材料成形技术（精选十篇）
材料成形技术 篇1
关键词：超塑性,超塑成形,扩散连接,超塑成形/扩散连接
0 引言
早在1920年,Rosenhain等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹,与普通晶体材料大不相同。1934年英国的Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战,这方面的研究没有进行下去。1945年前苏联的Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年美国的Backofen提出了应变速率敏感性指数m值,为超塑性研究奠定了基础。20世纪60年代后期及70年代,世界上形成了超塑性研究的高潮。近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。超塑性材料正以其优异的变形性能和材质均匀等特点在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。
超塑成形/扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,简称SPF/DB)技术是把超塑成形与扩散连接结合起来的一种近无余量成形技术,它的深入发展及广泛应用对现代航空航天结构的设计和制造产生了重大影响,在国外被誉为21世纪大型复杂结构件的高效费比制造技术。SPF/DB技术的研究已开展30余年,20世纪70年代初至80年代初的10年是SPF/DB的开发研究和试验验证阶段,SPF/DB从实验室小规模基础工艺研究和验证逐步发展到全尺寸零件的设计、制造和飞行试验。20世纪80年代初至今是SPF/DB技术的生产应用和深入发展阶段,此间SPF/DB工艺的基础研究更加深入,生产技术得到较大发展[1]。
SPF/DB技术制造出的飞行器整体结构件,不仅能满足设计上的要求,如质量轻、刚性大;而且也能满足工艺上的要求,简化零件制造过程和构件的装配过程,缩短制造周期、减少手工劳动量和降低成本。另外,SPF/DB技术还可以制造空心结构件。SPF/DB技术在减轻飞行器质量、降低生产成本方面显示出了巨大的优越性,日益得到航空航天工业的高度重视。目前,SPF/DB技术已广泛应用于飞机、航空发动机、导弹、航天器等的生产中。世界主要的飞机制造公司已建立起自己的SPF/DB生产能力,同时还涌现出大批SPF/DB专业化厂[2,3]。
1 超塑性及超塑成形、扩散连接的理论与方法
1.1 超塑性(Superplasticity,SP)
超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于100%时,即可称为超塑性。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同,目前一般将超塑性分为以下几类:组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性。获取这种超塑性一般要求材料具有均匀、细小的等轴晶粒和较好的热稳定性。
国内外学者对超塑性变形机制的研究已有很多,其结果不尽相同,但在一些方面上取得了广泛的共识。一般认为组织超塑性变形机制以晶界滑动和晶粒转动为主,但还要靠其他变形机制进行调节。应变速率很小时(S曲线Ⅰ区和Ⅰ、Ⅱ区之间的过渡带),认为是靠空位扩散机制来调节。随着应变速率的增大,空位扩散机制相对减弱,位错运动的调节作用相对增强[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。位错的存在必然伴随着动态回复和动态再结晶,这也是超塑性变形中的软化机制。超塑性变形会使微观组织出现晶粒长大、晶粒等轴化以及晶界圆弧化等现象,这是由于变形过程中存在着动态再结晶或晶界迁移以及同相晶粒相聚与合并的过程。晶粒长大不单纯是加热的结果,而是与变形有关。适当提高变形速度,可抑制晶粒长大的倾向[13,14,15,16]。
对于给定材料来说,影响其超塑性的因素主要有晶粒度、变形温度和应变速率。一般来说,晶粒越细,等轴度越高,越有利于超塑性变形,因为晶粒细小时晶界总面积较大,为晶界滑动提供了条件,而等轴度高有利于晶粒转动。但对有些材料来说,例如钛合金,其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。超塑性变形与许多热激活过程有关,因此温度也就成为它的一个很主要的影响因素。一般要求温度T≥0.5Tm。但变形温度超过临界温度Tc时,继续升高变形温度会使晶界强度进一步降低,材料传递外加应力的能力迅速降低,而且,变形温度过高会使得晶粒长大速度进一步加快,这两方面均对超塑性不利。因此,要根据实际情况选择合适的超塑性变形温度。超塑性要求应变速率比较低,一般为10-4～10-1s-1,位于S曲线Ⅱ区,此时应变速率敏感性指数较大,有利于细颈扩散和转移,对超塑性有利[17,18,19,20,21,22,23,24,25]。
另外,电在金属材料的加工中是一个重要的环境,电流或电场对位错运动、原子和空位的活动性有比较显著的影响,这也势必影响着材料的超塑性。李淼泉等[26,27,28]认为,强电场对LY12CZ铝合金超塑性变形时扩散过程的影响主要是空位机制,电场强度的变化改变了试样表面层电荷的贮量,降低了空位跳跃的能垒,改变了带负电荷的空位向试样表面层的迁移速度,从而加强了超塑性变形过程中的扩散过程。通过实验研究发现,合适的电场强度会使LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长,最大流动应力明显降低,单向拉伸时的极限延伸率比无电场时提高30%。
1.2 超塑成形(Superplastic forming,SPF)
工业应用上一般将可以使材料获得较大变形而不损坏、变形过程中流动应力较低且无明显加工硬化的成形方式统称为超塑成形,不仅仅局限于单向拉伸变形。如超塑性用于挤压成形时称为超塑挤压成形,用于模锻时称为超塑性模锻。采用超塑性可以实现无模拉伸,生产出任意断面的棒材与管材的零件,还可以进行超塑性轧制。超塑性板料成形也获得较多应用,金属材料在超塑状态下所具有的优良塑性和极低的变形抗力,使其可以像塑料一样进行气胀成形,包括真空成形和吹塑成形,或将2种并用,也可进行超塑性板料拉伸,比常规拉伸的拉伸比大得多。
超塑成形具有诸多优点。利用超塑性可以成形出非常复杂的零件,可以使原来需要多道工序才能成形的零件1次成形,也可以使原来因工艺要求需分部设计的组合零件改为整体零件;超塑成形压力很低,需要的设备吨位低,费用少;超塑成形在较低的速度下进行,冲击小,且材料的变形抗力小,使模具的使用寿命延长;超塑成形时材料的充填性能好,成形精度高,材料利用率高。但超塑成形有一个明显的缺点,即晶粒易于粗化,使得强度、塑性、抗疲劳等机械性能有所降低。
目前,在生产中获得应用的超塑合金有钛合金、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、碳钢、合金钢和某些脆性材料等。
1.3 扩散连接(Diffusion bonding,DB)
扩散连接是把2个或2个以上的固相材料(包括中间层材料)紧压在一起,置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度,对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触,再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。
为了便于分析和研究,通常把扩散连接分为3个阶段(见图1):第一阶段为塑性变形使连接界面接触。加压初期的塑性变形可使接触面积达到连接总面积的40%～75%,后续的接触过程主要靠蠕变进行,最后可达90%～95%,在金属紧密接触后,原子开始相互扩散并交换电子,形成金属键连接。第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失。与第一阶段相比,该阶段中扩散的作用要大得多。由于扩散的作用,大部分孔洞消失,而且也会产生连接界面的移动。该阶段通常还会发生越过连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移,使金属键连接变成牢固的冶金连接。最后阶段为界面和孔洞消失。在这一阶段中主要是体积扩散,速度比较慢,通常需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长,原始界面完全消失[29,30,31,32]。
扩散连接的特点:①可以进行内部及多点、大面积构件的连接,以及电弧可达性不好或用熔焊方法根本不能实现的连接。②可成功连接用熔化焊和其他连接方法难以连接的材料,如弥散强化型合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合材料等,特别适用于不同种类的金属、非金属及异种材料的连接。③是一种高精密的连接方法,用这种方法连接后,工件不变形,可以实现机械加工后的精密装配连接。
扩散连接的所有机理都对温度敏感。连接温度的变化会对连接初期表面突出部位的塑性变形、扩散系数、表面氧化物向母材内的溶解以及界面孔洞的消失过程等产生显著影响。温度越高,扩散系数越大,同时,温度越高,金属的塑性变形能力越好,连接表面达到紧密接触所需的压力越小。但是,加热温度的升高受到被焊材料冶金物理特性方面的限制,如再结晶、低熔共晶和中间金属化合物的生成等。此外,升高加热温度还会造成母材软化或硬化以及加速晶粒的长大。因此,不同材料组合的连接接头,应根据具体情况,通过实验来选定连接温度。从大量研究试验结果看,在实用连接时间范围内大多数金属和合金的扩散连接温度范围一般为TL≈(0.6～0.8)Tm。
连接压力可起到如下作用:①连接初期促使连接表面微观凸起部分产生塑性变形;②使表面氧化膜破碎并使金属直接接触实现原子间的相互扩散;③使界面区原子激活,加速扩散与界面孔洞的弥合及消除;④防止扩散孔洞的产生。所以,压力越大、温度越高,紧密接触的面积也越大。目前,扩散连接范围中应用的压力范围很宽,最小只有0.07MPa(瞬时液相扩散焊),最大可达350MPa(热等静压扩散连接),一般常用压力为3～10MPa。通常,扩散连接时存在一个临界压力,即使实际压力超过该临界压力,接头强度和韧性也不会继续增加。从经济和加工方面考虑,一般降低连接压力是有利的。
保温时间也是扩散连接的一个重要的工艺参数。原子扩散走过的平均距离(扩散层深度)与扩散时间的平方根成正比。因此,要求接头成分均匀化的程度越高,保温时间就将以平方的速度增长。与压力的影响相似,也有一个临界保温时间,时间过长会使晶粒长大导致接头性能下降。
氧化膜行为也是扩散连接研究的重点问题之一。不同材料的表面氧化膜在真空扩散连接过程中的行为是不同的,一般可将材料分为以下3个类型:①钛、镍型。这类材料真空扩散连接时,氧化膜可迅速通过分解、向母材溶解而去除,因而在连接初期氧化膜即可消失。这类材料的氧化膜在不太厚的情况下一般对扩散连接过程没有影响。②铜、铁型。由于氧在基体金属中的溶解度较小,所以表面的氧化膜在连接初期不能立即溶解,界面上的氧化物会发生聚集,在空隙和连接界面上形成夹杂物。随连接过程进行,通过氧向母材扩散,夹杂物数量逐步减少。③铝型。这类材料的表面有一层稳定而致密的氧化膜,在基体金属中几乎不溶,因而在真空扩散连接中不能通过溶解、扩散机制消除[29,33,34,35,36,37,38]。
2 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺的特点与研究进展
SPF/DB工艺是把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法。当材料的超塑成形温度与该材料的扩散连接温度相近时,可以在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序,从而制造出局部加强或整体加强的结构件以及构形复杂的整体结构件。如钛合金的超塑成形温度为850～970℃,扩散连接温度为870～1280℃,由于在超塑成形温度下也可进行扩散连接,因此有可能把这2种工艺结合,在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序。这种只需1次加热、加压过程的SPF/DB工艺常见于板料的吹胀成形和扩散连接。体积成形(如超塑性模锻)与扩散连接相结合的SPF/DB工艺往往需要将超塑成形和扩散连接分开进行,先超塑成形后再扩散连接或者先扩散连接后再超塑成形,视具体工艺情况而定。
研究发现,超塑成形和扩散连接本身就存在着密切的联系。利用材料的超塑性可加速扩散连接过程,特别是在具有最大超塑性的温度范围,扩散连接速率最高。这是因为:①在连接初期的变形阶段,由于超塑性材料具有低流动应力的特征,所以塑性变形能迅速在连接界面附近发生;②真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性;③超塑性材料通常具有细晶粒,大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用,显著加速了空洞和界面消失的过程[39,40,41,42]。
SPF/DB技术的优点:①可以使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一起的大构件成形为大型整体结构件,极大地减少了零件和工装数量,缩短了制造周期,降低了制造成本;②可以为设计人员提供更大的自由度,设计出更合理的结构,进一步提高结构承载效率,减轻结构件质量;③采用这种技术制造的结构件整体性好,材料在扩散连接后的界面完全消失,使整个结构成为一个整体,极大地提高了结构的抗疲劳和抗腐蚀特性;④材料在超塑成形过程中可承受很大的变形而不破裂,所以可成形很复杂的结构件,这是用常规的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能实现的。
用于SPF/DB的材料常为钛合金(如Ti-6Al-4V),钛合金SPF/DB构件已得到了广泛应用。许多新兴航材如高强铝合金、铝锂合金、金属基复合材料(MMC)、金属间化合物等的迅速发展和应用不断向SPF/DB工艺提出了新的挑战,目前镍基合金(如Inconel718)、金属间化合物(如Ti3Al)及颗粒增强的超塑性铝合金的SPF/DB成形工艺正在研制之中,处于发展和试验阶段。
Xun等[43]利用SPF/DB技术制造了Ti-6Al-4V合金4层板结构空心风扇叶片。该叶片从性能和尺寸上均满足要求,但与原板材相比,经过高温SPF/DB处理,合金的微观组织发生了一定的粗化,强度和塑性均有一定程度的降低。Elias等[44]研究发现,Ti-6Al-4V合金SPF/DB后连接面的抗拉强度最高为820MPa,约为SPF/DB处理前合金抗拉强度的90%。另外还发现,具有超塑性的Ti-6Al-4V合金扩散连接面的抗拉强度远远大于粗大晶粒Ti-6Al-4V合金扩散连接面的抗拉强度。
Salishchev等[45]研究发现,具有超细晶(晶粒平均直径0.3μm)结构的Ti-6Al-4V板材在650～750℃时具有较好的超塑性,比常规Ti-6Al-4V合金的超塑性温度低150～200℃,并在750～800℃采用SPF/DB工艺制造出了一种复杂的蜂窝空心结构,扩散连接效果良好,由于温度较低限制了晶粒的长大从而获得了较好的综合性能。Wu等[46]对TiAl基合金的SPF/DB进行了研究,将参与扩散连接的表层材料处理成细小的等轴组织,获得了良好的连接质量并可有效降低扩散连接温度和缩短时间,而非扩散连接表层材料因未进行细化处理而保持着较粗大组织,使得构件具有较好的抗高温蠕变性。
Cam等[47]对γ-TiAl板材的扩散连接进行了研究,发现适当提高扩散连接压强可以明显缩短达到良好连接效果所需的时间。另外还发现,表面粗糙度也是一个非常重要的影响因素,经过化学腐蚀的较为粗糙的表面之间扩散连接时,在较大压力下微观凸起部分承受了较大的变形并进行了再结晶,随着连接时间的延长,再结晶晶粒发生了明显的长大,但由于空洞过大,在很大的压力下也未能获得满意的连接效果。
3 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术的应用
20世纪70年代,美国洛克威尔公司首先将超塑成形和扩散连接技术相结合,开发了超塑成形/扩散连接组合技术(SPF/DB)。之后,英、法、德、前苏联和日本都相继开展了这一技术研究。这种技术非常适合于加工复杂形状的零件, 例如航空发动机上的风扇叶片、飞机机翼等。至今,SPF/DB技术已广泛应用于航空航天领域并取得了显著的技术经济效益。
美国已有多家公司具有生产钛合金SPF/DB结构件的能力,如麦道公司生产的SPF/DB结构件有100多个,诺斯诺普公司生产的28个F-18战斗机的SPF/DB结构件,罗尔公司生产的CF6-80发动机上也有7000个钛合金SPF或SPF/DB结构件。
英国也是世界上开展SPF/DB技术较早的国家,目前已建立了专业化生产厂,承担国内外订货。英国的TKR公司、IEP公司、Rolls-Royce公司、Superform公司和宇航公司都具有很强的钛合金SPF/DB 结构件的生产能力。罗罗公司采用SPF/DB技术研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,处于世界领先地位。
在法国、德国、俄罗斯以及日本等国,SPF/ DB 技术的研究和应用发展也很快。法国的ACB公司、达素公司、哈夫工厂和德国的MBB公司等也具有较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。在俄罗斯,钛合金SPF/ DB 技术的研究已有多年历史,其研究规模之大也是空前的。在日本,这项技术的研究与应用发展飞速,目前,在按生产许可证生产的F-15战斗机和日本自行设计的战斗机上都有日本自己制造的钛合金SPF/ DB结构件。国外钛合金SPF/ DB 结构件的应用情况见表1。
我国对SPF/DB技术的研究起步较晚,始于20世纪70年代末,至今已先后完成了基础工艺试验、典型构件研制、模具选材试验、性能测试、质量控制与检测等方面的工作,成功研制出某飞机风动泵舱门、隔框、电瓶箱罩盖、发动机维护舱盖、干扰弹导筒等航空零件,并在铝合金SPF/DB以及SPF/DB的数值模拟等方面取得了一系列重要研究成果。我国自行研制的钛合金装机结构件的应用实例见表2。
国内外的研究均表明,用SPF/DB技术生产飞行器结构件与常规方法相比,可使结构质量降低30%,成本降低40%～50%。
图2所示为F-15型飞机的原装配式龙骨结构件,上有75个零件,1420个铆钉,需十几套模具、2套装配夹具。后改用SPF/DB结构件,只需4个零件、71个连接件,2套模具,无需夹具。整个结构质量减轻25%,总成本降低77%,其中工具成本降低16%。
图3所示为F-15型飞机机身背部2块大型壁板,长3048mm,宽1143mm。图3(a)为原结构,是由蒙皮、隔框、桁条组成的典型结构;现改用SPF/DB结构,只需4块SPF/DB壁板,减少了9个隔框、10根桁条、150个零件和5000个铆钉,总质量减轻38.4%,总成本降低53.4%。图4、图5为SPF/DB技术在其他飞行器上的典型应用[36,48,49,50]。
4 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术的发展趋势
SPF/DB技术虽然已进入工程应用阶段,多用于航空航天领域,已展示出巨大的技术经济效益,但在应用过程中依然存在一些问题,需要不断进行深入研究和发展,开拓新的应用领域。当前国内外的研究动态表现出如下发展趋势。
(1)深入开展基础研究工作,增加专用的超塑性材料品种,开发现有材料的超塑性。SPF/DB技术对材料有着特殊的要求,材料是SPF/DB技术的基础,是研究该技术和拓宽该技术应用范围的前提条件。
(2)优化SPF/DB工艺参数,加强工艺过程控制,开展并行工程研究,实现工艺参数自动控制和工序过程自动化。与传统的飞行器结构件制造方法相比,SPF/DB技术有着制造周期短、成本低等优点。但由于超塑变形速率小,扩散连接需要在真空和高温的条件下进行,SPF/DB构件的制造周期依然较长,提高生产效率、节约人力成本的空间较大。因此,开展并行工程研究、实现工序过程自动化的研究有着较大的现实意义。
(3)发展先进检测技术,建立可靠的质量保证体系,提高检测精度,研制低成本检测技术,制定质量控制程序和验收标准。SPF/DB技术多用于航空航天领域,构件的质量和精度显得尤为重要,必须保证通过检测的构件100%合格。现有的检测手段还不能满足如此高的要求(特别是对密闭的空心结构件的检测)。另外,制定相关行业标准,使检测和验收规范化、标准化,有利于SPF/DB技术的健康发展。
(4)新结构的开发应用研究,开展体积超塑性成形方式(如棒料的超塑性模锻、超塑性挤压等)结合扩散连接的新型SPF/DB工艺研究。当前, SPF/DB技术多用于3层/4层板结构,工艺流程一般为边缘封焊-扩散连接-预弯-超塑成形,这种板结构在强度等方面存在不足。因此,应该大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/DB构件。
(5)研究原始晶粒度对超塑成形/扩散连接过程及组合工艺后工件微观组织和机械性能的影响规律。超塑成形和扩散连接需要在较高温度下变形和保温,晶粒易于长大使机械性能恶化,原始的细小晶粒可以在一定程度上抵消这一作用。另外,细小的原始晶粒本身就有利于超塑成形和扩散连接。在这一方向开展的定量研究,可以对原材料的选取起到重要的指导作用。
(6)突破铝合金和铝锂合金扩散连接技术,进一步研究其他先进材料的SPF/DB工艺。作为一种重要的结构材料,铝合金在工业领域(包括航空航天)获得了广泛的应用。但其氧化膜在基体中几乎不溶,对扩散连接极为不利,这一问题尚未得到解决。开展该领域的研究必然会推动铝合金SPF/DB技术的发展。
先进材料成形技术与理论 篇2
一、《先进材料成形技术及理论》课程概述
编 号：MB11001 学时数：40 学 分：2.5 教学方式：讲课30、研讨
6、实验参观4
二、教学目的与要求：
材料的种类繁多，其加工方法各异，近年来随同科学技术的发展，新材料、材料加工新技术不断出现。本课程将概述材料的分类及其加工方法的选择；重点介绍液态金属精密成形、金属材料塑性精确成形及金属连接成形等研究与应用领域的新技术、新理论；阐述材料加工中的共性与一体化技术。本课程作为材料加工工程专业的学位课，将使研究生对材料加工的新技术与新理论有个全面的了解，引导研究生在大材料学科领域进行思考与分析，为从事材料加工工程技术的研究与发展奠定基础。
三、课程内容：
第一章 材料的分类及其加工方法概述
1.1 材料的分类及加工方法概述
1.2 材料加工方法的选择（不同材料）及不同加工方法的精度比较（同一种材料）1.3 材料加工中的共性（与一体化）技术 1.4 材料加工技术的发展趋势
第二章 液态金属精密成形理论及应用
2.1 材料液态成形的范畴及概述
2.2 消失模精密铸造原理及应用(原理、关键技术、应用实例、缺陷与防治)2.3 Corsworth Process新技术(精密砂型铸造：锆英（砂）树脂砂型、电磁浇注、热法旧砂再生)2.4 半固态铸造成形原理与技术（流变铸造、触变成形、注射成形）
2.5 铝、镁合金的精确成形技术（金属型铸造、压铸、反重力精密铸造、精密熔模铸造等）2.6 特殊凝固技术（快速凝固、定向凝固、振动凝固）
2.7 金属零件的数字化铸造（铸件三维造型、工艺模拟及优化、样品铸件快速铸造、工业化生产及其设计）
2.8 高密度粘土砂紧实机理及其成形技术（高压造型、气冲造型、静压造型）
第三章 金属材料塑性精密成形工艺及理论
3.1 金属塑性成形种类与概述
3.2金属材料的超塑性及超塑成形（概念、条件、成形工艺）
3.3 复杂零件精密模锻及复杂管件的精密成形（精密模锻、复杂管件成形）3.4 板料精密成形（精密冲裁、液压胀形、其它板料精密成型）
3.5 板料数字化成形（点（锤）渐进成形、线渐进（快速）成形、无模（面、液压缸作顶模）成形）3.6 特种锻造（电镦、摆锻、辊锻、其它特种锻造）3.7 液压成形（原理、设备、工艺）
3.8 新技术对成形模具的要求（数字化、柔性模具）
第四章 先进连接技术理论及应用
4.1 材料连接成形概述
4.2 几种新型连接方法的原理及特点
高能密束焊、搅拌磨擦焊、微连接等连接方法基本原理、工艺及应用、复合加工工艺原理及新技术 4.3 典型先进材料的特性、连接工艺与物理冶金
(铝锂合金、高温合金等金属材料；陶瓷材料、复合材料、有序金属间化合物、非晶材料等非金属材料及功能材料的焊接性、连接方法的选择、接头性能与工艺特点)4.4 严酷条件下的连接技术
(空间连接技术的发展；零重力条件下的焊缝成形与焊接冶金特性；空间结构材料的焊接性。辐射条件下的焊接。水下焊接技术)4.5 材料表面改性新技术
(激光表面改性、气相沉积、真空熔结、电火花强化等；表面改性技术选择。)4.6连接接头质量控制与性能评价
(连接接头质量控制；接头性能评价方法；获得优质结构的现代连接和连接工程学的基本内涵及相关学科之间的关系)4.7 数值模拟与仿真技术在连接成形技术中的应用（数字化连接技术）
第五章 复合化成形加工方法及技术基础
5． 1 材料成形加工技术的复合化 5．2 5．3 5．4 5．5 5．6 连铸连轧
成形与精密加工复合化 复合能量场成形 新材料制备与成形一体化 CAD/CAE/CAM一体化技术
第六章 粉末材料及其成形技术
5.1 粉末材料的制备 5.2 粉末冶金原理及应用
5.3 粉末材料喷射成形原理及应用 5.4 粉末材料注射成形原理及应用
四、主要参考文献：
1、《材料加工新技术与新工艺》，谢建新等，冶金工业出版社，2004
材料成形技术 篇3
关键词：材料成形技术基础 双语教学 教改
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0160-02
Practical Reform of Bilingual Course of Fundamentals of Material Forming Technology
Zeng Bin1，2 Liu Qiyuan1 Zeng Wujun1
（1.College of Mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Science；
2.College of Fu Rong，Hunan University of Arts and Science，Changde Hunan，415000，China）
Abstract：Based on the status of domestic bilingual teaching for the course of fundamentals of material forming technology in the local undergraduate colleges，the author gave several experiences and understandings about bilingual curriculum innovation in the process of their bilingual teaching task.Especially they analyzed and discussed the bilingual textbooks，network platform and teaching measures.
Key Words：Fundamentals of material forming technology；bilingual course；practical reform
目前，国家“211”和“985”重点院校如中南大学、湖南大学等学校的双语教学工作开展顺利，这些学校已在双语教学教材和师资队伍建设以及教学内容和教学方法改革方面取得许多研究成果[1]。但目前地方本科院校的双语教学工作进展缓慢，其主要原因是地方本科院校的学生英语基础差、自学能力较弱，同时双语教学师资也相对欠缺[2]。上述差异决定了地方本科院校难以照搬重点院校的双语教学模式，因此探索一条适合于地方本科院校的双语教学模式极为重要。
湖南文理学院从2009年开始对材料成形技术基础课程开始了双语教学尝试，经过近四年的教学实践与探索，积累了一定的经验，为进一步开展材料成形技术基础教学内容和教学方法的改革打下了良好的基础，现总结有关经验与体会与大家分享。
1 双语教学的可行性
在普通高校实施双语教学改革的有利条件是：普通高校在校生的英语整体水平虽然不如重点高校，但本课程是在大学四年级的第一学期开设的，经过两年的大学公共英语学习和训练，大部分学生按要求已掌握了约5000个英语词汇，能阅读一般英语文章并能够进行必要的会话，而且一部分学生通过了国家四级、六级考试，已具备用英语学习专业知识的能力。此外，学生已学习了机械制造基础、工程材料等课程，对专业的基础知识也有了一定的认知。这就为在普通高校开展材料成形技术基础课程的双语教学改革创造了外语水平和知识结构两方面的有利条件。
2 教学改革措施
2.1 材料成形技术基础双语教学教材的改革
双语教学教材的选择非常重要，需要使用原版外文教材，才能让学生体会到英语原汁原味的风味，但是由于在阅读和理解上存在一定的困难，导致学生容易知难而退，影响学生学习兴趣，进而影响教学效果。针对这些不足，我们自己编订了讲义，对原版的教材进行注释，这样可以保持英文的“原汁原味”，兼容中英文教材的优点，专业词汇增加中文注释，书后增加中英文词汇对照表；每章结尾增加中文概要，有利于学生对教学要点的理解和掌握。
2.2 材料成形技术基础双语教学网络平台的建设
针对地方本科院校学生的英语基础差和双语教学课时严重紧张的情况，建立材料成形技术基础的双语教学网络平台。例如将上课的过程进行录像，方便学生课后自学。并且收集材料成形技术方面的英文音像资料，通过生动的画面和纯正的英文讲解，进一步增加学生的英语的听力能力。同时在网络上形成互动，通过网络平台的论坛进行英语的交流，不仅增强学生的专业英语的表达能力，而且能够及时掌握学生课堂学习效果，对于共性的问题进行分析总结，若有必要则在下次课堂上及时加以引导解决。
2.3 材料成形技术基础双语教学模式的改革
采用外语与汉语交错讲授。到底采用全英文讲解还是英文和中文交错讲授，目前存在着一些争论。笔者发现，全程英语讲授要求学生注意力高度集中，导致容易造成视听疲劳，影响教学效果。而使用英语与汉语交错讲授，如果中英文比例把握不当，又容易使英语好的同学意犹未尽，影响他们的学习积极性。因此，针对不同难点的专业知识，笔者采用不同的中英文比例。例如：对于冲压模具部分的内容，由于学生已经在专业课程中完成了冲压模具基础知识的学习并进行了相应的课程设计，对此部分内容比较熟悉，因此这部分内容以英语授课为主，仅在部分难点句子辅以中文解释；而对于铸造这部分内容，由于相应的专业知识比较抽象，因此对于这部分内容，减少英文讲授的份量，力求使每个学生都能够理解。通过这种针对不同内容采用不同中英文讲解比例内容的方式，让每一个学生都能够跟上课程进度。
提倡互动式教学，采用循序渐进的方式，让所有的学生都参与到教学过程中，在不同的教学阶段采用不同的教学手段，效果良好。例如：在教学初期，将课文中的一些重点难点句子指出，要求学生翻译，再请其它的同学点评，通过这种方式，让学生逐渐熟悉专业英语中的词汇和句型；教学中期，每次课堂留出一段时间，让同学在讲台上演讲，由于演讲内容是事先布置的，所以同学们都事先查找了相关资料并准备好了英文演讲稿。在这部分教学改革中，专业英语的学习已经由课堂延伸到课外；教学后期，由于已经进行了一定程度的专业英语的学习，同学们已经具备了一定的专业英语基础，在这个阶段，可以开始在课堂内分组进行讨论。在教学改革的最后阶段，老师已经由惯常的教学中的“教”的主体变为“学生”的一部分，并参与到问题的讨论过程中。
合理使用多媒体辅助教学。双语教学的第一目的在于专业知识的传输。在专业课的双语教学中，常常会遇到的比较突出的问题就是一些学科专业性较强的生僻词汇和概念。例如在讲解熔模铸造的工艺过程中，笔者借助多媒体动画形式，播放蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧、浇注等全过程的动画，产生直观的视觉震撼作用，同时配合课堂双语讲解，起到了较好的教学效果。
3 结语
通过材料成形技术基础这门专业课的双语教学改革实践，对双语教学手段在这门专业基础课中的运用所遵循的规律形成了一定的认识，对有志于开展专业课双语教学活动的教师而言具有一定的参考价值。但是，材料成形技术基础的双语教学目前仍处于一个探索阶段，其教学规律有待进一步的探讨和研究。
参考文献
[1]陈卓，陈红荣，欧少端.高校专业双语教学思考与实践[J].长沙铁道学院学报：社会科学版，2009，10（1）：130-131.
材料成形技术 篇4
金属材料具较好的耐腐蚀性能和力学性能,是最早应用于临床的生物医用材料。但是由于金属的弹性模量过高,使载荷不能很好地由植入体传递到相邻的骨组织,植入物与人体骨骼之间出现“应力屏蔽”,造成植入体周围骨应力吸收,致使植入体松动脱落[1]。多孔合金的弹性模量和强度比致密体材料低,可以达到与骨组织相匹配的力学性能。同时,相互连通及适当大小的孔结构有利于周围细胞的长入和新骨的生长,从而增强金属植入体与人体组织的结合,又可为体液的传输提供通道,是非常理想的植入体材料[2,3]。
目前,制备金属多孔材料的方法主要包括粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法和等离子喷涂法等[4,5,6,7,8,9,10,11],但这些方法均存在不能灵活控制孔结构、无法保证孔隙间的导通性以及无法较好地模拟与人体骨组织结构相似的孔隙结构特征等问题。快速成形技术是基于离散-堆积成形原理,由零件数字模型(CAD模型)直接驱动,可完成仼意复杂形状三维实体零件的形成的技术总称,其具有快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性,且可以对孔结构进行设计,是较为理想的多孔材料制备方法[12,13,14]。其中基于选择性熔化的激光或电子束快速成形技术采用金属粉末直接成形,与激光快速成形相比,电子束快速成形(EBM)具有功率大、能量利用率高、对焦方便、可加工材料广泛和加工效率高等优势,同时电子束快速成形过程中有真空保护,可以防止合金氧化,样品中内应力小,更适合于制备金属多孔材料。
1 电子束快速成形技术发展现状
EBM技术是类似于激光成形的一种快速制造技术,其工艺过程是先确定零件的三维CAD 模型,然后按照一定的厚度进行分层切片处理而将零件的三维形状数据离散成一系列二维数据,再将所得模型导入成形设备中,利用电子束在程序控制下根据模型提供的信息进行有选择的熔化烧结,通过逐层堆积,直至整个零件完成。该技术具有以下优点: 可通过建模灵活设计所需产品形状,而且不需要制作昂贵的模具,生产周期短,效率高;材料的利用率高,多余的粉末可以重复使用;熔化过程中熔池细小,冷却速度较快,可以有效避免传统铸造过程中晶粒的过分长大和成分的偏析;所采用的高真空环境正好可以避免合金的氧化,特别适合于制备活性金属(如钛合金)。生物多孔材料的设计与制备是EBM技术应用的一个主要方面,因为该技术可以自由设计多孔结构,可以进行个性化生物植入体的柔性化设计制造。目前EBM技术制备生物多孔植入体的研究主要集中在纯Ti、Ti-6Al-4V、Ni基、Co基等生物合金,瑞典Arcam公司、哥德堡大学,美国北卡罗来纳州大学、德克萨斯州大学、南加州大学等均开展了相关的研究工作[12,15,16],在生物医用金属多孔材料孔结构力学相容性设计方面做了系统的探索。Medical Modeling公司等利用EBM技术结合CT医疗影像,在个体化金属植入体的设计与制备等方面都取得了较大进展。另外,意大利的Lima公司、法国的Addbio公司等生物材料公司都进行了电子束成形医用材料的生产研究工作,制备出了颅骨、颚骨和股骨等典型植入体,并成功投入市场。同时,德国厄兰格-纽纶堡大学[17]、意大利的Eurocoating公司针对电子束成形多孔样品的孔表面进行改性处理,在植入体表面制备出了羟基磷灰石和磷酸钙等生物活性涂层。下面从电子束成形中孔结构设计、个体化植入体的设计与制备、植入体表面改性与临床性能评估几方面介绍电子束快速成形法制备生物多孔材料的进展情况。
2 电子束成形样品孔结构设计
2.1 生物材料多孔结构的力学相容性设计
孔结构决定着植入体最终的力学性能,为了避免“应力屏蔽”现象,要保证植入体与真实骨结构力学性能(表1)相匹配。所以需要针对所需力学性能对孔的类型、孔径尺寸、孔壁厚度及孔隙率等进行设计。
Murr等[19]系统研究了孔结构类型对多孔材料性能的影响,利用EBM技术制备了4种不同孔结构单元的样品,如图1所示,4种结构单元复杂性依次增强,1号、2号单元为直角对称型孔结构,3号对称性有所降低,4号由二重对称变为三重对称。力学性能测试结果表明:以4种结构为孔单元的样品的模量和强度等力学性能依次降低,这主要是由于力学性能对孔隙形状敏感,不规则孔隙的尖锐部分往往是应力集中区,会降低材料的强度和塑性。除图1所示的点阵型孔结构外。Yoo[20]还利用类似骨结构的单元制备出了如图2所示的生物多孔结构。
除孔单元结构类型外,孔隙率及孔壁厚度也是影响力学性能的主要因素。孔隙率的增大可使多孔材料模量下降,Gibson等[21]利用式(1)描述了多孔材料模量与密度的关系:
E=E0(ρ/ρ0)n (1)
式中:E和E0为多孔结构和致密结构的模量,ρ和ρ0分别为二者的密度,n值在1.8～2.2之间变化。
一些研究者[22,23,24]利用电子束制备了Cu基、Co基、Ni基以及Ti-6Al-4V合金的多孔结构,得出几种合金的相对密度与相对模量的关系,如图3所示,并得到Gibson-Ashby公式(式(1))中n值的范围在2.2～2.4之间,比经典方程中的n值略高。
Parthasarathy等[25]综合研究了Ti-6Al-4V合金孔隙率和壁厚对性能的影响,其研究结果列于表2中。1号到3号样品随着孔隙率的升高,压缩模量和抗压强度均降低,但是具有相同孔隙率的1号和4号样品的模量却相差较大,两者差别主要在于1号和4号样品的孔壁厚度分别为800 μm和400 μm,其压缩模量便由2.92 GPa下降到了0.57 GPa,抗压强度也由163.02 MPa降至7.28 MPa。由此可见,对于EBM制备的多孔结构,其压缩性能的主要影响因素是孔壁厚度,而非整体的孔隙度。Murr等[26]也曾得出类似的结论,认为壁厚的影响也可能体现在壁厚不同,成形过程冷却速度不同,进而改变了合金的相组成,影响了多孔结构的力学性能。同时,对多孔结构的剪切性能的研究表明,电子束成形样品层与层之间结合良好,并未发生沿层的剪切断裂,由几个样品的剪切强度可看出,多孔结构的剪切强度与孔结构之间并没有稳定的对应关系。
2.2 生物材料多孔结构的生物相容性设计
多孔结构的孔径、孔隙率及孔内部的贯通性是骨材料植入体内后骨长入方式和数量的决定性因素。研究表明:材料内部贯通气孔的孔径为5～40 μm 时,允许纤维组织长入;孔径为40～100 μm 时,允许非矿化的骨样组织长入;孔径达到150 μm 以上时,能为骨组织的长入提供理想场所;孔径为200～400 μm时最有利于新骨生长。李国臣等[27]采用EBM技术成功制备了具有相互连通的蜂巢状孔结构的钛合金支架,其孔隙率为65%,孔径为1.05 mm。考虑到支架的收缩和在其表面涂层,所设计的支架孔径比骨组织向支架内长入的理想孔径大。生物实验表明:细胞在支架表面、内部孔壁甚至孔隙内部均有生长, 说明此类多孔结构为细胞生长提供了一个良好的载体。Arcam公司也利用45～100 μm的Ti-6Al-4V合金粉制备出孔径为500～700 μm植入体,并进行了为期6个月的生物体实验,结果显示植入体有较好的生物相容性,孔结构内有大量骨组织长入[28]。
2.3 梯度型孔结构设计
人体骨要求具有非均质多孔连通细胞载体框架结构, 而困扰学术界和工程界的瓶颈问题是如何设计、制备人体骨的这种具有功能梯度的微观结构。EBM技术可以通过建模在同一植入体内进行梯度孔结构的设计,进一步完善植入体设计技术。Harryson等[29]成功设计制备了具有梯度孔结构的大腿骨植入体,同时Murr等[19]也制备了内层孔结构密度0.58 g/cm3、外层孔结构密度1.06 g/cm3的内外两种孔结构的Ti-6Al-4V合金植入体,其结构如图4所示。
3 个体化金属植入体的设计与制备
从生物医学工程的角度看,植入体在满足力学相容性和生物相容性的同时,还应具有个体匹配性。由于人骨骼的不规则性,常常遇到植入物与患区骨骼不匹配的问题,而采用EBM技术则可以使之得到解决。个体化植入体设计流程为:首先用CT薄层扫描患处,获得骨骼的多层断面轮廓图像数据,再采用合理的图像处理手段提取骨骼轮廓,结合CAD设计最终确定模型,然后进行电子束快速成形制造。该技术改进了个体匹配植入物设计与制造的速度和精度,直接将所需植入物的断层图像数据转化为快速成形分层制造的轮廓数据格式并快速制造植入物的实体原型。Arcam公司利用电子束快速成形成功制备出多孔钛合金颅骨植入体,如图5(a)所示[30];Parthasarathy等[31]也根据CT所得数据,利用MIMICS软件重建下颚骨三维模型,如图5(b)所示,制备出下颚骨的植入体,并利用有限元分析法模拟了其在咀嚼状态下的应力分布情况,评估了其临床性能;Murr等[32]也利用此法制得Co基股骨植入体,如图5(c)所示。在成形结构的控制方面,Bael等[33]通过调整成两次循环实验,先进行一次实验成形,得出模型与样品尺寸的偏差,再用正式成形时输入补偿值的方法有效控制了快速成形多孔材料的成形精度,最终将模型与所得样品之间孔结构的偏差降低至5%以下。
4 植入体的表面改性与临床性能评估
电子束法制备的生物植入体可以较容易地通过结构设计满足力学性能和外形上的要求,但是从更适合于医学应用的要求角度,还需要对多孔结构的表面进行化学处理或镀膜处理,以保证植入体表面具有较好的生物相容性、耐磨性以及对组织生长的诱导性。常用的耐磨表面涂层有TiN涂层、TiO2涂层,生物活性涂层主要包括羟基磷灰石、磷酸钙等。因为植入体复杂的连通孔结构具有较多的内部表面,因此对表面处理方法要求较高。目前在医用多孔结构的表面制备涂层的方法主要有热喷涂、电镀与化学镀、气相沉积、离子注入、微弧氧化以及复合型表面处理等。Zhao等[34]利用热碱溶液对多孔钛表面进行活化,然后利用磷酸钙溶液处理的方法在多孔钛表面制备了磷酸钙涂层;Lee等[35]在羟基磷灰石溶液中采用微氧化法制备出羟基磷灰石/二氧化钛复合涂层;Chen等[36]利用过饱合的Ca(OH)2溶液在加热状态下使Ca2+在多孔钛表面沉积,最终形成CaTiO3/CaO复合涂层;Heinl等[37]利用HCl 和 NaOH化学活化法在电子束法制备的多孔Ti-6Al-4V上制备出结合强度高、稳定性好的羟基磷灰石层。同时,意大利的Eurocoating公司等[38]也对电子束成形多孔Ti-6Al-4V植入体的孔表面进行了改性处理,利用热喷涂的方法在植入体表面制备出纯钛多孔层,同时还利用电化学沉积的方法在植入体表面制备出羟基磷灰石、磷酸钙等生物活性涂层,此种方法制备的涂层较为均匀,且有益于在内部通孔的隐蔽的位置镀层。图6为采用电化学沉积法在孔结构表面制备的磷酸钙涂层。
另外,还应结合生物实验对植入体进行性能评估,对组织结构进行进一步的优化,最终实现临床应用。Petrovic等[39]针对电子束成形Ti-6Al-4V合金进行了为期8周的生物实验(图7,(a)为电子束成形植入样品,(b)为兔子大腿骨,(c)为骨组织长入情况)。结果显示,电子束快速成形多孔结构中骨组织长入达到86%,且并无排异或组织发炎现象。
5 结语
材料成型论文-塑性成形新技术概况 篇5
摘要：文章介绍了当前塑性成形加工中的微成形、超塑成型、柔性加工、半固态加工等各种新技术，并分别阐述了各新技术的相关概念、特点、发展趋势等。这些相关介绍及发展概况对理解塑性成形技术及推广和运用高新技术，推动塑性成形的进一步发展具有一定参考意义。
关键词：塑性成形；新技术；发展概况
The Overview About Plastic forming technology Abstract：The paper introduces all kinds of new technology such as Micro Molding ,Sup-erplastic Forming Technology ,Flexible Machining, Semi-Solid Processing in the plastic for-ming process nowadays and expounds the new technology’s related concepts ,characteristics , development tendency and so on.The related introduction and development situation has certain reference significance for understanding the plastic forming technology and promo-ting and using the advanced technology, promoting the further development of Plastic For-ming.Keywords: Plastic forming;The new technology;Development situation引言
塑性成形就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。塑性成形技术可分为板材成形和体积成形两大类。板材成形是使用成型设备通过模具对金属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸零件的成形方法，习惯上也称为冲压或冷冲压。板料成形可分为分离工序和成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料、冲孔、修边等。成形工序包括弯曲、拉伸、胀形、翻边等。体积成形是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要包括锻造、轧制、挤压或拉拔等。
塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测，到21世纪，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性成形新技术的发展提供了原动力
[1]和空前的机遇。塑性成形新技术
随着科学技术的迅速发展，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的，塑性成形新工艺和新设备不断地涌现，出现了高速高能成形、少无切削、超塑成型、柔性加工、半固态加工等多种塑性加工新技术。掌握塑性成形技术的现状和发展趋势，有助于及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性成形技术的持续发展。
2.1 高速高能成形
高速高能成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。
高速高能成形的历史可追溯到一百多年前。但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺并未得到应用。随着航空及导弹技术的发展，高速高能成形方法才进入到实际应用。与常规成形方法相比，高速高能成形具有以下特点：
1)模具简单：仅需要凹模即可成形。可节省模具材料，缩短模具制造周期，降低模具成本。
2)零件精度高：成形时，零件以很高的速度贴模，在零件与模具之间发生很大的冲击力，这不但有利于提高零件的贴模性。而且可以有效地减少零件弹复现象。
3)表面质量好： 毛坯变形是在液体、气体等传力介质作用下实现(电磁成形则无需传力介质)。因此，毛坯表面不受损伤，而且可提高变形的均匀性。
4)可提高材料的塑性变形能力：与常规成形方法相比，高速高能成形可提高材料的塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，高速高能成形是一种较理想的工艺方法。
5)利于采用复合工艺：用常规成形方法需多道工序才能成形的零件，采用高速高能成形方法可在一道工序中完成。因此，可以有效地缩短生产周期，降低成本。
2.2少无切削成形
机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺，也称少无切屑加工。少无切削加工工艺包括精密锻造、冲压、精密铸造、粉末冶金、工程塑料的压塑和注塑等。
传统的生产工艺最终多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中坯料质量的30％以上变成切屑。这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床和人力。采用精确成形工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可成为机械零件，可大大节约材料、设备和人力。
锻压少无切削的发展，使锻压加工突破了毛坯生产的范畴，能生产某些成品零件。锻压少无切削件除具有一般锻件的特点外，还具有材料消耗低，加工工序简化，节约加工工时，成本低等优点。近几年来出现的各种新型、专用的少无切削锻压设备，如多工位冷挤压机、嫩锻机、精冲压力机、特种轧机、精密锻轴机等，都具有生产率高、机械化自功化程度高等
[2]特点。
与传统工艺相比，少无切削加工具有显著的技术经济效益，能实现多种冷、热工艺综合交叉、多种材料复合选用，把材料与工艺有机地结合起来，是机械制造技术的一项突破。
2.3 超塑性成形
-2-4-1超塑性成形指金属或合金在特定条件下，即低的变形速(=10～10s)一定的变形温度
(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(平均直径为0.2～5μm)，其相对伸长率δ超过100％以上的特性。例如钢可超过500％、纯钛超过300％、锌铝合金超过1000％。
超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，也不会断裂，金属的变形应力可比常态下降低几倍至几十倍。因此，超塑性金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。
目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计
[3]自由度大、成形精度高、没有回弹、无残应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。
2.4 微成形
微成形指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术。
随着科技的提高，微型机电系统有了飞速的发展，而微成形技术是微型机电系统的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械家加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等
[4]一些方兴未艾的微成形技术。
微成形技术主要源于电子工业的兴起，随着大规模集成电路制造技术和以计算机为代表的微电子工艺的发展，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展。
越来越多的电子元件、电器组件及计算机配件等相关零件开始采用这一工艺方法进行生产。随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，特别是在微型机械和微型机电系统中。
微成形具有极高的生产效率、最小或零材料损失、最终产品优秀的力学性能和紧公差等特点，所以适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。
2.5 内高压成形
内高压成形是近10 多年来迅速发展起来的一种成形方法，它是结构轻量化的一种成形方法。是以管材为毛坯在内压和轴向补料联合作用下将管材成形为所需形状的先进制造技术。内高压成形件实现以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面，比冲焊件的质量减少 15%~30%，且可大幅提高零件的刚度和疲劳强度。20 世纪 80 年代初，德国和美国的研究机构系统地开展了内高压成形基础理论、工艺及应用研究，并从 20 世纪
[5]90 年代中期开始在汽车工业领域大批量应用。
与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形具有以下优点：
(1)减轻质量，节约材料 对于空心轴类零件可以减轻40%～50%，有些件可达75%。
(2)减少零件和模具数量，降低模具费用 内高压件通常仅需要一套模具，而冲压件多需要多套模具
(3)可减少后续机械加工和组装焊接量 以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，工序由13道减少到6道，生产率提高66%。
(4)提高强度与刚度，尤其疲劳强度 仍以散热器支架为例，垂直方向提高39%，水平方向提高50%。
(5)降低生产成本 根据统计，内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%，模具费用降低20%～30%。
2.6 可变轮廓模具成形（柔性加工）
柔性制造技术也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制造加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。
采用柔性制造技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战时能迅速扩大生产能力，而且产品质优价廉。柔性制造设备可在无需大量追加投资的条件下提供连续采
[6]用新技术、新工艺的能力，也不需要专门的设施，就可生产出特殊的军用产品。
对于小批量多品种板料件成形，例如舰艇侧面的弧形板、航空风洞收缩体板、飞机的蒙皮都是三维曲面，但批量很小甚至是单件生产，由于工件尺寸大，这样模具成本很高，何况即使模具加工完成，也有一个需要修模与调节的过程，因此用可变轮廓模具成形一直是塑性加工界及模具界的研究方向之一。
2.7 半固态成形
半固态成形是20世纪70年代发展起来的金属成形新技术，指对经过特殊处理的固体坯料加热，或在液态金属凝固过程中加以搅拌等处理而得到的具有非枝晶结构的固相、液相组织共存的半固态坯料进行成形加工，得到所需形状和性能的制品的加工方法。它主要包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等工艺类型，在汽车、通讯、航空、航天、国防等领域得到了越来越广泛的应用，被称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。
从半固态自身发展看，研究不同制浆方法下的形核和长大机理、制浆过程的精确控制以及发展适合半固态成形的新型合金是该技术的主要发展方向； 从拓展半固态研究领域看，在近液相附近实现成分场和温度场的精确控制，将推动该项技术向高合金化金属的近终成形
[7]以及纯金属的晶粒细化的研究与应用方向发展。结束语
随着现代先进制造技术的发展，塑性成形将逐渐发展为高性能材料新材料与复杂结构特殊性的有机结合。21世纪最缺什么？——技术创新。由于新技术的应用和引导,塑性成形技术在国民经济中的作用愈来愈大，在一定程度上决定了我国机械制造业在21世纪的市场竞争能力，为此我们要有足够的认识并采取得力的措施。抓住机遇和挑战，推进新新技术的发展。
参考文献：
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[3]邵杰，超塑成形/扩散连接：一种先进钣金轻量化制造技术[J]，中国航空报，2013，（9）
[4]潘豪，微成形技术的研究概述[J]，苏州高等职业技术学校，2013，（9）
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垂柳快速成形栽培技术 篇6
关键词：垂柳；栽培种植
中图分类号： S763.7 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-10-81-1
随着我国社会主义市场经济的不断发展，人们生活水平不断提高，人们对生活环境的要求也越来越高，这在一定程度上给城市绿化带来了新的挑战。垂柳作为杨柳科柳属落叶乔木，在城市的绿化园林工程中被得到广泛地应用。因此，在了解垂柳的基本生活习性之后，探索垂柳快速成形栽培技术，对进一步加快城市园林绿化脚步有着极其重要的意义。
1 垂柳的形态特征和主要用途
1.1 垂柳的形态特征
垂柳属于杨柳科柳属落叶乔木，具有抗病虫、喜水、萌芽率较高、喜温、环境适应性较强、喜肥、成枝率较高以及耐涝的特点，树冠一般为广卵形，枝叶比较细长，容易下垂，树叶呈淡黄褐色，从当前我国垂柳的种植现状来看，主要分布于华北、长江流域、东北以及南方各省的平原地区。一般在种植垂柳时，会选择潮湿深厚的酸性或者中性土壤，pH值应该保持在6～8，在这样的环境中，垂柳的生长速度较快。
1.2 垂柳的主要用途
垂柳具有姿态优美、柔软下垂以及枝条细长的特点，自古以来就作为重要的庭院观赏树，垂柳的应用主要有以下方面：城市行道树。在城市的绿化中，垂柳由于环境适应性较强、姿态优美，可以用作固岸护堤树、行道树、平原造林树种以及庭阴树等；垂柳具有较强的抗毒气体能力，还可以吸收二氧化硫，工厂进行绿化建设时，通常会将垂柳作为首选树种，种植垂柳，不仅可以美化环境，在一定程度上还能净化空气；在人们的日常生活中，会经常接触到柳树，柳树不仅可以作为城市行道树，工厂绿化树，还具有各种各样的用途。比如，柳树可以作为接骨的夹板材料；可以编制柳箱、柳篮等生活必需品。总的来说，柳树具有广泛地用途，在一定程度上与人们的日常生活有着密不可分的联系。
2 垂柳快速成形栽培技术
从当前我国垂柳的种植现状来看，虽然垂柳比较容易种植，存活率较高，但是，传统的垂柳种植技术，柳树的生长周期较长，无法满足城市绿化建设的要求，所以，在江苏盐城地区进行垂柳种植时，运用垂柳快速成形栽培种植技术，可以在2～3年的时间内让垂柳的小冠和中冠成形，4年时间大冠成形，在一定程度上大大缩短了垂柳的成形周期，一般来说，可以从以下几个方面入手：
2.1 培土
在完成垂柳种植以后，一定要做好后期的培土工作，通常在苗木期间时，培土的次数可以定在2～3次，当苗木长到15厘米时，可以第一次进行培土，并且覆盖插条的顶部，在进行第二次培土时，一定要在苗木生长高度达到30厘米之后，而苗木在生长到50厘米之后，就可以进行第三次培土，这样一来，就可以为苗木创造良好的生长环境。
2.2 追肥
所谓追肥，主要指的是在完成垂柳苗木的种植之后，一定要将所施底肥作为基本前提，再次对苗木进行施肥，这在一定程度上可以培育出茁壮的苗木。一般来说，在垂柳的生长期间，应该适当施一些硫酸铵、尿素等氮肥，在树苗的生长后期，应该适当追施一些过磷酸钙、草木灰等钾肥。通常在对垂柳进行施肥时，会采用集中施肥的方法，即穴施或者条施，在苗木的根部施适当的肥料，一般来说，在施肥的过程中，一定要牢牢控制肥料的数量，并且尽量避免与垂柳的叶子接触，只有这样，才能既达到施肥的目的，又为苗木的茁壮成长提供了有效地保障。
2.3 摘芽
在培植垂柳的过程中，为了垂柳生长茂盛，一定要进行摘芽，在幼苗长到一定阶段之后，就需要让每一株苗木只保留一个比较健壮的幼芽，并且对多余的枝条进行清除，将一条比较健壮的枝条培育成主干，这样一来，柳树苗就不会因为多余的枝条分散养分而生长缓慢，在一定程度上有助于缩短柳树的生长周期。
2.4 灌水
一般来说，适时灌水在一定程度上可以为柳树的快速生长提供有效地保障。通常在进行灌水时，主要分为两次，第一次是在完成垂柳的种植工作之后，要立即进行灌水，确保土壤与垂柳苗木紧密结合在一起，在进行第二次灌水时，一定要根据苗木的实际需求，只有这样，才能收获较好的灌溉效果。
2.5 松土除草
杂草的存在在一定程度上也会影响垂柳的生长周期。所以，在完成垂柳的栽培工作之后，一定要做好后期处理工作，定期进行除草，确保垂柳生长养分的充足。
2.6 病虫害防治
柳树苗在生长的过程中，比较容易受到金花虫、象鼻虫以及蚜虫的侵害，所以一定要定期开展病虫防治工作，一方面可以确保垂柳的茁壮成长，另一方面还能缩短垂柳的生长周期，使垂柳快速长成。
3 结语
总而言之，垂柳作为一种乔木风景树，在一定程度上与我国城市绿化建设有着密不可分的联系。因此，在进行垂柳种植时，一定要在了解垂柳生长习性的基础上，对栽培技术进行不断地改进和创新，只有这样，才能有效缩短垂柳的生长周期，为人们营造良好的生活环境。
参考文献
[1] 张芝秀.垂柳快速成形栽培技术[J].科学种养,2013(7):15.
材料成形稳健设计方法分析 篇7
上个世纪90年代, 世界各工业发达的国家指出优化设计是提升产品质量的根本手段, 进而转变了产品制造理念, 将产品制造的重点由产品的检验与生产过程中控制转移到了产品的质量设计。其中稳健设计作为一种具有较高性价比的设计方法, 其对产品生产过程中存在的各种误差与干扰因素进行了充分的考虑, 对于提高产品性能、质量以及成本控制有着十分重要的意义。
稳健设计又称为鲁棒设计, 其目的是为了保证产品在生产制造时出现参数变差或是在规定寿命内发生结构老化和变质的情况下仍能够保证其性能的稳定性。关于稳健设计的另一种表述为:产品的设计在受到不同干扰因素的影响下仍能够保证稳定的产品质量, 或是高质量、高性能的产品的制造能够通过廉价的零部件的组装来实现, 就可以表明该产品的设计是稳健的。
稳健设计具有针对性与复杂性, 其通过寻找不同不确定因素波动变化敏感度较低的特性来实现设计, 在设计中对不同的波动变化进行了细致的分析与考虑, 根据设计的参数, 来保证产品结构性能指标接近目标值并保持稳定, 进而为设计方案的可靠性与稳定性提供强有力的保障。与普通优化设计相比, 稳健设计的不同之处在于其并非寻求设计对象性能指标的最优值, 而是以接近目标值但具有较小的波动的设计值为设计目标。此外, 稳健设计注重对目标与约束的稳健性的控制。其不仅对设计目标的各种变量波动变化的敏感度提出了更高的要求, 就算各种变量存在一定的波动, 但也在实现规定的设计目标波动变化的允许范围之内, 即设计目标具有的稳健性;同时稳健设计要求设计及其变量处于波动变化的情况下仍能保证设计点位于可行域内, 即指约束的稳健性。
现阶段稳健设计方法主要分为两种, 即基于经验或部分经验的设计方法与基于工程模型并结合了优化技术的稳健设计法。前者属于传统的稳健设计方法, 其主要包括3次设计方法、响应面法、双响应面法以及广义模型法。而后者成为工程稳健优化设计方法, 其主要有容差模型法、随机模型法、容差多面体法、灵敏度法、基于成本-质量模型的稳健设计法等。从本质意义上来讲, 该方法通过数学方式诠释了三次设计方法, 并借助优化计算提前控制了产品的质量性能。
目前, 许多工业国家各个领域在产品质量的提升与改进方面广泛采用稳健设计方法, 包括电子、机械、农业、化工等, 并取得了卓越的成绩。其中美国和日本是针对稳健设计展开研究与应用最早的两个国家, 并且以此使社会经济效益得到大幅度增加。而我国稳健设计研究的起步较晚, 上世纪80年代, 国内针对3次设计法展开了研究, 并取得了有关部门的高度重视。到了1985年, 有关稳健设计的系统性研究才正式开始并出现在相关资料上。
2 材料成形稳健设计方法的应用
2.1 板料成形中稳健设计方法的应用
板料成形具有相对成熟的理论与简单的工艺, 并且仿真技术的起步较早, 现阶段板料成形中稳健设计的应用相对广泛。
板料成形稳健设计研究最早于1996年提出, 研究人员将压边力、摩擦系数以及压边圈面积作为可控因素, 将材料拉伸强度、屈服强度、各向异性指数作为噪音因素, 并在汽车冲压件的稳健设计中引用田口与响应面法, 对显著因素进行分析, 使稳健设计解得以优化。
而我国在板料成形稳健设计方法的应用方面有复合设计的方法, 通过冲压仿真技术, 获取冲压件质量评价指标与影响因素的回归公式, 并通过实验对公式的准确性与设计方法的可行性进行证明, 然后以此实现冲压成形过程的稳健设计, 进而使冲压成形过程的稳健设计解得以确定。又或者在V形件的稳健设计中, 将有限元分析法与田口法相结合, 找到影响其冲压加工稳健性的工艺参数, 并确定能够保证稳定性的建模参数组合, 通过相应软件使冲压件的有限元仿真模型得以建立, 然后借助田口法分析V形件加工建模参数的稳健设计, 进而使其冲压加工稳健设计结果得以确定, 最后借助实例进行该方法的可行性。这些有关板料成形中稳健设计方法的应用使板料成形制品的质量稳定性得以提高, 并且有效控制了成本与产品废品率, 对于产品质量的提高有着重要的意义。
2.2 金属热成形中稳健设计方法的应用
与板料成形相比, 金属热成形更具复杂性与系统性, 在产品设计中存在较多影响因素, 同时板料成形的产品质量评价也比其简单, 因此, 在铸造与锻造方面的稳健设计方法应用相对较少。以仿真技术与响应面法的结合为例, Repalle等对锻造过程中产品、材料、工艺条件等因素的波动进行了考察, 并结合该技术实现了锻造工艺参数的稳健设计。目前, 计算机仿真技术得到了巨大的发展, 为铸造与锻造等金属热成形中稳健设计方法的应用提供了更有利的技术手段, 稳健设计方法必然得到更加广泛的应用。
2.3 塑料注射成形中稳健设计方法的应用
注塑成形具有一定的复杂性, 涉及到的学科较多, 例如流变学、高分子化学、传热学等, 塑件质量受到多且复杂的因素的影响, 并且在产品设计中波动因素的定义、分析与测量来源存在较大的难度, 产品质量与不同影响因素的关系的数学模型的建立也比较困难, 同时稳健设计方法对实验提出的要求也不好满足, 可见注塑成形中稳健设计方法的应用存在一定的难度。我国研究人员在注塑成形设计中提出了稳健设计模型, 采用稳健设计降低塑件质量受注塑成形工艺条件、操作条件的变化波动的影响, 然而目前这一研究并不成熟。随着注塑成形仿真技术的不断发展, 仿真技术具有明确各种参数的功能, 能够对受到不同水平的可控因素与波动因素影响的注塑制品质量进行模拟, 进而可以为注塑成形稳健设计方法应用的可行性提供依据。
3 结束语
在材料成形的过程中, 制品质量会受到不同误差的波动而受到影响, 而稳健设计能够使产品的稳定性得以提升, 同时具有控制产品成本的作用, 因此对于现代产品设计制造有着十分重要的意义。我们应针对此进行深入研究与细致的分析, 提出更加科学合理的方法, 以保证设计方案的稳健性与可行性, 进而为产品设计质量提供充分的保障。
参考文献
[1]李吉泉, 杨丁, 黄志高等.材料成形稳健设计方法研究概况[J].电加工与模具, 2008 (01) :50-53.
[2]谢建新, 刘雪峰, 周成等.材料制备与成形加工技术的智能化[J].机械工程学报, 2005, 41 (11) :8-14.
铜系材料注射成形研究进展 篇8
长期以来, 铜系材料 (铜、铜合金及铜基复合材料) 是工业上常用的导电金属材料, 75%以上的铜系材料均用于电器、电子工业。近年来, 随着电子行业的快速发展, 尤其是微电子行业的兴起, 对小型复杂形状的铜系材料导电导热元件的需求与日俱增[1]。传统的加工工艺如铸造、常规粉末冶金法及机加工法等存在加工周期长、成形复杂形状零件困难、样品的尺寸精度难以保证、原料利用率低、加工成本高等缺点[2,3], 因此引入可以大批量生产复杂形状的小型零件并且提高原料利用率的金属粉末注射成形工艺势在必行。
1 注射成形工艺制备铜系材料的研究进展
目前, 注射成形工艺主要应用于不锈钢、低合金钢、工具钢、硬质合金、陶瓷及重合金等材料[4,5,6,7]。对于铜系材料而言, 只有注射成形Cu-W和Cu-Mo等铜复合材料在国外得到初步应用, 而纯铜及铜合金材料的注射成形工艺尚停留在实验阶段。
1.1 纯铜粉末注射成形
铜粉末注射成形制品通常用在形状复杂的铜材电子散热组件上。对纯铜粉末注射成形工艺的研究主要集中在提高制品的致密度及导电性能。合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制是关键因素。
詹添印等[8]使用平均粒度约10μm的微细还原铜粉进行注射成形工艺的研究。还原铜粉因不规则的粉末形态及残留较高的氧含量, 而不易通过注射成形工艺来制备高性能产品。研究发现, 采用具有较多量的主干高分子为基础的多元粘结剂能克服不规则粉末形态所导致的严重粉末间磨擦, 从而可将这种微细还原铜粉顺利注射成形。在低于900℃的温度下烧结并给予适当保温, 能将粉末中的残留氧化物有效还原, 烧结密度可高达理论密度的95%。注射成形组件的导电率可达纯铜导电率的80%以上。研究还发现, 注射成形试片的烧结品质略逊于模压-烧结试片, 这可能是因铜粉与粘结剂混拌得不够均匀所导致。
卢仁伟等[9]研究了电解铜粉的注射成形工艺, 重点讨论注射参数对生坯的影响及脱脂烧结过程中变形的控制。此实验采用小于74μm电解铜粉注射成形的铜烧结体, 其密度、抗拉强度与粒度为10μm的还原铜粉注射成形烧结体接近, 说明本实验工艺较为成功。研究发现在脱脂烧结过程中, 实验所用的树枝状电解铜粉末各向收缩不一致, 树枝长度方向收缩最小, 利用填料的支撑作用, 能有效地控制产品在脱脂过程中的变形。
刘艳平等[10]以两种不同的纯铜粉末为研究对象, 系统研究了影响MIM注射成形纯铜的脱脂和烧结致密化因素, 并研究了铜粉末压制样品在微波烧结炉中烧结后样品的性能。电解铜粉注射成形样品在1050℃、氢气气氛下烧结90min后, 致密度达到93.3%, 抗拉强度达到208.7MPa, 电导率为43.3% IACS。雾化铜粉注射成形的样品的致密度达到91.7%, 抗拉强度为90MPa, 电导率为79.4%IACS。电解铜粉注射成形的样品的断口呈现明显的韧性断裂, 雾化铜粉注射成形的样品的断口呈现明显的脆性断裂。微波烧结的样品在850℃烧结时获得最大的致密度为88.9%, 显微硬度值为45.90HV。微波烧结铜的最佳烧结温度为800～850℃, 在此烧结温度样品组织均匀细小。微波烧结可以降低约200℃的烧结温度, 烧结周期为常规烧结的20%左右, 大大节约了能量。
韩波等[11]结合粉末注射成型工艺的特点, 通过预混粘结剂组分、分批次加入铜粉获得成分均匀的注射成型喂料, 利用正交试验方法分析了注射成型参数 (成型压力、保压时间) 对注射试样生坯密度的影响, 得到了纯铜粉末注射成型的最佳参数。
L. Moballegh等[12]设计了用于铜粉末注射成形的粘结剂, 提出了一种石蜡基的热塑性粘结剂配方, 配比为m (石蜡) ∶m (聚乙烯) ∶m (硬脂酸) =65∶30∶5, 讨论了3种不同粉末装载量对喂料粘度的影响, 研究表明, 在此粘结剂体系下, 最佳的粉末装载量为m (铜粉) ∶m (粘结剂) =95∶5, 这种喂料能够在较低的注射压力下成功注射成形。烧结在氩气气氛保护下完成, 从500℃以10℃/min升温至980℃, 并保温1h, 烧结后的试样没有如裂纹、鼓泡等缺陷, 三维收缩均匀。实验还发现试样的密度和拉伸强度均随烧结温度的升高而增加, 在1030℃烧结温度下, 试样的密度达到8.18g/cm3, 接近理论密度的92%, 但他们认为此项烧结工艺有潜力达到理论密度的97%, 因此为了使烧结件达到更高的密度和力学性能, 一些注射成形的工艺参数仍然需要优化。
1.2 铜合金粉末注射成形
铜合金是目前粉末注射成形技术尚未深入研究的新材料体系, 虽然目前铜基材料还未成为注射成形工艺研究的重点, 但相关技术的进步正逐步为MIM工艺在这一领域的发展提供条件。以下是几种铜合金注射成形工艺的探索研究。
唐安旭等[13]对铜合金注射成形工艺进行了探索性研究, 选用水雾化CuSn6Zn6Pb3合金和水雾化CuSn10合金作为研究对象, 平均粒径分别为51μm和32μm。粘结剂采用由石蜡、高密度聚乙烯和硬脂酸组成的热塑性体系。经过脱脂、烧结后获得内部组织均匀、致密度高的铜合金制品。
冯颖等[14]采用注射成形工艺制备了Cu-10Ni合金材料, 并与模压成形法制备的同等材料进行了对比, 发现注射成形工艺制备Cu-10Ni合金材料致密度提高更大, 但其烧结行为和致密化行为稍为滞后, 实现致密化的烧结温度也较模压成形法高出50℃, 达到1050℃。
Changkyu Kim等[15]采用平均粒度为20μm, 高强度、高硬度、优良抗腐蚀性的非晶态Cu47Ti33Zr11Ni6Sn2Si1 (%, 原子分数) 粉末注射成型, 最高烧结温度为820℃。实验发现, 在470℃长时间保温时, 非晶态消失, Cu3Ti、Cu10Zr7和CuTi等晶态物质开始出现;高温烧结时, 试样内部孔隙大量消失, 致密度显著提高, 但是烧结并未完成。
N Wada等[16]对水雾化Cu-30Ni合金粉末与电解Cu粉和水雾化Ni粉混合粉的注射成形工艺进行了对比研究, 采用乙烯-醋酸乙烯-石蜡作为粘结剂, 粉末装载量为56%, 注射成形制品在N2和真空环境中烧结, 发现真空环境更利于烧结密度的提高。
1.3 铜复合材料的注射成形
铜复合材料注射成形工艺主要包括铜-钼和铜-钨两个体系。
1.3.1 铜钼材料的注射成形
铜-钼材料是由高导电、高导热的铜和高熔点、低膨胀系数的钼采用粉末冶金技术制成的假合金。两组元之间互不相溶的特性使得它们在复合之后呈现出两元素本征物理特性的特定组合, 可以根据使用要求灵活、准确地设计成分, 因此铜-钼复合材料作为基片、连接件和散热元件在电子封装领域有着广泛的应用[17]。
南海等[18]利用粉末注射成形工艺成功制备了18%Cu (质量分数) 的铜-钼材料, 采用石蜡、高密度聚乙烯和硬脂酸组成的粘结剂;脱脂工艺为溶剂脱脂和热脱脂相结合的工艺, 脱脂溶剂为三氯乙烯, 热脱脂温度为950℃;烧结过程为H2气氛还原烧结, 温度为1450℃。采用该工艺制得的铜-钼制品相对密度达到98%, 硬度达到78HRB, 内部组织均匀致密, 热导率为158W/ (m·K) 。
亢占英[19]以硝酸铜和二钼酸铵作为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了纳米Mo-Cu复合粉末, 研究了热处理工艺、熔液pH值、添加剂等对纳米Mo-Cu复合粉末形貌和粒径的影响。结果表明, 钼铜氧化物在经600℃热处理后, 通过氢气还原可得到粒径小于60nm的Mo-Cu复合粉末。
Johnson等[20]利用实验与计算机模拟相结合, 研究了Mo-Cu液相烧结机理, 指出Mo-Cu的液相烧结致密化过程不同于传统的液相烧结, 而是与固相烧结Mo的致密化过程类似。固相扩散机制在Mo-Cu液相烧结致密化过程中起主导作用, 而液相铜不能提高致密度, 因为在1400℃时, Mo在液相Cu中的溶解度为1%, 远远高于W在同温度下液相Cu中的溶解度, 依据计算机模拟, 在此温度下, Mo-18Cu已经达到全致密所需的溶解度。因此得出, 在Mo-Cu液相烧结中, 固溶-析出机制对其致密化贡献较小。
1.3.2 铜钨复合材料的注射成形
铜钨复合材料自20世纪30年代问世以来, 作为高压电器开关及真空开关的电触头、电阻焊和电火花加工电极材料以及航天技术中的高温材料得到了广泛应用。20世纪90年代, 随着大规模集成电路和大功率电子器件的发展, 铜钨材料作为升级换代的产品开始大规模地用作电子封装和热沉材料。伴随着铜钨材料每一次新应用的开发, 对其质量和性能均提出了新的更高要求, 同时也促进了铜钨材料新的制取工艺的不断发展。但是, 铜钨材料是一种典型的假合金, 因铜与钨互不相溶, 烧结全致密化困难, 孔隙度较大, 故对材料的导热导电性能、气密性和力学性能等有很大的不利影响。采用传统粉末冶金工艺所制备的钨铜复合材料存在显微组织粗大、残余孔隙度大、材料微观组织的均匀化不完全、产品的形状和大小受到限制等问题[21]。
材料科学工作者对钨铜复合材料的制取工艺以及新应用等进行了大量的探索研究工作, 以使其适应各种新技术的要求, 其中注射成形铜钨复合粉末的技术是在注射钨坯的基础上形成的, 随着MIM技术的发展, 注射成形工艺由于其独特的优越性而受到材料工作者的广泛关注, 将逐渐成为解决传统粉末冶金方法制备钨铜复合材料存在问题的新工艺。注射成型铜钨材料广泛应用于电接触材料、电阻焊电极、电火花加工电极、热沉材料等。下面介绍几项钨铜复合材料注射成形工艺的研究成果。
Kim T.H.等[22]为了增强钨坯的强度采用浸渍0.3%的Ni盐以提高钨粉表面活性, Ni盐为 (NiCl2·6H2O) , 铜钨复合粉末中W粉的体积分数为44%～50%。该工艺使用的粘结剂配比为m (石蜡) ∶m (聚乙烯) ∶m (硬脂酸 (SA) ) =45∶45∶10, 铜钨复合粉末与粘结剂的混合是在Z-blade混料机中进行的, 注射料在空气中145℃混炼15min, 脱脂工艺是根据热重分析来制定的, 在N2气氛下100℃保温4h然后在H2气氛中450℃保温4h。经注射、脱脂、熔渗后可成功制取铜钨复合材料。但由于铜钨之间互不浸润, 在脱脂过程中有一些大的和不规则的裂纹和空洞出现, 导致最后成品的显微组织中出现铜的聚集或闭空隙。
Jin-Chun Kim等[23]使用高能球磨制备铜钨复合粉末, 球磨速度为400r/min, 球料比为60∶1, 加入1.5%的硬脂酸为工艺控制剂, 在氩气保护下球磨100h, 研究了球磨制备所得WCu30纳米复合粉末“T”型模的注射成型的参数及成型后脱粘结剂的过程, 得到表面质量良好、形状规整、粉末装填量为体积分数45%～50%的型坯, 粘结剂脱除率大于99%, 坯块经1100～1300℃液相烧结后可得到高于96%的铜钨复合材料部件。
Yoon Eui-Sik等[24]采用机械化学法制取铜钨复合粉末。首先依照铜钨成分比把钨盐[ (NH4) 6 (H2W12O4) ·4H2O]加入到硝酸铜溶液[Cu (NO3) 2·3H2O]中。然后采用喷射干燥法去除水分, 即在热空气中把液体以流速为20～42mL/min喷射在转速为11×103r/min的转盘上, 热空气的温度为250℃。为了进一步除掉混合粉末中的水分, 在空气中于750℃干燥2h, 除掉水分的铜钨氧化粉末在高能球磨机中球磨12h, 随后分两步在氢气中还原, 第一步在200℃还原1h, 第二步在600～800℃还原1h。还原后的粉末与粘结剂混合后进行注射成形。结果表明, 在氢气气氛中无法去除的残留碳有助于固相烧结过程的致密化, 但是材料的组织不均匀度增加。该试验最后确定, 在固相烧结致密化温度下, 通过调节烧结气氛, 得到最佳脱脂工艺并可以使材料达到最大致密度。
R.M.German等[25]研究和探讨了超细晶粒Cu-W复合材料的粉末注射成型和熔渗烧结问题。为了消除结块和改进工艺, 将粉末在庚烷中球磨16h, 然后混以2.5% (质量分数) 的铜粉, 从而获得注射成形用混合粉末。除了这2.5%的铜之外, 其余的铜是渗入试样中的在渗入烧结之前为了补充每一个试样所需要的铜, 切取高导无氧纯铜薄片而放在每个试样的顶部, 利用氢作为渗入烧结气氛。实验成功开发了在注射成形W-15% (质量分数) Cu情况下的渗入烧结技术, 即渗入烧结温度为1500℃, 时间为90～120min, 气氛为纯氢。此工艺制备出的试样拉伸断裂强度高达1492MPa, 相对密度达到98.8%, 比以前报道过的数据高出许多, 充分显示了用注射成形技术制备铜钨复合材料有很好的发展前景。
P.W. Ho等[26]采用容积率为46%、直径为10μm的Cu粉和容积率为44%、直径为1μm的钨粉为原料, 先通过注射成形技术制备钨坯与铜坯, 注射生坯经4h的溶剂脱脂, 然后在氢气环境中热脱脂2h, 脱脂温度是450℃。脱脂后在700℃、氢气环境中预烧结1h以提高生坯强度。熔渗烧结时将钨坯置于铜坯之上, 在1150～1250℃的烧结温度下烧结1h, 熔化的铜液基于毛细管作用与液相置换原理熔渗进入钨坯。烧结成形后的材料各向收缩均匀, 没有扭曲变形现象, 尖角处也没有出现铜富集。他们分析了材料实际性能参数与理论计算值之间的偏差, 并指出铜钨之间的膨胀系数差异是导致这些偏差的主要原因。此外, 他们还从理论上分析了毛细作用力、体积位移力和粘性阻力对材料熔渗烧结的作用, 提出了熔渗力的概念, 得出了熔渗力的计算公式:熔渗力=毛细作用力+体积位移力-粘性阻力。当熔渗力大于零时, 熔渗过程才能自发进行, 且熔渗力的值越大, 熔渗过程越容易进行。
Jeong-Keun Lee[27]用硝酸铜、甲基纤维素混合其他一些添加剂作为新型水溶性粘结剂。实验过程如下:先将平均粒径为3.89μm的W粉、平均粒径为5.03μm的铜粉及甲基纤维素粉末均匀混合, 然后加入蒸馏水, 硝酸铜熔液和其他添加剂混合成注射喂料;在110℃下用588.4N/cm2的压力注射成型;样品在200℃保温2h后在大气气氛中加热到700℃以消除粘结剂残留物, 在700～800℃通N2清洗之后通入氢气, 以10℃/min的速度加热至烧结温度保温1～2h。经该方式制备的W-Cu10材料比用常规粘结剂 (蒸馏水+甲基纤维素+其他添加剂) 有更好的烧结致密度和组织均匀性。他们认为在W粉、Cu粉和新型粘结剂组成的系统中, W粉与Cu粉发生接触时就会形成一个偶电路。W作为阴极容易吸引大量的铜离子, 铜离子将W粉包覆起来, 从而使W粉之间相互排斥产生间隙便于粘结剂填充进来。这个过程有利于烧结时W粉颗粒的重新排列, 进而有利于材料收缩, 增大了材料的烧结致密性。
Cheng Jigui等[28]采用石蜡、高密度聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯和硬脂酸作为粘结剂, 将铜钨材料注射成球型, 经两步脱脂工艺脱脂后, 生坯未见变形;在1050～1150℃、H2环境中烧结2h得到相对密度达95.58%的球状CuW20材料。他们还研究了注射压力、脱脂时间及烧结温度对材料致密度等性能的影响。
2 结语
材料成形实践教学改革的探索 篇9
材料成形实践教学是工程训练课程的重要组成部分, 课程内容主要包括“铸造、锻压、焊接”等方面的相关实习和实践, 主要让学生熟悉和掌握常见工程材料的性能及机械零件的毛坯成形方法和工艺, 在传统的金工实习及现代工程训练中都占有十分重要的地位。
但是材料成形实践教学基地在相当长的时间内没有得到相应的重视, 使得其在工程训练中处于相对尴尬的地位, 相对于机械加工 (冷加工) 的发展, 还处于一个相对落后的传统金工实习的阶段, 致使学生在实习中认为铸造实习就是玩玩砂子———主要进行手工砂型铸造, 锻压实习就是抡大锤———手工自由锻造, 而焊接就是手工焊条电弧焊。纵观目前的制造业, 特别是航天、航空、汽车、能源、化工等主要行业, 先进成形技术装备的使用越来越多、应用范围越来越广, 技术水平发展非常快。先进成形加工技术装备的普遍使用, 要求人才必须具备这方面的素质, 而学生在实习中不能获得关于材料成形现代先进制造技术的相关知识, 对于学生的培养十分不利, 使学生在铸造、锻压、焊接等工种实习时提不起兴趣, 看不上材料成形相关工种, 并产生消极怠工情绪。这对于我校“厚基础、宽口径、强能力、高素质”人才培养目标和“工程基础厚、工作作风实、创业能力强”的人才培养特色服务的教学宗旨的实施十分不利。而教育部“工程材料及机械基础”课程指导小组也要求, 工程训练教学实习内容中现代制造技术的实习时间内容应在20%-40%左右, 在冷加工方面, 现代制造技术的比例已经达到甚至超过这个比例, 但在热加工方面, 现代制造技术的实习远远达不到这个要求。综合各方面考虑, 在材料成形实践教学中务必要进行改革, 增加先进制造技术的设备, 进行课程体系和课程内容的改革和创新。
1 基础设施的建设
为了加强材料成形教学基础设施建设, 合肥工业大学工程训练中心根据人才培养的目标要求以及现代社会材料成形技术的发展现状, 近年先后添置了弧焊机器人、激光多功能焊机、等离子切割机、铝镁合金压铸机、粉末冶金烧结炉、熔融挤压快速成型系统、消失模铸造系统、中频快速节能熔炼炉、数控冲床及数控剪板机等, 大大提高了我校的先进材料成形装备的技术水平, 形成了准工业化的实践训练教学环境。
2 教学及教研队伍的建设
教师在现代先进材料成形训练中起主导作用, 教师水平的高低决定着工程训练水平的高低, 教师不仅要具备雄厚的理论基础, 而且要有分析和解决工程实际问题的能力。实践教学指导人员不仅要掌握现代工业制造的基本理论知识, 而且要具备一定的实际生产经验, 要能维护、检修设备, 同时要能解答学生在训练过程中提出的各种问题。建设一支知识结构合理、能熟练掌握现代先进材料成形训练的教学及科研实验的高水平师资队伍, 这对于材料成形实践教学体系的建设至关重要。学校工业培训中心通过招聘、选留、培训、在职攻读学位等多种方式, 不断改善材料成形教学人员的知识结构, 提高教学和实践人员的学历层次。形成由学术带头人、学术骨干或高水平教授主持和参与实训、实验指导和新训练项目开发的局面。重视青年教师的培养工作, 中心鼓励青年教师通过在职攻读硕士、博士学位来提高自身的知识层次。每年开展实践教学基本功竞赛活动, 促进教师教学水平的提高。同时通过加强实践实验教学人员的政治思想教育, 树立良好的职业道德, 培养一批具有为人师表、勤奋敬业、责任心强、工作有创新精神、热心实践教学和基地建设的师资力量。实施业绩考核、在职培训等方式, 提高实践教学技术人员的业务素质, 逐步建设一支适应我校实践教学和科研发展需要的教学人员队伍。目前, 中心先后引进材料成形专业博士2名、硕士2名, 组建了一支包括教授1名、副教授1名、副研究员1名、讲师1名、工程师2名的专业知识过硬的师资队伍。实习指导老师14名, 其中具有技师资格的1名, 高级技工2名, 中级技工1名。
3 教学内容和教学体系的建设
3.1 面向低年级学生的工程训练课程
针对大一、大二年级本科生的工程训练A、工程训练B、工程训练C和工程训练D实习, 结合现有的硬件设备, 重点突出先进制造技术, 同时兼顾传统的材料成形方法, 突出新技术、新材料和新工艺的原理和应用, 扩展学生的视野。根据学生的专业要求在工程训练中加入相应的内容, 包括铸造部分的铝合金压铸成形和消失模铸造成形, 焊接部分增加弧焊机器人和激光多功能焊机, 锻压部分增加数控冲床、数控剪板机内容, 在其他成形方法中增加粉末冶金成形等内容。
基于上述想法, 教研室老师首先进行教学大纲的修订, 将现代材料成形实践教学的内容加入到工程训练的教学大纲中, 其中考虑到先进材料成形技术与传统成形技术内容的合理安排及工程训练中其他工种与材料成形实践教学内容学时的合理分配、协调及相互呼应。
根据教学大纲, 确定材料成形各工种具体的教学内容并形成教学文件具体实施, 其中包括新增先进材料成形方法原理, 工艺流程和特点及先进设备的介绍、操作, 毛坯件的成形等;编写与之相适应的实习报告, 制定相应的多媒体课件针对不同专业要求, 辅助开设材料成形先进制造技术讲座, 开阔学生视野, 让学生对所学内容有一个全面的了解。
3.2 面向三、四年级学生及研究生进行更高层次的工程实践和课题研究
为了充分利用材料成形的现有教学资源, 中心拟探索与材料学院、化工学院等相关专业达成意向, 准备接纳学生的课程设计、毕业设计及科学研究课题。我们拥有先进的成形设备, 在学院、学校, 甚至在国内都是领先的, 可以更好地为高年级专业的学生服务, 更可以为研究生进行课题研究提供帮助。
4 效果和意义
本教学改革完善了工程训练中先进制造技术的实践教学, 提高了工程训练的内涵建设, 改善了材料成形实践教学的现状, 使工程训练冷热加工的建设能够齐头并进, 均衡发展;形成以先进成形技术为引领的, 融先进与传统技术为一体的材料成形技术实践教学体系和准工业化实践教学环境;建立了多层次、一体化的教学计划、教学大纲、讲义和教学课件;建立了一支能够同时承担先进成形加工和传统成形加工教学的师资队伍。
新的教学改革成果实施后, 每年有7000名大学生在中心准工业化的实践环境中进行材料成形的实践, 期望他们在实习中能获得以先进材料成形技术为主导的知识结构和能力结构, 大大增强自身先进材料成形技术的实践能力和创新能力, 改善知识结构;让学生在工程训练中通过工程实践来了解现代工程背景和先进制造技术, 提高学生的现代企业管理、工程实践的能力, 使他们具有技术创新意识和较高的综合素质, 为学生将来的发展奠定基础。同时, 也使我校工业培训中心在材料成形加工教学方面成为生产实习、毕业实习、课题研究和师资培养的基地。
摘要：随着现代成形制造技术的发展, 材料成形实践教学的改革势在必行。合肥工业大学工业培训中心依托工程训练国家级精品课程的建设, 加大先进成形设备的投入, 并以此为引导, 对材料成形实践教学的内容和体系进行了改革, 并加强师资队伍建设, 建成了省内甚至国内高水平的材料成形实践教学基地。
浅谈《材料成形原理》课程的教与学 篇10
一、优化教学目标与教学内容
1. 制定合适的教学目标。
教学大纲是课程教学的指导性文件, 它规定了本课程的教学目的、任务、教学内容、教学进度、教学方法等基本要求, 是组织教学、监督、检查和评估教学质量的依据。合理的教学大纲是完成好本课程教学的前提。制定教学大纲时要尽量做到: (1) 符合教学计划要求, 体现本专业人才培养目标; (2) 具有高度的科学性和实践性; (3) 贯彻少而精的原则; (4) 文字清楚, 语言准确。为贯彻教学大纲, 本课程制定了具体的教学目标, 让教师和学生都明确每章节要达到的要求, 使教学工作规范化和科学化。具体方法是:根据教育心理学理论, 将每一章节的教学内容划分为“知识、领会、应用、分析、综合”等五个层次, 对不同层次内容提出有针对性的具体要求, 并在该章最后进行评价。课程教学目标的制定, 使教师教有依据, 学生学有方向, 充分调动了教和学两方面的积极性, 大大提高了课堂教学的质量及课堂教学效果评价体系的科学性。
2. 优化教学内容。
由于高等教育具有周期性和继承性的特征, 因此教学内容具有相对的稳定性。基本理论、基本知识、基本技能的教育占有重要地位, 但同时又必须不断增加新知识、推陈出新以保持教学内容的先进性。对《材料成形原理》课程而言, 要求学生掌握的基本理论内容较多, 如材料凝固原理、焊接冶金原理、粉末冶金原理、塑性成形原理、聚合物成形原理等经典理论, 同时又要让学生了解新材料、新技术和新工艺等方面的发展, 了解材料和工艺的研究方向和最新成果, 如在一些教学节点上介绍有关功能材料、复合材料、纳米材料的合成与成形方法等内容, 既能开拓学生眼界、启迪创新意识, 又可以激发学生的学习兴趣、增强学习积极性。《材料成形原理》涉及到的基本理论内容较多, 在有限的学时内不可能面面俱到, 因此要以必需、够用为原则, 合理取舍。删除那些与核心内容无关的复杂的理论推导, 削减理论性过深的内容, 在强调重点内容的基础上适当降低理论深度, 便于学生掌握。如我校材料成形及控制工程专业主要培养金属塑性成形和焊接方向的综合人才, 因此对粉末冶金原理、聚合物成形原理等内容作适当删减, 对材料凝固原理降低理论深度, 加强和补充材料变形、模具材料、熔池冶金、焊接材料等与本专业联系紧密的内容。同时又要明确本课程与其他相关课程的关系, 做到教学内容衔接合理, 分工明确, 避免重复。
二、改进教学方法、适应学习特点
1. 讲课条理清晰、叙述准确、重点和难点突出。
从教育心理学角度来说, 学生上课时, 注意力高度集中的时间是很有限的, 因此老师讲课时要条理清晰, 有层次感, 重点、难点清楚突出, 这样学生才会更容易接受所传授的知识。《材料成形原理》这门课前面液态成形部分和焊接部分的理论内容很多, 上课时候的内容学生根本记不住, 考试时候丢分很多。这个时候重点突出、条理清晰的讲授会给学生带来明确的目标, 学生在听课的过程中才有张有弛, 有所侧重, 才更加容易掌握好重点和难点内容。为了提高学生听课效率, 老师可以在讲课的过程中穿插一些动画视频和一些图片, 吸引学生的注意力, 然后提出问题, 最后老师深入到其原理, 为学生解惑, 这样学生会更好地理解和掌握老师讲授的内容。另外, 在每节课的最后老师抽出5分钟时间归纳总结一下这节课的主要内容, 带领学生回顾一下本节课的重点和难点, 简短的回顾会让学生明确这节课应该掌握哪些内容, 从而更加深刻地掌握知识。
2. 多媒体和传统的板书教学相结合。
随着现代科技的发展, 多媒体教学已经变成了一种重要的教学手段, 应用得越来越广泛, 它能使抽象的知识具体化, 使枯燥的知识趣味化, 如对《材料成形原理》中的滑移和孪生等抽象的内容, 运用多媒体动画可以使学生一目了然, 非常直观地掌握知识。但多媒体教学也不是万能的, 因此在讲授《材料成形原理》中塑性成形部分时老师在应用多媒体教学的同时, 辅以板书教学, 这样能更好地提高学生的听课效率, 使学生掌握得更好。
3. 课程联系实际。
在学习《材料成形原理》这门课时, 个别章节会有一些实验, 因此, 老师在讲授这些章节的内容时, 留出一些时间把实验的原理跟学生讲解明白是很重要的, 这样学生在做实验时会更容易掌握它、理解它, 从而能更加全面地掌握知识。另外, 对于学生而言, 课堂上学习是为了学习知识、长能力、精专业、图发展。因此, 老师在上课讲解专业知识的同时, 适当地拓宽一下学生视野, 联系一下工厂的实际生产过程, 这样不仅仅能丰富课堂内容, 还能激发学生学习《材料成形原理》这门课的兴趣, 课堂上会收到意想不到的效果。
4. 师生多沟通与交流。
众所周知, 在教学活动中, 教与学是密不可分的两个方面, 这需要老师与学生之间的充分沟通与交流。老师教学时要根据学生的要求和掌握情况选择恰当的教学方法, 因此沟通和交流是非常重要的。如塑性成形部分的重难点内容:应力应变分析、屈服准则、主应力法等, 如果学生在课上掌握的知识不是很牢固, 这个时候学生就要利用课间或者课下的时间去跟老师沟通交流, 及时跟老师反映情况, 不能给自己留学习的死角, 要积极主动地询问老师。只有多跟老师沟通交流, 这样才能让老师更好地了解学生的情况, 从而及时地做出教学计划的调整, 不断地改进教学方法和手段, 从而提高教学质量。
5. 充分利用网络资源。
网络正在发挥着越来越重要的作用。作为21世纪的大学生, 在学习《材料成形原理》这门课时, 不能仅仅局限于课堂上老师讲解的知识, 还可以充分地利用网络资源, 查阅精品课程的相关课件, 对于自己不懂的问题可以直接上网查, 也可以通过邮件询问老师。此外, 适量的课外作业可以加深知识的理解和掌握, 拓展性的问题可以让学生上网寻找答案, 充分地利用网络资源, 这样可以更好地拓宽学生的知识面。
总而言之, 要想更好地教好和学好《材料成形原理》这门课程, 老师需要不断地探索和实践新的教学方法, 同时学生应该积极学习、配合老师教学并及时和老师交流沟通, 在师生的共同努力下, 一定会有较大的收获。
摘要：分析了《材料成形原理》的课程特点, 结合教学实践从优化教学目标与教学内容、改进教学方法、适应学生学习特点等方面, 对《材料成形原理》课程教学进行了改革和尝试。
