輕合金與泡沫金屬材料的制備

輕合金與泡沫金屬材料的制備第1頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金及其制備技術鈦合金的分類及性質(zhì)自從人類1790年發(fā)現(xiàn)鈦元素，鈦逐漸顯示出它獨特的優(yōu)越性能。鈦不僅具有金屬結構材料的優(yōu)越性能，而且在許多工藝介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。從使用鈦的意義看，一個國家使用鈦的多少標志著國家的科技水平、軍事實力、經(jīng)濟實力的強弱。所以推廣使用鈦，發(fā)揮鈦特性的優(yōu)勢作用，對促進工業(yè)發(fā)展、增強產(chǎn)品競爭的活力，是非常必要的，也是現(xiàn)代技術發(fā)展的方向。目前，有人把鈦叫做“時髦金屬”，也有人根據(jù)鈦在工業(yè)上發(fā)揮的重要作用及其未來發(fā)展趨勢，把鈦稱為第三金屬或未來的鋼鐵。第2頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的分類1.鈦合金根據(jù)相的組成可分為三類:α合金，(α+β)合金和β合金，中國分別以TA、TC、TB表示。

①α合金含一定量的穩(wěn)定α相的元素，平衡狀態(tài)下主要由α相組成。α合金比重小，熱強性好、具有良好的焊接性和優(yōu)異的耐蝕性，缺點是室溫強度低，通常用作耐熱材料和耐蝕材料。②(α+β)合金含一定量的穩(wěn)定α相和β相的元素，平衡狀態(tài)下合金的組織為α相和β相。(α＋β)合金有中等強度，并可熱處理強化，但焊接性能較差。③β合金含大量穩(wěn)定β相的元素，可將高溫β相全部保留到室溫。β合金通常作高強度、高韌性材料使用。缺點是比重大，成本高，焊接性能差，切削加工困難。2.鈦合金按用途可分為：耐熱鈦合金、高強鈦合金、耐蝕鈦合金、低溫鈦合金、特殊功能鈦合金。第3頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的性質(zhì)與其他金屬相比，鈦及鈦合金在化學、物理和機械性能方面有其自已的特點：

1）密度小，比強度高：金屬鈦的密度為4.5g/cm3,在相同尺寸條件下，使用鈦制造的設備比鋼約輕一半，所以鈦是一種輕型材料；鈦合金的強度與鋼接近，遠高于鋁，所以鈦合金又是一種輕型高強度金屬結構材料。

2）耐腐蝕性能：鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕，即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生，而且介質(zhì)溫度在315℃以下時鈦的氧化膜始終保持這一特性，這是各國民用工業(yè)使用鈦材的基礎保障。第4頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的性質(zhì)

3）無磁性、無毒：鈦合金是無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化。這一特性可使鈦合金應用于磁控設備中，鈦制艦艇外殼可以避免磁性雷的爆炸。鈦合金無毒，與人體組織及血液有良好的相容性，所以被醫(yī)療界廣泛采納。

4）抗阻尼性能：鈦合金受到機械振動、電振動后，與鋼、銅相比，其自身振動衰減時間最長。

5）耐熱性能：通過固溶強化α相研制出的高溫鈦合金，可以在600℃以下長期使用，800℃以下短時間使用。

6）耐低溫性能：以TA7、TC4為代表的低溫鈦合金，其強度隨溫度的降低而提高，但塑性變化不大，可在-196～-253℃低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，是低溫容器、儲箱等設備的理想材料。第5頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用－軍工方面

鈦合金在航空工業(yè)中的應用主要是制作飛機的機身結構件、起落架、支撐梁、發(fā)動機壓氣機盤、葉片和接頭等；在航天工業(yè)中，鈦合金主要用來制作承力構件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動機殼體及噴管等零部件。

鈦合金在軍用飛機和發(fā)動機中的用量迅速增加，從戰(zhàn)斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，它在F14和F15飛機上的用量占結構重量的25%，在F100和TF39發(fā)動機上的用量分別達到25%和33%；80年代以后，鈦合金材料和工藝技術獲得了進一步發(fā)展，一架B1B飛機需要90402公斤鈦材。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，陸軍部隊需求具有威力大、射程遠、精度高、有快速反應能力的多功能的先進加榴炮系統(tǒng)。先進加榴炮系統(tǒng)的關鍵技術之一是新材料技術，自行火炮炮塔、構件、輕金屬裝甲車用材料的輕量化是武器發(fā)展的必然趨勢，因此，鈦合金將發(fā)揮重要的作用。第6頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用－軍工方面在保證動態(tài)與防護的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應用。155火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度；

在主戰(zhàn)坦克及直升機－反坦克多用途導彈上的一些形狀復雜的構件可用鈦合金制造，這既能滿足產(chǎn)品的性能要求又可減少部件的加工費用。在過去相當長的時間里，鈦合金由于制造成本高，應用受到極大的限制。近年來，世界各國正在積極開發(fā)低成本的鈦合金，在降低成本的同時，還要提高鈦合金的性能。我國鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量逐漸增大，尋求較低的制造成本是發(fā)展鈦合金的必然趨勢。第7頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的成型技術鈦合金整體精密體積成形技術：通過設定具有合理組織的鑄造坯料，正確選擇和控制成形工藝參數(shù)，使產(chǎn)品組織得到細化，同時簡化了工藝，減少能耗，進一步提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，大幅提高產(chǎn)品性能：通過對ZTC4鈦合金溫變形研究發(fā)現(xiàn)，ZTC4鈦合金溫變形后經(jīng)固溶+時效處理，抗拉強度可達到1200MPa以上（其鑄件抗拉強度為900Mpa左右），伸長率可達到10%以上。采用該技術成形的制退器，材料利用率可達到75%以上，尺寸精度達IT8級，極大地降低了生產(chǎn)成本。同時減輕重量40%，提高了發(fā)射精度及穩(wěn)定性。第8頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用波音757客機的結構件中,鈦合金約占5%，用量達3640kg。在B-1轟炸機的機體結構材料中，鈦合金約占21%，主要用于制造機身、機翼、蒙皮和承力構件。第9頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用美國新型戰(zhàn)斗機F-22用鈦量約占機體總質(zhì)量的40%以上，其中發(fā)動機的葉輪盤葉片和機匣燃燒室筒體和尾噴管等均采用了鈦合金制造。在F-15戰(zhàn)斗機的機體結構材料中，鈦合金用量達7000kg，約占結構質(zhì)量的34%。第10頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用在汽車制造中的應用鈦合金具有適合于汽車要求的高強度、低密度、低彈性模量、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)異性能，可用于制造發(fā)動機氣門、連桿、氣門彈簧、彈簧座圈等，可減少汽車噪聲，節(jié)能，減少有害氣體排放。第11頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用鈦合金發(fā)動機氣門：用Ti-6A1-4V等制成的氣門比鋼制氣門輕30%~40%，極限轉(zhuǎn)速可提高20%。鈦合金連桿：用鈦合金制造連桿對減輕發(fā)動機重量最有效，能大大提高性能。連桿所用材料主要是Ti-6Al-4V，比鋼制連桿輕15%~20%。意大利的新型法拉利(Ferrari)3.5LV8與Acura（謳歌）的NSX發(fā)動機首次使用了鈦合金連桿。鈦合金彈簧類：Ti-13V-llC-3Al等合金的開發(fā)，可望用于發(fā)動機氣門彈簧、懸架彈簧上。鈦合金適于制造懸架彈簧和氣門彈簧。用鈦合金制造板簧與用抗拉強度2100MPa的高強度鋼相比，可降低自重20%。第12頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用在生物醫(yī)用材料中的應用鈦及其合金具有無毒、質(zhì)輕、比強度高、耐生物體腐蝕及良好的生物相容性等特性，是理想的醫(yī)用金屬材料，被廣泛用于人工骨、人工關節(jié)、齒科、整形外科、心臟外科、體內(nèi)支撐架及醫(yī)療器械等醫(yī)學領域。人造心臟瓣膜的外壁使用高強度鈦合金制成，其中一定含量的碳素使該瓣膜具有優(yōu)質(zhì)的噴嘴，保證了血液的良好循環(huán)。第13頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用由于鈦合金具有良好的生物相容性以及易于加工等特點，使得鈦合金在口腔修復方面的應用前景十分廣泛。

1952年瑞典科學家Branemark就開始研究鈦材在口腔中的應用，并于1965年研制出用鈦制成的種植體且應用于臨床，其性能遠遠優(yōu)于其他材料制作的種植體，迄今為止仍被廣泛應用。第14頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的應用在體育器材中的應用鈦及鈦合金也正在向體育運動器材這一應用領域進軍，目前其應用最多的是用鈦合金鑄造高爾夫球桿、球頭。

20世紀80年代末，日本開始研制鈦合金精鑄高爾夫球頭，獲得了良好效果。（北京航材院百慕高科）鈦合金的質(zhì)量輕強度高，與不銹鋼相比可以制作打擊面更大的球頭，運動員采用鈦合金球頭擊球時球感很好且擊球聲音非常悅耳。第15頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的制備技術鈦粉的制備現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)鈦和鈦合金粉末主要有以下四種方法：1）鈉還原海綿鈦粉。此種粉末產(chǎn)量大，價格便宜，粉末塑性好，宜于冷成形，是生產(chǎn)一般耐蝕制品的主要原料。但是因其含有較高的鈉和氯離子，燒結時易污染設備并使材料的焊接性能變壞。2）電解鈦粉。純度較鈉還原的海綿鈦粉高，但電解鈦粉的成形性較海綿鈦粉差。3）氫化脫氫鈦粉。通過氫化脫氫工藝可獲得質(zhì)量好、粒度細的鈦粉及其合金粉末，但是批量小、價格較貴。4）離心霧化鈦粉。上世紀60年代美國核金屬公司首先采用電弧旋轉(zhuǎn)電極法制成鈦的預合金粉末，粉末呈球形。這種合金粉末純度高、成分均勻、流動性好、裝填密度為理論值的65%。第16頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的制備技術鈦合金產(chǎn)品的制備鈦合金的制備方法有多種,有精密鑄造成形、激光成形及粉末冶金成形。傳統(tǒng)粉末冶金成形（P/M）采用傳統(tǒng)粉末冶金方法生產(chǎn)鈦合金制品主要步驟為：首先是粉末的制備，然后通過對疏松的粉末施加一定的外壓使其達到致密化，接著對壓坯進行燒結，以得到一定性能的制品。鈦合金的粉末冶金制備方法包括元素粉末法（BE）和預合金粉末法（PA）。第17頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的制備技術元素粉末法的特點是使用的粉末（如HDH粉、海綿鈦粉）價格低廉，而且元素粉相對預合金鈦粉屈服強度要低，容易成形。因此，元素粉末法有著廣泛的市場前景。預合金化粉末的生產(chǎn)方法主要有旋轉(zhuǎn)電極法和氣體霧化法等，大多是將合金熔滴快速凝固，從而獲得預合金粉，所以又稱“快速凝固法”。利用預合金化粉加工成的鈦合金具有細小的晶粒組織，可提高室溫性能及高溫超塑性的可成形性。第18頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四粉末冶金-制粉技術

1.二流霧化法根據(jù)霧化介質(zhì)（氣體、水或油）對金屬作用方式的不同，二流霧化法具有多種形式：1)垂直噴嘴：霧化介質(zhì)與金屬液流互呈垂直方向，如a所示。噴制的粉末較粗，常用來噴制鋁、鋅等粉末；2)V型噴嘴：兩股板狀霧化介質(zhì)射流呈V型，金屬液流在交叉處被擊碎，如圖b所示。特點是不易發(fā)生堵嘴，最早用此法制備不銹鋼粉末。第19頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四粉末冶金-制粉技術

3)錐形噴嘴：如圖c所示。環(huán)孔噴嘴，霧化介質(zhì)以極高的速度從若干個均勻分布的圓周上的小孔噴射出構成一個未封閉的氣錐，交匯于錐頂點，將流經(jīng)該處的金屬液擊碎。這種噴嘴霧化效率較高，但要求金屬液流對中好，而且，由于霧化介質(zhì)高速射出時會在錐中形成真空，容易造成液滴反飛，并在噴嘴上凝固而堵嘴。第20頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四粉末冶金-制粉技術

4)漩渦環(huán)形噴嘴：如圖d所示。環(huán)縫噴嘴，壓縮氣體從切向進入噴嘴內(nèi)腔，然后高速噴出形成一漩渦狀錐形體，金屬液流在錐頂被擊碎。霧化介質(zhì)與金屬液流的相互作用既有物理-機械作用，又有物理化學作用。高速流體既是使金屬液流擊碎的動力源，又是一種冷卻劑。也就是說整個過程既存在能量交換，也存在熱量交換。此外在很多情況下，霧化過程中液體金屬與霧化介質(zhì)發(fā)生化學作用使金屬液體改變成分（如脫碳、氧化），因此，霧化過程也有物理-化學過程的特點。第21頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四1）旋轉(zhuǎn)圓盤利用機械旋轉(zhuǎn)造成的離心力將金屬液流擊碎成細的液滴，然后冷凝成粉末的離心霧化，最早使用的是離心圓盤旋轉(zhuǎn)法。這種方法可以制取鐵粉、鋼粉等粉末。從漏嘴（6-8mm）流出的金屬液流被具有一定壓力的水（0.4-0.8MPa）引至轉(zhuǎn)動圓盤，被圓盤上的特殊葉片所擊碎，迅速冷卻成粉末。通過改變圓盤的轉(zhuǎn)數(shù)（1500-3500r/min），葉片的形狀和數(shù)目可以調(diào)整粉末的粒度。葉片沖擊次數(shù)低于1400次/秒時，粉末的細顆粒百分比隨沖擊次數(shù)的增加而增加。旋轉(zhuǎn)圓盤霧化法還可以借助氦氣浪沖擊已生成的粉末顆粒來強化凝固，使凝固速度達到104-1060C/s數(shù)量級。由于冷卻速率增加，粉末顆粒的顯微結構細化，合金固溶度增加，并可以形成新相。離心霧化第22頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四離心霧化2）旋轉(zhuǎn)電極霧化如圖所示，旋轉(zhuǎn)電極霧化技術應用于制取高合金粉末、活性金屬（如鋯、鈦等）粉末以及超合金粉末。把欲霧化的金屬或合金作為旋轉(zhuǎn)自耗電極，通過固定的鎢電極產(chǎn)生電弧，使金屬或合金熔化。當自耗電極快速旋轉(zhuǎn)時，離心力使熔融金屬或合金粉碎成細小的液滴飛出。電極裝于粉末收集室內(nèi)，收集室先被抽成真空，然后在霧化之前充入氬氣或氦氣等惰性氣體，液滴在尚未碰到粉末收集室的器壁之前就在惰性氣氛中凝固。這種方法生產(chǎn)的粉末純度很高，不被霧化周圍的環(huán)境所污染，氧化物含量很低。第23頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四離心霧化旋轉(zhuǎn)電極霧化的液滴形成過程如圖所示。首先，熔融金屬在旋轉(zhuǎn)固體（即陽極）邊上形成液體薄膜（薄片），然后，由于剪切力和表面張力的作用而形成條帶液片；當自由下落時，條帶成為液滴并形成球形粉末。若過熱度不夠，則液滴在球化前將凝固。旋轉(zhuǎn)電極霧化所得粉末平均粒度一般為250μm。熔化速率高，旋轉(zhuǎn)速度慢以及陽極直徑細，所得粉末的平均粒度增大。第24頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四離心霧化

旋轉(zhuǎn)電極霧化的平均粒度D可用下式表示：

D=M0。12/ωd0.64（γ/ρm）0.43式中：M為熔化速率；d為陽極直徑；ω為角速度。一般情況下，旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝參數(shù)為：熔化速率：10-7m3/s；旋轉(zhuǎn)速率：1000-5000r/min；陽極直徑：2-5cm。旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝的優(yōu)點：粉末干凈；能制得球形粉末；粒度均勻，無污染。缺點是生產(chǎn)率低，設備和加工成本較高，粉末粒度較粗。第25頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的制備技術金屬注射成形(MIM)

粉末注射成形(PIM)是粉末冶金技術同塑料注射成形技術相結合的一項新工藝，包括金屬注射成形(MIM)和陶瓷注射成形(CIM)。粉末冶金方法不能生產(chǎn)形狀復雜的產(chǎn)品。二十世紀70年代發(fā)展起來的金屬注射成形法(MIM)設計自由，能生產(chǎn)出形狀復雜、高性能、結構均勻的零部件，且其生產(chǎn)率高，有著良好的尺寸控制，因而倍受矚目。第26頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的制備技術金屬注射成形過程將粉末與熱塑性材料均勻混合，使之成為具有良好流動性能的流態(tài)物質(zhì)，而后把混合料在一定的溫度和壓力下注射成需要的形狀。這種工藝能制造出形狀復雜的坯塊，所獲得成形件經(jīng)過脫脂將粘結劑排除后再進行燒結，得到最終制品。第27頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金等溫成形技術傳統(tǒng)的熱變形方法通常是將坯料從加熱爐內(nèi)移至冷?；蝾A熱的模具中進行。在多數(shù)情況下，熱變形時的模具預熱溫度遠低于坯料溫度，在成形過程中，由于坯料與模具之間的溫差較大，會使坯料溫度急劇降低，導致材料變形抗力增加、塑性降低。尤其是對于小型制品或表面積比很大的帶窄筋、薄腹板的制品，薄壁處溫度的降低非?？臁嶙冃纬尚芜^程中，坯料溫度的降低將引起：

1）材料塑性流動能力降低、變形抗力提高，不僅使設備功率增加，增加成本，而且降低模具的使用壽命；

2）由于材料變形溫度的降低，會在坯料中產(chǎn)生不均勻的溫度場，形成難變形區(qū)或局部變形區(qū)，從而引起材料組織與性能的不均勻。第28頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金等溫成形技術通過將坯料加熱到實際變形溫度以上，或經(jīng)過多次成形，可以適當解決坯料在成形過程中溫度降低的問題，但是:1）浪費能源;2）增加坯料的加熱時間，引起金屬組織粗大，塑性和強度降低;3）制品形成表面氧化層、脫碳層，需要加大加工余量，使材料利用率降低，增加了產(chǎn)品的制造成本，這一點對于稀有貴金屬材料表現(xiàn)得更為突出。

等溫成形方法是通過模具和坯料在變形過程中保持同一溫度來實現(xiàn)的，從而避免了坯料在變形過程中溫度降低和表面激冷的問題。等溫成形的特點：

1）降低材料的變形抗力；

2）提高材料的塑性流動能力；

3）尺寸精度高、表面質(zhì)量好、組織均勻、性能優(yōu)良；

4）模具使用壽命長；

5）材料利用率高。第29頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的特點等溫成形由于克服了常規(guī)熱變形過程中坯料溫度變化的問題，因此具有如下一些特點：

1）降低材料的變形抗力在等溫成形過程時，由于坯料與模具的溫度基本一致，因此坯料的變形溫度不會降低。在變形速度較低的情況下，材料軟化過程進行的比較充分，使材料的變形抗力降低。此外，也可以使用具有一系列優(yōu)良的工藝和使用性能的玻璃潤滑劑，進一步降低變形抗力；可選用占用空間小，節(jié)約能源的低功率設備。第30頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的特點

2）提高材料的塑性流動能力等溫成形的突出特點之一是可提高材料的塑性流動能力。由于等溫成形時材料的變形時間延長，可使材料的軟化過程充分進行，提高材料的塑性流動能力，并使缺陷得到愈合。這就使形狀復雜、具有窄筋、薄腹制品的成形成為可能、也為成形低塑性的難變形材料提供了有效手段。

3）尺寸精度高、表面質(zhì)量好、組織均勻、性能優(yōu)良由于坯料變形溫度基本保持恒定，可使材料在較低的溫度下進行成形加工，而且可以采用一次成形。等溫成形的坯料加熱溫度比常規(guī)變形低100～400℃，加熱時間縮短2/3-1/2，從而減少了氧化、脫碳等缺陷，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。第31頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金及其制備技術

4）模具使用壽命長雖然等溫成形，尤其是等溫模鍛時所用模具材料及加工費用較高，加工精度的要求也較高，但是在等溫成形過程中，由于模具是在準靜載荷、低壓力、無交變熱應力條件下工作，并且可以使用一系列具有優(yōu)良的工藝和使用性能的潤滑劑，因此模具的使用壽命比常規(guī)熱變形模具高。等溫成形零件通常采用一道工序進行成形，只需要一套模具，而常規(guī)熱變形一般需要多道工序、多套模具。因此，總體來說，采用等溫成形可提高模具使用壽命，降低模具成本。5）材料利用率高等溫成形可以通過減少加工余量、提高產(chǎn)品尺寸精度來減少金屬消耗。例如，生產(chǎn)同一渦輪發(fā)動機零件，等溫鍛造所用的原料只有常規(guī)熱模鍛的1/3左右。第32頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的適用范圍根據(jù)等溫成形的特點以及常規(guī)熱變形的不足，等溫成形的適用范圍主要包括以下幾個方面：

1）低塑性材料的成形采用等溫成形的方法，可以成形用常規(guī)變形方法不能加工的低塑性、難變形材料。如鈦合金、耐熱合金及高合金鋼，其變形溫度范圍比較窄，采用等溫條件下的變形顯得非常重要；采用等溫成形方法，在變形溫度為900℃，應變速率為2×10-3/s的無潤滑的條件下，可將鈷鉻鎢鉬合金單向壓縮至60％，坯料未產(chǎn)生裂紋；在變形溫度為900℃，應變速率為2×10-2/s的條件下，可將灰口鑄鐵單向壓縮至53％，坯料未產(chǎn)生裂紋。第33頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的適用范圍

2）優(yōu)質(zhì)或貴重材料的成形對鈦及鈦合金、銅及銅合金，以及高溫合金、復合材料等，采用常規(guī)熱變形方法成形這些優(yōu)質(zhì)或貴重材料，通常需要加大加工余量，使材料成本和機械加工成本大為提高，造成不必要的浪費。例如某些飛機用鈦合金零件，由于形狀復雜，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求非常，材料利用率僅為5％-15%左右，大部分材料均因機械加工而成為廢屑。同時由于鈦合金的機械加工難度較大，機械加工費用和工具費用比其它材料高了5-10倍。而采用等溫成形工藝，可以成形小拔模斜度或無拔模斜度的零件，以及有明顯階梯截面、過渡半徑較小的鍛件，大大減小加工余量，節(jié)約材料，降低成本。例如，采用等溫成形方法制造的帶葉片的盤形件，成形后不需要進行切削加工，與常規(guī)變形方法相比，節(jié)約材料50%以上。第34頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的適用范圍

3）形狀復雜的高精度零件的成形。采用等溫成形的方法，可以成形具有高窄筋、薄腹板以及形狀復雜的高尺寸精度的結構零件，而這些零件采用常規(guī)的塑性加工方法進行成形往往是非常困難的，甚至是不可能的。等溫成形技術使以往以機械加工為主要制造方法的鉚接與螺釘緊固的組合件，被大型整體結構件所代替提供了可能性，為降低成本、減輕構件重量提供了有效的手段，對航空、航天器的設計制造產(chǎn)生了巨大的影響。第35頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等溫成形技術的適用范圍

4）采用低壓力成形大型結構零件。等溫條件可以擴大材料成形的工藝參數(shù)范圍，例如通過降低應變速率，可以使材料在較低的變形溫度下具有較高的塑性，降低成形壓力。例如，在缺少大功率設備時，降低應變速率，利用坯料在模具中的保壓，可以實現(xiàn)大型結構零件的成形。

5）研究材料的塑性變形規(guī)律。由于常規(guī)熱變形過程中變形溫度是不斷變化的，物理模擬試驗與實際加工過程存在較大的差異。等溫成形是塑性成形的一種特殊情況，等溫物理模擬試驗與實際等溫成形時的條件相差較小，等溫物理模擬試驗的結果可以有效地指導實際等溫成形工藝的設計，可以研究材料在特殊條件下的塑性變形規(guī)律。第36頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的等溫成形性圖9-12給出了TC4鈦合金的伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性a、抗拉強度、沖擊壓縮極限變形程度、靜態(tài)壓縮極限變形程度隨溫度的變化規(guī)律。從圖9-12可以看出，TC4鈦合金的熱加工溫度范圍為800-1200℃，即使在高溫變形條件下，鈦合金的變形抗力也比一般鋼鐵材料高。在鈦合金鍛造時，即使鍛件溫度有少許降低，也將導致變形抗力大大提高。因此，鈦合金的鍛造溫度范圍通常比較窄。第37頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四鈦合金的等溫成形制品第38頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等靜壓技術(IP)

等靜壓制過程：是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)。高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉末上，粉末體在同一時間內(nèi)在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強度較高的壓坯。

等靜壓制分為冷等靜壓、準等靜壓和熱等靜壓制。

冷等靜壓制：物料被裝入彈性模套內(nèi)，然后放置在高壓容器內(nèi)。壓力泵將過濾后的流體注入壓力容器內(nèi)使彈性模套受壓，施加壓力達到所要求的數(shù)值后，開啟回流閥使流體返回儲罐內(nèi)備用。

冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式分為濕袋模具和干袋模具。第39頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等靜壓技術(IP)

濕袋模具壓制：把無須外力支持就能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉料，用橡皮塞塞住袋口，然后套裝入穿孔金屬套并一起放入高壓容器中，使模袋浸泡在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。優(yōu)點：能在同一壓力容器內(nèi)同時壓制各種形狀的壓件，模具使用壽命長，成本低。缺點：裝袋脫模過程中耗時較多。第40頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等靜壓技術(IP)干袋壓制法：干袋固定在筒體內(nèi)，模具外層襯以穿孔金屬護套板，粉末裝入模袋內(nèi)由上層封蓋密封，高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓，壓力去除后即從模袋內(nèi)取出壓塊，模袋仍然留在容器內(nèi)供下次使用。優(yōu)點：生產(chǎn)率高（10-15個/min），易于實現(xiàn)自動化，模具使用壽命長。第41頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四等靜壓技術(IP)準熱等靜壓：采用一種高溫下具有流體特性的顆粒（如石墨顆粒、陶瓷顆粒）作為傳遞壓力的介質(zhì)以代替熱等靜壓制所用的惰性氣體。工作時將預燒過的粉末預制件在保護氣氛中加熱至致密化溫度，將作為加壓介質(zhì)的石墨或陶瓷顆粒也加熱至相同溫度并充填于加熱容器中，然后將經(jīng)過壓制的預制件插入其中，石墨或陶瓷顆粒的流動將施加的單向壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榈褥o壓施加于預制件上，使之在保持原來形狀的基礎上致密化。第42頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四熱壓技術熱壓又稱加壓燒結，是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時使粉末加熱到正常燒結溫度或更低一些，經(jīng)過較短時間燒結獲得致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結兩個工序一并完成，可以在較低的壓力下迅速獲得冷壓燒結所達不到的密度。原則上凡是用一般方法能制得的粉末零件都適于熱壓方法制造，尤其是制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。熱壓模一般為高速鋼及其他耐熱合金，但是使用溫度通常在8000C以下，當溫度更高（1500-20000C時），應采用石墨材料，但承壓能力卻降低到70MPa以下。第43頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四熱等靜壓技術熱等靜壓：把粉末壓坯裝入特制容器內(nèi)（粉末包套）的粉末體置入熱等靜壓高壓容器內(nèi)，施以高溫高壓，使這些粉末體被均勻壓制和燒結成致密的零件或材料的過程稱為粉末熱等靜壓。特點：粉末體在等靜壓高溫高壓內(nèi)同一時間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用，可以強化壓制與燒結過程，降低制品的燒結溫度，改善制品的組織結構，消除材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，提高材料的致密度和強度。熱等靜壓機的壓力容器是用高強度鋼制成的空心圓筒體，直徑一般為150-1500mm，高500-3500mm，工件的體積在0.028-2m3之間。通常的壓力范圍為7-200MPa，最高使用溫度為1000-2300℃。第44頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四熱等靜壓技術熱等靜壓技術的優(yōu)點：1）粉末HIP制件密度高，相對密度可達99.80-99.99%；2）HIP件密度分布均勻，一般密度差在1%左右；3）能夠制造長徑比很大的制件，如直徑40mm長1.6m的硬質(zhì)合金軋輥；4）能夠生產(chǎn)形狀復雜和近終形的零件，降低成本；5）HIP產(chǎn)品性能優(yōu)異。HIP硬質(zhì)合金模具壽命提高4倍以上。HIP高速工具鋼、高溫合金、鈦合金無偏析，晶粒細小，熱加工性能大幅度改善；有利于處理有毒材料，如核燃料元件和鈹合金零件的成形。第45頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料與制備技術1.材料分類泡沫材料：即多孔材料，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網(wǎng)絡結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。

典型的孔結構有：一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構，由于其形狀類似于蜂房的六邊形結構而被稱為“蜂窩”材料；更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構,通常稱之為“泡沫”材料。目前沒有一個統(tǒng)一、嚴格、公認的定義。多數(shù)學者將多孔材料和泡沫材料視為等同概念。第46頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的分類第47頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的分類硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料

多孔材料在自然界中普遍存在，如木材、軟木、海綿和珊瑚等。

有機泡沫材料：如聚氨酯泡沫材料、聚丙烯樹脂的粒料型泡沫材料、橡膠塑料泡沫材料、酚醛泡沫等。

石墨泡沫材料：即碳泡沫材料，可替代聚合物基體泡沫、巴沙木、金屬蜂窩、膨脹氈、陶瓷纖維隔熱材料、塑料、玻璃纖維和橡膠。第48頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的分類

高分子發(fā)泡材料是國家產(chǎn)業(yè)政策重點發(fā)展的行業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。隨著國家對新材料行業(yè)的日益重視，高分子發(fā)泡材料無論是在產(chǎn)量、銷量還是生產(chǎn)技術、生產(chǎn)工藝、新產(chǎn)品的研發(fā)等方面，都取得了較快的發(fā)展。

高分子發(fā)泡材料分為軟質(zhì)發(fā)泡材料和結構泡沫材料，其中軟質(zhì)發(fā)泡材料根據(jù)其采用的發(fā)泡原材料的不同，又分為發(fā)泡塑料和發(fā)泡橡膠。

軟質(zhì)發(fā)泡材料是以塑料粒子和橡膠等為原材料，加以催化劑等輔料通過物理發(fā)泡或交聯(lián)發(fā)泡使塑膠材料發(fā)泡（開孔或閉孔型），體積增加，密度降低，達到緩沖、吸音、吸震、保溫、過濾的效果，被廣泛應用于IT行業(yè)、家電產(chǎn)品、汽車、體育休閑等領域。

結構泡沫材料是以塑料粒子（PVC為主）等為基礎，通過貫穿的芳香酰胺聚合網(wǎng)絡修正的發(fā)泡材料，具有密度低、強度高的特點，做成夾芯結構后，可以大大增強力學性能，但幾乎不增加重量，主要應用于風力發(fā)電、軌道交通、船舶游艇、航空航天、建筑節(jié)能等行業(yè)。第49頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的分類多孔泡沫金屬是一種金屬基體中含有一定數(shù)量、一定尺寸孔徑、一定孔隙率的金屬材料。概括起來，主要有如下分類方式

1）按孔徑和孔隙率的大小分為兩類：多孔金屬和泡沫金屬?？讖叫∮?.3mm，孔隙率在30%到90%稱為多孔金屬；而孔徑在0.5到6mm，孔隙率大于90%的稱為泡沫金屬；

2）按孔的形狀特征分類：具有通孔結構的稱為多孔金屬，具有閉孔結構的稱為泡沫金屬。但用得最多的是多孔金屬和泡沫金屬且多數(shù)都將兩者視為等同的概念。目前更為合適的名稱為多孔泡沫金屬。陶瓷泡沫材料泡沫鋁第50頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四國內(nèi)外最新進展

石墨泡沫：美空軍材料實驗室開發(fā)了一種碳泡沫，首先用于替代昂貴的三維編織纖維預制品。美橡樹嶺國家實驗室發(fā)明了一類高溫導熱石墨泡沫，研究了不同先驅(qū)中間相瀝青制備的各種密度石墨泡沫的熱導率、熱導率與電阻率的關系、低溫熱導率與溫度的關系、與其他聲學泡沫吸聲效率的比較，以及反射電磁能量的能力。美試金石實驗室制備了密度0.3～0.5g/cm3碳泡沫材料，研究了熱處理對材料機械和熱性能的影響，以及碳泡沫材料的微觀結構。日本E-TEC公司研制成密度分別為1.4g/cm3,0.3～0.8g/cm3

的兩種碳泡沫材料。

鋁合金泡沫金屬：Lehmhus等人通過對泡沫金屬連續(xù)增加或減少載荷，研究泡沫鋁合金的力學性能。得到在連續(xù)受力條件下，鋁合金泡沫金屬各種合金組分對加載后斷裂情況的影響。同時，得到不同合金成分對鋁合金泡沫金屬吸收能量的影響。為了把泡沫鋁合金應用于汽車工業(yè)，Baumeister等人通過改變泡沫鋁合金的成分，對其吸收能量性能進行了測試，得出吸收能量和塑性變形之間的關系。這樣可以根據(jù)實際情況，制備所需能量吸收值的泡沫鋁合金第51頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四國內(nèi)外最新進展鈦合金泡沫金屬：鈦合金作為人體植入材料廣泛應用于骨骼、關節(jié)、血管以及牙齒的修復等。但是一般鈦合金的楊氏模量高于骨頭的楊氏模量，使得鈦合金做為骨架的支撐體，與骨架本體在受力條件下變形不協(xié)調(diào)。鈦合金泡沫金屬的出現(xiàn)將很好地解決這個問題。研究表明，隨著空隙率的增加，泡沫鈦合金楊氏模量是增加的。利用它們的這種關系，通過控制空隙率來控制泡沫鈦合金的楊氏模量。泡沫硅：當光照射泡沫硅的時候，泡沫硅可以折射出特征光線，應用此性能可以探測空氣和水中的小分子和生物體。研究表明，泡沫硅可以在空氣中發(fā)射藍光，可以使用經(jīng)過電拋光處理的泡沫硅做為藍光光源，應用于各種光學儀器中，并且可以用于組裝成微電子電路。

研究已證實泡沫硅在一定外界條件下，具有鐵磁性能。這樣人們考慮應用泡沫硅來替代隨機存儲器的磁性核心，并且有望制造出標準硅片集成器。第52頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用航空領域：在航空領域，一般用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結構，火箭發(fā)動機、熱防護系統(tǒng)、裝甲系統(tǒng)等，如機翼金屬外殼的支撐體、導彈的防外殼高溫坍塌支撐體、雷達鏡的反射材料等。如果采用定向凝固方法把發(fā)動機葉片制成多孔結構，將大大減輕發(fā)動機重量，提高葉片的冷卻能力，有效地提高發(fā)動機性能。航空工業(yè)對結構泡沫芯材的需求也占到一定的市場份額。隨著國內(nèi)大飛機項目上馬，未來對結構泡沫芯材的需求將快速增長。航天飛機外部燃料箱第53頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用能源領域：如泡沫鎳作為電極材料用于Ni-Cd電池的電極時，能效可提高90%，容量可提高40%，并可快速充電；輕質(zhì)高孔率的發(fā)泡基板和纖維基板等多孔金屬材料與傳統(tǒng)燒結基板材料相比，可使鎳材消耗降低約一半，極板質(zhì)量減少12%左右，并大大提高能量密度。隨著低碳減排的概念日進人心，用結構泡沫制成的節(jié)能建筑材料也開始被更多的用于結構制成建筑幕墻，可以減輕墻體重量，提高墻體保溫隔熱的效果，并且具有良好的隔音、阻燃和耐腐蝕性。第54頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用汽車是金屬泡沫材料最有希望也是最大的應用領域。輕質(zhì)、高剛度且有吸能和隔音性能的泡沫鋁已在汽車上得到應用，如頂蓋板、底蓋板和滑動頂板等高剛度構件。德國Karmann汽車公司在跑車上采用三明治式復合泡沫鋁板取代鍛造鋼板制造汽車橫壁板和后板，重量減輕25Kg，剛度提高700。金屬泡沫材料還具有吸能和隔音等多重功能。第55頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用在生物材料方面，鈦等多孔材料由于與人體組織有良好的相容性且對人體無害而得到廣泛應用，有機硅泡沫材料等在醫(yī)學上作為矯形外科用的填充和修補材料，如骨科、牙科等。如果采用定向凝固的方法制造多孔人工骨，除了有利于骨組織的生長外，還能通過孔隙率來調(diào)整彈性模量，使其與人骨相近，同時具有很好的減振效果，在保證力學性能的同時實現(xiàn)結構和性能上與人骨的進一步親和。第56頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用在過濾與分離方面，泡沫材料具有優(yōu)良的滲透性，適合于制備多種過濾器。利用通孔多孔金屬的孔隙對流體介質(zhì)中固體粒子的阻留和捕集作用，將氣體或液體進行過濾與分離，從而達到介質(zhì)的凈化或分離作用。多孔金屬過濾器可用作從液體（如石油、汽油、致冷劑、聚合物熔體和懸浮液等）及空氣或其它氣流中濾掉固體顆粒。全金屬過濾器第57頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用絕熱型浸水保溫服（救生服、救生衣、救生圈）泡沫材料具有很大的比表面積，也適合于制造熱交換器件，通孔體適用于換熱器、加熱器和散熱器。閉孔金屬泡沫材料的導熱系數(shù)很低，僅為純金屬的1/5～1/150，可用作絕熱材料，其強度及耐熱性能優(yōu)于相應的傳統(tǒng)材料。第58頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料的應用泡沫材料還可用作吸聲材料。吸聲材料需要同時具有優(yōu)良的吸聲效率、透聲損失、透氣性、耐火性和結構強度。金屬泡沫材料被廣泛用于建筑和自動辦公設備等，兼具裝飾的功能。在汽車上，可用于既要求高吸聲性能又要求良好絕緣性能的零部件。泡沫材料也可在流體流量控制領域得到廣泛應用。一般認為，用粉末冶金方法制備的材料制造的流體限流器比傳統(tǒng)的千分尺限流器具有更高的可靠性和精確度。金屬泡沫材料已用于風洞的流體校直器以及氣體或液體的計量器、自動化系統(tǒng)中的信號控制延時器等。泡沫材料還具有優(yōu)異的電磁波吸收性能，可用于電磁屏蔽、電磁兼容器件。第59頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四泡沫材料制備技術-固態(tài)金屬燒結法1.金屬中空球燒結法金屬中空球燒結法是通過將金屬中空球燒結，使之擴散結合而制造泡沫金屬的方法。此方法制造的泡沫金屬材科兼有開孔和閉孔。金屬中空球可通過下述方法制備：在球型樹脂表面上化學沉積或電沉積一層金屬，然后將樹脂除去；或?qū)渲蚝徒饘俜垡煌旌?，隨后燒結使金屬粉結合，同時樹脂球揮發(fā)。第60頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四固態(tài)金屬燒結法

2.金屬粉末燒結法

金屬粉末燒結法又叫粉末冶金法(PM)，是用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作原料，也可以用金屬纖維代替金屬粉末，經(jīng)成形和燒結制造泡沫金屬材料、復合材料及各種類型制品的工藝過程。此法工藝簡單，成本較低，在銅、不銹鋼、鈦、鎳等金屬上應用比較廣泛，制出的泡沫金屬的特點為透過性能良好，孔徑、孔率可調(diào)，比表面積大，耐高溫和低溫等，但孔隙率較低（40%~60%），強度低。第61頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四固態(tài)金屬燒結法3.其它燒結法粉漿法用金屬粉、發(fā)泡劑和有機載體組成懸浮液,將其攪拌成含有泡沫的狀態(tài)，然后將其置入模具中進行加熱焙燒,而得到固態(tài)的具有多孔結構的金屬的方法。這種方法最初用于制作發(fā)泡Be、Fe、Cu和不銹鋼材料,后來也用于生成泡沫鋁,但產(chǎn)品強度很低。浸漿海綿燒結法海綿狀的材料也可作為生成高孔隙率、均勻的發(fā)泡金屬材料的暫時性支持結構。將海綿狀的有機物質(zhì)切成所需形狀,然后用含有待加工的金屬粉末的漿液滲透(懸浮液的載體是水和有機液體)。將浸后的海綿狀有機物干燥以除去溶劑,然后加熱使有機物體分解，最后在更高的溫度下進一步加熱燒結,冷卻后即得到高孔隙率的三維結構的發(fā)泡金屬。第62頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四固態(tài)金屬燒結法3.其它燒結法纖維冶金法用通過機械拉拔或其它方法得到的有色和黑色金屬絲,通過粉漿澆注或機械制氈圈的方法將金屬絲制成氈圈,然后進行燒結,使之達到所需強度和孔隙率。所得到的金屬絲粉末有機多孔材料具有如下優(yōu)點:可獲得比粉末燒結更高的孔隙率;氣孔全部為相互貫通的連通孔;多孔材料即使在高孔隙率的情況下,也很容易進行彎曲加工;具有良好的透過性。添加造孔劑法在金屬粉末中,添加一定比例的造孔劑，混合均勻后，通過壓力加工方法(模壓、擠壓或軋制)獲得具有一定密度、強度并含有造孔劑的預制件,將此預制件燒結，造孔劑在燒結過程中或在燒結后去除,可以獲得高孔隙率(30～90%)的通孔金屬泡沫。甲基纖維素等有機造孔劑可在燒結過程中去除，NaCl等無機造孔劑可在燒結過程后去除，孔結構可以通過造孔劑的大小和數(shù)量進行控制。第63頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四液態(tài)金屬凝固法1.滲流鑄造法又叫顆粒鑄造法，具體的工藝是：首先將無機顆粒甚至有機顆?；虻兔芏戎锌涨蛑苯佣逊e置于鑄模內(nèi)，或制成多孔預制品后放入鑄模內(nèi)，把熔融金屬在(高、負)壓力的作用下滲入這些堆積體或預制體的孔隙中滲入金屬熔體進行鑄造，除去預制體得到多孔金屬材料，顆粒的除去方式可采用溶解濾除和熱處理法。此方法可制備包括鋁、鎂、鋅、鉛等多種泡沫金屬，所得多孔材料均為海綿體，孔隙率在50%～70%以上，孔結構與所用粒子形狀、大小及燒結條件有關。其優(yōu)點是制造成本低，可根據(jù)顆粒尺寸分布來控制泡沫材料的孔洞尺寸及其分布，缺點是液態(tài)金屬在滲流過程中不能完全填充顆粒之間的孔隙會造成很大的缺陷。第64頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四液態(tài)金屬凝固法

2.熔體發(fā)泡法熔體發(fā)泡法是將熔融金屬的粘度調(diào)節(jié)合適后，摻入發(fā)泡劑，然后加熱使發(fā)泡劑分解釋放出氣體，氣體由于受熱膨脹從而推動起泡過程，引起熔體的直接發(fā)泡，經(jīng)冷卻后即可形成泡沫金屬。此法的優(yōu)點是可以適用于黑色金屬泡沫的生產(chǎn)，缺點是金屬內(nèi)部氣泡分布不均勻且局部氣泡尺寸過大，主要用于鋁、鋁合金、鉛、錫、鋅等一些低熔點金屬。而發(fā)泡劑通常采用的是TiH2、ZrH2、CaH2、ErH2等粉末金屬氫化物。熔體發(fā)泡法的優(yōu)點是工藝簡單、成本低廉。但要求發(fā)泡劑在金屬熔點附近能夠迅速起泡，選擇合適的金屬發(fā)泡劑就成為該方法的關鍵所在。改進的方法：采用高速攪拌使得發(fā)泡劑顆粒迅速均勻的分散；增大金屬的粘度從而防止氣泡的上浮和結合長大。第65頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四液態(tài)金屬凝固法

3.熔模鑄造法

熔模鑄造法是將泡沫塑料填充入鑄型內(nèi)，將其浸入到液態(tài)耐火材料中，使耐火材料充滿泡沫塑料孔隙。在耐火材料硬化后，升溫加熱使泡沫塑料氣化分解，形成一個具有原泡沫塑料形狀的三維骨架，將液態(tài)金屬澆注到鑄型內(nèi)，凝固后把耐火材料去除，就可得到具有三維網(wǎng)狀通孔的與原泡沫塑料形狀一致的金屬泡沫。第66頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四液態(tài)金屬凝固法

4.氣體注入法：也稱熔體吹泡法，在熔融的金屬中加入增稠劑顆粒，通過一個可以震動的噴嘴通入氣體，并不停的攪拌使得在液態(tài)金屬中形成細小的氣泡，氣泡逐漸向熔體表面漂浮直到液態(tài)金屬凝固，通過控制液態(tài)金屬的冷卻速度和氣體的注入過程來調(diào)節(jié)泡沫金屬的孔隙率或相對密度。氣體可以是空氣、水蒸氣、氧氣、二氧化碳和惰性氣體等。這種方法具有簡便、易控、產(chǎn)品孔隙率高、可連續(xù)生產(chǎn)大體積的泡沫材料等優(yōu)點，是較為廉價的制備方法。缺點是氣泡尺寸不均勻，增稠劑顆粒分布不均勻以及加工性差等，一般用于制造泡沫鋁。制出的泡沫鋁孔隙率約80％～98％，平均孔徑約為3～25mm。第67頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四金屬沉積法1.氣相蒸發(fā)沉積法在較高惰性氣氛中，緩慢蒸發(fā)金屬材料，蒸發(fā)出來的金屬原子在前進過程中與惰性氣體發(fā)生一系列碰撞、散射作用，迅速失去動能，從而部分凝聚起來，形成金屬煙。金屬煙在自重作用及惰性氣流的攜帶下沉淀，且在下行過程中繼續(xù)冷卻降溫，最后達到基底。因其溫度低，原子難以遷移。此技術生產(chǎn)的泡沫金屬與具有宏觀結構的泡沫金屬不同，它是由大量亞微米尺度的金屬微粒和微孔隙所構成，其密度約為母體金屬密度的3％～10％。2.噴射夾氣沉積法噴射夾氣沉積法就是在一定惰性氣體分壓下，采用陰極噴射的方法在基體材料上沉積出夾雜惰性氣體原子的金屬。然后加熱至金屬熔點以上充分保溫，使夾雜的氣體膨脹而產(chǎn)生孔隙，冷卻后得到具有閉孔結構的多孔金屬材料。第68頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四金屬沉積法3.噴霧夾帶沉積法噴霧形成技術可制備不同的金屬和合金。將金屬熔體連續(xù)霧化，產(chǎn)生快速飛濺的細小金屬霧珠，沉積收集于金屬基體上。為改善和提高金屬沉積物性能，可在霧化沉積過程中將氧化物、碳化物或純金屬等粉末注入霧狀物，使它們與液態(tài)金屬霧珠起反應或被液態(tài)金屬霧珠浸潤，從而結合到金屬中一并沉積，最后得到金屬基復合材料。如果注入的粉末物質(zhì)在與熔融金屬接觸時可分解并釋放大量的氣體，則會在沉積物中產(chǎn)生孔隙從而制備出多孔金屬材料。本方法制出的多孔體孔隙率可達60％，但孔隙不均勻。第69頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四金屬沉積法4.電沉積法電沉積技術以金屬的離子態(tài)，亦即電解質(zhì)中的離子溶液為起點，將金屬電鍍于開孔的聚酯泡沫基體上，然后去除聚合物而得到泡沫金屬，主要過程分基材預處理、導電化處理、電沉積和還原燒結四步。因此該工藝與模型鑄造法一樣，沒有金屬態(tài)的真正發(fā)泡過程。目前國內(nèi)外普遍采用電沉積進行高孔率金屬材料的大規(guī)模制備，其產(chǎn)品不但孔隙高（達80％～99％），而且孔結構分布均勻，孔隙相互連通。該法以高孔率開口結構為基體，一般采用三維網(wǎng)狀的有機泡沫，常用的有聚氨基甲酸乙醇、聚脂、烯聚臺物、乙烯基和苯乙烯聚合物及聚酰胺等，也可采用纖維氈等。目前已通過電沉積法得到了泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鉛等金屬泡沫材料。第70頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四GASAR法固-氣共晶定向凝固法(Gasar工藝)是一種制備多孔金屬的新穎的工藝方法，最早由烏克蘭學者Shapovalov提出，可得到氣孔排列方向、形狀、氣孔率和孔徑分布可控的定向規(guī)則多孔結構。制備出的具有規(guī)則孔隙結構的多孔材料被命名為Gasarite，有時也直接稱其為Gasars。由于通常得到的多孔結構形狀跟藕根相似,日本大阪大學Nakajima等人稱該種多孔材料為藕狀(Lotus-type)多孔材料。Gasarite具有連續(xù)的基體和光滑表面、幾何形狀規(guī)則的氣孔,正是這種特殊的均勻孔隙結構賦予了Gasarite材料高的強度、剛度以及良好的導熱和導電性能。第71頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四GASAR法Gasar工藝基本原理Gasar技術是根據(jù)氣體-金屬體系中固-氣共晶原理發(fā)展起來的。在眾多金屬-氫體系中(如Cu-H,Fe-H,Mg-H,Al-H,Ti-H等)能觀察到固-氣共晶反應；一些金屬-氧(Ag-O,Fe-C-O,Cu-O)、金屬-氮(Fe-N,Ni-N,Cu-N)體系以及某些能夠溶解H2、N2或O2的陶瓷也有望應用Gasar工藝，已成功制備出了Cu、Mg、Ni、Ag、Fe、碳鋼、不銹鋼、Si、Al2O3

陶瓷等的規(guī)則多孔結構。工藝過程在一定的高壓氣氛下熔化不會形成氣體化合物(如氫化物)的金屬或合金，保溫后，氣體大量溶解于熔體中，在隨后的定向凝固中，由于氣體在固相和液相中的溶解度差異，凝固界面處過飽和氣體析出形成氣孔，同時金屬也凝固成相應的固相。若工藝控制合適，固相和氣相耦合生長并穩(wěn)定向前推進，最終獲得圓柱狀氣孔定向排列于金屬基體中的多孔結構。第72頁，共81頁，2023年，2月20日，星期四多孔金屬的性能

比重小，比強度大金屬中存在大量的孔洞，材料的比重顯著減小，多孔模具鋼的比重經(jīng)測試只有5.0g/cm3，比無孔的該材料減少34.2%。鋁合金或鎂合金的多孔材料，它們的比重可以小于1，外表面是致密的可以浮出水面。在材料的輕量化時，材料的形狀因子是一個關鍵因素，形狀因子包括了宏觀形狀因子和微觀形狀因子。在機械設計時采用空心管，工字型、∏字型等異形截面材料，是改變宏觀形狀因子的措施；將材料制備