现代材料制备技术复习题资料Word文件下载.docx
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（５）对晶体进行退火处理，以提高晶体均匀性和消除可能存在的内部应力（晶体退火的目的也在于此）。
⏹5.单晶材料制备中高温溶液法基本原理。
水中难溶，而且又不适合用熔体法生长晶体的物质，一般采用高温（＞３００℃）溶液法生长其晶体。
该类方法十分类似于常温溶液法，主要区别是高温溶液生长温度高，体系中的相关系更复杂。
（1）高温溶液法是结晶物质在高温条件下溶于适当的助熔剂中形成溶液，在其过饱和的情况下生长为单晶的方法。
因此，其基本原理与常温溶液法相同。
但助熔剂的选择和溶液相关系的确定是高温溶液法晶体生长的先决条件。
（2）高温溶液法中没有一种助熔剂像常温溶液中的水似的，能够溶解多种物质并适合其晶体生长。
因此，助熔剂的选择就显得十分重要。
⏹6.单晶材料制备中区域熔化法的原理。
区域熔化技术是半导体提纯的主要技术。
也可以作为一种单晶生长技术，因为在用它进行提纯时的确常常得到单晶。
要制备单晶，可将单晶体籽晶放在料舟的左边。
籽晶须部分熔化，以便提供一个清洁的生长表面。
然后熔区向右移动，倘若材料很容易结晶也可以不要籽晶。
热源可以是熔体、料舟或受感器耦合的射频加热。
其他热源包括电阻元件的辐射加热、电子轰击以及强灯光或日光的聚焦辐射。
在水平区熔中容器必须和熔体相适应。
即使熔体和料舟不起反应也可能与之足够浸润，这样，生长出的晶体会吸附在料舟上，由于冷却时收缩的不同，这可能引起应变，并且常使晶体很难从料舟中取出。
有时用可以变形的或软的料舟来克服这些困难。
如果使料舟的左端收尖，不需要籽晶的单晶成核往往是可能发生的。
⏹7.何谓复合铸造？
复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。
通常是一种合金具有较高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐蚀、耐热等特殊使用性能。
⏹8.列举几个复合铸造新工艺（原理、特点）
包覆层连续铸造法（CPC）：
轧辊辊芯材料1垂直地放于水冷紫铜的结晶器8中，为了减小刚进入结晶器金属的冷却强度，防止出现裂纹，在结晶器的上部设置和结晶器同轴心的石墨隔离环7。
将金属液4浇注到配置在结晶器和隔离环上方的耐火材料浇口杯6和辊芯材料之间，使外层金属液和辊芯熔合，并顺序向上凝固，将凝固部分连续向下拉拔，实现连续铸造复合辊外层9。
特点：
工艺简单，复合性能好，生产成本低。
反向凝固连铸复合法母带6从下向上以一定速度穿过熔池5，熔池内装有一定量和温度的包覆层金属液4，包覆层金属液附在母带表面凝固，凝固的厚度逐步增加，直至完全通过包覆层金属液；
然后通过一对轧辊2对母带及附在母带表面凝固层3进行轧制，达到平整表面、控制复合带材厚度的目的，最终获得所需的复合带材产品。
充芯连铸法外层金属由控温坩埚7加热和保温，并注入由结晶器9和芯部金属液导流管4构成的铸型中，凝固成外层金属管；
芯部金属由控温坩埚2加热和保温，通过芯部金属液导流管4浇注到外层金属管中与其熔合并凝固。
是一种用于制备高熔点金属包覆低熔点金属的复合材料的新工艺，是在连铸外层金属管壳中充填芯部金属液体并使之凝固，以实现两种金属的复合。
双结晶器连铸法：
双结晶器连铸双金属复合材料的原理如图所示，其工艺的思路是：
沿拉坯方向设置两个同轴的结晶器4和10，芯部金属在上结晶器4中凝固，进入到下保温坩埚7中的外层包覆金属液中，在下结晶器10中外层金属凝固并与芯部金属形成冶金结合，实现连铸包覆。
复合线材铸拉法是传统的热浸镀、连续铸造和拉伸变形三项工艺的结合。
它主要包括钢丝表面处理、钢丝预热、铸拉和后处理四个工艺环节。
将预先处理好的钢丝1由上向下穿过保温炉2、结晶器4和拉拔模6，然后浇注铝液3，拉拔钢丝带动复合导线经过拉拔模6，获得表面光滑的复合导线。
⏹9.复合铸造原理和方法。
镶铸工艺：
将一种或两种金属预制成一定形状的镶块，镶铸到另一种金属液体内，得到兼有两种或多种特性的双（多）金属铸件。
目前生产的铸件有：
高压阀门、高压柱塞泵等耐磨耐蚀耐热关键性金属零部件、硬质合金导卫板等。
重力复合铸造：
将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，采用特定的浇注方式或浇注系统，在重力条件下先后浇入同一铸型内，获得复合铸件的工艺。
重力复合铸造生产的铸件有：
挖掘机斗齿、双金属锤头保险柜材料等。
离心复合铸造：
离心复合铸造是将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，先后浇人离心机旋转的模筒内，获得复合铸件的工艺。
离心复合铸造生产的铸件有：
轧辊辊环，陶瓷内衬复合铸铁等。
⏹10.实现连续挤压的条件。
（1）不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对坯料施加足够的力以实现挤压变形；
（2）挤压筒应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料。
⏹11.Conform连续挤压特点。
优点：
（1）由于挤压型腔与坯料之间的摩擦大部分得到有效利用，挤压变形的能耗大大降低。
常规正挤压法中，用于克服挤压筒壁上的摩擦所消耗的能量可达整个挤压变形能耗的30％以上，有的甚至可达50％。
据计算，在其它条件基本相同的条件下，Conform连续挤压可比常规正挤压的能耗降低30％以上。
（2）可以省略常规热挤压中坯料的加热工序，节省加热设备投资，通过有效利用摩擦发热而节省能耗。
Conform连续挤压时，作用于坯料表面上的摩擦所产生的摩擦热，连同塑性变形热，可以使挤压坯料上升到400-500℃（铝及铝合金）甚至更高（铜及铜合金），以至于坯料不需加热或采用较低温度预热即可实现热挤压，从而大大节省挤压生产的热电费用。
（3）可以实现真正意义上的无间断连续生产，获得长度达到数千米乃至数万米的成卷制品，如小尺寸薄壁铝合金盘管、铝包钢导线等。
显著减少间隙性非生产时间，提高劳动生产率；
对于细小断面尺寸制品，可以大大简化生产工艺、缩短生产周期；
大幅度地减少挤压压余、切头尾等几何废料，可将挤压制品的成品率提高到90％以上，甚至可高达95％-98.5％；
大大提高制品沿长度方向组织、性能的均匀性。
（4）具有较为广泛的适用范围。
从材料种类来看，Coform连续挤压法已成功地应用于铝及软铝合金、铜及部分铜合金的挤压生产；
坯料的形状可以是杆状、颗粒状，也可以是熔融状态；
制品种类包括管材、线材、型材，以及以铝包钢线为典型代表的包覆材料。
（5）设备紧凑，占地面积小，设备造价及基建费用较低。
缺点：
（1）对坯料预处理（除氧化皮、清洗、干燥等）的要求高。
生产实际表明，线杆进入挤压轮前的表面清洁程度，直接影响挤压制品的质量，严重时甚至会产生夹杂、气孔、针眼、裂纹、沿焊缝破裂等缺陷。
（2）尽管采用扩展模挤压等方法，Conform连续挤压法也可生产断面尺寸较大、形状较为复杂的实心或空心型材，但不如生产小断面型材时的优势大。
这主要是由于坯料尺寸与挤压速度的限制，生产大断面型材时Conform连续挤压单台设备产量远低于常规正挤压法
（3）虽然如前所述Conform连续挤压制品沿长度方向的组织、性能均匀性大大提高，但由于坯料的预处理效果、难以获得大挤压比等原因，采用该法生产的空心制品在焊缝质量、耐高压性能等方面不如常规正挤压-拉拔法生产的制品好。
这一缺点限制了连续挤压生产对于某些本应具有很大优势的产品的应用。
（4）挤压轮凹槽表面、槽封块、堵头等始终处于高温高摩擦状态，因而对工模具材料的耐磨耐热性能要求高。
（5）由于设备结构与挤压工作原理上的特点，工模具更换比常规挤压困难。
（6）对设备液压系统、控制系统的要求高
由上所述可知，Conform连续挤压法具有许多常规挤压法所不具有的优点，尤其适合于热挤压温度较低（如软铝合金）、小断面尺寸制品的连续成形。
⏹12.连续铸轧及其基本条件？
（1）直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧。
（2）条件：
A浇汁系统预热温度
铸轧浇注系统包括控制金属液面高度的前箱、横浇道、供料嘴底座和供料嘴四部分.作为液体金属流过的通道，必须具备良好的保温性能，使液体金属不过多地散热,保持铸轧的正常进行
整个浇注系统内，不应有潮气、油膜、氧化渣以及其他杂物存在。
经整体装配并调试好后，入炉进行预热。
预热温度为300℃左右，保温4h以上。
浇注系统如果预热不好，液体金属失热过多，不能进行正常铸轧，即使勉强开了头，也会因供料嘴内由凝块而中断铸轧。
因此浇注系统预热温度是铸轧的基本工艺参数。
B金属的液面高度
整个浇注系统是一个连通器。
前箱内液面水平高度就决定着供料嘴出口处液体金属压力的大小。
若液面低，供应金属的压力过小，则铸轧板面易于产生孔洞；
若液面过高，金属静压力过大，或在铸轧扳面上出现被冲破的氧化皮，影响板面质量；
或使液体金属进入辊隙，造成铸轧中断。
C热平衡条件
进入整个铸轧系统的热量要等于从铸轧系统中导出的热量。
如果失去这个热平衡，连续铸轧将无法进行，或者液体金属冷凝在浇注系统中。
要保持热平衡，必须选择合适的铸轧温度，铸轧速度和冷却速度。
⏹13.连续铸轧常见的缺陷与防止？
（1）条痕：
在铸轧版面的固定位置出现未被轧辊轧上的条痕，有时呈不连续状态。
这是由于在该位置的供料嘴被氧化膜堵塞，使该处不能流出金属，只能靠近堵塞处两侧供给给液体金属，不等到这部分的液体金属补充到版面缺少金属的地方，就被轧辊扎上，未被充填金属版面即出现发亮的条痕。
供料嘴被严重堵塞的时候，由于供液体金属不足，会出现一条较宽的未被轧着的铸态条带
解决措施：
a使供料嘴内部结构合理，尽量减少氧化膜被挂住的可能
B整个浇注系统内，包括前箱、横浇道、供料嘴都要干净，要经300度4h以上预热处理
C液体金属铸轧前，应经过过滤和除气处理
D在立板前，不能有局部硬块存在，如有硬块就意味着有氧化膜堵塞之处
E提高铸轧速度，适当提高页面高度，技术处理堵塞之处，但是彻底消除氧化膜的堵塞是很困难的
（2）孔洞：
在板面出现断续的穿透未穿透的表面光亮孔洞，主要是因为金属液流供应不足，通常是前箱液面过低，或铸轧速度过高所致，一般在立板后一段时间，由于铸轧速度过高，此种孔洞常常出现
a前箱的液面高度要稳定控制在-5~-10mm为宜，液面过低或过高均对板面之恋没有好处
B采取降低铸轧速度也可消除，但如铸轧速度降低到一定程度（如轧制电流过大）后仍在板面留有孔洞，则是由于供料嘴中有氧化膜堵塞，需要采取其他措施进行处理
（3）横波：
在板面出现横向的微波纹，严重的可用手摸出，甚至有轻微的层状出现
解决措施：
a提高铸轧速度，使铸轧区温度高一点，特别是提高铸轧辊和供料嘴接触处的温度，使液穴外围的氧化膜拉断，缩短和铸轧辊接触时间，相对提高该处温度
B前箱金属液面太高，液体金属静压力过大，液穴向辊间隙伸展，造成金属未被轧制时降温很多，流动性不好，故出现横波或轻微的层状，降低金属液面高度会立刻奏效
C提高金属铸轧温度，提高金属的流动性也是有效措施。
（4）白条：
由于供料嘴和连铸辊间隙调整过小，当液体金属通过供料嘴时，供料嘴受热膨胀而和住轧辊接触，受一定的轧制力。
供料嘴局部破坏，使该处液体金属接触铸轧辊早，冷却强度大，因而在板面上出现白条。
另外，供料嘴即使没坏，有的部位贴在住轧辊上，使供料嘴的材料粉末与铸轧板面摩擦也会出现很多粉尘的细小白条
a改进供料嘴材质使其致密且受热膨胀小，有一定的弹性和刚性
B根据供料嘴的性能，经过试验找到供料嘴和铸轧辊间隙的数据。
一般使用硅藻土、石棉泥、粘土和其他粘结剂烧结而成的供料嘴，铸轧间隙在0.5mm左右。
（5）黑条：
由于前箱液面控制不稳定或过高，使包裹液面金属的氧化膜破坏而附在板面上呈现出断续的块状黑皮
a采用机械或光电装置控制前箱液面的稳定性，保证液面高度在-5~-10mm范围内
B静置炉流口也应采取控制措施，以防波及前箱金属液面高度
（6）边布不齐：
当铸轧温度过高，铸轧速度过大，液面过高或过低时，均能使铸轧板坯边不呈圆弧形而呈扁平的刮痕
主要调整铸轧速度和液面高度，使液穴位置控制稍向上一些，以便能从侧面观察到液穴向上窜，即可得到铸轧板侧面呈鱼鳞状圆弧，当然供料嘴两侧的“耳子开得斜度也要合适。
⏹14.名称：
喷丸强化、离子注入、离子束溅射、离子镀、等离子渗氮。
喷丸强化：
是弹丸流不断冲击金属材料表层并使表层材料发生循环塑性变形,从而形成变形强化层的过程
离子注入：
把气体或金属元素蒸气，通人电离室电离形成正离子，经高压电场加速，使离子获得很高速度后打人固体中的物理过程.
离子束溅射：
离子枪产生一定束强度、一定能量的离子流，以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面形成薄膜。
离子镀：
将镀层材料气化并电离成离子，通过扩散和电场作用，沉积于制件表面，形成与基体牢固结合的满足所需性能的镀覆层。
等离子渗氮：
利用低真空稀薄气体辉光放电产生的离子束轰击金属或合金表面，使工件加热到所需温度，在金属表面渗入氮元素并向其内部扩散，改变表层的化学成分与组织结构，达到强化目的。
复合铸造:
是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。
自蔓延高温合成：
是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法
物理气相沉积：
表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
⏹15.化学气相沉积原理及其应用。
（1）原理：
气相元素或化合物被输运到基体（衬底）表面附近，在一定条件下使它们发生化学反应，并在基体表面发生固相反应成膜；
化学反应大致可分为分解反应（热分解）、还原反应、氧化反应、水解反应、聚合反应和输运反应等；
使化学反应激活的方法包括加热、高频电压、激光、X射线、等离子体、电子碰撞和催化等。
（2）应用：
耐磨镀层：
以氮化物、氧化物、碳化物和硼化物为主，主要应用于金属切削刀具。
在切削应刷中，镀层性能上主要包括硬度、化学稳定性、耐磨性、低摩擦系数、高导热与热稳定性和与基体酬结合强度。
这类镀层主要有TiN、TiC、TaC、HfN、Al2O3、TiB2等，都已得到应用；
摩擦学镀层：
降低接触的滑动面或转动面之间的摩擦系数，减少粘着、摩擦或其他原因造成的磨损。
这类镀层主要是难熔化合物。
在镀层性能上主要是硬度、弹性模量、断裂韧性、与基体的结合强度、晶粒尺寸等。
高温应用镀层：
镀层的热稳定性。
高分解温度的难熔化合物，比较适合予高温环境应用。
涉及到反应性气氛，就须考虑它的氧化和化学稳定性，可选用难熔化合物和氧化物的混合物。
此外有相容的热膨胀特性和强度，如环境有经常性的热震，选择难熔金属硅化物和过渡金属铝化物。
这类应用包括火箭喷嘴、加力燃烧室部件、返回大气层的锥体、高温燃气轮机热交换部件和陶瓷汽车发动机缸套、活塞等。
开发新材料：
陶瓷材料中增韧的化合物晶须可用CVD来生产，已有的Si3N4、TiC、Al2O3、TiN、Cr3C2、SiC、ZrC、ZrO2等。
⏹16.物理气相沉积原理及其应用。
利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。
1）需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；
2）源物质经过物理过程而进入气相；
3）需要相对较低的气体压力环境；
4）在气相中及在衬底表面并不发生化学反应。
电子束物理气相沉积被广泛应用于航空、航天、船舶和冶金等工业领域。
而离子镀广泛用于机械、电子、航空、航天、轻工、光学和建筑等部门，用以制备耐磨、耐蚀、耐热、超硬、导电、磁性和光电转换等镀层。
⏹17.列举激光表面处理工艺。
（1）激光淬火：
高能激光束表面快速加热，通过固态自激冷却淬火（固态相变重结晶），改变表面组织结构而产生强化效果。
（2）激光熔凝：
利用比激光淬火更高的激光能量，通过表面熔化及熔化薄层快速凝固（重熔再结晶），改变表面组织结构而产生强化效果。
（3）激光上釉：
处理工艺参数与熔凝有差别，激光能量密度很高，快速扫描时，表面熔化薄层（1～10微米）与基体形成陡峭的温度梯度，急冷（通常冷却速度超过熔层金属的临界冷却速度）使表面熔层形成非晶态组织。
（4）激光合金化：
材料的表面加入其他合金成分（预置涂层或吹送粉末），高能激光辐照下，添加的成分和基体同时快速熔化，凝固改变表层化学成分及组织结构，形成新合金层（液态合金化），具有工件变形小，能使难以接近的和局部区域进行合金化等特点，合金层晶粒细小、成分均匀，对于不规则零件亦可得到深度均匀合金层。
（5）激光熔覆：
材料表面加上熔覆材料（预置涂层或吹送粉末）进行激光辐照，其熔覆过程和工作原理与激光合金化类似，不同的是，熔覆激光功率比合金化低，且基体仅微熔，对熔覆成分稀释很少（通常低于10％）熔覆层与基体呈冶金结合且能保持熔覆材料原来的成分与性能，其特点是：
可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，能控制稀释，可局部熔覆，微观结构细致，热影响区小，熔覆层均匀。
（6）激光冲击硬化：
采用高峰值功率密度的激光束辐照工件，表面薄层迅速气化，在表面原则逸出期间，发生动量脉冲，产生强机械冲击波或应力波，冲击金属表面，使其产生塑性变形，表层显微组织中位错密度增加。
（7）激光增强电沉积：
将激光与电镀结合起来．采用高能激光束辐照阴极液一固物质分界面，造成局部温升与微区搅拌，从而诱发或增强其化学反应，引起液体物质的分解并在固体表面沉积出反应生成物。
（8）激光诱导自催化沉积：
金属、半导体或高聚物基体浸于自催化沉积水溶液中，采用脉冲激光照射，诱发或增强自催化反应，提高沉积速率与结合力。
（9）激光物理气相沉积：
用激光束直接照射位于真空室的靶材，使靶材蒸发，蒸汽在基体上冷凝沉积成膜层，其特点是清洁度高，沉积层与靶材成分完全相同。
（10）激光化学气相沉积：
用一定波长的激光束辐照待沉积的基体。
基体置于金属有机化合物或其他有机或无机分子中，由于激光的热分解作用，使该气体分解并沉积在基体上形成薄层，其特点是膜层分布均匀，与基体结合牢固。
或用激光照射相应气体，利用激光的光分解作用，在基体上形成薄膜。
（11）激光微精处理：
利用激光扫描（导向），使零件表面产生有规律的微凸体或微凹体图案或织构纹路，改变其原有表面形貌。
处理后表面粗糙度发生变化，扫描区微凸体（或微凹体）相关的组织及硬度也发生了变化，可达到设计预期效果。
（12）激光无接触弯曲：
将材料激光加热到超过塑性屈服极限，激光照射期间，由于极其快速的加热和冷却产生热应力，引起弯曲，通过控制热变形，不需机械接触就可进行V形和U形弯曲，弯曲的程度与激光通过的次数成正比。
（13）激光退火：
用激光加热，使材料的温度超过退火临界温度
⏹18.半固态加工原理及特点。
金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液浆料（固相组分一般为50％左右），即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形（rheoforming）；
如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热（即坯料的二次加热）至金属的半固态区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。
利用金属的半固态坯料进行成形加工，称之为触变成形（thixoforming）。
（2）金属学与力学特点：
（a）由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。
因此溶质元素的局部浓度不断变化；
（b）由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低；
（c）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下很容易变形流动；
（d）当固相分数在极限值（约75％）以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等；
（e）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体化而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合；
（f）即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可通过半熔融态在低加工压力下进行成形；
（g）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况，一般情况下，存在液相成分先行流动的倾向或可能性。
（3）加工特点：
（a）粘度比液态金属高，容易控制：
模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加工工艺；
（b）流动应力比固态金属低：
半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形（如挤压），加工成本
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