粉末冶金的優(yōu)勢精選(九篇)

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第1篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】粉末冶金歷史 基本工序 粉末冶金優(yōu)勢與不足 趨勢

1 粉末冶金的歷史

粉末冶金發(fā)展經(jīng)歷三個階段：

20世紀初，通過粉末冶金工藝制得電燈鎢絲，被譽為現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的標志。隨后許多難熔金屬材料如鎢、鉭、鈮等都可通過粉末冶金工藝方法制備。1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的誕生更被譽為機械加工業(yè)的一次革命；20世紀30年代，粉末冶金工藝成功制得銅基多孔含油軸承。繼而發(fā)展到鐵基機械零件，并且迅速在汽車、紡織、辦公設(shè)備等現(xiàn)代制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；20世紀中葉以后，粉末冶金技術(shù)與化工、材料、機械等學(xué)科互相滲透，更高性能的新材料、新工藝發(fā)展進一步促進粉末冶金發(fā)展。并使得粉末冶金技術(shù)廣泛應(yīng)用到汽車、航空航天、軍工、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域。

2 粉末冶金的基本工序

（1）粉末的制取。目前制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學(xué)法。機械法是將原材料機械地粉碎，化學(xué)成分基本不發(fā)生變化。物理化學(xué)法是借助化學(xué)或物理作用，改變原材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末。目前工業(yè)制粉應(yīng)用最為廣泛的有霧化法、還原法和電解法；而沉積法（氣相或液相）在特殊應(yīng)用時也很重要。

（2）粉末成型。成型是使金屬粉末密實成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度坯塊的工藝過程。成型分普通模壓成型和特殊成型兩類。模壓成型是將金屬粉末或混合料裝在鋼制壓模內(nèi)，通過模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內(nèi)壓出。特殊成型是隨著各工業(yè)部門和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對粉末冶金材料性能及制品尺寸和形狀提出更高要求而產(chǎn)生。目前特殊成型分等靜壓成型、連續(xù)成型、注射成型、高能成型等。

（3）坯塊燒結(jié)。燒結(jié)是粉末或粉末壓坯，在適當?shù)臏囟群蜌夥諚l件下加熱所發(fā)生的現(xiàn)象或過程。燒結(jié)可分單元系燒結(jié)和多元系固相燒結(jié)。單元系燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點低；多元系固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般介于易熔成分和難熔成分的熔點之間。除普通燒結(jié)外，還有活化燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等特殊的燒結(jié)方法。

（4）產(chǎn)品的后處理。根據(jù)產(chǎn)品的性能要求不同，一般會對燒結(jié)品再進行加工處理。如浸油、精整、切削攻牙、熱處理、電鍍等。

3 粉末冶金的優(yōu)勢與不足

粉末冶金的優(yōu)勢：粉末冶金燒結(jié)是在低于基體金屬的熔點下進行，因此目前絕大多數(shù)難熔金屬及其化合物都只能用粉末冶金方法制造；粉末冶金壓制的不致密性，有利于通過控制產(chǎn)品密度和孔隙率制備多孔材料、含有軸承、減摩材料等；粉末冶金壓制產(chǎn)品的尺寸無限接近最終成品尺寸（不需要機械加工或少量加工）。材料利用率高，故能大大節(jié)約金屬，降低產(chǎn)品成本；粉末冶金產(chǎn)品是同一模具壓制生產(chǎn)，工件之間一致性好，適用于大批量零件的生產(chǎn)。特別是齒輪等加工費用高的產(chǎn)品；粉末冶金可以通過成分的配比保證材料的正確性和均勻性，此外燒結(jié)一般在真空或還原氣氛中進行，不會污染或氧化材料，可以制備高純度材料。

粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如鍛造和一些鑄造零件，如延展性和抗沖擊能力等；產(chǎn)品的尺寸精度雖然不錯，但是還不如有些精加工產(chǎn)品所得的尺寸精度；零件的不致密特性會對后加工處理產(chǎn)生影響，特別在熱處理、電鍍等工藝必須考慮這一特性的影響；粉末冶金模具費用高，一般不適用于小批產(chǎn)品生產(chǎn)。

4 國內(nèi)粉末冶金行業(yè)的趨勢

隨著我國工業(yè)化快速發(fā)展，高附加值的零部件需求將加速增長。此外，隨著全球化采購的產(chǎn)業(yè)鏈形成，帶給國內(nèi)零部件企業(yè)商機顯而易見。因此，如何把握當前機遇，目前粉末冶金行業(yè)應(yīng)該從以下四方面發(fā)展。

（1）進一步提高鐵基粉末冶金產(chǎn)品的密度，擴大粉末冶金件對傳統(tǒng)鍛件的替代范圍。當前，鐵基粉末冶金零件的密度為7.0-7.2g/cm3，而國內(nèi)某企業(yè)通過技術(shù)改進，用傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)和鍛造工藝相結(jié)合的辦法，用較低的成本把鐵基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在這種密度前提下，鐵基粉末冶金已經(jīng)可替代機械、汽車等行業(yè)的大多數(shù)連接件和部分功能件?？紤]粉末冶金工藝本身對材料的節(jié)省和高效特征，此類鐵基粉末冶金件的潛在價值空間可達至千億元。

（2）提高粉末冶金產(chǎn)品的精度、開發(fā)形狀更復(fù)雜的產(chǎn)品。為機械制造、航天汽車、生活家電等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級服務(wù)。此方向主要以降低機械重量、節(jié)能減耗及將設(shè)備小型化、普及化為導(dǎo)向。如使用注射成型零件幾乎不需要再進行機加工，減少材料的消耗，材料的利用率幾乎可以達到100%。

（3）進一步合金化，目標為輕量化和功能化。在鐵基粉末中，混入鋁、鎂及稀土元素等合金粉末，可實現(xiàn)其超薄、輕量化等性能，可廣泛地應(yīng)用電子設(shè)備及可穿戴設(shè)備等與生活密切相關(guān)的領(lǐng)域中。

（4）改善粉末冶金零件的電磁性，目標是對硅鋼和鐵氧體、磁介質(zhì)等材料的取代。以取向硅鋼材料為例，硅鋼的導(dǎo)電原理是加入硅元素后，材料通過減少晶界的方式降低鐵損，特別是取向硅鋼，導(dǎo)向方向是一個單一粗大的晶粒。相比取向硅鋼的一維導(dǎo)電方向，粉末冶金零件可以實現(xiàn)多維導(dǎo)電（各個方向）。目前此技術(shù)已被少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)突破，只要不斷完善，最終達到工業(yè)要求。這種技術(shù)將會廣泛在電機設(shè)備、汽車及機器人智能控制系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用。

參考文獻：

[1]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997（2006.1重?。?1.

第2篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

日前，科技部火炬高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心下發(fā)《關(guān)于認定岳陽精細化工等7家產(chǎn)業(yè)基地為國家火炬特色產(chǎn)業(yè)基地的通知》，批復(fù)認定萊蕪市為國家火炬粉末冶金特色產(chǎn)業(yè)基地。此次批復(fù)的特色基地全國共有7家，其中山東2家。這是繼萊蕪國家新材料高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地之后，獲得的第二個國家級高位區(qū)域創(chuàng)新平臺，也是國內(nèi)粉末冶金領(lǐng)域唯一一家特色產(chǎn)業(yè)基地。萊蕪市已成為全省同時擁有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地和特色產(chǎn)業(yè)基地的六個地市之一。

粉末冶金產(chǎn)業(yè)是萊蕪市的重點優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)，先后承擔國家科技支撐計劃等重點科技計劃項目43項，授權(quán)專利68項，獲省以上科技進步獎8項，其中國家科技進步二等獎1項、省科技進步一等獎1項。擁有省級科技創(chuàng)新平臺8家。32篇，其中國際刊物8篇。全市制粉、制品產(chǎn)能分別為20萬噸和5萬噸，分別占全國的35%和15%。立足這一優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)，萊蕪市從2010年開始著手進行產(chǎn)業(yè)基地的創(chuàng)建工作，先后成立了由市長任組長、分管副市長任副組長、20個部門單位主要負責(zé)人為成員的基地建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，出臺了《關(guān)于加快推進國家火炬萊蕪粉末冶金特色產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)的意見》，與省科學(xué)院在深入調(diào)研基礎(chǔ)上，編制了《粉末冶金特色產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展規(guī)劃（2012-2016）》，積極爭取省科技廳支持，及時向國家科技部推薦認定。在多次向國家科技部匯報爭取，并經(jīng)實地考察、專家答辯后，科技部近期下達了關(guān)批復(fù)。

特色產(chǎn)業(yè)基地是在特定地域內(nèi)，發(fā)揮地方資源和技術(shù)優(yōu)勢，依托一批產(chǎn)業(yè)特色鮮明、關(guān)聯(lián)度大、技術(shù)水平高的高新技術(shù)企業(yè)而建立起來的產(chǎn)業(yè)集群。特色產(chǎn)業(yè)基地的建立，不僅奠定了萊蕪市粉末冶金產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)同行業(yè)中的領(lǐng)先地位，也為萊蕪市粉末冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展打造了高位平臺和響亮品牌，對于吸引高端技術(shù)人才和技術(shù)成果，提高產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)乃至國際同行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)水平，促進和帶動汽車及汽車零部件等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快轉(zhuǎn)方式調(diào)結(jié)構(gòu)，打造“中國粉末冶金城”都具有非常重要的意義。

第3篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

關(guān)鍵詞：高強度，鐵基粉末冶金材料，應(yīng)用

 

在模具設(shè)計前，必須進行粉末冶金制品的形狀設(shè)計。制品壓坯的形狀設(shè)計是保證產(chǎn)品使用要求的情況下，從壓制過程(裝粉、壓制、脫模)、模具壽命、壓坯質(zhì)量等方面來考慮，并對制品圖線形狀作適當?shù)男拚?。本文是將電動工具中原有的鋼制齒輪(材料為40Cr)用粉末冶金材料代替，并針對以下內(nèi)容進行了二次設(shè)計：(1) 在原有鋼制齒輪齒形的基礎(chǔ)上對粉末冶金齒輪的齒形齒廓進行二次設(shè)計；(2) 對實際嚙合的粉末冶金燒結(jié)齒輪的尺寸修正；(3) 粉末冶金齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度的理論校核。

1.齒形齒廓的選擇和計算

選擇齒輪材料應(yīng)考慮如下要求：齒面應(yīng)有足夠的硬度，保證齒面抗點蝕、抗磨損、抗咬合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應(yīng)有足夠的強度和韌性，保證齒根抗彎曲能力。此外，還應(yīng)具有良好的機械加工、熱處理工藝性和經(jīng)濟性等要求。在齒輪傳動機構(gòu)的研究、設(shè)計和生產(chǎn)中，一般要滿足以下兩個基本要求：

1.傳動平穩(wěn)—在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動和噪音盡量小。

2.承載能力大—在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強度高、耐磨性好及壽命長。

由于螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪相比，在使用上有如下優(yōu)點：

1）增大了重迭系數(shù)。由于弧齒錐齒輪的齒線是曲線，在傳動過程中至少有兩個或兩個以上的齒同時接觸，重迭交替接觸結(jié)果，減少了沖擊，使傳動平穩(wěn)，降低了噪音；

2）由于螺旋角的關(guān)系，重迭系數(shù)增大，因而負荷比壓降低，磨損較均勻，相應(yīng)的增大了齒輪的負荷能力，增長了使用壽命；

3）可以實現(xiàn)大的傳動比，小輪的齒數(shù)可以少至五齒；

4）可以調(diào)整刀盤半徑，利用齒線曲率修正接觸區(qū)；

5）可以進行齒面的研磨，以降低噪音、改善接觸區(qū)和提高齒面光潔度；

6）在傳動中產(chǎn)生的軸向推力較大，所以對軸承要求較高，在傳動機構(gòu)中需選用適當?shù)妮S承。

由于上述特點，所以螺旋齒錐齒輪常用于圓周速度較高，傳動平穩(wěn)和噪音較小的傳動中。

通過和直齒錐齒輪的比較，本設(shè)計采用螺旋錐齒輪。計算采用的是等高齒錐齒輪，即從齒的大端到齒的小端齒高是一樣的，這種齒輪的面角、根角和節(jié)角均相等。這樣設(shè)計不僅減少了大部分的計算，而且對于模具的設(shè)計和壓制來說更為有利。螺旋錐齒輪齒形參數(shù)直接影響齒輪的承載能力、輪齒剛度和傳動的動態(tài)特性，各參數(shù)相互影響、相互制約，其選擇的原則是：由各參數(shù)確定的齒形，應(yīng)保證輪齒有較高的彎曲強度和接觸強度，最好符合等強度的設(shè)計原則。輪齒在嚙合時，要求傳動平穩(wěn)，無齒形干涉現(xiàn)象。齒形形狀要力求簡單以便于制造。

1.主、從動錐齒輪傘齒輪齒數(shù)的選擇在選擇齒數(shù)時，應(yīng)盡量使相嚙合的齒輪的齒數(shù)之間沒有公約數(shù)，以便使齒輪在使用過程中各齒之間都能互相嚙合，起到自動磨合的作用。同時，為了得到理想的齒面重疊系數(shù)，大小齒輪的齒數(shù)和應(yīng)不小于40。

2.齒面寬F 的選擇對于等高齒錐齒輪來說：在“奧利康”制等高齒錐齒輪上，由于其延伸外擺線的曲率變化比弧齒錐齒輪的圓弧齒線大，因此，齒面寬不宜過大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 為節(jié)錐距。

3.螺旋角β 的選擇汽車主減速器錐齒輪的螺旋角多在βm=35~40°范圍內(nèi)。為了保證有較大的mF 使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低。依據(jù)經(jīng)驗選βm2=36°。

4.法向壓力角α 的選擇大壓力角可以增加輪齒強度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角使齒頂變尖及刀尖寬度過小，所以在輕負荷工作的齒輪中一般采用小壓力角，可使齒輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低。對于本設(shè)計中的“奧”制齒輪采用的齒面平均壓力角α=17.5°。論文參考網(wǎng)。

5.齒頂高系數(shù)及頂隙系數(shù)齒頂高系數(shù)取ha*=1；頂隙系數(shù)C*=0.25。

2.實際嚙合的粉末冶金燒結(jié)齒輪齒形的修正及校核

壓坯密度對于提高和穩(wěn)定燒結(jié)制品的強度與尺寸精度十分重要。為使壓坯密度均勻，順利脫模，結(jié)合齒輪設(shè)計的特點，對齒形以下幾部分進行了改進：

a.為了增高齒的強度和降低噪聲，同時考慮到實際當中齒形模沖加工的特點，對齒輪的齒頂和齒根的齒形進行了修正。

b.一般壓制成形都是沿著壓坯的軸向進行的。而制品中徑向(橫向)的孔、槽、健、螺紋和倒錐，通常是不能壓制成形的，需要在燒結(jié)后用切削加工來完成的。論文參考網(wǎng)。但本齒輪的鍵槽是軸向的，并不影響壓坯的脫模。

c.從節(jié)省原料和不影響安裝的角度考慮，把原來的三個定位凹坑改成花鍵式，而且不影響脫模，且能節(jié)省原材料。

通過對改進后的齒形進行載荷計算和齒面接觸強度的理論校核，結(jié)果說明所設(shè)計的齒形參數(shù)能夠滿足服役要求。

3.齒輪模擬臺架試驗

將上述材料的大齒輪，分別在100℃、200℃和250℃回火，硬度分別為HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后裝機進行實驗，對磨件為40Cr鋼，硬度HRC48。臺架試驗記錄結(jié)果：

第一套齒輪(硬度HRC43~45)：經(jīng)裝機試驗當試驗到1.5h時，出現(xiàn)聲音異常，拆機檢查，小齒輪打崩二個齒，但大齒輪完好；換上鋼制的小齒輪，淬火硬度HRC42~43，經(jīng)測試10h，機器正常，拆機檢查，磨損正常，即進行第二個項目測試 (空載實驗) 55h，拆機檢查，一切磨損正常，(其中換了一個轉(zhuǎn)子，碳刷3副)；之后進行模擬實驗，運轉(zhuǎn)到10.5h時，機器冒煙，燒機，停止測試，拆機檢查發(fā)現(xiàn)，前軸承爆裂，定轉(zhuǎn)子燒毀，大齒輪打崩一個齒，小齒輪磨損比大齒輪嚴重。經(jīng)分析原因：大齒輪打崩是因為前軸承爆裂，而造成轉(zhuǎn)子亂跳而產(chǎn)生的，是意外發(fā)生的現(xiàn)象，并非齒輪強度問題所造成的，所以其材料可以繼續(xù)試驗。

第二套齒輪(大齒輪硬度HRC38，小齒輪HRC42(材料 40Cr)：進行模擬試驗運轉(zhuǎn)16h時轉(zhuǎn)子燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常，換轉(zhuǎn)子繼續(xù)進行，運轉(zhuǎn)26.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續(xù)進行，運轉(zhuǎn)7.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。再換電機繼續(xù)進行運轉(zhuǎn)12h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續(xù)進行，運轉(zhuǎn)17h時電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。論文參考網(wǎng)。再換電機繼續(xù)進行，運轉(zhuǎn)15h電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。停止試驗。

第三套齒輪(硬度HRC30~32，小齒輪HRC35，大小齒輪均為粉末冶金材料)：經(jīng)裝機試驗，通過工況測試，磨損正常；第二個項目測試 (空載實驗) 30h時，大齒輪小齒輪磨損嚴重，停止測試。結(jié)論：硬度太低而造成磨損。在本測試條件下，滲碳燒結(jié)齒輪材料耐磨性優(yōu)于意大利和40Cr材料；在本測試條件下，改進后齒形傳動平穩(wěn)，降低噪音；由此可以認為，本課題研制的新材料和完成的齒輪齒形設(shè)計能滿足電動工具的使用要求。

【參考文獻】

[1]李華彬,何安西,曹雷,揚健,李學(xué)榮.Cu/Fe復(fù)合粉的性能及應(yīng)用研究[J].四川有色金屬, 2005,(01).

[2]程繼貴,夏永紅,王華林,徐衛(wèi)兵.聚苯乙烯/銅粉溫壓成型的研究[J].工程塑料應(yīng)用,2000,(06).

第4篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】 熱等靜壓 粉末冶金 擴散連接

熱等靜壓（hot isostatic pressing，簡稱HIP）是粉末冶金領(lǐng)域等靜壓技術(shù)的一個分支，現(xiàn)已成為一種重要的現(xiàn)代材料成型技術(shù)。該技術(shù)將制品放置到密閉的容器中，以密閉容器中的惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，向制品施加各向同等壓力的同時施以高溫（加熱溫度通常為1000～2000℃，工作壓力可達200MPa。），使得制品在高溫、高壓的作用下得以燒結(jié)和致密化。

隨著熱等靜壓設(shè)備性能的不斷改進完善，HIP技術(shù)現(xiàn)已在硬質(zhì)合金燒結(jié)、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產(chǎn)品的缺陷修復(fù)，大型及異形構(gòu)件的近凈成形，復(fù)合材料及異種材料擴散連接等方面得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為一種極其重要的材料現(xiàn)代成型技術(shù)。

1 熱等靜壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)

熱等靜壓設(shè)備主要由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成。圖1為典型熱等靜壓系統(tǒng)的示意圖。

高壓容器是由無螺紋、底部封閉鋼絲纏繞的預(yù)應(yīng)力筒體和鋼絲纏繞及預(yù)應(yīng)力框架組成。加熱爐提供熱等靜壓所必需的熱量，通常為電阻式加熱爐，可視不同溫度檔的要求，采用不同的電阻材料，如最高工作溫度為1450℃條件時可用鉬絲加熱爐，為2000℃條件時可用石墨加熱爐。HIP設(shè)備通常采用非注入式電動液壓壓縮機可給熱等靜壓提供高達200MPa的高壓氣體。真空泵采用旋轉(zhuǎn)葉輪，在產(chǎn)品燒結(jié)中用于真空抽吸，同時抽除容器內(nèi)的氧、水汽和其它雜質(zhì)。冷卻系統(tǒng)采用內(nèi)外循環(huán)回路設(shè)計；內(nèi)循環(huán)通過管道內(nèi)冷卻水的流動與壓力容器外殼間進行熱交換，為了保護冷卻系統(tǒng)，冷卻水的質(zhì)量很重要，需采用去離子水，管路也需進行防銹處理；外循環(huán)則通過換熱器將內(nèi)循環(huán)的熱量帶出。計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫度、壓力、真空的程序控制，并顯示所有工作狀態(tài)，可編制控制器提供安全可靠的聯(lián)鎖。

2 熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 粉末冶金領(lǐng)域

粉末冶金是用粉末作為原材料，經(jīng)過成形、燒結(jié)和后處理將粉末固結(jié)成產(chǎn)品的工藝，能生產(chǎn)特殊性能的多孔制件、復(fù)合材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，其產(chǎn)品具有組織成分均勻、力學(xué)性能優(yōu)越的特點。采用熱等靜壓（HIP）進行粉末固結(jié)是將粉末采用金屬、陶瓷包套（低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等）或不采用包套置于熱等靜壓設(shè)備中，以高壓氮氣、氬氣作傳壓介質(zhì)對粉末施加各向均等靜壓力，在高溫高壓作用下熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其經(jīng)歷粒子靠近及重排階段、塑性變形階段擴散蠕變階段三個階段實現(xiàn)制品的致密化。

圖2為粉末熱等靜壓固結(jié)工藝。粉末填充一般在真空或惰性氣體氛圍中進行。為了提高填充粉末的密度，包套要不停的振動。為了得到統(tǒng)一的收縮，則需要填充粉末的密度應(yīng)不低于理論密度的68%，填充后包套要抽真空并密封，這是因為熱等靜壓過程是通過壓差來固結(jié)被成型粉末和材料的，一旦包套密封不嚴，氣體介質(zhì)進入包套，將影響粉末的燒結(jié)成型。另外，真空密封可以去除空氣和水，防止氧化反應(yīng)和阻礙燒結(jié)過程。

熱等靜壓是在高溫下對工件施加各向均等靜壓力，與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比有如下優(yōu)點；

（1）制件密度高。通過金屬粉末HIP致密化成形的制件密度分布均勻，可以消除材料內(nèi)部的孔隙，制造出理論密度的致密體零件。

（2）晶粒細小。包套受到等靜壓力的作用，可抑制粉末的晶粒快速增長，得到良好晶粒尺寸的制件。

（3）力學(xué)性能好。由于通過金屬粉末HIP致密化成形的制件晶粒各向同性且均勻細小，能閉合材料內(nèi)部孔隙和疏松等缺陷，提高材料的性能可提高制件宏觀力學(xué)性能的均勻性，有助于提高制件的疲勞壽命，增強延展性、抗沖擊強度及蠕變性能。

（4）實用范圍廣?？梢詫﹄y加工材料（如鈦合金、高溫合金、鎢合金、金屬陶瓷等材料）以粉末HIP的方式成形和致密化。

（5）材料利用率高。包套與粉末在HIP過程中均勻變性，可以實現(xiàn)復(fù)雜零部件的近凈成形，減少昂貴材料的浪費，達到節(jié)約成本的目的。

HIP成形能得到全致密的粉末冶金制品，其抗拉強度、延伸率、疲勞強度等力學(xué)性能優(yōu)于燒結(jié)制品，因而HIP成形工藝在粉末冶金成形工藝中占有十分重要的地位，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

高速鋼是一種化學(xué)成分復(fù)雜的高合金鋼。在采用傳統(tǒng)的熔煉-鍛造法生產(chǎn)高速鋼時，由于鑄錠尺寸大，冷卻緩慢、不可避免的產(chǎn)生碳化物偏析。這種偏析組織不僅給鍛、軋等熱加工造成困難，損害了產(chǎn)品的各種性能，而且限制了合金含量的進一步增加，阻礙了高速鋼的發(fā)展。HIP技術(shù)的問世，使許多高速鋼可以采取粉末冶金工藝來制造，從而克服了熔鑄鋼中碳化物偏析這類缺陷，把粉末冶金技術(shù)成功引入了致密鋼材和合金鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域。

硬質(zhì)合金是粉末冶金產(chǎn)品的代表作，通常采用氫氣燒結(jié)或者真空燒結(jié)進行合金化；相比之下引入HIP技術(shù)制備硬質(zhì)合金具備以下優(yōu)點；1）殘余孔隙幾乎完全消除，相對密度達到99.999%；2）制造大型或長徑比大的制品時，廢品率低，表面缺陷大幅降低，拋光后可得到光潔度極高的表面；3）制品性能大幅度提高。

鈦合金因具有高強度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性，廣泛應(yīng)用于航天、航空、航母和化工等領(lǐng)域。鈦制品的傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，二次加工材料損失大。用HIP技術(shù)制備的粉末鈦合金，不僅簡化了熔煉工藝和切削工序，而且合金組織更趨均勻，性能明顯改善。

陶瓷材料的特點是熔點高、彈性模量大、硬度高、密度低、熱膨脹小及耐磨、耐腐蝕等。通常采用粉末壓制成型和燒結(jié)或熱壓，通常制品孔隙度較大，性能較差。HIP工藝提供了生產(chǎn)高性能、高均勻程度、高致密度陶瓷或陶瓷金屬復(fù)合材料的手段。在加工過程中，由于原料粉末直接進入包套，不再添加傳統(tǒng)工藝所需的有機成型劑，所以原材料在整個工藝過程中不受污染，這樣生產(chǎn)的材料是一種純潔的勻質(zhì)材料，具有均勻的細晶粒和接近100%的密度。而且，等靜壓技術(shù)將高壓惰性氣體和高溫同時作用于產(chǎn)品，能夠有效地去除內(nèi)部空隙，并在整個材料中形成強的冶金結(jié)合，極大地解決了陶瓷或陶瓷金屬復(fù)合材料制備的困難，特別在制備大尺寸、復(fù)雜形狀的陶瓷材料方面有較大的優(yōu)勢。

另外，HIP工藝能生產(chǎn)基本不需要機加工的近終形部件。一個熱等靜壓的近終形部件，由于可做成最終尺寸或接近最終的制品尺寸，因此用料少。據(jù)統(tǒng)計，采用HIP近終成形工藝制得的產(chǎn)品，其材料的利用率一般可達到80%～90%，其價格比常規(guī)工藝制得的產(chǎn)品低20%以上，同時顯著減少了機加工的時間和成本。HIP近終成形技術(shù)中使用的模具已經(jīng)可以用鋼板焊接而成，其形狀可以任意變化，部件的設(shè)計自由度較大。由于可制作各種異型體及整體部件，減少了焊接的數(shù)目，也提高了制品整體的可靠性。HIP近終成形技術(shù)可提高原材料的使用率和機加工效率，常用于整體成形許多常規(guī)方法難以成形的零件，特別適合于航空航天、船舶、武器設(shè)備、核設(shè)施、發(fā)電設(shè)備等關(guān)系國計民生的重大應(yīng)用領(lǐng)域。

CFM國際公司生產(chǎn)的CFM56發(fā)動機中有2個擋板通過粉末HIP近凈成形，截止2007年12月31日，有17532臺CFM56發(fā)動機在役，已裝備7150架飛機。俄羅斯使用EI1698P鎳基高溫合金粉末HIP近凈成形，為地面渦輪裝置生產(chǎn)大尺寸盤型零件，其強度和塑形比鑄、鍛件提高了10%～15%，近凈成形的盤類零件直徑可達1100mm（圖3）。Bjurstrom等利用HIP近凈成形方法成功制造了高壓泵體，并將泵的支撐、關(guān)口、凸緣等部位與泵體一起整體成形，不僅顯著縮短了部件的制造周期，且明顯提高了制件的力學(xué)性能。瑞典Stephen等將板材焊接拼合成復(fù)雜包套的外殼與內(nèi)部模芯，對APM2218粉末HIP近凈成形，成功制造了復(fù)雜的蒸汽管路系統(tǒng)。他們還以超級雙相不銹鋼粉末為原料，采用HIP近凈成形技術(shù)制備出深海下使用的高壓閥體，完全克服了傳統(tǒng)鑄、鍛件的缺陷，綜合性能明顯提高。法國Baccino等采用HIP近凈成形技術(shù)制備出鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼類非常復(fù)雜的零件，如直升飛機發(fā)動機的渦輪軸、葉輪等制件，還制造出尺寸達1m的大型不銹鋼件。

我國在粉末HIP近凈成形領(lǐng)域的研究工作開展較少，目前主要由北京航空材料研究院、航天材料及工藝研究所、中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、西北有色金屬研究院等單位開展了相關(guān)研究工作，尚處于研究初期，與國外先進水平相比，還有很大差距。

2.2 擴散連接

擴散連接是一種新型的焊接工藝，對于難于焊接的金屬以及異種材料之間進行固態(tài)連接具有很大的應(yīng)用價值。熱等靜壓擴散連接是將兩種材料表面磨平和拋光后，用某種液體或氣體介質(zhì)在各個方向加力將兩種材料緊密地壓在一起，然后加熱到熔點以下的某個溫度，并保溫保壓一段時間，使材料通過原子間相互擴散實現(xiàn)連接。熱等靜壓擴散連接涉及到的材料可以是金屬-金屬、金屬-非金屬、非金屬-非金屬，在核工業(yè)、航天等多個領(lǐng)域方面值得應(yīng)用推廣的一項較好技術(shù)。

從上世紀70年代以來，國內(nèi)外采用熱等靜壓擴散連接的方法對鈹/鋼，鈹/銅合金，銅合金/鋼，銅合金/銅合金，銅合金/Al合金連接進行了大量的研究，實現(xiàn)了鈹/ HR-1不銹鋼、Al-Si合金/HR-2不銹鋼、Be/CuCrZr合金W/Cu、V-4Cr-4Ti/HR2鋼的熱等靜壓擴散連接。

王錫勝等采用熱等靜壓（HIP）技術(shù)實現(xiàn)了進行擴散連接，研究表明中間過渡層及連接工藝參數(shù)對接頭性能存在明顯影響。在580℃，140MPa下Be與CuCrZr直接擴散連接以及采用Ti（Be上PVD鍍層）/Cu（CuCrZr上PVD鍍層）作過渡層的間接擴散連接均達到了較好的連接效果。表面采用Ti鍍層的間接擴散連接，可有效阻止Be與Cu形成脆性相。另外，中間層或擴散阻礙層材料對連接成功與否或質(zhì)量高低有著重要的影響，其選擇原則是在設(shè)定的溫度下，盡可能阻止Be的擴散，減少脆性金屬間化合物的生成，同時又能緩和接頭的內(nèi)應(yīng)力。國內(nèi)外研究了多種材料作為Be/Cu連接的中間層或阻礙層，如Ag、Ti、Cu、Al、BeCu合金以及復(fù)合層Ti/Ni、Ti/Cu、Cr/Cu、Al/Ni/Cu等。

在核聚變反應(yīng)裝置中，偏濾器面對等離子一面的材料要求有很好的耐高溫性能和良好的熱傳導(dǎo)性能?，F(xiàn)有的單一材料不能同時滿足兩種需要，因而設(shè)計了W-Cu復(fù)合材料。鎢具有很高的熔點，可作為面對等離子一側(cè)的耐高溫材料，銅具有很好的導(dǎo)熱性能，作為基體材料能滿足導(dǎo)熱和冷卻的要求。吳繼紅等采用熱等靜壓實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)裝置中偏濾器面對等離子一面的銅和鎢進行連接，焊接性能滿足了偏濾器工作需要。

釩合金作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料，在作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時，須與不銹鋼等金屬進行連接。冷邦義等以AuNi合金作為過渡層材料，采用熱等靜壓（HIP）方法進行V-4Cr-4Ti/HR2鋼擴散連接。

3 結(jié)語

熱等靜壓設(shè)備和工藝日益改善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、運輸、電工、電子、化工和冶金等行業(yè)。熱等靜壓技術(shù)能使粉末冶金件在高溫高壓的作用下實現(xiàn)全致密化，晶粒細小，大幅度提高制品的宏觀力學(xué)性能的均勻性，有助于提高制件的疲勞壽命，增強延展性、抗沖擊強度及蠕變性能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成型，是制備新型材料的重要手段。

對于難以焊接或材料性能相差較大的異種材料，熱等靜壓方法能夠通過異種材料間的原子擴散形成性能較為滿意的連接接頭。因此，熱等靜壓擴散連接是一種可在多個領(lǐng)域推廣的技術(shù)方法。

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第5篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

以省部產(chǎn)學(xué)研合作為契機，建設(shè)企業(yè)工程技術(shù)研發(fā)中心

建設(shè)企業(yè)工程技術(shù)研發(fā)中心作為科技與經(jīng)濟發(fā)展密切結(jié)合的重要橋梁，以及作為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進消化吸收再創(chuàng)新的重要平臺，一直在廣州市自主創(chuàng)新能力建設(shè)中具有重要的地位。建設(shè)企業(yè)工程技術(shù)研發(fā)中心作為廣州市完善區(qū)域創(chuàng)新體系，增強企業(yè)創(chuàng)新能力的重要舉措，按照“鏈接產(chǎn)業(yè)、面上推進、省市聯(lián)動”的思路，選擇有行業(yè)特色、技術(shù)創(chuàng)新能力強的大中型企業(yè)，在電子信息、先進制造、生物醫(yī)藥、新材料、新能源與節(jié)能、資源與環(huán)境、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域組建一批具有較強帶動作用和科技成果工程化、產(chǎn)業(yè)化能力強的企業(yè)工程技術(shù)研究開發(fā)中心，促進科技成果轉(zhuǎn)化和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，培育一批掌握行業(yè)核心技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新能力與國際同類企業(yè)水平相當?shù)墓歉善髽I(yè)，提高企業(yè)參與市場競爭的能力，同時也培養(yǎng)一批高水平的工程技術(shù)人員和管理人員?！笆晃濉逼陂g，廣州市計劃在省部產(chǎn)學(xué)研辦公室的支持下，與部屬高校緊密合作，新組建企業(yè)工程技術(shù)研究開發(fā)中心100家，培育省級工程技術(shù)研究開發(fā)中心20~30家，國家級工程技術(shù)研究中心5~10家，在條件建設(shè)、項目研發(fā)、人才培養(yǎng)、國際合作等方面給予重點支持，通過省部產(chǎn)學(xué)研合作，使工程技術(shù)研發(fā)中心成為企業(yè)提升自主創(chuàng)新能力的重要載體和提升產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平的中堅力量。

以創(chuàng)新型企業(yè)為基礎(chǔ)，培育優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)集群

在建設(shè)企業(yè)工程技術(shù)研發(fā)中心實施“面上推進”的策略基礎(chǔ)上，利用好省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的各種資源，在具有比較優(yōu)勢的行業(yè)和領(lǐng)域選擇一批已建有工程技術(shù)研發(fā)中心的企業(yè)與部屬高校對接來開展創(chuàng)新型企業(yè)示范工作，大幅提高其自主創(chuàng)新能力，為企業(yè)自主創(chuàng)新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供必要的金融與政策支持，鼓勵企業(yè)對技術(shù)開發(fā)進行持續(xù)高強度投入，以點帶面，重點突破，輻射帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級，最終形成具有特色和競爭力的產(chǎn)業(yè)集群。

建設(shè)創(chuàng)新型企業(yè)以產(chǎn)品創(chuàng)新、品牌建設(shè)、發(fā)明專利和技術(shù)標準創(chuàng)造為突破口，引導(dǎo)企業(yè)由下游向產(chǎn)業(yè)鏈分工的中上游方向發(fā)展，在技術(shù)創(chuàng)新中由低附加值向高附加值發(fā)展；既要擴大產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模，更要提高技術(shù)水平和信息化水平，既要做大，更要做強，提高企業(yè)的市場競爭力。培育一批具有示范性的創(chuàng)新型企業(yè)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化升級，按照“一核三極”（一個核心區(qū)是以廣州東部的科學(xué)城、天河軟件園為中心的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，形成以電子信息和生物醫(yī)藥為龍頭的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群；三個增長極是發(fā)展沿海港高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的南部沿海港增長極、發(fā)展與物流相關(guān)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的北部空港增長極、發(fā)展信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)的城市中心建成區(qū)增長極）的思路積極引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)逐步走向規(guī)?；图s化，支撐和引領(lǐng)廣州市經(jīng)濟和社會發(fā)展。

以市場為導(dǎo)向，推進“產(chǎn)學(xué)研”無縫銜接

在省部產(chǎn)學(xué)研合作的大框架內(nèi)，創(chuàng)新“產(chǎn)學(xué)研”合作模式，鼓勵和支持企業(yè)同部屬高校建立雙邊與多邊協(xié)作關(guān)系，開展成果轉(zhuǎn)讓、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)咨詢、技術(shù)入股、聯(lián)合辦學(xué)方面的合作，大力促進企業(yè)與部屬高校之間共建研究開發(fā)機構(gòu)、工程類重點實驗室、中試基地等，對國內(nèi)外先進適用技術(shù)進行消化、吸收、再創(chuàng)新，提高企業(yè)的自主創(chuàng)新能力、工程化能力和產(chǎn)業(yè)化能力，提高其科研成果的工程化、商品化水平。

通過強化科技計劃的引導(dǎo)作用，圍繞高新技術(shù)發(fā)展重點領(lǐng)域，整合科技資源，將廣州市重點學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)與科技計劃項目相結(jié)合，建成了一批能直接面對廣州市經(jīng)濟建設(shè)重大需求的應(yīng)用型學(xué)科，構(gòu)建起重點學(xué)科（重點實驗室）―工程技術(shù)研究開發(fā)中心―科技型企業(yè)“三位一體”的、無縫銜接的“產(chǎn)學(xué)研”體系，充分發(fā)揮企業(yè)與部屬高校的集成優(yōu)勢，全面提升自主創(chuàng)新能力。如由華南師范大學(xué)、香港健隆投資有限公司承擔的廣州市科技攻關(guān)重大項目“廣州市LED工業(yè)研究開發(fā)基地”，總投入為1.2億元，其中廣州市科技經(jīng)費支持2000萬元，香港健隆投資有限公司出資9000萬元、華南師范大學(xué)出資1000萬元。該項目的開展形成了一個研發(fā)中心和一個生產(chǎn)基地。其中生產(chǎn)基地已完成設(shè)備的調(diào)試和安裝，已開始小批量生產(chǎn)包括數(shù)碼管、背光源、LED封裝等產(chǎn)品，已產(chǎn)生了約1600萬元的銷售收入，初步形成了一條完整的研究、開發(fā)、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈條，在較短的時間內(nèi)成為國內(nèi)有重要影響的LED芯片研發(fā)和生產(chǎn)基地。

由教育部重點建設(shè)高校華南理工大學(xué)機械工程學(xué)院承擔的廣州市重大科技攻關(guān)項目“汽車用高性能粉末冶金制品制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備”，經(jīng)過研究開發(fā)，將粉末冶金最新成形技術(shù)與機械設(shè)計制造技術(shù)、液壓及液力傳動技術(shù)、傳熱技術(shù)、物料輸送技術(shù)、微機控制技術(shù)等進行集成，研制成功汽車用高性能粉末冶金制品制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備，可用于成形汽車用高性能粉末冶金零件、家電產(chǎn)品零件、辦公機械零件等高檔粉末冶金零件，可大幅度降低這些零件的制造成本，提高相關(guān)產(chǎn)品制造業(yè)的競爭力。具備5000萬元以上高性能粉末冶金制品的生產(chǎn)能力，形成全自動粉末成形裝備的設(shè)計生產(chǎn)能力。獲授權(quán)發(fā)明專利7項，實用新型4項，登記計算機軟件著作權(quán)2項。獲國家科技進步二等獎一項。

以政策為保障，制定鼓勵自主創(chuàng)新的配套措施

為貫徹落實《廣東省人民政府教育部關(guān)于加強產(chǎn)學(xué)研合作，提高廣東自主創(chuàng)新能力的意見》，提高廣州市自主創(chuàng)新能力，加快推進廣州市的省部產(chǎn)學(xué)研工作和創(chuàng)新型城市建設(shè)，由我局牽頭制定了《廣州市人民政府關(guān)于提高自主創(chuàng)新能力建設(shè)創(chuàng)新型城市的若干政策規(guī)定》，其中包括促進自主創(chuàng)新的產(chǎn)學(xué)研合作、財政、金融、稅收、人才、政府采購和知識產(chǎn)權(quán)保護等多項相關(guān)扶持政策。此稿經(jīng)征求相關(guān)職能管理部門意見，已按反饋意見修改完畢并交市政府進一步討論后正式。

以專業(yè)機構(gòu)為依托，構(gòu)建校企技術(shù)創(chuàng)新的服務(wù)支撐平臺

第6篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

關(guān)鍵詞：激光焊接技術(shù)；原理；特點；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

Abstract: laser as a high speed, high precision, high quality and low deformation of welding technology, has been used widely in the industry. In this paper, the laser welding technology of welding principle, characteristics, process parameters, application field in detail, and connecting with the reality, laser welding technology to the development trend of certain discussion.

Keywords: laser welding technology; Principle; Characteristics; Application; Development trend

中圖分類號：P755.1 文獻標識碼：A 文章編號

前言：激光作為一種電磁波，具有許多自身特有的性質(zhì)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，又常稱為鐳射焊機、激光焊機，按其工作方式?？煞譃樽詣蛹す夂附訖C、激光模具燒焊機、光纖傳輸激光焊接機、激光點焊機。

1 激光焊接的原理

激光焊接是利用高能量的激光脈沖輻射至材料，對材料進行微小區(qū)域內(nèi)局部加熱，利用激光與金屬的相互作用，激光輻射的能量以熱傳導(dǎo)方式，向材料的內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定熔池，達到焊接的目的。

按焊接熔池形成的機理劃分，激光焊接有兩種基本的焊接機理：熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊。前者所用激光功率密度較低（105～106W／cm2），當激光照射到材料表面時，一部分激光會被材料吸收，一部分會被反射，材料吸收后將光能轉(zhuǎn)化為熱能市材料表面熔化，然后以熱傳導(dǎo)的方式向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池，最后將兩個焊件熔接在一起。熱傳導(dǎo)焊接熔深淺，深寬比較小。

2 激光焊接的特點

電弧焊、電阻焊、高能束焊（電子束焊、激光焊）、釬焊、電渣焊、高頻焊、氣焊、氣壓焊、爆炸焊、摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、擴散焊等焊接方式，是目前常用的焊接工藝。激光焊接相比于其他焊接方式，具有以下無法比擬的優(yōu)點：（1）可將進入的熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)域的相變化范圍小，因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的熱變形最低；（2）32mm厚板的單道焊接的工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)鑒定合格，降低了厚板焊接所需的時間，甚至可不使用填料金屬；（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；（5）激光束易于聚焦、對準，受光學(xué)儀器導(dǎo)引，可放置在工件外適當?shù)木嚯x，進行遠距離焊接，甚至可在工件周圍的設(shè)備或障礙間導(dǎo)引。

3 影響激光焊接的參數(shù)

3.1 激光功率密度

功率密度是激光焊接中最關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一。隨著聚焦透鏡焦長的變化，功率會隨著改變。對于較高的功率密度，表層經(jīng)過書微秒即可加熱至沸點，產(chǎn)生大量金屬汽化氣體。因此，高功率密度對于打孔、切割、雕刻等材料去除有利。采用較低功率密度，需要經(jīng)過數(shù)毫秒，材料表層溫度才能達到沸點，在表層汽化之前，底層已達到熔點，容易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍104~106W/cm2內(nèi)。

3.2 激光脈沖波形

激光脈沖波形既是區(qū)別是材料去除還是材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備體積及造價的關(guān)鍵參數(shù)。當高強度激光束射至材料表面，材料表面將會有60~98%的激光能量被反射損失掉，且反射率隨著表面溫度的變化而變化。在一個激光脈沖作用周期內(nèi)，被加工金屬的反射率的變化也很大。

3.3 激光脈沖寬度

激光脈沖寬度是激光焊接中的一個重要問題，尤其對于那些薄片材料焊接時，顯得更為重要。激光脈沖寬度由熔深與熱影響分區(qū)決定，激光脈沖寬度越長，熱影響分區(qū)就越大，熔深隨著激光脈沖寬度的1/2次方增大。但激光脈沖寬度的增大會降低其峰值功率，較低的峰值功率又會導(dǎo)致多余的熱輸入。

3.4 離焦量、焦斑

離焦量為工件材料表面離聚焦光束最小斑點的距離，將會影響激光功率密度以及焊接質(zhì)量。因為聚焦光束最小斑點的中心功率密度很高，容易使材料蒸發(fā)成孔，所以激光焊接通常需要選取一定的離焦量。聚焦光束最小斑點外的各平面上，功率密度的分布相對均勻。通常長焦距的能量密度低，光斑大，能量密度足夠情況下，可用于對接頭定位精度不高的焊接；短焦距的能量密度較高，光斑小，要求工件配合間隙要小。

4 激光焊接的應(yīng)用

4.1 在制造業(yè)的應(yīng)用

激光拼焊是將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材用激光把邊部對焊，焊接成一塊整體板，以滿足零部件對材料性能的不同要求。從20世紀80年代中期開始，激光拼焊作為新技術(shù)在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guān)注。激光拼焊工藝主要是為汽車行業(yè)進行配套服務(wù)，尤其在車身零部件生產(chǎn)、制造和設(shè)計方面，激光拼焊的使用有著巨大的優(yōu)勢。激光拼焊技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用。

4.2 粉末冶金領(lǐng)域

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及工業(yè)技術(shù)對材料特殊的要求，冶鑄材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料所具有的特殊性能和制造優(yōu)點，在汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)等領(lǐng)域中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的飛速發(fā)展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。

4.3 電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，尤其是微電子工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。鑒于激光焊接熱影響區(qū)小，加熱迅速集中，熱應(yīng)力低，在集成電路、半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出了其獨特的優(yōu)越性。在真空器件研制過程中，激光焊接也得到了應(yīng)用。

5 激光焊接的發(fā)展趨勢

5.1 新型激光器的研發(fā)

目前的激光焊接所使用的激光器主要為大功率CO₂激光器和YAG激光器。激光器的發(fā)展仍然集中于激光設(shè)備的開發(fā)研制上，如提高電源的穩(wěn)定性和壽命，對于于CO₂激光器要解決放電穩(wěn)定性的問題，對于YAG激光器要研制開發(fā)大容量、長壽命的光泵激勵光源等。

5.2 焊接工程的有效控制

在激光加工的光束質(zhì)量及裝置研究方面，應(yīng)著重放在研究各種激光加工工藝對激光光束的質(zhì)量要求，以及激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)上。光學(xué)系統(tǒng)及加工頭的設(shè)計和研制，開展焊接工藝及材料、焊接工藝對設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(shù)的研究，對掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝具有重要的影響，準確地選擇控制參數(shù)，可改善激光焊接工程的穩(wěn)定性，提高激光焊接的焊縫質(zhì)量，并將離子效應(yīng)、匙孔效應(yīng)等各種焊接效應(yīng)控制在理想的范圍內(nèi)。

結(jié)束語：

本文對激光焊接的原理、特點，激光焊接過程中工藝參數(shù)，主要應(yīng)用領(lǐng)域進行了討論，并在最后提出了激光焊接技術(shù)發(fā)展的趨勢。激光焊接技術(shù)憑借其高能量密度、高精度、深穿透、強適應(yīng)性等特點，被廣泛應(yīng)用在制造業(yè)、冶金業(yè)等領(lǐng)域，不僅提高了生產(chǎn)效率，也顯著提高了焊接質(zhì)量。在21世紀，激光焊接技術(shù)必將在材料連接領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

參考文獻

[1]鷲尾邦彥.Laser material processing applications in electonic and eletric industries[J].溶接學(xué)會論文集，2001，(19)：176-191.

第7篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

該項目是將中航工業(yè)制動的碳/碳剎車材料制備技術(shù)與西北工業(yè)大學(xué)的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)科學(xué)結(jié)合，發(fā)明的一種領(lǐng)先世界的新型復(fù)合材料――“碳陶飛機剎車功能復(fù)合材料”，簡稱“碳陶剎車材料”。它是產(chǎn)學(xué)研合作取得的一項飽含“中國創(chuàng)造”智慧的自主技術(shù)創(chuàng)新碩果。

其實，早在2008年中航工業(yè)制動用此材料制作的飛機剎車盤――“碳陶剎車盤”就在殲10某型飛機上實現(xiàn)了成功首飛。此后，碳陶剎車盤成熟地應(yīng)用在我國艦載機、殲擊機、運輸機等10多種先進機型上，使我國成為世界上第一個將碳陶剎車盤成功應(yīng)用機上的國家。碳陶剎車材料，改寫了剎車材料的歷史，彰顯了碳陶剎車技術(shù)領(lǐng)跑世界的中國力量。

如今，關(guān)乎飛機起降安全的碳陶剎車盤授此大獎，實至名歸。這項新型材料融合了粉末冶金剎車材料和碳/碳復(fù)合剎車材料的優(yōu)點，具有重量輕、硬度高、剎車平穩(wěn)、耐高溫、耐腐蝕、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，被公認為性能優(yōu)異的新一代剎車材料。

在產(chǎn)業(yè)界“一輩子只做剎車”的中航工業(yè)制動董事長、黨委書記向克陽激動地說：“今天的獲獎，就好比一個孩子高考考上清華、北大。關(guān)鍵是‘父母’基因強大，才修成正果。”

“找對了合作方比什么都重要”，西北工I大學(xué)領(lǐng)銜合作項目的中國工程院士院張立同更是情不自禁，“這讓我們更加堅定了產(chǎn)學(xué)研合作自主技術(shù)創(chuàng)新的信心和決心?！?/p>

從2005年雙方合作到2008年碳陶剎車盤裝機首飛成功，再到榮獲2016年國家技術(shù)發(fā)明獎。作為產(chǎn)學(xué)研主體的中航工業(yè)制動和西北工業(yè)大學(xué)同甘共苦，肝膽相照。在新材料研制領(lǐng)域，共同突破了世界制備技術(shù)的三大難題，形成了五個重大技術(shù)發(fā)明點，獲得了19項國家專利。

科技的成色，產(chǎn)業(yè)的金色，成就了含金量十足的“中國顏色”。

飛機剎車盤從“跟跑”到“領(lǐng)跑”

翻開中國飛機剎車盤研制歷史，這是一部布滿荊棘的辛酸史，更是一部漫長且艱苦的奮斗史。

機輪剎車系統(tǒng)隸屬機起降系統(tǒng)，主要承受飛機在地面的靜動態(tài)載荷、沖擊載荷、吸收剎車能量，并對飛機起飛、著陸、滑行、轉(zhuǎn)彎、制動進行有效控制。據(jù)統(tǒng)計，飛機發(fā)生在飛機滑行和起降階段的不安全事件占飛機所有不安全事件的60%以上。因此，作為剎車系統(tǒng)上起關(guān)鍵作用的剎車盤就顯得尤為重要。歐、美、俄等航空工業(yè)強國，歷來極為重視航空起降制動系統(tǒng)的發(fā)展。

目前，飛機剎車盤的制造材料發(fā)展經(jīng)歷了有機粘結(jié)劑剎車材料、粉末冶金剎車材料、碳/碳復(fù)合剎車材料和碳陶復(fù)合剎車材料四個階段。有機粘結(jié)劑剎車材料是早期飛機使用的剎車材料，剎車溫度低、壽命短、起落架次少，目前已基本淘汰。粉末冶金剎車材料在20世紀60年展起來，但存在高速摩擦系數(shù)低、高速制動力不足，以及使用壽命低等問題。

碳/碳復(fù)合剎車材料是上世紀70年代歐美發(fā)達國家率先使用的飛機剎車盤制作材料。長期以來，這項技術(shù)被美、英、法三國牢牢掌握。

1972年，中航工業(yè)制動發(fā)現(xiàn)和瞄準了這一尖端技術(shù)，向國家申請立項研制。1977年，研制出國內(nèi)第一套扇形片結(jié)構(gòu)的航空碳剎車盤；1987年，碳剎車材料制備工藝和防氧化技術(shù)獲得成功；1993年，碳/碳復(fù)合材料剎車制備技術(shù)獲得國家發(fā)明專利；1994年，碳/碳復(fù)合材料防氧化技術(shù)獲得國家發(fā)明專利；1998年，碳/碳剎車盤在殲-10飛機上首飛成功；2003年，碳/碳剎車盤獲得中國第一個TSOA技術(shù)標準批準書，并隨著新舟-60飛機飛出國門，國際航線上終于有了中國產(chǎn)的碳/碳剎車。中航工業(yè)制動的這一創(chuàng)舉，不僅徹底改變了西方大國對此技術(shù)的壟斷局面，而且在全國范圍內(nèi)催生出10多個碳剎車企業(yè)，引領(lǐng)了中國碳/碳剎車材料產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

有學(xué)者評價，如果沒有碳/碳材料產(chǎn)業(yè)化的成功，就沒有今天中國機輪剎車領(lǐng)先于世界的精“碳”一躍。碳/碳剎車盤最大的特點是對飛機減重效果十分顯著，這對飛機來說無疑是最大的利好。

先進的成果必然承受更多異樣的眼光。在中航制動攻關(guān)技術(shù)的過程中，遭到了很多所謂專家的反對。他們批駁和質(zhì)疑碳/碳剎車材料的種種不是。然而，當碳/碳材料在國內(nèi)大量軍、民機上成功使用時，曾經(jīng)的“反碳/碳”派專家，又開始想方設(shè)法地“臨摹”這一新技術(shù)。

如今，在事實與業(yè)績面前，流言無影無蹤。

那么，為什么又要發(fā)展另一種新材料？因為飛機作業(yè)的環(huán)境復(fù)雜多變，不同的自然環(huán)境對剎車材料有不同的要求。碳/碳剎車盤的吸潮性強，在濕態(tài)環(huán)境會導(dǎo)致飛機剎車性能大幅度衰減，從而危及飛行安全。裝備發(fā)展呼喚著一種新型剎車材料的問世。

產(chǎn)學(xué)研的根本是為了自立

2005年，中航工業(yè)制動與西北工業(yè)大學(xué)簽訂合作協(xié)議，提出以國防建設(shè)為需求，著眼航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遇到的重大難題和難點，發(fā)揮彼此優(yōu)勢，立志打一場高科技的現(xiàn)代科學(xué)戰(zhàn)。

合作的雙方，一個是國內(nèi)最早從事碳材料研究和產(chǎn)業(yè)化的“元老”，一個是陶瓷基復(fù)合材料研究的“新貴”。強強結(jié)合，優(yōu)贄互補，強大的碳材料基因和高科技血統(tǒng)充分融合，就會誕生出“中國籍”的世界級產(chǎn)品。

第8篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

【關(guān)鍵詞】滲氮；金屬陶瓷；力學(xué)性能；密度；耐蝕性；

中圖分類號：F407.4 文獻標識碼：A 文章編號：

一.前言

由硬質(zhì)相和金屬（或合金）粘結(jié)相組成了一種復(fù)合材料，這就是金屬陶瓷的構(gòu)成成分，在金屬（或合金）粘結(jié)相中，主要分布有體積分數(shù)約為15％～85%的陶瓷晶粒。金屬陶瓷在強度、硬度等的機械性能方面有很多優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域都用金屬陶瓷來替代硬質(zhì)合金，但是耐蝕性很差是金屬陶瓷的缺點，如果是用來制備機械密封環(huán)，其使用條件是能夠完全適應(yīng)的，但是如果受到腐蝕的話，就會在短時間內(nèi)失效，普遍用于耐磨損場合的話也是可以的，在大部分應(yīng)用場合的同時不可避免的接觸電解質(zhì)，就有可能受到電化學(xué)腐蝕在磨損失效前就失效。如果是既有腐蝕又有磨損，就形成了腐蝕磨損過程，在這個過程當中，就會更加惡化了材料表面性能，大大降低了工件壽命，因此，如果要彌補的使用缺陷，就必須提高金屬陶瓷耐腐蝕性，把金屬陶瓷的使用范圍擴大，并帶動整個粉末冶金領(lǐng)域制備技術(shù)的更新。很多著名的科學(xué)家針對硬質(zhì)合金和金屬陶瓷抗腐蝕性能在不同的介質(zhì)中進行研究。

二. 實驗部分

在制備金屬陶瓷材料的時候采用的是傳統(tǒng)粉末冶金的方法。原料采用Ti、C、WC、Ni、Mo2C、VC、Co粉末，用球磨機進行球磨之前添加乙醇，然后進行球磨。

把成形劑(2%的丁蠟橡膠)和球磨后的粉末均勻混合，然后用200攝氏度的恒溫在真空干燥箱(ZYS5050130)內(nèi)進行干燥24小時，把控制粉末粒度控制住小于或者等于0.154毫米，然后經(jīng)過造粒和過篩，使用單向壓制，選用0.98MPa的壓制壓力，制做成邊長為1.5厘米的正方體坯料，然后燒結(jié)成金屬陶瓷試樣，在臥式真空燒結(jié)爐（GCA500）中進行真空，并分成兩部的燒結(jié)試樣：1＃試樣（不進行滲氮）和:2＃試樣（進行滲氮處理）兩種。采用隨爐氮化滲氮來進行2＃試樣，進行拋磨、去油、超聲波清洗等預(yù)處理的時候要做滲氮之前。如圖1所表示的就是1＃試樣和2＃試樣的制備工藝流程。

在對1＃、2＃試樣進行電子探針觀察的時候采用帶能譜儀的電子探針，掃描分析Ti元素的進行面，對金屬陶瓷表面形貌當中滲氮的影響進行分析。在9.8N載荷下使用維氏HV－1000顯微硬度進行1＃、2＃試樣的硬度檢測，針對試樣表面硬度在進行滲氮前后的變化進行對比，測試分析其表面抗彎強度、表面洛氏硬度和密度。對比分析滲氮前后試樣的耐蝕性變化的時候采用液態(tài)浸漬法，在選擇液態(tài)浸漬溶液的時候選擇硫酸、氫氧化鈉、草酸和氨水，以15d為一個實驗周期，在研究金屬陶瓷的電化學(xué)行為和腐蝕特征的時候用動電位掃描極化曲線法。

三、實驗結(jié)果與討論

1、滲氮處理后試樣表面的變化

試樣表面的時候用使用滲氮，滲氮涂層就能夠形成。用顯微硬度法來測定涂層的硬度，顯微硬度關(guān)于1＃、2＃試樣表面的測試數(shù)據(jù)如表1所表示。

從表1可以看出，1＃試樣的顯微硬度比2＃試樣的低了將近20％，由此可見金屬陶瓷表層的硬度在滲氮處理之下明顯的提高了，表層含Ti硬質(zhì)相的含量增大了，后面的表面微觀分析證實這個理論。用電子探針分別對1＃、2＃試樣表面進行觀察，對進行面掃描觀察其中的Ti元素的時候，利用能譜儀,如下面圖2、圖3所示的結(jié)果。

白色區(qū)域在圖中代表的是Ti區(qū)域元素十分的密集，通過分析不難看出在經(jīng)過滲氮后2＃試樣表面提高了Ti的含量，跟表面硬度上升相統(tǒng)一。

2、滲氮處理對試樣性能的影響

使用表面抗彎強度、表面洛氏硬度和密度分析了1＃、2＃試樣，表2顯示了結(jié)果：

從表2可看出，經(jīng)過滲氮后的試樣表面，都提高了金屬陶瓷的強度、硬度和密度。其原因是N元素滲入之后， 形 成 了 結(jié) 構(gòu) 致 密 的TiN等相在 金 屬 陶 瓷的表面，減少表面孔隙，因此提高了密度，試樣的抗彎強度、硬度和密度也因而提高了，提高了硬度，促進了耐磨性的提高，金屬陶瓷的使用壽命就提高了。

3、試樣的耐腐蝕性分析

(一)腐蝕失重分析

在硫酸、氫氧化鈉、草酸在氨水介質(zhì)中放置1＃、1＃試樣進行腐蝕失重實驗，把得到的數(shù)據(jù)代入到相關(guān)公式當中進行計算，在這四種溶液中試樣的平均腐蝕速率就被計算出來，表3所示就是計算結(jié)果：

（二）電化學(xué)測試分析

在耐磨性上金屬陶瓷都是十分高的，在很多需要抗磨損的場合普遍的應(yīng)用，可是不能避免領(lǐng)域和電解質(zhì)進行接觸，電化學(xué)性質(zhì)普遍的存在于絕大多數(shù)腐蝕過程當中。想要從陽極極化曲線中來判斷腐蝕發(fā)展的趨勢，就可以采用電化學(xué)方法進行腐蝕實驗。

陽極極化曲線中，腐蝕電流越小，腐蝕電位越大（其值越正），則該合金在該電解質(zhì)中發(fā)生腐蝕的傾向越小。在下圖4中可以看出，金屬陶瓷的耐蝕性通過滲氮進行提高了，金屬陶瓷在堿中的耐蝕性更好。

4、滲氮對金屬陶瓷耐蝕性影響的機理分析

芯環(huán)結(jié)構(gòu)是金屬陶瓷的典型結(jié)構(gòu)，其中TiC是“芯”，（Ti，Mo）C固溶體是“環(huán)”， Ni固溶體是“粘結(jié)相”。在Ni粘結(jié)相的表面首先發(fā)生金屬陶瓷的腐蝕，金屬陶瓷無數(shù)微小的原電池在潮濕空氣中被腐蝕的時候，原電池的負極Ni發(fā)生氧化反應(yīng)，其中不活潑能導(dǎo)電的(Ti，M0)C被溶解是原電池的正極產(chǎn)生了還原反應(yīng)。腐蝕了粘結(jié)相，TiC骨架也崩塌了，陶瓷失效，伴隨著Ni的含量在減少，在一定程度減弱了腐蝕。

在氮氣中進行熱處理TiC－WC－Co金屬陶瓷的時候，Co相中會溶入N，富氮的Ti(C，N)相會從粘結(jié)相中析出，Ti(C，N) 的抗氧化性能比TiC提高的比較大，也增強了耐腐蝕性能。

四、結(jié)束語

通過上述實驗很分析，筆者得出以下的結(jié)論：

（一）金屬陶瓷的綜合性能和耐腐蝕性可以采用滲氮處理來進行提高，金屬陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域擴大了，對節(jié)約鎢資源是一個有效的幫助。

（二）金屬陶瓷采用滲氮之后形成的富Ti層，可以有效的提高金屬陶瓷的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

（三）通過分析腐蝕失重，可以得出后金屬陶瓷腐采用滲氮之后，腐蝕速率明顯減慢了，而且在堿中的腐蝕速率比較低。

（四）通過對試樣電化學(xué)極化曲線的測定和計算得出，金屬陶瓷在采用滲氮之后，減小了腐蝕電流，使得正移了腐蝕電位，其耐蝕性被提高了，在酸溶液中的試樣耐蝕性比在堿中要差很多。

參考文獻：

[1]欒振濤，周麗，殷鳳仕．SHS－PHIP法制備TiC－Ni（Mo）金屬陶瓷［J］．《熱加工工藝》，2003

[2]劉宇雁，陳林，徐艦，馬鵬起.Y_2O_3和La_2O_3對金屬陶瓷內(nèi)襯顯微硬度和耐蝕性的影響[J] 2005

[3]劉宇雁， 陳林， 徐艦，馬鵬起.La_2O_3和ZrO_2對金屬陶瓷內(nèi)襯顯微硬度和耐蝕性的影響[J]中國稀土學(xué)會第一屆青年學(xué)術(shù)會議論文集2005

第9篇：粉末冶金的優(yōu)勢范文

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)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(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀高科技領(lǐng)域的基石。

近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術(shù);另一方面是實際應(yīng)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(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)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(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。

1FGM概念的提出

當代航天飛機等高新技術(shù)的發(fā)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(shù)，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內(nèi)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(nèi)外要承受高達1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)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(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)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(xù)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(yīng)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(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM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(xù)變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)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(jié)強度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)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(yīng)力自由端點的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅(qū)動力。

2.2FGM的分類

根據(jù)不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM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(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)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(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應(yīng)用

FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、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(yīng)用于許多領(lǐng)域。

功能

應(yīng)用領(lǐng)域材料組合

緩和熱應(yīng)

力功能及

結(jié)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(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)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(yī)學(xué)功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關(guān)節(jié)

人工內(nèi)臟器官:人工血管

補助感覺器官

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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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)陶瓷

塑料導(dǎo)電性材料

陶瓷陶瓷

光學(xué)功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發(fā)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(dǎo)體

稀土類元素玻璃

能源轉(zhuǎn)化功能

MHD發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)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(zhì)

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。

4.1FGM設(shè)計

FGM設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程[7]。

首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計參數(shù)。

FGM設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);

2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;

3)采用適當?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計算方法,包括有限元方法計算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進行計算機輔助設(shè)計。

FGM設(shè)計的特點是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計分布,從而實現(xiàn)FGM的設(shè)計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?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(xué)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(shè)計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)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(fù)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(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)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(nèi)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-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：

SHS法具有產(chǎn)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(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)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(fù)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(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)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1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),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1.5km/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(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)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(jié),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(jié)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(yù)先設(shè)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(chǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)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(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[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(guān)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(fù)合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)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(xué)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(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關(guān)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(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)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(jié)合強度低、設(shè)備比較復(fù)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(xué)氣相沉積(CVD)兩類。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)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(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)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(zhì),使其蒸發(fā)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(yīng)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(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分數(shù)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(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數(shù)的連續(xù)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(chǎn)含有飽和磁化強度連續(xù)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(yīng)用前景。

4.3FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進一步優(yōu)化成分設(shè)計,為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)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(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎(chǔ)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(tǒng)一的標準特征評價體系[7~8]。

5FGM的研究發(fā)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(xiàn)在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、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(tǒng)一的、準確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

3）隨著梯度材料除熱應(yīng)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(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；

4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預(yù)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(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；

2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；

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(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關(guān)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(huán)境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等