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粉末冶金的概念范文1
1高速壓制成形技術最新研究進展
1．1成形裝備
成形設備是實現粉末冶金高速壓制成形的硬件基礎，是發揮高速壓制成形技術優勢的前提條件，因此成形設備的研究進展也是高速壓制技術研究人員關注的重點。為使沖擊錘頭獲得高速度和高能量脈沖，目前可以采用的技術包括壓縮空氣、燃燒汽油－空氣混合氣、爆炸、電容器放電、疊并磁場、磁力驅動和機械彈簧等［2］。目前，基于液壓驅動、重力勢能驅動、機械彈簧蓄能驅動的高速壓制成形設備進展較快。Hydropulsor公司以專利技術液壓動力單位控制油路系統實現錘頭的高速下降和提升，可實現高速的沖擊壓制和在極短時間間隔內多次高速壓制，該公司已經成功開發出第四代HVC壓機，可供應2 000t、900t、350t、100t等不同規格的機型，并銷往多個國家和地區，對高速壓制成形技術的研究起到積極的推動作用。但該類HVC成形設備成本較高、售價高昂，且壓制速度通常在10m／s以下，無加熱等輔助裝置，在一定程度上限制了它的普及。重力勢能驅動的HVC成形裝置具有成本低廉，壓制速度調節范圍大等優勢引起了研究人員的高度重視，華南理工大學肖志瑜教授等人［3］自行設計制造了一種重錘式溫粉末高速壓制成形試驗裝置。該裝置采用獨特的沖擊結構，直接利用重力勢能獲得壓制能量，通過調節重錘下落高度獲得不同的沖擊速度，最大理論速度可達18．78m／s，與Ku－mar［4］等人采用的重錘式試驗裝置沖擊速度只能達到10m／s相比，具有明顯的優勢。該裝置通過加熱圈直接對模具進行加熱，替代了熱油加熱，簡化了加熱元件的安裝，加熱溫度可以精確控制，通過測溫儀可以讀出模具溫度。同時，拿掉加熱圈，就可以進行傳統的高速壓制，從而進行高速壓制和溫高速壓制的對比實驗，為研究提供了極大的方便。華南理工大學邵明教授等人［5］，自行設計和制造了一種基于機械彈簧蓄能的粉末冶金高速壓制壓力機，并用于基礎探索研究。該設備可以將氣動、液壓或其他動力機構能量儲蓄在機械彈簧中，通過一個錘柄鎖緊釋放機構將壓縮彈簧的機械勢能瞬間釋放，驅動沖擊錘頭達到10m／s以上的高速度，使壓制瞬間的重錘沖擊速度達到HVC技術的要求，并將沖擊波通過上模沖傳遞給金屬粉末顆粒，使其在極短時間內致密成形。
1．2模具結構優化
模具的穩定性和壽命影響著高速壓制技術的工業化應用，而改善高速壓制模具壽命的手段不外乎于合理選材和優化模具結構設計。在高速壓制過程中，上模沖要承受劇烈的沖擊，因此宜選用韌性好的材料；而模具結構優化方面，一般認為沖錘與模沖直徑相等且均為等截面桿時，對模沖壽命和撞擊效率來說 都 是 最 佳 選 擇，但 這 勢 必 會 縮 小 高 速 壓 制（HVC）技術的應用范圍，因此需要對模具進行進一步的結構優化，目前利用高速壓制技術除已成功制備了圓柱體、環形、棒體和凸輪等單層零件外，還可以成功制備軸承蓋、牙齒冒等復雜多級產品。如Hinzmann［6］等人即成功設計出可用于多級零部件高速壓制成形的模具，他指出模具設計時采用單個上模沖和每級一個下模沖的結構更有利于模具壽命和沖擊能量的傳遞；Le［7］等人用高速壓制的方法將WC－Fe等材質成功壓制成多級試樣，并對界面的凝聚力和界面幾何尺寸進行了分析；法國機械工程技術中心（CETIM）采用HVC技術成功制備了多階零件和有內齒或沿高度方向有外齒的復雜形狀部件［8］；Eriksson等人［9］采用HVC和彈性模相結合的方法，使沖擊能量通過彈性模以準等靜壓方式轉移至零件的不同部位進行壓制，成功制備了形狀復雜的3D齒帽零件。
1．3成形過程數值模擬
數值模擬能大幅度降低設計成本、縮短設計周期，因此對高速壓制致密化過程的數值模擬也是近幾年的研究熱點。對于粉末壓制成形的數值模擬，目前主要是基于金屬塑性力學和廣義塑性力學兩種方法，但在低密度情況下，其假設條件與實際情況有出入，因此在實際應用中，粉末壓制模型是以完全致密化材料的基本模型為基礎，加上給定的一系列引起塑性流動的條件而建立的。Haggblad［10，11］等利用Hopkinson實驗裝置對硅膠和鈦粉進行高速壓制，根據所得數據分別建立了相應的數學模型，用有限元法模擬了硅膠模中壓制鈦粉的情況得出密度分布和最佳尺寸設計，其結果與實驗結果一致。中南大學的鄭洲順教授［12］等對高速壓制成形過程中應力波的傳播特征和粉末流動過程進行了數學建模和數值模擬，其研究結果表明，高速壓制過程中，應力波的傳播會使粉末應力突躍到峰值，每層的應力峰值隨時間以指數衰減，從上層到下層應力峰值呈指數下降；應力波作用后，鐵粉壓坯垂直方向的線密度值從上層到底層遞減，中間各層的線密度均勻；壓制過程開始后，密度最先變化的是底層的單元，它們之間的空隙迅速縮?。▽w粒重排），頂層的單元繼續往下運動（對應顆粒塑性變形），頂層顆粒受壓繼續往下運動而底層顆粒運動基本達到平衡，粉末的密度分布開始趨于均勻，這一過程與高速壓制成形的試驗結果相符［13］。Jerier等［14］建立了一種高密度粉體接觸模型，并在YADE開源軟件系統上進行了離散元（DEM）數值模擬，其結果與多粒子有限元數值模擬及試驗結果吻合程度均較高，在一定程度上克服了離散元法（DEM）數值模擬不能正確推演高密度粉末壓制過程應力演變的缺點，為金屬粉末高密度壓制的數值模擬拓展了新理論和新方法。秦宣云［15］等通過等效熱阻法建立了粉末散體空間導熱的并聯模型，并考慮了熱輻射的貢獻，推導的有效導熱率的計算公式表達了分形維數、溫度對有效導熱率的影響。
1．4致密化機理
高速壓制技術已經成功用于生產實際，但高速壓制的致密化機理目前尚無定論，HVC致密化機理的分 析 也 一 直 是 研 究 熱 點 之 一。果 世 駒 教 授 等人［16］提出了“熱軟化剪切致密化機制”，據此給出了相應的壓制方程，該方程可合理地定性與定量解釋高速壓制下粉末壓坯的致密化行為與特性；Sethi等人［2］認為HVC過程中并無沖擊波產生，粉末體受沖擊時，應力波形是一種逐漸上升的波形，在沖擊速度不是非常高的情況下，很難在粉末內產生真正的沖擊波；北京科技大學曲選輝教授等人［17］對鐵粉、銅粉、鈦粉等多種粉末進行的壓制中證明了HVC過程中溫升現象的存在，但并未發現絕熱剪切現象；易明軍等［18］初步研究了HVC過程中應力波波形的基本特征和對壓坯質量的影響，結果表明，應力波為鋸齒波形，每一個加載波形上都有數個極值點，其持續時間受加載速率的影響，且應力波在自由端面反射后會造成拉應力，從而導致壓坯表面分層和剝落。陳進［19］對高速壓制致密化機理進行了初步探討，他認為粉末劇烈的塑性變形和顆粒間的摩擦產生較大溫升，對粉末致密化起到主導作用。此外在成形過程中，氣體絕熱壓縮對致密化也起到了重要的作用，即在高速壓制時，瞬間內氣體難以逸出而產生絕熱壓縮，使溫度升高，從而使孔隙中氣體分子的熱運動加速，使粉末散體的傳熱增強，能量沉積在顆粒界面而使其軟化，有利于進一步致密化。此外，高速壓制的壓坯密度不僅取決于沖擊能量，還與壓坯質量有很大關系，因此應該采用既能體現沖擊能量又能反映壓坯質量的質量能量密度的概念，即單位質量的壓坯在壓制過程中所受到的沖擊能量，單位為J／g。閆志巧等［20］通過鈦粉高速壓制試驗得知，對外徑60mm內徑30mm圓環形壓坯，質量能量密度為40．1J／g時相對密度達到76．2％；而對直徑20mm的圓柱形壓坯，質量能量密度為121．7J／g時相對密度達到96．0％；不同壓坯形狀的致密化機理有所不同，圓環形壓坯主要以顆?；瑒雍皖w粒重排為主，而圓柱形壓坯主要以塑性變形為主。目前HVC研究的壓制速度一般在10m／s左右，其機理無法套用爆炸成形的致密化機理，需要進一步進行研究與探索，尤其是重點研究粉末顆粒的微觀行為，如粉末塑性變形、粉末碎裂等，以及粉末顆粒界面的顯微組織形成與演變，粉末顆粒邊界的擴散、焊合過程，孔隙形狀的演變等現象。
1．5 HVC的成分體系適應性
近幾年，國內外研究人員已經對鐵粉、銅粉、鈦粉、合金鋼粉末、軟磁材料以及聚合物等成分體系的高速壓制致密化行為進行了初步探索，如Bos［21］等人所在的SKF公司用HVC技術大規模制備高密度、高強度的鐵基和316L不銹鋼零件，所生產的鐵基齒輪件密度可達7．7g／cm3；王建忠［22，23］等人對鐵粉和銅粉的高速壓制試驗表明：單次壓制鐵粉時，當沖擊能量增加到6 510J時生坯密度達到7．336g／cm3，相對密度約為97％；單次壓制銅粉時，當沖擊能量為6 076J時，試樣的生坯密度達到最大，為8．42g／cm3，相對密度約為95％；Eriksson［24］等人采用HVC技術制備了致密度為98．5％的鈦／羥基磷灰石復合壓坯，在500℃的低溫即可實現材料的燒結；閆志巧［25］等人的研究表明，高速壓制可制備高密度的鈦粉壓坯，當沖擊能量為1 217J時，直徑為20 mm圓柱試 樣的壓坯密度 最 大，達 到4．38g／cm3，相對密度為97．4％；中南大學的王志法［26，27］教授等人在950℃高速壓制獲得了相對密度大于80．65％的W骨 架，從 而 為 高 溫 熔 滲 制 備90W－10Cu復合材料奠定了基礎；Andersson［28］等人指出，由于高速壓制（HVC）技術能顯著提高磁粉的壓制密度，從而能大幅提高其磁性能，使軟磁材料具有更強的競爭力和更廣泛的應用范圍；Poitou［29］等人對聚四氟乙烯進行高速壓制，發現其密度、晶體質量分數、抗磨損性能等物理和力學性能相對常規壓制有所提高；Jauffres［30，31］等人采用高速壓制技術對超大分子量聚乙烯進行成形，研究發現其楊氏模量、延伸率、屈服強度、蠕變強度和耐磨性等各項性能指標均優于傳統壓制成形方法。在上述研究的基礎上，應進一步拓展合金鋼粉末、復合材料粉末、銅合金粉末、鎢合金粉末、鋁合金粉末、磁性材料及非晶合金材料等成分體系的高速壓制技術，從而為制備高密度高性能粉末冶金制品提供新途徑。
2高速壓制成形技術的發展方向
高速壓制是在傳統模壓中輸入高速度機械能產生的新型壓制技術，作為近十年才發展起來的一種新技術，其相關基礎研究還不夠系統和深入。此外，為了進行技術創新，可以考慮將高速壓制技術與溫壓、模壁、復壓復燒等工藝有機地結合起來，更深入、更全面地進行探索。尤其要深化以下幾個方面的研究：
2．1溫高速壓制
華南理工大學肖志瑜教授等人［3］提出了一種高速壓制和溫壓相結合的溫高速壓制（warm high ve－locity compaction，簡稱WHVC）技術的思路，并設計制造出了實驗裝備，開展了相關基礎研究，并取得一系列研究成果。其實驗結果表明，溫高速壓制能否獲得更高的壓坯密度，取決于粉末的種類和特性。對于316L不銹鋼粉末、混合鐵粉、電解銅粉等粉末來說，溫高速壓制壓坯密度高于傳統高速壓制，這是因為：（1）在溫度場條件下，粉末中潮氣得到充分揮發，同時粉末中氣體也得到較好地排出；（2）在一定的加熱溫度下能夠降低粉末的屈服強度，延緩其加工硬化程度并提高其塑性變形能力，塑性變形能力的改善為顆粒重排過程提供協調性變形，克服粉末顆粒之間的相互牽制，從而降低顆粒重排阻力，有利于顆粒重排的充分進行。而對于鋁粉來說，溫高速壓制和傳統高速壓制致密化程度相差不大，這是因為鋁是面心立方結構的金屬，且具有12個滑移系，發生滑移的臨界分切應力很小，塑性變形能力非常高，傳統高速壓制已經能夠達到理想的壓坯密度。在實驗基礎上，還對溫高速壓制的致密化機理和應力波特點進行了分析，認為在致密化過程中溫升效應起了很大作用，致密化過程主要以劇烈塑性變形和顆粒冷焊為主。截止目前，溫粉末高速壓制成形技術的研究只有華南理工大學開展，其研究具有前瞻性和新穎性，有望在高密度成形中獲得新的突破。
2．2條件對HVC結果的影響
由于高速壓制自身的特點，HVC成形粉末時可在少量劑甚至無劑的條件下成形［32］，減少了脫脂和間隙元素引起的污染。如何在劑最少的前提下獲得最理想的致密化程度是一個重要的研究目標。對于鐵基、銅基等成形性較好的粉末通常采用模壁（即外），如鄧三才等［33］研究了模壁對Fe－2Cu－1C粉末高速壓制成形效果的影響，研究結果表明，模壁能有效降低粉末與模壁之間的摩擦，減少粉末顆粒與模壁冷焊的機會，相對提高有效壓制壓力，從而獲得較高的生坯密度和生坯強度，以及較弱的彈性后效；此外，在相同壓制速度時，有模壁時的最大沖擊力要高于無模壁時的最大沖擊力，且脫模力要小5～20kN。對于鈦粉、鉬粉等高硬化速率粉末的高速壓制，通常采用內部添加劑的方式（即內），如閆志巧等人［34］研究了劑含量對鈦粉高速壓制性能的影響，結果表明，加入適量的劑，可以提高鈦粉成形時的質量能量密度，從而獲得更高密度的壓坯。當劑加入量為0．3％（質量分數）時，鈦粉成形的最大質量能 量 密 度 為0．192kJ／g，壓 坯 密 度 為4．38g／cm3，相對密度為97．4％。此外，適量的劑能提高鈦粉壓制過程中的最大沖擊力降低脫模力，但卻會顯著降低壓坯的強度，密度較低的純鈦壓坯的強度顯著高于致密度較高的含劑壓坯。對于不同劑含量的壓坯，當密度接近時，其強度相差不大。在更廣泛的成分體系內，研究方式、劑種類、劑添加量對高速壓制成形效果的影響，開發適合高速壓制條件下的新型劑，如高分子極性劑、大分子極性劑、無機層間化合物劑等都是今后較有價值的研究方向。
2．3復壓復燒對HVC效果的影響
一般認為，與傳統壓制壓坯密度只取決于壓制壓力而不隨壓制次數的增加而顯著提高不同，高速壓制的能量是可以累加的，即可以通過多次小沖擊能量的壓制得到與一次大沖擊能量壓制相同的效果，但王建忠等［35］對鐵粉進行高速壓制時發現，在總沖擊能量相同的情況下，分兩次壓制制備的壓坯密度最大，分三次壓制的最小，一次壓制的居中。Metec粉末冶金公司采用高速復壓技術（HVR）制造出密度為7．7g／cm3的鐵基粉末冶金制品，此外還通過高速壓制316L不銹鋼金屬粉和1 385℃燒結工藝生產出高密度不銹鋼零件，此類不銹鋼制品在抗拉強度、沖擊韌性和延展性等方面性能均較為突出。陳進等［36］在多次壓制的基礎上對鐵粉進行了復壓試驗，即在兩次高速壓制之間引入預燒結工序，其研究結果表明，在沖擊能量相同的條件下，復壓比二次高速壓制得到的生坯的密度更高，且隨著復壓沖擊能量的增加生坯密度逐漸增大，在相同復壓沖擊能量下，預燒結溫度為780℃時生坯密度最高，徑向彈性后效最小。復壓能大幅度提高生坯密度，主要是因為壓坯經過預燒結階段的回復與再結晶，粉末顆粒的強度和硬度下降，彈性儲能得到一定的釋放，再進行復壓后，劑的去除促進更多的粉末顆粒發生塑性變形、微觀焊接和熔合，顆粒界面得以消失，這有利于致密度的提高。此外，復壓能量更多用于預壓坯的塑性變形，彈性能量釋放的少，一定程度上減輕了壓坯尺寸的彈性膨脹，使得壓坯與模具模壁的摩擦減小，從而導致復壓時的脫模力較單次高速壓制時顯著降低。Fe－C粉末復壓壓坯經過復燒之后，密度高，孔隙少，珠光體較多且分布均勻，裂紋可能在晶粒內部沿著珠光體相或顆粒“燒結”界面展開，誘發了沿晶斷裂，使得抗彎強度明顯增強。復壓復燒工藝是進一步發揮高速壓制優越性的重要方向之一，需要進行更廣泛、更細致、更深入的研究。
粉末冶金的概念范文2
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
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粉末冶金的概念范文3
關鍵詞：冶金企業 成本效益觀 成本控制 問題 對策
中圖分類號：F275.2 文獻標識碼：A
文章編號：1004-4914（2017）01-274-02
一、相關概念界定
（一）冶金企業的成本效益觀
在市場經濟環境下，經濟效益始終是冶金企業管理追求的首要目標，冶金企業成本控制工作中也應該樹立成本效益觀念，實現由傳統的“節約、節省”觀念向現代效益觀念轉變，特別是在我國市場經濟體制逐步完善的今天，冶金企業管理應以市場需求為導向，通過向市場提供質量盡可能高、功能盡可能完善的產品和服務，力求使冶金企業獲取盡可能多的利潤。與冶金企業管理的這一基本要求相適應，冶金企業成本控制也就應與冶金企業的整體經濟效益直接聯系起來，以一種新的認識觀――成本效益觀念，來看待成本及其控制問題。冶金企業的一切成本控制活動應以成本效益觀念作為支配思想，從“投入”與“產出”的對比分析來看待“投入”（成本）的必要性、合理性，即努力以盡可能少的成本付出，創造盡可能多的使用價值，為冶金企業獲取更多的經濟效益。
（二）成本控制的主要內容
成本控制是現代企業管理的重要內容之一，是以成本預測、成本決策、價值分析、成本控制、成本核算、成本分析、成本考核等為內容的科學管理體系。傳統成本管理理論包括目標成本管理理論、標準成本管理理論、責任成本管理理論和質量成本管理理論等；現代成本管理模式，包括作業成本管理理論、戰略成本管理理論、價值鏈成本管理理論等。在新環境下，分別對傳統成本管理和現代成本管理在企業管理中的地位和作用進行研究和探討，可以使企業管理層更重視成本管理，為企業尋求新競爭環境下的持續成本降低提供了一個有效的思路。
（三）冶金企業加強成本控制的重要意義
成本控制的重要意義可以從理論分析和現實需要兩個角度進行闡述。其理論上的重要意義主要基于下面這個會計等式，即：企業利潤=收入-成本-費用
企業是一個追求利益最大化的組織，而從上面等式可以看出，要想擴大利潤，無非是從增加收入、減少成本、降低費用三方面著手。另外，廣義的成本即包括了上述公式中的“成本”、“費用”，因此，有效控制成本對于企業就顯得尤為重要。
而從現實需要角度出發，成本控制的重要意義主要表現為以下三個方面：
1.成本控制是保證冶金企業落實成本目標、實現成本計劃的重要手段。成本的形成過程就是成本計劃的落實、實施過程。為了實現成本計劃，冶金企業必須將成本計劃規定的成本目標和實現成本目標的措施分解落實到各責任單位，并以此作為各責任單位控制成本的依據。實施中如發現出現較大的偏差，應分析原因并及時反饋給有關責任單位，造成差異如是成本計劃本身的問題，應對計劃進行修訂，以保證計劃的指導作用。通過有效的成本控制、才能充分挖掘冶金企業內部降低成本的潛力，才能確保成本計劃的實現。
2.成本控制是推動冶金企業提高管理水平的動力。實行有效的成本控制，必須建立一套完整的成本控制制度和責任制度，使得冶金企業內部各級責任單位和全體員工都能明確各自的成本目標和經濟責任。如為加強直接材料費用控制，必須為各種產品、零部件制定材料消耗定額及限額領料和配比發料制度，建立材料驗收保管制度，并要求供應部門和各生產車間、班組嚴格執行材料管理與核算制度，不斷提高材料管理水平和效率，滿足冶金企業對材料費用控制的要求，提高冶金企業各項管理工作水平。
3.成本控制是增強冶金企業競爭力的有力保證。市場經濟使冶金企業時刻面臨著來自各方面的競爭壓力。競爭的法則就是優勝劣汰，要使冶金企業在激烈的市場競爭中建立起競爭優勢，主要基于優良的產品品質、優質的產品服務和優惠的產品價格之上要做到質優價廉，除了要做好產品的開發、創新和提高質量等工作之外，關鍵是要加強成本控制，不斷降低產品成本，進一步增強冶金企業競爭能力。
二、我國冶金行業目前存在的成本控制問題
（一）成本控制意識薄弱
成本控制意識薄弱、觀念落后、管理方法舊，沒有充分認識到提高冶金企業經濟效益必須加強成本控制的重要意義，沒有充分認識到在社會主義市場經濟條件下，冶金企業之間競爭的實質是冶金企業成本的較量。這主要表現在成本控制的范圍、目的及手段等方面的認識存在偏差，使得成本控制松弛、成本控制約束弱化、損失浪費嚴重。
（二）成本控制不合理
1.成本核算不合理。表現在：其一，間接費用分攤標準與觀念性不夠，導致分攤不準確。其二，作為企業成本的管理費用等期間費用核算較粗，只按會計準則要求進行財務處理，未形成責任成本考核制度。其三，企業定額管理制度不完善。
2.成本控制方法陳舊。傳統的成本控制方法局限于為降低成本而降低成本，忽視企業的經濟效益；只注重生產過程的成本控制，忽視產品生命周期其他階段的控制，僅以產品、財務信息作為控制對象，不能為管理人員提供所需要的非財務方面的信息。
3.企業成本項目不全。多數企業只考慮了會計學中的成本項目，只按會計準則的要求把可以計入成本的費用開支來作為企業成本加以控制。按照準則規定，營業外支出與生產經營活動無關，不能計入產品成本。但從企業角度出發，它作為一項耗費，企業仍需對其進行支付。此外，成本管理的內涵僅局限于物質產品成本，并未涉及如環境成本、質量成本、人力資源成本等非物質產品成本。
（三）技術創新不足
創新是企業保持競爭優勢的關鍵，企業通過技術創新，可以有效的降低成本。公司生產技術水平較低，在技術、工藝上缺乏創新力度，不能有效提高材料利用率、降低材料的損耗量、提高成品率，從而降低成本。
（四）成本控制制度不完善，成本考核流于形式
公司雖然制定了一些成本控制制度，但貫徹執行不力。對制度的執行缺乏全面的監督與考核，未建立核算獎罰掛鉤制度，沒有將考核指標落實到相關部門的個人，無法調動職工參與成本控制的積極性，成本核算部門形同虛設。
三、冶金企業加強成本控制的具體對策
（一）強化成本意識，樹立成本效益思想
現代成本控制意識是指企業的管理人員對于成本控制和成本管理要有足夠的重視，改變成本控制就是降低產品成本的傳統看法，改變成本控制到一定程度就無法再降低的錯誤觀念，充分認識到成本降低的潛力是無限的。對比成本與效益并從中取得最大的收益是現代成本控制的最終目標，要做到有效地控制成本，首先是管理人員要足夠重視，其次對企業全體職工進行成本意識方面的宣傳教育，把成本控制意識灌輸給每位員工，使全員都參與成本控制，讓他們知道企業的利益就是自己的利益。
企業的成本控制應與企業整體的經濟效益直接聯系，應以科學的成本效益觀念看待成本控制問題。企業所有的成本控制活動應從成本效益原則出發，從投入與產出的比率分析來看待投入成本的必要性，在保證產品和服務質量的前提下，盡可能以最小的成本，攝取盡可能多的經濟利潤。花錢是為了最大限度的省錢，這是成本效益觀的集中體現。
（二）加強成本控制
冶金企業的生產特點通常是大量消耗原材料和能源，對原材料進行生產和加工，并且生產經營活動、產品品種復雜，生產工藝繁復多變。這種特點決定了冶金企業適合采用作業成本法。標準成本控制體系可以通過引入ERP管理系統來進行完善。標準成本體系與ERP的結合不僅克服了標準成本控制模式的一些缺點，而且還將ERP系統提高到了高層次管理的水平，加強了企業成本管理能力。
冶金行業也有中小企業，這些企業一般較落后。中小企業要充分認識到科技對成本的重要影響。在設計階段，利用先進科技在研發產品時既保證質量又降低成本。在生產階段，依靠科技進步來降低生產成本，通過對各個工序進行成本分析，找出生產成本的制約點，在此基礎上確定科技攻關的重點。開展節能降耗科技創新，改變原燃料的消耗方式，加強循環利用，以降低生產成本。
（三）改進現有技術，采用新工藝，節能降耗
當市場進入衰退時，大多數企業都會通過削減成本、簡化運營程序等方式來加以應對，直至情況趨于好轉。嚴峻的經濟形勢將不可避免地給企業套上桎梏，但同時也創造出一片孕育創新的沃土。如果通過技術等創新來達到節約成本的效果，企業就將會從危機中脫穎而出，并且會變得比以往更加強大。針對公司為降低成本偷工減料致產品批量退貨的現象，可以通過技術創新，改進現有技術，降低材料用量或尋找新的、價值便宜的材料替代原有的老的、價格較高的材料；采用新工藝，對現有材料的加工工藝積極加以改進，提高材料利用率、降低材料的損耗、提高成品率，達到降低成本的目的。
（四）健全成本考核制度，完善成本控制制度
考核是實現成本控制的重要手段和措施，沒有嚴格規范的考核制度，其它制度也就形同虛設，因此，應該建立健全成本控制考核體系。首先制定成本考核指標體系，考核指標包括目標成本、目標成本節約率等指標。其次，根據相關數據計算成本考核指標，采用合理的評價方法，對各方面的成本控制工作進行評價。通過設置成本費用考核指標體系，對各項成本指標進行分析，定期對各成本責任部門和個人進行考核和評價，建立相應的獎勵和懲罰機制，將考核結果同職工的工資掛鉤，做到獎罰分明。
四、結語
成本控制是一個永恒的主題，冶金企業成本費用的節約與降低直接就等于增加收入、利潤、凈利潤，效益不言而喻，一個規范科學全面的成本核算與管理不僅能給冶金企業帶來直接經濟效益，而且還能夠促使整個公司管理的規范。因此，加強冶金企業成本控制具有極為重要的意義，值得大力探討。
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粉末冶金的概念范文4
[關鍵詞]增材制造、快速成型、3D打印
中圖分類號：F426.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）37-0082-02
增材制造或3D打印技術作為現代社會的關注熱點，被認為是制造領域一次重大技術突破及會帶來“第三次工業革命”。但增材制造技術相關的稱謂有多種，例如快速成形、快速原形、直接數字制造、增層制造、三維打印、實體自由制造及增量制造等，令人眼花繚亂，容易混淆不清。
1 概述
1.1 起源
增材制造技術的誕生源于“快速成型”（①又稱成形）技術。
快速成型的基本原理是分層制造三維物體，其思想雛形可追溯到遠古時期。例如：中國出土的并經考證4000年前的魯漆器，用黏結劑把絲、麻黏結起來鋪敷在底胎上，待漆干后挖去底胎成形；國外考古學家也發現古埃及人在公元前就已將木材切成板后重新鋪疊翻成疊合材料，類似現代的膠合板。
1892年，Blanther主張用分層方法制作三維地圖模型。
1979年東京大學的川威雄教授，利用分層技術制造了金屬沖裁模、成形模和注塑模。20世紀70年代末到80年代初，美國3M公司的Alan J.Hebert（1978年）、日本的小玉秀一（1980年）、美國的Charles w.Hull（1982年） 和日本的丸谷洋二（1983年） ，各自獨立地首次提出了RP的概念，即利用連續層的選區固化制作實體的新思想。
美國的Charles w.Hull則完成了第一個RP系統――立體光造型工藝（Stereolithography Apparatus，SLA），是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。并于1984年獲得專利。1988年，美國3D System 公司推出的SLA-250液態光敏樹脂選擇性固化成形機。
SLA是材料快速成形發展的一個里程碑，隨后許多快速成形的概念、技術及成形機等才得以相繼出現，并逐步發展成為可以涵蓋產品設計、研發和制造等全部環節的一種嶄新的先進制造技術體系――增材制造技術。
1.2 概念
1.快速原形制造（RapidProto-typing，RP），有代表性的定義如下：
Terry T.Wohlers和美國制造工程師協會（SME）對RP技術進行了定義：RP系統依據三維CAD模型數據、CT和MRI掃描數據和由三維實物數字化系統創建的數據，把所得數據分成一系列二維平面，又按相同序列沉積或固化出物理實體。
顏永年等對RP的描述為：RP技術是基于離散/堆積成形原理的新型數字化成形技術，是在計算機的控制下，根據零件的CAD模型，通過材料的精確堆積，制造原形或零件的。[1]
2.增材制造（即Additive Manufacturing，AM），關橋院士提出了“廣義”和“狹義”的概念：
“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術群；“狹義”增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術結合、分層累加材料的技術體系。[2]
3.3D打?。═hree Dimension Printing，3DP），是一種依據三維數字模型文件，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，又稱三維打印。
“打印”是指借鑒了噴墨打印機的工作原理，普通的打印機是在紙上噴一層墨粉，形成二維（2D）文字或圖形，而3D打印噴出是融化的樹脂、金屬或者陶瓷等“印材料”，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來得到三維實物。
1.3 分類
按照成形工藝可分為基于激光或其他光源的成形技術，例如疊層實體制造、選擇性激光燒結、形狀沉積制造等；基于噴射的成形技術，例如熔融沉積制造、三維印刷打印等。
按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等；按照技術種類劃分，則有噴射成型、粘接劑噴射成型、光敏聚合物固化成型、材料擠出成型、激光粉末燒結成型、定向能量沉積成型等。
2 技術特點
2.1 材料成形技術路線
傳統的材料成形方法主要采用的是去除材料的“減材成形”，其技術路線典型的有三種：一是機械加工方法，例如機械加工一個零部件，人們通過切削不斷去除材料來獲得所需要的零件形狀；二是熱加工方法，例如鍛造成形是利用變形原理即使金屬材料在強大的機械壓力下改變形狀來獲得所需的零件；三是鑄造、粉末冶金等方法，采用的是“賦形+固化”的成形原理，也即先通過模具賦予液態或粉末狀的金屬材料以形狀，再通過冷卻凝固或高溫燒結的方法使材料固化來獲得具有所需形狀和強度的金屬零件。
增材制造的成形原理與這些傳統方法截然不同，它采用逐漸增加材料的“增材成形”方法，又被稱為實體自由成形技術或快速成形技術。 所謂“自由”和“快速”是指不需要模具來成形，省去了十分冗長的制造模具過程和昂貴的模具制造成本。因此，增材制造開辟了一種嶄新的且有別于傳統制造技術路線的加工途徑。
實際上在我們的日常生產、生活中類似“增材”的例子很多，例如：機械加工的堆焊、建筑物（樓房、橋梁、水利大壩等）施工中的混凝土澆筑、元宵制法滾湯圓、生日蛋糕與巧克力的造型等。
2.2 特點
1.AM可以使設計師快速地將設計思想轉化成三維實體，從而為零件原型制作、裝配、功能測試、設計校驗及錯誤更正等，提供了一種更有效的三維優化設計手段，可以促進產品的技術更新與性能優化。
2.AM不需要傳統的刀具、夾具、模具等工裝，在一臺設備上就可以快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現了零件的“自由制造”，能簡化工藝流程，減少工序，縮短制造周期。
3.AM能夠滿足航空武器等裝備研制的低成本、短周期需求。據統計，我國大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10%；通過高能束流增量制造技術，可以節省材料三分之二以上，數控加工時間減少一半以上。
4.AM能夠改造現有的技術形態，促進制造技術提升。例如，鑄造行業可以利用AM制造蠟模、3D打印出用于金屬制造的砂型等，顯著地提高生產效率和質量。
5.AM特別適合于傳統方法無法加工的極端復雜幾何結構。AM不僅可以制造超大、超厚及復雜型腔，還可以制作一些具有極其復雜外形的中、小型零件。
6.AM非常適合于小批量復雜零件、備件或個性化產品的快速制造。例如：航空航天系統AM的成功應用等。
7.AM也存在設備、原材料價格昂貴，制造精度相對不高，潛在社會風險，需預、后處理工序等諸多不足。
3 應用與發展
3.1 產業狀況
經過近30年的發展，增材制造經歷了從萌芽到產業化、從原型展示到零件直接制造的過程，發展十分迅猛。美國專門從事增材制造技術咨詢服務的Wohlers協會在2012年度報告中，對各行業的應用情況進行了分析。在過去的幾年中，航空零件制造和醫學應用是增長最快的應用領域。2012年產能規模將增長25%至21.4億美元，2019年將達到60億美元。[2]
3.2 戰略與規劃
增材制造技術已受到美國、英國、德國、法國、澳大利亞等一些發達國家政府、研究機構、企業和媒體的廣泛關注，正積極采取措施，推動增材制造技術的發展，從國家層面制定發展和推動增材制造技術的國家戰略和規劃。我國科技部公布了《國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》。2014年工信部又制訂《國家增材制造發展推進計劃》，擬定了3D打印的五大重點發展方向。
3.3 展望
1.AM使人類具備了前所未有的對物體形狀的控制能力，能夠制造任意復雜形狀或結構的能力，例如多材料復合等；
2.AM可以制造一些新奇的材料，例如：生物打印“軟組織植入體”即利用一種含有生物活性細胞的生物墨水，直接打印人體的心臟瓣膜、脊椎墊骨等軟組織植入體；
利用食用“墨水”，快速制造任意形狀和成分結構的食品，而且松軟程度、口感、顏色和表面形貌可以隨意調節。未來會出現各種各樣的廚房打印機：如巧克力打印機，面包打印機等。
3.AM可對材料進行任意編程，使之具有預想的功能。未來可以快速打印集機械功能、信息功能和能源系統為一體的任何事物，例如：直接打印出可行走的具有真人形狀的機器人，開辟類似于生物進化的工程制造模式。
4.AM將提供未來三個層次的創業模式：工廠級別的批量制造、當地供應商的打印服務和家庭環境提供的打印服務，催生出一種全新的“個人制造”模式――AM使設計人員或創業人員不需要投資商提供啟動資本來購置或租賃大型設備、工模具和傳統的廠房等，就能夠創造和銷售獨一無二的產品。
結語
由于增材制造技術正處于發展期，稟賦“創新突破”的特質，具有旺盛的生命力，其內涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展延伸。當前國內、外學者們對增材制造相關技術的定義存在多種描述，稱謂亦眾多，但其溯源同宗、本質相似，增材制造涵蓋更深、更廣。
參考文獻
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[3] 增材制造，http：///wiki/，2014.10
[4] 中國科學院，2009高技術發展報告，北京，科學出版社，2009
[5] 郭黎濱，先進制造技術.北京，哈爾濱工程大學出版社，2010
作者簡介
粉末冶金的概念范文5
隨著高等教育改革的不斷深入，高職教育以適應社會需要為目標，對人才的培養方案則要求以培養技術應用能力為主線來設計學生的知識、能力、素質結構。強調對學生技術應用能力的培養，理論知識則要求適度即可。工程材料邏輯性弱、概念繁多、內容分散、難于歸納重點。在過去的教學中沿襲了傳統的教學模式，根據課程的性質和任務，以學科為中心組織教學。在知識的組織編排上從維護學科邏輯結構的嚴密性出發，強調其系統性和完整性。這種教學模式，強調了基本理論知識點的掌握而忽視了學生技能培養、知識點的綜合性及實用性。其人才培養不能體現出新的高等職業教育的特色的教學模式。隨著科學技術的進步，材料的發展也是日新月異，如何合理地選擇、應用材料直接影響到產品的質量及生產成本。機械工程技術人員對材料的應用則側重在正確地選擇、應用材料，并且能夠結合材料性能特點合理選擇加工方法并制訂工藝路線。因此，機械工程技術人員更需要與實際工作密切相關的材料基本知識以及對材料的應用能力，對材料的學習也就需要在了解材料基礎知識的前提下，更強調要掌握產品在不同工作條件下的失效形式，并能根據工作條件對材料性能提出要求，經過對比、分析，選擇滿足使用要求且經濟實惠的材料，而且還要能夠合理地選擇加工方法、正確地安排加工路線。那么，機械相關專業“工程材料”課程的教學則一定要符合機械工程技術人員的實際工作需要，更加強調學以致用。本次教學改革的目的是變“學科中心”模式為“能力中心”模式，這種教學模式是在分析某種職業崗位所要求的各種具體的業務能力的基礎上有針對性地確定所需的知識內容，側重強調綜合性、實用性。
二、以“應用”為主旨重組教學內容[2-3]
工程材料內容繁雜，主要包括金屬學基本知識、材料的強化與處理、常用金屬材料（包括工業用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金、粉末冶金材料）、高分子材料與無機非金屬材料以及復合材料、材料成形技術、零件毛坯選擇以及工藝路線制定等內容。本次教改以“應用”為主旨在教學內容上進行了整合優化。教學內容以傳統金屬材料的有關知識為核心，突出兩條主線，即整個課程內容圍繞“成分—組織—性能—應用”、“成分—工藝—組織—性能—應用”兩條主線展開，教學過程保證了學科知識的完整性及系統性，更突出了知識的實踐性。對主要的原理、規律及重要的概念定義作重點講解，對常見金屬材料的牌號、性能、熱處理工藝、零件毛坯選擇、工藝路線制定等與實際生產密切聯系的一些知識點則結合實踐靈活講解。而一些抽象的難以理解的知識點如塑性變形機理等則進行了弱化處理。
三、改進教學方法，提高教學效率
改進教學方法是提高教學質量與教學效果的重要途徑。為提高教學效率可采取以下措施：
1.上好第一節課
上好第一節課是培養學生對本課程學習興趣的重要環節。第一節課采用“復習導入法”，如一上課首先讓學生一起總結日常生活中常用的材料有哪些，工程材料有哪些，如何分類，然后引入正題講明本課程的性質、目的及作用，讓學生明白為什么要學材料課，都要學習哪些內容，應該怎樣學。通過“復習導入法”來吸引學生的注意力，再一步步引導學生的思維跟著教師思路進行，從而提高學生的學習興趣，避免抵觸心理。
2.課堂內引入討論，改進以講授為主的教學方式
課堂討論能使學生注意力集中，思維敏捷，是實行合作學習的重要途徑，還能夠及時反饋教學效果。教師在講授過程中，要結合實際適時引入問題，鼓勵學生積極參與，與教師思維同步，從而使學生的學習變被動接受為主動吸納。在討論過程中教師還要及時的對學生進行啟發引導，并幫助歸納、總結得出結論。通過引入問題和討論問題來培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。
3.理論與實際相結合
學習理論知識的最終目的是要靈活應用于實際當中，因此在講課過程中，教師應該盡可能地將一些工程實際應用案例貫穿于相關理論知識內，從而使學生能夠準確地理解知識本質及其應用，最終培養他們理論聯系實際分析解決工程問題的能力。例如，在講到S、P雜質元素對材料性能影響時，可引入“泰坦尼克號”輪船斷裂原因分析，如此一方面引起了學生的學習興趣，另一方面使學生在學習知識的同時增強了理論聯系分析問題的意識。
4.設置綜合實驗，提高學生對理論知識的綜合應用能力
“工程材料”的傳統實驗主要是驗證性的，要求學生明確實驗的目的、要求及內容，之后僅僅是通過實際操作來驗證結果。綜合實驗則更強調了學生的主體性，要求學生拿到任務書后，首要的是要進行實驗方案的設計，而設計方案則需要理論知識作基礎，并需要查找相關文獻資料。通過小組討論及教師指導的方式確定方案的可行性，并根據具體條件在實驗中驗證。設計方案的過程一方面調動了學生的積極主動性，另一方面綜合分析、應用了所學的理論知識，強化了其理論聯系實際的能力。
5.在平時作業中增加需要查閱資料并思考的題目
授人魚不如授人以漁，在教學過程中不僅僅是要教會學生知識，更重要的是教會學生學習知識運用知識的能力。因此在平時作業中增加需要查閱資料并思考的題目，并以小論文的形式完成。為了完成作業，學生必須通過圖書館、網絡去查找相關的文獻資料，并結合所學專業知識進行分析篩選、整理應用，最終以恰當的論據對題目進行充分論證完成小論文的撰寫。這類作業可以培養學生學習能力、獨立檢索文獻資料并對占有資料進行分析整理并恰當運用的能力，還可以提高對知識的綜合應用能力。
粉末冶金的概念范文6
機械制造技術基礎是高等本科教育中機械類及近機類專業的一門重要專業基礎課程,是一門講述有關機械產品制造過程的綜合性技術課程。在本校的相關專業教學大綱中規定該課程的教學內容由工程材料及成形技術和機械制造技術兩大部分構成:工程材料及成形技術部分講述現代工業常用材料(金屬、高聚物、陶瓷、復合材料等)和熱加工工藝基礎(鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金、熱處理等)的相關知識;機械制造技術部分講述機械加工工藝基礎的相關知識。課程的教學目的是通過本課程的學習,要求學生能總體地了解和把握機械制造活動,掌握金屬切削過程基本規律和機械加工的基本知識,能合理選擇材料、毛坯制備、機械加工方法,具有產品質量、公差與配合的基本知識,初步具有解決生產現場工藝問題,決策制造模式方面的能力。
1 機械制造技術基礎的教學現狀
機械制造技術基礎是一門傳統的課程,多年來人們積累了許多寶貴的教學經驗和教學方法,教學質量也得到一定的提高和改善,但由于其教學內容比較抽象、復雜且涉及實際生產經驗等特點,還存在一些問題。
1.1 教學手段的不正確使用
隨著科學技術的發展,許多先進的教學手段進入課堂教學,如幻燈片、投影儀、語音設備、多媒體等。最初將這些手段引入教學的目的是使教學內容化繁為簡,化難為易,由抽象變為直觀,便于觀察和認識,有利于學習和掌握教材,提高教學速度和質量。目前,教學過程中存在兩種極端情況:一種是有些教師,特別是經驗較少的青年教師,在教學過程中把這些設備當做減輕備課任務的一種工具,如把所有內容都打進PPT,上課過分依賴PPT,以此減少備課時間;另一種是有些教師對這些教學手段過于排斥,認為他們的應用會分散學生的注意力,仍然采用傳統的教學方式,即講授+板書,這樣一來教學過程顯得過分呆板,課堂氣氛不活躍,很多抽象的東西如機床的結構、加工過程等使學生難以理解,漸漸失去學習的熱情。
1.2 實驗與金工實習時間安排不合理,不足以理論聯系實踐
機械制造技術基礎這門課是一門與實踐密切相關的專業基礎課,材料在不同工作環境中的各種特性、設備的各種結構、工藝的各種優缺點及在生產中可能會造成的后果等,學生必須結合大量實踐經驗才能更好地理解,很多操作步驟和原理聽起來很費解,但只要到車間或現場看一眼就不難明白。已有的教學模式將理論和實踐在時空上分離,先將理論全部學完再實踐,或先實踐完再進行理論學習。缺少工程實踐的理論教學,由于學生缺少感性認識而變得十分難解,處于云里霧里的迷糊狀態;沒有理論支撐的工程實踐必然只能停滯在獲得一些感性知識和操作技能的較低的層次上[1]。
1.3 考核方式欠合理
目前機械制造技術基礎這門課程的學習效果評價方式絕大多數仍然以書面答卷的方式進行,如此一來,學生在學習過程中單純地追求卷面分數,與考試相關的內容就重視,與考試無關的內容就不重視。有的甚至平時根本不聽課,連書本都不翻,憑考前“臨時抱佛腳”來死記硬背書中的一些概念、術語和簡單理論來達到修完這門課程的目的。這樣一來,學生考完這門課后,什么也沒學到,什么也沒得到。
1.4 教學內容相對陳舊
機械制造技術基礎的教學內容主要涉及傳統知識的介紹,缺乏先進性和時代感,導致一些學生主觀上認為該課程無用而對它產生排斥思想[2]。盡管有些負責任的教師在教學中采用各種不同掛圖、實物模型、動畫等方法以適應不同章節的教學需要,仍難以取得較好的教學效果。
針對機械制造技術基礎課程教學中存在的問題,為了激發學生對本課程的學習興趣,提高教學質量,提出教改措施。
2.1 有效地選用靈活多變的教學方法
為了保證課程教學質量,宜采用靈活多變的教學方法和手段。例如,講解一些機床結構、刀具夾具結構等知識時,僅靠教師的理論講述無法使學生完全理解,通過采用直觀教學、現場教學和電化教學等手段,利用實驗室的機械裝備,可在短時間解決黑板上難講透的問題[3]。此外,還可以通過交互式、討論式、研究式和啟發式教學方法,營造師生互動的教學環境,增強學生的學習積極性和學習熱情[4]。
2.2 充分發揮實踐在教學過程中的作用
機械制造技術基礎不同于純粹的理論課,它具有很強的實踐性和應用性。實踐效果對教學質量的好壞起到重要的作用。根據學校已有或周邊生產工廠的條件,將理論教學和生產實踐結合起來,通過實踐與學習相互穿插的方式,或者理論教學與現場教學并行的方式,使學生的參與意識和工程能力大為增強,不僅能很好地消化所學的理論知識,而且能提高解決工程實際問題的能力。
2.3 采用合理考核方式
高等教育應為國家培養對社會有用的人才。卷面考試成績的好壞很難全面說明一個人能力的高低。宜采用合理的考核方式,使學生在學習過程中不再單純為了通過考試而功利地受迫學習,而是自覺、勤奮、緊張地學習,真正在知識、能力和素質等多方面得到全面的提高。為此可以對學生在實踐環節、設計環節、課堂環節、答辯環節、操作環節等分別進行考核,從而較全面地考核學生對該門課程的學習情況。
2.4 強化教學內容和專業發展的動態結合
科學技術日新月異,新的機械制造方法不斷涌現。要提高學生的學習興趣,在備課時教師宜結合具體教學內容,及時收集學科最新的發展態勢,介紹一些與之相關的最新的材料、成形、制造等方面的相關知識,使學生在感受到現代先進制造技術的同時理解學習傳統知識的重要性,增加對這門課的學習興趣。此外,還可以讓學生在課后自己收集感興趣的前沿科技,培養自學能力。
2.5 加強師資隊伍建設
要實現良好的教學目標,過硬的師資隊伍是關鍵。機械制造技術基礎的課程性決定了該課程的教師不僅要具有扎實的專業理論功底,也要具有較熟練的實踐技能,更要具有理論與生產結合的綜合能力。許
