粉末冶金概念
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粉末冶金概念范文第1篇
关键词：材料成型；控制工程；金属材料加工
1材料成型与控制工程概念阐释
材料成型与控制工程是一个实用性学科，该学科剖析各种类型材料的宏观结构、微观结构、表面形态转换，深入研究材料热加工方法和塑性成形方法。材料成型与控制技术一般应用在机械制造行业、建筑行业以及设备加工行业，技术水平直接决定了这些行业产品制造质量、产品制造效率，关系到制造行业的利润，对于我国工业发展起到关键性基础作用。一般来说，产品设计必须应用材料成型与控制工程理论内涵以及具体的加工工艺，确定材料的性质、特点以及加工成品的功能，合理规划设计材料加工。金属材料是目前工业生产中较为常见的材料，材料成型与控制工程以分析金属材料性质、特点为主，充分考虑到材料成型与控制工程理论内容以及金属材料加工方法，探究材料成型与制造的关键技术，并利用领先的加工技术，实现制造技术的革新，确立我国工业制造的领先优势。加工金属材料时，需要应用到多种工艺技术，例如冲压、挤压、锻造、铸造以及焊接等工艺，这些工艺对技术水平提出了较高要求，每个技术环节出现差错都极易导致成型产品出现瑕疵，成型产品质量难以达标，其使用性能不能达到相关要求。因此，使用、加工金属材料之前，应仔细分析材料的物理性质、化学构成，并对材料进行测试，使其达到加工成型相关要求，结合此种材料的工作环境特点准备复合材料。
2材料成型与控制工程中加工金属材料的具体方式
2.1机械加工成型方法概述。机械加工成型作为金属材料加工过程中使用最为频繁的一种方式，这种方法的优势在于加工简便，设备资源较为丰富，加工金属材料的范围涉及到多个种类，加工精度高，能够加工几乎所有的金属材料。机械加工设备由普通机床逐步升级到数控机床，早期车、铣、刨、磨加工工序是单一的、独立的，现如今已经形成具备综合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精准性。机械加工金属材料需要结合产品的材料性质、形状特点，分析选择对应的加工工艺，确定工艺路线，选择钻、车、铣等加工方法以及相应的加工刀具。通常在对硬度较低的金属材料进行机械加工时，钻、铣等加工方式需要应用高速某材料刀具，车削加工应用硬质合金类刀具，此类刀具表面适合涂层使用；在机械加工高硬度金属材料时，适合选择金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工时使用切削液，能够降低加工金属材料表面和刀具的摩擦力，并将加工时产生的热量带走，确保材料加工质量达标。在机械加工特殊金属材料时，适合选择线切割、雕刻、电火花等加工方式，对于表面质量有较高要求的，应采取磨削加工方式，并根据具体情况实施抛光处理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技术是一种传统的材料成型与控制工程加工成型技术，该种技术在促进我国工业发展起到了积极的作用。粉末冶金成型技术最初应用在复合材料零件的制作过程中，利用压力成型的工艺完成加工、成型，适合应用在尺寸小、形状单一的零件制造中。该技术具有较强的适应性，能够应用于多种材料，工艺流程并不复杂，使用时突出增强相分布均匀、组织细密、界面反应少的特点。伴随科技的进步、加工制造技术的突破，该种技术也得到了发展和改进，现如今该技术主要应用于汽车、军事领域产品制造中，例如预制破片、刹车片等。应用粉末冶金成型技术生产、制造的金属产品具有较强耐磨性、较大强度，应用在特种工程领域中能够体现出较高的应用价值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技术根据成型方式划分成三类：传统压制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技术在应用过程中必须将成型方法与金属材料的物质性质、化学性质、产品特点、产品要求相一致，以此来提高产品质量、产品精度、生产效率。2.3粉末冶金成型技术分析概述。粉末冶金工艺流程包括配料环节、混料环节、成型环节、脱脂环节、烧结环节、后处理环节。汽车以及机械设备使用的齿轮具体以压制成型的加工工艺为主，这种工艺具有较高的生产效率，且材料成本低廉，产量大，适合规模生产。轻武器零件类似扳机等，具有较高的机械性能要求和尺寸精度要求，同时该产品形状复杂；医疗器械例如止血钳等产品要求较高的机械性能和表面质量标准；电子零件例如手机按键，具有较高的尺寸精度要求和质量要求，这些产品都应选择注射成型工艺加工，待烧结后制品无成分偏析，精度准确、机械性能好、组织致密、表面质量好，密度为7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能够采用整形、热处理、表面处理、机械加工工艺进行加工。现如今，应用粉末冶金成型技术能够体现出性能良好、效率高、生产成本低的优势。2.4冲压、挤压、塑性成型方法概述。冲压、挤压、塑性成型方法的应用范围最广。技术人员仅需要结合基础材料成型特点，利用模具表面涂层以及技术，优化加工过程中的应力状态，从而减少材料加工成型中的摩擦阻力，释放材料压力，提高产品质量。冲压、挤压、塑性成型过程在加工复合材料时，应结合增强材料比例、材料尺寸、材料强度、材料种类、材料质量选取适当的冲压、挤压、模锻及其他塑形方式，进而制造高质量金属材料制品。塑性成型过程中如果被加工金属强度低，应提高加工速度。上述内容重点阐释了应用冲压、挤压、塑性成型方法时应重视模具的设计、制造、方法、条件。2.5铸造成型方法概述。铸造成型加工方法包括熔模法、压力法、反重力法、消失模法，离心法等，通常应用在低精度要求大批量产品成型，这些产品都需要后续机械加工操作。
3结语
粉末冶金概念范文第2篇
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
粉末冶金概念范文第3篇
关键词：机械制造 工艺 绿色制造
一、绿色制造的基本概念
1、绿色制造的基本定义
绿色制造也可以叫做清洁制造、无浪费制造和环境意识制造等环保名称。首先，我们来了解下制造业的概念。所谓的制造业是指将可用资源 （包括能源）通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业产品或生活消费品的产业。很多行业都涉及到了制造业，例如：电子行业、造纸行业、化工行业、机械行业、航天行业等很多行业都涉及到了制造业，因此制造业已经成为了我国国民经济的支柱行业。那么，绿色制造的则是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造是指在资源制造过程中全面考虑环境和资源的因素，尽可能的做到对环境的污染最小，对资源的消耗量也最小，以此来做到企业经济效益和社会的效益同时优化的一种现代制造模式。资源制造过程是指毛坯制造、材料选择、原料冶炼、设计、生产、包装、使用完后的维修和报废这整个资源制造的过程。
2、关于绿色制造理念的基本内容
绿色制造理念的核心是在产品制造的过程中，使用绿色的材料以及清洁能源，通过运用绿色制造的理念来设计产品，以此来建立一个可持续性的产品生产和产品消费的模式，总的来说，绿色设计，清洁生产，绿色再制造是绿色制造理念的组成内容。因此，在制造的过程中，要求考虑到产品制造对环境的影响，尽可能的做到资源利用率最高的同时也要尽可能的减小对环境的负面影响。
二、基于绿色制造理念的机械制造工艺
基于绿色制造理念的机械制造工艺的基本内容包括以下几点：机械材料的选择、机械产品的绿色设计的建模、机械产品的可回收性和可拆卸性、机械产品的成本设计。基于绿色制造理念的机械制造工艺根据其的比基本内容，可以将绿色制造理念下的机械制造工艺技术可以分为以下几点：
1、 节约能源的机械制造工艺
绿色制造理念为针对这些能量的损失，提供了以下几项绿色的技术措施：
①工艺节能技术。工艺节能技术是指改变原来的耗能大的机械工艺中加工的技术，采用科学、先进的工艺节能技术以及绿色新工装。
②适当的利用新能源。适当的利用新能源是指可再生的资源和污染的资源。
③管理节能技术。管理节能技术是指对能源的管理进一步的加强，避免设备空车运转和能源浪费的现象。
④低能耗的工艺技术。在机械制造的过程中将绿色设备和制造装备都进尽可能的向着低能耗的方向运用。其实在我国已经出现了这种低能耗的绿色设备，绿色设备在机床中的运用可以提高机床的能效和优化机床的结构。例如：强冷风磨削机床和干式切削加工机床。
⑤技术节能。技术节能是指加强技术的改造，并且提高能源的利用率。
2、环保型的机械制造工艺技术
环保型的机械制造工艺是指通过一定的工艺技术使得一些对环境或者人类有影响和危害的物质，例如：废气、噪声、废液等，将这些有害的物质尽可能的减少或者完全消除，以此来提高系统的运行效率。当然，在工艺设计的时候就该全面的考虑环保因素，提前积极的做好预防污染的产生，这样才能更加有效的实施环保型的机械制造工艺技术。那么，在全面考虑环保因素的时候，可以从以下几个方面来考虑：①减少水的污染，②减少大气的污染，③减少环境的污染。
3、节约资源型的机械制造工艺技术
节约资源型的机械制造工艺技术是指在生产过程中简化工艺系统组成、节省原材料消耗的工艺技术。例如：通过提高刀具的寿命，选择新型的刀具材料，以此来降低刀具的组成材料的消耗。再如：通过优化毛坯的形状，减少机械加工的余量，做到减低原材料的消耗。要实施节约资源型的机械制造工艺技术应从两方面来实施，这两方面分别是：设计、工艺。从设计的方面来说，可以通过对零件数量的减少和零件重量的减轻，以此来采用优化的设计技术，使得原材料的利用率提高。从工艺的方面来说，可以通过对毛坯的制造技术、下科技术的优化，以及利用干式加工技术和、少无切削加工技术、绿色切削加工技术等新型的机械加工技术来减少材料的消耗度。
三、基于绿色制造理念的机械制造工艺技术的策略
随着我国新技术和新工艺的发展，精密铸造、冷按压、直接沉积等成型技术和工程塑料在机械制造中的应用日益成熟，从接近零件形状向精密成形、仿形方向发展。那么，基于绿色制造理念的机械制造工艺技术的策略可以分为以下几点：
①干切削技术。总所周知，材料切削是一种常规的机械制造工艺，一般都是在有切削液的条件下的湿切削。可是这种湿切削技术会有环境污染的问题，而且费用还要高于刀具的费用，这不符合绿色制造的理念，因此，倡议使用干切削技术来实施机械制造。
②冷辗扩技术。随着数控和比例技术的发展和进步，冷辗扩技术由原先只能做到辗扩和成型技术的，发展到了达到高精度要求的冷辗扩技术。
③金属粉末的未注射成型工艺。金属粉末的未注射成型工艺是指将传统的粉末冶金工艺和塑料成型的工艺相结合而成的新型工艺。
粉末冶金概念范文第4篇
【关键词】二氧化铀芯块；微观结构；芯块质量
0 前言
核电站运行过程中，核燃料的裂变产物和吸收中子后形成的超铀元素，具有强放射性，存在潜在的危险。因此，在压水堆核电站的设计中采用了多道屏障的措施，以确保运行人员和周围居民的安全，并避免对环境的污染。
第一道屏障是核燃料本身：压水堆的核燃料是UO2芯块，其熔点超过2800℃，发生裂变后，绝大部分产物仍是固体，98%以上的放射性物质仍保留在其中。第二道屏障是核燃料包壳：UO2芯块密封在优质锆合金包壳管内组成核燃料单棒。确保将放射性物质包容在燃料包壳中。第三道屏障是压力边界：即使有少数燃料棒破损，泄漏的放射性物质仍停留在一回路压力边界内，不会排入环境。第四道屏障是安全壳：确保反应堆发生任何事故，一回路压力边界内泄漏出来的放射性物质能够被包容在安全壳内，不会逸出。由此可见，燃料芯块和燃料包壳作为核电站核安全的第一、二道屏障对核电站的安全运行起着十分重要的作用，然而燃料组件在堆芯运行过程中往往会因各种原因造成燃料棒包壳的破损。
曾经把压水堆燃料元件破损分为七类，而其中的三类（氢化、PCI、包壳坍塌）直接与二氧化铀燃料芯块的质量有关。为此英国核燃料有限公司（BNFL）提出了完美燃料芯块的概念，来确保芯块质量：
1）开口孔率最少，以减少水和气体的吸附，避免锆合金包壳管的氢脆；
2）尽量不使燃料芯块在堆内密实，以避免包壳坍塌和出现局部中子通量峰；
3）有足够的孔隙空间容纳基体肿胀，减小包壳变形；
4）尽量减少裂变气体释放，防止包壳内部超压。
可以看出，所有这些条件都与UO2芯块的微观结构有关。
1 二氧化铀芯块的制造工艺
1.1 二氧化铀粉末压制成型
UO2粉末都要经过压制成型，才能制成满足燃料元件要求的芯块。压制成型工艺的目的是将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块，它的形状和尺寸应使其在烧结以后，与所要求的芯块的最终形状和尺寸接近，它的密度应达到可以使坯块容易烧结，坯块强度也应保证在随后的运送和操作中不致损坏。
图1 示出了 UO2粉末在自动压机上冷压成型的步骤：装模、压制、脱模、推走坯块和重新装模。一定重量或一定体积的 UO2粉末装入膜腔，压机通过冲头对粉末施加压力，粉末在外力作用下嵌镶、啮合、形成一定尺寸、形状、密度和强度的坯块，再从膜中取出坯块。
UO2粉末特性及压制条件对坯块质量有很大影响，包括密度分布，回弹量和强度。粉末压制过程中，因内、外摩擦力的影响会引起压制压力沿径向和轴向变化，造成坯块密度在轴向及径向分布不均匀，通常单向压制的坯块中，离施加压力的冲头越近的部位密度越高，远离的一端密度低；双向压制的坯块中，两端密度高，中间密度低。坯块的密度不均匀会造成烧结后芯块呈砂漏形或扭曲变形。为了提高坯块密度均匀性，一般从三个方面入手：（1）采用预压造粒来提高粉末的流动性，（2）粉末中添加剂、模具内壁涂剂、提高模具的硬度和表面光洁度来降低内外摩擦，（3）提高压坯载荷。而最重要的途径是提高粉末的流动性和降低粉末摩擦。
粉末颗粒在压制过程中产生弹性变形和塑性变形，在外力撤除后会一定程度的回弹量，坯块沿着轴向和径向膨胀。可在粉末中添加粘接剂和剂，使坯块强度增加，从而减小回弹量。前者随压制压力增加，弹性后效增加。后者在压制压力作用下，易产生粉碎性断裂，颗粒啮合和镶嵌，强度增大，随着压制压力增加，弹性后效减小。
坯块强度是坯块重要性能之一，坯块需经质量检查、运输和烧结等操作过程，必须具备一定的强度。粉末在压制过程中，粉末表面粗糙度愈高，压制后颗粒相互啮合就越紧，坯块强度愈高。
1.2 烧结
压制好的燃料坯块需经过烧结才能达到具有足够高的密度、强度、合适的气孔分布及晶粒度、小的吸湿性和正比化学计量，从而有良好的辐照稳定性、化学稳定性和高的热导率。坯块的烧结是在氢气氛下进行的，烧结工艺如图 2 所示，主要分为三个阶段。
第一阶段：发生在 750℃以下，主要是活性UO2粉末表面吸附的可挥发物质组分的清除和残留应力消除阶段。在这个温区内，水和吸附气体解析、挥发，过剩氧被还原成水蒸汽逸出，有机物经碳化后与氢气反应生成甲烷逸出，杂质氟也相继生成 HF 排出，改善颗粒间的接触，同时，坯块压制产生的残留应力逐渐松弛消除。
第二阶段：温度在 750～1300℃，UO2坯块明显收缩，小孔隙迅速消除，坯块密度和强度随温度增加而增大。
第三阶段：此阶段温度在 1300℃以上，直到 1700℃，烧结加快进行，坯块迅速收缩，颗粒接触面增大成界面，孔隙球化，晶粒长大，密度和强度增至最大。 影响 UO2高温烧结的因素有：
1）粉末性质：主要有颗粒尺寸、形状、孔隙度、比表面积、粉末密度、O/U等，其中比表面积是粉末活性的综合量度，在一定程度上反映出粉末的可烧结性。
2）压制参数：主要有粉末粘性、剂添加物及坯块密度，其中坯块密度反映出坯块中孔隙的大小和数目，孔隙收缩是烧结致密的重要结果。
3）烧结气氛：水冷堆用 UO2芯块中均在氢气中高温烧结，这样可有效去除超化学计量的过剩氧，使O/U接近2.00。
UO2烧结一般用连续式推舟高温炉中进行，烧结后的芯块的面形状、尺寸和表面质量等还不能达到组装燃料棒的要求，一般需要用无芯磨床进行磨削加工后才能使用。
二氧化铀芯块的制造对其热学、力学、化学性质以及堆内行为和裂变产物行为等有较大的影响，主要影响因素有：
1）烧结密度，以理论密度的百分数（%T・D）来表示；
2）孔隙率，包括开口孔率和闭口孔率；
3）孔隙结构；
4）晶粒结构。
2 二氧化铀芯块的微观结构对芯块质量影响的分析
二氧化铀核燃料芯块是由粉末经压坯、烧结而成，为多孔体，芯块密度和孔隙率、孔隙结构和晶粒结构等表征芯块微观结构特征的参数与其存在状态和制备条件密切相关。
2.1 芯块密度或孔隙率
二氧化铀芯块密度是其作为核燃料的重要技术指标。一般来说，反应堆的堆型不同，设计的燃料燃耗深度不一，对芯块密度的要求也不一样。从多一些裂变材料以提供更多的反应能考虑，希望密度高一些。但如果芯块密度越高，芯块孔隙率越低，则芯块产生的裂变产物无处容纳，从而使燃料基体肿胀，产生芯块和包壳之间相互作用的不利影响。一般芯块密度为95%T.D.左右。确定了芯块密度即可确定孔隙率，如芯块密度为95%T.D.，则孔隙率（孔隙率包括闭口孔率和开口孔率）为5%。
在燃料芯块制造过程中，主要通过二氧化铀粉末冶金过程、提高预压密度、烧结以及添加调节剂（如八氧化三铀）或有机造孔剂等手段调节芯块密度。
2.2 孔隙结构
孔隙结构包括孔隙形状、孔隙尺寸与分布。它是影响芯块堆内热稳定性的最重要的芯块特性。
在二氧化铀芯块烧结过程中会形成一些气孔，气孔中存在着H2、H2O、CO、CH4等烧结气氛的气体，在烧结温度下气体压力与气孔表面张力平衡。二氧化铀在烧结过程中将发生体积收缩、孔隙球化和晶粒长大三种基本变化，且这三种变化相伴而行。实际上，在绝大多数情况下，烧结孔隙率的变化是依靠开口孔或连通孔的变化进行的，在烧结过程中，这些孔隙的一部分被完全填满，另一部分孔隙则被转化成独立的或闭塞的孔隙。开口孔的烧结速率取决于空位迁移的驱动力、扩散的途径和扩散的距离。一般来说在任何烧结块中，当总孔隙率达到9%时，孔隙将会闭合。而大约在相对密度达到85%T.D.之前，坯块仍保持全部为开口孔；从这个密度之后继续烧结，孔隙开始闭合，而且随着烧结过程的进行，孔隙闭合急剧发生，大约在坯块相对密度为95%时，孔隙几乎完全闭合。
在堆内运行时由于芯块存在陡的温度梯度、很大的热应力以及裂变碎片产生的级联碰撞（包括离位峰、热峰、Frenkel空位―间隙原子对等），使气孔发生收缩，以保持气泡的热力学平衡。
当裂变碎片和放射性射线穿过气孔时，气体电离。重离子产生的离子对是密集的，且气体压力很高，这种离子对很容易复合，但离子也有到达气孔表面的概率。当H、O离子到达气孔表面时，很容易与二氧化铀中的氧、铀院子复合而扩散到芯块中去，造成气孔内气体减少，发生进一步收缩，直至最后湮灭。气孔越大离子达到气孔表面概率越小，同时裂变气体进入大气孔的概率增加，因而存在临界半径，小于临界半径的气孔是不稳定的，会发生湮灭。而大于临界半径的气孔，先是收缩，随后在裂变气体进入量的增加而长大，即UO2芯块在堆内辐照的运行初期，芯块中微小的孔隙重新分布和消失，造成辐照密实化，出现芯块体积缩小的现象。随着燃耗加深，芯块内裂变气体积累增多，引起芯块基体肿胀。这些辐照引起的尺寸不稳定性，影响到反应堆的运行安全性。
为避免芯块的辐照密实，在芯块制备过程中加入制孔剂（如八氧化三铀等），是芯块的气孔尺寸都大于1.5μm，就不会发生气孔的湮灭。虽然开始由于气孔的不平衡收缩，芯块有辐照密实现象，但气孔尺寸大不会发生气孔的湮灭，在经过短暂的收缩后很快就稳定下来，随着裂变气体扩散进气孔，又逐渐长大，并超过原来的尺寸，则导致芯块向辐照肿胀过程发展。
尽管行业内存在利用芯块在堆内肿胀和密实相互补偿的设想，但由于辐照初期、中期和末期肿胀和密实的情况往往是不一样的，故只能做最优化选择，最佳的芯块密度通常为95%T.D.左右，孔隙呈单峰型分布，平均孔径2～3μm（注：与标准燃料相比，高燃耗芯块的孔隙分布范围更加狭小，且峰值要高）。
2.3 晶粒结构
芯块的晶粒尺寸和分布是燃料棒设计的一项重要内容。辐照结果表明，大晶粒的二氧化铀芯块更抗密实化。且晶粒尺寸更重要的意义还在于它对裂变气体释放的影响：大晶粒芯块增加了辐照下裂变气体由晶粒内部到晶粒边界扩散的平均路程，延缓了它在晶体边界的析出，同时，随着晶粒的增大，单位晶界面积减少，从而降低了辐照下裂变气体的释放量，此外，适当增加芯块晶粒尺寸还可以提高芯块在辐照下的抗蠕变能力。这些都有力的支持了减轻芯块与包壳的相互作用（PCI）。
压水堆核电厂为了获得更高的经济效益，正在向延长循环长度和加深燃耗的方向发展。AP1000的电厂采用18个月或24个月的换料循环模式，平均卸料燃耗逼近60GW・d/tU。这种情况下大晶粒的二氧化铀芯块更表现出了极大地优点。
目前，公认的大晶粒芯块的制造方法主要有三种：制造高烧结活性的二氧化铀粉末、采用高温和长时间烧结工艺、在基体二氧化铀粉末中添加晶粒长大剂。
3 结论
芯块密度或孔隙率、孔隙结构和晶粒结构在内的这些表征芯块微观特征的结构形式，在很大程度上决定了芯块的堆内行为。因此，在制造过程中有效地控制这些结构特征，就可以满足反应堆对芯块的要求。同时，作为核电厂派驻燃料组件制造厂的制造质量监督人员应了解芯块微观结构对芯块质量的影响，加强对影响芯块密度或孔隙率、孔隙结构和晶粒结构的工艺的控制，确保在反应堆运行工况下有更高的可靠性，实现最低的燃料破损率。
【参考文献】
[1]陈宝山，刘承新.轻水堆燃料元件[M].
[2]郁金南.材料辐照效应[M].
粉末冶金概念范文第5篇
随着高等教育改革的不断深入，高职教育以适应社会需要为目标，对人才的培养方案则要求以培养技术应用能力为主线来设计学生的知识、能力、素质结构。强调对学生技术应用能力的培养，理论知识则要求适度即可。工程材料逻辑性弱、概念繁多、内容分散、难于归纳重点。在过去的教学中沿袭了传统的教学模式，根据课程的性质和任务，以学科为中心组织教学。在知识的组织编排上从维护学科逻辑结构的严密性出发，强调其系统性和完整性。这种教学模式，强调了基本理论知识点的掌握而忽视了学生技能培养、知识点的综合性及实用性。其人才培养不能体现出新的高等职业教育的特色的教学模式。随着科学技术的进步，材料的发展也是日新月异，如何合理地选择、应用材料直接影响到产品的质量及生产成本。机械工程技术人员对材料的应用则侧重在正确地选择、应用材料，并且能够结合材料性能特点合理选择加工方法并制订工艺路线。因此，机械工程技术人员更需要与实际工作密切相关的材料基本知识以及对材料的应用能力，对材料的学习也就需要在了解材料基础知识的前提下，更强调要掌握产品在不同工作条件下的失效形式，并能根据工作条件对材料性能提出要求，经过对比、分析，选择满足使用要求且经济实惠的材料，而且还要能够合理地选择加工方法、正确地安排加工路线。那么，机械相关专业“工程材料”课程的教学则一定要符合机械工程技术人员的实际工作需要，更加强调学以致用。本次教学改革的目的是变“学科中心”模式为“能力中心”模式，这种教学模式是在分析某种职业岗位所要求的各种具体的业务能力的基础上有针对性地确定所需的知识内容，侧重强调综合性、实用性。
二、以“应用”为主旨重组教学内容[2-3]
工程材料内容繁杂，主要包括金属学基本知识、材料的强化与处理、常用金属材料（包括工业用钢、铸铁、有色金属及合金、粉末冶金材料）、高分子材料与无机非金属材料以及复合材料、材料成形技术、零件毛坯选择以及工艺路线制定等内容。本次教改以“应用”为主旨在教学内容上进行了整合优化。教学内容以传统金属材料的有关知识为核心，突出两条主线，即整个课程内容围绕“成分—组织—性能—应用”、“成分—工艺—组织—性能—应用”两条主线展开，教学过程保证了学科知识的完整性及系统性，更突出了知识的实践性。对主要的原理、规律及重要的概念定义作重点讲解，对常见金属材料的牌号、性能、热处理工艺、零件毛坯选择、工艺路线制定等与实际生产密切联系的一些知识点则结合实践灵活讲解。而一些抽象的难以理解的知识点如塑性变形机理等则进行了弱化处理。
三、改进教学方法，提高教学效率
改进教学方法是提高教学质量与教学效果的重要途径。为提高教学效率可采取以下措施：
1.上好第一节课
上好第一节课是培养学生对本课程学习兴趣的重要环节。第一节课采用“复习导入法”，如一上课首先让学生一起总结日常生活中常用的材料有哪些，工程材料有哪些，如何分类，然后引入正题讲明本课程的性质、目的及作用，让学生明白为什么要学材料课，都要学习哪些内容，应该怎样学。通过“复习导入法”来吸引学生的注意力，再一步步引导学生的思维跟着教师思路进行，从而提高学生的学习兴趣，避免抵触心理。
2.课堂内引入讨论，改进以讲授为主的教学方式
课堂讨论能使学生注意力集中，思维敏捷，是实行合作学习的重要途径，还能够及时反馈教学效果。教师在讲授过程中，要结合实际适时引入问题，鼓励学生积极参与，与教师思维同步，从而使学生的学习变被动接受为主动吸纳。在讨论过程中教师还要及时的对学生进行启发引导，并帮助归纳、总结得出结论。通过引入问题和讨论问题来培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
3.理论与实际相结合
学习理论知识的最终目的是要灵活应用于实际当中，因此在讲课过程中，教师应该尽可能地将一些工程实际应用案例贯穿于相关理论知识内，从而使学生能够准确地理解知识本质及其应用，最终培养他们理论联系实际分析解决工程问题的能力。例如，在讲到S、P杂质元素对材料性能影响时，可引入“泰坦尼克号”轮船断裂原因分析，如此一方面引起了学生的学习兴趣，另一方面使学生在学习知识的同时增强了理论联系分析问题的意识。
4.设置综合实验，提高学生对理论知识的综合应用能力
“工程材料”的传统实验主要是验证性的，要求学生明确实验的目的、要求及内容，之后仅仅是通过实际操作来验证结果。综合实验则更强调了学生的主体性，要求学生拿到任务书后，首要的是要进行实验方案的设计，而设计方案则需要理论知识作基础，并需要查找相关文献资料。通过小组讨论及教师指导的方式确定方案的可行性，并根据具体条件在实验中验证。设计方案的过程一方面调动了学生的积极主动性，另一方面综合分析、应用了所学的理论知识，强化了其理论联系实际的能力。
5.在平时作业中增加需要查阅资料并思考的题目
授人鱼不如授人以渔，在教学过程中不仅仅是要教会学生知识，更重要的是教会学生学习知识运用知识的能力。因此在平时作业中增加需要查阅资料并思考的题目，并以小论文的形式完成。为了完成作业，学生必须通过图书馆、网络去查找相关的文献资料，并结合所学专业知识进行分析筛选、整理应用，最终以恰当的论据对题目进行充分论证完成小论文的撰写。这类作业可以培养学生学习能力、独立检索文献资料并对占有资料进行分析整理并恰当运用的能力，还可以提高对知识的综合应用能力。
