先进材料成形技术及理论
喷射成型
喷射成形（Spray Forming）技术，也有人称为喷射沉积（Spray Deposition）或喷射铸造（Spray casting）技术，这是廿世纪80年代以来，工业发达国家在传统快速凝固／粉末冶金（RS/PM）工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。
喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。
这样，通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式，便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征，整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。
采用喷射成形工艺制备的材料与用传统铸造或变形工艺制备的材料相比，由于在制备过程中的快速冷却使显微组织明显细化、析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观和微观上得到有效地控制，因此材料的力学性能几乎没有各向异性，使材料的总体性能得到了明显的提高。
这种新工艺与传统的粉末冶金工艺相比，由于从冶炼到坯件成形可在一个工序完成，省去了粉末冶金制粉、混料、压坯和烧结等多道工序，且可有效地控制材料中的氧含量与纯净度，这可使材料坯件的制造成本大幅度地降低。
当今，各工业发达国家利用喷射成形技术在高速钢、高温合金、铝合金、铜合金等先进材料的开发和生产方面已经取得了很大进展，其中高性能铝合金是喷射成形技术领域中最具吸引力的开发方向。
喷射成形技术的开发和应用喷射成形技术作为一种高新技术，其产品可广泛用于航天、航空、国防、汽车、化工、海洋和石油等工业领域。
国外喷射成形技术的应用开发主要集中在圆锭坯和管坯上，对平板产品的应用较少。
目前，已经能生产直径450mm和长度2500mm的棒材，其收得率可高达70%~80%，所生产的管坯直径为150~1800mm、长度为8000，其收得率为80%~90%。
而成形的合金材料主要有：铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。
先进制造技术论文
先进制造技术先进制造技术AMT(Advanced Manufacturing Tecnology)是在传统制造的基础上，不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。
随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，越来越多的制造企业开始将大量的人力、财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。
改革开放以来，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接新的挑战，对先进制造技术及制造模式的研究和实施是摆在我们面前刻不容缓的重要任务，必须认清制造技术的发展趋势，缩短与先进国家的差距，使我国的产品上质量、上效率、上品种和上水平，以增强市场竞争力，实现我国机械制造业跨入世界先进行列之梦想。
一、先进制造技术的体系结构及分类先进制造技术是系统的工程技术，可以划分为三个层次和四个大类。
三个层次：一是优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。
二是新型的制造单元技术。
三是先进制造的集成技术。
四个大类：一是现代设计技术二是先进制造工艺技术三是制造自动化技术四是系统管理技术。
1、现代设计技术现代设计技术是先进制造技术的一个组成部分，是制造技术的第一个环节。
根据德国工程师协会文件VDI2225 的调查分析，产品设计成本约占产品成本的5% 7%，但却决定了产品制造成本的75%- 80%。
为此，世界各国都非常重视产品的设计问题。
而现代设计技术在机械设计技术中的地位同样重要。
机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。
先进材料成型技术 PPT
相对于高压铸造，它 平稳，无冲击、飞溅 现象。
在离心力的作用下将液态金属充填到铸型中。
离心铸造工作方式
将金属材料浇铸到陶瓷材料形成的型腔中。
陶 瓷 型 铸 造 工 艺 过 程
基本原理是在液态金 属的凝固过程中进行 强烈的搅动，使其晶 格骨架被打碎，而制 得半固态金属液。
半固态铸造工艺过程
消失模铸造工艺工程
消失模铸造被认为是“21世纪的新型铸造技术”， 得到广泛的应用。
发动机缸体消失模铸造
浇铸液态金属到金属铸模中。
特点：可重复 使用，又称永 久型铸造
金属铸造模
高压铸造是将熔融材料在高压下快速压入铸型中， 凝固得到铸件。
低压铸造是将液态金属在压力作用下由下而上充填 到型腔。
金属坯料在旋转轧轮的作用下产生连续塑性变形。
例如：钢轨的制造
指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出 异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。
例如：超塑性等温模锻。
基本原理是引入快速成型制造技术的思想，在计算 机的控制下进行加工。
数控渐进成形的应用
该技术适用范围广，特别在汽车行业得到广泛应用。
半 固 态 铝 合 金 产 品
塑性成形技术利用材料的塑性，借助外力使材料发 生塑性变形。
此技术是在模锻设 备上锻造出形状复 杂、高精度锻件。
指对挤压模具中的金属坯料施加压力作用，使其发 生塑性变形，而得到所需材料的形状。
挤压成形工作过程
消失模精密铸造
金属型铸造 压力铸造 离心铸造
低压铸造
四种常见快速成型技术
四种常见快速成型技术FDM丝状材料选择性熔覆（Fus ed Dep osi tion Mod eling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。
丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。
热塑性丝状材料（如直径为1.78m m的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。
一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。
这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。
但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。
适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。
由于甲基丙烯酸ABS（M AB S）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。
但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。
FD M快速原型技术的优点是：1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。
可快速构建瓶状或中空零件。
4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、材料利用率高。
6、可选用多种材料，如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。
FDM快速原型技术的缺点是：1、做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。
2、速度较慢。
SL A敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereo litho gra phy）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。
在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。
快速成型技术
b.设计的易达性
• 可以制造任意复杂形状的三维实体模型，快速成型技术不受零件几何 形状的限制，在计算机管理和控制下能够制造出常规加工技术无法实 现的复杂几何形状零件的建模，能充分体现设计细节，尺寸和形状精 度大为提高，零件不需要经一步加工。
c.快速性
• RP技术是一项快速直接地单件零件的技术。可以直接接受产品设计 （CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，大大缩短新 产品开发周期、降低成本、提高开发质量。
分层实体成型——LOM成ห้องสมุดไป่ตู้工艺
• LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体 制造，其工艺原理是根据零件分层几 何信息切割箔材和纸等，将所获得的 层片粘接成三维实体。其工艺过程是： 首先铺上一层箔材，然后用CO，激 光在计算机控制下切出本层轮廓，非 零件部分全部切碎以便于去除。当本 层完成后，再铺上一层箔材，用滚子 碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺 上的一层牢固地粘接在已成形体上， 再切割该层的轮廓，如此反复直到加 工完毕，最后去除切碎部分以得到完 整的零件。该工艺的特点是工作可靠， 模型支撑性好，成本低，效率高。缺 点是前、后处理费时费力，且不能制 造中空结构件。
选择性激光烧结成型——SLS成型工艺
SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常 采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材 料的粉末作为成形材料。其工艺过程是： 先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控 制下用激光束有选择地进行烧结(零件的 空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧 结部分便固化在一起构成零件的实心部分。 一层完成后再进行下一层，新一层与其上 一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成 后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零 件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅 能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、 蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度 高，所以可用样件进行功能试验或装配模 拟。
先进金属复合材料成形技术
先进金属复合材料成形技术
先进金属复合材料成形技术是指利用先进的工艺和设备对金属复合材料进行成形加工的技术。
金属复合材料是由金属基体和增强材料（如纤维增强材料）组成的复合材料。
相比于传统的单一金属材料，金属复合材料具有更高的强度、刚度和耐热性能。
然而，由于其复杂的结构和成分，金属复合材料的成形加工相对困难。
先进金属复合材料成形技术主要包括以下几个方面：
1. 粉末冶金成形技术：通过将金属粉末与增强材料混合，然后经过高温和高压的成形过程，使其熔合并固化成型。
这种成形技术适用于复杂形状和大尺寸的金属复合材料制品。
2. 金属复合材料锻造技术：利用锻机对金属复合材料进行锻造成型。
锻造可以改变材料的内部组织结构和形状，从而提高其力学性能和耐热性能。
3. 金属复合材料挤压技术：通过在金属复合材料中施加高压，使其通过模具的通道流动并成形。
挤压成形技术适用于长条形的金属复合材料制品。
4. 金属复合材料注射成型技术：利用注射机将金属复合材料融化后注入模具中进行成型。
注射成型技术可以制造出高精度和复杂形状的金属复合材料制品。
以上是几种常见的先进金属复合材料成形技术，通过这些技术的应用，可以制造出更高性能、更复杂的金属复合材料制品，满足不同领域对于材料强度和耐热性能的要求。
先进材料成形技术及设备介绍
金属粉末激光快速成形
可用于航空航天金属零部件的快速制造
快速制造 零件模型 以验证结 构合理性
二、精密锻造成形技术与装备
1、快速自由锻造技术与装备 2、精密模锻技术与装备 3、板料成形技术及装备
1、快速自由锻造技术与装备
背景与需求
快锻液压机速度快、精度高、节能节材， 但核心技术被国外垄断，价格昂贵
3、板料成形技术与装备
采用分层成形的 方法，研发了板 料无模成形加工 机，可用于大型 覆盖件等板料零 件新产品的开发。
板料
压头
夹板
板料
支撑 模型
A
托板
导柱
θ
A 托 板 自 由 下 降
支架
三、热等静压整体近净成形技术
➢近年来，一种零件热等静压整体近净成形技 术引起了关注。
FDNMHiulieliostls-ywtdoSIiCSlhstvohtaoespnAetaesallwotlCiolacioaydyapmlaPlsCtypuoeaodlwPpenrsPdeueanslrstet
制作时间： 32 小时
塑料产品的CAD模型
国防装备零件
制作时间： 43.5 小时
用该技术制造的带有随形 冷却水道的注塑模具
烧结阀体的上（ 左，经后固化）, 下（右，未后固 化）覆膜砂型及 型 (芯)
用覆膜砂型 (芯) 浇注的液压阀体 铸件及其剖分图
最终的注塑产品
金属粉末激光快速成形
两种类型的金属粉末选择性激光熔化快速成形装备
将近距离结构光测量技术和基于GPS原理的大范围光电跟踪、 定位技术结合起来，解决大型工件整体尺寸大与局部空间复 杂、细节分辨率高之间的矛盾。
测量终端2
激光发射器
先进材料超塑成形技术
先进材料超塑成形技术先进材料超塑成形技术是一种利用特殊的工艺方法和控制技术，将金属材料在高温和高应变率条件下通过塑性变形成型的一种先进制造技术。
超塑成形技术能够制备出复杂几何形状的零件，并且具有优异的力学性能和表面质量。
本文将对超塑成形技术的原理、应用、发展现状和未来发展进行探讨。
超塑成形技术的原理主要是利用材料在高温和高应变率条件下的特殊塑性行为。
在高温下，材料的塑性变形能力会显著增强，可以实现超塑性变形。
高应变率条件下，由于材料的快速变形速率，可以避免材料的回弹和微观缺陷的形成，从而得到理想的成形零件。
超塑成形技术通常需要在高温下进行，因此需要使用专门设计的设备和控制系统来保持合适的温度和应变率。
超塑成形技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，超塑成形技术可以制造出轻量化的结构件，提高整体效能并减少燃料消耗。
在汽车制造领域，超塑成形技术可以制造出复杂形状和轻质的车身零件，提高车辆的安全性能和燃油经济性。
在医疗器械领域，超塑成形技术可以制造出精密的植入器械和医疗设备，提高治疗效果和患者的生活质量。
目前，超塑成形技术已经得到了广泛的研究和应用。
一些国家和地区已经建立了专门的研究中心和实验室，对超塑成形技术进行深入研究，并推动其产业化发展。
在实践中，超塑成形技术已经成功应用于一些特定领域的生产工艺中，取得了较好的成果。
然而，超塑成形技术还存在一些挑战和限制。
首先，高温和高应变率条件下材料容易发生晶粒长大和孔洞形成等缺陷，导致材料的力学性能下降。
其次，超塑成形技术的设备和工艺复杂，生产周期长，需要大量的热能和人工操作。
此外，超塑成形技术还需要对材料的力学性能和塑性变形行为进行深入研究，以满足不同应用领域对材料的要求。
未来，超塑成形技术的发展方向主要包括材料的改进、工艺的优化和设备的突破。
首先，需要开发出具有优异力学性能和高温稳定性的超塑性材料。
其次，需要改进超塑成形工艺，提高生产效率和产品质量。
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1.4.2 钢在冷却时的组织转变
亚共析钢的平衡结晶过程
组织组成物：F，P
(F) 0.770.4 100%49%
0.770.0218 w(P) 0.40.0218 100%51%
0.770.0218
组成相：F，Fe3C
(F) 6.690.4100%94%
6.69
w(Fe3C)
0.4 100%6% 6.69
亚共析钢的室温平衡结晶组织
先进材料成形技术及理论
课程简介
一、课程性质：专业和专业前沿 二、主要内容：
• 金属材料及热处理； • 铸造成型技术； • 压力加工成型技术； • 焊接成型技术； • 粉末冶金及其成型； • 高分子材料及其成型； • 工业陶瓷及其成型； • 复合材料及其成型； • 快速成型技术简介； • 成型材料与方法选择
组元：Fe，F1e3.C3
铁碳平衡相图 相：L :液相;δ:高温铁素体; α(F):铁素体; γ(A):奥氏体; Fe3C:渗碳体
重要的线：固相线;液相线;
包晶点J：LBH 1495 AJ
共晶点C：Lc 1148 AEFe3C(Le) 共析点S：As 727 FPFe3C (P)
包晶反应线; 共晶反应线; 共析反应线（A1）; A3; Acm
共晶白口铸铁的平衡结晶过程
组织组成物：Le’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ）
共晶白口铸铁的室温平衡结晶组织
白色的Fe3C基体上分布着黑色条状或粒状的P
亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程
组织组成物：P+ Fe3CⅡ +Le’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ）
亚共晶白口铸铁的室温平衡结晶组织
Fe3CⅡ分布在粗大块状的P的周围； Fe3C基体上分布着条状或粒状的P
课程简介
三、教材
1、指定用书 [1]材料成型工艺基础，刘建华，西安电子科技大学出版社，
2007. 2、参考书 [1]材料成形技术，毛萍莉，机械工业出版社，2007 [2]金属材料成形与加工，毛卫民，清华大学出版社，2008 [3]先进材料成形技术及理论，樊自田，化学工业出版社，2006
四、考核方式
过共晶白口铸铁的平衡结晶过程
组织组成物：Fe3CⅠ +Le’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ）
过共晶白口铸铁的室温平衡结晶组织
长条状Fe3CⅠ分布在Le’上
1.4 金属材料热处理
• 定义：将金属或合金在固态范围内采用适当的方式进行加热、保温
盒冷却，以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。
1.4.1 钢在加热时的组织转变
（3）球化退火
• 使碳化物球化，获得粒状珠光体 • 加热略高于AC1，保温较长时间，炉冷至600度后空冷 • 共析钢、过共析钢、合金工具钢 • 降低硬度、改善切削加工性能，为淬火作准备
（4）扩散退火
熔点以下100～200℃ ，保温10－15h，缓冷
均匀组织 完全退火代替
（5）去应力退火
低于AC1（500～650℃ ），保温（与工件的截面尺寸有关），炉冷 消除残余应力
1.4.3 钢的热处理工艺-普通热处理
1.4.3 钢的热处理工艺-普通热处理
2. 正火
• AC3和ACcm以上30～50℃，保温，空冷 • 亚共析钢：F+S；共析钢：S；过共析钢S＋Fe3C • 用途： （1）最终热处理：细化晶粒、均匀组织，提高强度、硬
度和韧性 （2）预先热处理 （3）改善切削加工性能（低碳钢）
（3）马氏体转变－－低温转变
Ms-Mf 无扩散型转变；晶格重组；C过饱和，晶格畸变，固溶
强化 无孕育期 在一定温度范围内进行。转变量只取决于转变温度，而
与保温时间无关 残留奥氏体；与含碳量有关 体积膨胀，内应力
1.4.2 钢在冷却时的组织转变
亚共析钢、过共析钢等温转变曲线
1.4.2 钢在冷却时的组织转变
白色块状的F，层片状的P（黑色块状）；白色网状F包围P
过共析钢的平衡结晶过程
组织组成物：Fe3C，P
P 6.691.2 100%93%
6.690.77
(Fe3C)7%
组成相：F，Fe3C
F6.691.2100%82.1%
6.69
(Fe3C)17.9%
过共析钢的Leabharlann 温平衡结晶组织网状Fe3C分布在层片状P周围
2、连续冷却
（1）共析钢的连续冷却 CCT曲线 临界冷却速度 无贝氏体转变
亚共析钢、过共析钢的连续冷却转变
1.4.3 钢的热处理工艺
热处理
退火
普通热处理
正火
淬火
回火
表面淬火
表面热处理
化学热处理
火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
1.4.3 钢的热处理工艺-普通热处理
1.退火 • 加热到适当的温度，保温一定时间后，随炉缓慢冷却以
获得近于平衡状态组织的热处理工艺
（1）完全退火
❖ AC3以上20～30 ℃，保温，炉冷 ❖ 细化晶粒、均匀组织、降低硬度、改善切削加工性能 ❖ 亚共析钢
（2）等温退火
❖ AC3以上，保温，急冷至珠光体区， ❖ 等温转变，缓冷
1.4.3 钢的热处理工艺-普通热处理
奥氏体形核 奥氏体长大 剩余渗碳体的溶解 奥氏体成分均匀化
1.4.2 钢在冷却时的组织转变
温
保温
度
加 热
临界点 实线：连续冷却 虚线：等温冷却
时间
1.4.2 钢在冷却时的组织转变
1、等温冷却
过冷奥氏体等温转 变曲线 (TTT曲线、 C曲线） 孕育期：鼻子处最 短
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
1.4.2 钢在冷却时的组织转变
1.3 铁碳相图
铁碳平衡相图
工业纯铁的平衡结晶过程
组织组成物：F，（Fe3C）
工业纯铁的室温平衡结晶组织
共析钢的平衡结晶过程
组织组成物：P
组成相：F，Fe3C
(F) 6.690.77100%88%
6.69
w(Fe3C)
0.77100%12% 6.69
共析钢的室温平衡结晶组织
层片状P：窄条Fe3C，宽条F
1.4.3 钢的热处理工艺-普通热处理
3.淬火：加热、保温、急冷
淬火温度：
• 亚共析钢：AC3以上30～50℃； 提高硬度
共析钢、过共析钢：AC1以上 30～50 ℃ ；提高硬度和强度； 改善马氏体形态，降低脆性；减 少残余奥氏体