先进金属材料制备技术复习题整理(北航研究生课程)-必考

1、何为材料制备加工？请简述材料制备加工工艺在材料科学与工程中的作用。材料的制备是将原材料进行加工，使它能够满足生产所要用材料的标准，所以它还是材料。材料的加工是对材料按一定的标准和方法进行加工，使它变成成品。通过材料科学与工程和相关学科的基础的智能应用，以及现有技术、新技术或者特殊环境等等，来实现合成或者制备新材料；改变或者控制内部结构（宏观或者微观结构、原子排列、元素分布、能量状态等）以实现设计或者定制材料的机械或功能特性；改变材料的性能控制或者改变材料的内部结构或者性能等形式得到所需要形状的材料和部件材料科学与工程主要对材料的合成与制备、结构（成分）、性能以及服役性能研究等四部分进行研究，而在这四个部分中，材料制备加工在材料科学与工程中起着核心支柱的作用。了解材料必然需要了解材料的形成过程和制备方法，从而充分的了解材料的结构、性质和性能，为各种元器件的制备奠定了良好的基础。金属材料的制备、成形与加工技术进步追求的共同目标是:①尽可能地缩短工艺流程,并实现工件的近终形制造;②在完成外形精确成形的同时,实现组织的优化,最大限度地发挥材料的性能潜力。其主要思路是建立“控形一控性(控制组织)一控制成本一控制污染”一体化的先进材料制备与加工成形的理论与技术体系。采用凝固技术进行高性能构件的一次精确成型,从而免除后续的加工工序,是实现上述目标的最佳选择。2、论述材料的合成、制备与成形在材料科学与工程中的地位。并举例说明其基本手段和方法。合成制备新材料、发现新材料、提高现有材料性能、零件成形制造；凝固处理(熔炼、铸造、焊接）、热处理(热处理、烧结等)、机械加工(冷成型和轧制等）、热机械加工、电磁材料加工、生物材料加工、高能量密度梁材料加工、材料表面加工、真空材料加工、空间或微重力条件下燃烧合成材料加工等等。3、先进金属材料快速凝固背景、优点、工艺及方法。并简述合金的快速凝固的原理、组织特征和性能特点。背景：普通凝固过程存在冷却速度慢、凝固速度慢的特点，此特点易导致铸件出现凝固缺陷（例如，宏观偏析、缩松、缩孔、热应力等等）和粗大、发达的树枝晶（出现晶内偏析、晶界偏析），进而导致铸件性能恶化，因此为解决上述问题，从提高冷却速度和增加晶核、细化晶粒角度，提出了快速凝固，即在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或者合金以极快的冷却速度从液态转变为固态的过程，金属的冷却速度一般要达到104-109K/s。优点：a.凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，这样是其材料的密度有所改变，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。b.由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高，从而使其得到更广的运用。c.由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。这是快速凝固技术能在工业领域得到广泛运用的硬道理。d.除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。其特点和上类似，可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能，这是传统铸造方法所不能达到的工艺及方法：实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。动力学急冷快速凝固技术急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热;第二，提高凝固过程中的传热速度。这里国外常采用的三种方法：急冷的模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术。根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分为雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉淀技术三大类。①模冷技术。主要包括：枪法，双活塞法，熔体旋转法，平面流铸造法，电子束急冷淬火法，熔体提取法和急冷模法。②雾化技术。具体分为：流体雾化法，离心雾化法和机械雾化法。③表面熔化与沉积技术。主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种。热力学深过冷快速凝固大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰(基底法和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。因此，深过冷是实现三维大体积液态热力学深过冷获得技术实验方法分类。①大体积液态金属的深过冷，主要有熔融玻璃净化法，循环过热法和熔融玻璃净化法+循环过热法。②微小金属液滴的深过冷，包括乳化-热分析法，落管法和无容器电磁悬浮熔炼法。③其它形状金属液态的深过冷--熔体急冷法，可分为：气枪法，雾化沉积法，熔体旋转法，锤砧法，单辊法。快速定向凝固法定向凝固法是指在凝固过程中应用技术手段，在液-固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。定向凝固是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快。晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，消除横向晶界，可以提高其高温合金的力学性能。定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。定向凝固技术作为功能晶体的生长和材料强化的重要手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。纵观定向凝固技术的发展，人们在不断地提高温度梯度、生长速度和冷却速度，以得到优质的定向凝固组织。根据成分过冷理论，温度梯度无疑是其中的关键。提高固液界面前沿的温度梯度在理论上有以下途径：①缩短液体最高温度处到冷却剂位置的距离；②增加冷却强度和降低冷却介质的温度；③提高液态金属的最高温度。目前新兴的凝固技术如冷坩埚定向凝固技术、软接触陶瓷壳定向凝固技术、双频电磁约束成形定向凝固技术等，这些无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形技术会成为未来发展的焦点，在未来的发展中会日渐成熟。组织特征和性能特点：组织得到细化，晶粒尺寸细小可获得微晶或者纳米晶，甚至出现非晶态；成分均匀，偏析程度低，扩大固溶极限；快速凝固导致非平衡相结构出现；增加缺陷密度；性能特点：快速凝固组织具有晶界强化和韧化作用、而且成分偏析小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而改变了合金的强度、韧性和延性。硬度极高，耐磨性好，极低的摩擦系数，低表面的能量和不粘的行为，优良的抗氧化性能，优良的耐腐蚀性能；储氢物由于其间隙性的位置，导电和高电阻率不敏感依赖的温度(负系数)，热电材料。4、简述激光增材制造技术的背景、原理及优势。谈一谈制备过程中可能遇到问题。原理：增材制造技术是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方式，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。美国材料与试验协会（ASTM）F42国际委员会给出了增材制造的定义：增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程，相对于减法制造，它通常是逐层累加的过程。增材制造技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术，可以直接将CAD数字模型快速而精密地制造成三维实体零件，实现真正的“自由制造”。与传统制造技术相比，增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛使用。优势：增材制造技术是对传统切削加工技术的原理性颠覆，不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，并大大减少加工工序、缩短加工周期。增材制造解决了许多过去难以实现的复杂结构零件的制造问题，且结构越复杂，其制造的效率和作用越显著。对于金属增材制造技术来说，选择高质量的金属粉末非常重要，金属粉末是整个增材制造工艺的原材料，金属粉末的质量显著地影响着最终产品的质量。如果使用的是低质量的金属粉末，即使使用最好的增材制造工艺，最好的工艺控制技术，仍然不能获得质量好的产品。另一个重点关注的领域是增材制造工艺用金属粉末的使用问题。如果能完全避免其他材料产生的污染，并且可以保证金属粉末筛分的质量，就可以在其他的增材制造工艺中，继续使用这种金属粉末。技术分类增材制造技术，不同于传统的制造技术对材料进行变形和切除，而是采用分层叠加的方式将材料逐层添加制造三维零部件的数字化制造新技术。增材制造技术有多种分类，根据材料的不同，可分为金属丝材、金属粉末和非金属材料，根据热源分类有激光、电子束、等离字弧、电弧等，根据增材的形式又可分为铺粉、送粉和送丝方式。比较成熟的技术有：选择性激光溶化技术（SLM），它是根据成形件的三维CAD模型的分层切片信息，扫描系统控制激光束作用于带成形区域内的粉末，一层扫描完成后，金属基板下降一个层厚高度，为熔化的粉末作为支撑，接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉辊铺展一层厚的粉末沉积于已成形层之上。然后，重复上述两个成形过程，直至零件成形。激光熔覆制造技术（LENS）,它是在高能激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速融化，光束移开后自激冷却的一种表面强化方法，它适用于各类金属的表面改性和修复。激光熔覆制造技术的关键技术包括：精密高质量同轴送粉熔覆系统；激光熔覆的工艺优化与稳定性；激光熔覆过程的检测与闭环控制。其工作原理是利用高能激光光束在金属基体上形成熔池，通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末快速熔化，金属粉末或涂层快速凝固后，在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。与喷涂、电镀和堆焊等其他表面强化方法比，激光熔覆成形技术具有涂层与基体界面为完全冶金结合、结合强度高、局部表层对基体的热影响小、熔覆层晶粒细小且均匀分布、高能激光束在基体作用时间短等优点，但也存在在激光熔覆中会出现某些类似于焊接过程中的冶金缺陷问题，如气孔、变形、成分偏析、裂纹等。熔融沉积成形技术（FDM）,它是将丝状的热熔性材料(如ABS)加热熔化，通过一个带有微细喷嘴的挤出头挤喷出来。挤出头与热床的x轴和y轴作相对运动，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而刚成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面黏接在一起。一个层面沉积完成后，工作台与挤出头的距离按照预定的增量增加一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。光固化立体造形技术（SLA），它的原材料为液态光敏树脂，在一定波长和一定强度的紫外激光照射下液态光敏树脂会引发聚合反应，紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。5、简述定向凝固的原理、组织基本特征和性能特点。阐述制备的具体优势并举例说明。定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大