材料加工技術工程學

1、材料加工技術工程學材料工程 葉旭初2006年6月1日一、材料加工一、材料加工材料加工：材料加工： 材料制備和材料加工 材料制備材料制備：把各種原子、分子以及更高一級聚集狀態(tài)結合起來制成材料所采用的各種化學方法和物理方法 ；材料加工材料加工：對原子、分子以及更高一級聚集狀態(tài)進行控制而獲得所需要的性能和形狀尺寸(以性能為主)所采用的方法(以物理方法為主)，它是獲得實用材料質(zhì)量和效率的關鍵技術、如高分子型材、凝固技術、鋼板的軋制、氣相沉積制膜、陶瓷成型等。 材料制備和材料加工的定義雖存在一定的差異。但在材料科學與工程中的界線上變得越來越模糊，正在逐步變成一個連續(xù)的統(tǒng)一體統(tǒng)一體。 首先，由于在選擇材料

2、的各種制備方法時必須考慮隨后為形成實用材料而進行的加工。如采用粉末冶金的方法制造發(fā)動機渦輪盤，總是希望原始粉末盡可能細小以便于壓實和避免較大尺寸的夾雜，當然粉末細小造成原始表面增大而導致表面氧化嚴重。 其次，現(xiàn)代材料的發(fā)展常常把制備和加工連成一體了，如聚合物的反應注射成型以及燃燒合成精密鑄造技術便是很好的例子，材料的制備和加工是同時進行的； 材料學：材料學： 1、材料呈現(xiàn)的性質(zhì)或現(xiàn)象以及使用性能是是材料學首要問題。 2、材料性質(zhì)以及使用性能與構成材料的成分和各種層次上的結構相互關系。包括元素的種類和他們的結構排列，材料學第二類問題。 因此“成分組織性能”的三角關系是早期材料學研究模式。 工程學

3、工程學材料加工工程材料加工工程 產(chǎn)品生產(chǎn)技術（工藝）裝備控制其它1、掌握材料學的研究成果；2、過程裝備的創(chuàng)新設想；3、第一套裝備的開發(fā)；4、規(guī)?；I(yè)放大工程推廣（生產(chǎn)研究）； 材料學工藝學研究的范圍 材料加工過程裝置過程控制電器其它生產(chǎn)研究材料加工、制備技術工程學的主要研究內(nèi)容：材料加工、制備技術工程學的主要研究內(nèi)容：（1）裝置工作原理、影響規(guī)律等機理性研究）裝置工作原理、影響規(guī)律等機理性研究（2）第一套裝置的）第一套裝置的開發(fā)研究開發(fā)研究（3）工程化研究（）工程化研究（改進改進、新建）、新建）（4）工業(yè)化的生產(chǎn)管理研究（經(jīng)濟）工業(yè)化的生產(chǎn)管理研究（經(jīng)濟） 等與工業(yè)化生產(chǎn)相關的一系列其它活動

4、研究。材料加工工程學的主要材料加工工程學的主要知識結構知識結構 (1) 加工工藝知識加工工藝知識(2) 工程基礎理論知識（力學流體力學、傳熱、工程基礎理論知識（力學流體力學、傳熱、傳質(zhì)、反應動力學等）傳質(zhì)、反應動力學等）(3)工程設計知識工程設計知識二、材料制備和加工的主要技術二、材料制備和加工的主要技術 粉體制備、粉體成型與燒結、反應加工、粉體制備、粉體成型與燒結、反應加工、凝固、纖維制備、薄膜制備、表面改性和涂凝固、纖維制備、薄膜制備、表面改性和涂層、塑性加工、高分子的合成、高分子材料層、塑性加工、高分子的合成、高分子材料成型與加工、特種冶金、焊接與膠接、化學成型與加工、特種冶金、焊接與膠

5、接、化學微組裝與生物微組裝等微組裝與生物微組裝等 大規(guī)模生產(chǎn)技術（無機：水泥、陶瓷、玻大規(guī)模生產(chǎn)技術（無機：水泥、陶瓷、玻璃璃 、耐火材料、磁性材料等，鋼材：冶金）、耐火材料、磁性材料等，鋼材：冶金）三、材料制備和加工的典型技術舉例三、材料制備和加工的典型技術舉例1、直接金屬氧化法、直接金屬氧化法 直接金屬氧化法( direction metal oxide method, DI-MOX法)是美國Lanxide公司研究開發(fā)出的用以制備復復合材料合材料的技術。 利用周圍氣體與金屬熔液間的反應反應制造復合材料。其工藝流程是：用冷壓機把陶瓷粒子或纖維等增強材料加壓成型，制成預型件；把預型件和金屬(如

6、Al)起放入反應器內(nèi)，在高溫下(鋁為9001400溫度范圍)將金屬熔化，金屬液在全過程(包括向預型件中滲透的過程)中與周圍氣氛不斷反應生成氧化物、氮化物或碳化物（例如鋁液在大氣中生成AI2O3）；反應結束得制品。圖2.5-9所示為DIMOX法制備復合材科的過程示意。2 2、液相氣相反應法、液相氣相反應法 液相氣相發(fā)應法（liquid-gas reaction method,VLS），是1989年由美國Drexel大學的Koczak和Kumar發(fā)明并申報美國專利的反應自生復合材料的新技術。 其基本原理是將含有C等元素的氣體（如CH4）通過導管和氣體分散器，在一定溫度下導入合金液，氣體分解得到的元

7、素與合金液中的反應生成硬質(zhì)相顆粒，從而制備出復合材料，特別是金屬基復合材料。圖2.5-10所示為VLS法制備復合材料簡圖。稀土功能材料的稀土功能材料的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化-24-20-16-12-8-40048121620 80706050403020100 4 M, B (kGs)BH (MGOe)H (kOe) -24-20-16-12-8-40048121620 80706050403020100 4 M, B (kGs)BH (MGOe)H (kOe) Br= 14.4 kGsHcj= 11.76 kOe(BH) max= 51.20 MGOeBr= 14.4 kGsHcj= 11.76 kO

8、e(BH) max= 51.20 MGOe完成了完成了N50N50系列高檔燒結釹鐵硼磁體的批量化生產(chǎn)，開系列高檔燒結釹鐵硼磁體的批量化生產(chǎn)，開始試制始試制N53N53系列產(chǎn)品。系列產(chǎn)品。產(chǎn)品性能N50系列高檔燒結釹鐵硼磁體高性能釹鐵氮磁粉生產(chǎn)線正在調(diào)試高性能釹鐵氮磁粉生產(chǎn)線正在調(diào)試氣流磨大型氣淬燒結爐雙分級氣流磨200 kg 熔煉爐合金開發(fā)合金開發(fā)樣品試制樣品試制合金生產(chǎn)合金生產(chǎn)應用生產(chǎn)應用生產(chǎn)氣液氣液混混 合合反反 應應聚乙烯醇纖維聚乙烯醇纖維 聚乙烯醇纖維是合成纖維的一類，其常規(guī)產(chǎn)品是聚乙烯醇縮甲醛纖維(Polyvinyl formal fiber)，在我國俗稱維綸，或維尼綸。PVA水洗脫

9、水溶解溶解混合混合過濾脫泡紡絲溶液 (1)干濕法紡（dry wet spinning) 又稱為干噴濕紡，是一種將干法和濕法特點結合起來的紡絲方法。干濕法紡絲時，紡絲溶液從噴絲頭擠出后，先經(jīng)過 一段空氣層然后進入凝固浴圖2.7-12為干濕法紡絲示意。從凝固浴導出的初生纖維的后處理過程與普通濕法紡絲相同。 碳纖維碳纖維 碳纖維carbon fiber)具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導電傳熱等眾多優(yōu)點。 碳纖維主要有纖維素基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維(polyacrylonitrile-based carbon fiber)和瀝青基碳纖維。 纖維素基碳纖維由于生產(chǎn)技術復雜，生產(chǎn)成本高，這類碳

10、纖維己甚本淘汰。 化學氣相沉積制造碳纖維。真空蒸發(fā)鍍膜技術真空蒸發(fā)鍍膜技術 真空條件下加熱被蒸鍍材料、使其熔化(或升華)并形成由原子、分子或原于團組成的蒸氣，凝結在基底表面成膜。 蒸鍍是一種發(fā)展較早的鍍膜技術，方法簡單，已經(jīng)在光學、微電子學、磁學、裝飾、防腐蝕等方面得到了廣泛應用。 如：電于束蒸發(fā)(e-beam evaporation) 用電子束加熱水冷銅坩鍋中的蒸發(fā)材料使其熔融或升華汽化并凝結在基底表面成膜。 常用的電子槍有遠聚焦直槍、2700。磁偏轉槍(e型電子槍)和空心陰極電子槍。如圖2.8-2，圖2.8-3所示?？招年帢O電子槍又有？管陰極和六硼化鑭陰極兩種。目前主要采用e型電子槍。 被

11、鍍膜的基片被鍍膜的基片電弧離子鍍 電弧離子鍍是蒸發(fā)源為電弧源的離子鍍。圖2.84所示為電弧離子鍍膜工作原理。 圖2.84中陰極是靶材，真空室接地作陽極。在點火器與陰極工作面距離適當時產(chǎn)生的電離火花激發(fā)陰極工作表面、產(chǎn)半直徑為0.01100m的明亮弧斑。運動的斑區(qū)溫度高達數(shù)千至數(shù)萬度、并噴發(fā)出電子、離子、熔融的陰極材料微粒和原子。 工件工件偏置電源真空室壁陰極屏陰極 化學氣相沉積的裝置化學氣相沉積的裝置 化學氣相沉積按化學反應中能量獲得的方式可分為熱CVD，等離子體增強CVD（chemical vapor deposition ），其中熱CVD是比較傳統(tǒng)的CVD技術，等離子體增強CVD，激光和光

12、CVD是新發(fā)展期來的CVD技術。 (1)化學氣相沉積系統(tǒng) 化學氣相沉積系統(tǒng)一般由三大部分組成。即反應物供給系統(tǒng)反應物供給系統(tǒng)、沉積室、尾氣處理沉積室、尾氣處理系統(tǒng)。圖2.8-5是典型的CVD裝置示意。 (2)反應物供給系統(tǒng) a. 反應物輸運。反應物必須以氣體狀態(tài)引入列沉積室中，如果反應物在室溫下是液態(tài)，可以將其加熱汽化，然后由載氣將共蒸氣帶入沉積室。 b. 反應物的純化。隨著應用領域?qū)瘜W氣相沉積的薄膜質(zhì)量要求越來越高，化學氣相沉積對反應物的純度要求也越來越高，因為反應物中的雜質(zhì)是造成薄膜缺陷的主要原因。氣體的純度通常被表示為幾個九，如六個九，即表示純度達到999999。有時純度也可以根據(jù)雜質(zhì)

13、的含量表示為106(百萬分之一)或109(十億分之)。 等離子體增強化學氣相沉積等離子體增強化學氣相沉積 等離子體增強CVD系統(tǒng) 等離子體增強CVD的系統(tǒng)和普通CVD的區(qū)別主要在于沉積室合用于產(chǎn)生等離子體的單元。 在大多數(shù)等離子體增強CVD的系統(tǒng)中，等離子體是由平行電極之間的射頻或微波輝光放電產(chǎn)生的。圖2.8-6所示是射頻等離子體增強化學氣相沉積(radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition) 系統(tǒng)示意。 氣相外延生長的設備氣相外延生長的設備 氣相外延生長設備可分為兩個獨立的基本組成部分，即氣體分配單元和沉積室。氣體分配單元

14、的功能是對氣體反應物按精確比例進行混合，并按一定程序送入沉積室，其主要構件包括質(zhì)量流量控制器和壓力控制器所采用閥門和流量計都必須能防止污染。否則，會給薄膜帶來污染。在多數(shù)氣相外延系統(tǒng)的設計中，氣體分配單元都是大同小異的而沉積室則因生長化學過程和所需產(chǎn)品不同而有很大差異。圖2.8-7是常見的幾種氣相外延生長沉積室的結構。 等離子弧噴焊等離子弧噴焊(plasma arc welding) 是采用轉移型等離個弧為主要熱源，在金屬基材表面噴焊合金粉末的方法。等離子弧原理如圖2.924所示。一般采用兩臺整流電源，將負極并聯(lián)在一起，通過電纜接至噴搶的電極，其中臺電源的正極接噴搶的噴嘴，用于產(chǎn)少非轉移弧。另

15、一臺電源的電極接工件，用于產(chǎn)生轉移弧。冷卻水通過水電纜引入噴槍，冷卻噴嘴和電極。采用氬氣作離子氣，引入噴槍。電源接通后、借助高頻火花引燃非轉移弧繼而利用非轉移弧射流在電極與工件間造成的導電通道，引燃轉移弧。在建立轉移弧的同時或之前，由送粉器向噴槍供給合金粉末，吹人電弧中，并噴射到工件上，因而轉移弧一建立，就在工作件上形成合金熔池使合金粉末在工件上熔融。隨著噴槍和工件的相對移動，液態(tài)合金逐漸凝固，形成合金噴焊層。 電弧噴涂電弧噴涂electric arc spraying) 是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，利用其端部產(chǎn)生的電弧作熱源來镕化金屬絲材，用壓縮空氣進行霧化的熱噴涂方法。圖2.92

16、5所示是其噴涂示意。 噴嘴端部成一定角度的連續(xù)送進的兩報金屬絲，分別接直流電源的正負極。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度，使兩根金屬絲間產(chǎn)小電弧，將兩根絲材的端部同時熔化，由電弧發(fā)生點的背后噴射出的壓縮空氣，使熔化的金屑脫離并霧化成微粒，在高速氣流的作用下。噴射到制備好的基材表面上而形成噴涂層。爆炸噴涂(explosion spraying) 是以突然爆發(fā)的熱能加熱熔化噴涂材料并使熔粒加速的熱噴涂方法。 原理如圖2.926所爾，將一定比例和流量的乙炔和氧氣引入內(nèi)徑為25mm的水冷槍簡內(nèi)，與同時引入的噴涂粉末混合。通過火花塞點火瞬間引爆，槍筒內(nèi)的溫度突然上升到3300以上氣體燃燒的速度超過

17、音速的十倍，形成沖擊波，爆炸的熱能將噴徐粉末加熱到熔融或半熔殿狀態(tài)，并使熔粒加速到2倍音速噴出，撞擊到基體表面形成涂層。此后將氮氣引入槍周內(nèi)置換直到下一個爆炸過程開始。通入氣體和粉末的爆炸過程，每秒可重復進行18次，根據(jù)涂層所要求的厚度可以反復進行。壓制技術壓制技術 : 軋制可以在加熱狀態(tài)下進行(熱軋),也可以在低于再結晶的溫度下進行(溫軋),也可以再室溫下進行(冷軋).同時,也可以根據(jù)軋制的受力和變形方式來進行分類,通?？煞譃椋喊鍘А⒉能堉?、縱軋成型軋制、橫軋成形壓制、斜軋成型、楔橫軋等。管材軋制管材軋制: : 模模鍛鍛: : 模鍛模鍛是一種批量生產(chǎn)金屬鍛件的工藝方法，它是金屬材料在一定形

18、狀的模腔內(nèi)變形，可以生產(chǎn)出形狀和尺寸都接近成品零件的模鍛件。和自由鍛造相比，模鍛可以節(jié)省零件的機加工工作量和材科的消耗，提高勞動生產(chǎn)率串以及提高整批產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。使用模鍛工藝可以制造形狀十分復雜的鍛件，可以使鍛件獲得良好的纖維組織以及高的力學性能，但是模鍛需要使用大功率的鍛壓設備和昂貴的摸具，一般在對零件的組織性能有較高要求而且生產(chǎn)批量比較大時，選用模鍛才適臺。 旋轉鍛造旋轉鍛造 旋轉鍛造簡稱旋鍛，是模鍛的一種特殊形式。它使用一副或多副（最多可達8個）對擊的錘頭來生產(chǎn)精密軸類件的鍛造工藝，鍛造時坯料旋轉送進，在錘頭的打擊下達到減小直徑，增大長度和成型的目的。 擠壓擠壓技術技術（1）正擠壓）

19、正擠壓 金屬流動方向與擠壓軸方向相同，釘金屬流動方向與擠壓軸方向相同，釘坯與擠壓筒有較大的相對運動，縮需擠壓力較大。坯與擠壓筒有較大的相對運動，縮需擠壓力較大。擠壓生產(chǎn)型材時，通常采用平模后或分流組合模擠擠壓生產(chǎn)型材時，通常采用平模后或分流組合模擠壓。平模擠壓時，?？诘亩◤綆У拈L度設計是一個壓。平模擠壓時，?？诘亩◤綆У拈L度設計是一個重要的因素，分流組合模擠壓時，分流孔的設計是重要的因素，分流組合模擠壓時，分流孔的設計是非常重要的。非常重要的。（2）反擠壓）反擠壓 金屬流動方向與擠壓軸的運動方向相金屬流動方向與擠壓軸的運動方向相反。但生產(chǎn)效率較低，通常應用于生產(chǎn)一些塑性較反。但生產(chǎn)效率較低，通

20、常應用于生產(chǎn)一些塑性較差的金屬。差的金屬。（3）聯(lián)合擠壓）聯(lián)合擠壓 這種方法既有正擠壓，又有反擠這種方法既有正擠壓，又有反擠壓，故稱聯(lián)合擠壓。管材穿孔擠壓過程屬這類方壓，故稱聯(lián)合擠壓。管材穿孔擠壓過程屬這類方法，穿孔時金屬向相反方向流動為反擠壓，穿孔后，法，穿孔時金屬向相反方向流動為反擠壓，穿孔后，金屬正擠壓成管材。金屬正擠壓成管材。 拉拔方法拉拔方法（1）實心材拉拔（2）空拉 （3）長芯桿拉拔 (4)固定短芯頭拉拔 (5)游動芯頭拉拔 在連鑄連軋技術連鑄連軋技術 目前，世界各國有色金同連鑄設備多達數(shù)十種，其突出的優(yōu)點是：液態(tài)金屬能一次成坯或成材，簡化了生產(chǎn)過程節(jié)約大量的投資；可省去一至兩道加

21、熱過程，大大降低能耗；可避免每根鑄錠由于縮孔、疏松和夾雜等缺陷所需要的切去頭尾。提高了成材率，可大大改善勞動條件。 四、材料加工工程學的定位與研究內(nèi)容 產(chǎn)品生產(chǎn)技術（工藝）裝備控制其它材料加工定位材料加工定位：1、掌握材料學的研究成果；2、過程裝備的創(chuàng)新設想；3、第一套裝備的開發(fā)；4、規(guī)?；I(yè)放大工程推廣（生產(chǎn)研究）； 工程學工程學材料學工藝學研究的范圍 材料加工過程裝置過程控制電器其它生產(chǎn)研究研究主要內(nèi)容研究主要內(nèi)容材料加工、制備技術工程學的主要研究內(nèi)容：材料加工、制備技術工程學的主要研究內(nèi)容：（1）裝置工作原理、影響規(guī)律等機理性研究）裝置工作原理、影響規(guī)律等機理性研究（2）第一套裝置的）

22、第一套裝置的開發(fā)研究開發(fā)研究（3）工程化研究（）工程化研究（改進改進、新建）、新建）（4）工業(yè)化的生產(chǎn)管理研究（經(jīng)濟）工業(yè)化的生產(chǎn)管理研究（經(jīng)濟） 等與工業(yè)化生產(chǎn)相關的一系列其它活動研究。材料加工、制備技術的主要材料加工、制備技術的主要知識結構知識結構知識結構知識結構是一個非常復雜的問題是一個非常復雜的問題簡單三大類：簡單三大類： (1) 加工工藝知識加工工藝知識(2) 工程基礎知識（力學、熱工、反應動力學等）工程基礎知識（力學、熱工、反應動力學等）(3)工程設計知識工程設計知識本報告：本報告： 關于關于材料制備和材料加工的一點思考材料制備和材料加工的一點思考 五、材料加工機理研究的幾個舉例熱

23、絲CVD研究存在的問題：溫度場不均勻，產(chǎn)品性能不理想，工件放大困難。電加熱絲燈絲加工件論文 結 論 （流動、傳熱、傳質(zhì)反應器設計流動、傳熱、傳質(zhì)反應器設計）1.在對金剛石各種氣相生長工藝進行系統(tǒng)學綜合對比分析的基礎上,以HFCVD為范例。進行了生長狀態(tài)參數(shù)空間場模擬計算和實驗研究,證明由于熱阻塞和熱繞流效應,降低了外傳質(zhì),使自由空間準靜態(tài)HFCVD生長金剛石的速率難以提高,而形成的溫度場不均勻性則會影響膜層質(zhì)量。2.采用管道流動反應模式進行金剛石氣相生長,有利于消除熱繞流。為此,要求熱絲在管道橫截面內(nèi)均勻分布,并采用絕熱壁邊界條件。3.在消除熱繞流條件下,反應器處于外傳質(zhì)控制狀態(tài),可按照質(zhì)量作

24、用定律,通過增加反應氣體質(zhì)量通量,來提高金剛石生長速率。4.采用分離送入反應氣體工作模式,可以顯著減輕鎢絲碳化,有利于延長鎢絲壽命。5.本項研究結果為大面積大面積高速高速氣相生長金剛石氣相生長金剛石反應器反應器設計提供了理論依據(jù),并在此基礎形成了對于熱絲化學氣相生長金剛石新型反應器的構想。 （ 2002）論文結論文結 語語 微電子材料制造中反應器設計的基本目標之就是薄膜材料能夠在襯底上均勻快速高質(zhì)量生長熱絲法化學氣相沉積系統(tǒng)中,薄膜材料生長依賴于碳源濃度!襯底溫度和氣體流動等生長條件與環(huán)境本文數(shù)值模擬了單熱絲CVD系統(tǒng)內(nèi)襯底表面的輻照度分布和溫度分布基于輻射熱平衡計算得到的溫度分布與襯底表面輻照度分布相似,存在較強的不均勻性計入襯底橫向熱傳導后,襯底表面溫度分布的均勻性提高,在一定程度上為生長大面積品質(zhì)良好的薄膜創(chuàng)造了有利條件阿姆斯特丹大學(2002)采用CFD技術對聚合物成型過程中的流變過程進行的研究 微射流噴涂過程噴涂