材料成形加工技术科技前沿概览.docx

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材料成形加工技术科技前沿概览

材料成形加工技术科技前沿概览

材料成形与加工技术前沿综述

XXXX近年来材料科学技术领域最活跃的方向之一大量先进技术和工艺不断发展和完善，并在实践中逐步应用，如快速凝固、定向凝固、连铸连轧、连铸连轧、精密铸造、半固态加工、粉末注射成型、陶瓷胶态成型、热等静压成型、无模成型、微波烧结、离子束制备、激光快速成型、激光焊接、表面改性等。

，促进了传统材料的升级换代，加快了新材料的研发、生产和应用，解决了高技术领域发展对高性能特种材料的制备、加工和微观结构进行精确控制的迫切需求。

2，历史演变:

从人类社会发展和历史进程的宏观角度来看，物质是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导。

然而，材料和材料技术的进步和发展应归功于金属材料制备和成型技术的发展。

人类从漫长的石器时代发展到青铜时代（有些学者称之为“第一次物质技术革命”），首先得益于铜冶炼和铸造技术的进步和发展，从青铜时代发展到铁器时代，得益于铁鳞冶炼技术和锻造技术的进步和发展（所谓的“第二次物质技术革命”）直到16世纪中叶，冶金学（金属材料的制备和成型）才逐渐从“工艺”发展到“冶金学”。

人类开始重视从“科学”的角度研究金属材料的成分、制备、加工工艺和性能之间的关系，迎来了所谓的“第三次材料技术革命”——人类从相对单一的青铜和铸铁时代进入合金化时代，这催生了人类历史上第一次工业革命，推动了现代工业的快速发展。

自

进入XXXX时代后期以来，先后实施了“超级金属”和“超级钢”计划，重点发展先进的制备和加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料性能，实现降低材料消耗、节约资源和能源的目标。

新材料的研究、开发和应用全面反映了一个国家的科技和产业化水平，而先进制备和成型技术的发展对新材料的开发、应用和产业化起着决定性的作用。

先进制备和成型技术的出现和应用，加上新材料的研发、生产和应用，促成了微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，推动了现代航空航天、交通运输、能源和环境保护等高科技产业的发展。

传统结构材料正在向高性能化、复合化、结构与功能一体化方向发展。

尤其需要先进的制备和成型加工技术和设备，使材料的生产过程更加高效、节能和清洁，从而提高传统材料产业的国际竞争力。

另一方面，开展这一科学领域的前沿和基础研究，综合利用相关学科的基础理论和科技发展成果，为制备新材料提供新的原理和方法，也是材料科学和工程学科自身发展的需要。

因此，发展先进的材料制备和成型技术对提高国家综合实力，突破先进工业国家的技术壁垒和封锁，保障国家安全，提高人民生活质量，促进材料科学技术本身的进步和发展具有十分重要的作用。

这也是国民经济和社会可持续发展的重大要求。

3。

研究现状

1。

快速凝固

快速凝固技术的发展将液态成形过程推向了一个远离平衡的状态，极大地推动了非平衡新材料如非晶、细晶和微晶的发展。

传统的快速凝固追求高冷却速度，并且仅限于制备低维材料，例如非晶丝和箔。

近年来，快速凝固技术主要发展在两个方面:

①通过注射成型、超高压和深过冷结合适当的成分设计，发展了块体材料直接成型的快速凝固技术；

（2）在近快速凝固条件下制备具有特殊取向和结构的新材料目前，快速凝固技术广泛应用于非晶或超细线材、带材和块状材料的制备和成型。

2.半固态成型

半固态成型是一种利用凝固组织控制的技术。

在XXXX早期，麻省理工学院的弗莱明教授等人首次提出了半固态加工技术，打破了传统的枝晶凝固模式，开创了强制均匀凝固的先例。

半固态成形包括半固态流变成形和半固态触变成形:

前者是直接利用制备的半固态浆料进行成形，如压铸（称为半固态流变铸造）；后者是将制备的半固态坯料再加热至半熔融状态，然后进行模塑，例如挤出模塑（称为半固态触变挤出）3.无模成形

为解决复杂形状或深冲产品的缺陷，如大型冲压和拉伸成形设备、模具成本高、生产工艺复杂、柔性低等。

为了满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，自XXXX以来，柔性加工技术的发展一直受到发达工业国家的重视典型的非模具成形技术包括增量成形、非接触拉伸、非模具多点成形、激光冲击成形等。

4.超塑成形技术

2

超塑成形技术具有成形压力低、产品尺寸和形状精度高等特点。

近年来，其发展方向主要包括两个方面:

一是大型结构件、复杂结构件和精密薄壁件的超塑成形，如铝合金汽车盖、大型球罐结构、飞机舱门、盥洗盆等。

；二是难加工材料的精密成形，如钛合金、镁合金和高温合金结构件5.金属粉末材料成型加工

粉末材料成型加工是一种典型的近净形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备和预成型的一体化；材料结构可以自由组装，精确调控材料性能；可用于制备陶瓷和金属材料，也可用于制备各种复合材料。

它是近年来XXXX先进材料制备和成型技术的热点和主要发展方向之一。

自1990年以来，世界粉末冶金年销售额增长了近2倍。

XXXX北美铁基粉末相关模具、加工设备和最终零件的销售额达到91亿美元，其中粉末冶金零件的销售额为64亿美元。

美国企业生产的粉末冶金产品占全球市场的一半以上。

可以预见，粉末冶金工业仍将长期保持高增长率。

粉末材料成型技术的研究重点包括粉末注射成型、胶体成型、温压成型和微波、等离子体辅助低温强化烧结等。

6.陶瓷胶态成型

XXXX在十年中期，为了避免在注射成型过程中使用大量有机物所造成的脱脂和排胶困难以及造成的环境问题，传统的注射成型由于其几乎不需要添加有机物、工艺成本低、易于操作和控制等特点而重新受到重视。

，但由于其胚密度低、强度差，不适合制备高性能陶瓷材料。

自

进入20世纪90年代以来，为了改善陶瓷坯体的均匀性和解决陶瓷材料的可靠性问题，发展了各种原位固化成型工艺。

凝胶注射成型工艺、温度诱导絮凝成型、胶体振动注射成型、直接凝固注射成型等。

一个接一个地出现并受到认真的关注。

原位凝固工艺被认为是提高坯料均匀性和进一步提高陶瓷材料可靠性的唯一途径。

它发展迅速，并在实践中逐步得到应用。

7.激光快速成型

激光快速成型技术是XXXX中期结合现代材料技术、激光技术和快速原型制造技术的一种新型近净形快速制备技术。

采用该工艺成型的零件完全致密，内部结构细小均匀，具有优越的力学性能和物理化学性能；同时，零件的复杂性基本不受限制，可以缩短加工周期，降低成本。

目前，发达国家已经进入实际应用阶段，主要应用于国防和高技术领域。

国内激光快速成型起步较发达国家稍晚，在应用基础研究和相关设备建设方面做了良好的前期工作，并有条件通过进一步研究形成自己的特色激光快速成型技术。

8.电磁场附加制备和成形技术

在材料制备和成形过程中，通过施加附加的外部场（如温度场、磁场、电场、力场等）。

），可以显著改善材料的结构，提高材料的性能，提高生产效率。

典型的附加温度场制备和成形技术包括熔体过热处理、定向凝固技术等。

典型的力场附加制备和成形技术包括半固态加工等。

典型的电磁场附加制备及成型技术包括电磁铸轧技术、电磁连铸技术、磁场附加热处理技术、电磁振动注射成型技术等。

近年来，电磁场附加制备及成形技术的研究在世界范围内形成了一个新的材料科学分支——材料电磁处理，并且发展迅速。

9.先进的连接技术

①铝合金激光焊接②镁合金激光焊接

3

③机器人智能焊接10。

表面改性

在使用材料的过程中，材料的表面性质和功能非常重要，许多散装材料的失效往往从表面开始。

通过涂覆（或沉积、外延生长）表面薄层材料或特殊能量手段改变原料表面的结构（即对处理进行表面改性），赋予较便宜的块体材料高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用价值和产品的附加值，这是几十年来材料表面处理研究领域的主要努力方向。

4的总体发展趋势和

材料加工技术的发展前景可以概括为三个集成，即工艺集成、技术集成和学科集成从上述材料加工技术的总体发展趋势来看，可以预见，材料制备、成型和加工技术的发展在较长一段时间内将具有以下两个主要特征:

（1）性能设计和工艺设计的一体化

（2）在材料设计、制备、成型和加工的整个过程中精确控制材料的微观结构、性能、形状和尺寸

事实上，第一个功能标志着材料技术的第五次革命，标志着进入新材料设计和制造工艺的时代。

第二个特征的实现需要两个基本条件:

一是计算机仿真技术的高度发展；第二，材料数据库非常完整

基于上述材料加工技术的总体发展趋势和特点，金属材料加工技术的主要发展方向包括以下几个方面

1）常规材料加工技术的短流程和高效率

打破了传统的材料成型加工模式和工艺环节，实现了近终形短流程的连续生产，提高了生产效率。

例如，半固态流变成形、连铸连轧、连铸连挤压是将凝固和成形结合为一体，实施精确控制，形成节能降耗、提高生产效率的主要特征的新技术和新工艺。

目前，国外铝合金和镁合金半固态加工技术已进入大规模工业应用阶段。

铝合金半固态成形方法主要包括流变压铸，

2）发展先进的成形加工技术，实现对组织和性能的精确控制

例如，非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成形技术、低温强加工技术、先进的复合材料层合成形、先进的超塑性成形、激光焊接、电子束焊接、复合热源焊接、扩散焊接、利用摩擦焊等先进技术实现对结构和性能的精确控制，不仅可以提高传统材料的使用性能，还有助于改善难加工材料的加工性能，开发高附加值材料。

3）材料设计（包括成分设计、性能设计和工艺设计）、制备和成形加工一体化

开发了材料设计、制备和成形加工一体化技术，可实现先进材料和零件的高效、近终、短流程成形。

典型技术包括注射技术、粉末注射成型、激光快速成型等。

是不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属和金属间化合物、陶瓷材料、复合材料和梯度功能材料零件制备和成型的研究热点。

材料设计、制备和成形过程的集成是实现全过程真正意义上的微观结构和性能精确控制的前提和基础。

4）新制造和成形技术的开发，新材料和新产品大块非晶合金制造和应用技术的开发，连续定向凝固成形技术，电磁约束成形技术，

4

双结晶器连铸和填芯连铸复合技术，多坯料挤压技术，微成形加工技术等。

是近年来发展起来的新的制造和成型技术。

这些技术在特殊高性能材料或产品的制备以及成型工艺的加工方面都有其自身的特点，引起了国内外的广泛关注。

5）计算机数值模拟和过程模拟技术的发展与完美材料数据库的构建

随着计算机技术的发展，计算材料科学已经成为一门新兴的交叉学科，是解决材料科学中除实验和理论以外的第三个重要的研究方法。

它可以比理论和实验更深入、更全面、更详细，并且可以进行一些理论和实验还不能做的研究。

因此，基于知识的材料成形过程模拟是材料科学和制造科学的前沿领域和研究热点。

根据美国科学院工程技术委员会的计算，模拟可以提高产品质量5~15倍，增加材料产量25%，降低工程技术成本13%~30%，降低人工成本5%~XXXX，这是近年来研究的新热点。

通过计算机模拟，可以深入研究材料的结构和组成及其在各种物理和化学过程中的宏观和微观变化机理，并通过材料组成、结构和制备参数的最佳组合来设计材料。

计算材料科学的研究范围包括从埃量级的量子力学计算到连续介质层次的有限元或有限差分模型分析。

范围可分为四个层次:

纳米尺度、微观、介观和宏观在国外，多尺度仿真已经应用于汽车和航空航天工业。

铸件凝固过程的微观组织模拟从凝固热力学和晶粒尺寸结晶动力学两个方面研究了材料的微观组织和性能铸造微观模拟在XXXX年间开始从实验研究发展到实际应用。

虽然国内的研究还处于起步阶段，但在用相场法研究铝合金的枝晶生长、用元胞自动机法研究铝合金的组织演变以及汽车球墨铸铁件的组织和性能预测方面取得了重要进展。

锻造过程中三维晶粒尺寸的预测也取得了进展。

6）材料智能制备与成型技术

材料智能制备与成型技术是美国材料科学界于1986年提出的“第三代”材料成型技术。

自XXXX时代以来，它一直受到日本等先进工业国家的重视。

通过综合利用计算机技术、人工智能技术、数据库技术和先进控制技术等。

采用成分、性能、工艺一体化设计和工艺控制方法，实现材料结构性能和成型加工质量，同时达到缩短开发周期、降低生产成本和减少环境负荷的目的。

材料的智能制备及成型技术的研究仍处于概念形成和探索阶段，被认为是21世纪初新材料成型技术最有潜力的前沿研究方向之一。

其他先进材料制备及成型加工前沿技术

电磁软接触连铸、钛合金连铸连轧技术、高性能金属材料注射成型技术、轻合金半固态加工技术、泡沫铝材料制备、钢蜂窝夹芯板扩散轧制复合材料、金属超细线材制备技术、超细陶瓷粉末燃烧合成、模具表面渗镀复合强化、金属管内壁等离子强化技术、钛合金激光熔覆技术、非晶复合涂层制备技术等

5。

个人理解和评论

中国已经是一个主要的制造国，排在美国、日本和德国之后，位居世界第四虽然中国是一个制造业大国，但

5

中