金属材料的制备与加工技术研究
增材制造金属材料的疲劳性能研究进展
第16卷第1期精密成形工程代俊林1，吴世品1,2*，张宇1，王雪娇1，马强3（1.天津职业技术师范大学，天津 300072；2.天津大学现代连接技术实验中心，天津 300350；3.天津金桥焊材集团有限公司，天津 300399）摘要：金属增材制造作为前沿热点制造技术之一，近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。
利用增材制造技术制备金属材料的过程中，不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷，虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度，但至今仍无法完全消除这些缺陷。
增材制造金属材料的过程中，缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核，造成金属材料的疲劳寿命下降。
首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素；其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展；总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展；最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型，同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景，为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。
关键词：增材制造；金属材料；缺陷；疲劳寿命；疲劳裂纹；疲劳寿命评估DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.001中图分类号：TG456 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)01-0001-14Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal MaterialsDAI Junlin1, WU Shipin1,2*, ZHANG Yu1, WANG Xuejiao1, MA Qiang3(1. Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300072, China; 2. Center for Advanced Joining Technology, TianjinUniversity, Tianjin 300350, China; 3. Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co., Ltd., Tianjin 300399, China)ABSTRACT: Metal additive manufacturing, also known as one of the prominent manufacturing technologies, has garnered sig-nificant attention and has been extensively investigated and used across diverse crucial industrial sectors in recent times. The additive manufacturing method inherently gives rise to various defects, including but not limited to surface roughness, porosity, and lack of fusion. Despite advancement in process technology, it remains unfeasible to entirely eradicate defects, but can reduce defects to a certain amount. During the additive manufacturing of metal materials, the defective parts usually become the source of stress concentration and induce fatigue crack nucleation, resulting in a decrease in the fatigue life of metal materials. The fac-tors affecting the fatigue performance of metals produced by additive manufacturing were described firstly from the surface quality, internal defects, and microstructure. Secondly, the research progress of fatigue crack initiation and expansion mecha-nism was summarized from the macroscopic and microscopic perspectives. Then, the current progress of fatigue life-extension收稿日期：2023-08-26Received：2023-08-26基金项目：天津市教委科研计划项目（2020KJ104）Fund：Tianjin Municipal Education Commission Scientific Research Program Projects (2020KJ104)引文格式：代俊林, 吴世品, 张宇, 等. 增材制造金属材料的疲劳性能研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 1-13.DAI Junlin, WU Shipin, ZHANG Yu, et al. Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal Materials[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 1-13.*通信作者（Corresponding author）2精 密 成 形 工 程 2024年1月techniques such as heat treatment, surface optimization, electromagnetic-assisted and ultrasonic-assisted techniques were intro-duced. Finally, the fatigue life evaluation model utilizing machine learning technology was further examined, along with the po-tential application of machine learning and artificial intelligence technology in the domain of additive manufacturing of metal materials, providing experience and reference value for advancing the progress and utilization of metal additive manufacturing. KEY WORDS: additive manufacturing; metal materials; defects; fatigue life; fatigue cracks; fatigue life evaluation增材制造（Additive Manufacturing ，AM ）作为现代制造领域前沿热点技术之一，是一种通过计算机辅助设备建立数字模型并逐层堆积材料用以完成最终所需产品的现代制造工艺方法[1-2]。
金属多材料增材制造研究现状与展望
第14卷 第2期 精 密 成 形 工 程2022年2月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING129收稿日期：2021-04-24基金项目：2020年度河南省高校科技创新团队支持计划（20IRTSTHN015）；江苏省盐城市“515”创新领军人才项目（盐委[2020]40号）；河南省科技攻关项目（202102210087）；郑州市科技局产学研项目（郑科函[2020]3号） 作者简介：郭照灿（1993—），男，硕士生，主要研究方向为双金属复层材料组织与性能。
通讯作者：张德海（1973—），男，博士，教授，主要研究方向为先进材料成形过程控制及其交叉学科。
金属多材料增材制造研究现状与展望郭照灿1，张德海1，何文斌1，杨光露1,2，李军恒1，付亮1（1. 郑州轻工业大学 机电工程学院，郑州 450002；2. 河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂，河南 南阳 473007）摘要：当代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，苛刻的使役条件要求零件具有功能耦合、多环境适应的能力。
金属多材料增材制造技术相比传统制造技术具备更大的优势，在航空航天、汽车工业、电力行业、生物医学等领域中均具有广阔的应用前景。
研究了电子束增材制造、电弧增材制造和冷喷涂增材制造在金属多材料增材制造中的应用现状以及最新发展。
重点研究了金属多材料增材制造技术在宏观成形精度、微观组织缺陷和粒子界面结合中存在的关键问题。
最后，指出了金属多材料增材制造技术在材料种类、基础理论、零件复杂度、质量控制等方面的发展趋势。
将为金属多材料应用于增材制造技术提供新的思路和借鉴价值。
关键词：多材料；增材制造；微观组织；成形精度DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.020中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2022)02-0129-09Research Status and Prospect of Metal Multi-Material Additive ManufacturingGUO Zhao-can 1, ZHANG De-hai 1, HE Wen-bin 1, YANG Guang-lu 1,2, LI Jun-heng 1, FU Liang 1(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China;2. Nanyang Cigarette Factory, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Nanyang 473007, China) ABSTRACT: Contemporary society has higher and higher requirements for the function and performance of products and de-manding service conditions require parts to have the ability of functional coupling and multi-environment adaptation. Metal multi-material additive manufacturing technology has greater advantages than traditional manufacturing technology, and has broad application prospects in aerospace, automobile industry, electric power industry, biomedicine and other fields. The appli-cation status and recent development of electron beam additive manufacturing, arc additive manufacturing and cold spraying ad-ditive manufacturing in metal multi-material additive manufacturing were studied. The key problems of metal multi-material additive manufacturing technology in macroscopic forming accuracy, microstructure defects and particle interface bonding were investigated. Finally, the development trend of metal multi-material additive manufacturing technology in material types, basic theory, part complexity, quality control and other aspects was pointed out. The work will provide new ideas and reference value for the application of metal multi-material in additive manufacturing technology. KEY WORDS: multi-material; additive manufacturing; microstructure; forming precision. All Rights Reserved.130精密成形工程 2022年2月随着高新技术产业的快速发展，对产品功能及性能的要求越来越高。
材料工程基础-第1章金属材料的制备--冶金
II、作业温度比其他火法冶金过程低； III、分离效率高，综合利用好。在高品位矿石资源逐 渐枯竭的情况下，对储量很大的低品位、成分复杂难 选的贫矿来说，氯化冶金将发挥它的作用。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法 ②氯化冶金 尚有三个问题待解决： I、氯化剂的利用效率和氯化剂的再生返回利用是关 键性问题； II、继续解决氯化冶金设备的防腐蚀； III、环境保护
A 形状控制：电磁铸造、金属薄膜的电磁成行，电磁 塑性成型，悬浮熔炼等
B 驱动金属液体：电磁搅拌，电磁泵 C 抑制流动：磁力制动，抑制波动 D 悬浮：非金属夹杂物的电磁分离 E 热量生成：感应熔炼，电磁加热、电弧熔炼、等离
子熔炼等 F 组织控制：晶粒细（粗）化，非晶金属制备
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ②电磁熔炼
的化合物析出或造
渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相
间分
配比的不同。
◇ 利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金
属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精
炼（区域熔炼）。
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程
中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分
离——蒸馏精炼、升华精炼。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ②冶炼
氧势图（Ellingham）的形成原理
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
CVD技术
化学气相沉积技术及在难熔金属材料中的应用蔡兆机硕113班030110455摘要：难熔金属由于其独特的性能，在当今科学领域的应用越来越重要。
化学气相沉积法成功制取高纯致密难熔金属有利于其应用的推广。
采用化学气相沉积法在难熔金属材料表面制备铂族金属薄膜作为高温抗氧化涂层，更扩展了难熔金属材料在高科技领域的应用。
关键词：难熔金属；CVD；化学气相沉积；1引言难熔金属材料的制备方法主要是粉末冶金、电弧熔炼和电子束熔炼等。
经过几十年的发展，许多制备加工新技术已应用到难熔金属材料工业中，包括粉末注射成形(PIM)、放电等离子体烧结(SPS)、定向凝固、热机械加工、电磁共振技术、单晶技术及化学气相沉积技术等[1,2,3,4]。
化学气相沉积(Chemical V apor Deposition，简称CVD)是在热、光和等离子体等的激活和驱动下使气态物质在气相或气固界面上发生化学反应，从而制得稳定固态沉积物(或赋予固体材料表面某种特性)的一项材料制备技术。
沉积反应可分为均相反应和多相反应，它们分别在气相和气/固界面上发生，前者形成粉末，后者形成薄膜。
CVD是一种原子或原子集团沉积过程，过程本身具有提纯作用，因而其沉积层亦具有高纯高致密特征。
由于化学反应的多样性，使得CVD作为一种材料制备技术具有灵活多样的特点，构成了CVD制备多种材料的化学工艺基础。
从理论上讲，几乎所有的纯金属材料均可以采用CVD技术制备，CVD已成为材料制备技术的一个重要分支。
与其他制备方法相比，CVD技术具有适应性强、可选择性多及设备相对简单等特点：①是一种静成型技术，特别适合外形复杂器件(如喷管、坩埚等)的制备成型；②大幅降低了材料成型温度，对制备高熔点材料特别具有优势；③CVD制备的材料致密度高、纯度高。
CVD技术应用于贵金属及难熔金属的制备历史并不长，20世纪70年代，前人采用金属无机物为前驱体沉积的贵金属薄膜质量难以令人满意。
80年代，采用贵金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法制备贵金属薄膜或涂层材料，薄膜的纯度和致密性得以解决。
粉末冶金法制备铝基复合材料的研究
粉末冶金法制备铝基复合材料的研究粉末冶金法是一种制备金属基复合材料的有效方法，具有制备的复合材料成分均匀、性能优异、成本低廉等优点。
铝基复合材料作为一种高性能的金属基复合材料，在航空、汽车、机械等领域得到了广泛应用。
本文将围绕粉末冶金法制备铝基复合材料展开，探讨其制备工艺、性能评价、应用领域及未来发展趋势。
粉末冶金法制备铝基复合材料的工艺流程主要包括以下几个步骤：原材料准备：选用纯度较高的铝粉、增强相（如SiC、Al2O3等）及适量的粘结剂。
混合与压制：将原材料按照一定的比例混合，加入适量的润滑剂，然后压制成型。
烧结：将压制成型后的生坯在高温下进行烧结，使得铝粉与增强相充分融合。
热处理：对烧结后的材料进行热处理，以进一步优化材料的性能。
通过以上步骤，制备出具有特定形状和性能的铝基复合材料。
与传统的铸造方法相比，粉末冶金法具有更高的成分均匀性、更细的晶粒结构和更好的力学性能。
铝基复合材料因其具有优异的力学性能、耐腐蚀性和抗高温性能，在航空、汽车、机械等领域得到了广泛应用。
在航空领域，铝基复合材料主要用于制造飞机发动机零部件、机身结构件等。
其轻质高强的特点使得飞机能够减轻重量，提高飞行效率。
在汽车领域，铝基复合材料主要用于制造汽车零部件，如发动机缸体、活塞、齿轮等。
其高强度和抗疲劳性能能够提高汽车的安全性和使用寿命。
在机械领域，铝基复合材料可用于制造各种高强度、轻质的机械零件，如传动轴、支架、齿轮等。
其优良的耐腐蚀性和高温稳定性使得铝基复合材料成为理想的机械零件材料。
铝基复合材料的性能取决于其组成和制备工艺。
在力学方面，粉末冶金法制备的铝基复合材料具有高强度、高硬度、低塑性等特点，其力学性能优于传统铸造铝材。
耐腐蚀性方面，由于增强相的加入，铝基复合材料的耐腐蚀性能得到显著提高。
抗高温性能方面，通过选用合适的增强相和热处理工艺，可以使得铝基复合材料在高温下保持优良的性能。
随着科技的不断发展，粉末冶金法制备铝基复合材料在未来将面临新的挑战和机遇。
材料制备与加工
、八、•刖言材料制备与加工（液态成形）材料科学与工程学院党惊知1）材料制备铸造材料的熔炼（化），处理等。
2）材料加工铸造方法、工艺、铸型、设备等。
1、材料制备1）铸铁普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特种铸铁等。
2）铸钢普通碳钢、低合金钢、特殊用钢等。
3）铸造有色合金铝合金、铜合金、锌合金、镁合金钛合金等。
材料的熔炼铸铁的熔炼铸钢的熔炼有色合金的熔炼熔炼设备铸铁——冲天炉，中频感应电炉等。
铸钢——电弧炉，中频感应电炉等。
有色合金——燃气、燃油炉，电阻炉，感应炉等。
熔炼工艺材料准备加料顺序熔炼温度化学成分处理工艺等液态合金的处理铸铁——孕育处理、球化处理、蠕化处理。
铸钢——净化处理。
有色合金——精炼处理、变质处理等。
2电磁泵低压铸造技术电磁泵系统是将电磁作用力直接作用于液态金属，驱动其定向移动，具有传输平稳、加压规范连续精确可调、炉体不需密封、生产过程稳定可靠等特点。
2. 1电磁泵低压铸造技术原理与过程电磁泵的工作参数是电磁铁磁隙间的磁感应强度和流过液态金属的电流密度。
它们与电磁泵的主要技术性能指标压头间存在如下关系：式中：厶p ――液态金属经过磁场作用区（长度为）后压强的增加量（即泵产生的理想压头）（N/m2）;j ------- 在金属液中垂直于磁感应强度方向和金属液体流动方向上的电流密度（A/m2）;B ----- 垂直于电流方向和金属液流动方向上的磁感应强度（T）；L --------- 处于磁隙间的升液方向上的金属液体长度（m）;2. 2电磁泵低压铸造工艺措施及参数选择1）铸型工艺参数的选择2）凝固方式的选择3）浇冒系统的选择2.3 浇注工艺参数的确定 低压铸造的浇注过程一般包括升液、充 型、结壳、增压、保压结晶、卸压等几个阶段。
加在密封坩埚内金属镁合金触变注射成形技术 近年来美国、日本和加拿大等国的 公司相4）铸型的排气充型模拟预测卷气、卷渣、冷隔等缺凝固过程模拟 -------- *•预测缩孔缩松 后处理设定初始条件及边界继成功开发出镁合金半固态触变注射成形机，其中主要有美国的Thixomat公司，日本的JSW公司等。
金属粉末的用途
金属粉末的用途一、引言金属粉末是一种非常重要的工业原料，广泛应用于各个领域。
它具有很多优点，如高纯度、均匀性好、可控性强等。
本文将详细介绍金属粉末的用途。
二、金属材料制备1. 金属注射成型金属粉末可以用于制备复杂形状的零件，这是传统加工方法难以实现的。
通过注射成型技术，可以将金属粉末注入模具中，在高温下进行烧结，形成所需的零件。
2. 3D打印3D打印技术是一种快速制造技术，可以利用CAD设计软件将设计图转化为三维模型，并通过打印机逐层堆积材料来实现物体的制造。
金属粉末在3D打印中被广泛应用，可以制造出高强度、高韧性、复杂形状的零件。
3. 粉末冶金粉末冶金是一种利用金属粉末制备材料的方法。
通过混合不同种类或不同形态的金属粉末，并在高温下进行烧结，可以制备出高强度、高硬度、高耐磨性的材料。
三、电子行业1. 电子封装材料金属粉末可以用于制备电子封装材料。
这些材料通常用于制造集成电路、半导体器件等，具有良好的导热性和导电性，能够有效地保护电子器件。
2. 金属薄膜制备金属粉末可以用于制备金属薄膜。
这种薄膜通常用于液晶显示器、太阳能电池等领域，具有良好的导电性和透明性。
四、航空航天1. 轻质高强材料金属粉末可以用于制备轻质高强的材料。
这些材料通常用于航空航天领域，如飞机零部件、火箭发动机部件等。
它们具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
2. 燃烧剂金属粉末也可以作为燃烧剂使用。
在火箭发动机中，加入金属粉末可以增加推力，并提高发动机的效率。
五、医疗行业1. 医用材料金属粉末可以用于制备医用材料，如人工关节、牙科种植体等。
这些材料具有良好的生物相容性和机械性能，能够有效地替代传统的材料。
2. 造影剂金属粉末还可以作为造影剂使用。
在X射线检查中，加入金属粉末可以使其在X射线下显影，帮助医生更准确地诊断病情。
六、其他领域1. 金属涂层金属粉末可以用于制备金属涂层。
这种涂层通常用于汽车、船舶等领域，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。
金属材料ppt课件
目录
CONTENTS
• 金属材料概述 • 金属材料的性能 • 金属材料的制备与加工 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的应用 • 金属材料的发展趋势与展望
01 金属材料概述
金属材料的定义与分类
总结词
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的工程材料。根据成分和用途，金属材料可分为 多种类型。
要点二
详细描述
金属材料的发展可以追溯到古代的铜器时代，当时人们开 始使用铜制工具和武器。随着冶金技术的不断发展，钢铁 逐渐取代铜成为主要的金属材料。如今，随着科技的不断 进步，新型金属材料如钛合金、镍基合金等不断涌现，这 些材料具有更高的强度、耐腐蚀性和轻量化等特点，为工 程领域的发展提供了更多可能性。
装配和调试
通过喷涂、电镀、化学镀等工艺对金属表 面进行处理，以提高其耐腐蚀、美观和功 能性。
将加工好的金属零件组装成完整的机械或 设备，并进行调试和性能测试。
金属材料的热处理
退火
将金属材料加热至适当温度，保温一段 时间后缓慢冷却，以消除内应力和提高
塑性。
淬火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却至室温，以获得高
硬度和耐磨性。
正火
将金属材料加热至适当温度，保温一 段时间后快速冷却，以提高其硬度和 强度。
回火
将淬火后的金属材料加热至适当温度 ，保温一段时间后缓慢冷却，以稳定 其组织和性能。
04 金属材料的腐蚀与防护
金属腐蚀的类型与机理
均匀腐蚀
金属表面均匀地发生腐蚀，导致 整体性能下降。
局部腐蚀
金属表面某些区域受ห้องสมุดไป่ตู้集中腐蚀 ，如点蚀、缝隙腐蚀等。
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金属材料的制备与加工技术研究金属材料是人类历史中非常重要的材料之一，它广泛应用于航天、军工、汽车、建筑等各个领域。
金属材料的发展离不开材料
制备与加工技术的创新。
本文将介绍金属材料的制备与加工技术
的研究现状以及未来的发展趋势。
一、金属材料的制备技术
1.传统制备技术
传统制备技术主要包括冶炼、铸造、锻造、轧制、拉拔等工艺。
这些工艺由于具有大批量、低成本的特点，一直是金属材料制备
的主要手段。
然而，这些制备技术存在一些缺点，例如难以控制
材料结构、成分不均等问题。
2.先进制备技术
近年来，随着科技的发展，金属材料的制备技术也得到了很大
的改进。
先进制备技术包括：粉末冶金、快速凝固、表面化学合
成等。
这些制备技术能够制备出具有优异性能的新型金属材料，例如高性能合金、纳米材料等。
3.塑性加工技术
在金属材料制备技术中，塑性加工技术一直都是不可或缺的一环。
塑性加工技术包括冷、热加工，其中热加工具有显著的节能效果。
例如，采用等温锻造技术可以大大降低锻造能耗，提高材料的成形性。
二、金属材料的加工技术
1.机加工
机加工是将加工件固定在机床上，在加工器具的驱动和控制下削去加工件的材料，以达到加工工件的目的。
机加工技术是金属加工中最主要的一种加工方法，使用范围广泛。
2.焊接
焊接是将两个或多个工件加热至一定温度，在受热部位形成熔融或半熔状态的同时主要依靠力、表面张力及熔池的浮力，使它们彼此连接而成的一种加工方式。
焊接技术在各个行业有着广泛的应用，例如汽车制造、造船、航空工业等。
3.切割
切割是指通过切割工具对金属材料进行切割、剪切、孔加工等操作。
切割技术主要有火焰切割、等离子切割、激光切割等。
切割技术在金属加工领域中也是非常重要的一种技术。
三、未来的发展趋势
1.数字化制造
数字化制造是一种借助数字技术实现产品设计、制造的方法。
它可以通过数字化仿真、人工智能等技术来实现生产数字化化、信息化、智能化。
数字化制造已经越来越被广泛应用，尤其是在金属材料制备与加工领域中。
2.绿色环保
随着人们对环境保护的关注度不断提高，绿色环保已经成为了
未来发展的重要方向。
金属材料制备与加工技术需要朝着绿色环
保的方向发展，尽可能降低污染物产生，提高材料的回收利用率。
3.智能化生产
智能化生产是指利用先进技术，实现生产自动化、信息化、数
字化，并以此来提高生产效率和产品质量的一种制造模式。
智能
化生产已经成为了制造业发展的趋势，它可以有效地提高金属材
料制备与加工的效率和质量。
总的来说，金属材料的制备与加工技术的研究与发展对于各个
领域的发展都至关重要。
未来金属材料制备与加工技术的发展趋
势将向数字化制造、绿色环保、智能化生产等方向发展。