（完整版）材料先進加工技術(shù)

（完整版）材料先進加工技術(shù)1.快速凝固快速凝固技術(shù)的發(fā)展，把液態(tài)成型加工推進到遠離平衡的狀態(tài)，極大地推動了非晶、細晶、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。近年來快速凝固技術(shù)主要在兩個方面得到發(fā)展：①利用噴射成型、超高壓、深過冷，結(jié)合適當?shù)某煞衷O(shè)計，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70年代初期，美國麻省理工學(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，開辟了強制均勻凝固的先河。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）；后者是對制備好的半固態(tài)坯料進行重新加熱，使其達到半熔融狀態(tài)，然后進行成型，如擠壓成型（稱為半固態(tài)觸變擠壓）3.無模成型為了解決復(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，滿足社會發(fā)展對產(chǎn)品多樣性（多品種、小規(guī)模）的需求，20世紀80年代以來，柔性加工技術(shù)的開發(fā)受到工業(yè)發(fā)達國家的重視。典型的無模成型技術(shù)有增量成型、無摸拉拔、無模多點成型、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，近年來發(fā)展方向主要包括兩個方面：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)，可以實現(xiàn)材料設(shè)計、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年來材料先進制備與成型加工技術(shù)的熱點與主要發(fā)展方向之一。自1990年以來，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)品的銷售額已達到91億美元，其中粉末冶金零件的銷售為64億美元。美國企業(yè)生產(chǎn)的粉末冶金產(chǎn)品占全球市場的一半以上?？梢灶A(yù)見，在較長一段時間內(nèi)，粉末冶金工業(yè)仍將保持較高的增長速率。粉末材料成型加工技術(shù)的研究重點包括粉末注射成型膠態(tài)成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強化燒結(jié)等。6.陶瓷膠態(tài)成型20世紀80年代中期，為了避免在注射成型工藝中使用大量的有機體所造成的脫脂排膠困難以及引發(fā)環(huán)境問題，傳統(tǒng)的注漿成型因其幾乎不需要添加有機物、工藝成本低、易于操作制等特點而再度受到重視，但由于其胚體密度低、強度差等原因，他并不適合制備高性能的陶瓷材料。進入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題，開發(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)振動注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現(xiàn)，受到嚴重重視。原位凝固成形工藝被認為是提高胚體的均勻性，進而提高陶瓷材料可靠性的唯一途徑，得到了迅速的發(fā)展，已逐步獲得實際應(yīng)用。7.激光快速成型激光快速成形技術(shù)，是20實際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)達國家已進入實際應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于國防高科技領(lǐng)域。國內(nèi)激光快速成形起步稍晚于發(fā)達國家，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，具備了通過進一步研究形成自身特色的激光快速成形技術(shù)的條件。8.電磁場附加制備與成型技術(shù)在材料的制備與成形加工過程中，通過施加附加外場（如溫度場、磁場、電場、力場等），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。典型的溫度場附加制備與形加工技術(shù)有熔體過熱處理、定向凝固技術(shù)等；典型的力場附加制備與成形技術(shù)有半固態(tài)加工等；典型的電磁場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)、磁場附加熱處理技術(shù)、電磁振動注射成形技術(shù)等。近年來，有關(guān)電磁場附加制備與成形加工技術(shù)的研究在國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.先進連接技術(shù)①鋁合金激光焊接②鎂合金激光焊接③機器人智能焊接10.表面改質(zhì)改性在材料的使用過程中，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始的。通過涂覆（或沉積、外延生長）表面薄層材料或特殊能量手段改變原材料表面的結(jié)構(gòu)（即對處理進行表面改性），賦予較廉價的體材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用價值和產(chǎn)品的附加值，是數(shù)十年來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，可以概括為三個綜合，即過程綜合、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，可以預(yù)見，在今后較長一段時間內(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、成型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。實際上，第一個特征實現(xiàn)材料技術(shù)的第五次革命、進入新材料設(shè)計與制備加工工藝時代的標志。實現(xiàn)第二個特征則要求具備兩個基本條件：一是計算機模擬仿真技術(shù)的高度發(fā)展；二是材料數(shù)據(jù)庫的高度完備化。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)材料成形與加工模式，工藝環(huán)節(jié)，實現(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)成型方法主要有流變壓鑄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)、低溫強加工技術(shù)、先進層狀復(fù)合材料成形、先進超塑性成形、激光焊接、電子束焊接、復(fù)合熱源焊接、擴散焊接、摩擦焊接等先進技術(shù)，實現(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，開發(fā)高附加值材料。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、制備與成型加工一體化技術(shù)，可以實現(xiàn)先進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。材料設(shè)計、制備與成形加工的一體化，是實現(xiàn)真正意義上的全過程的組織性能精確控制的前提和基礎(chǔ)。4）開發(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的制備與成形技術(shù)加工方面具有各自的特色，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。5）發(fā)展計算機數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)，構(gòu)建完善的材料數(shù)據(jù)庫隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算材料科學(xué)已成為一門新興的交學(xué)科，是除實驗和理論外解決材料科學(xué)中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，基于知識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。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算,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，而焊接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進展。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，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點課題。通過計算機模擬，可深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其各物理化學(xué)過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料成分、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進行材料設(shè)計。計算材料科學(xué)的研究范圍包括從埃量級的量子力學(xué)計算到連續(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個層次：納米級、微觀、介觀及宏觀層次。在國外，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)晶動力學(xué)兩方面研究材料的組織和性能。20世紀90年代鑄造微觀模擬開始由試驗研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展，國內(nèi)的研究雖處于起步階段，但在用相場法研究鋁合金枝晶生長、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)測等方面均已取得重要進展。鍛造過程的三維晶粒度預(yù)測也有進展。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年由美國材料科學(xué)界提出的“第三代”材料成形加工技術(shù)，20世紀90年代以來受到日本等先進工業(yè)國家的重視它通過綜合利用計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和先進控制技術(shù)等，以成分、性能、工藝一體化設(shè)計與工藝控制方法，實現(xiàn)材料組織性能與成形加工質(zhì)量，同時達到縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境負荷的目的。材料的智能化制備與成形