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粉末冶金的概念范文第1篇

關(guān)鍵詞：材料成型；控制工程；金屬材料加工

1材料成型與控制工程概念闡釋

材料成型與控制工程是一個實(shí)用性學(xué)科，該學(xué)科剖析各種類型材料的宏觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)轉(zhuǎn)換，深入研究材料熱加工方法和塑性成形方法。材料成型與控制技術(shù)一般應(yīng)用在機(jī)械制造行業(yè)、建筑行業(yè)以及設(shè)備加工行業(yè)，技術(shù)水平直接決定了這些行業(yè)產(chǎn)品制造質(zhì)量、產(chǎn)品制造效率，關(guān)系到制造行業(yè)的利潤，對于我國工業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵性基礎(chǔ)作用。一般來說，產(chǎn)品設(shè)計必須應(yīng)用材料成型與控制工程理論內(nèi)涵以及具體的加工工藝，確定材料的性質(zhì)、特點(diǎn)以及加工成品的功能，合理規(guī)劃設(shè)計材料加工。金屬材料是目前工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的材料，材料成型與控制工程以分析金屬材料性質(zhì)、特點(diǎn)為主，充分考慮到材料成型與控制工程理論內(nèi)容以及金屬材料加工方法，探究材料成型與制造的關(guān)鍵技術(shù)，并利用領(lǐng)先的加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)的革新，確立我國工業(yè)制造的領(lǐng)先優(yōu)勢。加工金屬材料時，需要應(yīng)用到多種工藝技術(shù)，例如沖壓、擠壓、鍛造、鑄造以及焊接等工藝，這些工藝對技術(shù)水平提出了較高要求，每個技術(shù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯都極易導(dǎo)致成型產(chǎn)品出現(xiàn)瑕疵，成型產(chǎn)品質(zhì)量難以達(dá)標(biāo)，其使用性能不能達(dá)到相關(guān)要求。因此，使用、加工金屬材料之前，應(yīng)仔細(xì)分析材料的物理性質(zhì)、化學(xué)構(gòu)成，并對材料進(jìn)行測試，使其達(dá)到加工成型相關(guān)要求，結(jié)合此種材料的工作環(huán)境特點(diǎn)準(zhǔn)備復(fù)合材料。

2材料成型與控制工程中加工金屬材料的具體方式

2.1機(jī)械加工成型方法概述。機(jī)械加工成型作為金屬材料加工過程中使用最為頻繁的一種方式，這種方法的優(yōu)勢在于加工簡便，設(shè)備資源較為豐富，加工金屬材料的范圍涉及到多個種類，加工精度高，能夠加工幾乎所有的金屬材料。機(jī)械加工設(shè)備由普通機(jī)床逐步升級到數(shù)控機(jī)床，早期車、銑、刨、磨加工工序是單一的、獨(dú)立的，現(xiàn)如今已經(jīng)形成具備綜合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精準(zhǔn)性。機(jī)械加工金屬材料需要結(jié)合產(chǎn)品的材料性質(zhì)、形狀特點(diǎn)，分析選擇對應(yīng)的加工工藝，確定工藝路線，選擇鉆、車、銑等加工方法以及相應(yīng)的加工刀具。通常在對硬度較低的金屬材料進(jìn)行機(jī)械加工時，鉆、銑等加工方式需要應(yīng)用高速某材料刀具，車削加工應(yīng)用硬質(zhì)合金類刀具，此類刀具表面適合涂層使用；在機(jī)械加工高硬度金屬材料時，適合選擇金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工時使用切削液，能夠降低加工金屬材料表面和刀具的摩擦力，并將加工時產(chǎn)生的熱量帶走，確保材料加工質(zhì)量達(dá)標(biāo)。在機(jī)械加工特殊金屬材料時，適合選擇線切割、雕刻、電火花等加工方式，對于表面質(zhì)量有較高要求的，應(yīng)采取磨削加工方式，并根據(jù)具體情況實(shí)施拋光處理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技術(shù)是一種傳統(tǒng)的材料成型與控制工程加工成型技術(shù)，該種技術(shù)在促進(jìn)我國工業(yè)發(fā)展起到了積極的作用。粉末冶金成型技術(shù)最初應(yīng)用在復(fù)合材料零件的制作過程中，利用壓力成型的工藝完成加工、成型，適合應(yīng)用在尺寸小、形狀單一的零件制造中。該技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于多種材料，工藝流程并不復(fù)雜，使用時突出增強(qiáng)相分布均勻、組織細(xì)密、界面反應(yīng)少的特點(diǎn)。伴隨科技的進(jìn)步、加工制造技術(shù)的突破，該種技術(shù)也得到了發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)如今該技術(shù)主要應(yīng)用于汽車、軍事領(lǐng)域產(chǎn)品制造中，例如預(yù)制破片、剎車片等。應(yīng)用粉末冶金成型技術(shù)生產(chǎn)、制造的金屬產(chǎn)品具有較強(qiáng)耐磨性、較大強(qiáng)度，應(yīng)用在特種工程領(lǐng)域中能夠體現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技術(shù)根據(jù)成型方式劃分成三類：傳統(tǒng)壓制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技術(shù)在應(yīng)用過程中必須將成型方法與金屬材料的物質(zhì)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)品特點(diǎn)、產(chǎn)品要求相一致，以此來提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品精度、生產(chǎn)效率。2.3粉末冶金成型技術(shù)分析概述。粉末冶金工藝流程包括配料環(huán)節(jié)、混料環(huán)節(jié)、成型環(huán)節(jié)、脫脂環(huán)節(jié)、燒結(jié)環(huán)節(jié)、后處理環(huán)節(jié)。汽車以及機(jī)械設(shè)備使用的齒輪具體以壓制成型的加工工藝為主，這種工藝具有較高的生產(chǎn)效率，且材料成本低廉，產(chǎn)量大，適合規(guī)模生產(chǎn)。輕武器零件類似扳機(jī)等，具有較高的機(jī)械性能要求和尺寸精度要求，同時該產(chǎn)品形狀復(fù)雜；醫(yī)療器械例如止血鉗等產(chǎn)品要求較高的機(jī)械性能和表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；電子零件例如手機(jī)按鍵，具有較高的尺寸精度要求和質(zhì)量要求，這些產(chǎn)品都應(yīng)選擇注射成型工藝加工，待燒結(jié)后制品無成分偏析，精度準(zhǔn)確、機(jī)械性能好、組織致密、表面質(zhì)量好，密度為7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能夠采用整形、熱處理、表面處理、機(jī)械加工工藝進(jìn)行加工。現(xiàn)如今，應(yīng)用粉末冶金成型技術(shù)能夠體現(xiàn)出性能良好、效率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。2.4沖壓、擠壓、塑性成型方法概述。沖壓、擠壓、塑性成型方法的應(yīng)用范圍最廣。技術(shù)人員僅需要結(jié)合基礎(chǔ)材料成型特點(diǎn)，利用模具表面涂層以及技術(shù)，優(yōu)化加工過程中的應(yīng)力狀態(tài)，從而減少材料加工成型中的摩擦阻力，釋放材料壓力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。沖壓、擠壓、塑性成型過程在加工復(fù)合材料時，應(yīng)結(jié)合增強(qiáng)材料比例、材料尺寸、材料強(qiáng)度、材料種類、材料質(zhì)量選取適當(dāng)?shù)臎_壓、擠壓、模鍛及其他塑形方式，進(jìn)而制造高質(zhì)量金屬材料制品。塑性成型過程中如果被加工金屬強(qiáng)度低，應(yīng)提高加工速度。上述內(nèi)容重點(diǎn)闡釋了應(yīng)用沖壓、擠壓、塑性成型方法時應(yīng)重視模具的設(shè)計、制造、方法、條件。2.5鑄造成型方法概述。鑄造成型加工方法包括熔模法、壓力法、反重力法、消失模法，離心法等，通常應(yīng)用在低精度要求大批量產(chǎn)品成型，這些產(chǎn)品都需要后續(xù)機(jī)械加工操作。

3結(jié)語

粉末冶金的概念范文第2篇

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展

TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。

近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。

1FGM概念的提出

當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3],如圖1所示。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機(jī)輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:

1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。

圖2

2.2FGM的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應(yīng)用

FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。FGM的應(yīng)用[8]見圖3。

圖3FGM的應(yīng)用

功能

應(yīng)用領(lǐng)域材料組合

緩和熱應(yīng)

力功能及

結(jié)合功能

航天飛機(jī)的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機(jī)械部件

耐熱性機(jī)械部件

耐蝕性機(jī)械部件

加工工具

運(yùn)動用具:建材陶瓷金屬

陶瓷金屬

塑料金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石金屬

碳纖維金屬塑料

核功能

原子爐構(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)壁材料

放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料

耐熱材料遮避材料

耐熱材料遮避材料

生物相溶性

及醫(yī)學(xué)功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關(guān)節(jié)

人工內(nèi)臟器官:人工血管

補(bǔ)助感覺器官

生命科學(xué)磷灰石氧化鋁

磷灰石金屬

磷灰石塑料

異種塑料

硅芯片塑料

電磁功能

電磁功能陶瓷過濾器

超聲波振動子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長壽命加熱器

超導(dǎo)材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板壓電陶瓷塑料

壓電陶瓷塑料

硅化合物半導(dǎo)體

多層磁性薄膜

金屬鐵磁體

金屬鐵磁體

金屬陶瓷

金屬超導(dǎo)陶瓷

塑料導(dǎo)電性材料

陶瓷陶瓷

光學(xué)功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發(fā)光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導(dǎo)體

稀土類元素玻璃

能源轉(zhuǎn)化功能

MHD發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質(zhì)

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。

設(shè)計設(shè)計

圖4FGM研究開發(fā)體系

4.1FGM設(shè)計

FGM設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程[7]。

首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計參數(shù)。

FGM設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);

2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;

3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計算方法,包括有限元方法計算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計。

FGM設(shè)計的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設(shè)計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：

圖6SHS反應(yīng)過程示意圖

SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等離子噴涂法(PS)

PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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

圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計好組分配比的混合粉末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,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。

4.2.3.4電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形變與馬氏體相變[8]

通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。

4.3FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計,為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個方面。這些評價技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價體系[7~8]。

5FGM的研究發(fā)展方向

5.1存在的問題

作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；

4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實(shí)用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；

2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；

4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對FGM的性能評價進(jìn)行研究[2、13]

有必要從以下5個方面進(jìn)行研究：

1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關(guān)系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環(huán)境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等

6結(jié)束語

FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。

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粉末冶金的概念范文第3篇

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造 工藝 綠色制造

一、綠色制造的基本概念

1、綠色制造的基本定義

綠色制造也可以叫做清潔制造、無浪費(fèi)制造和環(huán)境意識制造等環(huán)保名稱。首先，我們來了解下制造業(yè)的概念。所謂的制造業(yè)是指將可用資源 （包括能源）通過制造過程，轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的工業(yè)產(chǎn)品或生活消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。很多行業(yè)都涉及到了制造業(yè)，例如：電子行業(yè)、造紙行業(yè)、化工行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、航天行業(yè)等很多行業(yè)都涉及到了制造業(yè)，因此制造業(yè)已經(jīng)成為了我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)。那么，綠色制造的則是一個系統(tǒng)地考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。綠色制造是指在資源制造過程中全面考慮環(huán)境和資源的因素，盡可能的做到對環(huán)境的污染最小，對資源的消耗量也最小，以此來做到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會的效益同時優(yōu)化的一種現(xiàn)代制造模式。資源制造過程是指毛坯制造、材料選擇、原料冶煉、設(shè)計、生產(chǎn)、包裝、使用完后的維修和報廢這整個資源制造的過程。

2、關(guān)于綠色制造理念的基本內(nèi)容

綠色制造理念的核心是在產(chǎn)品制造的過程中，使用綠色的材料以及清潔能源，通過運(yùn)用綠色制造的理念來設(shè)計產(chǎn)品，以此來建立一個可持續(xù)性的產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品消費(fèi)的模式，總的來說，綠色設(shè)計，清潔生產(chǎn)，綠色再制造是綠色制造理念的組成內(nèi)容。因此，在制造的過程中，要求考慮到產(chǎn)品制造對環(huán)境的影響，盡可能的做到資源利用率最高的同時也要盡可能的減小對環(huán)境的負(fù)面影響。

二、基于綠色制造理念的機(jī)械制造工藝

基于綠色制造理念的機(jī)械制造工藝的基本內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：機(jī)械材料的選擇、機(jī)械產(chǎn)品的綠色設(shè)計的建模、機(jī)械產(chǎn)品的可回收性和可拆卸性、機(jī)械產(chǎn)品的成本設(shè)計?；诰G色制造理念的機(jī)械制造工藝根據(jù)其的比基本內(nèi)容，可以將綠色制造理念下的機(jī)械制造工藝技術(shù)可以分為以下幾點(diǎn)：

1、 節(jié)約能源的機(jī)械制造工藝

綠色制造理念為針對這些能量的損失，提供了以下幾項(xiàng)綠色的技術(shù)措施：

①工藝節(jié)能技術(shù)。工藝節(jié)能技術(shù)是指改變原來的耗能大的機(jī)械工藝中加工的技術(shù)，采用科學(xué)、先進(jìn)的工藝節(jié)能技術(shù)以及綠色新工裝。

②適當(dāng)?shù)睦眯履茉?。適當(dāng)?shù)睦眯履茉词侵缚稍偕馁Y源和污染的資源。

③管理節(jié)能技術(shù)。管理節(jié)能技術(shù)是指對能源的管理進(jìn)一步的加強(qiáng)，避免設(shè)備空車運(yùn)轉(zhuǎn)和能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

④低能耗的工藝技術(shù)。在機(jī)械制造的過程中將綠色設(shè)備和制造裝備都進(jìn)盡可能的向著低能耗的方向運(yùn)用。其實(shí)在我國已經(jīng)出現(xiàn)了這種低能耗的綠色設(shè)備，綠色設(shè)備在機(jī)床中的運(yùn)用可以提高機(jī)床的能效和優(yōu)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)。例如：強(qiáng)冷風(fēng)磨削機(jī)床和干式切削加工機(jī)床。

⑤技術(shù)節(jié)能。技術(shù)節(jié)能是指加強(qiáng)技術(shù)的改造，并且提高能源的利用率。

2、環(huán)保型的機(jī)械制造工藝技術(shù)

環(huán)保型的機(jī)械制造工藝是指通過一定的工藝技術(shù)使得一些對環(huán)境或者人類有影響和危害的物質(zhì)，例如：廢氣、噪聲、廢液等，將這些有害的物質(zhì)盡可能的減少或者完全消除，以此來提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)然，在工藝設(shè)計的時候就該全面的考慮環(huán)保因素，提前積極的做好預(yù)防污染的產(chǎn)生，這樣才能更加有效的實(shí)施環(huán)保型的機(jī)械制造工藝技術(shù)。那么，在全面考慮環(huán)保因素的時候，可以從以下幾個方面來考慮：①減少水的污染，②減少大氣的污染，③減少環(huán)境的污染。

3、節(jié)約資源型的機(jī)械制造工藝技術(shù)

節(jié)約資源型的機(jī)械制造工藝技術(shù)是指在生產(chǎn)過程中簡化工藝系統(tǒng)組成、節(jié)省原材料消耗的工藝技術(shù)。例如：通過提高刀具的壽命，選擇新型的刀具材料，以此來降低刀具的組成材料的消耗。再如：通過優(yōu)化毛坯的形狀，減少機(jī)械加工的余量，做到減低原材料的消耗。要實(shí)施節(jié)約資源型的機(jī)械制造工藝技術(shù)應(yīng)從兩方面來實(shí)施，這兩方面分別是：設(shè)計、工藝。從設(shè)計的方面來說，可以通過對零件數(shù)量的減少和零件重量的減輕，以此來采用優(yōu)化的設(shè)計技術(shù)，使得原材料的利用率提高。從工藝的方面來說，可以通過對毛坯的制造技術(shù)、下科技術(shù)的優(yōu)化，以及利用干式加工技術(shù)和、少無切削加工技術(shù)、綠色切削加工技術(shù)等新型的機(jī)械加工技術(shù)來減少材料的消耗度。

三、基于綠色制造理念的機(jī)械制造工藝技術(shù)的策略

隨著我國新技術(shù)和新工藝的發(fā)展，精密鑄造、冷按壓、直接沉積等成型技術(shù)和工程塑料在機(jī)械制造中的應(yīng)用日益成熟，從接近零件形狀向精密成形、仿形方向發(fā)展。那么，基于綠色制造理念的機(jī)械制造工藝技術(shù)的策略可以分為以下幾點(diǎn)：

①干切削技術(shù)。總所周知，材料切削是一種常規(guī)的機(jī)械制造工藝，一般都是在有切削液的條件下的濕切削。可是這種濕切削技術(shù)會有環(huán)境污染的問題，而且費(fèi)用還要高于刀具的費(fèi)用，這不符合綠色制造的理念，因此，倡議使用干切削技術(shù)來實(shí)施機(jī)械制造。

②冷輾擴(kuò)技術(shù)。隨著數(shù)控和比例技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，冷輾擴(kuò)技術(shù)由原先只能做到輾擴(kuò)和成型技術(shù)的，發(fā)展到了達(dá)到高精度要求的冷輾擴(kuò)技術(shù)。

③金屬粉末的未注射成型工藝。金屬粉末的未注射成型工藝是指將傳統(tǒng)的粉末冶金工藝和塑料成型的工藝相結(jié)合而成的新型工藝。

粉末冶金的概念范文第4篇

【關(guān)鍵詞】二氧化鈾芯塊；微觀結(jié)構(gòu)；芯塊質(zhì)量

0 前言

核電站運(yùn)行過程中，核燃料的裂變產(chǎn)物和吸收中子后形成的超鈾元素，具有強(qiáng)放射性，存在潛在的危險。因此，在壓水堆核電站的設(shè)計中采用了多道屏障的措施，以確保運(yùn)行人員和周圍居民的安全，并避免對環(huán)境的污染。

第一道屏障是核燃料本身：壓水堆的核燃料是UO2芯塊，其熔點(diǎn)超過2800℃，發(fā)生裂變后，絕大部分產(chǎn)物仍是固體，98%以上的放射性物質(zhì)仍保留在其中。第二道屏障是核燃料包殼：UO2芯塊密封在優(yōu)質(zhì)鋯合金包殼管內(nèi)組成核燃料單棒。確保將放射性物質(zhì)包容在燃料包殼中。第三道屏障是壓力邊界：即使有少數(shù)燃料棒破損，泄漏的放射性物質(zhì)仍停留在一回路壓力邊界內(nèi)，不會排入環(huán)境。第四道屏障是安全殼：確保反應(yīng)堆發(fā)生任何事故，一回路壓力邊界內(nèi)泄漏出來的放射性物質(zhì)能夠被包容在安全殼內(nèi)，不會逸出。由此可見，燃料芯塊和燃料包殼作為核電站核安全的第一、二道屏障對核電站的安全運(yùn)行起著十分重要的作用，然而燃料組件在堆芯運(yùn)行過程中往往會因各種原因造成燃料棒包殼的破損。

曾經(jīng)把壓水堆燃料元件破損分為七類，而其中的三類（氫化、PCI、包殼坍塌）直接與二氧化鈾燃料芯塊的質(zhì)量有關(guān)。為此英國核燃料有限公司（BNFL）提出了完美燃料芯塊的概念，來確保芯塊質(zhì)量：

1）開口孔率最少，以減少水和氣體的吸附，避免鋯合金包殼管的氫脆；

2）盡量不使燃料芯塊在堆內(nèi)密實(shí)，以避免包殼坍塌和出現(xiàn)局部中子通量峰；

3）有足夠的孔隙空間容納基體腫脹，減小包殼變形；

4）盡量減少裂變氣體釋放，防止包殼內(nèi)部超壓。

可以看出，所有這些條件都與UO2芯塊的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1 二氧化鈾芯塊的制造工藝

1.1 二氧化鈾粉末壓制成型

UO2粉末都要經(jīng)過壓制成型，才能制成滿足燃料元件要求的芯塊。壓制成型工藝的目的是將松散的粉末壓制成具有一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的坯塊，它的形狀和尺寸應(yīng)使其在燒結(jié)以后，與所要求的芯塊的最終形狀和尺寸接近，它的密度應(yīng)達(dá)到可以使坯塊容易燒結(jié)，坯塊強(qiáng)度也應(yīng)保證在隨后的運(yùn)送和操作中不致?lián)p壞。

圖1 示出了 UO2粉末在自動壓機(jī)上冷壓成型的步驟：裝模、壓制、脫模、推走坯塊和重新裝模。一定重量或一定體積的 UO2粉末裝入膜腔，壓機(jī)通過沖頭對粉末施加壓力，粉末在外力作用下嵌鑲、嚙合、形成一定尺寸、形狀、密度和強(qiáng)度的坯塊，再從膜中取出坯塊。

UO2粉末特性及壓制條件對坯塊質(zhì)量有很大影響，包括密度分布，回彈量和強(qiáng)度。粉末壓制過程中，因內(nèi)、外摩擦力的影響會引起壓制壓力沿徑向和軸向變化，造成坯塊密度在軸向及徑向分布不均勻，通常單向壓制的坯塊中，離施加壓力的沖頭越近的部位密度越高，遠(yuǎn)離的一端密度低；雙向壓制的坯塊中，兩端密度高，中間密度低。坯塊的密度不均勻會造成燒結(jié)后芯塊呈砂漏形或扭曲變形。為了提高坯塊密度均勻性，一般從三個方面入手：（1）采用預(yù)壓造粒來提高粉末的流動性，（2）粉末中添加劑、模具內(nèi)壁涂劑、提高模具的硬度和表面光潔度來降低內(nèi)外摩擦，（3）提高壓坯載荷。而最重要的途徑是提高粉末的流動性和降低粉末摩擦。

粉末顆粒在壓制過程中產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，在外力撤除后會一定程度的回彈量，坯塊沿著軸向和徑向膨脹?？稍诜勰┲刑砑诱辰觿┖蛣?，使坯塊強(qiáng)度增加，從而減小回彈量。前者隨壓制壓力增加，彈性后效增加。后者在壓制壓力作用下，易產(chǎn)生粉碎性斷裂，顆粒嚙合和鑲嵌，強(qiáng)度增大，隨著壓制壓力增加，彈性后效減小。

坯塊強(qiáng)度是坯塊重要性能之一，坯塊需經(jīng)質(zhì)量檢查、運(yùn)輸和燒結(jié)等操作過程，必須具備一定的強(qiáng)度。粉末在壓制過程中，粉末表面粗糙度愈高，壓制后顆粒相互嚙合就越緊，坯塊強(qiáng)度愈高。

1.2 燒結(jié)

壓制好的燃料坯塊需經(jīng)過燒結(jié)才能達(dá)到具有足夠高的密度、強(qiáng)度、合適的氣孔分布及晶粒度、小的吸濕性和正比化學(xué)計量，從而有良好的輻照穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高的熱導(dǎo)率。坯塊的燒結(jié)是在氫氣氛下進(jìn)行的，燒結(jié)工藝如圖 2 所示，主要分為三個階段。

第一階段：發(fā)生在 750℃以下，主要是活性UO2粉末表面吸附的可揮發(fā)物質(zhì)組分的清除和殘留應(yīng)力消除階段。在這個溫區(qū)內(nèi)，水和吸附氣體解析、揮發(fā)，過剩氧被還原成水蒸汽逸出，有機(jī)物經(jīng)碳化后與氫氣反應(yīng)生成甲烷逸出，雜質(zhì)氟也相繼生成 HF 排出，改善顆粒間的接觸，同時，坯塊壓制產(chǎn)生的殘留應(yīng)力逐漸松弛消除。

第二階段：溫度在 750～1300℃，UO2坯塊明顯收縮，小孔隙迅速消除，坯塊密度和強(qiáng)度隨溫度增加而增大。

第三階段：此階段溫度在 1300℃以上，直到 1700℃，燒結(jié)加快進(jìn)行，坯塊迅速收縮，顆粒接觸面增大成界面，孔隙球化，晶粒長大，密度和強(qiáng)度增至最大。 影響 UO2高溫?zé)Y(jié)的因素有：

1）粉末性質(zhì)：主要有顆粒尺寸、形狀、孔隙度、比表面積、粉末密度、O/U等，其中比表面積是粉末活性的綜合量度，在一定程度上反映出粉末的可燒結(jié)性。

2）壓制參數(shù)：主要有粉末粘性、劑添加物及坯塊密度，其中坯塊密度反映出坯塊中孔隙的大小和數(shù)目，孔隙收縮是燒結(jié)致密的重要結(jié)果。

3）燒結(jié)氣氛：水冷堆用 UO2芯塊中均在氫氣中高溫?zé)Y(jié)，這樣可有效去除超化學(xué)計量的過剩氧，使O/U接近2.00。

UO2燒結(jié)一般用連續(xù)式推舟高溫爐中進(jìn)行，燒結(jié)后的芯塊的面形狀、尺寸和表面質(zhì)量等還不能達(dá)到組裝燃料棒的要求，一般需要用無芯磨床進(jìn)行磨削加工后才能使用。

二氧化鈾芯塊的制造對其熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)以及堆內(nèi)行為和裂變產(chǎn)物行為等有較大的影響，主要影響因素有：

1）燒結(jié)密度，以理論密度的百分?jǐn)?shù)（%T?D）來表示；

2）孔隙率，包括開口孔率和閉口孔率；

3）孔隙結(jié)構(gòu)；

4）晶粒結(jié)構(gòu)。

2 二氧化鈾芯塊的微觀結(jié)構(gòu)對芯塊質(zhì)量影響的分析

二氧化鈾核燃料芯塊是由粉末經(jīng)壓坯、燒結(jié)而成，為多孔體，芯塊密度和孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)等表征芯塊微觀結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)與其存在狀態(tài)和制備條件密切相關(guān)。

2.1 芯塊密度或孔隙率

二氧化鈾芯塊密度是其作為核燃料的重要技術(shù)指標(biāo)。一般來說，反應(yīng)堆的堆型不同，設(shè)計的燃料燃耗深度不一，對芯塊密度的要求也不一樣。從多一些裂變材料以提供更多的反應(yīng)能考慮，希望密度高一些。但如果芯塊密度越高，芯塊孔隙率越低，則芯塊產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物無處容納，從而使燃料基體腫脹，產(chǎn)生芯塊和包殼之間相互作用的不利影響。一般芯塊密度為95%T.D.左右。確定了芯塊密度即可確定孔隙率，如芯塊密度為95%T.D.，則孔隙率（孔隙率包括閉口孔率和開口孔率）為5%。

在燃料芯塊制造過程中，主要通過二氧化鈾粉末冶金過程、提高預(yù)壓密度、燒結(jié)以及添加調(diào)節(jié)劑（如八氧化三鈾）或有機(jī)造孔劑等手段調(diào)節(jié)芯塊密度。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙結(jié)構(gòu)包括孔隙形狀、孔隙尺寸與分布。它是影響芯塊堆內(nèi)熱穩(wěn)定性的最重要的芯塊特性。

在二氧化鈾芯塊燒結(jié)過程中會形成一些氣孔，氣孔中存在著H2、H2O、CO、CH4等燒結(jié)氣氛的氣體，在燒結(jié)溫度下氣體壓力與氣孔表面張力平衡。二氧化鈾在燒結(jié)過程中將發(fā)生體積收縮、孔隙球化和晶粒長大三種基本變化，且這三種變化相伴而行。實(shí)際上，在絕大多數(shù)情況下，燒結(jié)孔隙率的變化是依靠開口孔或連通孔的變化進(jìn)行的，在燒結(jié)過程中，這些孔隙的一部分被完全填滿，另一部分孔隙則被轉(zhuǎn)化成獨(dú)立的或閉塞的孔隙。開口孔的燒結(jié)速率取決于空位遷移的驅(qū)動力、擴(kuò)散的途徑和擴(kuò)散的距離。一般來說在任何燒結(jié)塊中，當(dāng)總孔隙率達(dá)到9%時，孔隙將會閉合。而大約在相對密度達(dá)到85%T.D.之前，坯塊仍保持全部為開口孔；從這個密度之后繼續(xù)燒結(jié)，孔隙開始閉合，而且隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行，孔隙閉合急劇發(fā)生，大約在坯塊相對密度為95%時，孔隙幾乎完全閉合。

在堆內(nèi)運(yùn)行時由于芯塊存在陡的溫度梯度、很大的熱應(yīng)力以及裂變碎片產(chǎn)生的級聯(lián)碰撞（包括離位峰、熱峰、Frenkel空位―間隙原子對等），使氣孔發(fā)生收縮，以保持氣泡的熱力學(xué)平衡。

當(dāng)裂變碎片和放射性射線穿過氣孔時，氣體電離。重離子產(chǎn)生的離子對是密集的，且氣體壓力很高，這種離子對很容易復(fù)合，但離子也有到達(dá)氣孔表面的概率。當(dāng)H、O離子到達(dá)氣孔表面時，很容易與二氧化鈾中的氧、鈾院子復(fù)合而擴(kuò)散到芯塊中去，造成氣孔內(nèi)氣體減少，發(fā)生進(jìn)一步收縮，直至最后湮滅。氣孔越大離子達(dá)到氣孔表面概率越小，同時裂變氣體進(jìn)入大氣孔的概率增加，因而存在臨界半徑，小于臨界半徑的氣孔是不穩(wěn)定的，會發(fā)生湮滅。而大于臨界半徑的氣孔，先是收縮，隨后在裂變氣體進(jìn)入量的增加而長大，即UO2芯塊在堆內(nèi)輻照的運(yùn)行初期，芯塊中微小的孔隙重新分布和消失，造成輻照密實(shí)化，出現(xiàn)芯塊體積縮小的現(xiàn)象。隨著燃耗加深，芯塊內(nèi)裂變氣體積累增多，引起芯塊基體腫脹。這些輻照引起的尺寸不穩(wěn)定性，影響到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全性。

為避免芯塊的輻照密實(shí)，在芯塊制備過程中加入制孔劑（如八氧化三鈾等），是芯塊的氣孔尺寸都大于1.5μm，就不會發(fā)生氣孔的湮滅。雖然開始由于氣孔的不平衡收縮，芯塊有輻照密實(shí)現(xiàn)象，但氣孔尺寸大不會發(fā)生氣孔的湮滅，在經(jīng)過短暫的收縮后很快就穩(wěn)定下來，隨著裂變氣體擴(kuò)散進(jìn)氣孔，又逐漸長大，并超過原來的尺寸，則導(dǎo)致芯塊向輻照腫脹過程發(fā)展。

盡管行業(yè)內(nèi)存在利用芯塊在堆內(nèi)腫脹和密實(shí)相互補(bǔ)償?shù)脑O(shè)想，但由于輻照初期、中期和末期腫脹和密實(shí)的情況往往是不一樣的，故只能做最優(yōu)化選擇，最佳的芯塊密度通常為95%T.D.左右，孔隙呈單峰型分布，平均孔徑2～3μm（注：與標(biāo)準(zhǔn)燃料相比，高燃耗芯塊的孔隙分布范圍更加狹小，且峰值要高）。

2.3 晶粒結(jié)構(gòu)

芯塊的晶粒尺寸和分布是燃料棒設(shè)計的一項(xiàng)重要內(nèi)容。輻照結(jié)果表明，大晶粒的二氧化鈾芯塊更抗密實(shí)化。且晶粒尺寸更重要的意義還在于它對裂變氣體釋放的影響：大晶粒芯塊增加了輻照下裂變氣體由晶粒內(nèi)部到晶粒邊界擴(kuò)散的平均路程，延緩了它在晶體邊界的析出，同時，隨著晶粒的增大，單位晶界面積減少，從而降低了輻照下裂變氣體的釋放量，此外，適當(dāng)增加芯塊晶粒尺寸還可以提高芯塊在輻照下的抗蠕變能力。這些都有力的支持了減輕芯塊與包殼的相互作用（PCI）。

壓水堆核電廠為了獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，正在向延長循環(huán)長度和加深燃耗的方向發(fā)展。AP1000的電廠采用18個月或24個月的換料循環(huán)模式，平均卸料燃耗逼近60GW?d/tU。這種情況下大晶粒的二氧化鈾芯塊更表現(xiàn)出了極大地優(yōu)點(diǎn)。

目前，公認(rèn)的大晶粒芯塊的制造方法主要有三種：制造高燒結(jié)活性的二氧化鈾粉末、采用高溫和長時間燒結(jié)工藝、在基體二氧化鈾粉末中添加晶粒長大劑。

3 結(jié)論

芯塊密度或孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)在內(nèi)的這些表征芯塊微觀特征的結(jié)構(gòu)形式，在很大程度上決定了芯塊的堆內(nèi)行為。因此，在制造過程中有效地控制這些結(jié)構(gòu)特征，就可以滿足反應(yīng)堆對芯塊的要求。同時，作為核電廠派駐燃料組件制造廠的制造質(zhì)量監(jiān)督人員應(yīng)了解芯塊微觀結(jié)構(gòu)對芯塊質(zhì)量的影響，加強(qiáng)對影響芯塊密度或孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)的工藝的控制，確保在反應(yīng)堆運(yùn)行工況下有更高的可靠性，實(shí)現(xiàn)最低的燃料破損率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳寶山，劉承新.輕水堆燃料元件[M].

[2]郁金南.材料輻照效應(yīng)[M].

粉末冶金的概念范文第5篇

關(guān)鍵詞:模具;綠色設(shè)計;綠色制造

人類文明進(jìn)入近現(xiàn)代社會以來，工業(yè)產(chǎn)品使用后的廢棄物污染所導(dǎo)致的全球性環(huán)境逞加速狀態(tài)惡化，目前達(dá)到了前所未有的程度，在此背景下，“綠色”的設(shè)計制造應(yīng)運(yùn)而生。

綠色模具的設(shè)計制造特點(diǎn):(1)產(chǎn)品設(shè)計的閉環(huán)設(shè)計過程。綠色設(shè)計的產(chǎn)品全生命周期除具有傳統(tǒng)產(chǎn)品生命周期各階段外，還包括產(chǎn)品廢棄后的拆卸回收、處理及處置，是一個閉環(huán)過程。(2)節(jié)約資源和能源。綠色產(chǎn)品設(shè)計從整體上優(yōu)化了產(chǎn)品性能，使組成產(chǎn)品的零部件和材料得到充分有效地利用。(3)綠色產(chǎn)品設(shè)計可以預(yù)先設(shè)法防止產(chǎn)品及工藝對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)作用。

1、綠色模具設(shè)計

1.1 綠色模具的設(shè)計手段

CAD/CAPP/CAM/CAE是模具設(shè)計進(jìn)入綠色設(shè)計的基本手段措施，也是模具虛擬設(shè)計制造的重要步驟。采用CAD/CAPP/CAM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和管理，節(jié)約了資源，可縮短模具設(shè)計與制造周期。大量通用專用的CAE技術(shù)已被廣泛使用可對模具產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、制造可行性分析及工藝分析，可以模擬材料的流動情況及分析其強(qiáng)度、剛度、溫度、抗沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M等，極大提高了模具設(shè)計的成功率及模具質(zhì)量，減少修模次數(shù)時間、甚至完全杜絕廢品模具[1]。

1.2綠色模具的設(shè)計問題

1)模具材料的選擇

模具材料的綠色程度對最終產(chǎn)品的綠色性能有著極為重要的影響。綠色設(shè)計的材料選擇必須建立在綠色材料的基礎(chǔ)上。綠色材料應(yīng)具備的基本性能有:①低污染、低耗能、低成本:②易加工和加工過程中無污染或少污染:③可降解，可重復(fù)使用。

2)模具設(shè)計規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

模具標(biāo)準(zhǔn)化是組織模具專業(yè)化生產(chǎn)的前提。而模具的專業(yè)化生產(chǎn)是提高模具質(zhì)量、縮短模具制造周期、降低成本的關(guān)鍵。

(1)采用和購買標(biāo)準(zhǔn)模架及其它標(biāo)準(zhǔn)件。模架及標(biāo)準(zhǔn)件由專門的廠家、企業(yè)通過社會化分工進(jìn)行生產(chǎn)，使有限的資源得到優(yōu)化配置。模具通常在報廢之后只是凸凹模不能再用，但是模架還基本完好無損，因此使用標(biāo)準(zhǔn)模架有助于模架的再利用。沖壓模和注塑模的模架都有很多種類，而這些模架也基本是由標(biāo)準(zhǔn)的上下模座、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等部件組成。同時，.模架的標(biāo)準(zhǔn)化可以使生產(chǎn)模架所使用的設(shè)備大大減少，更好地提高材料利用率，使用模具綠色材料，從而節(jié)約資源，也利于管理。

(2)模具各結(jié)構(gòu)單元規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、組合化、模塊化設(shè)計是進(jìn)行模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種有效方法，也是綠色產(chǎn)品設(shè)計中確定其結(jié)構(gòu)方案的常見手段之一。組合化、模塊化設(shè)計就是在一定范圍內(nèi)，在對不同功能、或相同功能下的不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求;如模具的抽芯滑塊、脫模定位機(jī)構(gòu)等都可以按這些方法設(shè)計、組合、再利用。

2、綠色模具的制造

2.1模具現(xiàn)代制造中的綠色要素

模具是典型的單件小批生產(chǎn)方式，精度高，生產(chǎn)周期長，保證質(zhì)量、降低開發(fā)周期的成本是模具企業(yè)生存發(fā)展的必然要求，因此模具制造業(yè)一直以來在制造的組織方式、制造的現(xiàn)代工藝、制造的現(xiàn)代自動化手段方面跟進(jìn)最快速的一個行業(yè)。革新組織方式、采用模具制造的先進(jìn)技術(shù)，在制造過程中選用生產(chǎn)浪費(fèi)最小、能量消耗最低、污染排放最小的制造工藝，是實(shí)現(xiàn)綠色模具制造的重要一環(huán)。

(1)采用先進(jìn)的綠色模具制造生產(chǎn)模式

由于模具的單件生產(chǎn)方式，我國模具企業(yè)的生產(chǎn)組織模式較為落后，其改革的速度落后于技術(shù)手段的跟進(jìn)速度，管理性質(zhì)的家族化、作業(yè)方式的小規(guī)?；?、生產(chǎn)方式的大而全等都阻礙了模具行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展壯大。只有在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上的社會化分工，充分依靠計算機(jī)技術(shù)改進(jìn)管理提高行業(yè)的整體資源的使用效能，不斷學(xué)習(xí)創(chuàng)新，是模具企業(yè)發(fā)展所需，更是綠色模具制造所需。

(2)采用先進(jìn)的綠色模具制造技術(shù)

1)柔性制造技術(shù)

由于模具單件生產(chǎn)方式，且加工表面復(fù)雜、尺寸幾何精度高等特點(diǎn)決定了模具行業(yè)十分適合柔性制造技術(shù)。柔性制造技術(shù)是由計算機(jī)控制系統(tǒng)及若干數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)貯裝置組成，并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化通過簡單地改變軟件的方法，而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動化制造系統(tǒng)。

2)高速切削技術(shù)

模具型腔精加工是淬火工序后的機(jī)加工的最后一道工序，一直以來基本上通過特種電加工的電火花成形加工來解決，但其加工效率低。而近年來發(fā)展的高速銑削，由于是加工微量切削，切削力小，加工變形可以略，因此可銑淬火后精加工工序，且加工精度高、表面粗糙度值又很小。

(3)采用先進(jìn)的綠色模具制造工藝

1)精確高效金屬塑性成形工藝技術(shù)

用非去除材料的加工手段也稱金屬的無屑加工，大大減少了模具材料的消耗，是制造綠色模具的最佳工藝。但傳統(tǒng)的拉、軋、擠、鍛、沖等工藝方法無法滿足現(xiàn)代模具制造要求。

從20世紀(jì)60年代起，世界各國在投入大量的人力物力基礎(chǔ)上，已經(jīng)在金屬等溫超塑成形、輥鍛、楔橫軋、粉末冶金鍛造等工藝技術(shù)上取得了很大的突破，為高精度無屑、少屑的綠色模具制造奠定了基礎(chǔ)。

2)逆向工程技術(shù)

逆向工程是一種在已有實(shí)物或其它參照的情況下，通過各種處理快速獲得樣型的全數(shù)字模型的方法，十分有利于設(shè)計中的模仿創(chuàng)新或者加速設(shè)計制造。在模具設(shè)計制造中有時稱為模具的反求工程技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛。在模具設(shè)計制造中，通過逆向工程在獲得產(chǎn)品的全數(shù)字模型后，再在CAM等的支持下自動生成模具的加工程序。自動生成模具的加工程序適用模具的快速成形機(jī)床，快速加工模型以利于評估設(shè)計，或者制造快速模具進(jìn)行中小批量的生產(chǎn)，也適用于各種數(shù)控加工機(jī)床，加工大批量生產(chǎn)的一般模具。

3)快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)一般與逆向工程技術(shù)相結(jié)合，能根據(jù)全數(shù)字模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)的總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果。與傳統(tǒng)制造相比較，不使用材料剝離而是材料的堆積成型的方法極大地提高了材料的使用效率，廢料基本為零;且材料堆積是在無力狀態(tài)下進(jìn)行的，因此，無論模具的結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，都可以用快速成型技術(shù)制造出來[2]。

2.2模具傳統(tǒng)工藝中的綠色改進(jìn)

(1)加工參數(shù)的選擇。盡量選擇較小的加工余量，節(jié)約材料，提高工效;選擇最佳切削參數(shù)，充分利用機(jī)床、刀具的潛能，使加工質(zhì)量和制造成本處于最好狀態(tài)。

(2)減小冷卻液的使用，少用帶油切削液，多用水基切削液;應(yīng)用汽冷、低溫汽冷代替冷卻液。

(3)提高刀具、夾具、其它工具的使用壽命。

3、結(jié)束語

綠色概念與綠色技術(shù)將成為本世紀(jì)工業(yè)的主要發(fā)展方向。綠色模具的實(shí)現(xiàn)，將大大加快模具行業(yè)的迅速發(fā)展，也是模具發(fā)展的必然趨勢。從而真正實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計與制造的高質(zhì)量、低成本、高效率、低污染的目標(biāo)。綠色技術(shù)將對人類未來的生存環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考資料: