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粉末冶金概念范文1
1高速压制成形技术最新研究进展
1．1成形装备
成形设备是实现粉末冶金高速压制成形的硬件基础，是发挥高速压制成形技术优势的前提条件，因此成形设备的研究进展也是高速压制技术研究人员关注的重点。为使冲击锤头获得高速度和高能量脉冲，目前可以采用的技术包括压缩空气、燃烧汽油－空气混合气、爆炸、电容器放电、叠并磁场、磁力驱动和机械弹簧等［2］。目前，基于液压驱动、重力势能驱动、机械弹簧蓄能驱动的高速压制成形设备进展较快。Hydropulsor公司以专利技术液压动力单位控制油路系统实现锤头的高速下降和提升，可实现高速的冲击压制和在极短时间间隔内多次高速压制，该公司已经成功开发出第四代HVC压机，可供应2 000t、900t、350t、100t等不同规格的机型，并销往多个国家和地区，对高速压制成形技术的研究起到积极的推动作用。但该类HVC成形设备成本较高、售价高昂，且压制速度通常在10m／s以下，无加热等辅助装置，在一定程度上限制了它的普及。重力势能驱动的HVC成形装置具有成本低廉，压制速度调节范围大等优势引起了研究人员的高度重视，华南理工大学肖志瑜教授等人［3］自行设计制造了一种重锤式温粉末高速压制成形试验装置。该装置采用独特的冲击结构，直接利用重力势能获得压制能量，通过调节重锤下落高度获得不同的冲击速度，最大理论速度可达18．78m／s，与Ku－mar［4］等人采用的重锤式试验装置冲击速度只能达到10m／s相比，具有明显的优势。该装置通过加热圈直接对模具进行加热，替代了热油加热，简化了加热元件的安装，加热温度可以精确控制，通过测温仪可以读出模具温度。同时，拿掉加热圈，就可以进行传统的高速压制，从而进行高速压制和温高速压制的对比实验，为研究提供了极大的方便。华南理工大学邵明教授等人［5］，自行设计和制造了一种基于机械弹簧蓄能的粉末冶金高速压制压力机，并用于基础探索研究。该设备可以将气动、液压或其他动力机构能量储蓄在机械弹簧中，通过一个锤柄锁紧释放机构将压缩弹簧的机械势能瞬间释放，驱动冲击锤头达到10m／s以上的高速度，使压制瞬间的重锤冲击速度达到HVC技术的要求，并将冲击波通过上模冲传递给金属粉末颗粒，使其在极短时间内致密成形。
1．2模具结构优化
模具的稳定性和寿命影响着高速压制技术的工业化应用，而改善高速压制模具寿命的手段不外乎于合理选材和优化模具结构设计。在高速压制过程中，上模冲要承受剧烈的冲击，因此宜选用韧性好的材料；而模具结构优化方面，一般认为冲锤与模冲直径相等且均为等截面杆时，对模冲寿命和撞击效率来说 都 是 最 佳 选 择，但 这 势 必 会 缩 小 高 速 压 制（HVC）技术的应用范围，因此需要对模具进行进一步的结构优化，目前利用高速压制技术除已成功制备了圆柱体、环形、棒体和凸轮等单层零件外，还可以成功制备轴承盖、牙齿冒等复杂多级产品。如Hinzmann［6］等人即成功设计出可用于多级零部件高速压制成形的模具，他指出模具设计时采用单个上模冲和每级一个下模冲的结构更有利于模具寿命和冲击能量的传递；Le［7］等人用高速压制的方法将WC－Fe等材质成功压制成多级试样，并对界面的凝聚力和界面几何尺寸进行了分析；法国机械工程技术中心（CETIM）采用HVC技术成功制备了多阶零件和有内齿或沿高度方向有外齿的复杂形状部件［8］；Eriksson等人［9］采用HVC和弹性模相结合的方法，使冲击能量通过弹性模以准等静压方式转移至零件的不同部位进行压制，成功制备了形状复杂的3D齿帽零件。
1．3成形过程数值模拟
数值模拟能大幅度降低设计成本、缩短设计周期，因此对高速压制致密化过程的数值模拟也是近几年的研究热点。对于粉末压制成形的数值模拟，目前主要是基于金属塑性力学和广义塑性力学两种方法，但在低密度情况下，其假设条件与实际情况有出入，因此在实际应用中，粉末压制模型是以完全致密化材料的基本模型为基础，加上给定的一系列引起塑性流动的条件而建立的。Haggblad［10，11］等利用Hopkinson实验装置对硅胶和钛粉进行高速压制，根据所得数据分别建立了相应的数学模型，用有限元法模拟了硅胶模中压制钛粉的情况得出密度分布和最佳尺寸设计，其结果与实验结果一致。中南大学的郑洲顺教授［12］等对高速压制成形过程中应力波的传播特征和粉末流动过程进行了数学建模和数值模拟，其研究结果表明，高速压制过程中，应力波的传播会使粉末应力突跃到峰值，每层的应力峰值随时间以指数衰减，从上层到下层应力峰值呈指数下降；应力波作用后，铁粉压坯垂直方向的线密度值从上层到底层递减，中间各层的线密度均匀；压制过程开始后，密度最先变化的是底层的单元，它们之间的空隙迅速缩小（对应颗粒重排），顶层的单元继续往下运动（对应颗粒塑性变形），顶层颗粒受压继续往下运动而底层颗粒运动基本达到平衡，粉末的密度分布开始趋于均匀，这一过程与高速压制成形的试验结果相符［13］。Jerier等［14］建立了一种高密度粉体接触模型，并在YADE开源软件系统上进行了离散元（DEM）数值模拟，其结果与多粒子有限元数值模拟及试验结果吻合程度均较高，在一定程度上克服了离散元法（DEM）数值模拟不能正确推演高密度粉末压制过程应力演变的缺点，为金属粉末高密度压制的数值模拟拓展了新理论和新方法。秦宣云［15］等通过等效热阻法建立了粉末散体空间导热的并联模型，并考虑了热辐射的贡献，推导的有效导热率的计算公式表达了分形维数、温度对有效导热率的影响。
1．4致密化机理
高速压制技术已经成功用于生产实际，但高速压制的致密化机理目前尚无定论，HVC致密化机理的分 析 也 一 直 是 研 究 热 点 之 一。果 世 驹 教 授 等人［16］提出了“热软化剪切致密化机制”，据此给出了相应的压制方程，该方程可合理地定性与定量解释高速压制下粉末压坯的致密化行为与特性；Sethi等人［2］认为HVC过程中并无冲击波产生，粉末体受冲击时，应力波形是一种逐渐上升的波形，在冲击速度不是非常高的情况下，很难在粉末内产生真正的冲击波；北京科技大学曲选辉教授等人［17］对铁粉、铜粉、钛粉等多种粉末进行的压制中证明了HVC过程中温升现象的存在，但并未发现绝热剪切现象；易明军等［18］初步研究了HVC过程中应力波波形的基本特征和对压坯质量的影响，结果表明，应力波为锯齿波形，每一个加载波形上都有数个极值点，其持续时间受加载速率的影响，且应力波在自由端面反射后会造成拉应力，从而导致压坯表面分层和剥落。陈进［19］对高速压制致密化机理进行了初步探讨，他认为粉末剧烈的塑性变形和颗粒间的摩擦产生较大温升，对粉末致密化起到主导作用。此外在成形过程中，气体绝热压缩对致密化也起到了重要的作用，即在高速压制时，瞬间内气体难以逸出而产生绝热压缩，使温度升高，从而使孔隙中气体分子的热运动加速，使粉末散体的传热增强，能量沉积在颗粒界面而使其软化，有利于进一步致密化。此外，高速压制的压坯密度不仅取决于冲击能量，还与压坯质量有很大关系，因此应该采用既能体现冲击能量又能反映压坯质量的质量能量密度的概念，即单位质量的压坯在压制过程中所受到的冲击能量，单位为J／g。闫志巧等［20］通过钛粉高速压制试验得知，对外径60mm内径30mm圆环形压坯，质量能量密度为40．1J／g时相对密度达到76．2％；而对直径20mm的圆柱形压坯，质量能量密度为121．7J／g时相对密度达到96．0％；不同压坯形状的致密化机理有所不同，圆环形压坯主要以颗粒滑动和颗粒重排为主，而圆柱形压坯主要以塑性变形为主。目前HVC研究的压制速度一般在10m／s左右，其机理无法套用爆炸成形的致密化机理，需要进一步进行研究与探索，尤其是重点研究粉末颗粒的微观行为，如粉末塑性变形、粉末碎裂等，以及粉末颗粒界面的显微组织形成与演变，粉末颗粒边界的扩散、焊合过程，孔隙形状的演变等现象。
1．5 HVC的成分体系适应性
近几年，国内外研究人员已经对铁粉、铜粉、钛粉、合金钢粉末、软磁材料以及聚合物等成分体系的高速压制致密化行为进行了初步探索，如Bos［21］等人所在的SKF公司用HVC技术大规模制备高密度、高强度的铁基和316L不锈钢零件，所生产的铁基齿轮件密度可达7．7g／cm3；王建忠［22，23］等人对铁粉和铜粉的高速压制试验表明：单次压制铁粉时，当冲击能量增加到6 510J时生坯密度达到7．336g／cm3，相对密度约为97％；单次压制铜粉时，当冲击能量为6 076J时，试样的生坯密度达到最大，为8．42g／cm3，相对密度约为95％；Eriksson［24］等人采用HVC技术制备了致密度为98．5％的钛／羟基磷灰石复合压坯，在500℃的低温即可实现材料的烧结；闫志巧［25］等人的研究表明，高速压制可制备高密度的钛粉压坯，当冲击能量为1 217J时，直径为20 mm圆柱试 样的压坯密度 最 大，达 到4．38g／cm3，相对密度为97．4％；中南大学的王志法［26，27］教授等人在950℃高速压制获得了相对密度大于80．65％的W骨 架，从 而 为 高 温 熔 渗 制 备90W－10Cu复合材料奠定了基础；Andersson［28］等人指出，由于高速压制（HVC）技术能显著提高磁粉的压制密度，从而能大幅提高其磁性能，使软磁材料具有更强的竞争力和更广泛的应用范围；Poitou［29］等人对聚四氟乙烯进行高速压制，发现其密度、晶体质量分数、抗磨损性能等物理和力学性能相对常规压制有所提高；Jauffres［30，31］等人采用高速压制技术对超大分子量聚乙烯进行成形，研究发现其杨氏模量、延伸率、屈服强度、蠕变强度和耐磨性等各项性能指标均优于传统压制成形方法。在上述研究的基础上，应进一步拓展合金钢粉末、复合材料粉末、铜合金粉末、钨合金粉末、铝合金粉末、磁性材料及非晶合金材料等成分体系的高速压制技术，从而为制备高密度高性能粉末冶金制品提供新途径。
2高速压制成形技术的发展方向
高速压制是在传统模压中输入高速度机械能产生的新型压制技术，作为近十年才发展起来的一种新技术，其相关基础研究还不够系统和深入。此外，为了进行技术创新，可以考虑将高速压制技术与温压、模壁、复压复烧等工艺有机地结合起来，更深入、更全面地进行探索。尤其要深化以下几个方面的研究：
2．1温高速压制
华南理工大学肖志瑜教授等人［3］提出了一种高速压制和温压相结合的温高速压制（warm high ve－locity compaction，简称WHVC）技术的思路，并设计制造出了实验装备，开展了相关基础研究，并取得一系列研究成果。其实验结果表明，温高速压制能否获得更高的压坯密度，取决于粉末的种类和特性。对于316L不锈钢粉末、混合铁粉、电解铜粉等粉末来说，温高速压制压坯密度高于传统高速压制，这是因为：（1）在温度场条件下，粉末中潮气得到充分挥发，同时粉末中气体也得到较好地排出；（2）在一定的加热温度下能够降低粉末的屈服强度，延缓其加工硬化程度并提高其塑性变形能力，塑性变形能力的改善为颗粒重排过程提供协调性变形，克服粉末颗粒之间的相互牵制，从而降低颗粒重排阻力，有利于颗粒重排的充分进行。而对于铝粉来说，温高速压制和传统高速压制致密化程度相差不大，这是因为铝是面心立方结构的金属，且具有12个滑移系，发生滑移的临界分切应力很小，塑性变形能力非常高，传统高速压制已经能够达到理想的压坯密度。在实验基础上，还对温高速压制的致密化机理和应力波特点进行了分析，认为在致密化过程中温升效应起了很大作用，致密化过程主要以剧烈塑性变形和颗粒冷焊为主。截止目前，温粉末高速压制成形技术的研究只有华南理工大学开展，其研究具有前瞻性和新颖性，有望在高密度成形中获得新的突破。
2．2条件对HVC结果的影响
由于高速压制自身的特点，HVC成形粉末时可在少量剂甚至无剂的条件下成形［32］，减少了脱脂和间隙元素引起的污染。如何在剂最少的前提下获得最理想的致密化程度是一个重要的研究目标。对于铁基、铜基等成形性较好的粉末通常采用模壁（即外），如邓三才等［33］研究了模壁对Fe－2Cu－1C粉末高速压制成形效果的影响，研究结果表明，模壁能有效降低粉末与模壁之间的摩擦，减少粉末颗粒与模壁冷焊的机会，相对提高有效压制压力，从而获得较高的生坯密度和生坯强度，以及较弱的弹性后效；此外，在相同压制速度时，有模壁时的最大冲击力要高于无模壁时的最大冲击力，且脱模力要小5～20kN。对于钛粉、钼粉等高硬化速率粉末的高速压制，通常采用内部添加剂的方式（即内），如闫志巧等人［34］研究了剂含量对钛粉高速压制性能的影响，结果表明，加入适量的剂，可以提高钛粉成形时的质量能量密度，从而获得更高密度的压坯。当剂加入量为0．3％（质量分数）时，钛粉成形的最大质量能 量 密 度 为0．192kJ／g，压 坯 密 度 为4．38g／cm3，相对密度为97．4％。此外，适量的剂能提高钛粉压制过程中的最大冲击力降低脱模力，但却会显著降低压坯的强度，密度较低的纯钛压坯的强度显著高于致密度较高的含剂压坯。对于不同剂含量的压坯，当密度接近时，其强度相差不大。在更广泛的成分体系内，研究方式、剂种类、剂添加量对高速压制成形效果的影响，开发适合高速压制条件下的新型剂，如高分子极性剂、大分子极性剂、无机层间化合物剂等都是今后较有价值的研究方向。
2．3复压复烧对HVC效果的影响
一般认为，与传统压制压坯密度只取决于压制压力而不随压制次数的增加而显著提高不同，高速压制的能量是可以累加的，即可以通过多次小冲击能量的压制得到与一次大冲击能量压制相同的效果，但王建忠等［35］对铁粉进行高速压制时发现，在总冲击能量相同的情况下，分两次压制制备的压坯密度最大，分三次压制的最小，一次压制的居中。Metec粉末冶金公司采用高速复压技术（HVR）制造出密度为7．7g／cm3的铁基粉末冶金制品，此外还通过高速压制316L不锈钢金属粉和1 385℃烧结工艺生产出高密度不锈钢零件，此类不锈钢制品在抗拉强度、冲击韧性和延展性等方面性能均较为突出。陈进等［36］在多次压制的基础上对铁粉进行了复压试验，即在两次高速压制之间引入预烧结工序，其研究结果表明，在冲击能量相同的条件下，复压比二次高速压制得到的生坯的密度更高，且随着复压冲击能量的增加生坯密度逐渐增大，在相同复压冲击能量下，预烧结温度为780℃时生坯密度最高，径向弹性后效最小。复压能大幅度提高生坯密度，主要是因为压坯经过预烧结阶段的回复与再结晶，粉末颗粒的强度和硬度下降，弹性储能得到一定的释放，再进行复压后，剂的去除促进更多的粉末颗粒发生塑性变形、微观焊接和熔合，颗粒界面得以消失，这有利于致密度的提高。此外，复压能量更多用于预压坯的塑性变形，弹性能量释放的少，一定程度上减轻了压坯尺寸的弹性膨胀，使得压坯与模具模壁的摩擦减小，从而导致复压时的脱模力较单次高速压制时显著降低。Fe－C粉末复压压坯经过复烧之后，密度高，孔隙少，珠光体较多且分布均匀，裂纹可能在晶粒内部沿着珠光体相或颗粒“烧结”界面展开，诱发了沿晶断裂，使得抗弯强度明显增强。复压复烧工艺是进一步发挥高速压制优越性的重要方向之一，需要进行更广泛、更细致、更深入的研究。
粉末冶金概念范文2
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
图2
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。
图3FGM的应用
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。
设计设计
图4FGM研究开发体系
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
图6SHS反应过程示意图
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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粉末冶金概念范文3
关键词：冶金企业 成本效益观 成本控制 问题 对策
中图分类号：F275.2 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2017）01-274-02
一、相关概念界定
（一）冶金企业的成本效益观
在市场经济环境下，经济效益始终是冶金企业管理追求的首要目标，冶金企业成本控制工作中也应该树立成本效益观念，实现由传统的“节约、节省”观念向现代效益观念转变，特别是在我国市场经济体制逐步完善的今天，冶金企业管理应以市场需求为导向，通过向市场提供质量尽可能高、功能尽可能完善的产品和服务，力求使冶金企业获取尽可能多的利润。与冶金企业管理的这一基本要求相适应，冶金企业成本控制也就应与冶金企业的整体经济效益直接联系起来，以一种新的认识观――成本效益观念，来看待成本及其控制问题。冶金企业的一切成本控制活动应以成本效益观念作为支配思想，从“投入”与“产出”的对比分析来看待“投入”（成本）的必要性、合理性，即努力以尽可能少的成本付出，创造尽可能多的使用价值，为冶金企业获取更多的经济效益。
（二）成本控制的主要内容
成本控制是现代企业管理的重要内容之一，是以成本预测、成本决策、价值分析、成本控制、成本核算、成本分析、成本考核等为内容的科学管理体系。传统成本管理理论包括目标成本管理理论、标准成本管理理论、责任成本管理理论和质量成本管理理论等；现代成本管理模式，包括作业成本管理理论、战略成本管理理论、价值链成本管理理论等。在新环境下，分别对传统成本管理和现代成本管理在企业管理中的地位和作用进行研究和探讨，可以使企业管理层更重视成本管理，为企业寻求新竞争环境下的持续成本降低提供了一个有效的思路。
（三）冶金企业加强成本控制的重要意义
成本控制的重要意义可以从理论分析和现实需要两个角度进行阐述。其理论上的重要意义主要基于下面这个会计等式，即：企业利润=收入-成本-费用
企业是一个追求利益最大化的组织，而从上面等式可以看出，要想扩大利润，无非是从增加收入、减少成本、降低费用三方面着手。另外，广义的成本即包括了上述公式中的“成本”、“费用”，因此，有效控制成本对于企业就显得尤为重要。
而从现实需要角度出发，成本控制的重要意义主要表现为以下三个方面：
1.成本控制是保证冶金企业落实成本目标、实现成本计划的重要手段。成本的形成过程就是成本计划的落实、实施过程。为了实现成本计划，冶金企业必须将成本计划规定的成本目标和实现成本目标的措施分解落实到各责任单位，并以此作为各责任单位控制成本的依据。实施中如发现出现较大的偏差，应分析原因并及时反馈给有关责任单位，造成差异如是成本计划本身的问题，应对计划进行修订，以保证计划的指导作用。通过有效的成本控制、才能充分挖掘冶金企业内部降低成本的潜力，才能确保成本计划的实现。
2.成本控制是推动冶金企业提高管理水平的动力。实行有效的成本控制，必须建立一套完整的成本控制制度和责任制度，使得冶金企业内部各级责任单位和全体员工都能明确各自的成本目标和经济责任。如为加强直接材料费用控制，必须为各种产品、零部件制定材料消耗定额及限额领料和配比发料制度，建立材料验收保管制度，并要求供应部门和各生产车间、班组严格执行材料管理与核算制度，不断提高材料管理水平和效率，满足冶金企业对材料费用控制的要求，提高冶金企业各项管理工作水平。
3.成本控制是增强冶金企业竞争力的有力保证。市场经济使冶金企业时刻面临着来自各方面的竞争压力。竞争的法则就是优胜劣汰，要使冶金企业在激烈的市场竞争中建立起竞争优势，主要基于优良的产品品质、优质的产品服务和优惠的产品价格之上要做到质优价廉，除了要做好产品的开发、创新和提高质量等工作之外，关键是要加强成本控制，不断降低产品成本，进一步增强冶金企业竞争能力。
二、我国冶金行业目前存在的成本控制问题
（一）成本控制意识薄弱
成本控制意识薄弱、观念落后、管理方法旧，没有充分认识到提高冶金企业经济效益必须加强成本控制的重要意义，没有充分认识到在社会主义市场经济条件下，冶金企业之间竞争的实质是冶金企业成本的较量。这主要表现在成本控制的范围、目的及手段等方面的认识存在偏差，使得成本控制松弛、成本控制约束弱化、损失浪费严重。
（二）成本控制不合理
1.成本核算不合理。表现在：其一，间接费用分摊标准与观念性不够，导致分摊不准确。其二，作为企业成本的管理费用等期间费用核算较粗，只按会计准则要求进行财务处理，未形成责任成本考核制度。其三，企业定额管理制度不完善。
2.成本控制方法陈旧。传统的成本控制方法局限于为降低成本而降低成本，忽视企业的经济效益；只注重生产过程的成本控制，忽视产品生命周期其他阶段的控制，仅以产品、财务信息作为控制对象，不能为管理人员提供所需要的非财务方面的信息。
3.企业成本项目不全。多数企业只考虑了会计学中的成本项目，只按会计准则的要求把可以计入成本的费用开支来作为企业成本加以控制。按照准则规定，营业外支出与生产经营活动无关，不能计入产品成本。但从企业角度出发，它作为一项耗费，企业仍需对其进行支付。此外，成本管理的内涵仅局限于物质产品成本，并未涉及如环境成本、质量成本、人力资源成本等非物质产品成本。
（三）技术创新不足
创新是企业保持竞争优势的关键，企业通过技术创新，可以有效的降低成本。公司生产技术水平较低，在技术、工艺上缺乏创新力度，不能有效提高材料利用率、降低材料的损耗量、提高成品率，从而降低成本。
（四）成本控制制度不完善，成本考核流于形式
公司虽然制定了一些成本控制制度，但贯彻执行不力。对制度的执行缺乏全面的监督与考核，未建立核算奖罚挂钩制度，没有将考核指标落实到相关部门的个人，无法调动职工参与成本控制的积极性，成本核算部门形同虚设。
三、冶金企业加强成本控制的具体对策
（一）强化成本意识，树立成本效益思想
现代成本控制意识是指企业的管理人员对于成本控制和成本管理要有足够的重视，改变成本控制就是降低产品成本的传统看法，改变成本控制到一定程度就无法再降低的错误观念，充分认识到成本降低的潜力是无限的。对比成本与效益并从中取得最大的收益是现代成本控制的最终目标，要做到有效地控制成本，首先是管理人员要足够重视，其次对企业全体职工进行成本意识方面的宣传教育，把成本控制意识灌输给每位员工，使全员都参与成本控制，让他们知道企业的利益就是自己的利益。
企业的成本控制应与企业整体的经济效益直接联系，应以科学的成本效益观念看待成本控制问题。企业所有的成本控制活动应从成本效益原则出发，从投入与产出的比率分析来看待投入成本的必要性，在保证产品和服务质量的前提下，尽可能以最小的成本，摄取尽可能多的经济利润。花钱是为了最大限度的省钱，这是成本效益观的集中体现。
（二）加强成本控制
冶金企业的生产特点通常是大量消耗原材料和能源，对原材料进行生产和加工，并且生产经营活动、产品品种复杂，生产工艺繁复多变。这种特点决定了冶金企业适合采用作业成本法。标准成本控制体系可以通过引入ERP管理系统来进行完善。标准成本体系与ERP的结合不仅克服了标准成本控制模式的一些缺点，而且还将ERP系统提高到了高层次管理的水平，加强了企业成本管理能力。
冶金行业也有中小企业，这些企业一般较落后。中小企业要充分认识到科技对成本的重要影响。在设计阶段，利用先进科技在研发产品时既保证质量又降低成本。在生产阶段，依靠科技进步来降低生产成本，通过对各个工序进行成本分析，找出生产成本的制约点，在此基础上确定科技攻关的重点。开展节能降耗科技创新，改变原燃料的消耗方式，加强循环利用，以降低生产成本。
（三）改进现有技术，采用新工艺，节能降耗
当市场进入衰退时，大多数企业都会通过削减成本、简化运营程序等方式来加以应对，直至情况趋于好转。严峻的经济形势将不可避免地给企业套上桎梏，但同时也创造出一片孕育创新的沃土。如果通过技术等创新来达到节约成本的效果，企业就将会从危机中脱颖而出，并且会变得比以往更加强大。针对公司为降低成本偷工减料致产品批量退货的现象，可以通过技术创新，改进现有技术，降低材料用量或寻找新的、价值便宜的材料替代原有的老的、价格较高的材料；采用新工艺，对现有材料的加工工艺积极加以改进，提高材料利用率、降低材料的损耗、提高成品率，达到降低成本的目的。
（四）健全成本考核制度，完善成本控制制度
考核是实现成本控制的重要手段和措施，没有严格规范的考核制度，其它制度也就形同虚设，因此，应该建立健全成本控制考核体系。首先制定成本考核指标体系，考核指标包括目标成本、目标成本节约率等指标。其次，根据相关数据计算成本考核指标，采用合理的评价方法，对各方面的成本控制工作进行评价。通过设置成本费用考核指标体系，对各项成本指标进行分析，定期对各成本责任部门和个人进行考核和评价，建立相应的奖励和惩罚机制，将考核结果同职工的工资挂钩，做到奖罚分明。
四、结语
成本控制是一个永恒的主题，冶金企业成本费用的节约与降低直接就等于增加收入、利润、净利润，效益不言而喻，一个规范科学全面的成本核算与管理不仅能给冶金企业带来直接经济效益，而且还能够促使整个公司管理的规范。因此，加强冶金企业成本控制具有极为重要的意义，值得大力探讨。
参考文献：
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粉末冶金概念范文4
[关键词]增材制造、快速成型、3D打印
中图分类号：F426.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0082-02
增材制造或3D打印技术作为现代社会的关注热点，被认为是制造领域一次重大技术突破及会带来“第三次工业革命”。但增材制造技术相关的称谓有多种，例如快速成形、快速原形、直接数字制造、增层制造、三维打印、实体自由制造及增量制造等，令人眼花缭乱，容易混淆不清。
1 概述
1.1 起源
增材制造技术的诞生源于“快速成型”（①又称成形）技术。
快速成型的基本原理是分层制造三维物体，其思想雏形可追溯到远古时期。例如：中国出土的并经考证4000年前的鲁漆器，用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎上，待漆干后挖去底胎成形；国外考古学家也发现古埃及人在公元前就已将木材切成板后重新铺叠翻成叠合材料，类似现代的胶合板。
1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模型。
1979年东京大学的川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.Hebert（1978年）、日本的小玉秀一（1980年）、美国的Charles w.Hull（1982年） 和日本的丸谷洋二（1983年） ，各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作实体的新思想。
美国的Charles w.Hull则完成了第一个RP系统――立体光造型工艺（Stereolithography Apparatus，SLA），是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。并于1984年获得专利。1988年，美国3D System 公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机。
SLA是材料快速成形发展的一个里程碑，随后许多快速成形的概念、技术及成形机等才得以相继出现，并逐步发展成为可以涵盖产品设计、研发和制造等全部环节的一种崭新的先进制造技术体系――增材制造技术。
1.2 概念
1.快速原形制造（RapidProto-typing，RP），有代表性的定义如下：
Terry T.Wohlers和美国制造工程师协会（SME）对RP技术进行了定义：RP系统依据三维CAD模型数据、CT和MRI扫描数据和由三维实物数字化系统创建的数据，把所得数据分成一系列二维平面，又按相同序列沉积或固化出物理实体。
颜永年等对RP的描述为：RP技术是基于离散/堆积成形原理的新型数字化成形技术，是在计算机的控制下，根据零件的CAD模型，通过材料的精确堆积，制造原形或零件的。[1]
2.增材制造（即Additive Manufacturing，AM），关桥院士提出了“广义”和“狭义”的概念：
“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群；“狭义”增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。[2]
3.3D打印（Three Dimension Printing，3DP），是一种依据三维数字模型文件，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，又称三维打印。
“打印”是指借鉴了喷墨打印机的工作原理，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，形成二维（2D）文字或图形，而3D打印喷出是融化的树脂、金属或者陶瓷等“印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来得到三维实物。
1.3 分类
按照成形工艺可分为基于激光或其他光源的成形技术，例如叠层实体制造、选择性激光烧结、形状沉积制造等；基于喷射的成形技术，例如熔融沉积制造、三维印刷打印等。
按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等；按照技术种类划分，则有喷射成型、粘接剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成型等。
2 技术特点
2.1 材料成形技术路线
传统的材料成形方法主要采用的是去除材料的“减材成形”，其技术路线典型的有三种：一是机械加工方法，例如机械加工一个零部件，人们通过切削不断去除材料来获得所需要的零件形状；二是热加工方法，例如锻造成形是利用变形原理即使金属材料在强大的机械压力下改变形状来获得所需的零件；三是铸造、粉末冶金等方法，采用的是“赋形+固化”的成形原理，也即先通过模具赋予液态或粉末状的金属材料以形状，再通过冷却凝固或高温烧结的方法使材料固化来获得具有所需形状和强度的金属零件。
增材制造的成形原理与这些传统方法截然不同，它采用逐渐增加材料的“增材成形”方法，又被称为实体自由成形技术或快速成形技术。 所谓“自由”和“快速”是指不需要模具来成形，省去了十分冗长的制造模具过程和昂贵的模具制造成本。因此，增材制造开辟了一种崭新的且有别于传统制造技术路线的加工途径。
实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力的造型等。
2.2 特点
1.AM可以使设计师快速地将设计思想转化成三维实体，从而为零件原型制作、装配、功能测试、设计校验及错误更正等，提供了一种更有效的三维优化设计手段，可以促进产品的技术更新与性能优化。
2.AM不需要传统的刀具、夹具、模具等工装，在一台设备上就可以快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件的“自由制造”，能简化工艺流程，减少工序，缩短制造周期。
3.AM能够满足航空武器等装备研制的低成本、短周期需求。据统计，我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10%；通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上。
4.AM能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。例如，铸造行业可以利用AM制造蜡模、3D打印出用于金属制造的砂型等，显著地提高生产效率和质量。
5.AM特别适合于传统方法无法加工的极端复杂几何结构。AM不仅可以制造超大、超厚及复杂型腔，还可以制作一些具有极其复杂外形的中、小型零件。
6.AM非常适合于小批量复杂零件、备件或个性化产品的快速制造。例如：航空航天系统AM的成功应用等。
7.AM也存在设备、原材料价格昂贵，制造精度相对不高，潜在社会风险，需预、后处理工序等诸多不足。
3 应用与发展
3.1 产业状况
经过近30年的发展，增材制造经历了从萌芽到产业化、从原型展示到零件直接制造的过程，发展十分迅猛。美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。在过去的几年中，航空零件制造和医学应用是增长最快的应用领域。2012年产能规模将增长25%至21.4亿美元，2019年将达到60亿美元。[2]
3.2 战略与规划
增材制造技术已受到美国、英国、德国、法国、澳大利亚等一些发达国家政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注，正积极采取措施，推动增材制造技术的发展，从国家层面制定发展和推动增材制造技术的国家战略和规划。我国科技部公布了《国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》。2014年工信部又制订《国家增材制造发展推进计划》，拟定了3D打印的五大重点发展方向。
3.3 展望
1.AM使人类具备了前所未有的对物体形状的控制能力，能够制造任意复杂形状或结构的能力，例如多材料复合等；
2.AM可以制造一些新奇的材料，例如：生物打印“软组织植入体”即利用一种含有生物活性细胞的生物墨水，直接打印人体的心脏瓣膜、脊椎垫骨等软组织植入体；
利用食用“墨水”，快速制造任意形状和成分结构的食品，而且松软程度、口感、颜色和表面形貌可以随意调节。未来会出现各种各样的厨房打印机：如巧克力打印机，面包打印机等。
3.AM可对材料进行任意编程，使之具有预想的功能。未来可以快速打印集机械功能、信息功能和能源系统为一体的任何事物，例如：直接打印出可行走的具有真人形状的机器人，开辟类似于生物进化的工程制造模式。
4.AM将提供未来三个层次的创业模式：工厂级别的批量制造、当地供应商的打印服务和家庭环境提供的打印服务，催生出一种全新的“个人制造”模式――AM使设计人员或创业人员不需要投资商提供启动资本来购置或租赁大型设备、工模具和传统的厂房等，就能够创造和销售独一无二的产品。
结语
由于增材制造技术正处于发展期，禀赋“创新突破”的特质，具有旺盛的生命力，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展延伸。当前国内、外学者们对增材制造相关技术的定义存在多种描述，称谓亦众多，但其溯源同宗、本质相似，增材制造涵盖更深、更广。
参考文献
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[4] 中国科学院，2009高技术发展报告，北京，科学出版社，2009
[5] 郭黎滨，先进制造技术.北京，哈尔滨工程大学出版社，2010
作者简介
粉末冶金概念范文5
关键词:模具;绿色设计;绿色制造
人类文明进入近现代社会以来，工业产品使用后的废弃物污染所导致的全球性环境逞加速状态恶化，目前达到了前所未有的程度，在此背景下，“绿色”的设计制造应运而生。
绿色模具的设计制造特点:(1)产品设计的闭环设计过程。绿色设计的产品全生命周期除具有传统产品生命周期各阶段外，还包括产品废弃后的拆卸回收、处理及处置，是一个闭环过程。(2)节约资源和能源。绿色产品设计从整体上优化了产品性能，使组成产品的零部件和材料得到充分有效地利用。(3)绿色产品设计可以预先设法防止产品及工艺对环境产生负作用。
1、绿色模具设计
1.1 绿色模具的设计手段
CAD/CAPP/CAM/CAE是模具设计进入绿色设计的基本手段措施，也是模具虚拟设计制造的重要步骤。采用CAD/CAPP/CAM技术，可实现少图纸或无图纸加工和管理，节约了资源，可缩短模具设计与制造周期。大量通用专用的CAE技术已被广泛使用可对模具产品进行结构分析、制造可行性分析及工艺分析，可以模拟材料的流动情况及分析其强度、刚度、温度、抗冲击实验模拟等，极大提高了模具设计的成功率及模具质量，减少修模次数时间、甚至完全杜绝废品模具[1]。
1.2绿色模具的设计问题
1)模具材料的选择
模具材料的绿色程度对最终产品的绿色性能有着极为重要的影响。绿色设计的材料选择必须建立在绿色材料的基础上。绿色材料应具备的基本性能有:①低污染、低耗能、低成本:②易加工和加工过程中无污染或少污染:③可降解，可重复使用。
2)模具设计规范化、标准化、模块化
模具标准化是组织模具专业化生产的前提。而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、降低成本的关键。
(1)采用和购买标准模架及其它标准件。模架及标准件由专门的厂家、企业通过社会化分工进行生产，使有限的资源得到优化配置。模具通常在报废之后只是凸凹模不能再用，但是模架还基本完好无损，因此使用标准模架有助于模架的再利用。冲压模和注塑模的模架都有很多种类，而这些模架也基本是由标准的上下模座、导柱、导套等部件组成。同时，.模架的标准化可以使生产模架所使用的设备大大减少，更好地提高材料利用率，使用模具绿色材料，从而节约资源，也利于管理。
(2)模具各结构单元规范化、标准化、组合化、模块化设计是进行模具的结构设计的一种有效方法，也是绿色产品设计中确定其结构方案的常见手段之一。组合化、模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能、或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求;如模具的抽芯滑块、脱模定位机构等都可以按这些方法设计、组合、再利用。
2、绿色模具的制造
2.1模具现代制造中的绿色要素
模具是典型的单件小批生产方式，精度高，生产周期长，保证质量、降低开发周期的成本是模具企业生存发展的必然要求，因此模具制造业一直以来在制造的组织方式、制造的现代工艺、制造的现代自动化手段方面跟进最快速的一个行业。革新组织方式、采用模具制造的先进技术，在制造过程中选用生产浪费最小、能量消耗最低、污染排放最小的制造工艺，是实现绿色模具制造的重要一环。
(1)采用先进的绿色模具制造生产模式
由于模具的单件生产方式，我国模具企业的生产组织模式较为落后，其改革的速度落后于技术手段的跟进速度，管理性质的家族化、作业方式的小规模化、生产方式的大而全等都阻碍了模具行业的进一步发展壮大。只有在标准化基础上的社会化分工，充分依靠计算机技术改进管理提高行业的整体资源的使用效能，不断学习创新，是模具企业发展所需，更是绿色模具制造所需。
(2)采用先进的绿色模具制造技术
1)柔性制造技术
由于模具单件生产方式，且加工表面复杂、尺寸几何精度高等特点决定了模具行业十分适合柔性制造技术。柔性制造技术是由计算机控制系统及若干数控设备、物料运贮装置组成，并能根据制造任务和生产品种变化通过简单地改变软件的方法，而迅速进行调整的自动化制造系统。
2)高速切削技术
模具型腔精加工是淬火工序后的机加工的最后一道工序，一直以来基本上通过特种电加工的电火花成形加工来解决，但其加工效率低。而近年来发展的高速铣削，由于是加工微量切削，切削力小，加工变形可以略，因此可铣淬火后精加工工序，且加工精度高、表面粗糙度值又很小。
(3)采用先进的绿色模具制造工艺
1)精确高效金属塑性成形工艺技术
用非去除材料的加工手段也称金属的无屑加工，大大减少了模具材料的消耗，是制造绿色模具的最佳工艺。但传统的拉、轧、挤、锻、冲等工艺方法无法满足现代模具制造要求。
从20世纪60年代起，世界各国在投入大量的人力物力基础上，已经在金属等温超塑成形、辊锻、楔横轧、粉末冶金锻造等工艺技术上取得了很大的突破，为高精度无屑、少屑的绿色模具制造奠定了基础。
2)逆向工程技术
逆向工程是一种在已有实物或其它参照的情况下，通过各种处理快速获得样型的全数字模型的方法，十分有利于设计中的模仿创新或者加速设计制造。在模具设计制造中有时称为模具的反求工程技术，应用十分广泛。在模具设计制造中，通过逆向工程在获得产品的全数字模型后，再在CAM等的支持下自动生成模具的加工程序。自动生成模具的加工程序适用模具的快速成形机床，快速加工模型以利于评估设计，或者制造快速模具进行中小批量的生产，也适用于各种数控加工机床，加工大批量生产的一般模具。
3)快速成型技术
快速成型技术一般与逆向工程技术相结合，能根据全数字模型快速生产样件或零件的成组技术的总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果。与传统制造相比较，不使用材料剥离而是材料的堆积成型的方法极大地提高了材料的使用效率，废料基本为零;且材料堆积是在无力状态下进行的，因此，无论模具的结构多么复杂，都可以用快速成型技术制造出来[2]。
2.2模具传统工艺中的绿色改进
(1)加工参数的选择。尽量选择较小的加工余量，节约材料，提高工效;选择最佳切削参数，充分利用机床、刀具的潜能，使加工质量和制造成本处于最好状态。
(2)减小冷却液的使用，少用带油切削液，多用水基切削液;应用汽冷、低温汽冷代替冷却液。
(3)提高刀具、夹具、其它工具的使用寿命。
3、结束语
绿色概念与绿色技术将成为本世纪工业的主要发展方向。绿色模具的实现，将大大加快模具行业的迅速发展，也是模具发展的必然趋势。从而真正实现模具设计与制造的高质量、低成本、高效率、低污染的目标。绿色技术将对人类未来的生存环境产生深远的影响。
参考资料:
粉末冶金概念范文6
机械制造技术基础是高等本科教育中机械类及近机类专业的一门重要专业基础课程,是一门讲述有关机械产品制造过程的综合性技术课程。在本校的相关专业教学大纲中规定该课程的教学内容由工程材料及成形技术和机械制造技术两大部分构成:工程材料及成形技术部分讲述现代工业常用材料(金属、高聚物、陶瓷、复合材料等)和热加工工艺基础(铸造、锻造、焊接、粉末冶金、热处理等)的相关知识;机械制造技术部分讲述机械加工工艺基础的相关知识。课程的教学目的是通过本课程的学习,要求学生能总体地了解和把握机械制造活动,掌握金属切削过程基本规律和机械加工的基本知识,能合理选择材料、毛坯制备、机械加工方法,具有产品质量、公差与配合的基本知识,初步具有解决生产现场工艺问题,决策制造模式方面的能力。
1 机械制造技术基础的教学现状
机械制造技术基础是一门传统的课程,多年来人们积累了许多宝贵的教学经验和教学方法,教学质量也得到一定的提高和改善,但由于其教学内容比较抽象、复杂且涉及实际生产经验等特点,还存在一些问题。
1.1 教学手段的不正确使用
随着科学技术的发展,许多先进的教学手段进入课堂教学,如幻灯片、投影仪、语音设备、多媒体等。最初将这些手段引入教学的目的是使教学内容化繁为简,化难为易,由抽象变为直观,便于观察和认识,有利于学习和掌握教材,提高教学速度和质量。目前,教学过程中存在两种极端情况:一种是有些教师,特别是经验较少的青年教师,在教学过程中把这些设备当做减轻备课任务的一种工具,如把所有内容都打进PPT,上课过分依赖PPT,以此减少备课时间;另一种是有些教师对这些教学手段过于排斥,认为他们的应用会分散学生的注意力,仍然采用传统的教学方式,即讲授+板书,这样一来教学过程显得过分呆板,课堂气氛不活跃,很多抽象的东西如机床的结构、加工过程等使学生难以理解,渐渐失去学习的热情。
1.2 实验与金工实习时间安排不合理,不足以理论联系实践
机械制造技术基础这门课是一门与实践密切相关的专业基础课,材料在不同工作环境中的各种特性、设备的各种结构、工艺的各种优缺点及在生产中可能会造成的后果等,学生必须结合大量实践经验才能更好地理解,很多操作步骤和原理听起来很费解,但只要到车间或现场看一眼就不难明白。已有的教学模式将理论和实践在时空上分离,先将理论全部学完再实践,或先实践完再进行理论学习。缺少工程实践的理论教学,由于学生缺少感性认识而变得十分难解,处于云里雾里的迷糊状态;没有理论支撑的工程实践必然只能停滞在获得一些感性知识和操作技能的较低的层次上[1]。
1.3 考核方式欠合理
目前机械制造技术基础这门课程的学习效果评价方式绝大多数仍然以书面答卷的方式进行,如此一来,学生在学习过程中单纯地追求卷面分数,与考试相关的内容就重视,与考试无关的内容就不重视。有的甚至平时根本不听课,连书本都不翻,凭考前“临时抱佛脚”来死记硬背书中的一些概念、术语和简单理论来达到修完这门课程的目的。这样一来,学生考完这门课后,什么也没学到,什么也没得到。
1.4 教学内容相对陈旧
机械制造技术基础的教学内容主要涉及传统知识的介绍,缺乏先进性和时代感,导致一些学生主观上认为该课程无用而对它产生排斥思想[2]。尽管有些负责任的教师在教学中采用各种不同挂图、实物模型、动画等方法以适应不同章节的教学需要,仍难以取得较好的教学效果。
针对机械制造技术基础课程教学中存在的问题,为了激发学生对本课程的学习兴趣,提高教学质量,提出教改措施。
2.1 有效地选用灵活多变的教学方法
为了保证课程教学质量,宜采用灵活多变的教学方法和手段。例如,讲解一些机床结构、刀具夹具结构等知识时,仅靠教师的理论讲述无法使学生完全理解,通过采用直观教学、现场教学和电化教学等手段,利用实验室的机械装备,可在短时间解决黑板上难讲透的问题[3]。此外,还可以通过交互式、讨论式、研究式和启发式教学方法,营造师生互动的教学环境,增强学生的学习积极性和学习热情[4]。
2.2 充分发挥实践在教学过程中的作用
机械制造技术基础不同于纯粹的理论课,它具有很强的实践性和应用性。实践效果对教学质量的好坏起到重要的作用。根据学校已有或周边生产工厂的条件,将理论教学和生产实践结合起来,通过实践与学习相互穿插的方式,或者理论教学与现场教学并行的方式,使学生的参与意识和工程能力大为增强,不仅能很好地消化所学的理论知识,而且能提高解决工程实际问题的能力。
2.3 采用合理考核方式
高等教育应为国家培养对社会有用的人才。卷面考试成绩的好坏很难全面说明一个人能力的高低。宜采用合理的考核方式,使学生在学习过程中不再单纯为了通过考试而功利地受迫学习,而是自觉、勤奋、紧张地学习,真正在知识、能力和素质等多方面得到全面的提高。为此可以对学生在实践环节、设计环节、课堂环节、答辩环节、操作环节等分别进行考核,从而较全面地考核学生对该门课程的学习情况。
2.4 强化教学内容和专业发展的动态结合
科学技术日新月异,新的机械制造方法不断涌现。要提高学生的学习兴趣,在备课时教师宜结合具体教学内容,及时收集学科最新的发展态势,介绍一些与之相关的最新的材料、成形、制造等方面的相关知识,使学生在感受到现代先进制造技术的同时理解学习传统知识的重要性,增加对这门课的学习兴趣。此外,还可以让学生在课后自己收集感兴趣的前沿科技,培养自学能力。
2.5 加强师资队伍建设
要实现良好的教学目标,过硬的师资队伍是关键。机械制造技术基础的课程性决定了该课程的教师不仅要具有扎实的专业理论功底,也要具有较熟练的实践技能,更要具有理论与生产结合的综合能力。许
