粉末冶金的概念第1篇

【关键词】粉末冶金 模具 仿真技术 加工方法

中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-111-01

0引言

粉末冶金是通过制取金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为生产原材料，通过过压制成形、烧结等工艺过程，制造出各种粉末冶金制品的工艺技术。现在，这种工艺已经成为我们在新材料研制领域内的重要工艺技术。在粉末冶金工业中，模具对于在很多工序中都有所应用，并且对于整个生产工艺也具有较大的影响。粉末冶金模具是粉末冶金制品生产的重要工艺装备，粉末冶金模具的质量对粉末冶金制品的质量具有直接的影响。然而，粉末冶金模具的质量主要取决于它的加工过程。因此，对于粉末冶金模具加工方法及仿真技术的研究，对于粉末冶金工业具有重大的意义。

1 粉末冶金模具的加工方法

目前，对于粉末冶金模具的先进加工方法种类很多，其中各种加工方法也是各有特点。现就几种主要的粉末冶金模具加工方法进行介绍，并对各种方法的特点和对粉末冶金模具的影响进行探讨。

1.1 电火花加工方法

电火花加工的方法，是通过在放电瞬间产生剧烈高温。然后，利用这一高温将工件的表面熔化（甚至汽化），从而达到机械加工的目的。这种加工方法在一些难以加工的超硬材料加工中具有明显的优势。

（1）电火花加工方法的特点

电火花加工方法能够有效的填补常规的机械加工方法对于难加工材料的不足，适用于对于强度高、熔点高、硬度高等难加工的材料的加工。另外，由于电火花加工方法直接利用电能与热能进行加工，因此在加工过程中可以实现加工的自动化控制。再者，这种加工方法的精细度很高，对于粉末冶金模具这种加工质量要求较高的产品是一种较为合适的加工方法。不过，这种方法也存在着一定的缺点，那就是利用电火花加工方法加工的粉末冶金模具的表面粗糙度较高，会对粉末冶金工业造成一定的影响。

（2）电火花加工方法在模具加工中的应用

在粉末冶金模具电火花加工中，常是通过使用数控电火花机床来进行加工的。数控电火花机床可以实现粉末冶金模具的精密加工，确保满足粉末冶金模具的质量要求。在粉末冶金模具的尺寸精度、仿形精度和表面质量等方面将发挥重要的作用。

1.2 仿形磨削加工方法

利用仿形磨削加工方法加工粉末冶金模具，即是通过利用专门的平面磨床，通过仿形尺对粉末冶金模具进行仿形磨削。这种粉末冶金模具加工方法的特点是其加工生产的粉末冶金模具的精密度较高，且表面较为光滑、平整，粗糙度较低。这种加工方法的缺点是加工效率较低。

1.3 数控线切割加工方法

数控线切割加工的方法，是通过将金属丝电极安装在一个转动的贮丝筒上，然后分别将被切割工件与金属丝电极接到高频电源的正、负极上，通过计算机技术控制控制电极的移动方向，并通过电火花加工达到自动切割的目的。

数控线切割方法是计算机技术与电火花加工技术的结合，可以发挥电火花加工方法的优点，还可以实现自动切割的目的。其在粉末冶金模具的加工上具有重要的作用。由于这种加工方法对于电极没有特别的要求，并可以对各种硬度和形状的工件进行加工。数控线切割加工的方法，还可以反复的使用电极丝，加工损耗小、精度高等特点，非常适合粉末冶金模具的加工生产。因此，数控线切割加工的方法也是目前在粉末冶金模具加工中最常用的方法之一。

2 粉末冶金模具的数控加工动态仿真

计算机仿真技术在各类科技领域都有广泛的影响，随着计算机仿真技术不断发展成熟，已经可以应用到产品从概念设计到结束使用寿命的整个周期的各个环节中，其中在产品的加工阶段应用更为广泛。在粉末冶金模具的加工过程中，仿真技术的应用将对粉末冶金模具的加工行业，甚至整个粉末冶金工业都具有重要的意义。

在粉末冶金模具的加工过程中，建立一个较为精确的数控加工动态仿真模型，通过模拟整个模具加工过程，从而获得在粉末冶金模具加工过程中所需的几何数据和力学信息，以及加工过程中可能发生的不良影响和可能出现的偏差值。通过数控动态仿真模型，便可以在加工前获得准确的信息，规避可能产生的不良影响，有效的降低了加工失误、偏差等现象发生的可能性。

在粉末冶金模具的加工过程中，利用精确的数控加工动态仿真模型，可以获得准确的数控加工代码，避免加工的错误和偏差；另外，还可以对加工误差值、刀具磨损等进行预测，为保证粉末冶金模具的质量要求和刀具的更换提供重要的参考信息。因此，在粉末冶金模具的制造加工过程中，计算机仿真技术发挥了重要的作用，对于保证模具加工生产的质量和提高模具生产效率都有很大的帮助。

3 结语

粉末冶金模具的加工，对于粉末冶金制品的质量具有很大的影响。目前，对于粉末冶金模具的加工方法仍具有很大的发展空间，计算机仿真技术在粉末冶金模具加工中的应用，也还需要人们不断的进行发展和研究。

参考文献：

粉末冶金的概念第2篇

关键词：材料成型；控制工程；金属材料加工

1材料成型与控制工程概念阐释

材料成型与控制工程是一个实用性学科，该学科剖析各种类型材料的宏观结构、微观结构、表面形态转换，深入研究材料热加工方法和塑性成形方法。材料成型与控制技术一般应用在机械制造行业、建筑行业以及设备加工行业，技术水平直接决定了这些行业产品制造质量、产品制造效率，关系到制造行业的利润，对于我国工业发展起到关键性基础作用。一般来说，产品设计必须应用材料成型与控制工程理论内涵以及具体的加工工艺，确定材料的性质、特点以及加工成品的功能，合理规划设计材料加工。金属材料是目前工业生产中较为常见的材料，材料成型与控制工程以分析金属材料性质、特点为主，充分考虑到材料成型与控制工程理论内容以及金属材料加工方法，探究材料成型与制造的关键技术，并利用领先的加工技术，实现制造技术的革新，确立我国工业制造的领先优势。加工金属材料时，需要应用到多种工艺技术，例如冲压、挤压、锻造、铸造以及焊接等工艺，这些工艺对技术水平提出了较高要求，每个技术环节出现差错都极易导致成型产品出现瑕疵，成型产品质量难以达标，其使用性能不能达到相关要求。因此，使用、加工金属材料之前，应仔细分析材料的物理性质、化学构成，并对材料进行测试，使其达到加工成型相关要求，结合此种材料的工作环境特点准备复合材料。

2材料成型与控制工程中加工金属材料的具体方式

2.1机械加工成型方法概述。机械加工成型作为金属材料加工过程中使用最为频繁的一种方式，这种方法的优势在于加工简便，设备资源较为丰富，加工金属材料的范围涉及到多个种类，加工精度高，能够加工几乎所有的金属材料。机械加工设备由普通机床逐步升级到数控机床，早期车、铣、刨、磨加工工序是单一的、独立的，现如今已经形成具备综合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精准性。机械加工金属材料需要结合产品的材料性质、形状特点，分析选择对应的加工工艺，确定工艺路线，选择钻、车、铣等加工方法以及相应的加工刀具。通常在对硬度较低的金属材料进行机械加工时，钻、铣等加工方式需要应用高速某材料刀具，车削加工应用硬质合金类刀具，此类刀具表面适合涂层使用；在机械加工高硬度金属材料时，适合选择金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工时使用切削液，能够降低加工金属材料表面和刀具的摩擦力，并将加工时产生的热量带走，确保材料加工质量达标。在机械加工特殊金属材料时，适合选择线切割、雕刻、电火花等加工方式，对于表面质量有较高要求的，应采取磨削加工方式，并根据具体情况实施抛光处理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技术是一种传统的材料成型与控制工程加工成型技术，该种技术在促进我国工业发展起到了积极的作用。粉末冶金成型技术最初应用在复合材料零件的制作过程中，利用压力成型的工艺完成加工、成型，适合应用在尺寸小、形状单一的零件制造中。该技术具有较强的适应性，能够应用于多种材料，工艺流程并不复杂，使用时突出增强相分布均匀、组织细密、界面反应少的特点。伴随科技的进步、加工制造技术的突破，该种技术也得到了发展和改进，现如今该技术主要应用于汽车、军事领域产品制造中，例如预制破片、刹车片等。应用粉末冶金成型技术生产、制造的金属产品具有较强耐磨性、较大强度，应用在特种工程领域中能够体现出较高的应用价值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技术根据成型方式划分成三类：传统压制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技术在应用过程中必须将成型方法与金属材料的物质性质、化学性质、产品特点、产品要求相一致，以此来提高产品质量、产品精度、生产效率。2.3粉末冶金成型技术分析概述。粉末冶金工艺流程包括配料环节、混料环节、成型环节、脱脂环节、烧结环节、后处理环节。汽车以及机械设备使用的齿轮具体以压制成型的加工工艺为主，这种工艺具有较高的生产效率，且材料成本低廉，产量大，适合规模生产。轻武器零件类似扳机等，具有较高的机械性能要求和尺寸精度要求，同时该产品形状复杂；医疗器械例如止血钳等产品要求较高的机械性能和表面质量标准；电子零件例如手机按键，具有较高的尺寸精度要求和质量要求，这些产品都应选择注射成型工艺加工，待烧结后制品无成分偏析，精度准确、机械性能好、组织致密、表面质量好，密度为7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能够采用整形、热处理、表面处理、机械加工工艺进行加工。现如今，应用粉末冶金成型技术能够体现出性能良好、效率高、生产成本低的优势。2.4冲压、挤压、塑性成型方法概述。冲压、挤压、塑性成型方法的应用范围最广。技术人员仅需要结合基础材料成型特点，利用模具表面涂层以及润滑技术，优化加工过程中的应力状态，从而减少材料加工成型中的摩擦阻力，释放材料压力，提高产品质量。冲压、挤压、塑性成型过程在加工复合材料时，应结合增强材料比例、材料尺寸、材料强度、材料种类、材料质量选取适当的冲压、挤压、模锻及其他塑形方式，进而制造高质量金属材料制品。塑性成型过程中如果被加工金属强度低，应提高加工速度。上述内容重点阐释了应用冲压、挤压、塑性成型方法时应重视模具的设计、制造、润滑方法、润滑条件。2.5铸造成型方法概述。铸造成型加工方法包括熔模法、压力法、反重力法、消失模法，离心法等，通常应用在低精度要求大批量产品成型，这些产品都需要后续机械加工操作。

3结语

粉末冶金的概念第3篇

公司概述

×某粉末冶金股份有限公司是某市重点扶持发展的企业，某省轻工系统“销售利税五十强”企业。该公司于一九九七年投资万元，新建厂房多平方米，新厂区位于某市高新技术产业园区。

×某粉末冶金股份有限公司现有总资产万元，其中固定资产万元。现有职工人，中等专业学校以上毕业生人。年产量吨，总产值万元，利税多万元。公司拥有—吨粉末冶金专用成型压机和精整压机共台套，铁基、铜基、烧结炉台套，并配有后续机、精加工仪表车床等加工设备。公司产品，主要包括铁基、铜基、铁铜基，系列含油轴承、摩托车减震器零件，铁基粉末冶金结构件、汽车拉申件。产品畅销东北、华北、华东地区，并与一些大公司建立了产销关系。而且公司根据目前情况建立了自己的销售方针和生产战略方针。公司无论在产品产量、生产规模还是生产能力都已成为长江以北最大的粉末冶金生产企业。

行业状况

×粉末冶金制品的应用范围十分广泛，从普通机械制造到精密仪器；从五金工具到大型机械；从电子工业到电机制造；从民用工业到军事工业；从一般技术到尖端高技术，均能见到粉末冶金工艺的身影。粉末冶金是制取金属粉末，及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成材料和制品的工艺技术。它是冶金和材料科学的一个分支学科。

×随着世界经济全球化的发展和我国加入世贸组织，制造业在国民经济中发挥着越来越重要的作用。作为集化工、冶金、机械等为一身的粉末冶金行业近年来发生了巨大的变化，特别是随着中国汽车工业的快速发展，带动了对粉末冶金机械零件日益增长的需求。粉末冶金机械零件已成为我国汽车、摩托车、家电、工程机械、纺织机械、农用运输车等诸多行业中不可缺少的基础零部件，其市场需求和应用领域不断扩大。十五期间，粉末冶金零部件的需求量将从年的吨增长到吨。其中汽车行业粉末冶金零部件的总需求量将从吨增加到吨，增长幅度近。这为粉末冶金行业提供了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。汽车零部件企业家，三资多家，年全行业销售产值亿元，同比增长。

×下表是粉末冶金行业企业主要经济指标四月份完成情况表：

×（资料来源：中国粉末冶金网）

×序号

×指标名称

×单位

×本月完成

×同期完成

×同期比

×

×工业总产值（现行价）

×万元

×

×

×

×

×工业销售

×万元

×

×

×

×

×其中：出货量

×万元

×

×

×

×

×产品销售收入

×万元

×

×

×

×

×粉末冶金机械零件产量

×吨

×

×

×

××（图）

×中国汽车工业协会副秘书长沈宁吾月日在“首届中国汽车及零部件产业发展论坛上”说，中国汽车零部件制造水平总体上达到世纪年代末国际水平，基本满足国内引进车型的配套要求。

×但是目前我国粉末冶金行业也存在着很多问题，例如研发能力弱，工业装备落后，产品水平低。在粉末冶金产品结构方面，结构零件约占机械零件总产量的，而国外约占；产品精度方面，与国外企业相比，国内一般企业相差约—个级别；内在质量和外在质量均有较大差距，稳定性欠缺。粉末冶金产品趋同化现象严重，低档产品多，生产过剩；高档产品欠缺，市场供不应求，只能寻求从国外进口。

×公司面临环境×××微观环境

宏观环境

某粉末冶金股份有限公司

政策

环境

社会

技术

供应商

竞争对手

市场状况

公司环境可以从两个方面来分析：微观和宏观环境。微观环境主要指公司内部运营状况，可以从的角度来分析；而宏观环境是指与企业有关的各个环节，包括：供应商，竞争对手和市场状况。如下图所示：

×

×（图）

微观环境：公司内部情况

从公司的运营状况来看，该企业在行业内并不具有绝对优势，具体分析如下：

政策：由于该行业基本属于完全竞争行业，并不存在政策的偏袒，所以每家企业面临着同样的政策背景。从这点上来看，该企业没有优势。

环境：主要指企业所处的地理环境。某市并不是一个很利于企业成长的环境，因为即使在某省，某市都不算是很发达的地区，而且该市周围并没有大型的汽车、摩托车等生产商（最近的也在北京、天津）。所以在企业所处环境上，该企业并没有优势。

×社会：在东北、华北、华东地区，该企业有一定的社会知名度，但是仍然有一些比较强的竞争对手，而且每个企业都有自己的产销网络，所以如果每家公司都保持现有优势，不出现临时的重大变故，不会轻易丢失客户，但这种情况下也很难大规模地拓展市场。所以从社会这方面来看，该企业在自己的产销网内有非常大的优势，但从整个行业来看，该企业的优势并不十分明显。

×技术：该公司虽然是该行业在长江以北最大的企业，但该行业的技术门槛比较低，而且对下游企业——汽车、摩托车等企业有比较强的依附力，所以如果一些大型的汽车生产商如果想要涉足该行业，很容易培养起来竞争力很强的企业。所以技术上，该企业也不存在很大的优势。

宏观环境

原料供应商：目前公司的铁粉原料都由山西阳泉提供，此供应商在铁粉生产领域属大型企业，产量大而且稳定，公司目前只有这一家原料供应商。这样有利于建立长期稳定的供货渠道，也有利于形成长期的供销同盟以提高行业的竞争门槛，限制竞争对手的发展；但是也存在一些缺点，首先这样会使公司受限于供应商，而失去了从供应商方面削减成本的机会，同时如果供应商出现问题，例如产量和价格波动较大，公司想要立即找到合适的供应商将会加大成本，给公司造成巨大损失。在这方面公司应该改变这种单一的进货渠道，积极寻找新的原料提供商，一方面可以自己主动寻找，另一方面可以以招标的形式，吸引供应商。这样可以在原料成本方面掌握主动权，分散风险，同时可以保证原料供应。

×市场状况：我国经济改革的进一步加快，以及我国加入世贸组织，为我国的经济市场带来了新的活力。作为一个新兴的行业粉末冶金也有了一个更为广阔的市场。随着人们消费水平的提高，对汽车、摩托车及各类家电需求量巨增，这些产品的配件市场也有了更大的发展潜力。有需求就有竞争，作为市场先入者的衡水粉末冶金公司应该趁行业竞争不是十分激烈的时候努力扩大市场，培养自己的核心竞争力，努力成为行业的领导者。

×竞争对手：作为一个生产粉末冶金产品的中型集体所有制企业，其在技术和管理领域都存在着较为严重的问题。衡粉的竞争对手主要分为两类，一类是技术、规模都领先的较大型企业，一类是小型的私营企业。第一类企业主要集中在南京、上海、宁波、重庆地区，其规模大，而且大多是合资企业，有着雄厚的资金、大量的专业人员和先进的技术，在产品档次上有着不可比拟的优势，而此时中国的零配件市场最短缺的就是高档次的产品，此类无论在国家政策还是技术引进方面都有很强的优势。这类企业的产品技术含量高，中等产品占的比重不大，低档次附加值低的产品几乎不生产。第二类企业，大都为私营的小型企业，主要集中在江浙一带，其在管理方面占有一定优势，一般是老总一个人做决定，管理紧促；管理人员少，各方面费用小，成本低，因此在价格方面有很大竞争力；而且大部分是新发展起来的，设备较为先进，但产品多为低档次产品；由于其规模小，生产能力有限，产量受很大限制。鉴于该公司目前的技术及规模情况，一时很难进入高档次产品市场，竞争能力很弱。因此将中低产品市场作为目标市场是最佳选择；和私营小企业相比，该公司具有较大规模的生产场地，产量大而且稳定，原料采购量大，可取得较优惠的价格，原材料成本低，工人多，生产能力充足，有比较正规的管理体系，能够从整个市场分析，制定公司长远发展计划。因此该公司在中低档产品的市场上有很大的优势。

设计市场营销计划设计营销计划的思路企业的整体战略规划确定了企业的任务和目标，市场营销战略在其中起关键性的作用。市场营销计划包括的内容有内容提要、当前营销状况、威胁与机会、营销目标、营销策略、活动程序、预算、控制。企业要想制定一套切实可行的营销计划，就必须针对以上内容做相应的调研、预测，充分了解并分析营销环境、营销信息系统、消费者市场、组织者市场，确定细分市场及目标市场。

公司的发展方向有以下三种选择：首先，以扩大生产原有产品为重点，这样可以减少风险，有利于企业的稳定发展，但不利于企业的长久发展，通过对企业的产品线分析看，该企业的产品宽度不够，如果仍然按照现在的产品结构发展，企业很难有长足的进步。其次，为用户提供相关的备品备件及跟踪服务，这样可以使企业从生产上向服务提供商转型，从行业价值链的角度看，生产商的利润总是越来越低，而服务提供商可以长久保持较高的利润，所以可以考虑公司的转型。其三，开发新产品，这是最难的，但是企业必须做的，没有能适应新市场的新产品，就无法使企业在近期的发展中取得领导者的地位，无论是转型还是扩大规模都无法谈及。

公司是否开发一项新产品，是否进入一个特定的市场，取决于市场是否拥有足够大的发展空间，进而取决于对市场的准确衡量和预测。消费者的需求、动机以及购买行为的差异性，是市场细分的根据。粉末冶金行业的主要消费对象是一些大型机械设备、汽车、家电企业，市场领域广泛，加之目前我国制造业的快速发展和经济的进一步开放，使粉末冶金市场有了更大的发展潜力，但同时也存在行业发展快的风险。该公司位处某省某市，交通相对比较便利。目前将市场定位在长江以北地区，尤其是山东、天津和东北地区，因为这些是制造业较为集中的地区。公司在作市场细分时，根据销售对象的行业分类，也是分为三部分：汽车、摩托车和家用电器。

×目标市场是在细分市场的基础上进行的，它根据市场细分标准选择一个或一个以上的细分市场，并作为企业营销对象的市场。一个细分市场要能成为理想的目标市场，必须具备三个条件：拥有一定的购买力，有足够的销售量和营业额；有较理想的尚未满足的消费需求；市场竞争还不激烈，竞争对手未能控制市场。目前，该公司将江南地区作为一个新的目标市场的所在地，一方面江南地区的纺织业发达，汽车制造业潜力巨大；另一方面，公司在生产技术方面较为领先，产品质量再同类产品中处较高水平，易于进入市场。在制定具体的目标市场策略时，企业有三种选择：无差异市场策略、差异市场策略和密集性市场策略。基于目前公司的规模教小，而且资源有限，可以采取以密集性市场策略为主，同时在局部实行差异市场策略。在江南地区不仅有知名品牌的汽车产地，而且随着我国汽车业的快速发展，和人们汽车消费的大量增长，使得一大批中小型汽车发展起来。针对市场情况，该公司可以将汽车零配件作为主产品进入，同时顾及纺织机械配件。

产品策略

×它一个综合性的概念，它包括产品组合策略、新产品开发策略、产品寿命周期策略、商标策略、包装策略、服务策略等一系列内容。

目前该公司的产品线长度为，既产品主要包括三个大的项目：汽车配件、摩托车配件和家电配件。从宽度上来看，汽车配件主要是汽车发动机上的配件；摩托车方面主要是减震器；家电方面主要是洗衣机上的旋转轴和空调上的平衡块。从一般意义上来讲，产品线长度主要是为了减少企业对下游企业的依附性，一般情况下大于或等于就算比较适中；而宽度主要是为了减少企业的市场风险，至少应为。由此可见产品线长度为，下游行业为个，比较适中；但宽度只有，每个行业只有一种主要产品，所以宽度较窄。如果产品线不做改进将不利于公司的长期发展。建议公司扩大产品线宽度，增加产品种类。

×产品生命周期：指产品从进入市场到被市场淘汰为止所经历的全部时间包括导入期、成长期、成熟期、衰退期。判断产品生命周期阶段的方法有两种，一是以销售增长率为标准，一般来讲成长期产品的销售增长率一般比较平稳，在相当长一段时间内保持大致相同的增长率，而成熟期增长率将会下降直至，随后进入衰退期；另一种是与市场的同类产品作对比，包括性能、技术含量和成本，一般来讲新产品至少在这三个方面里有一个方面是优于企业当前产品的，所以企业应该不定期对市场上的产品进行测评，以避免落后市场。然后根据已掌握的信息，预测各阶段的延续时间与增长速度。

×针对产品处于不同的生命阶段，相应制定市场营销策略。一般来讲，产品处于导入期时，应该采取保持产品性能的策略，使产品在用户心目中留下一个比较好的印象；在成长期时应该加大产品宣传力度，扩大产品的知名度；在产品进入成熟期后，销量达到最高点，增长速度缓慢，同时生产力过剩，市场竞争加剧，此时企业可采取延长产品生命周期的策略：市场改革策略、产品改革策略和市场销售组合策略。其中，市场改革策略主要指将现在的产品推向尚未开发的细分市场，比如行业的转换或者地点的转移，以此来使原有产品获得新的生命力，降低产品开发的成本；产品改革策略主要指改进现有产品，在现有产品基础上开发出新的产品，通过命名和宣传的不同达到开发新市场的目的；最后一种市场销售组合策略是指通过组合不同产品，通过捆绑策略来进行市场竞争。

×从该公司的情况来看，该公司的产品有一部分正在从成熟期转向衰退期，这部分产品以前是或者现在仍是公司盈利的主要支柱之一，但产品的盈利能力在不断下降，而且从产品本身来讲，产品在技术方面已经完全成熟，性能方面的改进空间已经很小。例如摩托车减震器，此产品销量最近几年并没有多大增长，为了延长其周期，公司可以尝试在新的市场，比如南方市场来推广这些已经成熟的产品，因为这些产品已经成熟，容易打开市场，同时又可以延长产品的生命周期，降低成本。

×该公司还有一部分产品正在处于导入期。但这部分产品有的是公司刚研发出来的，市场风险比较高；有的是专门为配合大企业推出新的成品而专门开发的，比如平衡块是专门为做的，虽然依附于大企业会降低新品推广的市场风险，但由于推广主体是，所以即使产品推广成功，主要的获利者是，该公司不能从中获得较高的利润。所以，公司应该对前者进行周密的市场推广计划，通过更多的前期预测来降低风险，并从中取得尽可能高的利润。

×该公司在判断产品生命周期方面，以销售增长率为标准，但是由于其信息通道欠发达，使得销售与产品生产相对滞后，产品积压较严重。所以企业应该加大信息通道建设，搜集各方面的信息，使企业能够准确预测产品发展前景；在另一方面，公司应该同时与同类产品作比较，多收集信息，可以利用网络上的报价，判断产品所处生命阶段，及时调整生产，避免供不应求或产品积压。

新产品开发：随着科学技术的进步，产品的生命周期日趋缩短，为了更好的适应环境，继续生存，企业就必须将新产品开发作为企业营销的一项重大决策。为使新产品开发减少风险获得成功，企业应遵循几个原则新产品的开发要符合国家规定、新产品要适应科学技术发展的趋势、开发新产品应考虑结构相似工艺相近的原则。更重要的一点就是企业要进行准确的市场调查和研究，要保证企业的新产品有足够的发展空间和盈利空间。

×粉末冶金产品开发的关键是模具的设计和制造。某公司虽然其在技术上已达到国内较先进的水平，但还存在许多缺陷，一方面是由于国内整体水平不高，另一方面由于企业较小，资金有限，不能大规模的进行市场开发。公司在新产品开发方面建立了自己的研发室，但是专业技术人员少，科研设备落后。针对公司自身的不足，在新产品开发方面，企业可以选择独立开发和联合开发这两种方式。对于技术含量低，市场前景广阔的产品，企业可以自行研发，取得专利权，以赢取较高的利润。而专业性水平高的产品，可以采用联合开发，一方面可以与大中院校建立合作关系，利用其完备的科学理论和设计基础为公司服务，公司可以作为学校的实验基地。目前企业已于河北工业大学建立良好的合作关系，研究开发了与空调器配套的铸造黄铜平衡块。另一方面可以与客户建立联合开发项目，与顾客建立良好的反馈关系，由于是与顾客共同研发，因此产品无论是质量还是设计均合乎顾客的需要，但这样的产品可能属于为单一企业量身定做，可能市场前景并不广泛，而且由于专利转让问题，企业并不一定有完全的市场开发权利，所以这种新产品开发模式不一定能为企业带来高利润。

×在产品精度方面，公司积极引进精加工设备和电子检测仪，使产品在国内同类产品中处于领先水平。在产品质量方面，各车间配有质量检测员，不定期进行产品抽查，而且建立了责任制以及最低次品率，以保证产品质量和最低损耗率。同时公司也在研究新的原料，提高产品质量，尤其是产品的耐磨性和抗压性方面。在产品档次方面，公司应该积极在国外寻求合作伙伴，随着关税降低，刺激了大量电子机械以及汽车等商品的进口，给我国的机械配件行业也带来了很好的发展机遇，主要是高档次产品市场。该公司应该积极利用自己技术优势和地理优势，开拓高档次产品，并且积极引进资金，争取早日进入高档次市场。

×品牌和包装策略：在我国企业的品牌意识不强，自我保护意识差。在粉末冶金行业也是如此，而且因为其产品大都为配件产品，想树立自己的品牌就显得更为困难。该公司目前还没有自己的注册商标，在以前这并不影响公司的销售，但随着行业竞争激烈程度的加深，以及市场的对外开放，零配件市场也在进一步趋于正规化，拥有自己的品牌已经十分必要了。在树立自己品牌方面，该公司可采用两种策略。一部分专业性产品，例如为公司生产的平衡块可以和名牌大企业建立关系，只作为其配套公司；一部分基础产品，例如摩托车减震器，此类产品任何品牌摩托车都要使用，这类产品，公司应该有自己的品牌。在品牌推广方面，对于专业性产品，企业应该保持产品的质量，并加大与大型厂商的联系进行一对一营销；对于基础产品，公司应该加大对用户的营销，使产品在最终用户心目中留下好的口碑，促使成品生产商选择自己的产品，同时也要对成品生产商进行一对一营销，双管齐下。

定价策略

×价格是商品价值的货币表现。买卖双方一次交易是否成功，往往取决于价格的高低。同时价格也是反映市场变化最灵敏的因素，也是市场营销组合因素中最活跃的行为。调整价格成为企业间竞争的主要手段。

×企业定价主要考虑的因素主要有：

×一、成本。这是生产商定价的主要标准，也是最简单的标准。主要是因为企业的产品涉及行业较多，对每种商品都设计独特的定价模式会大大消耗企业的精力，所以只好采取这种最简单的以成本为主要因素的定价方法。

×二、需求和利润。主要考虑到企业的财务收益，单纯的利润因素将不能使企业在激烈的行业竞争中取得优势，所以企业必须考虑行业需求。

×从对企业的调研来看，企业定价目标主要有以下几种：一、以利润为中心的定价目标，它包括最大利润目标、投资收益率目标和满意利润率目标。当企业的产品在市场上处于绝对有利地位时，可实行高价、高利政策，但这种目标不可能长期维持，必然遭到多方抵制、竞争甚至政府干预。二、以销售为目标，包括销售增长率目标和提高市场占有率目标。企业如果想提高销售量和市场占有率可采取降价的策略。三、以保持现状为目标，此目标主要是企业想让企业保持现有的优势，不被其他企业追上。

×从目标和因素的对比来看，该企业现有的定价因素能够在一定程度上达到企业的目标。以成本为导向主要是为了保持利润，而以销售和利润为辅是为了保持现状并扩大销售量，所以现在的定价策略比较合理。

在实际的实施中，该公司在定价方面确立了以利润为目标的定价策略，公司根据上年销量和价格来确定今年的产品价格，而且相应制定年销售额和年利税额。在定价方法上，公司目前采取成本导向定价，因为目前粉末冶金产品同质化严重，产品差异较小，这时候就必须考虑成本，根据竞争对手来制订价格。所以在原材料方面，粉末冶金产品主要是铁粉和铜粉，因此产品定价主要基于原材料的涨幅以及市场供销情况。由于近期钢铁类价格上涨，公司采取了提价措施。但是目前该公司的竞争对手多为小企业，其成本很低，只靠成本定价并没有优势。所以公司应该多考虑从需求和利润角度来定价，时刻关注市场，掌握供求状况和竞争状况，制定灵活的定价策略，以适应市场多变的需要。但是价格不可以波动次数太多，以免影响公司的信誉度。

销售渠道策略

×选择有效的销售渠道对公司来说至关重要。销售渠道简单的划分为直接销售渠道和间接销售渠道。不同的产品策略、市场策略，决定着不同的渠道策略。是利用现有的渠道，还是建设新的渠道，主要基于两方面的分析：（一）、产品品类的一致性和目标消费群体的一致性（二）、成本和风险。

×该公司根据自身状况选择了直销策略，这主要是基于公司产品的性质以及消费群体的特点而决定的。粉末冶金产品是生产资料性质的，主要是汽车、机械等大型产品的配套零件，大多为批量生产，批量订购，而且消费群体多为汽车、家用电器、纺织机械等大型企业，目标市场比较明确、集中。因此，与其设立中间商，不如直接与最终消费者联系，进行针对性的销售，从而降低价格，并保持利润，同时可以与顾客建立良好的信息反馈关系，了解顾客的需要，不断开发新产品，或与顾客共同研究开发，而成为其盟友公司。在这种直销关系中，也遇到了问题，由于需求市场较为分散，业务员显得尤为不足，但是培养一个业务员成本又很大，因此在目前公司欲扩大规模之时，可以适当设立几个中间商作为联系客户的桥梁。

×该公司下设两个销售子公司，分别负责不同地区的销售。这样便于搜集信息，了解整个市场动态。而且，可以刺激公司内部的良性竞争，使两个销售公司的职员努力开拓市场，提高销量。可是虽然公司的销售量有所上升，但在销售过程中也存在着很多问题，例如业务员短缺，信息匮乏，市场竞争激烈，这些使得公司的市场占有率并没有明显提高。因此在采取直销策略时，也应适当增加其他渠道，例如公司想要开发江南地区的市场，但是只靠本公司业务员是很难的，这时公司应该采取本地化策略，可以在这个地区寻找商或者设置分公司，利用当地的营销关系和人才，帮助企业打入江南地区的市场。

×目前，公司已成为长江以北最大的粉末冶金行业，在老客户方面，衡粉大部分产品主要是客户主动联系，虽然已与多家企业建立了长期的产销关系，产品销售情况也比较不错，但是这样难免有些被动，所以在与老顾客可以采用主关系营销，定期与老顾客联系，并给予一定优惠，这样一方面可以给顾客良好的印象，另一方面也可以通过其为公司做免费广告，进一步开发新的顾客。具体实施可以根据厂商与本公司的合作时间提供不同的打折优惠，例如：合作时间超过十年的八折优惠，年的九折优惠等等。

×公司目前外销占总销量的很小一部分，而且多为附加值低的产品，主要是贸易公司主动联系的，公司并没有出口权，也没有固定的国外客户。公司现在并没有将外销列在计划范围内，也没有积极寻求国外客户，这将使公司丧失很多的顾客。鉴于公司目前的销售能力，不可能直接接触国外顾客，因此建议公司利用网络资源，关注供求信息，主动联系需求者；或者积极与国际贸易公司联系，提供出口产品。

×但是企业规模并没有太大发展，长此以往，公司的市场优势可能会受到其他发展快的公司的威胁，因此公司不能只局限于保持老客户，应该积极开拓新的市场领域和产品领域。公司内部应该加快更新设备，增加产品线，扩大规模。

×同时，针对于我国粉末冶金行业中小企业较多，零配件又是主要产品，在贸易渠道的开发上可以走集群化发展道路。所谓集群，是指一群独立又相互关联的中小企业依照专业化分工和协作建立起来的组织。一方面可通过专业化生产，避免产品的趋同化；另一方面可以利用大企业的信息和技术资源，增强开拓市场的能力。

促销策略

粉末冶金的概念第4篇

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。

粉末冶金的概念第5篇

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。

参考文献：

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[2]李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[M].北京:清华大学出版社.2003.

[3]王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理,2000,29(4):206-211.

[4]曾黎明.功能复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.

[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.

[7]李智慧,何小凤,李运刚等.功能梯度材料的研究现状[J].河北理工学院学报,2007,29(1):45-50.

[8]李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J].菏泽学院学报,2007,29(5):51-55.

[9]林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.

[10]庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J].金属制品,2005,31(4):4-9.

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[16]自蔓延高温合成法.材料工艺及应用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

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[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.

粉末冶金的概念第6篇

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

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]。

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。

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。

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。

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]：

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

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]。

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

粉末冶金的概念第7篇

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

abstract :this paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. the current status of the research of fgm are discussed and an anticipation of its future development is also present.

key words :fgm；composite；the advance

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。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，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。

1 fgm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。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或龟裂现象，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，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。

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 。

2 fgm的特性和分类

2.1 fgm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。正如erdogan在其论文 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。

2.2 fgm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；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）；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 ；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 。

3 fgm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。

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

4 fgm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。

4. 1 　fgm设计

fgm设计是一个逆向设计过程 。

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. 2　fgm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 。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 、al2o3-w-ni-cr、wc-co、wc-ni等 。

4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(self-propagating high-temperature synthesis 简称shs或combustion synthesis)

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]：

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 、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1 500 k,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. 5 km/ 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 、nicral/mgo -zro2、nicral/al2o3/zro2、nicraly/zro2[10]系功能梯度材料

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 ] 。

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。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。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

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. 3 fgm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 。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。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]。

5 fgm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。

5.2 fgm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。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。

参考文献：

杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[m].北京：化学工业出版社，2006.

李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[ m].北京:清华大学出版社.2003.

王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[j].物理,2000,29(4):206-211.

曾黎明.功能复合材料及其应用[m]. 北京：化学工业出版社，2007.

高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[j]. 山西建筑,2006, 32(5):143-144.

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李智慧,何小凤,李运刚等. 功能梯度材料的研究现状[j]. 河北理工学院学报,2007, 29(1):45-50.

李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[j]. 菏泽学院学报,2007, 29(5):51-55.

[9] 林峰.梯度功能材料的研究与应用[j].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.

[10] 庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[j]. 金属制品,2005,31(4):4-9.

[11] 戈晓岚,赵茂程.工程材料[ m].南京:东南大学出版社，2004.

[12] 唐小真.材料化学导论[m].北京：高等教育出版社,2007.

[13] 李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[j]. 宁夏工程技术,2007, 6(1):80-83.

[14] 戴起勋,赵玉涛.材料科学研究方法[m] .北京：国防工业出版社,2005.

[15] 邵立勤.新材料领域未来发展方向 [j]. 新材料产业, 2004,1:25-30.

[16] 自蔓延高温合成法.材料工艺及应用http://etsc.hnu.cn/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

[17] 远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.

[18] 工程材料. http://col.njtu.edu.cn/zskj/3021/gccl/ch2/2.6.4.htm.

[19] 刘清，张军.先进复合材料领域近期发展趋势[j].特别关注，2005,12：9-11.

粉末冶金的概念第8篇

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

abstract :this paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. the current status of the research of fgm are discussed and an anticipation of its future development is also present.

key words :fgm；composite；the advance

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。

1 fgm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]。

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]。

2 fgm的特性和分类

2.1 fgm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。

2.2 fgm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]。

3 fgm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。

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

4 fgm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。

4. 1 　fgm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. 2　fgm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-propagating high-temperature synthesis 简称shs或combustion synthesis)

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]：

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1 500 k,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. 5 km/ 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

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 ] 。

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. 3 fgm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]。

5 fgm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。

5.2 fgm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

粉末冶金的概念第9篇

关键词：新型金属材料；成型加工；加工技术创新

1概述

随着科学技术的发展，新型的金属材料在现代化工业中得到了全面的推广与应用，与普通金属材料相比，新型金属材料具有更为优异的性能与质量，已经成为很多领域中重要的工程材料，尤其是在能源开发、零部件制作、交通运输机械轻量化等方面[1]。在采用新型金属材料作为工程材料时，涉及到很多繁复的成型加工技术与工作，在现代化工业飞速发展的今天，如何不断发展与完善新型金属材料的成型加工技术，更好地发挥新型金属材料的特性，已经成为各领域中材料工程师们的研究重心。

2新型金属材料及其加工特性

金属材料是由金属元素或金属元素为主所构成的具有金属特性的材料。金属材料通常具有较好的延展性。新型金属材料都属于合金，其种类较多，性能与质量较普通金属材料都有很大的突破，目前在市场上广泛使用的新型金属材料有高温合金、形状记忆合金、非晶态合金等。新型金属材料的二次成型加工过程通常包括焊接、挤压、铸造、超塑成型等等复杂的加工技术。新型金属材料的加工特性如下[2]：

2.1铸造性

新型金属材料都属于合金，因此其熔点一般比较高，导致金属材料的流动性较低，收缩性较低，便于新型金属材料的锻造与二次成型加工。

2.2锻压性

锻压性是新型金属材料的基本特性之一，该特性可以提高新型金属材料的可塑性，时成型加工的金属材料能够具有更高的性能优势。

2.3焊接性

原始金属材料通常需要经过焊接后二次成型再进行后续的工程应用，因此新型金属材料成型加工的基础特性就是焊接性，其需要有良好的焊接性与高导热性能，才能在成型加工过程中保证材料不会产生气孔与裂缝等。

3新型金属材料成型加工的原则

新型金属材料通过会在工程施工、机械设备、航空航天等方面广泛使用，一般具有良好的耐磨性与较高的硬度，以满足各类工程建设与机械化生产的质量需求。但是新型金属材料的这一特性也给其在成型加工方面增加了一定程度的困难，例如金属材料的硬度较高会导致其在普通的锻造环境下很难发生变形，使得很难将其塑造成一定形状或尺寸的工业零部件[3]。不同的金属材料具有不同的特性，市场对金属材料成型加工后的质量与性能也有不同的要求，因此通常会根据金属材料不同的特性采取不同的成型加工技术。例如，某些特殊的金属材料只有通过纤维性增强才能实现其二次成型加工。因此在实际对新型金属材料进行成型加工时，需要针对材料的特性采取相应的技术手段，切实推进新型金属材料成型加工工作的开展。新型金属材料的二次成型加工过程是一个非常复杂且细致的过程，其涉及的技术通常包括焊接、挤压、铸造、超塑成型等等复杂的加工技术，在实际的成型加工工作流中，一旦由于操作人员的操作不当而出现即使是小型的失误，都会给加工的金属成品带来无法磨灭的负面影响。例如，在铸造工艺中，如果没有对铸型的尺寸、大小等参数进行详细周密的把控，会导致成型加工之后的金属成品不符合零部件要求的质量与规格，不仅会给加工单位带来极大的成本损耗，还会影响工程的施工进度或机械设备的制造进度，延长施工或制造周期。因此，在对新型金属材料进行成型加工之前，加工人员需要对金属材料的物理与化学特性进行透彻的分析与掌握，才能够具体问题具体分析、因地制宜地针对不同的金属材料进行成型加工。

4新型金属材料成型加工技术

4.1粉末冶金技术

粉末冶金技术是以金属粉末为原料，通过不断的烧结与塑形，形成金属材料、新型金属复合材料等的工业技术。粉末冶金技术是早期使用最为广泛的新型金属材料成型加工技术，在增强晶须的功能等方面具有独特的优势。现阶段，粉末冶金技术主要应用于制造小尺寸且形状粗糙、不复杂的精密零部件，其通过不断地对金属粉末进行烧结与塑形，可以精密控制并提高金属材料中的金属含量，因此在小型零部件制作中拥有广泛的市场前景[4]。

4.2电切割技术

电切割技术是通过在介电流中插入移动的电极线，然后利用局部的高温对金属材料进行几何形状切割，这样的方式也可以充分高效地利用冲洗液体的压力对零部件与负极之间的间隙进行冲刷，因此较传统的放电方式具有一定的优势。在采用电切割法进行新型金属材料的成型加工时，通常会由于放电效果较差等原因导新型金属符合材料的切割速度变慢，从而产生切割的切口不光滑等问题。

4.3铸造成型技术

铸造成型技术是将液态的金属浇注到与零件尺寸、形状相匹配的铸型中，待液态的金属冷却凝固之后，将固态的金属材料取出，即可获得与铸型形状一致的毛坯或零件。在铸造成型技术的应用过程中，铸型的有效性检验是非常重要的环节，其形状、尺寸等质量的把控直接关系到零部件的质量与性能。

4.4焊接技术

原始金属材料通常需要经过焊接后二次成型再进行后续的工程应用，焊接技术是在高温或者高压的环境下，采用焊接材料，例如焊条或者焊丝，将多个待焊接的金属材料连接成一个整体技术，该技术被广泛应用于航天航空、机械制造等领域。需要注意的是，在新型金属材料的焊接过程中，在金属与增强物二者之间常常会发生化学反应，会影响焊接的速度，在遇到这一问题时，通常可以对金属或者增强物进行轴对称旋转，然后将焊接接头置于高温下，使其达到熔化状态[5]。

4.5模锻塑型技术

对于一些硬性较大的新型金属材料，一般的锻造环境无法使其加工塑形，以钛合金、镁合金等为例，这些金属材料由于锻造温度范围窄，可塑性较差，因此在变形时会产生极大的抗力，很难将其塑造成一定形状或尺寸的工业零部件，为了解决这一问题，模锻塑型技术应运而生。模锻塑型技术包含超速成型、模锻与挤压等方法，在对金属材料进行挤压时需要保持甚至提高锻造环境的温度，以提高金属材料的可塑性，同时需要在模具的表面涂上剂，降低模具表面的摩擦力，从而进一步降低模锻塑型的难度。通过模锻塑型技术进行金属材料的成型加工，可以使得生产出来的零部件具有较高的质量与性能，其组织也更为严密，已经成为金属材料成型加工中使用最为普遍的技术手段。

5结束语

与普通金属材料相比，新型金属材料具有更高的铸造性、高铸压性、良好的焊接性与高导热性等性能优势，已经成为很多领域中非常重要的工程材料。本文对现有的金属材料成型加工技术进行了详细的阐述，如粉末冶金技术、电切割技术、模锻塑型技术等，并对这些技术中的问题与关键技术点进行分析，对发展与完善新型金属材料的成型加工技术具有重要的促进作用。

参考文献

[1]李兰军.浅谈新型金属材料成型加工技术[J].科技视界，2015（15）：286+291.

[2]张利民.新型金属材料成型加工技术研究[J].科技资讯，2012（16）：113-114.

[3]薛宇.新型金属材料成型加工技术分析[J].才智，2012（27）：37.

[4]高宝宝，解念锁.金属材料环境友好成型加工技术研究[J].科技创新与应用，2016（10）：43.