新型金属材料成型加工技术分析

新型金属材料成型加工技术分析

王勇

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摘要

新型金属材料成型加工技术是现代制造业的关键技术之一，近年来，随着航空航天、汽车、电子等领域对轻量化、高性能金属材料的需求不断增长，新型金属材料成型加工技术也得到了快速发展本文将对新型金属材料成型加工技术进行分析，重点关注表面机械研磨处理（SMGT）技术在纯铜中制备纳米-微米梯度结构及其力学性能的研究。

关键词: 新型金属材料, 成型加工技术, 增材制造, 表面改性, 力学性能

1 引言

新型金属材料成型加工技术是现代制造业的关键技术之一，其发展水平直接影响着产品的性能、质量和成本。近年来，随着航空航天、汽车、电子等领域对轻量化、高性能金属材料的需求不断增长，新型金属材料成型加工技术的研究与应用也得到了快速发展。

2 新型金属材料概述

2.1 高熵合金

    高熵合金 (High-entropy alloys, HEAs) 是一种新型金属材料，其特点是包含五种或五种以上等摩尔或近等摩尔比例的金属元素，并具有独特的微观结构和优异的性能。高熵合金的独特之处在于其高熵效应，即由于多种元素的随机混合，导致合金的熵值增加，从而抑制了传统合金中容易出现的单一相或简单相结构，形成复杂的固溶体或多相结构。高熵合金的制备方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和机械合金化法等。熔炼法是最常用的方法，但需要克服多种元素之间熔点差异大、易氧化等问题。粉末冶金法可以有效解决熔炼法中遇到的问题，但需要进行后续的烧结处理。机械合金化法可以制备纳米尺度的高熵合金，但成本较高。高熵合金具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性、高耐热性、高抗氧化性等优异的性能，在航空航天、能源、生物医药等领域具有广阔的应用前景。

2.2 金属玻璃

    金属玻璃，又称非晶态合金，是一种具有独特结构和性能的新型金属材料。与传统晶体金属相比，金属玻璃的原子排列无序，呈现出类似玻璃的非晶态结构。这种独特的结构赋予了金属玻璃一系列优异的性能，例如：

•高强度和高硬度: 金属玻璃的强度和硬度远高于传统金属材料，这得益于其非晶态结构中原子排列的紧密性和均匀性。

•优异的耐腐蚀性: 金属玻璃的表面光滑，不易被腐蚀。

•良好的抗疲劳性和抗冲击性: 金属玻璃的抗疲劳性和抗冲击性优于传统金属材料，这与它独特的非晶态结构和高强度有关。

•优异的磁性和电学性能: 金属玻璃的磁性和电学性能也十分优异，这与它的电子结构和原子排列有关。

金属玻璃的制备方法主要有两种：

•快速冷却法: 将熔融金属以极快的速度冷却，使金属原子来不及形成晶体结构，从而形成非晶态结构。

•机械合金化法: 利用高能球磨机对金属粉末进行长时间的机械研磨，使金属粉末的晶粒尺寸不断减小，最终形成非晶态结构。

2.3 梯度材料

    梯度材料是指材料的成分、结构或性能沿某一方向呈连续变化的材料。梯度材料的这种特性使其能够兼具不同材料的优点，并克服单一材料的局限性。梯度材料的制备方法主要包括粉末冶金法、熔融沉积法、表面机械研磨处理等。梯度材料在航空航天、汽车、生物医学等领域具有广泛的应用前景。例如，在航空航天领域，梯度材料可以用于制造耐高温、抗氧化、抗腐蚀的部件； 在汽车领域，梯度材料可以用于制造轻量化、高强度的车身部件； 在生物医学领域，梯度材料可以用于制造人工骨骼、人工血管等。

3 新型金属材料成型加工技术

3.1 传统加工技术

    传统金属材料成型加工技术，如铸造、锻造、轧制等，在金属材料加工领域应用广泛，为现代工业发展奠定了基础。铸造 是一种将熔融金属浇入模具，冷却凝固成型的方法。铸造工艺简单，适用范围广，可生产形状复杂的零件，但其精度较低，表面质量也相对较差。在新型金属材料加工中，铸造技术仍发挥着重要作用，例如，在制备多孔金属材料时，可以利用泡沫铸造技术制备具有特定孔隙结构的金属材料。锻造 是一种利用锤击或压力使金属材料塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的加工方法。锻造工艺可以提高金属材料的强度、韧性和抗疲劳性能，并改善其内部组织结构。在新型金属材料加工中，锻造技术可用于制备高性能金属材料，例如，通过锻造工艺可以制备具有优异力学性能的金属玻璃材料。轧制 是一种利用轧辊对金属材料施加压力，使其在轧辊间隙中发生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的加工方法。轧制工艺可以提高金属材料的强度、塑性和表面质量，并降低其成本。在新型金属材料加工中，轧制技术可用于制备薄板、带材等形状的金属材料，例如，在镁合金的加工中，可以利用连铸连轧技术实现镁合金材料的连续、规模化生产。

3.2 新兴加工技术

3.2.1 粉末冶金

    粉末冶金是一种利用金属粉末或非金属粉末作为原料，通过压制成型和烧结等工艺制备金属或非金属材料的技术。该技术具有以下特点：

•原料利用率高: 粉末冶金可以利用废旧金属粉末，减少资源浪费。

•可制备特殊性能材料: 粉末冶金可以制备具有特殊性能的材料，例如高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等。

•工艺灵活: 粉末冶金可以制备形状复杂的零件，例如齿轮、轴承等。

粉末冶金的工艺流程主要包括：

1. 粉末制备: 通过机械粉碎、化学沉淀、电解等方法制备金属粉末。
2. 粉末混合: 将不同种类的粉末按比例混合，并加入添加剂。
3. 压制成型: 将混合好的粉末在模具中压制成型。
4. 烧结: 将压制成型的坯体在高温下进行烧结，使粉末颗粒相互结合。
5. 后处理: 对烧结后的零件进行机械加工、热处理等后处理。

3.2.2 增材制造

    增材制造，又称3D打印，是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积材料的方式来制造物体的技术。该技术与传统的减材制造方式不同，它不需要模具，可以制造出形状复杂的零件，并能实现个性化定制。增材制造的工艺流程一般包括：设计、切片、打印和后处理。增材制造在金属材料成型加工领域具有广阔的应用前景。例如，电子束熔化（EBM）技术可以制备出高孔隙率的多孔金属材料， 这些材料具有密度小、孔隙率高、比表面积大、模量低、良好的强度和能量吸收性等优点，在人体硬组织修复和替代材料领域具有潜在的应用前景。此外，增材制造还可以用于制造形状复杂的金属零件，例如航空航天领域的复杂结构件。

3.2.3 激光熔覆

    激光熔覆是一种利用高能激光束将粉末材料熔覆到基材表面，形成一层具有特定性能的熔覆层的表面改性技术。该技术具有以下特点：

•高效率: 激光熔覆过程快速，可有效提高生产效率。

•高精度: 激光束可精确控制，可实现熔覆层的精确控制。

•高性能: 激光熔覆可实现多种材料的熔覆，可获得具有优异性能的熔覆层。

激光熔覆的工艺流程一般包括以下步骤：

1. 基材预处理: 对基材进行表面清洁和预热处理。
2. 粉末送粉: 将粉末材料送入激光熔覆区域。
3. 激光熔化: 利用高能激光束将粉末材料和基材表面熔化。
4. 熔覆层形成: 熔化的材料凝固形成熔覆层。
5. 后处理: 对熔覆层进行必要的后处理，如热处理等。

结束语

    本文对新型金属材料成型加工技术进行了分析，涵盖了多种材料体系和加工方法。研究表明，表面机械研磨处理（SMGT）技术可以有效地制备纳米-微米梯度结构，提高纯铜的力学性能。电子束熔化技术可以制备高孔隙率的多孔Ti-6Al-4V合金，其生物力学性能与人体骨组织相匹配，在人体硬组织修复和替代材料领域具有潜在的应用前景。铝-锆-钛-碳中间合金可以作为晶粒细化剂应用于镁及镁合金的变形加工，实现镁及镁合金变形材料的连续、规模化生产。

参考文献

[1] 李文利. 利用表面机械研磨处理（SMGT）技术在纯铜中制备的纳米-微米梯度结构及其力学性能[J].2010

[2] 郑丹. 超精密加工技术及其发展方向——访西安交通大学副校长、精密工程研究所所长蒋庄德教授[J].2006

[3] 程旭莹. 电子束熔化技术制备多孔Ti-6Al-4V合金及其力学性能研究[J].2012