第一篇：先進材料制備技術(shù)

鋁基復合材料的制備及其應用

材料是人類賴以生存的必需品，是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代文明的重要支柱。而先進材料對人類生活質(zhì)量的提高，對社會的發(fā)展，對其他技術(shù)的發(fā)展都起著重要的促進作用。

先進材料是新材料和具有高性能的傳統(tǒng)材料的總稱，既包括具有優(yōu)良性能的新材料，又包括具有高性能的傳統(tǒng)材料。

汽車工業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)是大型的、綜合性的加工產(chǎn)業(yè)，它可以帶動和促進系列相關(guān)工業(yè)和相關(guān)社會服務行業(yè)的發(fā)展。相關(guān)的工業(yè)有冶金、石油化工、機械、電子電器、輕工、紡織等。相關(guān)的服務行業(yè)有交通運輸、保險、維修、商業(yè)等。這些工業(yè)和服務行業(yè)所涉及的經(jīng)濟效益和社會效益十分巨大。在材料方面，汽車工業(yè)需用11大類材料，分別為鋼板、特種鋼、結(jié)構(gòu)用塑料和復合材料、非結(jié)構(gòu)用塑料和復合材料、橡膠、涂料、有色金屬合金（主要為鋁合金材料）、鑄件、陶瓷和玻璃、金屬基復合材料。汽車工業(yè)對材料的需求很大，僅美國每年需用6000萬噸以上。隨著現(xiàn)代汽車向輕量化、節(jié)能、環(huán)保、安全舒適方向發(fā)展，需用傳統(tǒng)材料提高性能，同時需要具有高性能的新型材料代替部分傳統(tǒng)材料。例如，采用IF鋼板和抗拉強度超過400MPa的超級鋼做汽車鋼板，可以減薄，減輕汽車車體質(zhì)量；采用新型的鋁基復合材料代替鑄鐵件，用深沖鋁合金板代替鋼板，都顯著減輕汽車質(zhì)量。自20世紀60年代以后，塑料件在汽車中的應用逐漸增多，以工程塑料和復合材料為主，目前，在單臺轎車上的塑料件用量已接近120Kg。由于先進材料的發(fā)展，汽車上使用的原材料結(jié)構(gòu)組成比逐年發(fā)生變化。

先進復合材料的興起，克服了均一材質(zhì)材料的不具有多種性能的弱點，在汽車上應用，既有利于減輕汽車自身質(zhì)量，又有利于提高性能。

一． 鋁基復合材料制備技術(shù)

先進鋁合金材料包括高強高韌性鋁合金材料、半固態(tài)鑄造成型鋁合金材料和耐腐蝕鋁合金材料等。

當前鋁基復合材料的研究幾種在兩個方面：1.采用連續(xù)纖維增強的具有優(yōu)異性能的復合材料，其應用范圍幾種在很特殊的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域；2.采用不連續(xù)增強體增強的具有優(yōu)良性能的復合材料，其應用范圍相當廣泛。

相對來說，后者具有制備工藝簡單、增強體成本低廉等優(yōu)點，實現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的潛力更大，因此成為當前鋁基復合材料的研究重點。

1.纖維增強鋁基復合材料的制造方法

為獲得無纖維損傷、無空隙、高性能的致密復合材料，必須考慮增強纖維與鋁及鋁合金間的潤濕性好壞和反應性大小、增強纖維的分布狀態(tài)和高溫下的損傷老化程度及界面穩(wěn)定性等。纖維增強鋁基復合材料的制造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法擴散粘接法和粉末冶金法等。1.1 熔融浸潤法

熔融浸潤法是用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束，或?qū)⒗w維束通過液態(tài)鋁及鋁合金熔池，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬面得到復合絲，再經(jīng)擠壓而制得復合材料。其缺點是當纖維很容易被浸潤時，熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷利用增強纖維表面涂層處理技術(shù)，可有效地改善纖維與金屬間的浸潤性和控制界面反應。目前熔融浸(Al—Mg)等纖維增強鋁基復合材料的制造。1.2 加壓鑄造法

加壓鑄造法是使熔融鋁及鋁合金強制壓入內(nèi)置纖維預制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結(jié)束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有孔隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。鑄造壓力和增強纖維含量對鋁基復合材料的性能有較大影響。加壓鑄造法成功地用于制造B／AI，SiC／A1，A1 Od(Al—Li)，A1 OJ(A1一Mg)等鋁基復合材料。1.3 擴散粘接法

擴散粘接法主要是指鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基復合材料的制造方法。此外，擴散粘接法還包括常壓燒結(jié)法、熱壓法、高溫擠拉法。目前采用擴散粘接法制造的纖維增強鋁基復合材料有C／A1，B／A1，SiC／A1等。

1.4 粉末冶金法

粉末冶金法是傳統(tǒng)的粉末冶金工藝在新的工程材料制備上的發(fā)展。隨著制粉工藝的發(fā)展和分散工藝方法的完善，人們已經(jīng)利用粉末冶金法成功制備了大量性能優(yōu)異的鋁基復合材料。它們不僅具有高比強、高比模、低膨脹、高抗磨的特點，而且可以隨意調(diào)整工藝路線。這種方法制備的鋁基復合材料中增強相分布均勻，界面反應易于控制，在性能和穩(wěn)定性上大大優(yōu)于其它工藝方法制備的材料。

2、顆粒增強鋁基復合材料的制備方法： 2.1 液態(tài)金屬浸滲 1)擠壓鑄造

’ 擠壓鑄造是目前制造金屬基復合材料較成熟的一種方法。首次在工業(yè)上應用的鋁基復合材料制件即13 本豐田公司制造的鋁基A 1，O，晶須增強汽車活塞就是用擠壓鑄造方法獲得的。擠壓鑄造是在液體壓力作用下將液態(tài)金屬滲入增強相預制塊中。在制造過程中，為了防止熔體過早冷卻，需要對壓模和預制塊進行預熱處理，預熱溫度一般低于基體合金的液相線溫度。2)氣壓鑄造

用氣體壓力取代擠壓鑄造的液體壓力。就形成了氣壓浸滲制造復合材料工藝。氣壓浸滲工藝一般都施加真空作用，所需要的浸滲壓力較低，大都在十幾M P a 以下。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種氣壓浸滲工藝技術(shù)。3)無壓浸滲

無壓浸滲工藝是1 9 8 9 年L a n x i d e 公司：提出的專利技術(shù)，也稱為L a n x i d e 5 2 藝。在該工藝中，基體合金放在可控制氣氛的加熱爐中加熱到基體合金液相線以上溫度，在不加壓力的情況下合金熔體自發(fā)浸滲到 顆粒層或預制塊中。利用該方法可制造出近終形態(tài)的復合材料制品。因為沒有壓力作用，浸滲模具材料選擇很容易，如可選用；透氣性好的耐火材料和燒結(jié)陶瓷材料。影響該工藝的主要因素為： 浸滲溫度、顆粒大小和環(huán)境氣體種類。無壓浸滲工藝本質(zhì)是實現(xiàn)自潤濕作用。目前該工藝只能在一定條件下才能實現(xiàn)，合金含鎂和氮氣環(huán)境是兩個前提條件，因此無壓浸滲工藝具有局限性。2.2 彌散混合工藝

彌散混合工藝是用機械力作用使顆粒和熔體混合，然后澆注成鑄錠或復合材料制件。該工藝研究開始于6 0 年代。由于大多數(shù)類型的顆粒和鋁合金熔體之間具有不潤濕特點，因此為了使得顆粒和熔體之間完全結(jié)合，必須施加外力作用以克服熱力學表面障礙和黏滯阻力。該工藝主要包括： 攪拌鑄造、流變鑄造、螺旋擠壓、噴射分散、團塊分散等方法。2.3 原位復合工藝

原位復合工藝是由加入到基體金屬熔體中的粉末或其它材料與基體反應生成一定的增強相而制得復合材料的一種工藝。主要包括自蔓延合成工藝、X D 52 藝和氣液反應工藝。這些工藝的主要優(yōu)點為： 陶瓷顆粒表面無污染，與基體界面相容性好，顆粒細小，因而材料增強效果好，是研究和開發(fā)復合材料很有效的方法” M a r i e t t a 公司開發(fā)的專利復合材料制造X D T M 技術(shù)。該技術(shù)是向有溶解能力的金屬(如A 1)中加入某幾種物質(zhì)使其發(fā)生化合反應放熱生成需要的增強體。以T i B，顆粒在A l 基體中的形成為例，T i、B 和A l 以元素粉末的形成或以A l — T i、A l — B 合金的形式混合并加熱至足夠高的溫度形成熔融的A l 介質(zhì)，T i 或B 在其中擴散析出T i B。典型的做法是先制備含高體積分數(shù)(5 0 v 0 1％ 以上)的母合金，再加入到金屬基體中制得含所需體積分數(shù)的復合材料。該技術(shù)可產(chǎn)生的陶瓷顆粒包括硼化物、碳化 物、氮化物和硅化物等。2.4 粉末冶金

粉末冶金是制備高熔點難成型金屬材料的傳統(tǒng)工藝。它是將快速凝固金屬粉末和增強陶瓷顆粒等經(jīng)篩分、混合、冷壓固結(jié)、除氣、熱壓燒結(jié)，以及壓力加工制得復合材料的一種工藝。研究結(jié)果表明，用粉末冶金工藝生產(chǎn)的顆粒增強金屬基復合材料的綜合強度水平比用熔融金屬工藝生產(chǎn)的同種材料高，伸長率也較高，材料微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善。但是這種工藝及設(shè)備復雜，金屬粉末與陶瓷顆?；旌蠒r會因顆粒分布不均，除氣不完全而導致材料內(nèi)部出現(xiàn)氣孔，溫度選擇不當易造成汗析。另外，制得的復合材料坯件一般還需要二次成型。這種設(shè)備不適用于生產(chǎn)較大型件，所以對鋁基復合材料的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)有所限制。2.5 噴射沉積工藝

噴射沉積工藝是由英國S i n g e r 教授首創(chuàng)并干1 9 7 0 年正式公布。這一工藝早期應用于一些金屬半成品的生產(chǎn)和制備，后來加利福尼亞大學L a v e r n i a E J 等人開始利用這一技術(shù)制備顆粒增強金屬基復合材料。

哈爾濱工業(yè)大學武高輝等人對石墨纖維增強鋁基復合材料在空間遙感器鏡筒結(jié)構(gòu)中的應用進行了研究。為了設(shè)計和制造出性能更加優(yōu)越的空間遙感器，對一種新型航天材料石墨纖維增強鋁基復合材料進行了研究。突破了石墨纖維與鋁合金的界面反應控制、纖維鋪層和纏繞設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，成功制備了石墨纖維增強鋁基復合材料，材料的密度為2．12×10 kg／m。，彈性模量為129 GPa，線膨脹系數(shù)為5．0×10 K。針對這種復合材料，摸索出一套完整的加工和后處理工藝，并首次把這種復合材料應用在空間紅外遙感器鏡簡結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計的鏡筒較之鈦合金鏡筒減重31．8。最后，完成了鏡筒組件的加工裝配、透鏡的裝校和隨機振動試驗。實驗結(jié)果表明，鏡筒組件的一階諧振頻率為284 Hz，高于100 Hz的設(shè)計要求，振動試驗后光機系統(tǒng)沒有發(fā)生變化。上述工作表明，石墨纖維增強鋁基復合材料在航天遙感領(lǐng)域具有較高的應用價值。

2．1 材料的特點分析

對于小型空間紅外遙感器來說，結(jié)構(gòu)部分不僅要滿足高剛度、高強度和尺寸穩(wěn)定性的要求，而且應該盡量減輕質(zhì)量。本文研究的空間紅外遙感器鏡筒材料采用了石墨纖維增強鋁基復合材料（以下簡稱鋁基復合材料)，這種材料屬于長纖維增強(連續(xù)強化)金屬基復合材料，由哈爾濱工業(yè)大學金屬基復合材料研究所自 主研制。

與金屬材料相比，鋁基復合材料具有如下優(yōu)點：耐高溫、高比強、高比模、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、對缺口不敏感且抗磨損。與聚合物基復合材料相比鋁基復合材料具有如下優(yōu)點：耐高低溫、防燃、尺寸穩(wěn)定、抗氧化、抗輻照、抗電磁脈沖、無氣化和導熱、導電、剪切強度高、熱膨脹系數(shù)低、可直接加工螺紋和圓孔。

表1比較了常用航天材料的主要性能參數(shù)，從中可以看出，鋁基復合材料(Gr／A1)的密度比鋁小，但是彈性模量比鈦大。鋁基復合材料的比剛度很大，僅次于鈹，但它的生產(chǎn)過程不會像鈹一樣產(chǎn)生劇毒和污染。它的線膨脹系數(shù)為5．0×10 K，在±5O。C多次循環(huán)下，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，可以很好地滿足光學系統(tǒng)對溫度和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性的要求。

比剛度和比強度高、線膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好是鋁基復合材料的突出特點，這些特點決定了它是一種制造空問相機鏡筒的理想材料。

2．3 材料的加工和處理工藝

鋁基復合材料是一種設(shè)計性很強的材料，可以按照設(shè)計者的要求進行石墨纖維的鋪層、纏繞、毛坯件的精密成型，這樣既可以提高材料性能，又可以節(jié)約昂貴的石墨纖維，降低成本。設(shè)計人員也可以根據(jù)材料纖維鋪層和纏繞的特性，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計合理的過渡與連接，充分利用材料特點，使零部件獲得更好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。這種材料還可以直接加工圓孔和螺紋，不需要安裝預埋件，較之樹脂基復合材料使用起來更加方便。

圖2列舉了一種典型石墨纖維增強鋁基復合材料零件的加工工藝流程。需要特別注意的是在鋁基復合材料的切削加工過程中，一般應使用金剛石刀具，而且不能使用冷卻液。由于石墨纖維的存在，普通刀具很容易磨損，切削力的穩(wěn)定性很差，易引起機床的振動，切削速度也不宜過高。圖3展示的是鋁基復合材料的毛坯料，圖4展示的是精加工后的鋁基復合材料，從圖中可以看出鋁基復合材料的表面 加工質(zhì)量完全可以達到鈦合金的水平。這種鋁基復合材料發(fā)黑過程實際就是在材料表面鍍覆雙層金屬(Ni P合金和Zn)，再進行黑色鈍化處理，這樣就可以獲得耐蝕性能及光學性質(zhì)良好的膜層，膜層總厚度約為30／xm。最后通過超聲無損檢 測來檢驗零件內(nèi)部是否存在缺陷。

．4 應用實例

應用鋁基復合材料進行了空間紅外遙感器鏡筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計。已經(jīng)公開的相關(guān)文獻表明，本文所研究的鋁基復合材料是首次應用于空間光學鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計。鏡筒是保證紅外遙感器成像質(zhì)量的重要部件。鏡筒的結(jié)構(gòu)形式、鏡筒材料的選擇、鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足光學系統(tǒng)的要求，而且要滿足力學性能和真空高低溫環(huán)境的要求，同時盡可能降低質(zhì)量。特別是對光學透鏡組件來說，其加工與裝配都有嚴格的公差要求，也只有保證各個鏡片及其相對位置在空間使用過程中仍然保持地面上的裝校精度，才能獲得高清晰度和滿意的遙感圖像。鏡筒主要零件使用了上述體積百分比為50 的M40／A1復合材料。材料的具體參數(shù)為：密度2．12 x 10。kg／m。，彈性模量l29 GPa，線膨脹系數(shù)5．0×10 K_。，經(jīng)過±5O℃多次循環(huán)下，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定。經(jīng)過加工后，零件安裝透鏡的端面位置平行度公差可以達到10 m，表面粗糙度達到1．6，說明了這種復合材料的加工精度可以達到金屬材料的精度。零件表面發(fā)黑后測量紅外發(fā)射率為0．856(5O℃)。由于衛(wèi)星所提供的安裝空間有限，本文采用了轉(zhuǎn)折光路設(shè)計，如圖5所示。鏡筒組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)計要點如下：

(1)鏡筒由遮光罩、窗口鏡筒、大鏡筒、中鏡 簡、轉(zhuǎn)折鏡筒、反射鏡壓板幾部分組成；

(2)遮光罩由鋁蜂窩內(nèi)膽和碳纖維復合材料外殼組成，具有去除雜散光的功能。窗口鏡筒、大鏡筒、中鏡筒使用鋁基復合材料制造。轉(zhuǎn)折鏡筒由于形狀不規(guī)則，采用鈦合金精密鑄造而成；

(3)鋁基復合材料鏡筒的設(shè)計過程中特別注意了結(jié)構(gòu)過渡處理，考慮具體的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計相應的圓角和連接方式，可以更好地適應纖維鋪層、纏繞的要求。其加工工藝符合圖2中的工藝流程；

(4)考慮到鏡筒的直徑比較小，主鏡筒采用分體結(jié)構(gòu)，便于透鏡的安裝和調(diào)試，透鏡各個安裝端面要求有高的形位公差，以保證各個透鏡的相互平行；

(5)通過紅外定心儀來調(diào)整各片透鏡的同軸度。透鏡邊緣注入XM-23膠，可以固定透鏡，同時保證了透鏡和鏡筒之間的柔性連接，有一定的減振效果；

(6)平面反射鏡通過反射鏡壓板與轉(zhuǎn)折鏡筒連接，反射鏡壓板在結(jié)構(gòu)上能實現(xiàn)反射鏡角度調(diào)整；

(7)鏡筒組件通過螺釘緊固，本身自成一體，這樣可以減輕外部干擾對鏡筒組件的影響。外部通過兩個鋁合金支撐座安裝固定，如圖7所示。

陜西理工學院徐峰等人A12 03顆粒增強鋁基復合材料儲能焊接頭微觀組織及性能。對0．3 mm厚Al：O，顆粒增強鋁基復合材料薄板進行了儲能點焊連接研究試驗。發(fā)現(xiàn)其微型點焊接頭由熔核區(qū)、熱影響區(qū)和熔核向熱影響區(qū)過渡的熔合區(qū)(線)組成。由于儲能焊極短的焊接時間，大的冷卻速率達到106 K／s，使得熔核組織顯著細化，具有快速凝固特征。熔核中增強相A1 O 顆粒發(fā)生偏聚現(xiàn)象，在熔核邊緣區(qū)域出現(xiàn)了氣孔缺陷。當焊接電容C=6 600、電壓U=80 V、電極壓力F=18 N時，獲得較高力學性能的焊接接頭。

試驗選用A1 O。／2024A1復合材料作為母材，由粉末冶金法制備而成。A1：O，顆粒平均直徑15 m、體積分數(shù)10％，基體金屬為2024A1。焊接試樣的尺寸為10 mm×5 ITlm X0．3 mm的薄板材，系線切割加工而成。

1．2 儲能焊焊接

試樣經(jīng)金剛砂紙打磨、丙酮清洗和烘干，裝配如圖I所示的搭接接頭。在微型電容儲能焊機上進行點焊連接。焊接主要參數(shù)為：電容6 600 ixF、電壓70～110 V、電極力15—20 N。焊接熱輸入(E)、焊接電壓(U)和電容(C)之問的函數(shù)關(guān)系為E=C ／2。因此，焊接熱輸人為】6．17—39．9 J

2．1 接頭整體相貌

顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭整體形貌如圖2所示。接頭由3個區(qū)域組成：形狀較規(guī)則的扁平熔核區(qū)、熔核周圍的熱影響區(qū)及熔核向母材過渡的熔合區(qū)(線)。熔核直徑約為780 Ixm，最大厚度約320 txm，約占總厚度的1／2，焊點熔核直徑符合要求，熔核邊緣鄰近接合面的區(qū)域出現(xiàn)了氣孔，對應著圖中的黑色區(qū)域。熔合區(qū)較窄，勾勒出熔核和母材之間的分界線，其組織細小未發(fā)現(xiàn)缺陷；熱影響區(qū)組織未發(fā)生明顯的粗化，與母材原始組織保持良好的一致性?？梢姡瑑δ芎缚蓪崿F(xiàn)A1：0，顆粒增強鋁基復合材料薄板的點焊連接，能獲得高質(zhì)量的焊接接頭。

圖1 搭接接頭示意圖

2．2 熔核組織

圖3為A1 0 顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭熔核組織。從圖中可以看出，母材經(jīng)過儲能焊接過程后，熔核組織相對于基體組織發(fā)生明顯細化，是由于焊接接頭的形成過程是在電極力的作用下快速凝固，抑制了組織的長大從而細化了熔核組織；另一方面，熔核金屬的熔化及其凝固過程是在電容瞬間放電所產(chǎn)生的強磁場氛圍中完成的，強力的磁場攪拌作用也是接頭組織細化的原因。熔核中的A1：0 顆粒增強相在熔合區(qū)(線)周圍發(fā)生了偏聚，原因是由于增強相A1：0，顆粒與鋁合金基體的導熱率和熔點相差很大，導致熔池粘度增大，熔池金屬的流動性降低，液相與固相互相并存使得增強相分布不均；在凝固過程中A1 0，顆粒增強相不能成為結(jié)晶核心，凝固界面前沿對增強相的推移造成了增強相的偏析；另外，由于較小的電極力使得未能擠出熔核的A1：0，顆粒聚集在熔合區(qū)的邊緣。

圖2 儲能焊熔核整體形貌 圖3 熔核組織

2．3 熔核的快速凝固

電容儲能點焊利用電容瞬時放電產(chǎn)生的電流經(jīng)電極加載在被焊板材上，形成放電回路。板材接觸電阻瞬時產(chǎn)生的熱量使接觸界面板材局部熔化，在電極力的作用下形成熔核。電容放電結(jié)束后，由于cu電極和周圍基體的快速吸熱，熔核處于較大的過冷狀態(tài)，熔核的冷卻速率很大(達到106 K／s)，高的冷卻速率使熔核的形核率顯著增大，熔核組織均勻細小。由于焊接接頭尺寸很小，焊接過程中形成的微小熔核中具有較小的溫度梯度，凝固速度快，同時也避免了基體組織的迅速長大而形成粗大的柱狀晶，接頭組織因動態(tài)再結(jié)晶形成較為均勻細小的柱狀晶，晶粒非常細小與母材組織相比晶粒度明顯提高，形成了具有快速凝固特征的微觀組織焊接接頭，提高了焊接質(zhì)量。

2．4 焊接接頭力學性能

2．4．1 接頭的顯微硬度

A1 0。顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭顯微硬度分布測試結(jié)果如圖4所示。焊核區(qū)中心組織與母材相近，但由于部分A1：0 顆粒的偏析增加該區(qū)域的硬度；熱影響區(qū)處于很短暫的過熱狀態(tài)，與母材相比組織粗大變化不明顯，所以熱影響硬度略有提高，但硬度變化不大；熔合區(qū)(線)由于又處于固液兩相之間。成分和組織不均勻，大的冷卻速率，使得熔合區(qū)出現(xiàn)較明顯的加工硬化現(xiàn)象，同時大量增強相A1 0，顆粒的偏析增大了接頭硬度，顯微硬度達到113．5 HV，焊接熱過程不會造成硬度的顯著提高。2．4．2 接頭的剪切強度

點焊接頭的剪切強度主要取決于電極力、焊接電壓和焊接能量等工藝參數(shù)。在電極壓力作用下熔核周圍金屬會發(fā)生塑性變形和強烈的再結(jié)晶而形成先于熔核生長的塑性環(huán)，對消除焊點缺陷、改善金屬組織和提高力學性能具有較大作用。而電壓對焊接能量有直接的影響，焊接能量過小被焊材料不能被加熱到熱塑性狀態(tài)；而焊接能量過大很容易產(chǎn)生飛濺和擊穿，都很難得到力學性能好的接頭。通過實驗發(fā)現(xiàn)當焊接電壓一定時，隨著電極力的增加，接頭剪切強度也隨之增加。當電極力達到l8 N時，剪切強度達到最大值132．5 MPa，進一步增強電極力接頭強度開始逐漸降低，如圖5所示。通過綜合分析顯微硬度和剪切強度與焊接參數(shù)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)對于0．3 mm厚的A1：0，顆粒增強鋁基復合材料薄板儲能焊，焊接參數(shù)：電容C=6 600 IxF、電壓U=150—170 V和焊接電極力F=17—19 N時，可獲得綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

圖4 接頭顯微硬度 圖5 接頭剪切強度

2．5 斷口形貌分析

圖6是Al O，顆粒增強鋁基復合材料儲能焊接頭斷口形貌。斷口主要為韌性斷裂韌窩、準解理面、Al：O，顆粒以及拉拔掉A1：0，顆粒的殘留凹坑，增強相AI 0，顆粒與基體結(jié)合緊密，故可以保證焊接接頭強度。經(jīng)x衍射射線分析，其組織由OL(A1)+A1 0，+少量的其它相(CuA1：和CuA1 Mg)組成。

接頭斷口形貌 結(jié)論

(1)采用儲能焊方法可實現(xiàn)0．3 mm厚的A1 0，顆粒增強鋁基復合材料薄板的點焊連接，微型接頭由熔核、熱影響區(qū)及熔合區(qū)組成。熔核厚度約占接頭厚度 的1／2，熔核向基體金屬過渡良好。

(2)由于儲能焊瞬間放電的特點，接頭冷卻速率大使得接頭組織具有快速凝固的特征。

(3)斷口主要為韌性斷裂韌窩，增強相A1：O，顆粒與基體結(jié)合緊密，其相組織由O／(A1)+AI：O，少量的其它相(CuA1 和CuA1：Mg)組成。(4)對于0．3 mm厚的A1：O，顆粒增強鋁基復合材料薄板的儲能焊，當電容C=6 600 IxF、電壓 U=150—170 V和焊接電極力F=17—19 N時，剪切強度可達到132．5 MPa，獲得綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

第二篇：材料先進制備技術(shù)課程論文

材料先進制備技術(shù)課程論文

微膠囊相變儲能材料及其制備技術(shù)研究進展評述

摘要：相變材料是利用物質(zhì)發(fā)生相變時需要吸收或放出大量熱量的性質(zhì)來儲熱。微膠囊相變材料(Microencapsulated Phase Change Material，MCPCM)是應用微膠囊技術(shù)在固—液相變材料微粒表面包覆一層性能穩(wěn)定的高分子膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的新型復合材料。在固液相變材料表面包覆一層性能穩(wěn)定的高分子膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的復合材料。本文介紹了微膠囊相變材料及其結(jié)構(gòu)組成、性能；綜述了微膠囊相變材料的制備工藝、研究進展和應用領(lǐng)域；分析了各種制備方法的優(yōu)缺點，并指出了制備微膠囊相變材料中存在的問題及今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：相變材料；微膠囊；復合材料；制備工藝 概述

1.1相變儲能材料簡介

1.1.1相變材料的含義

相變材料主要利用其在相變過程中吸收或放出的熱能，在物相變化過程中與外界環(huán)境進行能量交換(從外界環(huán)境吸收熱量或向外界環(huán)境放出熱量)，從而達到能量利用和控制環(huán)境溫度的目的。物質(zhì)的存在狀態(tài)通常有三相:固相、液相和氣相。當物質(zhì)從一種相態(tài)變化到另一種相態(tài)叫相變。相變的形式主要有四種：固一固相變；固一液相變；液一氣相變；固一氣相變。當一種物質(zhì)能夠發(fā)生四種相變中的任意一種相變時，都可稱為相變材料。如果從發(fā)生相變的過程來看，這種相變材料在吸熱和放熱的過程中，能夠把熱能儲存起來，并對其周圍環(huán)境溫度調(diào)節(jié)控制[1]。1.1.2相變材料的特點

熱能儲存的方式一般有顯熱、潛熱和化學反應熱只種。相變材料是利用自身在發(fā)生相變過程中吸收或釋放一定的熱量來進行潛熱儲能的物質(zhì)，該材料是通過材料自身的相態(tài)變

材料先進制備技術(shù)課程論文

透。MariaTelkes博士從1950年就著手對相變材料進行研究，他發(fā)現(xiàn)化學物質(zhì)硼砂可以把十水硫酸鈉過冷度降低將近3℃，并預計測出了該材料的相變次數(shù)可以達到2000次。在工程建筑應用方面，美國科學實驗室已成功研制一種利用十水硫酸鈉共熔混合物做相變芯材的太陽能建筑板，并進行了試驗性應用，取得了較好的效果。美國的Dayton大學的J.K.Kssock等人將十八烷做為自己的實驗相變材料，采用了浸泡法制成相變墻板，然后建筑一廣一個相變墻實驗房和一個普通墻實驗房進行比較，試驗顯示出相變墻板房內(nèi)的溫度相對來說比較平穩(wěn)，如果將相變墻應用在實際建筑物中，可以適當?shù)奶岣呔幼〉氖孢m性、削減電力的高峰負荷。

目前在研究的發(fā)展趨勢中，相變材料的研究主要表現(xiàn)為：開發(fā)復合儲熱材料；研發(fā)復合相變材料的多種工藝技術(shù)；納米技術(shù)在復合相變材料領(lǐng)域的深入應用。

1.2相變材料的微膠囊化

如何將相變材料進行有效的包裝，一直是相變材料研究領(lǐng)域的研究熱點。較為先進的納米復合法是將納米材料的界面效應和較大的比表而積與相變材料的優(yōu)點結(jié)合在一起，可制得高傳熱效率的復合相變材料。目前，微膠囊可以較好解決相變材料在流出和外滲方面的問題。目前，在微膠囊相變材料的制備過程中，很多人選用了三聚氰胺甲醛樹脂(MF)、脲醛樹脂(UF)作為壁材，所制備的微膠囊在某些性能方有較好的表現(xiàn)：強度較高、耐熱性能好。

1.2.1微膠囊技術(shù)

把固體或液體用某種膜材料包覆起來，然后形成微小粒子的技術(shù)，稱之為微膠囊封裝技術(shù)。球形微粒芯材在升溫時，由固態(tài)時轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，但外層包封的高分子薄膜層仍保持其固態(tài)，因此材料的外貌形態(tài)仍為固態(tài)顆粒。微膠囊包覆芯材，外層的殼物質(zhì)稱壁材；被外層殼材包覆的囊心物質(zhì)稱芯材。芯材可以是由單一物質(zhì)組成，也可以是由混合物質(zhì)組成；它的形態(tài)可以是固體、溶液、水分散液或油劑，也可以是一些特定的氣體。微膠囊的粒徑大小在l~1000微米范圍內(nèi)，它的微觀形貌通常需要借助電子顯微鏡才能觀察到。相變微膠囊技術(shù)是一種新工藝，它在化下、民藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域己經(jīng)有了較大的發(fā)展，并且在科研領(lǐng)域中得到了越來越多科研人員的重視。微膠囊技術(shù)的應用前豪非常廣闊，主要表現(xiàn)為以下

材料先進制備技術(shù)課程論文

潛熱型功能熱流體的基礎(chǔ)研究工作，包括其制備、性能及傳熱機理目前受到關(guān)注。周建偉、黃建新等[2]在相變微膠囊的制備以及潛熱型功能流體流動與傳熱的實驗研究和理論模型等進行了探索，為潛熱型功能流體的應用提供了材料的制備方法、基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)和理論指導。

1.3.2紡織服裝領(lǐng)域

自20世紀80年代，美國國家航空航天局(NASA)研究開發(fā)了微膠囊相變材料在熱調(diào)節(jié)防護服裝上的應用技術(shù)，微膠囊相變材料越來越廣泛地應用于服裝領(lǐng)域中，可以制成含有微納米膠囊相變材料的調(diào)溫纖維以調(diào)節(jié)服裝及周邊的溫度，減少皮膚溫度的變化，延長穿著的舒適感。鄢瑛[3]制備的以石蠟為芯材、脈醛樹脂為殼材的微膠囊相變材料，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，結(jié)合熱固性聚氨醋網(wǎng)印粘合劑，將微膠囊涂布于棉布表面，以MCPCM在服裝領(lǐng)域中的適用性為出發(fā)點考察其性能，同時考察人工汗液對MCPCM性能的影響和經(jīng)涂布的棉布的熱性能。將制得的聚脈型相變微膠囊和海藻酸鈉共混紡絲，制備出相變調(diào)溫海藻纖維，把海藻纖維制成透氣且隨外界溫度變化的調(diào)溫醫(yī)用敷料等，對傷口的愈合速度與效果都有很好的輔助作用。張興祥等[4]自1997年開始對相變材料微膠囊進行研究，將自行研制的MicroPCMS用于現(xiàn)有織物的涂層整理，得到在室溫上下具有熱能吸收和釋放功能的織物，使用融熔復合紡絲工藝將直徑為3μm左右的MicroPCMS添加到纖維內(nèi)部，研制出含12%(質(zhì)量分數(shù))以上微膠囊的丙綸纖維，該纖維在人體感到舒適的溫度范圍內(nèi)具有溫度調(diào)節(jié)功能。1.3.3建筑領(lǐng)域

將微膠囊相變材料混人磚瓦、墻板及天花板等建筑結(jié)構(gòu)材料中，可以進行太陽能儲存，因此適合在溫差較大的地區(qū)使用[5]。同時通過電力“移峰填谷”，也可以有效的緩解用電緊張。通過對相變墻板的儲熱性能進行研究，發(fā)現(xiàn)用95%的十八烷和5%的十六烷作相變材料，通過把裝有PCM的聚乙烯小球加到石膏板中制備相變墻板，并對其傳熱性能進行了測試，在有該種相變墻板的實驗房和普通石膏板實驗房上作對比試驗，得出了相變墻板的使用使得熱負荷更平緩，輻射域更舒適，用電量下降，有削減尖峰負荷的可能的結(jié)論。美國研制成功一種利用十水硫酸鈉低共熔混合物作儲熱芯料的太陽能天花板磚塊，它不用普通的水泥而用聚脂粘接劑和甲基丙烯酸甲脂添加劑組成的高分子混凝土組成，并在麻省理工學院建筑系實驗樓進行了試驗性應用。同濟大學建筑材料研究所采用正十二醇吸附有機

材料先進制備技術(shù)課程論文

體的原料配比要求不嚴。但是生產(chǎn)條件比較苛刻，難以實現(xiàn)工業(yè)化，且制備的納米膠囊不可避免地夾雜有少量未反應的單體。界面聚合形成的壁膜一般可透性較高，不適于包覆要求嚴格密封的芯材。

2.2原位聚合法

原位聚合法制備微膠囊時，囊芯必須被分散成細粒，并在形成的分散體系中以分散相狀態(tài)存在。此時，發(fā)生原位聚合反應的單體與引發(fā)劑在分散體系中的位置可能有兩種情況，即在連續(xù)相介質(zhì)中或在分散相囊芯中。雖然單體在體系中可溶，但生成的聚合物不可溶，故隨著聚合的進行，聚合物沉積到芯材上，形成核殼結(jié)構(gòu)。在原位聚合法制備膠囊的過程中，由于單體只由一相提供，反應速率不是很大。原位聚合法是合成MCPCM的較好方法。采用這種方法制備的MCPCM在形貌、熱性能和膠囊致密性等方面都能達到使用要求，能合成得到1μm以下的相變膠囊。

北京航空航天大學饒宇及東華大學羅燕等人[7]采用原位聚合法工藝22烷微膠囊相變儲能材料，通過該方法可以制備出密封性以及機械強度均較好的微膠囊。在芯材液滴表面上，相對低分子量的預聚體通過縮聚反應，尺寸逐漸增大后，沉積在芯材液滴表面，由于交聯(lián)及聚合的不斷進行，最終形成固態(tài)的微膠囊壁。

石蠟是一種常用的相變材料，熔點為45~75.9℃，熔化熱為150~250kJ/kg，具有儲熱能力,強、相變溫度能通過分子量控制、相變行為穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點。北京航空航天大學章文等人[8]以石蠟為囊芯，眼醛樹脂為囊殼，通過原位聚合法制得了微膠囊。研究了腮醛預聚體的生成和脈醛預聚體的固化2個階段的工藝條件對微膠囊形成的影響。顯微觀察微膠囊形貌完整。涂膜隔熱性能測試結(jié)果表明，該種微膠囊具有明顯吸熱性能，可作為隔熱添加劑使用。通過原位聚合法制備了石蠟相變微膠囊，可以有效地防止石蠟的泄漏，同時可以將石蠟的完全親油性轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǖ挠H水性，改善了石蠟的使用性能，為石蠟作為相變材料的使用提供了試驗基礎(chǔ)。

2.3復凝聚法

復凝聚法是以兩種或多種帶有相反電荷的線性無規(guī)聚合物作為壁材，然后將芯材分散與其水溶液中，在適當?shù)膒H值、溫度和稀濃度條件下，使帶相反電荷的高分子材料之間發(fā)生靜電作用而相互吸引，導致芯材的溶解度降低并分成兩組，即貧相和富相，其中富相

材料先進制備技術(shù)課程論文

Maria等人[10]短鏈脂肪酸為芯材，阿拉伯膠和麥芽糖糊精為囊壁，用噴霧干燥法制備了MCPCM，由于乳化不均勻?qū)е庐a(chǎn)物粒徑分布較寬，在0.05~550微米之間，部分微膠囊表面有明顯的下陷。

2.6溶膠—凝膠法

溶膠一凝膠法主要用于制備以金屬氧化物或非金屬氧化物為囊壁的MCPCM?？刹捎萌苣z一凝膠法制備MCPCM，在相變材料表面包覆金屬氧化物或非金屬氧化物的凝膠，從而提高了該類相變材料的機械強度和阻燃性。

2.7電鍍法

電鍍法主要用于制備以金屬薄膜作為囊壁的MCPCM。以粒徑為0.5~4.0 mm的金屬鉛粒為相變材料，用電鍍法在其表面鍍上厚度約為10~100μm的鎳膜，具體是將鉛粒置于旋轉(zhuǎn)的電解槽中進行電鍍，根據(jù)法拉第定律，囊壁即鍍層的厚度可以通過電鍍的時間來控制。

2.8新型制備方法

由于普遍采川有機高分子為膠囊壁材，其導熱率低，且與其它建筑材料相容性較差，給實際應用造成了一定困難。武漢理工大學馬保國，金磊等人[11]介紹了一種新型有機一無機相變儲能微膠囊的制備方法，即采用無機層狀硅酸鹽材料和堿性硅酸鹽溶液為壁材、有機相變材料十八烷酸為基材，先制備半包覆結(jié)構(gòu)的相變膠囊，再加人堿性硅酸鹽溶液進行第2次包裹。結(jié)果表明:采用無機層狀硅酸鹽材料、相變材料、堿性硅酸鹽溶液比例為1：2：4時，其包裹效果較好，經(jīng)無水乙:醇溶解實驗后，其有效相變材料損失量為4.37%熱失重實驗結(jié)果表明其中相變材料有效含量為37.4%，而DSI實驗結(jié)果表明微膠囊中有效相變材料35.04%，存在差異的原因可能在于堿性溶液與相變材料的酸堿反應所致。

材料先進制備技術(shù)課程論文

參考文獻

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第三篇：金屬材料的先進制備技術(shù)

金屬材料的先進制備技術(shù)

本課程為材料系碩士研究生學位課，共計32學時，2學分。

考試方式采用專題報告形式，研究生可在教師開列的專題中選擇一個題目，然后收集資料，閱讀中外文獻（不少于10篇），并撰寫報告（綜述性報告，每篇不少于5000字），期末要在班上進行口頭報告（報告15分鐘，回答問題5分鐘）。

研究生在學期結(jié)束前提交報告，教師批閱報告后，并結(jié)合平時情況給出本課程的成績。成績由三部分組成，平時出勤率占20%，課堂討論20%，期末報告（書面+口頭）占60%。

本課程主要介紹金屬材料（為基體）的一些最新制備技術(shù)，包括原理、方法及其應用簡介。

第一講：緒論（康飛宇，2學時）

1、現(xiàn)代工業(yè)對材料的要求及其材料開發(fā)的方法

2、材料性能的不斷提高對制備技術(shù)的要求

3、用途不斷擴大對制備技術(shù)的要求

4、金屬材料的改性趨勢：極限化，復合化，數(shù)值化等

5、金屬材料制備的新思路

第二講：納米材料及其制備技術(shù)（康飛宇，2學時，含討論）

1、納米材料概念

2、納米材料制備技術(shù)

第三講：極限材料和極端條件下材料的制備技術(shù)（康飛宇，學時，含討論）

1、超純材料、超高強材料、超高溫材料

2、超高壓條件

3、微重力條件

4、真空條件

第四講：金屬材料加工新技術(shù)（2學時，康飛宇，含討論）

1、新型壓力加工、焊接和鑄造工藝

第五講：金屬基復合材料的制備技術(shù)（4學時，鄧海金）

1、固態(tài)制備

2、液相制備

3、原位制備

4、噴射噴涂

第六講：高能束技術(shù)及其應用（楊志剛，4學時）

1、激光束與材料的作用

2、離子束與表面改性

3、電子束

4、物理化學氣相沉積

第七講：凝固技術(shù)及其應用（4學時，楊志剛）

1、快速凝固技術(shù)： 非晶態(tài)合金和準晶制備

2、定向凝固技術(shù)：定向凝固共晶合金制備

3、單晶材料制備技術(shù)

4、新型大塊非晶及納米晶材料制備技術(shù)

第八講：其它材料特殊制備技術(shù)（4學時，楊志剛）

1、自蔓延高溫合成技術(shù)

2、金屬霧化噴射沉積技術(shù)

3、半導體芯片的制造技術(shù)

4、光纖的制造技術(shù)

5、超導材料加工工藝

第九講：期末專題報告（8學時，康飛宇，含討論）

專題報告題目（每人限選一個）

? 金屬的超塑性和超塑性加工

? 快速成型及其制造技術(shù)

? 先進焊接技術(shù)

? 鑄造新技術(shù)

? 壓力加工新技術(shù)

? 定向凝固技術(shù)

? 霧化成型技術(shù)

? 金屬的半固態(tài)加工技術(shù)

? 高壓條件下材料的制備

? 低溫條件下材料的制備

? 真空條件下材料的制備 ? 微重力條件下材料的制備

? 超細金屬顆粒制備

? 金屬纖維與晶須的制備

? 超純金屬材料的制備

? 粉末冶金新技術(shù)

? 自蔓延高溫合成技術(shù)

? 納米復合材料的制備

? 計算機技術(shù)在材料中的應用

? “三束”在金屬材料制備和改性中的應用

? 極限材料及其制備技術(shù)

? 自選題目，必須事先征得老師同意。

第四篇：金屬材料的先進制備技術(shù)

金屬材料的先進制備技術(shù)

金屬材料熱處理表面強化技術(shù)研究 l引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，對各種機械設(shè)備零件的表面性能要求越來越高。一些在特殊條件下工作的零部件，往往因其表面局部磨損而使整個零件報廢。因此如何提高和改善零件的表面質(zhì)量和性能，以延長工件的使用壽命是一個十分重要的問題l’，2]。世界各國對金屬材料表面和近表面區(qū)組織的改性處理技術(shù)進行了深入的研究，通過機械、物理、化學等方法來改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應力狀態(tài)，即采用各類表面改性技術(shù)，使材料表面具有較本體更高的強度，和更加優(yōu)良的耐蝕、耐磨、耐高溫和抗疲勞等性能，從而充分發(fā)揮金屬材料的潛力，提高其表面耐磨性，達到延長使用壽命、拓寬其應用領(lǐng)域的目的13，4]。金屬表面改性技術(shù)在冶金、機械、電子、建筑、輕工、儀表等各個工業(yè)部門乃至農(nóng)業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪卸加兄鴱V泛的用途，其種類繁多，除常用的噴丸強化、表面熱處理等傳統(tǒng)技術(shù)外，激光、電子和離子等高能束表面處理技術(shù)也取得了快速的發(fā)展[5]，大量的研究成果己經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用。進入21世紀后，隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，對環(huán)境無污染的“綠色”表面強化技術(shù)越來越受到人們的青睞。近年來，俄國文獻le.姆及道了一種新的表面強化技術(shù)，鑒于這種技術(shù)的文獻報道較少，其作用機制還未見相關(guān)報道，而且該項技術(shù)尚未有規(guī)范的稱謂，為此，我們暫且稱其為熱一聲處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比，它高效、低耗、無污染，并且工藝上易于實現(xiàn)，具有較好的應用前景。

1.2表面改性技術(shù)概述

磨損、腐蝕和斷裂是機械零部件、工程構(gòu)件的三大主要破壞形式，它們所引起的經(jīng)濟損失十分巨大。其中由于磨損、腐蝕導致的機件失效而造成經(jīng)濟損失的，占有相當大的比重。在美國國家材料政策委員會向美國國會提出一份報告指出:由于摩擦磨損引起的損失，使美國經(jīng)濟每年支付1000億美元的巨額資金，這項損失中的材料部分約為200億美元;在1983年前聯(lián)邦德國的一次調(diào)查中指出:由于摩擦磨損造成的損失估計為387億馬克:而在英國，由于摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失每年至少為51500萬英鎊以上，相當于當時1965年國民生產(chǎn)總值的1.1%。許多國家政府對腐蝕造成的損失也進行了調(diào)查分析，美國Battelle實驗室和國家

圖1 表面強化技術(shù)

標準局1978年共同進行調(diào)查表明:1975年美國由于腐蝕造成的經(jīng)濟損失達820億美元，占國民生產(chǎn)總值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA發(fā)表報告指出:現(xiàn)在美國每年因為腐蝕損失3000億美元;1983年我國也曾對腐蝕作過調(diào)查，當時的結(jié)論為我國因腐蝕造成的經(jīng)濟損失至少在400億元人民幣以上。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界能源的1/3一1/2由于摩擦磨損而消耗掉，機械零件80%的失效的原因是摩擦磨損，而每年出于腐蝕造成的直接損失大約占整個

國民生產(chǎn)總值的1%一4%。

眾所周知，磨損和腐蝕均發(fā)生于機件表面的材料流失過程，而且其他形式的機件失效也多是從表面開始。盡管磨損與腐蝕是不可避免的，但是若采取有力措施，還是可以提高機件的耐磨性、耐蝕性的。金屬表面工程技術(shù)主要是利用各種表面涂層即面改性技術(shù)賦予基體材料本身所不具備的特殊的力學、物理或化學性能，如高硬度、高耐磨性、減摩性、抗高溫氧化性、抗輻射性等，而基體本身所具有的特性不會受到很大影響。另外，采用現(xiàn)代表面工程技術(shù)，不但可以大幅度的提高工件的質(zhì)量和性能，成倍的延長使用壽命，而且技術(shù)上成熟，工藝上簡便，經(jīng)濟上可行，獲得了事半功倍的效果。因此，近二十年來表面工程技術(shù)發(fā)展迅速，不斷完善，逐步形成一門獨立的學科。

金屬材料表面改性技術(shù)，也就是運用現(xiàn)代技術(shù)，改變材料表面、亞表面的成分、結(jié)構(gòu)和性能的處理技術(shù)，主要包括表面形變強化，表面相變強化、離子注入表面強化、表面擴散滲入強化以及化學轉(zhuǎn)化等，如圖1.1所示。表面改性技術(shù)的應用使基體材料表面具有原來沒有的性能，這就大幅度的拓寬了材料的應用領(lǐng)域，充分發(fā)揮了材料的潛力。例如: 1.可用一般的材料代替稀有的、昂貴的材料制造機器零件，而不降低甚至超過原機件的質(zhì)量;2.可以把兩種或兩種以上的材料復合，各取其長，解決單一材料解決不了的問題;3.延長在苛刻條件下服役機件的壽命: 4.大幅提高現(xiàn)有機件的壽命，修復磨損、腐蝕的零件;5.賦予材料特殊的物理、化學性能，有助于某些尖端技術(shù)開發(fā)。

1.3常用的表面強化方法 1.3.1噴丸強化

噴丸強化是在受噴材料的再結(jié)晶溫度下進行的一種冷加工方法，將大量高速運動的彈丸(鑄鐵丸、鋼丸、玻璃丸、硬質(zhì)合金丸等)噴射到工件表面上，猶如無數(shù)的小錘反復錘擊金屬表面，使零件表層和次表層金屬發(fā)生一定的塑件變形、從而在塑性變形層中產(chǎn)生金屬特有的冷作硬化，還產(chǎn)生一層殘余壓應力。使材料的抗腐蝕和抗疲勞斷裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，還可以實現(xiàn)表面清理、光潔度加工、成形、校正和機械強化等多種功能。該方法具有實施方便、效果顯著、適應面廣、消耗低等多種優(yōu)勢，在飛機、坦克、汽車和各種機械設(shè)備的齒輪、軸承、焊接件、彈簧、渦輪盤、葉片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用壽命與防腐能力方面發(fā)揮了重要的作用。

近年來在噴丸強化領(lǐng)域出現(xiàn)的微粒沖擊、微粒鑲嵌鍍膜技術(shù)以及中科院金屬研究所盧柯、劉剛等人開發(fā)的超聲噴丸(高頻)和高能噴丸(低頻)新技術(shù)，在降摩擦系數(shù)、提高材料耐磨能力、延長使用壽命、簡化氮化過程等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性。

然而噴丸參數(shù)與工件性能的提高之間未建立量化聯(lián)系，缺乏噴丸過程的定量化析以及與此相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化，噴丸參數(shù)的選擇只能依靠性能試驗或經(jīng)驗，造成的結(jié)是大量消耗人力、物力，浪費時間，并且不一定具有最佳的效果，極大地制約了噴技術(shù)的發(fā)展。

1.3.2激光表面強化

激光表面強化是用一定掃描速度的激光束照射被處理的金屬表面，在很短的時間內(nèi)激光的能量被處理表面吸收而產(chǎn)生高溫，當激光束移開后，被處理面迅速冷卻，從而達到表面強化的目的。激光表面強化具有工件氧化小、幾乎無變形和加熱、冷卻速度快等特點，可以行局部的選擇性淬火和局部合金化處理，能夠很快的賦予金屬表面很高的硬度和耐勝。因激光功率密度和作用時間不同，可以對金屬表面進行相變硬化、沖擊硬化、屬表面合金化、表面涂覆等多種方法的處理[川。激光表面強化方式有:(l)激光表面相變強化

激光相變強化是被處理材料在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表面被迅速加熱到奧氏化溫度以上，并在激光停止輻射后快速自淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法，所又稱激光淬火。激光輻照材料內(nèi)部的熱傳導與時間的平方根成正比，金屬表面溫度激光輻照停留時間的平方根成正比。因此，通過控制光束直徑和掃描速度，可以調(diào)節(jié)溫度和加熱的深度。

(2)激光熔凝

激光熔凝又稱激光上釉，是利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的散熱作用使熔池中的金屬能夠快速冷卻、凝固，使金屬表面產(chǎn)生特殊的微觀組織的一種表面強化方法激光熔凝比激光相變強化要求更高的功率密度，激光熔凝所需的功率密度相當于激光固體相變強化的三倍。激光熔凝可以硬化激光淬火不能硬化的合金。激光熔凝的工藝條件一般為:能量密度10-3000Mw/m2，作用時間0.01-1s，惰性氣體保護用于防表面氧化。

(3)激光合金化

激光合金化是用激光將基體表面熔化，同時加入合金元素，在以基體為溶劑、合金元素為溶質(zhì)的基礎(chǔ)上構(gòu)成所需合金層的一種技術(shù)。在激光合金化過程中，合金元素快速向熔池擴散，在短時間內(nèi)可以獲得所希望的合金化深度。借助這種方法可以在樣品表面產(chǎn)生預定化學組分、化學性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的合金，微觀結(jié)構(gòu)的精細程度將取決于凝固的速度。合金化的一種方法是在工件表面涂覆適當?shù)姆勰┗旌衔?，其中涂覆方法有兩種:一是噴涂懸浮在醇中的粉末混合物以形成松散堆積的涂層;另一種是覆懸浮在有機粘結(jié)劑中的料漿。合金化的另一種方法是選擇合適的保護氣體進行氣反應。

(4)激光熔覆

激光熔覆是用激光將按需要配制的合金粉末熔化，成為熔覆層的主體合金，同基體金屬有一薄層熔化，與之構(gòu)成冶金結(jié)合的表面處理技術(shù)。它與激光合金化不同是基體對表層合金的稀釋度為最小，熔覆層具有與基體完全不同的微觀結(jié)構(gòu)特征，光能夠把高熔點合金熔化在低熔點的工件上。

激光表面強化的特點: 1.處理部位可以任意選擇，如深孔壁及深溝底、側(cè)面等特殊部位均可以使用光進行表面強化處理: 2.可以處理形狀復雜的工件表面，并能夠準確的控制處理區(qū)域的深度以及形狀

3.可以得到優(yōu)質(zhì)的強化層，輸入熱量少且熱處理變形小;4.能量密度高，表面強化時間短: 5.能夠自冷，不需要介質(zhì)，熱源潔凈，無環(huán)境污染;6.可以實現(xiàn)表面薄膜和局部淬火，只加工必要部分，不影響基體的機械性能;7.使用激光表面強化處理后，只需少量的表面加工。

激光表面強化也存在一些缺點而制約其廣泛的應用:激光器受功率限制，導致其強化面積小，而且相鄰兩個強化帶之間存在回火軟化現(xiàn)象，再者就是設(shè)備價格較貴，只能取代部分熱處理方式，應選擇產(chǎn)生經(jīng)濟效益較大的零部件予以應用。

1.33離子注入表面強化

離子注入技術(shù)是在真空中將注入的原子電離成離子，由引出系統(tǒng)引出離子束流使帶電離子在強電場下加速，直接注入到置于靶室的固體材料表面，從而形成一定深度離子注入層，同時改變表層的結(jié)構(gòu)和成分，以獲得新的性能的表面處理工藝。注入深度約為0.1-1mm，其優(yōu)點主要有: 離子注入可以向金屬或合金材料注入任何所需元素，被注入的元素不受合金系統(tǒng)平衡相圖中固溶度的限制。使得一些在液態(tài)都難以互溶的元素，形成固溶體，如W注入Cu可以得到1%的固溶體，得到一般方法難以獲得的新相。離子注入可以獲得過飽和固溶體、化合物和非晶態(tài)合金。通過離子注入能形成化合物，如Ti和C離子分別注入鋼，可以在鋼表面形成TiC。通過檢測注入電參數(shù)，自由支配注入離子的能量和劑量，能夠精確的控制注入元素的數(shù)量和深度。

離子注入的濃度可以很大，與擴散系數(shù)無關(guān)。處理過程是依賴于離子的高能量，而不是靠熱能滲浸到工件表面內(nèi)，不存在變形問題。離子以高速注入工件表面，引起點陣損傷，形成密集的位錯網(wǎng)絡(luò)，使表面獲得化，增加耐磨性和力學性能，而且在表面上產(chǎn)生壓應力。

離子注入技術(shù)也存在一定局限性。如離子注入的直線性難于處理復雜件，特別對于小截面的深孔無法處理，注入層較薄，離子注入設(shè)備價格昂貴，維護技術(shù)比較雜等。

1.3.4超硬化合物表面涂覆處理

它是在工件表面涂覆一層或多層超硬化合物，如TiC，VC，NbC，氧化鋁等，獲高硬度、高熔點的覆膜，從而來改善工件的性質(zhì)。實施這種技術(shù)的主要方法有:CVD法、PVD法等幾種方法。

l，3.4.1化學氣相沉積法(CVD)CvD法是將低溫下氣化的金屬鹽(通常為金屬鹵素化合物)與加熱到高溫的基接觸，通過與碳氫化合物和氫進行反應，在基體表面上沉積所要求的金屬或金屬間合物。

1.3.4.2物理氣相沉積法(PVD)物理氣相沉積法(PVD)處理是用物理方法把預涂的物質(zhì)涂覆在工件表面的熱處理技術(shù)。PVD處理有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍等幾大類。其中，真空蒸鍍效果較差，目前主要投入應用的是后兩種方法。

1.3.6熱噴涂

熱噴涂是一種采用專用設(shè)備利用熱源將金屬和非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其沖成微小顆粒并噴射到工件表面，形成覆蓋層，以提高機件耐磨、耐熱等性能的表面工程技術(shù)。熱噴涂是20世紀初發(fā)明的，開始主要是噴涂鋅、鋁等低熔點金屬，第二次世界大戰(zhàn)期間，線材火焰噴涂開始用于零件修復。因為不引起熱變形及氧化的優(yōu)點而受到重視，進而出現(xiàn)火焰粉末噴涂。50年代研制出自熔性合金粉末和放熱型復合粉末，改善了涂層的多孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了涂層與基體間的冶金結(jié)合，極大地擴大了噴涂的應用領(lǐng)域。隨著航空航天等尖端技術(shù)的發(fā)展，熱噴涂方法得到了不斷的改進和完善。

熱噴涂方法的特點:(1)基材幾乎不受限制，其中包括金屬材料、陶瓷材料、非晶態(tài)材料、木材、布、紙等;(2)涂層材料種類廣泛，包括金屬及其合金、塑料、陶瓷以及它們的復合材料;(3)噴涂零件不受尺寸和形狀限制，可以進行整體噴涂，也可以進行局部表面噴涂，特別是大型件的局部表面噴涂強化或修復，既經(jīng)濟又方便;(4)除火焰噴涂外，其他噴涂方法基體受熱溫度低，組織性能變化很小，工件變形小。

熱噴涂是一種適用性很廣的表面改性方法，它可以噴涂可以很多材料，可以用于各種基體表面噴涂，而且涂層厚度可以控制。但是，涂層強度低，空隙率較高涂層均勻性較差等不足限制了其應用。

上述噴丸強化、激光表面強化、離子注入強化、超硬化合物表面涂覆表而強化、化學熱處理強化、熱噴涂等各種表面強化技術(shù)均可顯著提高產(chǎn)品的硬度、耐磨等性能，延長產(chǎn)品的壽命。但是上述各種表而強化方法都具有各自的缺點，單獨使用，有時難以達到一些零件的強化要求。

熱處理技術(shù)是一種深表層強化技術(shù)，并且它高效、低耗、無污染，工藝上易于實現(xiàn)，對各種工程金屬材料均具有適應性，為傳統(tǒng)工程金屬及合金能賦予更高的性能和更多的功能，符合現(xiàn)代材料科學技術(shù)發(fā)展的趨勢，具有較好學術(shù)價值的應用前景。

第五篇：N.材料先進制備加工技術(shù)-2011中國材料研討會

2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

國家會議中心

N．材料先進制備加工技術(shù) 分會主席：謝建新、曲選輝、劉雪峰

單元N1：5月19日上午 主持人：謝建新，李元元 08：30---09：00am *N1 多場作用下金屬粉末成形燒結(jié)一體化方法的研究進展

李元元，李小強，楊超；華南理工大學機械與汽車工程學院

為了探索高致密、高性能、短流程、節(jié)能和低成本的金屬粉末成形與燒結(jié)方法，分別對電-熱-力三場和電-磁-熱-力四場作用下的粉末成形與燒結(jié)機理、關(guān)鍵技術(shù)以及相應裝備進行了研究。研制出一套集電、磁、熱、力多個場作用下的粉末成形與燒結(jié)一體化設(shè)備；建立了多個場作用下的粉末成形與燒結(jié)模型；明晰了場間的交互作用機理和燒結(jié)機理；優(yōu)化了多場作用下碳化鎢、鎢基、鈦基、鐵基等粉末的成形和燒結(jié)一體化工藝；證實在電-熱-力三場作用基礎(chǔ)上耦合交變磁場可改善溫度場分布，進一步促進粉體致密、改善燒結(jié)組織與性能。研究表明，多場作用下的粉末成形燒結(jié)一體化方法在制備優(yōu)質(zhì)粉末冶金材料和零件方面優(yōu)勢顯著。

09：00---09：30am *N2 多元多相合金及其結(jié)構(gòu)件鑄造過程的凝固基礎(chǔ) 介萬奇；西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室

本文從我國古代鑄造技術(shù)的發(fā)展說起，概括了凝固理論與技術(shù)的應用背景和發(fā)展歷程。宏觀總結(jié)了自20世紀50年代以來現(xiàn)代凝固理論與技術(shù)的發(fā)展。進而分析了近年來多組元合金凝固理論及技術(shù)研究的新進展，這些進展主要體現(xiàn)在以下3個方面：(1)將熱力學原理與擴散動力學的分析相結(jié)合，進行多元合金凝固過程的分凝行為、凝固路徑和相析出規(guī)律的預測；(2)采用二元合金凝固擴展模型、界面尋蹤模型和相場分析等方法，進行多元合金凝固過程生長形貌演變規(guī)律的研究；(3)鑄錠與鑄件宏觀凝固過程的模擬研究。進而指出了凝固理論與技術(shù)研

究的4個重點發(fā)展方向，即：(1)多元多相合金非平衡凝固行為的熱力學與動力學耦合理論；(2)多元多相合金凝固過程的多層次表征及跨層次耦合；(3)多元多相合金非平衡凝固過程中熔體-界面-傳輸?shù)膮f(xié)同調(diào)控原理；(4)電磁場及高能束作用下多元多相合金的凝固行為及其控制原理。最后介紹了作者關(guān)于多組元合金凝固的4個方面的研究工作，即：鑄錠與大型鑄件中的宏觀偏析；枝晶凝固中固相分數(shù)變化與微觀偏析；三組元合金的凝固模型；II－VI族化合物半導體晶體生長過程中的分凝與偏析。

09：30---09：50am

N3

雙流澆注連續(xù)鑄造工藝參數(shù)對凝固液穴的影響 鄭小平，張衛(wèi)文，邵明；華南理工大學

雙流澆注連續(xù)鑄造技術(shù)（DSPCC）是一種“液-液復合”制備層狀金屬復合材料的新興工藝，其特點是兩股液態(tài)金屬熔體通過對流傳質(zhì)形成具有毫米級微觀尺度、成分與組織梯度過渡的冶金結(jié)合界面。本文利用雙流澆注連續(xù)鑄造技術(shù)制備了7075/6009鋁合金梯度復合鑄錠，分析了鑄造溫度、鑄造速度、節(jié)流孔徑、內(nèi)導管插入結(jié)晶器深度這四個雙流澆注連續(xù)鑄造工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)凝固液穴的影響，并利用內(nèi)層合金元素擴散來表征鑄造工藝參數(shù)，研究了內(nèi)層合金元素擴散與凝固液穴的關(guān)系，結(jié)果表明：在7075/6009合金的雙流澆注連續(xù)鑄造過程中，鑄造溫度、節(jié)流孔徑和鑄造速度顯著影響著凝固液穴的深度和寬度，而內(nèi)導管插入結(jié)晶器深度變化對液穴寬度與深度的影響較小。內(nèi)層合金元素擴散與凝固液穴存在r*2?R2?2Rqv(Rq)c?h?s?s?h??H?H?c的關(guān)系，通過試驗結(jié)果與理論計算分析反映了基本一致的變化規(guī)律。

09：50---10：10am

休息

004km.cn+Al2O3）/Fe復合材料。研究了Al元素的加入及其加入量對鈦鐵礦原位合成鐵基復合材料還原過程的影響。研究表明：FeTiO3–Al–C–N2體系中Al先與鈦鐵礦發(fā)生反應生成鈦的中間產(chǎn)物TixOy和Al2O3，接著C、N2與TixOy反應，最終產(chǎn)物中主要存在三相，即TiCN相、Al2O3相和Fe的固溶相。此外，當體系中鋁的含量過高時，產(chǎn)物中會出現(xiàn)AlN相。

02：30---02：50pm

N10 硅對熱處理態(tài)M2高速鋼中共晶碳化物的影響 王維青，潘復生，湯愛濤；重慶大學

高速鋼中碳化物的類型、形貌、數(shù)量和分布等是決定高速鋼的性能的重要因素，尤其是共晶碳化物，而合金元素以及熱處理對碳化物有明顯的影響。本文通過金相、掃描電鏡、X射線衍射分析的方法研保溫2.5h的熱處理過程中，片層狀M2C碳化物分解為MC和M6C碳化物，在后續(xù)變形中破碎為細小的碳化物顆粒，0.8%Si的M2高速鋼中碳化物的尺寸稍小些。而魚骨狀M6C在熱處理過程中形態(tài)上沒有變化，在后續(xù)變形后仍有尺寸較大的塊狀碳化物，這對性能不利。

02：50---03：10pm

N11

雙金屬氣壓頂出充芯連鑄工藝的研究 梁賀，臧勃林，吳春京；北京科技大學

采用自制研究設(shè)備，運用氣壓頂出充芯連鑄法，通過確定合理的工藝參數(shù)，制備出外徑為12mm，內(nèi)徑為8mm的鉛包錫和銅包鋁雙金屬復合棒坯。復合棒坯連續(xù)穩(wěn)定，表面質(zhì)量良好，包覆層厚度均勻，界面實現(xiàn)了冶金結(jié)合。對銅包鋁雙金屬復合棒坯后續(xù)拉拔加工，獲得了直徑為0.95mm銅包鋁復合導線，通過對其力學性能和導電性能進行檢測，性能高于傳統(tǒng)相同直徑銅包鋁復合導線。

03：10---03：30pm

休息

03：30---03：50pm

N12 鐵粉溫高速壓制成形的研究

陳進，肖志瑜；華南理工大學機械與汽車工程學院

溫高速壓制（WHVC）是一種結(jié)合溫壓和高速壓制為一體的粉末冶金成形方法，通過沖錘沖擊上模沖產(chǎn)生的沖擊波使加熱的溫粉末迅速成形。該方法很好地結(jié)合了溫壓和高速壓制的優(yōu)點，同時粉末中不添加潤滑劑，粉末加熱溫度可不受潤滑劑的限制。得到的壓坯比傳統(tǒng)高速壓制密度要高。本文以鐵粉為原料，利用自行設(shè)計制造的一套利用重力勢能驅(qū)動的溫高速壓制成形裝置研究鐵粉的成形規(guī)律，采用正交實驗的方法研究了落錘沖擊高度、模具加熱溫度、裝粉量對鐵基冶金材料的溫高速壓制成形的004km.cn

2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

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壓坯密度以及生坯強度的影響，為優(yōu)化鐵基冶金材料的最佳溫高速壓制工藝提供一定的參考依據(jù)。

03：50---04：10pm

N13

Fatigue Property of Cu-12wt%Al Alloys Fabricated by Continuous Unidirectional Solidification 黃海友，聶銘君，欒燕燕，謝建新；北京科技大學

In this paper, the tensile mechanical properties and fatigue strength of single-crystalline and continuous-columnar-grained Cu-12wt%Al alloy rods prepared by vertical continuous unidirectional solidification(OCC)technology were investigated and compared with those properties of polycrystalline Cu-12wt%Al alloy prepared by conventional casting.The results of tensile mechanical test indicated that single-crystalline and columnar-grained samples had more excellent mechanical properties comparing with the polycrystalline alloy.For single-crystalline samples, the elongation was 8.7% and the tensile strength up to 717MPa, which was twice as much as that of polycrystalline samples(332MPa).For columnar-grained samples, the tensile strength was 380MPa and the elongation reached 24.2%, which was 6.5 times as much as that of polycrystalline alloy(3.7%).The fatigue strengths of single-crystalline, columnar-grained and polycrystalline alloys were measured by using descent method, which were 413MPa, 303MPa, 256MPa, respectively.Compared with the conventional casting polycrystalline samples, the single-crystalline and continuous-columnar-grained samples had higher fatigue strength.The fatigue strength of single-crystalline samples was 1.6 times as much as that of polycrystalline samples and higher than continuous-columnar-grained samples.Compared with the aging state QBe2.0 bronze(tensile strength 1250MPa, fatigue strength 200MPa), the tensile strength of single-crystalline Cu-12wt%Al alloy was 2/3 of that of QBe2.0, but the fatigue strength was twice.04：10---04：30pm

N14

奧氏體不銹鋼管坯二輥斜軋穿孔裂紋的形成及控制

張凱，宋仁伯；北京科技大學材料科學與工程學院

奧氏體不銹鋼圓管坯高溫塑性差，易開裂，在穿孔過程中內(nèi)壁經(jīng)常出現(xiàn)裂紋（內(nèi)裂）。相關(guān)文獻研究了管坯的化學成分、α相、穿孔工藝對裂紋的影響，認為雖然管坯質(zhì)量對穿孔內(nèi)裂產(chǎn)生一定的影響，但產(chǎn)生內(nèi)裂的主導原因還在穿孔工藝上。但是由于其工藝參數(shù)的調(diào)整在實際生產(chǎn)中較難把握規(guī)律，造成了產(chǎn)品成本高，生產(chǎn)周期長，開發(fā)新產(chǎn)品困難等問題。本文用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA根據(jù)某鋼廠提供的錐形二輥斜軋穿孔機的實際幾何參數(shù)，建立了三維有限元模型，并以0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼為例，模擬了穿孔過程。

管坯在斜軋穿孔時，受曼乃斯曼效應影響，管坯心部容易過早出現(xiàn)孔腔，孔腔如果提前出現(xiàn)就容易在穿出的毛管內(nèi)外表面產(chǎn)生裂紋、分層、內(nèi)折等缺陷。由于孔腔形成是由于中心部分金屬受到交變切應力和很大的拉伸應力作用的結(jié)果。中心破裂屬于韌性-脆性斷裂。根據(jù)第一強度理論，模擬中設(shè)置了最大拉應力單元失效準則判斷孔腔是否提前出現(xiàn)。管坯旋轉(zhuǎn)前進到頂頭，受頂頭作用，材料也會屈服破壞，產(chǎn)生斷裂。根據(jù)第四強度理論，模擬中同時設(shè)置了Von mises等效應力失效準則。

在ANSYS/LS-DYNA中，同時設(shè)置上述兩種單元失效判據(jù)，模擬了穿孔過程，得到了各階段管坯的應力應變云圖和金屬的流動規(guī)律，顯示了裂紋的形成與分布；并得到軋制時存在打滑現(xiàn)象，易對管坯外表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，實際生產(chǎn)時還會加劇軋輥的磨損，使生產(chǎn)效率降低，應當盡量控制打滑；實際生產(chǎn)中存在兩軋輥磨損程度不同或更換頻率不同導致兩軋輥表面摩擦系數(shù)不同，模擬得到兩軋輥表面摩擦系數(shù)的差異容易在管坯外表面引起裂紋；同時得到了管坯傾斜進入孔型時對管坯的影響。本文對實際生產(chǎn)中管坯的裂紋控制具有很好的參考價值。

04：30---04：50pm

N15

粉末冶金高釩冷作模具鋼不同熱處理狀態(tài)析出相的研究

李小明，況春江；安泰科技股份有限公司

004km.cn

2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

國家會議中心

粉末冶金高釩冷作模具鋼中的微細析出相對其性能有重要影響，本文采用電解的方法提取了粉末冶金高釩冷作模具鋼中的析出相，并對不同熱處理狀態(tài)合金的析出相進行了定量分析，用X射線衍射、掃描電鏡、激光粒度、X射線小角衍射、ICP等方法對析出相的種類、形態(tài)、粒度分布和成分進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)合金的析出相為V6C5，淬火態(tài)試樣中一次析出碳化物尺寸大多處于0.631μm-2.512μm之間?；鼗饝B(tài)合金中有大量細小的二次析出相，響的規(guī)律與強度變化的規(guī)律相反。造成銀包鋁絲材力學性能上述變化規(guī)律的主要原因是其力學性能受退火軟化、界面擴散相變以及由于擴散導致的包覆層和芯材合金化三種機制共同作用，在較低退火溫度和較短退火時間的條件下，退火軟化起主要作用，而在較高退火溫度和較長退火時間條件下擴散相變和合金化起主要作用。

09：00---09：30am *N17 其尺寸在10nm-96nm之間，二次析出相占總析出相質(zhì)量分數(shù)29.7%。析出相中除C、V元素外，還存在Mo、Cr、Fe三種元素，相比一次析出相，二次析出相中Cr、Fe的含量較高。

單元N3：5月20日上午 主持人：曲選輝，劉雪峰 08：30---09：00am *N16 退火對銀包鋁絲材界面與力學性能的影響

劉新華，劉雪峰，謝建新；北京科技大學新材料技術(shù)研究院

銀包鋁復合絲材在航空航天、儀器儀表領(lǐng)域應用廣泛。本文采用冷靜液擠壓和拉拔的方法制備了銀包鋁絲材，研究了退火對所制備的絲材界面與力學性能的影響。結(jié)果表明，在150℃30分鐘以下退火時，界面無明顯新相生成，而200℃以上退火時則有明顯的新相生成；界面中新生成的相主要為Ag3Al電子化合物（μ相）。退火溫度和退火時間對界面的影響規(guī)律不同：隨退火溫度增加，無論在哪一退火時間下，界面層厚度均增加比較顯著；而同一退火溫度下，尤其是在退火溫度較低時，增加退火時間時，界面厚度增加并不明顯，但退火溫度提高時，界面層厚度隨退火時間增加的趨勢加快，退火溫度是界面層厚度的敏感因素；經(jīng)150℃、200℃和300℃退火30分鐘后的厚度分別為5~7μm、7~9μm和10~12μm。銀包覆層和鋁芯在界面附近的成分受退火影響，溫度低于200℃時，成分變化不明顯，退火溫度高于200℃時，成分明顯隨距離變化；低于300℃時擴散過程以銀向鋁中擴散為主，但當溫度升高到300℃時，鋁也開始明顯向銀一側(cè)擴散。退火對銀包鋁絲材的力學性能有明顯的影響，在150℃和200℃退火時，隨著退火時間增加，絲材強度先增大后減小，而在300℃退火時，隨著退火時間增加，絲材強度一直增大；退火對絲材延伸率影集成計算材料工程及其在鑄件開發(fā)過程中的應用 張瑞杰，曲選輝；北京科技大學

集成計算材料工程被定義為將計算手段所得的材料信息，與產(chǎn)品性能分析和制造工藝模擬相結(jié)合。其中包含了產(chǎn)品開發(fā)所需的多種信息：材料微觀組織模型、微觀結(jié)構(gòu)—性能模型、材料數(shù)據(jù)庫、成本分析模型等等，目標是在產(chǎn)品真正投產(chǎn)之前，通過集成計算過程使材料選擇、加工制造和產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化成為一個整體系統(tǒng)。預期可以實現(xiàn)更有效的探尋新材料、盡可能發(fā)掘新材料的潛力、優(yōu)化制造工藝系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)、減少產(chǎn)品研發(fā)時間和成本。本文將重點結(jié)合鋁合金鑄件的生產(chǎn)工藝，介紹集成計算材料工程在鑄件開發(fā)過程中的應用。鑄件生產(chǎn)過程中主要有熔煉、澆鑄、凝固、固溶、時效等主要的工序，這些工序中發(fā)生的主要物理現(xiàn)象在尺度上跨度很大，因此需要在不同尺度范圍內(nèi)對鑄件生產(chǎn)過程中的物理現(xiàn)象進行建模，比如：充型、凝固微觀組織形成、次生相溶解、強化相析出等等。建立不同尺度微觀組織模型對產(chǎn)品性能的影響模型，并且建立不同尺度模型之間的連接關(guān)系，定量研究不同工序?qū)罄m(xù)工序及最終產(chǎn)品性能的影響。并且根據(jù)對鑄件生產(chǎn)全工藝過程的分析，反饋在材料選擇、鑄造、時效等環(huán)節(jié)中對產(chǎn)品性能影響的負面因素，實現(xiàn)對整個鑄造工藝各個工序的優(yōu)化。

最后，本文簡要介紹目前集成計算材料工程在其他產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用情況，并且討論集成計算材料工程的廣泛應用所面臨機遇與挑戰(zhàn)。

09：30---09：50am

N18

攪拌摩擦加工細晶AZ91鎂合金的組織和力學性能研究

王賽香，張大童；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心

004km.cn

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攪拌摩擦加工技術(shù)（FSP）是在攪拌摩擦焊（FSW）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型劇塑性變形技術(shù)，在細晶金屬材料制備方面具有較大的應用潛力。本文研究了鑄態(tài)AZ91鎂合金經(jīng)攪拌摩擦加工后的顯微組織和力學性能。顯微組織觀察表明，合金經(jīng)FSP加工后粗大的鑄態(tài)樹枝晶變成細小的等軸晶粒，在旋轉(zhuǎn)速度400r/min、行走速度60mm/min加工條件下?（Mg）晶粒尺寸約為3μm；位于晶界處的粗大?相（Mg17Al12）轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿☆w粒相。顯微硬度及拉伸力學性能測試結(jié)果表明，經(jīng)攪拌摩擦加工后材料的硬度、抗拉強度和斷后伸長率均顯著提高；在旋轉(zhuǎn)速度600r/min、行走速度60mm/min時攪拌區(qū)的平均硬度、抗拉強度和斷后伸長率分別為83HV、317.6MPa和21.6%（母材的分別為63.8HV、112.4Mpa和16.6%）。拉伸斷口分析表明，鑄態(tài)合金屬脆性斷裂，而攪拌摩擦加工合金由于晶粒明顯細化，斷裂表面存在較多的韌窩，屬韌性斷裂。

09：50---10：10am

休息

10：10---10：30am

N19 納米水基板帶鋼軋制液摩擦特征與潤滑性能研究 孫建林，王冰，武元元；北京科技大學材料科學與工程學院

全新概念的水基納米潤滑是當前板帶鋼冷軋生產(chǎn)應對節(jié)能減排的重要措施之一，為此論文以幾種典型的納米粒子為例，通過修飾與分散，制備了板帶鋼水基軋制液。借助SEM、XRD、四球摩擦試驗機和四輥軋機，分析測試了納米粒子的形貌特征、摩擦學性能、軋制潤滑性能及軋后板帶鋼表面質(zhì)量。實驗結(jié)果表明：粒徑在10-50nm的納米Cu、納米Fe3O4、納米MoS2等金屬納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能，由此制備的水基軋制液具有無毒環(huán)保、軋制潤滑性能好、軋后表面質(zhì)量優(yōu)等特點。另外還初步分析了納米潤滑機理，為納米潤滑在材料加工中的應用提供理論指導。

10：30---10：50am

N20 不銹鋼表面陰極微弧電沉積氧化鋁涂層的制備及組織性能研究

薛文斌，金乾，杜建成；北京師范大學核科學與技術(shù)學院射線束技術(shù)與材料改性教育部重點實驗室

以Al(NO3)3乙醇溶液為電解液，利用陰極微弧電沉積技術(shù)在304不銹鋼表面制備了80 μm厚的氧化鋁涂層。采用掃描電鏡和X射線衍射分析了涂層的形貌、成分和相組成，測試了涂層的抗高溫氧化及電化學腐蝕性能，并探討了陰極微弧沉積氧化鋁涂層的機理。涂層由γ-Al2O3和的α-Al2O3組成。涂層中含有少量的Fe、Cr、Ni元素，表明膜/基界面附近的不銹鋼基體在微弧放電作用下也參與氧化鋁涂層的沉積和燒結(jié)過程。具有氧化鋁涂層的不銹鋼在800 ℃恒溫氧化速率降低將近1倍，同時它的腐蝕電位有所提高，腐蝕電流密度降低1個數(shù)量級，其耐腐蝕性能得到提高。

10：50---11：10am

N21

高分子鏈的冷流和去擁擠（unjamming）轉(zhuǎn)變 薛奇；南京大學化學化工學院高分子科學與工程系

高分子材料的加工通常需要在遠高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時才可進行，這一過程將消耗大量能源、導致聚合物降解污染環(huán)境并且使材料難以再回收利用。我們發(fā)現(xiàn)當增大高分子鏈間鄰近度時，單獨通過施加壓力就可以使高分子鏈在遠低于比量熱法測得的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時發(fā)生流動。此時相比于自由體積的理論,體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不但沒有升高, 反而降到了測試的溫度。而這一現(xiàn)象與近年來凝聚態(tài)物理中的一個重要課題即擁擠（Jamming）理論密切相關(guān)，通過擁擠相圖我們發(fā)現(xiàn)，在玻璃體系中，堆積密度、施加的負載與體系的溫度這三個因素共同決定了體系所處的狀態(tài)。這為我們研究高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變以及高分子材料加工提供了新的思路。

11：10---11：30am

N22 脈沖強磁場下的電磁成形技術(shù)

邱立，李亮，呂以亮；華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心（籌）

電磁成形技術(shù)是利用脈沖電磁力驅(qū)動工件成形的高速率加工技術(shù)，其具有改善成形性能、減少起皺、提高成形范圍等優(yōu)點，是輕合金等難成形材料成形技術(shù)的研究熱點。但現(xiàn)有電磁成形技術(shù)因驅(qū)動線圈強度不夠，只能提供10T左右的磁場，加工工件的厚度一般小于2mm，這嚴重限制了電磁成形技術(shù)的004km.cn

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發(fā)展。

本文借鑒脈沖磁體的設(shè)計理論及優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合電磁成形驅(qū)動線圈自身的特性，成功研制出可提供40T磁場的高強度驅(qū)動線圈，并建立了一套脈沖強磁場電磁成形設(shè)備系統(tǒng)。選用2a12鋁合金板，利用該系統(tǒng)已完成：

1、2mm厚80mm*160mm方形盒拉延。實驗表明，電磁板材成形以流動形式變形，拉延高度為20mm，變形后的板材最薄處為1.88mm。

2、5mm厚內(nèi)孔翻邊。預孔直徑為30mm，用于Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的分子動力學模擬，預測了Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的成分三角形可以劃分成三類區(qū)域，即晶態(tài)區(qū)、非晶態(tài)區(qū)以及晶態(tài)-非晶態(tài)共存區(qū)。同時采用分子靜力學計算出Cu-Zr-Ni系統(tǒng)晶態(tài)區(qū)的非晶和固溶體能量差，從能量角度預測了最優(yōu)的非晶成分區(qū)域。

02：00---02：30pm

*N24

Origin of lathy ferrite in AISI 304 stainless steel 翻邊高度為18mm，一次翻邊系數(shù)為0.55。

3、8mm厚沖孔。沖孔直徑為50mm，一次放電完成，斷面光滑無毛刺。選用0.1mm厚銅箔，利用該系統(tǒng)已完成：

1、一次完成多孔沖裁。在直徑為100mm的銅箔上完成直徑從2mm到16mm的一系列沖孔。

2、完成微結(jié)構(gòu)成形。在銅箔面上切割出一條0.19mm寬的線槽。實驗證明，脈沖強磁場技術(shù)能有效提高電磁成形的加工能力，拓展了其實現(xiàn)工業(yè)應用的前景。

單元N4：5月20日下午 主持人：楊院生，李家好 01：30---02：00pm

*N23 熱力學和原子相互作用勢計算Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的非晶形成范圍

崔苑苑，李家好，柳百新；清華大學材料科學與工程系

Cu-Zr-Ni塊體金屬玻璃系統(tǒng)由于其良好的非晶形成能力和優(yōu)異的機械性能，成為了理論和實驗研究的典型系統(tǒng)。在Cu-Zr-Ni塊體金屬玻璃的研究中，存在一個基礎(chǔ)性的問題，即非晶形成范圍。由于金屬玻璃制備過程中動力學因素的限制，結(jié)構(gòu)復雜的金屬間化合物難以形核和長大，與非晶相競爭的主要是結(jié)構(gòu)簡單的固溶體。因此，研究Cu-Zr-Ni系統(tǒng)非晶形成范圍的問題，就可以轉(zhuǎn)化為比較非晶和過飽和固溶體的相對穩(wěn)定性，從而確定Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的最大過飽和固溶度，進而確定Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的非晶形成范圍。本研究采用基于原子相互作用勢的分子動力學模擬，模擬過程的關(guān)鍵是如何描述原子之間的相互作用，即構(gòu)建合適的Cu-Zr-Ni系統(tǒng)的原子相互作用勢。為此，本研究使用實際存在的金屬間化合物的物理性能進行擬合，同時采用改進的TB-SMA勢形式，從而保證在整個計算范圍內(nèi)能量及其導數(shù)都連續(xù)光滑。將構(gòu)建的原子相互作用勢應during directional solidification

付俊偉，楊院生；中國科學院金屬研究所

Formation and evolution details of the skeletal ferrite in AISI 304 stainless steel were investigated by liquid quenching and directional solidification techniques.The origin of lathy ferrite in AISI 304 stainless steel was confirmed.Experimental results showed that a coupled microstructure, consisting of thin lathy ferrite and austenite, solidified directly from the melt without dendrite ferrite with the withdraw velocity of 150 ?m/s.During the formation of the coupled microstructure, solutes Cr and Ni are rejected into liquid.As solidification proceeds, retained liquid transforms into austenite and lathy ferrite becomes coarse gradually.When solidification is completed, solid-state transformation from ferrite to austenite takes place.The thinner ferrite in the coupled microstructure is consumed by the solid state transformation.The microstructure at room temperature is composed of thin ferrite and austenite.The ferrite is parallel arrangement in the austenite matrix.Formation of the two-phase coupled microstructure is analyzed.02：30---02：50pm

N25

基于FVM的分流模非穩(wěn)態(tài)擠壓過程數(shù)值模擬研究 程磊，謝水生，黃國杰；北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室

由于空心鋁型材分流模擠壓過程中金屬流動及變形的復雜性，采用基于拉格朗日網(wǎng)格描述的有限元法進行數(shù)值模擬時，研究對象僅局限于形狀簡單、截面尺寸和擠壓比小的空心型材，對于大斷面復雜截面鋁型材分流模擠壓過程的數(shù)值模擬尚未見報

004km.cn

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道。針對上述問題，采用基于歐拉網(wǎng)格描述的有限體積法，實現(xiàn)對大型材分流模非穩(wěn)態(tài)擠壓過程的數(shù)值模擬，不僅可以完整的模擬分流模擠壓焊合過程，而且具有計算時間短、模擬精度高的優(yōu)點，是進行大型復雜截面鋁型材擠壓焊合過程研究的一種十分有效方法。

02：50---03：10pm

N26 噴射軋制工藝參數(shù)對鋁帶材固相分數(shù)和孔隙率影響規(guī)律的模擬研究

劉允中，李鳳仙，謝金樂；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)中心

噴射軋制是一種金屬半固態(tài)近凈成形新技術(shù)，將熔體霧化、噴射沉積、雙輥熱軋有機結(jié)合，可在一步工序內(nèi)從液態(tài)金屬直接制備高性能金屬板帶材，對噴射軋制過程中鋁合金材料的固相分數(shù)和孔隙率進行模擬研究有助于揭示致密化機理和指導工藝優(yōu)化。初步建立了噴射軋制過程中熔滴霧化和沉積階段的凝固和動力學模型，對噴射軋制中沉積階段孔隙的形成規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明可通過減小沉積時的孔隙率和在軋制階段提供必要的厚度減薄率以獲得致密材料。研究了噴射軋制主要工藝參數(shù)（如：熔滴飛行距離、氣體初始速度、過熱度和熔體質(zhì)量流率）對7050鋁合金帶材沉積與成形過程中平均固相分數(shù)、孔隙率和厚度減薄率的影響規(guī)律，對致密化過程進行了理論分析。在此基礎(chǔ)上對噴射軋制的主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，可使沉積材料有最低的孔隙率，且能穩(wěn)定連續(xù)制備致密帶材。

03：10---03：30pm

N27 軋輥噴淬熱處理過程溫度的測量與計算機控制 李莎，劉增輝，趙永龍；北京科技大學

針對噴淬過程中水霧、水膜、氧化鐵皮及其他干擾對輥身表面溫度測量的影響，本文采用紅外測溫儀配用自行設(shè)計的空氣吹掃裝置實現(xiàn)了噴淬過程輥面溫度的測量，并選用峰值保持+復合濾波的數(shù)字濾波方法對所測溫度進行抗干擾處理。以紅外測溫儀實測輥面溫度為控制參數(shù)，根據(jù)實際溫度與目標溫度的差值情況，通過調(diào)節(jié)噴淬機的冷速，實現(xiàn)噴淬過程中按照軋輥的目標溫度曲線進行控制，提高了軋輥的噴淬質(zhì)量。

03：30---03：50pm

N28 稀土納米材料的應用進展

張文毓，侯世忠；洛陽船舶材料研究所

本文概述了稀土納米材料的研究現(xiàn)狀，重點介紹了稀土納米材料在發(fā)光材料、永磁材料、陶瓷、催化劑、貯氫材料、環(huán)保材料等領(lǐng)域的應用,對其發(fā)展前景進行了展望。希望對稀土納米材料有所了解。

稀土納米材料的研究與應用將有助于發(fā)現(xiàn)新性質(zhì)，開拓新材料，已成為當前的研究熱點。稀土元素特殊的電子構(gòu)型使其具有特殊的光、電、磁性質(zhì)。而被譽為新材料的寶庫。納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新型材料包括稀土納米陶瓷、催化劑、永磁材料、發(fā)光材料、防曬材料、生物醫(yī)藥材料等。這些新型材料在信息、生命科學等領(lǐng)域必將發(fā)揮重要的作用。因此開展稀土納米材料的研究、應用與開發(fā)將是一次新的機遇，對于我們稀土大國具有重要的意義。

稀土納米材料研究現(xiàn)狀包括：稀土納米粉體、稀土化合物納米薄膜、稀土納米結(jié)構(gòu)的陶瓷、稀土納米復合與組裝、稀土納米磁性材料、稀土納米催化劑、稀土納米發(fā)光材料、稀土納米光學材料。目前開發(fā)研究和應用的領(lǐng)域包括:.稀土發(fā)光材料、.納米超導材料、.稀土納米磁性材料、.稀土高性能陶瓷、.稀土納米催化劑、稀土紫外線吸收劑、稀土精密拋光、稀土納米貯氫材料、稀土納米環(huán)保材料、稀土納米薄膜材料、稀土納米合金等。

近年來，隨著納米技術(shù)的問世，納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新材料使稀土的應用增加了不少新的內(nèi)涵，發(fā)揮出其更大的潛能。在新的前沿技術(shù)方面,又發(fā)現(xiàn)了稀土不少新的應用。稀土納米材料在 21世紀必將發(fā)揮越來越重要的作用。更重要的是發(fā)揮稀土納米材料的優(yōu)異特性，開發(fā)其新的應用。

墻展 NP1

Mn對Mg-6Al合金擠壓棒材組織與性能的影響 張志強，樂啟熾，崔建忠；東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室

本文對不同Mn含量的Mg-6Al進行反向擠壓，考察Mn對Mg-6Al鎂合金擠壓棒材組織與性能的影響。研究結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)隨著Mn含量的增加Mg-6Al-xMn合金擠壓棒材晶粒逐漸變小，硬

004km.cn

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度有增大的趨勢；擠壓棒材的抗拉強度、屈服強度和延伸率均隨著Mn含量的增加現(xiàn)增加后降低。Mn含量為0.5%的擠壓棒材抗拉強度和屈服強度最高，責任公司

航空發(fā)動機渦輪導向空心葉片是航空發(fā)動機重要零件，其無余量葉片精密鑄造技術(shù)含量高，目前生分別為293 MPa、173 MPa； Mn含量為0.7%的擠壓棒材延伸率最大，達20%。

NP2

釬焊工藝對鋁合金真空釬焊焊縫組織的影響

高飛，陳召松，趙飛；貴州永紅航空機械有限責任公司

鋁合金真空釬焊時釬焊工藝對焊縫組織性能有重要影響，其中焊縫中大量存在的Si偏聚組織是影響焊縫強度不高的主要原因。本文采用15min-90min六種不同釬焊保溫時間和595℃-620℃六種不同保溫溫度對鋁合金散熱器進行真空釬焊試驗，通過光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線能譜儀、硬度試驗等研究確定保溫時間和保溫溫度對焊縫組織的影響關(guān)系。結(jié)果表明，隨著釬焊保溫時間的延長和適量的提高保溫溫度，焊縫間的元素擴散越來越充分，Si偏聚形狀由原來的樹枝狀向點狀轉(zhuǎn)變，當釬焊工藝為615℃保溫75min時，焊縫組織中只有少量點狀Si偏聚組織，絕大部分為固溶體，釬料對母材有少量溶蝕，結(jié)合更為牢固，工藝較佳。

NP3

減少承壓鑄件的鑄造缺陷，提高鑄件檢漏合格率 白素春；中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司

我們所生產(chǎn)的鋁合金筒體鑄件技術(shù)條件要求鑄件表面不能有夾渣、針孔、縮孔、縮松等缺陷，并且需要承受 FS6 氣密性檢驗，水壓試驗 1.22 Mpa，筒體鑄件結(jié)構(gòu)復雜，尺寸大，壁厚不均，鑄造熱節(jié)偏多，容易產(chǎn)生鑄造缺陷。在實際生產(chǎn)過程中，筒體鑄件鑄造缺陷多，打壓合格率 50% 左右，通過對大型鋁合金鑄件鑄造特點的分析，根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，利用樹脂砂造型，采用底注式澆注系統(tǒng)，總結(jié)出一套有效的提高大型鋁合金鑄件承壓件檢漏合格率的有效方法。

NP4

一種渦輪導向葉片無余量精鑄工藝研究

韓宏；中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限產(chǎn)工藝尚不成熟不能滿足批產(chǎn)需求。本文總結(jié)了對該類葉片精鑄的工藝研究，包括了對該類葉片生產(chǎn)工藝的陶瓷型芯制造工藝、澆注系統(tǒng)設(shè)計、制殼工藝、澆注工藝、振動光飾工藝等方面進行的試驗工作。通過研究，摸索出了一套適合航空發(fā)動機渦輪導向空心葉片的無余量精鑄工藝路線，獲得了合理的工藝參數(shù)，成功研制出首批合格葉片并參加了試車考核，為該類葉片實現(xiàn)批產(chǎn)應用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

NP5

異型截面鋁材穿孔針擠壓成形規(guī)律的數(shù)字化研究 李峰，徐永超，初冠南；哈爾濱理工大學材料科學與工程學院

為了揭示異型截面鋁型材穿孔針擠壓成形規(guī)律，以導彈尾翼構(gòu)件為例，本文采用非線性有限元對其過程進行了三維熱力耦合模擬，系統(tǒng)地分析了工藝條件對溫升變化、附加拉應力及成形載荷的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：在低速擠壓范圍內(nèi)，坯料上最高溫度峰值均呈減小趨勢變化，且隨著擠速的增加，最高溫度峰值的降幅隨之減小，而?？谔庉S向附加拉應力的數(shù)值則相應地增大；成形過程中模口處的軸心部位為高溫區(qū)，隨著軸心距的增加，溫度值呈梯度減小的趨勢變化；且隨著壓下量的增加，溫度減小的梯度趨勢逐漸變緩，藉此為異型截面材穿孔針擠壓成形的工藝設(shè)計及變形流動控制提供理論依據(jù)。

NP6

Mechanism of Stainless Steel Machinability Improvement by Adding Copper

張孟儀，Zhimin Zhong；國核電站運行服務技術(shù)有限公司

本文主要研究在4Cr13鋼中添加銅和硫以改善其切削性能。在4Cr13鋼中添加銅所起到的效果和添加硫相似。應用掃描電鏡（SEM）和高分辨透射電鏡（HRTEM）對4Cr13Cu中易切削相的分布和尺寸進行觀察研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)易切削相的組成為銅-石墨復合相，該相彌散分布在鋼的基體中，大小約

004km.cn

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為10nm。經(jīng)切削試驗發(fā)現(xiàn)，銅-石墨復合相起到潤滑顆粒的作用，潤滑了切削刀具，減少了刀具磨損量，從而提高了不銹鋼的切削性能。

NP7

釕金屬濺射靶材燒結(jié)工藝研究

羅俊鋒，丁照崇，王欣平；北京有色金屬研究總院 下，燒結(jié)體密度隨燒結(jié)溫度的增高而遞增。在1350℃保溫2小時真空燒結(jié)條件下，凝膠注模成形出的不銹鋼力學性能優(yōu)良，晶粒尺寸適中，燒結(jié)體的相對密度達98.7％，抗拉強度可達1058.9MPa，并可成形出形狀復雜的較大尺寸的不銹鋼坯體。

NP10

采用熱壓、放電等離子燒結(jié)及直接熱壓等燒結(jié)工藝制備了釕金屬靶材，通過微觀結(jié)構(gòu)與氧含量分析對比了三種工藝方法對釕金屬靶材制備的影響。結(jié)果表明，隨著制備溫度的升高釕靶晶粒尺寸增大，氧含量降低；通過工藝優(yōu)化，三種方法均能得到密度達到99%以上的釕靶；放電等離子燒結(jié)與直接熱壓工藝都具有快速成型的特點；放電等離子燒結(jié)制備的釕靶組織均勻性最好。

NP8

低碳鋼變形奧氏體相變后鐵素體晶粒尺寸的數(shù)值計算

贠冰，孫建林，高雅；北京科技大學材料科學與工程學院

摘要：根據(jù)熱力學理論和形核生長理論，對低碳鋼在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)變形后，連續(xù)冷卻過程中的組織演變進行了數(shù)值分析。鐵素體相變動力學模型是根據(jù)“形核長大”和“位置飽和”機制，采用Cahn的相變動力學理論和Scheil疊加原理建立的；同時計算了鐵素體的晶粒尺寸。模型的預測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本相符。

NP9

17-4PH不銹鋼粉凝膠注模成形工藝的研究

劉小婷，邵慧萍，郭志猛；北京科技大學新材料技術(shù)研究院

本文對17-4PH不銹鋼粉末進行了凝膠注模成形的研究，比較研究了水基和非水基凝膠體系的工藝參數(shù)對其性能的影響。結(jié)果表明：非水基凝膠體系的漿料具有較好的流變學性能，且燒結(jié)制品具有更高的致密度和力學性能。在非水基凝膠體系中，單體的濃度直接影響其成形坯體強度，在最佳工藝條件下，其生坯的抗彎強度可達38MPa；燒結(jié)體密度隨著單體濃度的增大呈先增后減的趨勢；在一定溫度

板料V形彎曲中凸模深度對彎曲影響規(guī)律的研究 董文正，林啟權(quán)，李彥濤；湘潭大學機械工程學院

板料V形件彎曲變形過程一般分為正向自由彎曲，正、反向彎曲和校正彎曲三個階段，由于在彎曲成形過程中工件的內(nèi)外層從拉應力過渡到壓應力有彈性變形存在，工件在卸載后內(nèi)、外層纖維因彈性恢復而分別伸長和縮短，結(jié)果使得工件彎曲的曲率和角度發(fā)生顯著變化，產(chǎn)生彈性回跳或彈性回復現(xiàn)象，從而降低了影響工件的成形精度。本文首次提出了彎曲凸模深度（即彎曲凸模斜壁直邊的長度）這個概念，推倒彎曲凸模深度與模具結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的計算公式及基于凸模深度的回彈公式。并利用有限元軟件Deform對彎曲成形過程進行了數(shù)值模擬，分析了凸模深度對成形過程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)彎曲結(jié)束階段板料出現(xiàn)明顯的“分流面”，并通過理論分析計算出分流面的精確位置，對實際生產(chǎn)過程具有重要的指導意義。

NP11

激光直接沉積TB6鈦合金的成形性研究

于承雪，李懷學，景財年；北京航空制造工程研究所

通過激光熔化同軸輸送的TB6鈦合金粉末，分析了激光直接沉積TB6鈦合金的成形缺陷、顯微組織和力學性能。結(jié)果表明：氣孔和未熔合是激光直接沉積TB6鈦合金典型的兩種缺陷，氣孔形貌呈圓球形，隨機分布于成形件內(nèi)部；未熔合缺陷呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，主要分布在沉積層的層間和道間。激光直接沉積TB6鈦合金的顯微組織主要以等軸晶為主，其沉積態(tài)的拉伸斷口為沿晶/穿晶混合斷裂方式。激光直接沉積TB6鈦合金沉積態(tài)的拉伸強度與其鍛件相當，其沿沉積、掃描、搭接等三個方向的拉伸強度相差不大，約為各向同性。熱等靜壓導致激光直接沉積TB6

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2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

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鈦合金的拉伸強度降低約200MPa，而塑性提高2倍。該結(jié)果對調(diào)控激光直接沉積鈦合金的組織與性能具有重要意義。

NP12

放電等離子燒結(jié)制備高性能WC/(Fe-Cu-Ni-Mo-C)合金材料

賴燕根，李小強，陳??；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心

采用高能球磨方法制備了WC/(Fe-Cu-Ni-Mo-C)合金粉末，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)將其快速固結(jié)成形，研究了該合金粉末的燒結(jié)行為，并對不同WC含量的燒結(jié)樣品進行了密度、硬度及橫向斷裂強度的測試，同時分析了試樣的顯微組織和斷口形貌。結(jié)果表明：試樣的密度接近全致密，硬度及橫向斷裂強度隨WC含量的增加呈先增后減的變化趨勢，當WC質(zhì)量百分比含量為10%，燒結(jié)溫度為850 ℃及燒結(jié)壓力為50 MPa時，所得試樣的密度達到8.09 g/cm3，硬度值為HRC 57及橫向斷裂強度為2780 MPa；該燒結(jié)材料的顯微組織以珠光體為主，另外還包含塊狀鐵素體、奧氏體及彌散分布的WC硬質(zhì)顆粒相，斷口形貌呈現(xiàn)出典型的韌窩特征。NP13

噴射軋制過程中沉積物形貌的數(shù)值模擬

李鳳仙，劉允中，羅霞；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)中心

對噴射軋制過程中軋輥表面的沉積層厚度和形貌進行深入研究，可使噴射軋制具有最大的沉積效率，且能穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)致密帶材。在噴射軋制中霧化后的熔滴沉積到軋輥表面形成沉積層，沉積層增長到一定厚度達到穩(wěn)態(tài)后，其形貌將保持不變。采用坐標追蹤方法，建立了霧化后熔滴沉積到軋輥表面的質(zhì)量流率分布、厚度和形貌模型，可較好地預測不同工藝參數(shù)下沉積層的幾何尺寸和形貌，并對咬入角進行了定性的分析。研究了工藝參數(shù)（如軋輥半徑、軋輥轉(zhuǎn)速、參考位置處最大質(zhì)量流率、軋輥間距、噴射距離等）對沉積物幾何特征的影響，結(jié)果表明：最大質(zhì)量流率、軋輥半徑、軋輥轉(zhuǎn)速對沉積物厚度和形貌有顯著影響，在此基礎(chǔ)上采用正交實驗法對主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。

NP14

1350鋁合金與純銅異種材料的攪拌摩擦焊接頭組織與性能的分析

李夏威，張大童；華南理工大學

采用攪拌摩擦焊對3mm厚的1350鋁合金和純銅板材進行了對接，并對接頭的組織和性能進行了分析.試驗結(jié)果表明在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1200rpm，焊接速度為80mm/min且鋁合金位于后退側(cè)，純銅位于前進側(cè)時能得到內(nèi)部組織致密、無缺陷的接頭.在鋁合金和純銅側(cè)均發(fā)現(xiàn)了熱影響區(qū)、機械熱影響區(qū)和攪拌區(qū)，熱影響區(qū)的晶粒略有長大，機械熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生了較大的彎曲和變形，攪拌區(qū)的組織為明顯的動態(tài)再結(jié)晶的組織.接頭處沒有金屬間化合物生成，結(jié)合界面處鋁、銅元素僅發(fā)生少量的擴散.攪拌區(qū)的垂直于焊接方向的橫截面上的顯微硬度基本介于鋁合金和純銅之間.接頭抗拉強度為73Mpa，斷后伸長率為1.7%，拉伸試樣斷裂區(qū)位于攪拌區(qū)鋁-銅結(jié)合面，斷口掃描照片顯示鋁合金側(cè)有少量的韌窩及撕裂棱存在，其余斷裂表面形貌較為平坦，為脆性斷裂.NP15

ZrO2/Al90Mn9Ce1 核殼結(jié)構(gòu)復合材料的SPS制備及其性能研究

張迪，王明罡，趙占奎；長春工業(yè)大學先進結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室

用放電等離子(Spark Plasma Sintering)法燒結(jié)表面包覆 10wt%ZrO2 納米粉末的微米 Al90Mn9Ce1 合金復合粉末, 得到高致密的陶瓷結(jié)構(gòu), 內(nèi)充金屬合金的塊體復合材料, 燒結(jié)溫度僅為 520℃.該材料由蜂窩狀封閉 ZrO2 陶瓷殼壁和 Al90Mn9Ce1 合金核體組成, 核殼單元尺寸約為 10~40 μm, 殼壁厚 2~3 μm.燒結(jié)后材料的抗壓強度達到 525 MPa, 顯微硬度達到 316 Hv.這種ZrO2/Al90Mn9Ce1 復合材料的成功制備, 為新型陶瓷/金屬復合材料的設(shè)計提供了新思路.NP16

AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/AZ50的工藝研究

蘆笙，翁志平，陳靜；江蘇科技大學

本文利用大氣等離子噴涂技術(shù)（APS）在AZ91D鎂合金表面成功地制備了NiCoCrAlY/(Al2O3+50wt%ZrO2，簡稱AZ50）復合004km.cn

2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

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陶瓷涂層。采用正交試驗設(shè)計，以結(jié)合強度為指標，優(yōu)化了AZ50復合陶瓷涂層的工藝參數(shù)并通過OM、SEM、XRD等分析方法對涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進行了研究。研究表明：噴涂功率、送粉量、噴涂距離、主氣流量和噴涂次數(shù)對噴涂的性能有重大的影響；AZ50復合涂層由α-Al2O3，γ-Al2O3，t’-ZrO2，1.5倍。

NP19

高球形度超低氧含量鋁青銅粉末研制 于軍，章徳銘，楊永琪，任先京； 北京礦冶研究總院 t-ZrO2和c-ZrO2組成，呈典型的層片狀結(jié)構(gòu)并含有少量的氣孔和微裂紋，涂層和基體的結(jié)合處是涂層最薄弱的環(huán)節(jié)。

NP17 AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/陶瓷涂層的工藝和性能

蘆笙，陳燕，陳靜；江蘇科技大學材料科學與工程學院

本文利用正交試驗對AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/Al2O3-13%TiO2陶瓷涂層的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，研究噴涂次數(shù)對涂層結(jié)合性能的影響規(guī)律，確定優(yōu)化的工藝參數(shù)及最佳噴涂次數(shù)。借助OM、SEM、EDX等手段，對涂層顯微組織進行觀察分析，并對涂層的硬度進行了測量。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對涂層結(jié)合強度有重要影響，其主次關(guān)系的順序為：電源功率>送粉量>噴涂距離>主氣流量。隨著噴涂次數(shù)的增加，即涂層厚度的增加，結(jié)合強度減小。斷裂均發(fā)生在過渡涂層處，且各元素含量在界面處均發(fā)生突變，沒有明顯的擴散現(xiàn)象。鎂合金表面噴涂陶瓷層后硬度明顯提高。

NP18 P對鐵素體區(qū)熱軋Ti-IF鋼組織和性能的影響研究 景財年，劉敬廣，王作成；山東建筑大學

對兩種不同磷含量的普通Ti-IF鋼和高強Ti+P-IF鋼，在800℃鐵素體區(qū)經(jīng)4道次熱軋、模擬罩式退火后，測量了退火鋼板的力學性能、顯微組織和二相粒子。結(jié)果顯示普通IF鋼的延伸率和r值大于高強IF鋼，在高強Ti+P-IF鋼中有FeTiP二相粒子的析出，兩種鋼板的顯微組織都是再結(jié)晶鐵素體，但鋼板中心部組織比邊部組織要粗大，兩種鋼板在鐵素體區(qū)軋制都獲得了很好的深沖性能，r值都大于1，Ti-IF鋼深沖性能更好，其原因是添加P后形成FeTiP粒子不利于深沖織構(gòu)的形成，Ti-IF鋼{111}<112>和{554}<225>織構(gòu)是Ti+P-IF鋼的新型發(fā)動機要求鋁青銅軟支撐耐磨涂層具有較低的氧化物雜質(zhì)含量以及較高的結(jié)合強度，因此，對高性能鋁青銅粉末的研究迫在眉睫。本文采用自主開發(fā)的真空霧化設(shè)備，通過加入添加劑的方式引入合金元素、鋁脫氧熔煉、大角度和低壓力的惰氣霧化工藝實現(xiàn)了細粒徑、球形鋁青銅合金粉末的高產(chǎn)率制備。所研制的粉末具有球形度高、低氧含量和低成本等特點。采用XRD、SEM等測試手段對該粉末及其組成的銅鋁/鎳石墨涂層進行了國內(nèi)外材料及其涂層的理化性能的對比分析，結(jié)果表明國產(chǎn)鋁青銅合金粉末具有與Metco 51NS相同的物理性能、化學性能及工藝性能，涂層達到了相應技術(shù)指標要求，滿足了新型航空發(fā)動機用銅鋁/鎳石墨封嚴涂層材料研制對原材料的需求。

NP20

雙掃描噴射成形工模具鋼工藝及性能研究

張勇，張國慶，李周，袁華，許文勇，劉娜，高正江，王孝平；

北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料國防科技重點實驗室

本文主要研究了雙掃描噴射成形的工藝及制備的工模具鋼SFT15的力學性能和微觀組織。結(jié)果表明，雙掃描噴射成形工模具鋼SFT15沉積坯平均體密度為8.2g/cm3，達到理論密度的99％。采用噴射成形制備的SFT15高速鋼晶粒細小，無宏觀偏析，組織致密。經(jīng)過熱變形加工可大幅提高噴射成形工模具鋼的力學性能。采用SEM、TEM研究了SFT15的微觀組織，絕大部分為小于20μm的等軸晶，晶界和晶內(nèi)分布一些M6C型碳化物，熱處理后SFT15工模具鋼組織主要為回火馬氏體和碳化物。

NP21

Tungsten doped ZrB2 powder synthesized synergistically by co-precipitation and solid-state reaction methods

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2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

國家會議中心

Yanshan Jiang, Ruixing Li, Yun Zhang, Bin Zhao, Junping Li, Zhihai Feng；

Key Laboratory of Aerospace Materials and Performance(Ministry of Education), School of Materials Science and Engineering, Beihang University

Firstly, an amorphous precursor of hydrous nano-ZrO2-WO3 powder was precipitated by a co-precipitation method in alcohol-water mixed solvent using ammonia as a precipitator.Then, tungsten doped ZrB2 powder was successfully synthesized via a solid-state reaction by borothermal and carbothermal reduction using as-synthesized amorphous nano-ZrO2-WO3.The mass and heat flow of the samples were monitored by thermal analysis.The crystallographic structure was identified by X-ray diffractometry.The specific surface area of the powder was determined using a NOVA-2200e analyzer.The size and morphology of the particles were characterized by SEM and TEM microscopies.The combined effects of uniformly distributed tungsten and the complex physicochemical changes effectively improved the solid state reaction.NP22 水熱合成氧化釔彌散鐵基復合材料的制備 劉青，郭志猛，羅驥； 北京科技大學

結(jié)合共沉淀法與水熱合成法，以氯化鋁、氯化釔和氨水所得的氫氧化物沉淀為前驅(qū)物，在水熱溫度100-200°、保溫3-7h的條件下可以制備出彌散相在納米級的彌散強化鐵基材料。研究了反應條件，如加入分散劑的種類及含量、水熱溫度、水熱時間等對水熱合成的影響，從而得到了最佳的工藝參數(shù)。用SEM分析了彌散相的大小及分布確定了最佳的分散劑的種類及含量，通過力學性能的比較，進一步確定了最佳的水熱溫度及時間。

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