劉金龍

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154007）

1 引言

材料制備加工是決定使用性能的重要因素，近年來，以薄板坯連鑄連軋、激光成形、復(fù)合鑄造、無模成型等為代表，材料制備加工新技術(shù)工藝研究受到廣泛重視，由于高新技術(shù)發(fā)展對材料使用性能要求提高，環(huán)境問題成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，材料制備加工技術(shù)主要發(fā)展目標(biāo)是材料生產(chǎn)效率化、低成本化。激光快速成形技術(shù)在帶來材料成分等方面高度柔性的同時，對內(nèi)部質(zhì)量控制提出了更高的要求。需要深刻認(rèn)識成形過程中合金粉末熔化過程、界面等控制規(guī)律。研究高性能金屬材料成形技術(shù)，可以為金屬材料組織性能控制提供技術(shù)支持，降低制備加工中能源消耗等方面目標(biāo)。

2 高性能金屬材料控制凝固與成形

金屬材料是以金屬元素為主的材料，具有耐熱耐寒等方面優(yōu)勢，高性能金屬材料是金屬材料的升級，應(yīng)用價值突出。高性能金屬材料生產(chǎn)技術(shù)包括耐高低溫等工具材料及高溫合成材料生產(chǎn)技術(shù)；低成本高性能金屬復(fù)合材料加工成型技術(shù)；以提升冶金行業(yè)能源利用率為目的的部件制造技術(shù)；熱交換器用銅綠復(fù)合管材新加工技術(shù)[1]。

材料制備加工對材料使用產(chǎn)生影響，近年來，噴射沉積等加工工藝受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，因新技術(shù)發(fā)展對材料性能要求較高，今后材料高性能加工模式成為材料制備加工技術(shù)發(fā)展主流趨勢。材料高性能途徑包括對已有材料開展升級優(yōu)化處理，利用技術(shù)與工藝創(chuàng)新手段提升材料使用性能；實施新型材料開發(fā)，在實施熱處理及成形等處理時，需對材料組織結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)管控，這是實現(xiàn)傳統(tǒng)材料高性能的關(guān)鍵。以材料最終使用要求為著手點，通過外場作用調(diào)節(jié)，開展凝固及成形加工，做好形狀尺寸及成形控制，確保提升材料制備加工效率及質(zhì)量[2-3]。控制將為結(jié)構(gòu)調(diào)控增塑成型，分散凝固-控制成形等典型技術(shù)作為首選。開展技術(shù)研究需要按照共性基礎(chǔ)科學(xué)問題內(nèi)容研究，實現(xiàn)對控制成形基礎(chǔ)理論發(fā)展的推動，確保可在精確控制性等關(guān)鍵技術(shù)方面得到較大進展。需要結(jié)合光學(xué)發(fā)展前沿技術(shù)，做好技術(shù)與經(jīng)驗總結(jié)。

技術(shù)人員可通過對金屬材料凝固相形狀及成本順序等內(nèi)容控制，完成新型材料研發(fā)，如結(jié)合對相的形狀及其他內(nèi)容調(diào)控加工復(fù)合型材料；通過對半固態(tài)鋁合金材料凝固控制，保證材料力學(xué)性能水平；達到使用要求的最終組織，確保流程長度可控制在合理范圍內(nèi)，如以定向凝固原理為基礎(chǔ)開發(fā)的暴斃光亮銅管連鑄工藝，實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝時間的壓縮。鑄造材料時刻通過對金屬流動控制實現(xiàn)對凝固精確控制，達到對組織尺寸科學(xué)控制的目標(biāo)，以及組織性能一體化控制效果，推動高質(zhì)量鑄件生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展。對凝固劑成形等過程組織結(jié)構(gòu)合理調(diào)控優(yōu)化，確保傳統(tǒng)塑性加工等過程精準(zhǔn)度提高，實現(xiàn)對短流程高效制備加工技術(shù)的推動。

3 高性能金屬材料控制凝固成形技術(shù)的意義

高性能金屬材料控制凝固成形思路是通過外場所用對凝固成形、熱處理等各階段組織結(jié)構(gòu)形成與遺傳演化施加精確控制，實現(xiàn)材料高性能制備加工。（1）發(fā)展高性能金屬材料控制凝固技術(shù)，通過精確控制金屬材料凝固中相的種類與生成順序、晶粒的大小，研發(fā)新材料。如通過精確調(diào)控凝固相的生成順序，及剩余液相非晶形成能力，制備內(nèi)生韌性相/非晶符合材料，（2）獲得試用要求的最終組織，省略后期組織調(diào)控加工處理，如基于定向凝固原理開發(fā)暴斃光亮銅管連鑄技術(shù)，可使成才率提高到85%以上。（3）顯著提高金屬材料的性能，如半固態(tài)鋁合金材料，其力學(xué)性能等可得到顯著提高。

銅管精確控制塑性加工中金屬流動，改善凝固組織，獲得具有特定高性能的材料，可縮短工藝路程，實現(xiàn)特殊部件的精確成形；銅管精確控制鑄造過程溫度場，可獲得均勻無缺陷組織，實現(xiàn)組織性能精確控制；發(fā)展凝固、塑性加工等全過程組織結(jié)構(gòu)綜合調(diào)控技術(shù)，有利于在凝固等精確控制基礎(chǔ)上，發(fā)展短流程高效制備技術(shù)。通過全過程微結(jié)構(gòu)精確控制，可提高合金加工性能[3]。發(fā)展高性能金屬材料控制凝固技術(shù)，是實現(xiàn)產(chǎn)品組織形狀尺寸精確控制，減少制備加工資源的核心關(guān)鍵技術(shù)，是開發(fā)高新性能材料的重要途徑。

4 高性能金屬結(jié)構(gòu)激光直接成形技術(shù)

高性能金屬零件激光快速成形技術(shù)是結(jié)合激光熔覆蓋技術(shù)發(fā)展的先進制造技術(shù)，通過激光熔化同步疏松原料粉末，在沉積基板配合運動下，通過不斷生長制備零件，突破傳統(tǒng)去除加工方法的限制,顯著縮短零件制造周期；可以方便地通過材料調(diào)節(jié)，實現(xiàn)多種材料集成制造，在國防裝配建設(shè)中具有重要發(fā)展應(yīng)用前景；沉積零件具有致密的組織，在同系統(tǒng)上可進行不同材料的制造。

美國首先在1995年提出高性能金屬零件激光快速成形技術(shù)，Sandia國家實驗室研究不銹鋼、鈦合金等材料組織性能，顯示出技術(shù)在高性能金屬零件成形方面的優(yōu)勢。美國的Stanford University，英國的University of Liverpool等發(fā)展成為SDM、DMD、DLF、LDC等新技術(shù)，其原理方法相同,系統(tǒng)配備激光器有ND：YAG固體激光器，成形材料包括鈦合金等。激光快速成形金屬零件具有細(xì)小的組織[4]。在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件成形方面優(yōu)勢突出，高性能鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形是研究重點。1997年，美國成立從事鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)開發(fā)應(yīng)用A e r o公司，進行應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。由于成形鈦合金結(jié)構(gòu)件疲勞性能低，公司2005年關(guān)閉。

我國在1999年開始金屬零件激光快速成形技術(shù)，國家自然科學(xué)基金重點項目等大力支持下，開展多種鈦合金成形研究，成形T A15等鈦合金力學(xué)性能達到鍛件水平。近年來，我國飛機鈦合金大型結(jié)構(gòu)件激光快成形取得重要突破，成形飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達到鈦合金模鍛件。但激光快速成形技術(shù)在高性能金屬零件制造方面存在許多問題。

5 高性能金屬材料噴射成形技術(shù)

噴射成形技術(shù)是80年代后工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展的新材料先進制備加工技術(shù)，采用高壓惰性氣體將金屬液流霧化破碎成液滴，沉積收集到接收器中使其積累生長，可從液態(tài)金屬制取具有快速凝固組織特征的管坯等不同形狀沉積坯件。

采用噴射成形工藝制備材料，材料冷卻凝固速度提高，各種析出宏微觀偏析得到有效控制，可通過冶金操作完成工序，省去粉末制備等多道生產(chǎn)工序。目前工業(yè)發(fā)達國家利用噴射成形技術(shù)在高溫合金等先進材料開發(fā)方面取得很大進展[5]。過共晶A l-S t系合金具有重量輕等優(yōu)點，主要用于制造汽車發(fā)動機等耐磨零部件。但由于材料形狀不規(guī)則，冶煉中材料初晶S i相尺寸達100 μm,采用噴射成形技術(shù)制備過共晶Al-Si系合金，使得材料具有優(yōu)良力學(xué)性能，由于材料制備工序縮短，有效控制材料生產(chǎn)成本。

噴射成形過共晶Al-Si系合金用途是制造汽車發(fā)動機關(guān)鍵部件，如德國P E A K公司采用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)大尺寸過共晶Al-Si系合金圓錠，Al-Si系合金圓錠是目前德國Daimler-Ben公司生產(chǎn)的最先進的V6發(fā)動機總標(biāo)準(zhǔn)部件。1997年，日本開始采用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)大尺寸過共晶A l-S i系合金圓錠，目前美國福特汽車公司等在聯(lián)合開發(fā)噴射成形過共晶A l-S i系合金轎車發(fā)動機氣缸內(nèi)襯套產(chǎn)品。

國內(nèi)噴射成形技術(shù)研發(fā)工作起步較晚，新時期在國家高技術(shù)計劃新材料領(lǐng)域支持下，建立第二代噴射成形設(shè)備，可在中試規(guī)模上制造最大尺寸φ300×30×500 mm的管坯，設(shè)備適用材料制備范圍包括銅合金等。利用噴射成形技術(shù)制備多種過共晶Al-Si系合金材料。噴射成形制坯實驗在SF-200噴射成形設(shè)備上進行，合金熔體過熱度為100～150℃，沉積接受距離350～500 mm，最終制備出外形尺寸φ150×180 mm不同合金成形噴射過共晶Al-Si系合金圓錠。選用熱擠壓工藝參數(shù)為擠壓速度2 m/min，將沉積坯件剝皮后得到直徑φ128 mm圓錠擠壓成形φ24 mm棒材，工藝參數(shù)為室溫時效96 h，選用NEOPHOT-2型光學(xué)顯微鏡對材料組織進行觀察，對材料組成進行分析[6]。見表1。

表1 噴射成形過共晶Al-Si系合金高溫力學(xué)性能

經(jīng)排水閥測試，沉積態(tài)圓錠致密度達到材料理論密度的95%以上，采用噴射成形工藝可制備接近全致密的合金沉積坯件。沉積態(tài)過共晶A l-S i系合金組合由α-A l組成，噴射成形工藝中較高冷卻凝固速度抑制α-A l晶粒生長，初晶尺寸為2～3μ m，噴射成形材料具有的組織特征使材料獲得更好熱變形加工性能。對傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)過共晶A l-S i系合金中存在戴亮粗大初晶S i相，導(dǎo)致高脆性，使得合金無法進行熱變形加工。噴射成形過共晶A l-S i系合金由于基體組織被細(xì)化，可以在較低溫度下進行較大變形加工，對抑制后續(xù)熱加工合金基體組織長大具有重要意義。