展先進的成形加工技術(shù)，實現(xiàn)組織與性能的精確控制。發(fā)展先進的成形加工技術(shù)，實現(xiàn)組織與性能的精確控制，可以提高傳統(tǒng)材料的使用性能，改善難加工材料的加工性能，開發(fā)高附加值材料。例如，發(fā)展非平衡凝固技術(shù)、電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)，可在材料的制備過程中通過冷卻速度的控制或附加外場的作用，改善材料的組織，大幅度地提高材料的性能。應(yīng)用等溫成形技術(shù)、低溫強加工技術(shù)，可通過對成形加工過程和工藝參數(shù)（溫度、變形程度等）的精確控制，精確控制材料的組織與性能，或發(fā)

52、展難加工材料與難成形零部件的成形加工技術(shù)，提高材料（零部件）的附加價值。發(fā)展先進層狀復(fù)合材料成形、先進超塑性成形等技術(shù)，有利于發(fā)展新材料，促進新材料的應(yīng)用。激光焊接、電子束焊接、擴散焊接、摩擦焊接等先進連接技術(shù)的發(fā)展，解決了高性能先進材料的連接技術(shù)難題，其應(yīng)用范圍將不斷擴大。世紀年代初出現(xiàn)的攪拌摩擦焊接技術(shù)在熔融焊接困難（如金屬基復(fù)合材料）或焊縫質(zhì)量要求特別嚴格（如航空航天與軍事領(lǐng)域）的材料連接等方面，具有潛在的應(yīng)用前景。(3) 材料設(shè)計（包括成分設(shè)計、性能設(shè)計與工藝設(shè)計）、制備與成形加工一體化。發(fā)展材料設(shè)計、制備與成形加工一體化技術(shù)，可以實現(xiàn)先進材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。典型的

53、技術(shù)有噴射成形、粉末注射成形、激光快速成形等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷、復(fù)合材料、梯度功能材料零部件制備技術(shù)的研究熱點。（4）開發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料和新制品。大塊非晶合金制備與應(yīng)用技術(shù)、連續(xù)定向凝固成形技術(shù)、電磁約束成形技術(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，是近年來開發(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（零部件）的制備與加工方面具有各自的特色，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。采用金屬氣體共晶定向凝固方法（也稱Gasar法）制備的規(guī)則多孔金屬材料，與傳統(tǒng)的燒結(jié)或發(fā)泡劑法制備的多孔材料相比，具有孔隙內(nèi)表面

54、光滑，呈圓柱狀，沿凝固方向規(guī)則排列的特點，使其力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、過濾能力等大幅度提高，應(yīng)用前景良好。先進包覆材料的用途越來越廣，但現(xiàn)有各種制備方法具有工藝復(fù)雜，界面質(zhì)量控制困難，生產(chǎn)成本較高等缺點。與規(guī)?；?、專業(yè)化連續(xù)成形與加工技術(shù)適合于批量生產(chǎn)相反，為了滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對材料或零部件需求的多樣性，一種適合于多品種、小批量的新型成形加工技術(shù)增分成形（incremental forming或稱逐步成形）技術(shù)得到迅速發(fā)展，以板成形為代表的增分成形技術(shù)已經(jīng)達到實用化水平。（5）發(fā)展計算機數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)，構(gòu)筑完善的材料數(shù)據(jù)庫。計算機數(shù)值模擬、過程仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，對材料加工技術(shù)的研究和發(fā)展

55、起到了重要的促進作用。而發(fā)展計算機數(shù)值模擬、過程仿真技術(shù)的最終目的是為了優(yōu)化成形加工方法和工藝，實現(xiàn)對制備、成形與加工全過程的精確設(shè)計與精確控制。需要強調(diào)的是，為了提高數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)的廣泛適用性、結(jié)果可靠性，構(gòu)筑系統(tǒng)、全面、通用性強的材料數(shù)據(jù)庫是必不可少的。有些國家大約從20世紀80年代起就已經(jīng)有計劃、有步驟地開始了這方面的工作，而國內(nèi)相關(guān)的工作落后較多，尚未引起足夠的重視。（6）材料的智能制備與成形加工技術(shù)。綜合利用計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和先進控制技術(shù)，開發(fā)將材料組織性能設(shè)計、零部件設(shè)計、材料制備與成形加工過程的實時在線監(jiān)測和反饋控制融為一體的材料智能制備加工技術(shù)，是20世紀90年代

56、初開始出現(xiàn)的研究課題。發(fā)展材料智能制備與加工技術(shù)，可大大提高材料制備的可靠性和穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率，有效減少原材料的消耗及廢棄物的排放。因此，這一方向被認為是21世紀前期材料制備與加工新技術(shù)中最富潛力的前沿研究方向。總而言之，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進了材料加工技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，也促進了新材料設(shè)計與制備加工工藝時代的到來。而另一方面，以資源、能源、環(huán)境等為代表的可持續(xù)發(fā)展問題，是人類進入21世紀后社會發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。因此，不僅對于傳統(tǒng)材料加工技術(shù)的發(fā)展，還是對于新技術(shù)新工藝的開發(fā)與應(yīng)用，節(jié)能、降耗、高效、優(yōu)質(zhì)，是至關(guān)重要的核心關(guān)鍵問題。參考文獻：1 謝建新，等材料加工新技術(shù)與新工藝M北京

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