材料加工技术工程学

材料加工技术工程学材料工程叶旭初2006年6月1日一、材料加工材料加工：材料制备和材料加工材料制备：把各种原子、分子以及更高一级聚集状态结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方法；材料加工：对原子、分子以及更高一级聚集状态进行控制而获得所需要的性能和形状尺寸(以性能为主)所采用的方法(以物理方法为主)，它是获得实用材料质量和效率的关键技术、如高分子型材、凝固技术、钢板的轧制、气相沉积制膜、陶瓷成型等。材料制备和材料加工的定义虽存在一定的差异。但在材料科学与工程中的界线上变得越来越模糊，正在逐步变成一个连续的统一体。首先，由于在选择材料的各种制备方法时必须考虑随后为形成实用材料而进行的加工。如采用粉末冶金的方法制造发动机涡轮盘，总是希望原始粉末尽可能细小以便于压实和避免较大尺寸的夹杂，当然粉末细小造成原始表面增大而导致表面氧化严重。其次，现代材料的发展常常把制备和加工连成一体了，如聚合物的反应注射成型以及燃烧合成精密铸造技术便是很好的例子，材料的制备和加工是同时进行的；材料学：1、材料呈现的性质或现象以及使用性能是是材料学首要问题。2、材料性质以及使用性能与构成材料的成分和各种层次上的结构相互关系。包括元素的种类和他们的结构排列，材料学第二类问题。因此“成分—组织—性能”的三角关系是早期材料学研究模式。工程学——材料加工工程产品－生产技术（工艺）－装备－控制－其它1、掌握材料学的研究成果；2、过程装备的创新设想；3、第一套装备的开发；4、规模化－工业放大－工程推广（生产研究）；材料学－工艺学研究的范围材料加工过程装置过程控制电器其它生产研究材料加工、制备技术工程学的主要研究内容：（1）装置工作原理、影响规律等机理性研究（2）第一套装置的开发研究（3）工程化研究（改进、新建）（4）工业化的生产管理研究（经济）等与工业化生产相关的一系列其它活动研究。材料加工工程学的主要知识结构(1)加工工艺知识(2)工程基础理论知识（力学－流体力学、传热、传质、反应动力学等）(3)工程设计知识二、材料制备和加工的主要技术粉体制备、粉体成型与烧结、反应加工、凝固、纤维制备、薄膜制备、表面改性和涂层、塑性加工、高分子的合成、高分子材料成型与加工、特种冶金、焊接与胶接、化学微组装与生物微组装等大规模生产技术（无机：水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料、磁性材料等，钢材：冶金）三、材料制备和加工的典型技术举例1、直接金属氧化法直接金属氧化法(directionmetaloxidemethod,DI-MOX法)是美国Lanxide公司研究开发出的用以制备复合材料的技术。利用周围气体与金属熔液间的反应制造复合材料。其工艺流程是：①用冷压机把陶瓷粒子或纤维等增强材料加压成型，制成预型件；②把预型件和金属(如Al)—起放入反应器内，在高温下(铝为900—1400℃温度范围)将金属熔化，金属液在全过程(包括向预型件中渗透的过程)中与周围气氛不断反应生成氧化物、氮化物或碳化物（例如铝液在大气中生成AI2O3）；③反应结束得制品。图2.5-9所示为DIMOX法制备复合材科的过程示意。2、液相－气相反应法液相－气相发应法（liquid-gasreactionmethod,VLS），是1989年由美国Drexel大学的Koczak和Kumar发明并申报美国专利的反应自生复合材料的新技术。其基本原理是将含有C等元素的气体（如CH4）通过导管和气体分散器，在一定温度下导入合金液，气体分解得到的元素与合金液中的反应生成硬质相颗粒，从而制备出复合材料，特别是金属基复合材料。图2.5-10所示为VLS法制备复合材料简图。稀土功能材料的产业化-24-20-16-12-8-40048121620807060504030201004M,B(kGs)BH(MGOe)H(kOe)-24-20-16-12-8-40048121620807060504030201004M,B(kGs)BH(MGOe)H(kOe)Br=14.4kGsHcj=11.76kOe(BH)max=51.20MGOeBr=14.4kGsHcj=11.76kOe(BH)max=51.20MGOe完成了N50系列高档烧结钕铁硼磁体的批量化生产，开始试制N53系列产品。产品性能N50系列高档烧结钕铁硼磁体•高性能钕铁氮磁粉生产线正在调试气流磨大型气淬烧结炉双分级气流磨200kg熔炼炉先进镁合金及其应用研究合金开发样品试制合金生产应用生产500MPa碳素钢先进工业化制造技术气－液混合反应聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维是合成纤维的一类，其常规产品是聚乙烯醇缩甲醛纤维(Polyvinylformalfiber)，在我国俗称维纶，或维尼纶。PVA→水洗→脱水→溶解→混合→过滤→脱泡→纺丝溶液(1)干湿法纺（drywetspinning)又称为干喷湿纺，是一种将干法和湿法特点结合起来的纺丝方法。干湿法纺丝时，纺丝溶液从喷丝头挤出后，先经过一段空气层．然后进入凝固浴．图2.7-12为干湿法纺丝示意。从凝固浴导出的初生纤维的后处理过程与普通湿法纺丝相同。碳纤维碳纤维〔carbonfiber)具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电传热等众多优点。碳纤维主要有纤维素基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维(polyacrylonitrile-basedcarbonfiber)和沥青基碳纤维。纤维素基碳纤维由于生产技术复杂，生产成本高，这类碳纤维己甚本淘汰。化学气相沉积制造碳纤维。真空蒸发镀膜技术真空条件下加热被蒸镀材料、使其熔化(或升华)并形成由原子、分子或原于团组成的蒸气，凝结在基底表面成膜。蒸镀是一种发展较早的镀膜技术，方法简单，已经在光学、微电子学、磁学、装饰、防腐蚀等方面得到了广泛应用。如：电于束蒸发(e-beamevaporation)用电子束加热水冷铜坩锅中的蒸发材料使其熔融或升华汽化并凝结在基底表面成膜。常用的电子枪有远聚焦直枪、2700。磁偏转枪(e型电子枪)和空心阴极电子枪。如图2.8-2，图2.8-3所示。空心阴极电子枪又有？管阴极和六硼化镧阴极两种。目前主要采用e型电子枪。被镀膜的基片电弧离子镀电弧离子镀是蒸发源为电弧源的离子镀。图2.8－4所示为电弧离子镀膜工作原理。图2.8－4中阴极是靶材，真空室接地作阳极。在点火器与阴极工作面距离适当时产生的电离火花激发阴极工作表面、产半直径为0.01－100μm的明亮弧斑。运动的斑区温度高达数千至数万度、并喷发出电子、离子、熔融的阴极材料微粒和原子。工件工件偏置电源真空室壁阴极屏阴极化学气相沉积的装置化学气相沉积按化学反应中能量获得的方式可分为热CVD，等离子体增强CVD（chemicalvapordeposition），其中热CVD是比较传统的CVD技术，等离子体增强CVD，激光和光CVD是新发展期来的CVD技术。(1)化学气相沉积系统化学气相沉积系统一般由三大部分组成。即反应物供给系统、沉积室、尾气处理系统。图2.8-5是典型的CVD装置示意。(2)反应物供给系统a.反应物输运。反应物必须以气体状态引入列沉积室中，如果反应物在室温下是液态，可以将其加热汽化，然后由载气将共蒸气带入沉积室。b.反应物的纯化。随着应用领域对化学气相沉积的薄膜质量要求越来越高，化学气相沉积对反应物的纯度要求也越来越高，因为反应物中的杂质是造成薄膜缺陷的主要原因。气体的纯度通常被表示为几个九，如六个九，即表示纯度达到99．9999％。有时纯度也可以根据杂质的含量表示为106(百万分之一)或109(十亿分之—)。等离子体增强化学气相沉积等离子体增强CVD系统等离子体增强CVD的系统和普通CVD的区别主要在于沉积室合用于产生等离子体的单元。在大多数等离子体增强CVD的系统中，等离子体是由平行电极之间的射频或微波辉光放电产生的。图2.8-6所示是射频等离子体增强化学气相沉积(radiofrequencyplasmaenhancedchemicalvapordeposition)系统示意。气相外延生长的设备气相外延生长设备可分为两个独立的基本组成部分，即气体分配单元和沉积室。气体分配单元的功能是对气体反应物按精确比例进行混合，并按一定程序送入沉积室，其主要构件包括质量流量控制器和压力控制器．所采用阀门和流量计都必须能防止污染。否则，会给薄膜带来污染。在多数气相外延系统的设计中，气体分配单元都是大同小异的．而沉积室则因生长化学过程和所需产品不同而有很大差异。图2.8-7是常见的几种气相外延生长沉积室的结构。等离子弧喷焊(plasmaarcwelding)是采用转移型等离个弧为主要热源，在金属基材表面喷焊合金粉末的方法。等离子弧原理如图2.9—24所示。一般采用两台整流电源，将负极并联在一起，通过电缆接至喷抢的电极，其中—台电源的正极接喷抢的喷嘴，用于产少非转移弧。另一台电源的电极接工件，用于产生转移弧。冷却水通过水电缆引入喷枪，冷却喷嘴和电极。采用氩气作离子气，引入喷枪。电源接通后、借助高频火花引燃非转移弧．继而利用非转移弧射流在电极与工件间造成的导电通道，引燃转移弧。在建立转移弧的同时或之前，由送粉器向喷枪供给合金粉末，吹人电弧中，并喷射到工件上，因而转移弧一建立，就在工作件上形成合金熔池．使合金粉末在工件上熔融。随着喷枪和工件的相对移动，液态合金逐渐凝固，形成合金喷焊层。电弧喷涂[electricarcspraying)是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作热源来镕化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。图2.9－25所示是其喷涂示意。喷嘴端部成一定角度的连续送进的两报金属丝，分别接直流电源的正负极。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产小电弧，将两根丝材的端部同时熔化，由电弧发生点的背后喷射出的压缩空气，使熔化的金屑脱离并雾化成微粒，在高速气流的作用下。喷射到制备好的基材表面上而形成喷涂层。爆炸喷涂(explosionspraying)是以突然爆发的热能加热熔化喷涂材料并使熔粒加速的热喷涂方法。原理如图2.9—26所尔，将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪简内，与同时引入的喷涂粉末混合。通过火花塞点火瞬间引爆，枪筒内的温度突然上升到3300℃以上．气体燃烧的速度超过音速的十倍，形成冲击波，爆炸的热能将喷徐粉末加热到熔融或半熔殿状态，并使熔粒加速到2倍音速喷出，撞击到基体表面形成涂层。此后将氮气引入枪周内置换．直到下一个爆炸过程开始。通入气体和粉末的爆炸过程，每秒可重复进行1～8次，根据涂层所要求的厚度可以反复进行。压制技术:轧制可以在加热状态下进行(热轧),也可以在低于再结晶的温度下进行(温轧),也可以再室温下进行(冷轧).同时,也可以根据轧制的受力和变形方式来进行分类,通常可分为：板带、箔材轧制、纵轧成型轧制、横轧成形压制、斜轧成型、楔横轧等。管材轧制:模锻:模锻是一种批量生产金属锻件的工艺方法，它是金属材料在一定形状的模腔内变形，可以生产出形状和尺寸都接近成品零件的模锻件。和自由锻造相比，模锻可以节省零件的机加工工作量和材科的消耗，提高劳动生产率串以及提高整批产品的质量稳定性。使用模锻工艺可以制造形状十分复杂的锻件，可以使锻件获得良好的纤维组织以及高的力学性能，但是模锻需要使用大功率的锻压设备和昂贵的摸具，一般在对零件的组织性能有较高要求而且生产批量比较大时，选用模锻才适台。旋转锻造旋转锻造简称旋锻，是模锻的一种特殊形式。它使用一副或多副（最多可达8个）对击的锤头来生产精密轴类件的锻造工艺，锻造时坯料旋转送进，在锤头的打击下达到减小直径，增大长度和成型的目的。挤压技术（1）正挤压金属流动方向与挤压轴方向相同，钉坯与挤压筒有较大的相对运动，缩需挤压力较大。挤压生产型材时，通常采用平模后或分流组合模挤压。平模挤压时，模口的定径带的长度设计是一个重要的因素，分流组合模挤压时，分流孔的设计是非常重要的。（2）反挤压金属流动方向与挤压轴的运动方向相反。但生产效率较低，通常应用于生产一些塑性较差的金属。（3）联合挤压这种方法既有正挤压，又有反挤压，