第一篇：先進(jìn)材料加工成形技術(shù)專(zhuān)題報(bào)告

先進(jìn)材料加工成形技術(shù)專(zhuān)題報(bào)告

摘要：本文對(duì)材料加工成形技術(shù)現(xiàn)狀做了一個(gè)概述，同時(shí)對(duì)未來(lái)先進(jìn)材料加工技術(shù)作了展望。重點(diǎn)介紹了幾種先進(jìn)材料加工成型技術(shù)的應(yīng)用，包括激光加工技術(shù)，超聲加工技術(shù)，電磁加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)材料 加工技術(shù) 激光加工 超聲加工 電磁加工

0 引言

材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)[1]。人們通常把材料、信息和能源并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，這三大支柱是現(xiàn)代社會(huì)生存和發(fā)展的基本條件之一，而材料科學(xué)顯得尤為重要[2]。一般而言，材料可以分為傳統(tǒng)材料和先進(jìn)材料兩大類(lèi)，先進(jìn)材料是指那些新近開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)的，具有優(yōu)異性能的材料。先進(jìn)材料不僅是對(duì)于高科技和新技術(shù)有重要的影響，同時(shí)也是發(fā)展高科技的物質(zhì)基礎(chǔ)，可以說(shuō)掌握先進(jìn)材料是一個(gè)國(guó)家在科技上處于領(lǐng)先地位的標(biāo)志。

但是更為重要的是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)材料的生產(chǎn)，制備，應(yīng)用都越來(lái)越發(fā)雜，這就迫切需要材料加工成形技術(shù)的發(fā)展。正如學(xué)者認(rèn)為的材料制備、[3]成形與加工技術(shù)發(fā)生了一場(chǎng)“靜悄悄的革命”一樣。材料成形加工技術(shù)與科學(xué)作為制造業(yè)的重要組成部分，其發(fā)揮著重要的作用，有時(shí)候甚至可以對(duì)材料的性能產(chǎn)生決定性影響。特別是現(xiàn)在先進(jìn)材料在航空航天，機(jī)械，汽車(chē)領(lǐng)域越來(lái)越多的采用，其加工成形技術(shù)的重要性也尤為突出[4]。如今，為了適應(yīng)全球競(jìng)爭(zhēng)的需要，同時(shí)也為了占據(jù)有利形勢(shì)，改善材料及相關(guān)制備技術(shù)對(duì)國(guó)家是非常重要的[5]。

當(dāng)今先進(jìn)材料加工成形技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了很多變化。從尺度上看，精密制造技術(shù)已經(jīng)突破了微米級(jí)技術(shù)，進(jìn)入了亞微米和拉米技術(shù)領(lǐng)域。同時(shí)，在加工過(guò)程中也更多的開(kāi)始強(qiáng)調(diào)成形質(zhì)量的問(wèn)題，其要求開(kāi)始向無(wú)缺陷方向過(guò)度。值得注意的是，現(xiàn)在成形加工技術(shù)也越來(lái)越與社會(huì)需求聯(lián)系緊密，其傾向于快速化方向發(fā)展，來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力。并且隨著復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，也迫切需求其加工成形工藝的提高。就目前發(fā)展情況來(lái)看，材料成形加工過(guò)程也在向建模與仿真靠近，同時(shí)也注重材料加工成形的信息化與清潔化，這也是未來(lái)材料發(fā)展的主流方向。幾種先進(jìn)材料加工技術(shù)

1.1 激光加工技術(shù)

激光具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性和相干性好等性能，加上激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，易獲得超短脈沖、尺度極小的光斑，能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度，足以融化世界上任何金屬和非金屬物質(zhì)，特別適合自動(dòng)化加工，而且對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大[6]。由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，其解決了困擾已久的傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不易解決的技術(shù)難題。激光加工技術(shù)作為一項(xiàng)綜合集成激光技術(shù)、新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)與數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)，一直得到世界各國(guó)重要研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的重視和推廣

目前激光加工技術(shù)有五大熱點(diǎn)：激光焊接、激光成形與制造、新激光器與新激光加工研究、激光表面強(qiáng)化及激光加工過(guò)程的傳感、檢測(cè)與控制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些研究方面還可以進(jìn)一步細(xì)分。而激光熱處理的技術(shù)關(guān)鍵有三個(gè)：高功率的激光器；多自由度的加工設(shè)備并與計(jì)算機(jī)配套；不同應(yīng)用的激光處理工藝[7]。

[8]分析對(duì)比中國(guó)與國(guó)際激光加工研究領(lǐng)域不難看出：(1)中國(guó)激光材料加工研究緊扣國(guó)際研究主導(dǎo)方向，研究成果豐碩；(2)中國(guó)在激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)力雄厚，特別是激光熔覆技術(shù)的研究特色鮮明；(3)現(xiàn)在中國(guó)激光焊接與激光成形制造領(lǐng)域的研究與產(chǎn)業(yè)化緊密結(jié)合，形成了良性發(fā)展；(4)但是也明顯看到我國(guó)在新型激光器和應(yīng)用方面的研究嚴(yán)重不足，光學(xué)元器件方面研究也很微弱，成為了掣肘我國(guó)激光加工技術(shù)提高的瓶頸。

1.2 超聲加工技術(shù)

超聲加工是利用超聲振動(dòng)工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來(lái)去除材料，或給工具或弓箭沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工[9][10]方法。大量實(shí)驗(yàn)研究和加工結(jié)果表明,超聲振動(dòng)加工有能量集中、瞬間作用、快速切削的特性，能有效地改變傳統(tǒng)加工的切削機(jī)制，具有獨(dú)特的加工工藝效果。

超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動(dòng)傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。近年來(lái)，隨著不同領(lǐng)域?qū)嶋H加工的特殊需要，超聲加工系統(tǒng)的應(yīng)用研究有了新的發(fā)展[11]。目前超聲加工技術(shù)主要應(yīng)用在深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、難加工材料超聲加工、超聲振動(dòng)切削以及超聲復(fù)合加工。但是隨著超聲技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)材料要求的提高，未來(lái)超聲加工發(fā)展趨勢(shì)主要集中在[12]超聲振動(dòng)切削技術(shù)、超聲復(fù)合加工技術(shù)和微細(xì)超聲加工技術(shù)等方面。

值得一提的是由于非金屬硬脆材料同時(shí)具有高脆性、底斷裂韌性及材料彈性與強(qiáng)度非常接近等特點(diǎn)，因此加工難度大[13]，而超聲加工方法很好的解決了這些問(wèn)題，在其領(lǐng)域內(nèi)得到了大量應(yīng)用。1.3 電磁加工技術(shù)

材料的電磁加工是指利用電磁能量實(shí)現(xiàn)材料的熔化、精煉和成形等加工過(guò)程，其理論基礎(chǔ)是研究電磁場(chǎng)和流體間相互作用的電磁流體力學(xué)[14]。利用磁性的同性磁極相吸,異性磁極相斥,位于磁場(chǎng)中的磁性物質(zhì)按磁力線(xiàn)有序排列原理,將高強(qiáng)度磁性顆粒置于工件與工具之間,并處于高頻轉(zhuǎn)換的磁場(chǎng)之中,輔以一定的工具運(yùn)動(dòng)作用,磁力與工具運(yùn)動(dòng)之間形成“共振”,使磁性顆粒在工具及磁場(chǎng)的作用下以很大的加速度不斷地撞擊被加工表面,把工件材料剝落下來(lái),從而形成加工過(guò)程[15]。

由于電磁加工中電磁力的易控性和沒(méi)有接觸摩擦，用它作為加工的執(zhí)行手段，使大量的復(fù)雜操作，簡(jiǎn)化到少數(shù)手柄上。只有電磁加工時(shí)如此的易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[16]和生產(chǎn)的高速度。

材料電磁加工的特點(diǎn)可以概括為：(l)以最廉價(jià)和方便的手段將高密度電磁能量作用于各種材料,特別是金屬材料;(2)除去加熱功能以外,充分發(fā)揮電磁場(chǎng)的各種功能.例如對(duì)熔融金屬進(jìn)行非接觸性攪拌、輸運(yùn)和形狀控制;(3)運(yùn)用電磁流體力學(xué)理論可以有效地解決加工過(guò)程中的各種問(wèn)題,例如電磁力的計(jì)算;(4)與電磁場(chǎng)相關(guān)的各種檢測(cè)及控制技術(shù)日新月異,為材料電磁加工技術(shù)的研究和發(fā)展提供了條件.2 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和物質(zhì)生活的需要，材料科學(xué)的發(fā)展會(huì)不斷向前，而先進(jìn)材料作為未來(lái)的主流方向，其加工成形技術(shù)也顯得尤為重要，本文以上介紹的方法也只是一小部分，其代表著先進(jìn)材料加工成形技術(shù)發(fā)展的一些成果，可以預(yù)見(jiàn)，材料作為三大支柱之一，其成形加工技術(shù)也會(huì)迅速發(fā)展，帶來(lái)更多的效益。引用文獻(xiàn) [1] 材料科學(xué)技術(shù)百科全書(shū)編輯委員會(huì)，材料科學(xué)技術(shù)百科全書(shū)（上冊(cè)）.北京：中國(guó)大百科全書(shū)出版社，1995.[2]陳擁軍，魏強(qiáng)民，李建寶.先進(jìn)材料科學(xué)與應(yīng)用的展望[J].21世紀(jì)青年學(xué)者論壇.[3]Thomas W E.The quiet revolution in materials processing[C], Advanced Materials and Processing, Proceedings of PRICM-3, 1998.3-11 [4] 榮烈潤(rùn)，新世紀(jì)材料成形加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J],金屬加工.2012,23:(36-38).[5] Federal research and development program of materials science and technology[R].USA, 1995.[6] 江海河，激光加工技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展及展望[J]，光電子技術(shù)與信息.2001,14(4):1-4.[7] 孫曉輝，激光加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[J].機(jī)械工人.2004,4:35-37.[8] 鐘敏霖，劉文今.國(guó)際激光材料加工研究的主導(dǎo)領(lǐng)域與熱點(diǎn)[J].中國(guó)激光.200811(35):1654-1658.[9] 曹鳳國(guó)，張勤儉.超聲加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].電加工與模具.2005年增刊：25-28.[10] 張存信,楊繼先,曹文燕.超聲振動(dòng)精密加工研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].熱處理技術(shù)與裝備,2006,27(5).[11] 曹鳳國(guó).超聲加工技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.[12] 張雄，焦鋒.超聲加工技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].工具技術(shù).2012,46(1):3-5.[13] 郭昉，田欣麗，張保國(guó)等.超聲振動(dòng)在非金屬硬脆材料加工中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝.2009,9:14-18.[14] 張軍，傅恒志，謝發(fā)勤等.金屬熔體的電磁成形與凝固[J].材料研究學(xué)報(bào).1997,11(6):612-614.[15] 陳養(yǎng)厚，電磁成型加工及其實(shí)現(xiàn)方法研究[J]，濰坊學(xué)院學(xué)報(bào).2010,10(6):6-8.[16] 王金光.電磁加工探討[J].電加工.

第二篇：材料成形加工技術(shù)科技前沿概覽

材料成形加工技術(shù)科技前沿概覽

200811102039

王志

摘要：論述了材料成形加工技術(shù)的作用及地位，介紹了快速產(chǎn)品與工藝開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、新一代制造工藝與裝備、模擬與仿真3項(xiàng)關(guān)鍵先進(jìn)制造技術(shù)，指出輕量化、精確化、高效化將是未來(lái)材料成形加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。

正文：

一、引言：

材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，是近二三十年來(lái)材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最為活躍的方向之一。一大批先進(jìn)技術(shù)和工藝不斷發(fā)展和完善，并逐步獲得實(shí)際應(yīng)用，如快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠、精密鑄造、半固態(tài)加工、粉末注射成型、陶瓷膠態(tài)成型、熱等靜壓、無(wú)模成型、微波燒結(jié)、離子束制備、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促進(jìn)了傳統(tǒng)材料的升級(jí)換代，加速了新材料的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，解決了高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展對(duì)特種高性能材料的制備加工與組織性能精確控制的急需。

二、歷史沿革：

從人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和歷史進(jìn)程的宏觀來(lái)看，材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。而材料和材料技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，首先應(yīng)歸功于金屬材料制備和成型加工技術(shù)的發(fā)展。人類(lèi)從漫長(zhǎng)的石器時(shí)代進(jìn)化到青銅時(shí)代（有學(xué)者稱(chēng)之為“第一次材料技術(shù)革命”），首先得益于銅的熔煉以及鑄造技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，而由銅器時(shí)代進(jìn)入到鐵器時(shí)代，得益于鐵的規(guī)模冶煉技術(shù)、鍛造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展（所謂“第二次材料技術(shù)革命”）。直到16世紀(jì)中葉，冶金（金屬材料的制備與成型加工）才由“技藝”逐漸發(fā)展成為“冶金學(xué)”，人類(lèi)開(kāi)始注重從“科學(xué)”的角度來(lái)研究金屬材料的組成、制備與加工工藝、性能之間的關(guān)系，迎來(lái)了所謂的“第三次材料技術(shù)革命”——人類(lèi)從較為單一的青銅、鑄鐵時(shí)代進(jìn)入到合金化時(shí)代，催生了人類(lèi)歷史的第一次工業(yè)革命，推動(dòng)了近代工業(yè)的快速發(fā)展。

進(jìn)入20世紀(jì)以后，材料合成技術(shù)、符合技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，而電子信息、航天航空等尖端技術(shù)的發(fā)展，反過(guò)來(lái)對(duì)高性能先進(jìn)材料的研究開(kāi)發(fā)提出了更高的要求，起到了強(qiáng)大的促進(jìn)作用，促成了一系列新材料和新材料技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

一般而言，材料需要經(jīng)歷制備、成型加工、零件或結(jié)構(gòu)的后處理等工序才能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，因此，材料制備與成型加工技術(shù)，與材料的成分和結(jié)構(gòu)、材料的性質(zhì)一起，構(gòu)成了決定材料使用性能的最基本的三大要素。

先進(jìn)工業(yè)國(guó)家對(duì)材料制備與成型加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)十分重視。美國(guó)制定了“為了工業(yè)材料發(fā)展計(jì)劃”，其核心是開(kāi)放先進(jìn)的制備與成型加工技術(shù)，提高材

料性能，降低生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足未來(lái)工業(yè)發(fā)展對(duì)材料的需求。德國(guó)開(kāi)展的“21世紀(jì)新材料研究計(jì)劃”將材料制備與成型加工技術(shù)列為六個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容之一。在歐盟的“第六框架”計(jì)劃中，先進(jìn)制備技術(shù)時(shí)新材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。日本在20世紀(jì)90年代后期，先后實(shí)施了“超級(jí)金屬”、“超鋼鐵”計(jì)劃，重點(diǎn)是發(fā)展先進(jìn)的制備加工技術(shù)，精確控制組織，大幅度提高材料的性能，達(dá)到減少材料用量、節(jié)省資源和能源的目的。

新材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，綜合反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)化水平，而先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于新材料的研制、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用。先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，加上了新材料的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程，促成了諸如微電子和生物醫(yī)用材料等新興產(chǎn)業(yè)的形成，促進(jìn)了現(xiàn)代航天航空，交通運(yùn)輸，能源環(huán)保等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料向高性能“，復(fù)合化，結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展，尤其需要先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)及裝備，可使材料的生產(chǎn)過(guò)程更加高效，節(jié)能和潔凈，從而提高傳統(tǒng)材料 產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

另一方面，開(kāi)展本科學(xué)領(lǐng)域色前沿和基礎(chǔ)研究，并綜合利用相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)理論和科技發(fā)展成果，提供預(yù)備新材料的新原理新方法，也是材料科學(xué)與工程學(xué)科自身發(fā)展的需求。

因此，材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)發(fā)展，對(duì)提高國(guó)家綜合實(shí)力，突破先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的技術(shù)壁壘與封鎖，保障國(guó)家安全，改善人民生活質(zhì)量，以及促進(jìn)材料科學(xué)與技術(shù)自身的進(jìn)步與發(fā)展，具有十分重要的作用，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

三、研究現(xiàn)狀

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，如非晶絲材、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(xiàn)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)的枝晶凝固模式，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(lèi)：前者是將制備的半固態(tài)漿料直接用于成型，如壓鑄成型（稱(chēng)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(chēng)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(mǎn)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(chē)覆蓋件、大型球罐結(jié)構(gòu)、飛機(jī)艙門(mén)，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(xiāo)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(xiāo)售額已達(dá)到91億美元，其中粉末冶金零件的銷(xiāo)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、易于操作和控制等特點(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)和快速原型制造技術(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)附加制備與成形加工技術(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(mén)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。

四、發(fā)展前景

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。

基于上述材料加工技術(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與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(mén)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(chē)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Cellular Automaton法研究鋁合金組織演變和汽車(chē)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加工技術(shù)的研究尚處于概念形成與探索階段，被認(rèn)為是21世紀(jì)前期材料成形加工新技術(shù)中最富潛力的前沿研究方向之一。

其他的材料先進(jìn)制備與成形加工前沿技術(shù)

電磁軟接觸連鑄、鈦合金連鑄連軋技術(shù)、高性能金屬材料噴射成形技術(shù)、輕合金半固態(tài)加工技術(shù)、泡沫鋁材料制備、鋼質(zhì)蜂窩夾芯板擴(kuò)散-軋制復(fù)合、金屬超細(xì)絲材制備技術(shù)、超細(xì)陶瓷粉末燃燒合成、模具表面滲注鍍復(fù)合強(qiáng)化、金屬管件內(nèi)壁等離子體強(qiáng)化技術(shù)、鈦合金激光熔覆技術(shù)、非納米晶復(fù)合涂層制備技術(shù)等。

五、個(gè)人認(rèn)識(shí)與評(píng)論

中國(guó)已是制造大國(guó)，僅次于美、日、德，居世界第4位。中國(guó)雖是制造大國(guó)，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有很大差距，表現(xiàn)在：（1)制造業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率低，不到美國(guó)的5%；（2）技術(shù)含量低，以CAD為例，仍停留在繪圖功能上；（3）重要關(guān)鍵產(chǎn)品基本上沒(méi)有自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)能力。材料成形加工行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，材料成形加工技術(shù)是汽車(chē)、電力、石化、造船及機(jī)械等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)制造技術(shù)，新一代材料加工技術(shù)也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容。鑄造、鍛造及焊接等材料加工技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主體技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界75%的鋼材經(jīng)塑性加工成形，45%的金屬結(jié)構(gòu)用焊接得以成形。又如我國(guó)鑄件年產(chǎn)量已超過(guò)1400萬(wàn)t，是世界鑄件生產(chǎn)第一大國(guó)。汽車(chē)結(jié)構(gòu)中65%以上仍由鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料通過(guò)鑄造、鍛壓、焊接等加工方法成形。但是，我國(guó)的材料成形加工技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大差距。舉例說(shuō), 重大工程的關(guān)鍵鑄鍛件如長(zhǎng)江三峽水輪機(jī)的第一個(gè)葉輪仍從國(guó)外進(jìn)口；航空工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)及其他重要的動(dòng)力機(jī)械的核心成形制造技術(shù)尚有待突破。因此，在振興我國(guó)制造業(yè)的同時(shí)，要加強(qiáng)和重視材料成形加工制造技術(shù)的發(fā)展。高速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)要求加工制造的產(chǎn)品精密化、輕量化、集成化；國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈的市場(chǎng)要求產(chǎn)品性能高、成本低、周期短；日益惡化的環(huán)境要求材料加工原料與能源消耗低、污染少。為了生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品，材料正由單一的傳統(tǒng)型向復(fù)合型、多功能型發(fā)展；材料成形加工制造技術(shù)逐漸綜合化、多樣化、柔性化、多學(xué)科化。因此, 面對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、參與全球競(jìng)爭(zhēng)，必須十分重視先進(jìn)制造技術(shù)及成形加工技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步。

材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究中值得思考的幾個(gè)問(wèn)題

1.明晰專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵，確定發(fā)展方向

材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)作為1998年專(zhuān)業(yè)調(diào)整時(shí)設(shè)立的一個(gè)新的專(zhuān)業(yè)，由于其涵蓋范圍較廣泛，涉及的內(nèi)容較繁雜，因而使其專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵不夠明確。

材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)是以成形技術(shù)為手段、以材料為加工對(duì)象、以過(guò)程控制為質(zhì)量保證措施、以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造為目的的工科專(zhuān)業(yè)。材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)和工程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)均隸屬于機(jī)械學(xué)科，要求共同的機(jī)械工程基礎(chǔ)理論。以材料為加工對(duì)象的特點(diǎn)決定了材料科學(xué)也成為本專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，而以過(guò)程控制為質(zhì)量保證措施這一特點(diǎn)，決定了控制理論也成為本學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的重要組成部分。因此，材料類(lèi)學(xué)科專(zhuān)業(yè)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)等都成為與本專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)的學(xué)科。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和學(xué)科交叉，本專(zhuān)業(yè)比以往任何時(shí)候都更緊密地依賴(lài)諸如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、微電子、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)論、信息論、控制論及現(xiàn)代化管理等各門(mén)學(xué)科及其最新成就。

材料成形及控制工程這一隸屬于機(jī)械學(xué)科、具有機(jī)械類(lèi)學(xué)科典型特征的專(zhuān)業(yè)，同時(shí)還具有濃厚的材料學(xué)科的色彩，成為一個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)?、知識(shí)范圍廣的名副其實(shí)的寬口徑專(zhuān)業(yè)。繼續(xù)進(jìn)行深入研究，準(zhǔn)確界定專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵，對(duì)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

2.培養(yǎng)目標(biāo)的定位

培養(yǎng)目標(biāo)定位很重要，涉及到材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)的發(fā)展和人才培養(yǎng)適應(yīng)市場(chǎng)需求的問(wèn)題。盡管我國(guó)的高等教育已由精英教育邁入大眾化教育階段，但這并不意味著社會(huì)市場(chǎng)只需要通才，而不需要專(zhuān)才。并且科學(xué)研究和工程應(yīng)用這兩方面的需求也要求培養(yǎng)不同類(lèi)型的專(zhuān)業(yè)人才。因此，不同類(lèi)型學(xué)校應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)的需求和自身的特點(diǎn)來(lái)培養(yǎng)不同類(lèi)型的人才。一部分高等院校應(yīng)該擔(dān)負(fù)起精英教育的責(zé)任，以培養(yǎng)材料成形及控制工程學(xué)科的科學(xué)研究型和科學(xué)研究與工程技術(shù)

復(fù)合型高層次人才為主，本科階段應(yīng)是以通識(shí)為主的專(zhuān)業(yè)教育；另一部分學(xué)校應(yīng)以普及高等教育為主，負(fù)起大眾化教育的責(zé)任，以培養(yǎng)本學(xué)科的工程技術(shù)型、職業(yè)應(yīng)用復(fù)合型人才為主，本科是通識(shí)與專(zhuān)業(yè)并重的教育；高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院則以培養(yǎng)職業(yè)應(yīng)用型、職業(yè)應(yīng)用復(fù)合型人才為主，專(zhuān)科是完全職業(yè)專(zhuān)業(yè)教育。各學(xué)校可根據(jù)學(xué)校自身的層次來(lái)確定專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

在材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的定位中，還應(yīng)考慮市場(chǎng)需求。本科教育培養(yǎng)通才還是專(zhuān)才，是以普通教育為中心還是以職業(yè)教育或?qū)I(yè)教育為中心，歷來(lái)是高等教育激烈爭(zhēng)辯的問(wèn)題。西方國(guó)家本科通才教育是建立在完善的繼續(xù)教育基礎(chǔ)上的，我國(guó)在這方面還有較大的差距。一方面是一些大型企業(yè)公司已有完善的教育培訓(xùn)體制和充足的教育經(jīng)費(fèi)，而另一方面是大量的中小企業(yè)仍然需要行業(yè)背景強(qiáng)的畢業(yè)生，因而高校應(yīng)進(jìn)一步適應(yīng)市場(chǎng)的需求，根據(jù)不同的培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整通識(shí)教育與專(zhuān)業(yè)教育的比例，拓寬專(zhuān)業(yè)口徑，靈活專(zhuān)業(yè)方向，建立和健全第二學(xué)位、主副修制度等。

3.創(chuàng)新精神和能力培養(yǎng)的實(shí)踐落腳點(diǎn)

當(dāng)前，就高校自身來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)抓好以下工作：(1)教師隊(duì)伍建設(shè)是關(guān)鍵。教師的真本事，主要不是課堂上的公式運(yùn)用和解題技巧，而是在于提出的解決問(wèn)題的思路。教師過(guò)教學(xué)關(guān)、過(guò)外語(yǔ)關(guān)、過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)關(guān)、接受科研訓(xùn)練以及參加國(guó)內(nèi)外的各種學(xué)術(shù)交流等，在當(dāng)前顯得特別重要。(2)在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)全方位地“聯(lián)合行動(dòng)”，即：突破傳統(tǒng)觀念，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)；提倡教育民主，尊重創(chuàng)新精神；改革評(píng)價(jià)方式，建立創(chuàng)新機(jī)制；關(guān)注個(gè)性培養(yǎng)，營(yíng)造創(chuàng)新氛圍；拓寬知識(shí)視野，夯實(shí)創(chuàng)新基礎(chǔ)；開(kāi)發(fā)情感智力，培養(yǎng)創(chuàng)新品質(zhì)等等。(3)當(dāng)前應(yīng)特別注意加強(qiáng)教學(xué)方法和考試方法的改革，根據(jù)學(xué)生的不同年級(jí)，逐漸使學(xué)生從以教師、書(shū)本和課堂為中心的教學(xué)模式中“向外突圍”，通過(guò)教學(xué)管理制度的改革，增加學(xué)生的自學(xué)時(shí)間，組織學(xué)生參加有指導(dǎo)的小型課堂討論(Seminar)，引導(dǎo)學(xué)生參加教師的科研工作，鼓勵(lì)學(xué)生參加課外科技和實(shí)踐活動(dòng)等等。(4)建設(shè)和改造一批能夠培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的實(shí)踐訓(xùn)練中心(基地)，克服困難，保證實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的落實(shí)。

六、結(jié)論

通過(guò)對(duì)材料成形專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的科技前沿技術(shù)的整理總結(jié)，我終于清楚地知道了我的專(zhuān)業(yè)（材料成形與控制工程）的發(fā)展方向，并對(duì)本專(zhuān)業(yè)有了深層次的了解和認(rèn)識(shí)，這為我以后的學(xué)習(xí)指明了道路?？吹竭€有許多富有潛力的先進(jìn)技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，這激發(fā)了我?jiàn)^斗的激情，我爭(zhēng)取通過(guò)自身的學(xué)習(xí)和努力在材料成形領(lǐng)域有較大發(fā)展，推動(dòng)材料成形技術(shù)的在社會(huì)生活中的應(yīng)用，為人類(lèi)的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

《21世紀(jì)材料成形加工技術(shù)》、《材料先進(jìn)制備與成形加工技術(shù)》、《材料成形新技術(shù)》、《中國(guó)材料工程大典》、《先進(jìn)材料定向凝固》、《材料成形界面工程》、《材料科學(xué)與工藝》、《材料成形技術(shù)基礎(chǔ)》、《材料成形工藝基礎(chǔ)》、《工程材料與成形技術(shù)》、《材料加工工程》、《先進(jìn)制造技術(shù)》

第三篇：先進(jìn)加工技術(shù)

工程訓(xùn)練報(bào)告

先進(jìn)加工技術(shù)----3D打印

學(xué)院：機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院

班級(jí)：機(jī)械13--4 姓名：姜暉

學(xué)號(hào)：201301011215

先進(jìn)加工技術(shù)--------3D打印

眾所周知，傳統(tǒng)的打印技術(shù)及其所配套的打印設(shè)備只能進(jìn)行簡(jiǎn)單或者稍微復(fù)雜的二維平面打印。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是對(duì)于加工效率，加工精度的要求日益增長(zhǎng)的情況下，傳統(tǒng)的二維打印越來(lái)越力不從心，在一次次高科技革命的推動(dòng)下，3D打印應(yīng)運(yùn)而生。

3D打印，也稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。原理方面與傳統(tǒng)的二維打印機(jī)相同，打印盒內(nèi)裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物的一種快速成型技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)打印機(jī)，3D打印機(jī)所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統(tǒng)打印機(jī)所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，當(dāng)打印機(jī)與電腦連接后，在電腦進(jìn)行控制下，按照設(shè)計(jì)人員設(shè)定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來(lái)，將計(jì)算機(jī)的立體模型變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)實(shí)在在的立體產(chǎn)品。

3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類(lèi)材料。

介紹了3D打印技術(shù)，就不得不介紹3D打印的工作過(guò)程.3D打印最重要的一個(gè)過(guò)程就是設(shè)計(jì)過(guò)程，3D打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

其次便是相切面包一樣，對(duì)模型進(jìn)行切片處理：打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。

完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過(guò)如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過(guò)程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

現(xiàn)行的3D打印有多種成型方法，每項(xiàng)各有利弊：

電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術(shù)目前還有一些技術(shù)難點(diǎn)尚待進(jìn)一步研究，比如成型過(guò)程中廢熱高，金屬構(gòu)件中金相結(jié)構(gòu)控制較為困難，特別是成型時(shí)間長(zhǎng)，先凝固的部分經(jīng)受的高溫時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)金屬晶態(tài)成長(zhǎng)控制困難，進(jìn)而引起大尺度構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜等等。

電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類(lèi)打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國(guó)和中國(guó)在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問(wèn)題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質(zhì)引起高度重視，激光成形技術(shù)幾乎是和電子束成形技術(shù)同步起步發(fā)展，但是，由于穩(wěn)定的10KW以上級(jí)的大功率激光器到2008年才開(kāi)始逐步工業(yè)化，所以激光成形技術(shù)在最近才出現(xiàn)噴涌的盛況。

激光數(shù)字成型技術(shù)主要有兩個(gè)類(lèi)別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個(gè)類(lèi)別的技術(shù)和電子束快速成型類(lèi)似，也是利用控制掃描區(qū)域形成控制的熔融區(qū)，用金屬絲或金屬粉同步掃描點(diǎn)添加，金屬熔融沉積，這項(xiàng)技術(shù)算電子束快速成型的高精度的進(jìn)化成果，激光的掃描點(diǎn)陣精度可以比電子束高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以得到更高精度的零件，從而進(jìn)一步減少材料的耗量和機(jī)械加工的需求，同時(shí)它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優(yōu)勢(shì)。

這類(lèi)區(qū)域熔融的技術(shù)需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環(huán)境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區(qū)的大小和功率直接相關(guān)，越大形的構(gòu)件加工能力要求越高，由于電子束對(duì)金屬的熱效應(yīng)深度比較大，而激光熱效應(yīng)深度較小，激光成形時(shí)胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區(qū)和更細(xì)密均勻的沉積構(gòu)造，凝固過(guò)程中的金相結(jié)構(gòu)更容易控制，熱應(yīng)力復(fù)雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復(fù)雜零件，也能制造較薄壁的零件類(lèi)型。美DRAPA，洛克希德先進(jìn)制造技術(shù)中心，和飛利浦、賓州大學(xué)等于2013年演示的先進(jìn)制造

DM概念，就是基于這類(lèi)技術(shù)基礎(chǔ)。

激光3D打印幾乎可直接加工出工業(yè)零件

目前主流的激光打印機(jī)是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達(dá)300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術(shù)結(jié)合，新一代的最有希望的最精密成型的技術(shù)是以直接金屬激光燒結(jié)（Direct metal laser sintering，DMLS）和選區(qū)激光（selective laser sintering，SLS）為代表的激光精密數(shù)字成形。這兩者都是在基底鋪設(shè)金屬粉末，由激光掃瞄燒結(jié)，所不同的是，直接燒結(jié)是邊鋪粉邊燒，而選區(qū)燒結(jié)是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結(jié)，這種燒結(jié)每次沉積厚度約20－100微米，通過(guò)反復(fù)多次的沉積最終獲得三維立體的零件。

激光精密成形的優(yōu)點(diǎn)是精度高，成形點(diǎn)陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復(fù)雜空間扭轉(zhuǎn)體，和相互交叉穿透的復(fù)雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應(yīng)用的工業(yè)零件。

激光3D打印零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件

高精度激光燒結(jié)對(duì)激光的功率要求中等，燒結(jié)點(diǎn)溫度雖然高，但是點(diǎn)陣小，每點(diǎn)陣金屬熔融凝固量很少，全過(guò)程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區(qū)，較少形成復(fù)雜的熱應(yīng)力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細(xì)密，大多為細(xì)小的晶格態(tài)，類(lèi)似于經(jīng)過(guò)鍛造的金屬構(gòu)件，獲得金屬零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件。

美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專(zhuān)利，由DTM公司提供商用設(shè)備，美國(guó)麻省理工1988年提出DMLS的概念和專(zhuān)利，但目前商用化設(shè)備主要的供應(yīng)商都來(lái)源于歐洲，德國(guó)EOS略占優(yōu)勢(shì)，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)于1998年以后開(kāi)始開(kāi)展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國(guó)內(nèi)在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術(shù)應(yīng)用化的專(zhuān)利，在航空領(lǐng)域因材料強(qiáng)度方面的問(wèn)題，早期的應(yīng)用主要在快速建立冶金應(yīng)用模具方面。

作為一種主流的高新技術(shù)，3D打印有著非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：軍工，航天，醫(yī)學(xué)，甚至于建筑行業(yè)，均存在著3D打印技術(shù)的影子.3D打印技術(shù)目前在全球也是前沿技術(shù)和前沿應(yīng)用，最尖端的航空工業(yè)對(duì)這種技術(shù)最為關(guān)注也最嚴(yán)謹(jǐn)，美國(guó)90年代中期就獲得這類(lèi)技術(shù)的工業(yè)嘗試，但是他們一直稱(chēng)為近凈成型加工技術(shù)，F(xiàn)－22,F－35都有應(yīng)用，不過(guò)因?yàn)橐恍┘庸すに嚨仍颍绹?guó)也沒(méi)有能大規(guī)模應(yīng)用，但美國(guó)將這一技術(shù)一直作為先進(jìn)制造技術(shù)而由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DRAPA）牽頭，組織美國(guó)30多家企業(yè)對(duì)這一技術(shù)長(zhǎng)期研究。

美國(guó)如此重視，我國(guó)自然也不甘落后。最近幾年，中國(guó)航空工業(yè)捷報(bào)頻傳，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)殲-20，殲-31，艦載機(jī)殲-15，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20一大批高新機(jī)不斷誕生，接踵而出，最為引人關(guān)注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個(gè)科研主體帶動(dòng)，沈飛、成飛、西飛等數(shù)家航空制造企業(yè)為主體，成為全球第二個(gè)能夠在實(shí)際應(yīng)用中利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零件的國(guó)家。

與其他的高新技術(shù)一樣，3D打印技術(shù)也有著自身的缺點(diǎn)和不足之處。

3D打印零件強(qiáng)度還難以作為飛機(jī)受力構(gòu)件

3D打印概念的出現(xiàn)是一種制造工業(yè)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優(yōu)點(diǎn)和缺陷，在航空領(lǐng)域，選擇燒結(jié)SLS技術(shù)看起來(lái)潛力最大，應(yīng)用前景最廣泛，它的材料適應(yīng)范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術(shù)中因熔融——凝固過(guò)程過(guò)快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線(xiàn)方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線(xiàn)狀晶格排列，這些都會(huì)嚴(yán)重影響了成形件的強(qiáng)度。

目前激光選區(qū)成形的構(gòu)件大多都只能達(dá)到同牌號(hào)金屬鑄造的強(qiáng)度水平，雖然這已經(jīng)能讓構(gòu)件進(jìn)入正常的應(yīng)用領(lǐng)域，但顯然要承擔(dān)象飛機(jī)這樣的主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進(jìn)一步機(jī)械加工直接金屬激光燒結(jié)DMLS技術(shù)因?yàn)橹苯佑眉す馊廴诮饘俳z沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產(chǎn)生粉末冶金那樣的成形時(shí)的空穴，這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的構(gòu)件致密度可達(dá)99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)都主要利用這種技術(shù)制造高受力構(gòu)件，它能達(dá)到同牌號(hào)金屬最 高強(qiáng)度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構(gòu)件。

目前的金屬3D打印構(gòu)件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經(jīng)過(guò)表面的機(jī)械加工，去除表面多余的，不連續(xù)的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機(jī)械加工很有可能無(wú)法進(jìn)行，其零件的重量效率，管路流動(dòng)效率等方面不一定能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復(fù)雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統(tǒng)機(jī)械加工的能力。

3D打印對(duì)飛機(jī)大型構(gòu)件制造還存在問(wèn)題

直接成形的金屬零件在生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)榉磸?fù)經(jīng)受局部接近熔點(diǎn)溫度受熱，內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在成形某些大型細(xì)長(zhǎng)體，薄壁體金屬構(gòu)件時(shí)，應(yīng)力處理和控制還不能滿(mǎn)足要求，實(shí)際上到目前為止一直影響3D打印在航空業(yè)的應(yīng)用也正是因?yàn)檫@個(gè)原因。

美國(guó)從1992年開(kāi)始就不斷利用這類(lèi)技術(shù)希望能夠直接生產(chǎn)飛機(jī)用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因?yàn)閼?yīng)力復(fù)雜，大型構(gòu)件成形過(guò)程中或成形后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，嚴(yán)重到無(wú)法使用。所以3D打印技術(shù)盡管很早就出現(xiàn)了，但國(guó)外航空工業(yè)界還持有相當(dāng)?shù)谋Ｊ貞B(tài)度也是有原因的。激光3D打印工業(yè)化面臨精細(xì)度難題目前激光成形技術(shù)面臨工業(yè)化的兩個(gè)方向相互間有矛盾，一是打印精細(xì)度，目前的打印精細(xì)度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技術(shù)加工生成的零件表面精度則在0.8～5毫米之間，目前市場(chǎng)銷(xiāo)售的2D激光打印機(jī)點(diǎn)陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個(gè)精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細(xì)和激光熔融金屬液態(tài)滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過(guò)鋪粉預(yù)處理、激光超快速融化——凝固等技術(shù)的出現(xiàn)會(huì)為提高激光成形的精度有很大幫助。

激光3D打印工業(yè)化面臨打印速度難題另一個(gè)發(fā)展方向則是提高打印速度，目前激光打印的速度還是較慢的，每小時(shí)印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小時(shí)左右，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，特別是大規(guī)?；a(chǎn)，這個(gè)速度是不夠的，現(xiàn)在的激光成形基本還是單光頭單層鋪粉作業(yè)，未來(lái)為了提高打印速度和應(yīng)對(duì)超大型構(gòu)件打印，已經(jīng)有多光頭多層鋪粉同步打印的設(shè)計(jì)出現(xiàn)。

激光成形目前尚屬于單一技術(shù)應(yīng)用，但是在工業(yè)界，激光沖擊強(qiáng)化在冶金方面應(yīng)用已經(jīng)有10幾年的歷史了，激光打印成形實(shí)際上很有希望能夠直接集成激光沖擊強(qiáng)化，激光淬火等技術(shù)，它能讓激光成形的構(gòu)件更加致密，且具有高級(jí)別的強(qiáng)度，實(shí)際上激光3D打印機(jī)都能簡(jiǎn)單的通過(guò)軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化的功能。

現(xiàn)在3D打印技術(shù)還只是露出第一縷曙光

新的制造方法需要新的一系列處理工藝配合，3D打印目前只能算一絲曙光，真正達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)生效益，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)展和積累。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)是信息革命在攻克傳統(tǒng)工業(yè)的最后堡壘的終結(jié)的沖鋒號(hào)，因而引發(fā)了一系列的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究的新課題，激光粉末冶金，微沉積金相學(xué)，微觀淬火、鍛造，激光沖擊強(qiáng)化等一系列機(jī)械制造，冶金等領(lǐng)域的課題將會(huì)讓已經(jīng)暮氣沉沉的傳統(tǒng)冶金科學(xué)，和制造科學(xué)領(lǐng)域重新充滿(mǎn)發(fā)展的動(dòng)力，在未來(lái)的數(shù)十年間，誰(shuí)在這些技術(shù)領(lǐng)域獲得應(yīng)用化的實(shí)際成果，可能會(huì)影響和顛覆現(xiàn)有的制造工業(yè)的基本面貌,未來(lái)可謂潛力無(wú)限。

第四篇：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(xiàn)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(lèi)：前者是將制備的半固態(tài)漿料直接成型，如壓鑄成型（稱(chēng)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(chēng)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(mǎn)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(chē)覆蓋件、大型球罐結(jié)構(gòu)、飛機(jī)艙門(mén)，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(xiāo)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(xiāo)售額已達(dá)到91億美元，其中粉末冶金零件的銷(xiāo)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。可以預(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(mén)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(mén)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(chē)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Cellular Automaton 法研究鋁合金組織演變和汽車(chē)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加工技術(shù)的研究尚處于概念形成與探索階段，被認(rèn)為是21世紀(jì)前期材料成形加工新技術(shù)中最富潛力的前沿研究方向之一。其他的材料先進(jìn)制備與成形加工前沿技術(shù)

電磁軟接觸連鑄、鈦合金連鑄連軋技術(shù)、高性能金屬材料噴射成形技術(shù)、輕合金半固態(tài)加工技術(shù)、泡沫鋁材料制備、鋼質(zhì)蜂窩夾芯板擴(kuò)散-軋制復(fù)合、金屬超細(xì)絲材制備技術(shù)、超細(xì)陶瓷粉末燃燒合成、模具表面滲注鍍復(fù)合強(qiáng)化、金屬管件內(nèi)壁等離子體強(qiáng)化技術(shù)、鈦合金激光熔覆技術(shù)、非納米晶復(fù)合涂層制備技術(shù)等。

第五篇：先進(jìn)材料成形技術(shù)與理論大綱

研究生課程教學(xué)大綱

課程編號(hào)：S292023 課程名稱(chēng)：先進(jìn)材料成形技術(shù)與理論

開(kāi)課院系：機(jī)電工程學(xué)院 任課教師：郭永環(huán) 先修課程：理論力學(xué)、材料力學(xué)、材料成型原理、工程材料等 適用學(xué)科范圍：機(jī)械工程 學(xué)時(shí)： 36 開(kāi)課學(xué)期：2 課程目的和基本要求：

本課程主要介紹與材料成型與加工相關(guān)的知識(shí)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生對(duì)液態(tài)成形、連接成形、固態(tài)塑性成形、粉末冶金及成形、高分子材料及成形、陶瓷材料及成形、復(fù)合材料及成形基本過(guò)程有較深入的理解；掌握典型機(jī)械零件制造的基本工藝，初步具備根據(jù)零件使用要求合理選擇成形工藝以及根據(jù)成形工藝要求合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)的能力，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

學(xué)分： 2 開(kāi)課形式：講授

課程主要內(nèi)容：

第一章 金屬材料與熱處理

主要內(nèi)容包括金屬材料的機(jī)械性能、金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶、常用的熱處理工藝。第二章 鑄造成型技術(shù)

主要內(nèi)容包括合金的鑄造性能、常用的鑄造合金和鑄造方法、先進(jìn)液態(tài)金屬成型技術(shù)。第三章 壓力加工成型技術(shù)

主要內(nèi)容包括壓力加工成型的特點(diǎn)和方法、鍛造和沖壓等常用壓力加工技術(shù)、超塑性成形、粉末鍛造等特殊壓力加工新技術(shù)。

第四章 焊接成型技術(shù)

主要內(nèi)容包括焊接原理及方法、焊接接頭的組織和性能、常用金屬的焊接、激光焊和微連接技術(shù)等新的連接技術(shù)。

第五章 粉末冶金及其成型

主要內(nèi)容包括粉末冶金基礎(chǔ)知識(shí)及粉末冶金工藝過(guò)程知識(shí)。第六章 高分子材料及其成型

主要內(nèi)容包括工程塑料的分類(lèi)和工程塑料成型工藝、塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性。第七章 陶瓷材料及成型 主要內(nèi)容包括陶瓷材料的性能。第八章 復(fù)合材料及其成型

主要內(nèi)容包括復(fù)合材料的定義和分類(lèi)、復(fù)合材料成型工藝和應(yīng)用。第九章 快速成型技術(shù)

主要內(nèi)容包括快速成型技術(shù)的原理、分類(lèi)及特點(diǎn) 第十章 成型材料與方法選擇

主要內(nèi)容包括材料成型方法選擇的原則、幾種常用的機(jī)械零件的毛坯成型方法的選擇方法。

課程主要教材：

樊自田.先進(jìn)材料成形技術(shù)及理論，化學(xué)工業(yè)出版社，2006 主要參考文獻(xiàn)：

1．劉建華.材料成型工藝基礎(chǔ)，西安電子科技大學(xué)出版社，2007 2．毛萍莉.材料成形技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2007 3.毛衛(wèi)民.金屬材料成形與加工，清華大學(xué)出版社，2008

學(xué)院審核意見(jiàn)： 學(xué)位分委員會(huì)審批意見(jiàn)：

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