輕合金與泡沫金屬材料的制備

1、輕合金與泡沫金屬材料的制備第1頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金及其制備技術(shù)鈦合金的分類及性質(zhì) 自從人類1790年發(fā)現(xiàn)鈦元素，鈦逐漸顯示出它獨(dú)特的優(yōu)越性能。鈦不僅具有金屬結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)越性能，而且在許多工藝介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。 從使用鈦的意義看，一個(gè)國(guó)家使用鈦的多少標(biāo)志著國(guó)家的科技水平、軍事實(shí)力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的強(qiáng)弱。所以推廣使用鈦，發(fā)揮鈦特性的優(yōu)勢(shì)作用，對(duì)促進(jìn)工業(yè)發(fā)展、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的活力，是非常必要的，也是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的方向。 目前，有人把鈦叫做“時(shí)髦金屬”，也有人根據(jù)鈦在工業(yè)上發(fā)揮的重要作用及其未來發(fā)展趨勢(shì)，把鈦稱為第三金屬或未來的鋼鐵。第2頁(yè)，共81頁(yè)，202

2、2年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的分類1.鈦合金根據(jù)相的組成可分為三類:合金，(+)合金和合金，中國(guó)分別以TA、TC、TB表示。 合金含一定量的穩(wěn)定相的元素，平衡狀態(tài)下主要由相組成。合金比重小，熱強(qiáng)性好、具有良好的焊接性和優(yōu)異的耐蝕性，缺點(diǎn)是室溫強(qiáng)度低，通常用作耐熱材料和耐蝕材料。 (+)合金含一定量的穩(wěn)定相和相的元素，平衡狀態(tài)下合金的組織為相和相。()合金有中等強(qiáng)度，并可熱處理強(qiáng)化，但焊接性能較差。 合金含大量穩(wěn)定相的元素，可將高溫相全部保留到室溫。合金通常作高強(qiáng)度、高韌性材料使用。缺點(diǎn)是比重大，成本高，焊接性能差，切削加工困難。2.鈦合金按用途可分為：耐熱鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、耐蝕

3、鈦合金、低溫鈦合金、特殊功能鈦合金。第3頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的性質(zhì) 與其他金屬相比，鈦及鈦合金在化學(xué)、物理和機(jī)械性能方面有其自已的特點(diǎn)： 1）密度小，比強(qiáng)度高：金屬鈦的密度為4.5g/cm3,在相同尺寸條件下，使用鈦制造的設(shè)備比鋼約輕一半，所以鈦是一種輕型材料；鈦合金的強(qiáng)度與鋼接近，遠(yuǎn)高于鋁，所以鈦合金又是一種輕型高強(qiáng)度金屬結(jié)構(gòu)材料。 2）耐腐蝕性能：鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)了鈦基體不被腐蝕，即使由于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生，而且介質(zhì)溫度在315以下時(shí)鈦的氧化膜始終保持這一特

4、性，這是各國(guó)民用工業(yè)使用鈦材的基礎(chǔ)保障。第4頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的性質(zhì)3）無磁性、無毒：鈦合金是無磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化。這一特性可使鈦合金應(yīng)用于磁控設(shè)備中，鈦制艦艇外殼可以避免磁性雷的爆炸。鈦合金無毒，與人體組織及血液有良好的相容性，所以被醫(yī)療界廣泛采納。 4）抗阻尼性能：鈦合金受到機(jī)械振動(dòng)、電振動(dòng)后，與鋼、銅相比，其自身振動(dòng)衰減時(shí)間最長(zhǎng)。 5）耐熱性能：通過固溶強(qiáng)化相研制出的高溫鈦合金，可以在600以下長(zhǎng)期使用，800以下短時(shí)間使用。 6）耐低溫性能：以TA7、TC4為代表的低溫鈦合金，其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，但塑性變化不大，可在-

5、196-253低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，是低溫容器、儲(chǔ)箱等設(shè)備的理想材料。 第5頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用軍工方面 鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用主要是制作飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和接頭等；在航天工業(yè)中，鈦合金主要用來制作承力構(gòu)件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及噴管等零部件。 鈦合金在軍用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量迅速增加，從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，它在F14和F15飛機(jī)上的用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，在F100和TF39發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量分別達(dá)到25%和33%；80年代以后，鈦合金材料和

6、工藝技術(shù)獲得了進(jìn)一步發(fā)展，一架B1B飛機(jī)需要90402公斤鈦材。 隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，陸軍部隊(duì)需求具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高、有快速反應(yīng)能力的多功能的先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)。先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是新材料技術(shù)，自行火炮炮塔、構(gòu)件、輕金屬裝甲車用材料的輕量化是武器發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，鈦合金將發(fā)揮重要的作用。第6頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用軍工方面 在保證動(dòng)態(tài)與防護(hù)的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應(yīng)用。155火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度； 在主戰(zhàn)坦克及直升機(jī)反坦克多用途導(dǎo)彈上的一些形狀

7、復(fù)雜的構(gòu)件可用鈦合金制造，這既能滿足產(chǎn)品的性能要求又可減少部件的加工費(fèi)用。 在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，鈦合金由于制造成本高，應(yīng)用受到極大的限制。近年來，世界各國(guó)正在積極開發(fā)低成本的鈦合金，在降低成本的同時(shí)，還要提高鈦合金的性能。 我國(guó)鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量逐漸增大，尋求較低的制造成本是發(fā)展鈦合金的必然趨勢(shì)。第7頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的成型技術(shù)鈦合金整體精密體積成形技術(shù)：通過設(shè)定具有合理組織的鑄造坯料，正確選擇和控制成形工藝參數(shù)，使產(chǎn)品組織得到細(xì)化，同時(shí)簡(jiǎn)化了工藝，減少能耗，進(jìn)一步提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，大幅提高產(chǎn)品性能：通過對(duì)ZTC4

8、鈦合金溫變形研究發(fā)現(xiàn)，ZTC4鈦合金溫變形后經(jīng)固溶+時(shí)效處理，抗拉強(qiáng)度 可達(dá)到1200MPa以上（其鑄件抗拉強(qiáng)度為900Mpa左右），伸長(zhǎng)率可達(dá)到10%以上。采用該技術(shù)成形的制退器，材料利用率可達(dá)到75%以上，尺寸精度達(dá)IT8級(jí)，極大地降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)減輕重量40%，提高了發(fā)射精度及穩(wěn)定性。第8頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 波音757客機(jī)的結(jié)構(gòu)件中,鈦合金約占5%，用量達(dá)3640kg。 在B-1轟炸機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中，鈦合金約占21%，主要用于制造機(jī)身、機(jī)翼、蒙皮和承力構(gòu)件。第9頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 美

9、國(guó)新型戰(zhàn)斗機(jī)F-22用鈦量約占機(jī)體總質(zhì)量的40%以上，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪盤葉片和機(jī)匣燃燒室筒體和尾噴管等均采用了鈦合金制造。 在F-15戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中，鈦合金用量達(dá)7000kg，約占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的34%。第10頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 在汽車制造中的應(yīng)用 鈦合金具有適合于汽車要求的高強(qiáng)度、低密度、低彈性模量、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)異性能，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、連桿、氣門彈簧、彈簧座圈等，可減少汽車噪聲，節(jié)能，減少有害氣體排放。第11頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣門：用Ti-6A1-4V等制成的氣門比

10、鋼制氣門輕30%40%，極限轉(zhuǎn)速可提高20%。 鈦合金連桿：用鈦合金制造連桿對(duì)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量最有效，能大大提高性能。連桿所用材料主要是Ti-6Al-4V，比鋼制連桿輕15%20%。意大利的新型法拉利(Ferrari)3.5LV8與Acura（謳歌）的NSX發(fā)動(dòng)機(jī)首次使用了鈦合金連桿。 鈦合金彈簧類：Ti-13V-llC-3Al等合金的開發(fā)，可望用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧、懸架彈簧上。鈦合金適于制造懸架彈簧和氣門彈簧。用鈦合金制造板簧與用抗拉強(qiáng)度2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，可降低自重20%。第12頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用鈦及其合金具有無

11、毒、質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐生物體腐蝕及良好的生物相容性等特性，是理想的醫(yī)用金屬材料，被廣泛用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、齒科、整形外科、心臟外科、體內(nèi)支撐架及醫(yī)療器械等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 人造心臟瓣膜的外壁使用高強(qiáng)度鈦合金制成，其中一定含量的碳素使該瓣膜具有優(yōu)質(zhì)的噴嘴，保證了血液的良好循環(huán)。第13頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 由于鈦合金具有良好的生物相容性以及易于加工等特點(diǎn)，使得鈦合金在口腔修復(fù)方面的應(yīng)用前景十分廣泛。 1952年瑞典科學(xué)家Branemark就開始研究鈦材在口腔中的應(yīng)用，并于1965年研制出用鈦制成的種植體且應(yīng)用于臨床，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料制作的種植體，迄

12、今為止仍被廣泛應(yīng)用。第14頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的應(yīng)用 在體育器材中的應(yīng)用 鈦及鈦合金也正在向體育運(yùn)動(dòng)器材這一應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)軍，目前其應(yīng)用最多的是用鈦合金鑄造高爾夫球桿、球頭。 20世紀(jì)80年代末，日本開始研制鈦合金精鑄高爾夫球頭，獲得了良好效果。 （北京航材院百慕高科） 鈦合金的質(zhì)量輕強(qiáng)度高，與不銹鋼相比可以制作打擊面更大的球頭，運(yùn)動(dòng)員采用鈦合金球頭擊球時(shí)球感很好且擊球聲音非常悅耳。第15頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的制備技術(shù) 鈦粉的制備 現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)鈦和鈦合金粉末主要有以下四種方法：1）鈉還原海綿鈦粉。此種粉末產(chǎn)量大，價(jià)

13、格便宜，粉末塑性好，宜于冷成形，是生產(chǎn)一般耐蝕制品的主要原料。但是因其含有較高的鈉和氯離子，燒結(jié)時(shí)易污染設(shè)備并使材料的焊接性能變壞。2）電解鈦粉。純度較鈉還原的海綿鈦粉高，但電解鈦粉的成形性較海綿鈦粉差。3）氫化脫氫鈦粉。通過氫化脫氫工藝可獲得質(zhì)量好、粒度細(xì)的鈦粉及其合金粉末，但是批量小、價(jià)格較貴。4）離心霧化鈦粉。上世紀(jì)60年代美國(guó)核金屬公司首先采用電弧旋轉(zhuǎn)電極法制成鈦的預(yù)合金粉末，粉末呈球形。這種合金粉末純度高、成分均勻、流動(dòng)性好、裝填密度為理論值的65%。第16頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的制備技術(shù) 鈦合金產(chǎn)品的制備 鈦合金的制備方法有多種,有精密鑄造成

14、形、激光成形及粉末冶金成形。 傳統(tǒng)粉末冶金成形（P/M） 采用傳統(tǒng)粉末冶金方法生產(chǎn)鈦合金制品主要步驟為：首先是粉末的制備，然后通過對(duì)疏松的粉末施加一定的外壓使其達(dá)到致密化，接著對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)，以得到一定性能的制品。 鈦合金的粉末冶金制備方法包括元素粉末法（BE）和預(yù)合金粉末法（PA）。第17頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的制備技術(shù)元素粉末法的特點(diǎn)是使用的粉末（如HDH粉、海綿鈦粉）價(jià)格低廉，而且元素粉相對(duì)預(yù)合金鈦粉屈服強(qiáng)度要低，容易成形。因此，元素粉末法有著廣泛的市場(chǎng)前景。預(yù)合金化粉末的生產(chǎn)方法主要有旋轉(zhuǎn)電極法和氣體霧化法等，大多是將合金熔滴快速凝固，從而獲得預(yù)

15、合金粉，所以又稱“快速凝固法”。 利用預(yù)合金化粉加工成的鈦合金具有細(xì)小的晶粒組織，可提高室溫性能及高溫超塑性的可成形性。第18頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三粉末冶金-制粉技術(shù) 1.二流霧化法根據(jù)霧化介質(zhì)（氣體、水或油）對(duì)金屬作用方式的不同，二流霧化法具有多種形式：1) 垂直噴嘴：霧化介質(zhì)與金屬液流互呈垂直方向，如a所示。噴制的粉末較粗，常用來噴制鋁、鋅等粉末；2) V型噴嘴：兩股板狀霧化介質(zhì)射流呈V型，金屬液流在交叉處被擊碎，如圖b所示。特點(diǎn)是不易發(fā)生堵嘴，最早用此法制備不銹鋼粉末。第19頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三粉末冶金-制粉技術(shù) 3)

16、 錐形噴嘴：如圖c所示。環(huán)孔噴嘴，霧化介質(zhì)以極高的速度從若干個(gè)均勻分布的圓周上的小孔噴射出構(gòu)成一個(gè)未封閉的氣錐，交匯于錐頂點(diǎn)，將流經(jīng)該處的金屬液擊碎。這種噴嘴霧化效率較高，但要求金屬液流對(duì)中好，而且，由于霧化介質(zhì)高速射出時(shí)會(huì)在錐中形成真空，容易造成液滴反飛，并在噴嘴上凝固而堵嘴。第20頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三粉末冶金-制粉技術(shù) 4) 漩渦環(huán)形噴嘴：如圖d所示。環(huán)縫噴嘴，壓縮氣體從切向進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔，然后高速噴出形成一漩渦狀錐形體，金屬液流在錐頂被擊碎。 霧化介質(zhì)與金屬液流的相互作用既有物理-機(jī)械作用，又有物理化學(xué)作用。高速流體既是使金屬液流擊碎的動(dòng)力源，又是一種冷

17、卻劑。也就是說整個(gè)過程既存在能量交換，也存在熱量交換。 此外在很多情況下，霧化過程中液體金屬與霧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用使金屬液體改變成分（如脫碳、氧化），因此，霧化過程也有物理-化學(xué)過程的特點(diǎn)。第21頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三1）旋轉(zhuǎn)圓盤利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成的離心力將金屬液流擊碎成細(xì)的液滴，然后冷凝成粉末的離心霧化，最早使用的是離心圓盤旋轉(zhuǎn)法。這種方法可以制取鐵粉、鋼粉等粉末。 從漏嘴（6-8mm）流出的金屬液流被具有一定壓力的水（）引至轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，被圓盤上的特殊葉片所擊碎，迅速冷卻成粉末。通過改變圓盤的轉(zhuǎn)數(shù)（1500-3500r/min），葉片的形狀和數(shù)目可以調(diào)整粉末的粒

18、度。葉片沖擊次數(shù)低于1400次/秒時(shí)，粉末的細(xì)顆粒百分比隨沖擊次數(shù)的增加而增加。旋轉(zhuǎn)圓盤霧化法還可以借助氦氣浪沖擊已生成的粉末顆粒來強(qiáng)化凝固，使凝固速度達(dá)到104-106 0C/s數(shù)量級(jí)。由于冷卻速率增加，粉末顆粒的顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化，合金固溶度增加，并可以形成新相。離心霧化第22頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三離心霧化2）旋轉(zhuǎn)電極霧化如圖所示，旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)應(yīng)用于制取高合金粉末、活性金屬（如鋯、鈦等）粉末以及超合金粉末。把欲霧化的金屬或合金作為旋轉(zhuǎn)自耗電極，通過固定的鎢電極產(chǎn)生電弧，使金屬或合金熔化。當(dāng)自耗電極快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力使熔融金屬或合金粉碎成細(xì)小的液滴飛出。電極裝

19、于粉末收集室內(nèi)，收集室先被抽成真空，然后在霧化之前充入氬氣或氦氣等惰性氣體，液滴在尚未碰到粉末收集室的器壁之前就在惰性氣氛中凝固。這種方法生產(chǎn)的粉末純度很高，不被霧化周圍的環(huán)境所污染，氧化物含量很低。 第23頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三離心霧化旋轉(zhuǎn)電極霧化的液滴形成過程如圖所示。首先，熔融金屬在旋轉(zhuǎn)固體（即陽(yáng)極）邊上形成液體薄膜（薄片），然后，由于剪切力和表面張力的作用而形成條帶液片；當(dāng)自由下落時(shí)，條帶成為液滴并形成球形粉末。若過熱度不夠，則液滴在球化前將凝固。旋轉(zhuǎn)電極霧化所得粉末平均粒度一般為250m。熔化速率高，旋轉(zhuǎn)速度慢以及陽(yáng)極直徑細(xì)，所得粉末的平均粒度增大。

20、第24頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三離心霧化 旋轉(zhuǎn)電極霧化的平均粒度D可用下式表示： D=M0。12/d0.64（/m）0.43式中：M為熔化速率；d為陽(yáng)極直徑；為角速度。一般情況下，旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝參數(shù)為：熔化速率：10-7 m3/s；旋轉(zhuǎn)速率：1000-5000r/min；陽(yáng)極直徑：2-5cm。旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝的優(yōu)點(diǎn)：粉末干凈；能制得球形粉末；粒度均勻，無污染。缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，設(shè)備和加工成本較高，粉末粒度較粗。第25頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的制備技術(shù) 金屬注射成形(MIM) 粉末注射成形(PIM)是粉末冶金技術(shù)同塑料注射成形技

21、術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)新工藝，包括金屬注射成形(MIM)和陶瓷注射成形(CIM)。 粉末冶金方法不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。二十世紀(jì)70年代發(fā)展起來的金屬注射成形法(MIM)設(shè)計(jì)自由，能生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、高性能、結(jié)構(gòu)均勻的零部件，且其生產(chǎn)率高，有著良好的尺寸控制，因而倍受矚目。第26頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的制備技術(shù)金屬注射成形過程將粉末與熱塑性材料均勻混合，使之成為具有良好流動(dòng)性能的流態(tài)物質(zhì)，而后把混合料在一定的溫度和壓力下注射成需要的形狀。這種工藝能制造出形狀復(fù)雜的坯塊，所獲得成形件經(jīng)過脫脂將粘結(jié)劑排除后再進(jìn)行燒結(jié)，得到最終制品。第27頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月

22、20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金等溫成形技術(shù) 傳統(tǒng)的熱變形方法通常是將坯料從加熱爐內(nèi)移至冷模或預(yù)熱的模具中進(jìn)行。在多數(shù)情況下，熱變形時(shí)的模具預(yù)熱溫度遠(yuǎn)低于坯料溫度，在成形過程中，由于坯料與模具之間的溫差較大，會(huì)使坯料溫度急劇降低，導(dǎo)致材料變形抗力增加、塑性降低。尤其是對(duì)于小型制品或表面積比很大的帶窄筋、薄腹板的制品，薄壁處溫度的降低非?？?。 熱變形成形過程中，坯料溫度的降低將引起： 1）材料塑性流動(dòng)能力降低、變形抗力提高，不僅使設(shè)備功率增加，增加成本，而且降低模具的使用壽命； 2）由于材料變形溫度的降低，會(huì)在坯料中產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，形成難變形區(qū)或局部變形區(qū)，從而引起材料組織與性能的不均勻。第

23、28頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金等溫成形技術(shù) 通過將坯料加熱到實(shí)際變形溫度以上，或經(jīng)過多次成形，可以適當(dāng)解決坯料在成形過程中溫度降低的問題，但是: 1）浪費(fèi)能源; 2）增加坯料的加熱時(shí)間，引起金屬組織粗大，塑性和強(qiáng)度降低; 3）制品形成表面氧化層、脫碳層，需要加大加工余量，使材料利用率降低，增加了產(chǎn)品的制造成本，這一點(diǎn)對(duì)于稀有貴金屬材料表現(xiàn)得更為突出。 等溫成形方法是通過模具和坯料在變形過程中保持同一溫度來實(shí)現(xiàn)的，從而避免了坯料在變形過程中溫度降低和表面激冷的問題。 等溫成形的特點(diǎn)： 1）降低材料的變形抗力； 2）提高材料的塑性流動(dòng)能力； 3）尺寸精度高、表面

24、質(zhì)量好、組織均勻、性能優(yōu)良； 4）模具使用壽命長(zhǎng)； 5）材料利用率高。第29頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的特點(diǎn)等溫成形由于克服了常規(guī)熱變形過程中坯料溫度變化的問題，因此具有如下一些特點(diǎn)： 1）降低材料的變形抗力 在等溫成形過程時(shí)，由于坯料與模具的溫度基本一致，因此坯料的變形溫度不會(huì)降低。在變形速度較低的情況下，材料軟化過程進(jìn)行的比較充分，使材料的變形抗力降低。此外，也可以使用具有一系列優(yōu)良的工藝和使用性能的玻璃潤(rùn)滑劑，進(jìn)一步降低變形抗力；可選用占用空間小，節(jié)約能源的低功率設(shè)備。第30頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的特

25、點(diǎn) 2）提高材料的塑性流動(dòng)能力 等溫成形的突出特點(diǎn)之一是可提高材料的塑性流動(dòng)能力。由于等溫成形時(shí)材料的變形時(shí)間延長(zhǎng)，可使材料的軟化過程充分進(jìn)行，提高材料的塑性流動(dòng)能力，并使缺陷得到愈合。這就使形狀復(fù)雜、具有窄筋、薄腹制品的成形成為可能、也為成形低塑性的難變形材料提供了有效手段。 3）尺寸精度高、表面質(zhì)量好、組織均勻、性能優(yōu)良 由于坯料變形溫度基本保持恒定，可使材料在較低的溫度下進(jìn)行成形加工，而且可以采用一次成形。等溫成形的坯料加熱溫度比常規(guī)變形低100400，加熱時(shí)間縮短2/3-1/2，從而減少了氧化、脫碳等缺陷，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。 第31頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，

26、星期三鈦合金及其制備技術(shù) 4）模具使用壽命長(zhǎng) 雖然等溫成形，尤其是等溫模鍛時(shí)所用模具材料及加工費(fèi)用較高，加工精度的要求也較高，但是在等溫成形過程中，由于模具是在準(zhǔn)靜載荷、低壓力、無交變熱應(yīng)力條件下工作，并且可以使用一系列具有優(yōu)良的工藝和使用性能的潤(rùn)滑劑，因此模具的使用壽命比常規(guī)熱變形模具高。 等溫成形零件通常采用一道工序進(jìn)行成形，只需要一套模具，而常規(guī)熱變形一般需要多道工序、多套模具。因此，總體來說，采用等溫成形可提高模具使用壽命，降低模具成本。 5）材料利用率高 等溫成形可以通過減少加工余量、提高產(chǎn)品尺寸精度來減少金屬消耗。例如，生產(chǎn)同一渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，等溫鍛造所用的原料只有常規(guī)熱模鍛的1/

27、3左右。第32頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的適用范圍 根據(jù)等溫成形的特點(diǎn)以及常規(guī)熱變形的不足，等溫成形的適用范圍主要包括以下幾個(gè)方面： 1）低塑性材料的成形 采用等溫成形的方法，可以成形用常規(guī)變形方法不能加工的低塑性、難變形材料。如鈦合金、耐熱合金及高合金鋼，其變形溫度范圍比較窄，采用等溫條件下的變形顯得非常重要； 采用等溫成形方法，在變形溫度為900，應(yīng)變速率為210-3/s的無潤(rùn)滑的條件下，可將鈷鉻鎢鉬合金單向壓縮至60，坯料未產(chǎn)生裂紋；在變形溫度為900，應(yīng)變速率為210-2/s的條件下，可將灰口鑄鐵單向壓縮至53，坯料未產(chǎn)生裂紋。第33頁(yè)，共81

28、頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的適用范圍 2）優(yōu)質(zhì)或貴重材料的成形 對(duì)鈦及鈦合金、銅及銅合金，以及高溫合金、復(fù)合材料等，采用常規(guī)熱變形方法成形這些優(yōu)質(zhì)或貴重材料，通常需要加大加工余量，使材料成本和機(jī)械加工成本大為提高，造成不必要的浪費(fèi)。例如某些飛機(jī)用鈦合金零件，由于形狀復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求非常，材料利用率僅為5-15%左右，大部分材料均因機(jī)械加工而成為廢屑。 同時(shí)由于鈦合金的機(jī)械加工難度較大，機(jī)械加工費(fèi)用和工具費(fèi)用比其它材料高了5-10倍。 而采用等溫成形工藝，可以成形小拔模斜度或無拔模斜度的零件，以及有明顯階梯截面、過渡半徑較小的鍛件，大大減小加工余量，節(jié)約材料

29、，降低成本。 例如，采用等溫成形方法制造的帶葉片的盤形件，成形后不需要進(jìn)行切削加工，與常規(guī)變形方法相比，節(jié)約材料50%以上。第34頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的適用范圍 3）形狀復(fù)雜的高精度零件的成形。 采用等溫成形的方法，可以成形具有高窄筋、薄腹板以及形狀復(fù)雜的高尺寸精度的結(jié)構(gòu)零件，而這些零件采用常規(guī)的塑性加工方法進(jìn)行成形往往是非常困難的，甚至是不可能的。 等溫成形技術(shù)使以往以機(jī)械加工為主要制造方法的鉚接與螺釘緊固的組合件，被大型整體結(jié)構(gòu)件所代替提供了可能性，為降低成本、減輕構(gòu)件重量提供了有效的手段，對(duì)航空、航天器的設(shè)計(jì)制造產(chǎn)生了巨大的影響。第35頁(yè)，

30、共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等溫成形技術(shù)的適用范圍 4）采用低壓力成形大型結(jié)構(gòu)零件。 等溫條件可以擴(kuò)大材料成形的工藝參數(shù)范圍，例如通過降低應(yīng)變速率，可以使材料在較低的變形溫度下具有較高的塑性，降低成形壓力。例如，在缺少大功率設(shè)備時(shí)，降低應(yīng)變速率，利用坯料在模具中的保壓，可以實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)零件的成形。 5）研究材料的塑性變形規(guī)律。 由于常規(guī)熱變形過程中變形溫度是不斷變化的，物理模擬試驗(yàn)與實(shí)際加工過程存在較大的差異。等溫成形是塑性成形的一種特殊情況，等溫物理模擬試驗(yàn)與實(shí)際等溫成形時(shí)的條件相差較小，等溫物理模擬試驗(yàn)的結(jié)果可以有效地指導(dǎo)實(shí)際等溫成形工藝的設(shè)計(jì)，可以研究材料在特殊條

31、件下的塑性變形規(guī)律。第36頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的等溫成形性圖9-12給出了TC4鈦合金的伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊韌性a、抗拉強(qiáng)度、沖擊壓縮極限變形程度、靜態(tài)壓縮極限變形程度隨溫度的變化規(guī)律。從圖9-12可以看出，TC4鈦合金的熱加工溫度范圍為800-1200，即使在高溫變形條件下，鈦合金的變形抗力也比一般鋼鐵材料高。在鈦合金鍛造時(shí)，即使鍛件溫度有少許降低，也將導(dǎo)致變形抗力大大提高。因此，鈦合金的鍛造溫度范圍通常比較窄。第37頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三鈦合金的等溫成形制品第38頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分

32、，星期三等靜壓技術(shù)(IP) 等靜壓制過程：是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)。高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉末上，粉末體在同一時(shí)間內(nèi)在各個(gè)方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯。 等靜壓制分為冷等靜壓、準(zhǔn)等靜壓和熱等靜壓制。 冷等靜壓制：物料被裝入彈性模套內(nèi)，然后放置在高壓容器內(nèi)。壓力泵將過濾后的流體注入壓力容器內(nèi)使彈性模套受壓，施加壓力達(dá)到所要求的數(shù)值后，開啟回流閥使流體返回儲(chǔ)罐內(nèi)備用。 冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式分為濕袋模具和干袋模具。第39頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等靜壓技術(shù)(IP) 濕袋模具壓

33、制：把無須外力支持就能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉料，用橡皮塞塞住袋口，然后套裝入穿孔金屬套并一起放入高壓容器中，使模袋浸泡在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。優(yōu)點(diǎn)：能在同一壓力容器內(nèi)同時(shí)壓制各種形狀的壓件，模具使用壽命長(zhǎng)，成本低。缺點(diǎn)：裝袋脫模過程中耗 時(shí)較多。第40頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等靜壓技術(shù)(IP)干袋壓制法：干袋固定在筒體內(nèi)，模具外層襯以穿孔金屬護(hù)套板，粉末裝入模袋內(nèi)由上層封蓋密封，高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓，壓力去除后即從模袋內(nèi)取出壓塊，模袋仍然留在容器內(nèi)供下次使用。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高（10-15個(gè)/min），易

34、于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，模具使用壽命長(zhǎng)。第41頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三等靜壓技術(shù)(IP)準(zhǔn)熱等靜壓：采用一種高溫下具有流體特性的顆粒（如石墨顆粒、陶瓷顆粒）作為傳遞壓力的介質(zhì)以代替熱等靜壓制所用的惰性氣體。工作時(shí)將預(yù)燒過的粉末預(yù)制件在保護(hù)氣氛中加熱至致密化溫度，將作為加壓介質(zhì)的石墨或陶瓷顆粒也加熱至相同溫度并充填于加熱容器中，然后將經(jīng)過壓制的預(yù)制件插入其中，石墨或陶瓷顆粒的流動(dòng)將施加的單向壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榈褥o壓施加于預(yù)制件上，使之在保持原來形狀的基礎(chǔ)上致密化。第42頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三熱壓技術(shù)熱壓又稱加壓燒結(jié)，是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時(shí)

35、使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低一些，經(jīng)過較短時(shí)間燒結(jié)獲得致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個(gè)工序一并完成，可以在較低的壓力下迅速獲得冷壓燒結(jié)所達(dá)不到的密度。原則上凡是用一般方法能制得的粉末零件都適于熱壓方法制造，尤其是制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。熱壓模一般為高速鋼及其他耐熱合金，但是使用溫度通常在8000C以下，當(dāng)溫度更高（1500-20000C時(shí)），應(yīng)采用石墨材料，但承壓能力卻降低到70MPa以下。第43頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三熱等靜壓技術(shù)熱等靜壓：把粉末壓坯裝入特制容器內(nèi)（粉末包套）的粉末體置入熱等靜壓高壓容器內(nèi)，施以高溫高壓，使這些粉末體被均勻

36、壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程稱為粉末熱等靜壓。特點(diǎn)：粉末體在等靜壓高溫高壓內(nèi)同一時(shí)間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用，可以強(qiáng)化壓制與燒結(jié)過程，降低制品的燒結(jié)溫度，改善制品的組織結(jié)構(gòu)，消除材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，提高材料的致密度和強(qiáng)度。 熱等靜壓機(jī)的壓力容器是用高強(qiáng)度鋼制成的空心圓筒體，直徑一般為150-1500mm，高500-3500mm，工件的體積在0.028-2m3之間。通常的壓力范圍為7-200MPa，最高使用溫度為1000-2300。第44頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三熱等靜壓技術(shù)熱等靜壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1）粉末HIP制件密度高，相對(duì)密度可達(dá)99.80-99.9

37、9%；2）HIP件密度分布均勻，一般密度差在1%左右；3）能夠制造長(zhǎng)徑比很大的制件，如直徑40mm長(zhǎng)1.6m的硬質(zhì)合金軋輥；4）能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜和近終形的零件，降低成本；5）HIP產(chǎn)品性能優(yōu)異。HIP硬質(zhì)合金模具壽命提高4倍以上。HIP高速工具鋼、高溫合金、鈦合金無偏析，晶粒細(xì)小，熱加工性能大幅度改善；有利于處理有毒材料，如核燃料元件和鈹合金零件的成形。 第45頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料與制備技術(shù)1. 材料分類 泡沫材料：即多孔材料，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。 典型的孔結(jié)構(gòu)有：一種是由大量多邊形孔在平

38、面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)，由于其形狀類似于蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)而被稱為“蜂窩”材料；更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結(jié)構(gòu), 通常稱之為“泡沫”材料。 目前沒有一個(gè)統(tǒng)一、嚴(yán)格、公認(rèn)的定義。多數(shù)學(xué)者將多孔材料和泡沫材料視為等同概念。 第46頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的分類第47頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的分類硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料 多孔材料在自然界中普遍存在，如木材、軟木、海綿和珊瑚等。 有機(jī)泡沫材料：如聚氨酯泡沫材料、聚丙烯樹脂的粒料型泡沫材料、橡膠塑料泡沫材料、酚醛泡沫等。 石墨泡沫材料：即碳泡沫材料，可替

39、代聚合物基體泡沫、巴沙木、金屬蜂窩、膨脹氈、陶瓷纖維隔熱材料、塑料、玻璃纖維和橡膠。第48頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的分類 高分子發(fā)泡材料是國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著國(guó)家對(duì)新材料行業(yè)的日益重視，高分子發(fā)泡材料無論是在產(chǎn)量、銷量還是生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝、新產(chǎn)品的研發(fā)等方面，都取得了較快的發(fā)展。 高分子發(fā)泡材料分為軟質(zhì)發(fā)泡材料和結(jié)構(gòu)泡沫材料，其中軟質(zhì)發(fā)泡材料根據(jù)其采用的發(fā)泡原材料的不同，又分為發(fā)泡塑料和發(fā)泡橡膠。 軟質(zhì)發(fā)泡材料是以塑料粒子和橡膠等為原材料，加以催化劑等輔料通過物理發(fā)泡或交聯(lián)發(fā)泡使塑膠材料發(fā)泡（開孔或閉孔型），體積增

40、加，密度降低，達(dá)到緩沖、吸音、吸震、保溫、過濾的效果，被廣泛應(yīng)用于IT行業(yè)、家電產(chǎn)品、汽車、體育休閑等領(lǐng)域。 結(jié)構(gòu)泡沫材料是以塑料粒子（PVC為主）等為基礎(chǔ)，通過貫穿的芳香酰胺聚合網(wǎng)絡(luò)修正的發(fā)泡材料，具有密度低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，做成夾芯結(jié)構(gòu)后，可以大大增強(qiáng)力學(xué)性能，但幾乎不增加重量，主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、船舶游艇、航空航天、建筑節(jié)能等行業(yè)。第49頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的分類 多孔泡沫金屬是一種金屬基體中含有一定數(shù)量、一定尺寸孔徑、一定孔隙率的金屬材料。概括起來，主要有如下分類方式 1）按孔徑和孔隙率的大小分為兩類：多孔金屬和泡沫金屬?？讖叫∮?.

41、3mm，孔隙率在30%到90%稱為多孔金屬；而孔徑在0.5到6mm，孔隙率大于90%的稱為泡沫金屬； 2）按孔的形狀特征分類：具有通孔結(jié)構(gòu)的稱為多孔金屬，具有閉孔結(jié)構(gòu)的稱為泡沫金屬。但用得最多的是多孔金屬和泡沫金屬且多數(shù)都將兩者視為等同的概念。目前更為合適的名稱為多孔泡沫金屬。 陶瓷泡沫材料泡沫鋁第50頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展 石墨泡沫：美空軍材料實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種碳泡沫，首先用于替代昂貴的三維編織纖維預(yù)制品。美橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一類高溫導(dǎo)熱石墨泡沫，研究了不同先驅(qū)中間相瀝青制備的各種密度石墨泡沫的熱導(dǎo)率、熱導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系、低溫?zé)釋?dǎo)率與溫度的

42、關(guān)系、與其他聲學(xué)泡沫吸聲效率的比較，以及反射電磁能量的能力。美試金石實(shí)驗(yàn)室制備了密度0. 30. 5 g/ cm3碳泡沫材料，研究了熱處理對(duì)材料機(jī)械和熱性能的影響，以及碳泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)。日本E-TEC 公司研制成密度分別為1. 4 g/ cm3 ,0. 30. 8 g/ cm3 的兩種碳泡沫材料。 鋁合金泡沫金屬：Lehmhus等人通過對(duì)泡沫金屬連續(xù)增加或減少載荷，研究泡沫鋁合金的力學(xué)性能。得到在連續(xù)受力條件下，鋁合金泡沫金屬各種合金組分對(duì)加載后斷裂情況的影響。同時(shí)，得到不同合金成分對(duì)鋁合金泡沫金屬吸收能量的影響。 為了把泡沫鋁合金應(yīng)用于汽車工業(yè)，Baumeister等人通過改變泡沫鋁合金

43、的成分，對(duì)其吸收能量性能進(jìn)行了測(cè)試，得出吸收能量和塑性變形之間的關(guān)系。這樣可以根據(jù)實(shí)際情況，制備所需能量吸收值的泡沫鋁合金第51頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展 鈦合金泡沫金屬：鈦合金作為人體植入材料廣泛應(yīng)用于骨骼、關(guān)節(jié)、血管以及牙齒的修復(fù)等。但是一般鈦合金的楊氏模量高于骨頭的楊氏模量，使得鈦合金做為骨架的支撐體，與骨架本體在受力條件下變形不協(xié)調(diào)。鈦合金泡沫金屬的出現(xiàn)將很好地解決這個(gè)問題。研究表明，隨著空隙率的增加，泡沫鈦合金楊氏模量是增加的。利用它們的這種關(guān)系，通過控制空隙率來控制泡沫鈦合金的楊氏模量。 泡沫硅：當(dāng)光照射泡沫硅的時(shí)候，泡沫硅可以折射出特征

44、光線，應(yīng)用此性能可以探測(cè)空氣和水中的小分子和生物體。研究表明，泡沫硅可以在空氣中發(fā)射藍(lán)光，可以使用經(jīng)過電拋光處理的泡沫硅做為藍(lán)光光源，應(yīng)用于各種光學(xué)儀器中，并且可以用于組裝成微電子電路。 研究已證實(shí)泡沫硅在一定外界條件下，具有鐵磁性能。這樣人們考慮應(yīng)用泡沫硅來替代隨機(jī)存儲(chǔ)器的磁性核心，并且有望制造出標(biāo)準(zhǔn)硅片集成器。第52頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用航空領(lǐng)域：在航空領(lǐng)域，一般用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結(jié)構(gòu)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、熱防護(hù)系統(tǒng)、裝甲系統(tǒng)等，如機(jī)翼金屬外殼的支撐體、導(dǎo)彈的防外殼高溫坍塌支撐體、雷達(dá)鏡的反射材料等。如果采用定向凝固方法把發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制成多孔結(jié)構(gòu)，將

45、大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高葉片的冷卻能力，有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。航空工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)泡沫芯材的需求也占到一定的市場(chǎng)份額。隨著國(guó)內(nèi)大飛機(jī)項(xiàng)目上馬，未來對(duì)結(jié)構(gòu)泡沫芯材的需求將快速增長(zhǎng)。航天飛機(jī)外部燃料箱第53頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用能源領(lǐng)域：如泡沫鎳作為電極材料用于Ni-Cd電池的電極時(shí)，能效可提高90%，容量可提高40%，并可快速充電；輕質(zhì)高孔率的發(fā)泡基板和纖維基板等多孔金屬材料與傳統(tǒng)燒結(jié)基板材料相比，可使鎳材消耗降低約一半，極板質(zhì)量減少12%左右，并大大提高能量密度。 隨著低碳減排的概念日進(jìn)人心，用結(jié)構(gòu)泡沫制成的節(jié)能建筑材料也開始被更多的用于結(jié)構(gòu)制成建筑幕

46、墻，可以減輕墻體重量，提高墻體保溫隔熱的效果，并且具有良好的隔音、阻燃和耐腐蝕性。第54頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用汽車是金屬泡沫材料最有希望也是最大的應(yīng)用領(lǐng)域。輕質(zhì)、高剛度且有吸能和隔音性能的泡沫鋁已在汽車上得到應(yīng)用，如頂蓋板、底蓋板和滑動(dòng)頂板等高剛度構(gòu)件。德國(guó)Karmann汽車公司在跑車上采用三明治式復(fù)合泡沫鋁板取代鍛造鋼板制造汽車橫壁板和后板，重量減輕25Kg ，剛度提高700。金屬泡沫材料還具有吸能和隔音等多重功能 。第55頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用 在生物材料方面，鈦等多孔材料由于與人體組織有良好的

47、相容性且對(duì)人體無害而得到廣泛應(yīng)用，有機(jī)硅泡沫材料等在醫(yī)學(xué)上作為矯形外科用的填充和修補(bǔ)材料，如骨科、牙科等。 如果采用定向凝固的方法制造多孔人工骨，除了有利于骨組織的生長(zhǎng)外，還能通過孔隙率來調(diào)整彈性模量，使其與人骨相近，同時(shí)具有很好的減振效果，在保證力學(xué)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能上與人骨的進(jìn)一步親和。 第56頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用在過濾與分離方面，泡沫材料具有優(yōu)良的滲透性，適合于制備多種過濾器。利用通孔多孔金屬的孔隙對(duì)流體介質(zhì)中固體粒子的阻留和捕集作用，將氣體或液體進(jìn)行過濾與分離，從而達(dá)到介質(zhì)的凈化或分離作用。多孔金屬過濾器可用作從液體（如石油、汽油

48、、致冷劑、聚合物熔體和懸浮液等）及空氣或其它氣流中濾掉固體顆粒。全金屬過濾器第57頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用絕熱型浸水保溫服（救生服、救生衣、救生圈） 泡沫材料具有很大的比表面積，也適合于制造熱交換器件，通孔體適用于換熱器、加熱器和散熱器。閉孔金屬泡沫材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅為純金屬的1/51/150，可用作絕熱材料，其強(qiáng)度及耐熱性能優(yōu)于相應(yīng)的傳統(tǒng)材料。第58頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料的應(yīng)用泡沫材料還可用作吸聲材料。吸聲材料需要同時(shí)具有優(yōu)良的吸聲效率、透聲損失、透氣性、耐火性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。金屬泡沫材料被廣泛用于建筑和

49、自動(dòng)辦公設(shè)備等，兼具裝飾的功能。在汽車上，可用于既要求高吸聲性能又要求良好絕緣性能的零部件。泡沫材料也可在流體流量控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般認(rèn)為，用粉末冶金方法制備的材料制造的流體限流器比傳統(tǒng)的千分尺限流器具有更高的可靠性和精確度。金屬泡沫材料已用于風(fēng)洞的流體校直器以及氣體或液體的計(jì)量器、自動(dòng)化系統(tǒng)中的信號(hào)控制延時(shí)器等。泡沫材料還具有優(yōu)異的電磁波吸收性能，可用于電磁屏蔽、電磁兼容器件。第59頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三泡沫材料制備技術(shù)-固態(tài)金屬燒結(jié)法1.金屬中空球燒結(jié)法 金屬中空球燒結(jié)法是通過將金屬中空球燒結(jié)，使之?dāng)U散結(jié)合而制造泡沫金屬的方法。此方法制造的泡沫金屬材

50、科兼有開孔和閉孔。金屬中空球可通過下述方法制備：在球型樹脂表面上化學(xué)沉積或電沉積一層金屬，然后將樹脂除去；或?qū)渲蚝徒饘俜垡煌旌?，隨后燒結(jié)使金屬粉結(jié)合，同時(shí)樹脂球揮發(fā)。第60頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三固態(tài)金屬燒結(jié)法 2.金屬粉末燒結(jié)法 金屬粉末燒結(jié)法又叫粉末冶金法(PM)，是用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作原料，也可以用金屬纖維代替金屬粉末，經(jīng)成形和燒結(jié)制造泡沫金屬材料、復(fù)合材料及各種類型制品的工藝過程。 此法工藝簡(jiǎn)單，成本較低，在銅、不銹鋼、鈦、鎳等金屬上應(yīng)用比較廣泛，制出的泡沫金屬的特點(diǎn)為透過性能良好，孔徑、孔率可調(diào)，比表面積大，耐高溫和低溫

51、等，但孔隙率較低（40%60%），強(qiáng)度低。第61頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三固態(tài)金屬燒結(jié)法 3. 其它燒結(jié)法 粉漿法 用金屬粉、發(fā)泡劑和有機(jī)載體組成懸浮液,將其攪拌成含有泡沫的狀態(tài)，然后將其置入模具中進(jìn)行加熱焙燒,而得到固態(tài)的具有多孔結(jié)構(gòu)的金屬的方法。這種方法最初用于制作發(fā)泡Be、Fe、Cu和不銹鋼材料,后來也用于生成泡沫鋁,但產(chǎn)品強(qiáng)度很低。 浸漿海綿燒結(jié)法海綿狀的材料也可作為生成高孔隙率、均勻的發(fā)泡金屬材料的暫時(shí)性支持結(jié)構(gòu)。將海綿狀的有機(jī)物質(zhì)切成所需形狀,然后用含有待加工的金屬粉末的漿液滲透(懸浮液的載體是水和有機(jī)液體) 。將浸后的海綿狀有機(jī)物干燥以除去溶劑,然后

52、加熱使有機(jī)物體分解，最后在更高的溫度下進(jìn)一步加熱燒結(jié),冷卻后即得到高孔隙率的三維結(jié)構(gòu)的發(fā)泡金屬。第62頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三固態(tài)金屬燒結(jié)法 3. 其它燒結(jié)法 纖維冶金法用通過機(jī)械拉拔或其它方法得到的有色和黑色金屬絲,通過粉漿澆注或機(jī)械制氈圈的方法將金屬絲制成氈圈,然后進(jìn)行燒結(jié),使之達(dá)到所需強(qiáng)度和孔隙率。所得到的金屬絲粉末有機(jī)多孔材料具有如下優(yōu)點(diǎn):可獲得比粉末燒結(jié)更高的孔隙率;氣孔全部為相互貫通的連通孔;多孔材料即使在高孔隙率的情況下,也很容易進(jìn)行彎曲加工;具有良好的透過性。 添加造孔劑法 在金屬粉末中,添加一定比例的造孔劑，混合均勻后，通過壓力加工方法(模壓、

53、擠壓或軋制)獲得具有一定密度、強(qiáng)度并含有造孔劑的預(yù)制件,將此預(yù)制件燒結(jié)，造孔劑在燒結(jié)過程中或在燒結(jié)后去除,可以獲得高孔隙率(3090%)的通孔金屬泡沫。甲基纖維素等有機(jī)造孔劑可在燒結(jié)過程中去除，NaCl 等無機(jī)造孔劑可在燒結(jié)過程后去除，孔結(jié)構(gòu)可以通過造孔劑的大小和數(shù)量進(jìn)行控制。第63頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三液態(tài)金屬凝固法1.滲流鑄造法 又叫顆粒鑄造法，具體的工藝是：首先將無機(jī)顆粒甚至有機(jī)顆?；虻兔芏戎锌涨蛑苯佣逊e置于鑄模內(nèi)，或制成多孔預(yù)制品后放入鑄模內(nèi)，把熔融金屬在(高、負(fù))壓力的作用下滲入這些堆積體或預(yù)制體的孔隙中滲入金屬熔體進(jìn)行鑄造，除去預(yù)制體得到多孔金屬材

54、料，顆粒的除去方式可采用溶解濾除和熱處理法。此方法可制備包括鋁、鎂、鋅、鉛等多種泡沫金屬，所得多孔材料均為海綿體，孔隙率在50%70%以上，孔結(jié)構(gòu)與所用粒子形狀、大小及燒結(jié)條件有關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，可根據(jù)顆粒尺寸分布來控制泡沫材料的孔洞尺寸及其分布，缺點(diǎn)是液態(tài)金屬在滲流過程中不能完全填充顆粒之間的孔隙會(huì)造成很大的缺陷。第64頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三液態(tài)金屬凝固法 2.熔體發(fā)泡法 熔體發(fā)泡法是將熔融金屬的粘度調(diào)節(jié)合適后，摻入發(fā)泡劑，然后加熱使發(fā)泡劑分解釋放出氣體，氣體由于受熱膨脹從而推動(dòng)起泡過程，引起熔體的直接發(fā)泡，經(jīng)冷卻后即可形成泡沫金屬。此法的優(yōu)點(diǎn)是可以適

55、用于黑色金屬泡沫的生產(chǎn)，缺點(diǎn)是金屬內(nèi)部氣泡分布不均勻且局部氣泡尺寸過大，主要用于鋁、鋁合金、鉛、錫、鋅等一些低熔點(diǎn)金屬。 而發(fā)泡劑通常采用的是TiH2、ZrH2、CaH2、ErH2等粉末金屬氫化物。熔體發(fā)泡法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。但要求發(fā)泡劑在金屬熔點(diǎn)附近能夠迅速起泡，選擇合適的金屬發(fā)泡劑就成為該方法的關(guān)鍵所在。改進(jìn)的方法：采用高速攪拌使得發(fā)泡劑顆粒迅速均勻的分散；增大金屬的粘度從而防止氣泡的上浮和結(jié)合長(zhǎng)大。第65頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三液態(tài)金屬凝固法 3.熔模鑄造法 熔模鑄造法是將泡沫塑料填充入鑄型內(nèi)，將其浸入到液態(tài)耐火材料中，使耐火材料充滿泡沫塑料孔隙

56、。在耐火材料硬化后，升溫加熱使泡沫塑料氣化分解，形成一個(gè)具有原泡沫塑料形狀的三維骨架，將液態(tài)金屬澆注到鑄型內(nèi)，凝固后把耐火材料去除，就可得到具有三維網(wǎng)狀通孔的與原泡沫塑料形狀一致的金屬泡沫。第66頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三液態(tài)金屬凝固法 4.氣體注入法：也稱熔體吹泡法，在熔融的金屬中加入增稠劑顆粒，通過一個(gè)可以震動(dòng)的噴嘴通入氣體，并不停的攪拌使得在液態(tài)金屬中形成細(xì)小的氣泡，氣泡逐漸向熔體表面漂浮直到液態(tài)金屬凝固，通過控制液態(tài)金屬的冷卻速度和氣體的注入過程來調(diào)節(jié)泡沫金屬的孔隙率或相對(duì)密度。氣體可以是空氣、水蒸氣、氧氣、二氧化碳和惰性氣體等。 這種方法具有簡(jiǎn)便、易控、

57、產(chǎn)品孔隙率高、可連續(xù)生產(chǎn)大體積的泡沫材料等優(yōu)點(diǎn)，是較為廉價(jià)的制備方法。缺點(diǎn)是氣泡尺寸不均勻，增稠劑顆粒分布不均勻以及加工性差等，一般用于制造泡沫鋁。 制出的泡沫鋁孔隙率約8098，平均孔徑約為325mm。第67頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三金屬沉積法 1.氣相蒸發(fā)沉積法 在較高惰性氣氛中，緩慢蒸發(fā)金屬材料，蒸發(fā)出來的金屬原子在前進(jìn)過程中與惰性氣體發(fā)生一系列碰撞、散射作用，迅速失去動(dòng)能，從而部分凝聚起來，形成金屬煙。金屬煙在自重作用及惰性氣流的攜帶下沉淀，且在下行過程中繼續(xù)冷卻降溫，最后達(dá)到基底。因其溫度低，原子難以遷移。 此技術(shù)生產(chǎn)的泡沫金屬與具有宏觀結(jié)構(gòu)的泡沫金屬不

58、同，它是由大量亞微米尺度的金屬微粒和微孔隙所構(gòu)成，其密度約為母體金屬密度的310。 2.噴射夾氣沉積法 噴射夾氣沉積法就是在一定惰性氣體分壓下，采用陰極噴射的方法在基體材料上沉積出夾雜惰性氣體原子的金屬。然后加熱至金屬熔點(diǎn)以上充分保溫，使夾雜的氣體膨脹而產(chǎn)生孔隙，冷卻后得到具有閉孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料。第68頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三金屬沉積法 3.噴霧夾帶沉積法 噴霧形成技術(shù)可制備不同的金屬和合金。將金屬熔體連續(xù)霧化，產(chǎn)生快速飛濺的細(xì)小金屬霧珠，沉積收集于金屬基體上。 為改善和提高金屬沉積物性能，可在霧化沉積過程中將氧化物、碳化物或純金屬等粉末注入霧狀物，使它們與

59、液態(tài)金屬霧珠起反應(yīng)或被液態(tài)金屬霧珠浸潤(rùn)，從而結(jié)合到金屬中一并沉積，最后得到金屬基復(fù)合材料。 如果注入的粉末物質(zhì)在與熔融金屬接觸時(shí)可分解并釋放大量的氣體，則會(huì)在沉積物中產(chǎn)生孔隙從而制備出多孔金屬材料。 本方法制出的多孔體孔隙率可達(dá)60，但孔隙不均勻。第69頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三金屬沉積法 4.電沉積法 電沉積技術(shù)以金屬的離子態(tài)，亦即電解質(zhì)中的離子溶液為起點(diǎn)，將金屬電鍍于開孔的聚酯泡沫基體上，然后去除聚合物而得到泡沫金屬，主要過程分基材預(yù)處理、導(dǎo)電化處理、電沉積和還原燒結(jié)四步。因此該工藝與模型鑄造法一樣，沒有金屬態(tài)的真正發(fā)泡過程。 目前國(guó)內(nèi)外普遍采用電沉積進(jìn)行高孔

60、率金屬材料的大規(guī)模制備，其產(chǎn)品不但孔隙高（達(dá)8099），而且孔結(jié)構(gòu)分布均勻，孔隙相互連通。 該法以高孔率開口結(jié)構(gòu)為基體，一般采用三維網(wǎng)狀的有機(jī)泡沫，常用的有聚氨基甲酸乙醇、聚脂、烯聚臺(tái)物、乙烯基和苯乙烯聚合物及聚酰胺等，也可采用纖維氈等。 目前已通過電沉積法得到了泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鉛等金屬泡沫材料。第70頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)3分，星期三GASAR法 固-氣共晶定向凝固法(Gasar 工藝)是一種制備多孔金屬的新穎的工藝方法，最早由烏克蘭學(xué)者Shapovalov提出，可得到氣孔排列方向、形狀、氣孔率和孔徑分布可控的定向規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)。制備出的具有規(guī)則孔隙結(jié)構(gòu)的多孔材料被命