粉末冶金原理与工艺
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粉末冶金原理与工艺范文第1篇
关键词 TiAl基合金；粉末冶金；力学性能
中图分类号TF12 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）91-0045-02
0 引言
作为高温结构材料，TiAl基合金正受到业内界人士的越来越高度关注，良好的抗氧化性能，低密度，耐高温性能等，让其比之镍基合金和钛基合金更具优越性[1]，因此成为航空，国防，军工等高科技领域极具吸引力的材料。然而，室温塑性低，高温屈服应力高和加工成形性差等，使得TiAl合金广泛应用受到严重的制约。因此，研究和开发针对TiAl合金合理高效的制备与成形技术，是科技工作者的一个重要课题。常规制备TiAl基合金的方法主要有粉末冶金，铸造，铸锭冶金等。其中粉末冶金方法有其显著独特优点：克服了铸造缺陷，如疏松缩孔等；加入合金元素来制备复合材料变得容易；材料成分均匀，显微组织细小，力学性能优异；复杂零件易于实现近净成形。
1 预合金粉末制备工艺
采用预合金粉末成型工艺制备TiAl基合金首先要制备γ-TiAl预合金粉末，之后经过模压成型与烧结反应而制得所需制件的工艺。此工艺的成本有些昂贵，因为，Ti熔点高且活性比较大，需要在制备过程中严格控制工艺，故难度也较大。现阶段，发展出来很多方法制备γ-TiAl预合金粉，其中主要被采用的有：雾化法、机械合金化法（MA）、自蔓延高温合成法（SHS）等。此工艺所获材料其晶粒大小，相分布以及合金元素分布的均匀性与相应的锻件相比，都得到显著提高。用预合金法，德国姆波公司制造出大型客机连接臂，和直升机叶片连杆接头，产品相比于锻件，材料和成本分别节省40%和34%[2]。随后美国坩埚公司又开发出，可以制备全致密，形状复杂的钛合金近形产品的陶瓷模热等静压技术，使得合金材料的力学性能得到进一步提升。
2 元素粉末法
元素粉末法是对Ti、Al和Nb、Cr、Mo等外加元素预压成形，在高温下反应合成之后进行致密化来制备TiAl基合金材料的，制品组织细小、成分均匀。此法优点是成本比较低，工艺设备简单而且容易添加各种高熔点合金元素，通过均匀化混合和高温反应能避免成分偏析。元素粉末法制备TiAl基合金，已经得到了广泛研究，所制备出来的材料性能可与铸造TiAl基合金媲美。元素粉末法制备TiAl合金时Ti，Al元素会发生扩散反应，基本反应过程为[3]：6Ti+6Al4Ti+2TiAl3， 4Ti+2TiAl3Ti3Al+TiAl+2TiAl2，Ti3Al+2TiAl2+TiAl 6TiAl。
3 成型工艺
预合金粉末属硬脆粉末，不便直接模压成形，所以采用挤压方式进行成形。有冷挤压和热挤压两种方式。此工艺让粉末晶粒得到了细化，组织均匀性和粉末间的高温扩散能力得到提高。对于元素粉末挤压可以消除压坯膨胀开裂，而对于预合金粉末，挤压也提高了粉末变形能力。随着科技的进步，出现了很多新技术如：温压技术，流动温压技术，模壁技术，爆炸压制技术，高速压制技术等。这使得粉末冶金成形技术正向高性能化，高致密化方向发展。
4 烧结反应工艺
以下是对目前出现的几种TiAl合金粉末冶金烧结工艺简单介绍。
4. 1热压和热等静压
热压和热等静压是目前两种很可行的制备钛铝基合金的工艺。在压制的过程粉末的受力比较均匀，所得制件的致密度很高，力学性能很优异。经文献和实践所知，在1100℃～1300℃，压力大于100MPa时，将雾化TiAl预合金粉末，直接进行热等静压效果为最好。刘咏等人用此热等静压的工艺方法所制得的钛铝基合金制件，致密度高，显微组织细小，结果很是成功[4]。
4.2 自蔓延高温合成工艺
自蔓延高温合成（也被称为燃烧合成方法），是利用化学反应过程所生成的热量和产生的高温，而使自身反应持续下去，进而获得所需材料或制品的方法。该工艺简单，高效节能，成本低且制品质量高，自问世后在世界范围内得到了广泛的研发与应用。其中开发出来的SHS制备粉体，烧结，致密化技术，能够制备出常规方法难以制备出的TiAl化合物，且产物形状复杂，致密度高，目前SHS粉末技术已成功应用与工业生产且技术越发成熟。
4.3 放电等离子烧结
放电等离子体烧结亦叫作等离子体活化烧结，最早源于20世纪30年代年美国人的脉冲电流烧结原理，但此快速烧结工艺真正发展成熟是90年代从日本开始的，此后才得到广泛的关注与研发。在装有粉末的模具上联通瞬间，断续，高能脉冲电流，粉末颗粒间就能产生等离子放电现象，产生的高活性离子化的电导气体，迅速消除粉末粒表面的杂质和气体， 并加快粉末的净、活、均化等效应[5]。SPS艺有其独特优势：加热均匀，烧结温度低且升温速度快，产品组织细小均匀且致密度高。研究表明，用MA技术与SPS技术结合制备出的TiAl合金，组织均匀，性能优良。
4.4 粉末注射成形工艺
此技术是把塑料注射成形工艺和传统粉末冶金技术相互结合，而发展成为一种新型的近净成形的工艺。主要步骤为：混合粉末与粘结剂，注射成形，脱模，烧结。此工艺制备的制件致密度高，组织均匀，性能优越，能够制备质量要求高且精密复杂的制品，而且成本低，自动化程度高，材料利用率几近百分百。因此该工艺在国际上很热门，很受欢迎。采用PIM工艺制备出的TiAl合金组织细小均匀，相对密度高，性能优良，而且成本与传统工艺比大大降低，当然此方面的研究还有广阔空间。
5 粉末冶金TiAl基合金的力学性能
作为高温结构材料，TiAl合金因为低的密度，高强度系数，良好的抗氧化性能和抗蠕变性能等，而备受关注与欢迎。然而因低室温延展性，难加工性，使其被广泛应用受到制约[6]。如何使其强度和延展性相平衡是一个很大挑战，有关此方面的研究工作一直在进行。研究表明，TiAl合金中增加Nb能改善TiAl合金高温抗氧化性能，适量Cr可以提高延性，B可以细化晶粒， 提高抗蠕变性能。经过不断地改进和完善，粉末冶金TiAl合金的一些力学性能已得到了显著的提高。近期研究发现，合金添加Mo，V和Ag能改善显微组织，在1350度烧结能提高其致密度能达到96%，而抗压缩强度可达到1782MPa。然而，孔隙的难以彻底消除，间隙元素难于控制等问题，还需要不断地克服。
6 结论
TiAl合金因其独特的性能在军工，航空等高技术产业占有重要地位，采用粉末冶金工艺制备TiAl基合金，优势明显，能够制备得精密度很高的制件。在TiAl合金制备技术中，极富吸引力，进而脱颖而出。然而，粉末冶金法制备TiAl基合金技术并不是完美至极的，还有一些工作需要进一步研究和拓展：控制间隙元素和杂质的污染；合金元素的合理选择与添加，改善TiAl合金的性能；进一步完善致密化技术，让显微组织更加均匀细化，消除孔隙缺陷等；进一步研发让生产低成本，高效率，规模化，不但为军用而且为民所用，促进经济的发展。粉末冶金钛铝合金技术有其独特的优势和地位，若得到进一步改进和完善，对我国的经济发展，国力的提升，具有重大意义。
参考文献
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[3]Wang G X，Dahms M.PMI，1992，24（4）：219-225.
粉末冶金原理与工艺范文第2篇
[关键词] CNTs；镁基；复合材料；制备方法
[中图分类号] TB331 [文献标识码] A 文章编号：1671-0037（2014）01-66-1.5
镁及镁合金具有密度低，比强度、比刚度高，铸造性能和切削加工性好等优点，被广泛应用于汽车、航空、航天、通讯、光学仪器和计算机制造业。但镁合金强度低，耐腐蚀性能差严重阻碍其广泛应用。
碳纳米管不仅具有极高的强度、韧性和弹性模量，而且具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。这些独特的性能使之特别适宜作为复合材料的纳米增强相。近年来，碳纳米管作为金属的增强材料来强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等方面发挥了重要作用。
近些年，镁基复合材料成为了金属基复合材料领域的新兴研究热点之一，碳纳米管增强镁基复合材料的研究也逐渐成为材料学者研究重点之一。本文就目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的制备技术做综述，以供研究者参考。
1 熔体搅拌法
熔体搅拌法是通过机械或电磁搅拌使增强相充分弥散到基体熔体中，最终凝固成形的工艺方法。主要原理是利用高速旋转的搅拌器搅动金属熔体，将CNTS加入到熔体漩涡中，依靠漩涡的负压抽吸作用使CNTS进入金属熔体中，并随着熔体的强烈流动迅速扩散[1]。
周国华[2]等人采用搅拌铸造法制备了CNTs/AM60镁基复合材料。研究采用机械搅拌法，在精炼处理后，在机械搅拌过程下不断加入碳纳米管到镁熔体中，搅拌时间20 min，然后采用真空吸铸法制得拉伸试样。研究结果显示，碳纳米管具有细化镁合金组织的作用，在拉伸过程中，能够起到搭接晶粒和承载变形抗力的作用。
C.S.Goh[3]等采用搅拌铸造法制备了CNTS / Mg基复合材料时，金属熔化后采用搅拌桨以450 r / min的转速搅拌，然后用氩气喷枪将熔体均匀地喷射沉积到基板上，从而制得CNTS / Mg基复合材料。力学性能测试表明，复合材料具有较好的力学性能。
李四年[4]等人采用液态搅拌铸造法制备了CNTS/Mg基复合材料。CNTS加入前首先经过了化学镀镍处理，研究采用了正交实验，考察了CNTS加入量、加入温度和搅拌时间对复合材料组织和性能的影响。研究结果表表明，CNTS加入量在1.0%、加热温度在680 ℃、搅拌3 min时，能获得综合性能较好的复合材料。
搅拌铸造法优点是工艺简单、成本低、操作简单，因此在研究CNTS增强镁基复合材料方面得到广泛应用。但搅拌铸造法在熔炼和浇铸时，金属镁液容易氧化，CNTS均匀地分散到基体中也存在一定难度。
2 消失模铸造法
消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型黏结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。
周国华[5]等人就通过消失模铸造法制备CNTs / ZM5镁合金复合材料。将PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超声分散10 min后过滤、静置20 h，装入发泡模具发泡成型，用线切割机加工制得消失模。把制得的含碳纳米管的消失模具放入砂箱内，填满砂并紧实，将自行配制的ZM5镁合金熔体浇注制得复合材料。实验结果表明，碳纳米管对镁合金有较强的增强效果，对ZM5合金的晶粒有明显的细化作用。
3 粉末冶金法
粉末冶金法是把CNTS与镁合金基体粉末进行机械混合，通过模压等方法制坯，然后加入到合金两相区进行烧结成型的一种成型工艺。粉末冶金法的优点在于合金成分体积分数可任意配比而且分布比较均匀，可以避免在铸造过程中产生的成分偏析现象，而且由于烧结温度是在合金两相区进行，能够避免由于高温产生的氧化等问题。
沈金龙[6]等人采用粉末冶金的方法制备了多壁碳纳米管增强镁基复合材料。试验采用CCl4作为分散剂将镁粉和CNTS混合，在室温下将混合粉末采用双向压制成型后进行真空烧结，制成碳纳米/强镁基复合材料。研究结果表明：碳纳米管提高了复合材料的硬度和强度，镁基复合材料的强化主要来自增强体的强化作用、细晶强化和析出强化。
Carreno-Morelli[7]等利用真空热压烧结粉末冶金法制备了碳纳米管增强镁基复合材料。研究发现，当CNTs含量为2%时，复合材料的弹性模量提高9%。
杨益利用利用粉末冶金法，制备了碳纳米管增强镁基复合材料，研究了碳纳米管制备工艺和含量对复合材料组织和性能的影响。研究采用真空热压烧结技术，通过研究发现，在热压温度为600 ℃、保压时间20 min、保压压力在20MPa、CNTS含量为1.0%时，制得的复合材料具有强度最高值。TEM分析CNTS与镁基体结合良好，增强机理主要有复合强化、桥连强化和细晶强化。
4 熔体浸渗法
熔体浸渗法是先把增强相预制成形，然后将合金熔体倾入，在熔体的毛细现象作用下或者一定的压力下使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸掺和负压浸渗三种。
Shimizu等采用无压渗透的方法制备了碳纳米管增强镁基复合材料，随后进行了热挤压，力学性能测试显示，抗拉强度达到了388MPa、韧性提高了5%。
5 预制块铸造法
周国华等人采用碳纳米管预制块铸造法制备了CNTS / AZ91镁基复合材料。将AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不锈钢网筛过滤后在模具中压制成预制块。然后利用钟罩将预制块压入镁熔体并缓慢搅拌至预制块完全溶解，采用真空吸铸法制得复合材料试样。研究结果表明，预制块铸造法能够使CNTs均匀分散到镁合金熔体中，复合材料的晶粒组织得到细化，力学性能明显提高。
6 结语
近年来，CNTs在增强镁基复合材料的研究越来越多，目前存在的主要问题是CNTs的分散和与基体界面的结合等问题。由于但碳纳米管具有高的比表面能，使其在与其他材料的复合过程中易形成团聚，导致复合材料性能不甚理想，最终起不到纳米增强相的效果，同时碳纳米管属轻质纳米纤维，与各类金属的比重相差太大，不易复合。目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的研究还处于初期阶段，随着技术的不断发展，新工艺和新方法不断出现，CNTs的分散及与基体的界面结合等问题将逐渐被解决，开发出性能优异的CNTs / Mg基复合材料将有着重要的意义。
参考文献：
[1]张玉龙.先进复合材料制造技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003
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[5]周国华，曾效舒，袁秋红等.消失模铸造法制备CNTS/ZM5镁合金复合材料的研究[J].热加工工艺，2008，37（9）：11-14.
[6]沈金龙，李四年，余天庆等.粉末冶金法制备镁基复合材料的力学性能和增强机理研究[J].铸造技术，2005，26（4）：309-312.
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[8]杨益.碳纳米管增强镁基复合材料的制备与性能研究[D].北京：国防科学技术大学硕士论文，2006.
收稿日期：2013年12月12日。
基金项目：郑州市科技攻关项目（20130839），黄河科技学院大学生创新创业实践训练计划项目（2013XSCX025）。
粉末冶金原理与工艺范文第3篇
【关键词】二次加粉装置；顶缸二次顶出；串联的两只料盒
粉末成型液压机用于将金属压成饼状和环形零件，通过烧结制得金属制品。其中某些特殊的金属制品需要在不同的部位添加不同的材料进行压制。而通常的粉末成型液压机的加粉装置为单粉料盒，在进行多种材料压制时，需要通过人工加粉来实现，操作人员劳动强度大，效率低，不利于自动化生产。
1 两次加粉装置如图
由送料装置、模架及顶出缸驱动装置三大部分组成。
（1）阴模板上设有加粉装置，由送料板、前后联动的两只送料盒、连杆、气缸、推料油缸组成。依靠推料油缸的前后运动，推动两只送料盒在送料板上前后运行完成加料动作。
（2）模架主要由阴模板、固定板、下模板、拉杆、支座及中心缸组成。阴模板内装有阴模，固定模板上装有下冲，下冲内装有芯杆，芯杆与中心缸连接而成。
（3）阴模的驱动，由阴模板与下模板由四根拉杆连接组成联动机构，下模板与顶出缸的活塞杆相连，顶出缸的顶出和退回运动推动阴模上下运动。在顶出缸活塞杆末端连接有小液压油缸，通过小液压油缸充油控制阴模第一次上升高度，放出油腔的液压油控制阴模第二次上升高度。
2 工作原理
首先对两只料盒内分别存放不同的金属粉末，通过PLC系统控制推料缸使送料盒前移。现将前端的粉盒1送至顶端，使得后面的送料盒2落在阴模之上，此时PLC系统控制小液压油缸充油，顶出缸驱动阴模上升一定的高度，加入粉料盒2的一种粉料，然后阴模不动，PLC系统控制粉料盒后移，使粉料盒1覆盖在阴模之上，PLC系统控制小液压油缸放油，顶出缸驱动阴模再次上升一定的高度，使得粉料盒1的另一种粉料落入阴模内，然后PLC系统控制推料缸使送料盒退回到后限，实现二次加粉全自动加粉工艺动作。
3 结束语
粉末成型液压机的二次加粉装置，两只粉料盒内可分别存放不同的金属粉料，由推料油缸控制粉料盒的前后移动，配合粉末成型液压机的阴模的上升进行两种材料的加料，无需人工加料，降低操作人员劳动强度，实现了全自动生产。
参考文献：
粉末冶金原理与工艺范文第4篇
摘要：
介绍了甲烷催化元件的工作原理、检验、试验等情况。
关键词：
催化元件;隔爆性能;耐爆性能;Ma保护等级
0引言
煤矿井下瓦斯浓度大小关系着煤矿的安全生产作业，作为煤矿井下用检测瓦斯浓度的甲烷气体传感器，按其原理分主要分为光干涉甲烷传感器、催化燃烧式甲烷传感器以及红外、光纤、激光等原理的甲烷传感器［1－2］。虽然红外、光纤、激光等新型原理的甲烷传感器由于技术的进步陆续得到推广和应用，但还是存在一些工作不稳定和质量不可靠的技术性难题，现阶段还是主要以技术成熟的催化燃烧式甲烷传感器和光干涉式甲烷测定器为主。其中作为催化燃烧式甲烷传感器的核心部件催化元件由于制作工艺复杂，质量、精度、防爆安全要求高的原因，势必会使催化元件的防爆安全性能检测检验变得十分重要［3］，随着技术和安全的发展，矿用本质安全型设备也势必会朝着Ma保护等级的方向努力。
1甲烷催化元件的工作原理
检测甲烷等可燃气体的仪器一般使用催化燃烧式原理的传感器［4］，它可以被看成是一个小型化的热量计，它的检测原理在几十年内没有大的变化。这是一个惠斯通电桥的结构。在它的测量桥上涂有催化物质，测量时，要在参比和测量电桥上施加电压使之加热从而发生催化反应，这个温度大约是500℃或者更高。正常情况下，电桥是平衡的，输出为零。如果有可燃气体存在，它的氧化过程会使测量桥被加热，温度增加，而参比桥温度不变。电路会测出它们之间的电阻变化，输出的电压同待测气体的浓度成正比。同理，催化燃烧式甲烷传感器的工作原理［5］是:在传感元件(含敏感元件)表面的甲烷，在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。
2现阶段甲烷催化元件的防爆试验
众所周知，现阶段的甲烷催化元件作为隔爆型产品认证，主要是针对隔爆外壳的防爆性能要求，即催化元件粉末冶金罩的“隔爆性能”和“耐爆性能”，隔爆性能的型式试验要求是通过点燃粉末冶金罩内的可燃性气体而不引爆粉末冶金罩外试验罐的可燃性气体即可达到隔爆性能的要求;而耐爆性能试验要求则是通过1MPa的外壳静压的试验方法来验证粉末冶金罩及浇封剂的强度是否满足标准要求。
2.1隔爆性能试验(内部点燃的不传爆试验)
根据内部点燃不传爆试验的要求，把外壳即粉末冶金罩放在一个试验罐内，外壳内和试验罐内应在大气压下充以相同的爆炸性混合物［6］，对于I类电气设备，充以(55±0.5)%氢气和空气的混合物，进行内部点燃不传爆试验，重复5次，如果点燃没有传播到试验罐，则认为试验结果合格［7］。试验装置原理图如图1所示。
2.2耐爆性能试验(外壳耐压试验)
根据外壳耐压试验的要求，对于小型设备不能测定参考压力时，应采用静压试验的方法，试验压力为1MPa，加压试验至少为10s，试验只进行一次，如果试验结果未发生影响防爆型式的永久性变形或损坏，且没有通过外壳壁泄露，则认为外壳耐压试验合格。试验原理图如图2所示。
3CE认证要求试验项目－矿用Ma等级催化燃烧甲烷传感器试验
随着技术的进步，目前市场上已出现Ma保护等级的甲烷传感器，如红外甲烷传感器以及光纤、激光甲烷传感器。如果按照标准使用场所的需要，这类甲烷传感器相比较载体催化式甲烷传感器安全等级更高，使用范围更广，安全级别更高。但通过分析和实践可以发现［8］，催化燃烧式的方式与红外光源发光式的小元件热点燃式的防爆机理十分相似，如果都能够满足小元件点燃试验，二者均可以达到Ma的保护等级。矿用Ma等级催化燃烧甲烷传感器试验项目的目的是验证催化珠的无焰燃烧反应在故障条件下的最大功耗状态下不能够点燃爆炸性气体［9－10］。试验步骤如下:
a)准备黑白催化元件各10个(不带传感器外壳)
b)将元件装在实际使用的电路板上或者模仿使用条件的测试夹具下。
c)将爆炸性气体覆盖催化元件，周边要有通风系统(防止排出气体爆炸)。
d)使催化珠周围通6.5%±0.2%的甲烷气体。
e)给催化珠以最大的正常工作电压供电。
f)缓慢的增加电压直到催化珠达到1.5倍的最大正常功耗。
g)等待催化珠达到最大的热平衡(每10%的上电时间间隔测试一次，不得小于5分钟，热平衡判定条件有:测得的3个连续的催化珠最高温度变化小于5%;或者催化珠的温度降到530度以下;或者催化珠的功耗降到最大功耗的5%)。
h)如果测试终止是因为元件损坏，剩余的测试样品应该降低功耗继续测试(再次等待热平衡，观察最高功耗的热平衡下不点燃甲烷)。
i)记录爆炸性气体的点燃，冷火焰应该认为是一个点燃，应该用目视或者热电偶记录点燃。
j)如果测试过程中没有点燃，测试完成后应该点燃夹具内的气体，以证明测试过程中没有点燃。注:要完成上述试验，需要首先大致找到催化珠的热平衡工作条件，其次还要试验能否目视观察出6.5%±0.2%的甲烷气体的爆炸，如无法目视点燃可考虑用压力传感器监控。覆盖传感器的空间尽量要小，采用体积小一点的带观察窗的隔爆外壳，以尽量降低爆炸威力。按照试验要求，采用上述隔爆性能试验用自制的试验装置以及高压点火试验系统能够很好地完成该试验，具体的试验装置模拟框图如图3所示。
4结语
为了适应新的煤矿安全规程的要求以及矿用产品Ma等级的推广应用，国内势必会推行催化元件矿用Ma等级催化燃烧甲烷传感器认证的要求。
参考文献：
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粉末冶金原理与工艺范文第5篇
关键词：液滴 均匀 脉冲 射流断裂
一、绪论
（一）颗粒制备技术发展现状
颗粒化制备技术无论是在基础理论研究，还是在气体雾化、喷射干燥、喷射冷却、热喷涂、喷墨打印等具体工业生产中，都扮演着极为重要的角色。
传统的微球制备方法包括雾化法、切丝重熔法、乳化法[1]等。这些方法都有各自的特点和局限性。1990年，美国麻省理工学院（MIT）教授Passow博士等一些材料科学专家提出了利用均匀液滴喷射法（Uniform Droplet Spray,UDS）生产粉末的工艺。该工艺保留了传统粉末冶金工艺的优点，克服了传统工艺下的粉末颗粒尺寸分散、结晶不均匀、性能不一致等缺点。一些采用UDS工艺制造的新型合金粉末已在高科技领域得到应用[2]。
（二）Rayleigh射流失稳理论
1879年，英国科学家Rayleigh[3]利用数学模拟的方法分析了非粘性射流(层流)的断裂现象。当液体从喷嘴流出后，施加适当频率的微小扰动，由于表面张力的作用，在激振条件下，射流表面会产生表面波，随着表面波在射流表面的增长，射流就断裂成均匀液滴[4]。
（三）本文选题意义及主要工作
本文的目标是针对UDS的不足，创新地设计了适用于均匀颗粒制备的流体脉冲喷射（Jet Pulse Spray, JPS）系统，利用脉冲式气体施加于装有待处理液体的密闭腔室，形成定量液体射流段，通过合理设置气压、脉冲频率和脉宽等参数，可获得粒径分布窄、表面状况良好的微球，为均匀微球提供了一种设备和工艺简单的制备方法。
二、流体脉冲喷射系统制粒原理、实验装置、材料
（一）流体脉冲喷射系统制粒原理
应用Rayleigh线性不稳定理论，现有的射流断裂技术主要利用压电激振元件对液束施加扰动，使之分裂成液滴并最终凝固成形。为提高工艺稳定性，本文通过旋转切割的方式，利用周期转动定量切割连续气流，形成定量气体脉冲，进而挤出定量液体，使之断裂成均匀颗粒。
（二）流体脉冲喷射系统实验装置
压力气体由管道中经过刚性联轴器，再进入气体脉冲发生器中。通过气体脉冲发生器中阑孔之间的周期通闭，得到正弦定量气体脉冲。气体脉冲随后进入密闭喷射腔，将定量液体从喷嘴挤出，并断裂成均匀颗粒。密闭喷射腔中损耗的液体通过补液腔进行补充。
（三）实验材料
因为石蜡具有熔点较低、易于成型、成本低廉等特点，本文选取固体切片石蜡作为研究对象。
三、实验结果及理论分析
（一）转速的影响
不使用本系统自由喷射所制得的微粒，结果出现了诸如粒度不均、板结、异型轮廓等典型雾化法缺陷。旋阑转速在75rpm时制得的微粒，尽管相比不使用本系统在球粒化上取得了较明显的改善，但其粒径分布十分宽广，均匀度低。随着转速上升，微粒均匀度和球化程度明显改善，至350rpm时达到最佳值，球粒粒径亦稳定在520μm左右。当转速进一步上升至450rpm时，球粒粒径有变大趋势，与350rpm相比平均粒径有所提高，均匀度有所下降。由此可见该颗粒制备系统存在最佳匹配转速，粒径均匀度与旋阑转速并非为简单的单调变化关系。
（二）基于气压制粒模型
定量气体脉冲进入密闭喷射腔后，对腔内液面产生大小为Pgas的气压，并与腔内液体压力Pliquid共同作用，从喷嘴处挤出流速为uj的液束。
经推导可得式微粒的体积为：
式中P0为大气压，dN为喷嘴直径，lN为喷射腔厚度，μ为液体粘度。
（三）气压模型预测值与实验结果比较
理论计算得到的VN是在一个正弦气体脉冲从喷嘴处挤出的液体总量。根据Rayleigh射流失稳理论，射流会断裂成均匀液滴。假设一个气体脉冲挤出的液体均匀断裂成N个液滴，N=1时即为射流没有发生断裂，如图3所示，与实验结果偏差较大。当N=10时，模型预测值与实际值较为吻合。但在实现更有效的机电控制和工业应用，本项目还有待进一步深入研究。
[参考文献]
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[3]Rayleigh,On the instabitlity of jets,Proceedings London Mathematic Society, 1879,10(4),4-13.
粉末冶金原理与工艺范文第6篇
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
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。
1 FGM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]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM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。
2.2 FGM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]。
3 FGM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
4 FGM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。
转贴于 4. 1 FGM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. 2 FGM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-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
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1 500 K，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. 5 km/ 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. 3 FGM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]。
5 FGM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。
5.2 FGM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
6 结束语
粉末冶金原理与工艺范文第7篇
一、清洁生产技术与机械工业的可持续发展
随着经济的高速发展，资源短缺、环境污染问题日趋严重，可持续发展日益成为所有国家和企业战略决策的焦点。我国的机械制造业之所以缺乏竞争力，机械制造行业发展缓慢，究其根本原因之一就是它还停留在资源―产品―污染排放单向流动的线性经济中。机械产品及制造中耗能耗材现象严重，产品成本高，环境污染问题突出，制约了机械制造业的快速发展。因此，提高机械产品科技含量，提升机械制造业的档次，引入清洁生产技术，这将是机械制造业实现可持续发展战略的必由之路。
清洁生产基本的思路是对污染的控制和预防。不仅要实现生产全过程中的无污染，而且生产出来的产品在使用过程中也不应对环境造成损害，不但含有技术上的可行性，还包括经济上的可盈利性，体现经济效益、社会效益和环境效益的三统一。它是通过产品设计、原料选择、工艺改革、技术管理、生产过程内部循环利用等环节的科学化与合理化，使机械产品及制造最终产生的污染物最少。对生产而言，包括节约原材料和能源，淘汰有毒有害材料，减少废物的数量和毒性；对产品而言，则是要减少从原材料到最终处理整个产品生命周期对人的健康和环境的不利影响；对服务而言，清洁生产技术要求将环境因素纳入设计和所供给的服务中。可以说，清洁生产技术真正体现了可持续发展的战略思想，保障经济、社会的发展与环境、资源的利用相协调。据有关资料显示，目前在机械产品及制造中采用的清洁技术大致如下：
（一）虚拟样机技术
该技术是将产品研发中多轮次的物理样机试制定型。改为在虚拟样机环境下，利用软件技术去建立机械系统数学模型，在屏幕上对产品进行几何、功能、制造等方面交互建模与仿真分析。利用虚拟样机技术，能在未作任何机械切削之前，就可快速试验多种设计方案，直到获得最优化方案为止。这不仅缩短了产品的研发周期，提高了设计质量和效率，更重要的是减少了样机试验中材料、能源、人力上的消耗。
（二）切削液的过滤、分离、净化、节能技术
在切削过程中，为减少废液对环境的污染，对切削液进行过滤、分离净化处理，破坏废液中乳化液的稳定性，使油料在特定装置中进行油水分离，并回收利用；也有采用喷雾冷却技术，该技术可以大大减少切削液的消耗，也能提高刀具使用寿命，既降低了成本，也保护了环境。
（三）清洁能源
电能、液化石油气、天然气、风能、水能都是清洁能源。机械设备的动力源和机械产品本身的动力源应当充分利用这些资源。尽可能地做到对环境的零污染。
（四）快速成型技术
该技术是应用材料堆积成型原理，采用分层实体制造和熔化沉积制造等，可快速制造出各种形状复杂的机械零件，突破了传统机械加工过程中去除材料的机加工方法。因而可大大节约原材料和能源。
（五）粉末冶金技术
该技术用于机械零件的加工，属于少切削或无切削加工技术，由于粉末冶金技术没有或很少有金属切削固体废弃物，也不产生传统机械加工工艺中大量废油和废切削液。因此，这项技术在节材、节能、高效益、高精度等方面具有很高的应用和推广价值。在清洁技术中应得到高度重视和推广。
（六）其他机械工业清洁生产技术
如真空加热油冷淬火、常压和高压气冷淬火技术、真空清洗干燥技术、机电一体化晶体管感应加热淬火成套技术、无毒无害焊接技术和无毒无害化电镀防护层技术等等。
二、我国机械制造业的清洁生产现状
据有关资料显示，我国的机械产品及制造在生产过程中很多都是耗能大、介质多、负荷重、工艺陈旧、环境污染严重，尤其是工业三废问题，严重制约了清洁生产的实现和实施。特别是一些乡镇企业为了追逐眼前的经济利益，上述问题更为突出。
机械行业不仅是耗能耗材的大户，而且也是排污的主要行业之一。特别是金属热加工行业，包括铸造、锻压、热处理、焊接、电镀和喷漆等，是量大面广的行业，它所产生的废物种类多，数量大，造成的直接或间接污染不可忽视。治理“三废”问题，就是机械制造行业实施清洁生产的重点。
所谓三废是指废气、废液、固体废弃物。我们知道，大部分机械产品的生产加工，从毛坯到最终的整机装配，要经过铸、锻、焊、铆、车、钳、热处理等工艺过程，在这些工艺过程中会产生大量的烟尘和有毒有害气体。尤其在铸造加工过程中，则会散发大量粉尘与有毒有害的可吸入颗粒物，这些物质都将直接污染厂区环境、危害人的身心健康。目前，我国的机械产品及制造业与发达国家相比科技含量较低，工艺技术落后，铸锻工艺所产生的粉尘与废气对大气环境的污染更为严重。另外，我国油品质量较低，在机加工过程中，加重了颗粒物和有毒有害气体的排放，从而加剧了对环境的污染。机械产品加工中的废液大部分来自金属切削过程中的切削液。这些使用过的废乳化液，含有大量的油和化学添加剂，它被直接排放、散失或被燃烧都将严重污染环境。此外在众多设备中的燃烧系统、系统和冷却系统也将会产生大量的废油。这些废液和废油对厂区环境和人体危害是十分严重的。三废中的固体废弃物是在机加工过程中的切屑、废渣、废品及金属和非金属边角料等。若不加以及时妥善处理不仅侵占了有限的空间，倘若露天堆放，遭日晒风化雨淋，其污水有毒有害气体也会污染环境。因此，固体废弃物既污染环境，又造成资源、能源的浪费。总之，“三废”问题正是制约机械行业进一步上台阶的一个重要方面。
三、推进机械产品及制造行业清洁生产的对策建议
清洁生产的主要目标在于：实现生产全过程污染的最优控制，形成低投
入、低消耗、低排放和效率的节约型增长方式。因此，在发展清洁生产技术的过程中，必须重视环境污染的控制、资源再生、创造清洁工艺、开发节能降耗技术，科学管理协调发展。可以说，清洁生产将是我国机械制造业可持续发展的突破口与切入点。
（一）更新传统观念，树立清洁生产意识
应当将清洁生产的观念、内涵和相关技术进行广泛的宣传、教育和培训，提高机械产品及制造行业的科技人员、职工、企业管理者和企业家的参与程度，认清清洁生产对企业生存发展的重要性和对社会可持续发展肩负的重大责任，把提高资源利用效率和环境影响因素纳入企业发展之中。
(二)科技创新，规范管理
清洁生产需要科技创新和先进技术的支持，同时也需要规范管理和严格的制度来保证。要在机械制造行业顺利实施清洁生产，实现可持续发展战略，需要提高全行业人员的整体素质，用法律、法规的形式强化清洁生产，制造清洁产品。在机械制造行业积极引进节能、降耗新技术和无污染或少污染的科研成果。
（三）技术开发推广与引进吸收相结合
机械制造业作为工业部门的主要代表，它的迅速发展不可避免地带来对资源的消耗和对环境的污染。为了保护环境，减少污染，要尽可能创造工艺条件，应用节能降耗减少污染的工艺技术，消除或减少在铸造、锻造、铆焊、切削和热处理等工艺过程中产生的粉尘和有毒有害物质，并对废气、废液、固体废弃物应用化学和生物处理技术，进行无害化处理。例如，改铆接为焊接，改锻压为液压，改切削、冲压工艺为粉末冶金技术或快速成型工艺技术，切削液的净化再利用等，也要大力引进国外先进的技术和先进的机械设备。
（四）合理选材、减少污染
在机械产品的设计制造过程中，在保证使用性能和可靠性的前提下，应优先选择那些低能耗，少污染，可回收利用的材料，尽可能少用或不用有毒有害的原材料，以利于产品的报废回收和减少加工过程中的环境污染。例如，一方面尽量少用短缺或稀有原材料；另一方面在机械产品设计和制造过程中杜绝使用有毒有害材料，应尽可能寻找其替代材料。政府要制定充分利用废物资源的经济政策，在税收和投资等环节上对绿色消费、废物回收等采取经济激励措施。
（五）完善政策，强制淘汰
在机械制造行业中，走边发展边治理的发展模式，已是可持续发展战略的必然选择。发达国家在工业化过程中的“先污染、后治理”的经验教训就是前车之鉴，生态环境一旦遭到破坏，再重新治理维持其生态平衡就十分困难。因此，国家及政府部门应加大对环保机械工业的政策和资金的支持力度。从法律制度上确保机械制造行业对区域环境的无污染或少污染。同时要实行有利于资源节约的价格和财政政策，对机械制造行业中的一些规模小、产品结构不合理、企业素质差、产品科技含量低、产品质量差、科研能力薄弱、污染严重的企业应加大整改力度，强制淘汰。不要为眼前的一点经济利益姑息迁就，任其作为。
（六）以人为本、和谐发展
噪音、振动、高温、高压等是机械产品及制造行业的突出问题。在产品设计及制造过程中尽可能采取必要的隔振、减振、吸声、消音措施和装置或是从设备到工艺采取适当措施减少冲击、振动、噪音的产生；同时在机械产品设计制造、使用过程中应采取有效措施，杜绝和避免高温、高压、有毒有害等危险因素，为机械制造行业的从业人员创在一个和谐、舒适的工作环境。
[参考文献]
[1]顾玲等.工程机械的绿色设计,工程机械.
[2]叶伟昌等.切削液的供给净化与回收,机械科学与技术.
粉末冶金原理与工艺范文第8篇
关键词：金属防腐蚀 电镀 钢铁 环保
一、金属腐蚀的种类
1.化学腐蚀（金属与外部介质单纯因化学作用而引起的表面破坏。如金属表面与空气接触，生产氧化物就是化学腐蚀的一种）；2.电化学腐蚀（指当金属表面有电解质溶液存在时，由于电化学作用而引起的破坏）。
二、防腐蚀的种类
目前在工程中采用金属锌作为腐蚀涂层是应用最广泛的防腐技术，普遍应用的方法有电镀锌、热浸镀锌、粉末渗锌和达克罗涂层（就是锌铬涂层）等。
（一）从技术原理比较
电镀锌涂层为电化学沉积；热浸镀锌为锌加热到液体下热扩散涂层；电镀锌、热浸镀锌和粉末渗锌工艺原理发现的比较早。目前电镀锌、热镀锌在工程中应用最广泛。
（二）从防腐涂层综合性能比较：
电镀以氰化物镀锌和氯化铵为例，其优点：镀层结晶细致，光泽性好，镀层经除氢后不变黑，镀液具有较好均镀能力和深镀能力，允许使用阴极电流密度和溶液的温度范围较宽，对设备腐蚀性小，适合电镀形状复杂和镀层厚度20μm以上的零件。
缺点：电流效率较低（70%～75%左右）且随电流密度的升高其电流效率迅速降低，镀锌毒性大，易分解，对操作者健康不利，镀液不能镀铸铁件。
电镀反应原理:在氰化物的镀液中，锌离子与氯化钠及氢氧化物均形成络合物锌氰化钠（Na2[Zn（CN）4]）和锌酸钠（Na2[Zn（OH）4]）形成这两种络合物如下：
3ZnO+4NaCI+2NaOH+3H2O=Na2[Zn（CN）4]+2Na2[Zn（OH）4]
镀液在电解时反应如下：
阳极过程：锌氰化钠和锌酸钠均离解出锌离子，通电时，锌离子在阳极上吸收电子而沉积出锌，氢离子也吸收电子而析出氢。
Na2[Zn（CN）4]2Na++4CN-+Zn2+
Na2[Zn（OH）4]2Na++4OH-+Zn2+
Zn2++2eZn
2H++2eH2
阴极过程：电解时阴极发生锌的溶解，阴极上也有少量氢析出。
Zn2++4CN- -2e=Zn(CN)4-
4OH—-4e=2H2O+O2
此外，氯化铵镀锌是目前应用较广的镀种，氯化物镀锌的镀液电流效率高达95%以上，镀液对操作者人员影响较小，不需要排风装置。氯化物镀锌的缺点：是对钢铁设备有较大的腐蚀性，钝化膜有时发生“变色”现象。氯化铵镀液废水较难处理，采用无铵氯化物镀锌可以改善。
热镀锌的优点：在不规则构件表面、凹槽、盲孔内都能获得均匀渗层，与基体结合强度高，具有一定韧性，硬度，可耐较大摩擦及冲击能力，耐腐蚀性好。操作简单，生产方便。
缺点：热浸镀锌污染严重，有锌废料和锌蒸汽等，严重损害操作者健康，在一定的程度上严重威胁者城市或者乡村的空气质量，属于高污染，高能耗的工业生产。
聚乙烯的优点：
（1）良好的阻燃性、防霉性能:聚合体中?氯#含量高,因此具有抑制）菌生长的性能。
（2）优异的防腐性能:高氯化聚乙烯树脂形成的漆膜,对水气、氧气、离子(Cl-,SO42-)的渗透率极低,约为醇酸树脂的1/200～1/300,过氯乙烯、氯磺化聚乙烯的1/2。
（3）耐候性较好:由于不含双键,对光化学反应及氧化降解不敏感,漆膜能经受户外大紫外光线、氧及冷热变化作用,漆膜稳定性好。
（4）与其他树脂的相容性较好:可以添加各种改性树脂如丙烯酸树脂、醛酮树脂、醇酸树脂等,改善涂膜的综合性能。
（5）施工性能好:为单组分涂料,可以微锈施工,干燥迅速;可以在低温下成膜,施工不受季节、温度限制;重涂性好;适用于任何钢铁和水泥表面。
（6）环保:生产树脂过程不产生CCl4,减少污染,保护臭氧层。
（7）耐热性不好:漆膜不耐高温,受热时易析出氯化氢气体,性能变坏,故使用温度受到限制(耐热温度一般不超过60?)。
缺点：纯高聚乙烯强度低、耐磨性差以及耐蠕变性不好,通常要在聚乙烯聚合物中添加一些无机颗粒，如石墨、二硫化钼、三氧化二铝、玻纤、碳纤维等来提高其力学性能；也可利用与其他聚合物如聚苯酯(PHB)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚全氟（乙烯/丙烯）共聚物(PFEP)等共混的方法来扩展其阻尼温度范围，提高其耐蠕变性。
应用：高压聚乙烯：一半以上用于薄膜制品，其次是管材、注射成型制品、电线包裹层等
中低、压聚乙烯：以注射成型制品及中空制品为主。
超高压聚乙烯：由于超高分子聚乙烯优异的综合性能，可作为工程塑料使用。
衬聚四氟乙烯的优点：1.长期使用温度-200℃-260℃，有卓越的耐化学腐蚀性，摩擦系数在塑料中最低，有很好的电性能，其电绝缘性不受温度影响，有“塑料王”之称。2.呈透明或半透明状态，结晶度越高，透明性越差。原料多为粉状树脂或浓缩分散液，具有极高的分子量，为高结晶度的热塑性聚合物。3.适于制作耐腐蚀件，减磨耐磨件、密封件、绝缘件和医疗器械零件1 K)。4.除熔融的碱金属外，几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g/100g）。聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，具有优异耐候性。5.在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。
缺点：1.结晶料，吸湿小。2.流动性差，极易分解，分解时产生腐蚀气体。宜严格控制成型温度，模具应加热，浇注系统对料流阻力应小。3.粉状树脂常采用粉末粉末冶金法成型，使用烧结方法。烧结温度360℃-375℃，不可超过410℃。乳液树脂通常用冷挤出再烧结的工艺加工，可在物品表面形成防腐层。4.PTFE熔体粘度很高，容体粘度随剪切应力的增大而减小。
应用：1.聚四氟乙烯空气过滤膜：厚度在0.01mm左右，透气量60L/m2-80L/m2.s,具有表面光滑、耐化学物质、透气不透水、透气量大、阻燃、耐高温、抗强酸碱、无毒等特性，广泛用于化工、钢铁、冶金、炭黑、发电、水泥、垃圾焚烧等各种工业熔炉的烟气除尘过滤； 2.聚四氟乙烯净化过滤膜：厚度在0.02-0.03mm，泡点≥1kg/cm2 ( 5.3m/s 127Pa)，广泛应用于制药、生化、微电子和实验室耗材等领域；无尘车间、实验室、通风设备、净化设备、医疗电子等行业的空气净化；3.聚四氟乙烯服装膜：厚度0.03-0.05mm左右，透湿量≥10000g/m2.24h，静水压≧150kPa，广泛应用于运动服装，防寒服装，消防、公安、医护、防生化等特种服装；鞋帽、手套以及睡袋、帐篷等。4.聚四氟乙烯复合膜：将溶剂型PU以我司独有工艺淋膜到PTFE微孔膜表面，形成一种具有亲水拒油功能的微孔薄膜。具有耐腐蚀、耐高温、耐老化、高精度、超微滤等特性。广泛应用于服装面料、消烟除尘、净化除菌等领域。
玻璃钢的优点：
（1）绝缘、防酸、碱、盐等腐蚀，抗静电，不生锈，不易老化，使用寿命中长达50年以上。
（2）非磁性、无电腐蚀，防水性能好，可在潮湿环境或水中长期使用而不变质。
（3）强度高、是同等原度PE管6倍以上，重量轻，内壁光滑，电缆穿孔时摩擦系数小，不操作电缆。
（4）耐热、防冻、防火、属阻燃型。能在-35℃～139℃的温度下长期使用，遇火不燃烧。
（5)弯曲弹性模量好，抗冲击力强，解决了金属管易腐烂、无扭曲弹性的缺点。
（6)电缆过桥、过河时，使用玻璃钢导管更为经济、适宜。