基于冶金技術(shù)對(duì)金屬材料制造的影響研究

郝曉宇

摘要：針對(duì)金屬材料制造，本綜述初步概述了目前金屬零件加工的冶金技術(shù)，特別是粉末床熔合和定向能沉積技術(shù)，以及目前在金屬材料面臨的挑戰(zhàn)，最后對(duì)金屬材料冶金技術(shù)的研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：冶金技術(shù);金屬材料;制造;工藝

1 引言

材料制造在不變形、不去除材料的情況下，通過(guò)逐層、逐點(diǎn)或逐線的材料添加過(guò)程來(lái)生產(chǎn)三維物體[1]。與銑、焊、鑄造、成形、鍛造和車削等傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，材料制造復(fù)雜幾何形狀零件的能力，以及顯著的時(shí)間、成本和廢料減少，使該技術(shù)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。冶金技術(shù)用于金屬加工，包括商業(yè)化的選擇性激光燒結(jié)，商業(yè)化的選擇性激光熔化，商業(yè)化的電子束熔化電弧、熔滴工藝和基于焊接技術(shù)的焊絲和電弧增材制造。

目前的金屬金屬材料工藝研究表明，不同的工藝參數(shù)對(duì)金屬構(gòu)件的凝固、冶金及其組織和力學(xué)性能都有顯著影響[2]。特別是能量密度，它是熱源功率、掃描速度、艙口/掃描線間距和層厚等單個(gè)加工參數(shù)的集合項(xiàng)，得到了廣泛的研究。因此，本文的目的是概述金屬材料冶金加工研究的最新進(jìn)展。首先，根據(jù)ISO/ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金屬部件的冶金技術(shù)進(jìn)行分類和描述，主要集中在粉末床熔化和定向能量沉積類別。然后提出了金屬冶金工藝目前面臨的挑戰(zhàn)。最后對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后進(jìn)一步的先進(jìn)金屬材料加工冶金技術(shù)進(jìn)行了展望。

2 冶金技術(shù)加工金屬材料的操作機(jī)制

利用冶金技術(shù)加工金屬材料時(shí)，了解工藝參數(shù)與凝固和冶金機(jī)制之間的關(guān)系是很重要的。這是因?yàn)椴⒎撬械膶?shí)際應(yīng)用都需要的致密結(jié)構(gòu)，如過(guò)濾器、熱交換器和制冷機(jī)等產(chǎn)品都需要一定的孔隙率[3]。因此，需要選擇合適的加工設(shè)備和工藝，以及合適的加工參數(shù)來(lái)制造這種人工制品。這些冶金技術(shù)過(guò)程的操作機(jī)制根據(jù)使用的機(jī)器類型而不同，通常涉及三種類型：（1）通過(guò)激光或電子束向被加工材料發(fā)射的強(qiáng)熱源;（2）原料材料的冶金結(jié)合;（3）粘結(jié)劑在原料上的沉積[4]。它們影響原料固化成完整部件的方式，即固化機(jī)制。此外，這些過(guò)程還表現(xiàn)出復(fù)雜的冶金機(jī)制，取決于所使用的加工參數(shù)（如激光功率和掃描速度）、材料特性和化學(xué)成分。這些不可避免地導(dǎo)致了零件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化。因此，就期望的凝固水平和力學(xué)性能而言，成功制造商用金屬零件取決于機(jī)器的類型、使用的工藝參數(shù)和預(yù)期的應(yīng)用。

3 金屬部件的冶金技術(shù)

金屬部件的冶金技術(shù)可以是單步過(guò)程，也可以是多步過(guò)程。單步金屬冶金工藝意味著，最終零件所需的幾何形狀和性能可以在單個(gè)層完全凝固后直接獲得。另一方面，多步金屬冶金工藝是指在多層凝固后直接獲得所需的幾何形狀，但需要進(jìn)一步加工才能提高零件的力學(xué)性能。然而，大多數(shù)金屬冶金工藝是多步驟的，因?yàn)闊崽幚砗蜔岬褥o壓等后處理措施是為了提高屈服和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，并實(shí)現(xiàn)良好的冶金機(jī)制。粉末床熔化和定向能量沉積過(guò)程的凝固機(jī)理相似，都是將原料完全熔化，然后將凝固的材料層連接起來(lái)形成完整的結(jié)構(gòu)。然而，在冶金技術(shù)加工過(guò)程中產(chǎn)生許多復(fù)雜的物理和冶金現(xiàn)象。

3.1 粉末床熔化

在粉末床熔化工藝中，利用激光或電子束的集中熱能選擇性地熔化或燒結(jié)一層粉末層。金屬材料有燒結(jié)（部分熔化）和原料熔化兩種方法。在粉末床熔化系統(tǒng)中，粉末床是通過(guò)將金屬粉末層從粉末分配機(jī)構(gòu)撒向建筑區(qū)域（也稱為基體）而形成的，建筑區(qū)域通常由金屬材料構(gòu)成。然后熱源根據(jù)數(shù)據(jù)，選擇性地?zé)Y(jié)（部分熔化）或熔化（完全熔化）粉末。然而，在金屬材料加工中，完全熔化現(xiàn)在通常用來(lái)代替燒結(jié)。此外，金屬的活性性質(zhì)也要求粉末床熔化處理必須在封閉的室內(nèi)進(jìn)行，通常要么是真空，要么是含有Ar等惰性氣體，以防止氧化或其他不希望發(fā)生的反應(yīng)。

3.2 定向能量沉積

定向能量沉積過(guò)程包括大部分金屬冶金技術(shù)，原料材料沉積在通過(guò)聚焦能量產(chǎn)生的熔池，無(wú)論是激光或電子束。給料材料可以是粉狀或線狀。定向能量沉積是基于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將屏蔽氣體流聚焦到熔池上，使材料能夠在沒(méi)有建腔的情況下沉積。在定向能量沉積工藝中，一股原料粉末被激光束熔化，形成一個(gè)最終凝固成固體的熔池。其他以粉末為原料的定向能量沉積工藝包括激光金屬沉積、直接金屬沉積和激光熔覆。此外，定向能量沉積的另一個(gè)子集涉及給絲料到熔池，本質(zhì)上是焊接技術(shù)的擴(kuò)展。

4 金屬材料基于冶金技術(shù)的挑戰(zhàn)

金屬材料雖然孔隙率的存在對(duì)某些應(yīng)用可能是有利的，但達(dá)到100%的致密化水平，無(wú)孔隙率和球化的結(jié)構(gòu)是目前金屬料基于冶金技術(shù)的主要絆腳石。在回顧的所有研究中，所能達(dá)到的最大致密化水平為99%。即使這足以提供使用條件下或結(jié)構(gòu)應(yīng)用所需的機(jī)械強(qiáng)度，但仍可以進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提高這些金屬部件的性能并延長(zhǎng)其使用壽命。此外，孔隙率和球化的發(fā)生也會(huì)影響金屬材料零件的尺寸和幾何完整性以及表面的光滑性。這些限制很大程度上是由于控制金屬材料冶金加工過(guò)程中發(fā)生的非平衡物理和冶金現(xiàn)象的復(fù)雜性引起的。

5 結(jié)論

為了滿足金屬部件產(chǎn)量的需求，開(kāi)發(fā)了各種冶金技術(shù)來(lái)加工金屬部件。目前，只有粉末床熔化和定向能量沉積技術(shù)已經(jīng)成熟，而其他冶金工藝在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步探索。成功制造冶金技術(shù)制造金屬部件的關(guān)鍵在于充分理解整個(gè)過(guò)程的基本原理。

本文綜述了粉末床熔化和定向能量沉積兩種金屬材料的機(jī)理，重點(diǎn)討論了能量密度參數(shù)對(duì)金屬材料凝固和冶金過(guò)程的影響，以及由此產(chǎn)生的金屬材料的組織和力學(xué)性能。在不久的將來(lái)，金屬冶金技術(shù)的研究無(wú)疑將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，隨著先進(jìn)冶金加工技術(shù)的發(fā)展，各種新材料將被開(kāi)發(fā)和制造出來(lái)，例如新的功能梯度材料組合。因此，建立了工藝參數(shù)特別是能量密度、凝固和冶金之間的相互依賴關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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