与喷涂、电镀和堆焊等其他表面强化方法比，激光熔覆成形技术具有涂层与基体界面为完全冶金结合、结合强度高、局部表层对基体的热影响小、熔覆层晶粒细小且均匀分布、高能激光束在基体作用时间短等优点，但也存在在激光熔覆中会出现某些类似于焊接过程中的冶金缺陷问题，如气孔、变形、成分偏析、
先进金属材料制备技术复习题整理(北航研究生课程)-必考(2)
本站小编 免费考研网/2018-01-05
裂纹等。
熔融沉积成形技术（FDM ）, 它是将丝状的热熔性材料(如ABS)加热熔化，通过一个带有微细喷嘴的挤出头挤喷出来。挤出头与热床的x 轴和y 轴作相对运动，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而刚成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面黏接在一起。一个层面沉积完成后，工作台与挤出头的距离按照预定的增量增加一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。
光固化立体造形技术（SLA ），它的原材料为液态光敏树脂，在一定波长和一定强度的紫外激光照射下液态光敏树脂会引发聚合反应，紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
5、简述定向凝固的原理、组织基本特征和性能特点。阐述制备的具体优势并举例说明。
定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固技术的最大优势在于，其制备的合金材料消除了基体相与增强相相界面之间的影响，有效地改善了合金的综合性能。
原理：
实现定向凝固需要两个条件：
首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；
其次，在晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。
为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固一液界面的熔液中应造成较大的温度梯度，这是保证非定向柱晶和单晶生长停止、取向正确的基本要素。
实现定向凝固应满足凝固界面具有稳定的定向生长要求，抑制固一液界面前方可能出现的较大成分过冷区，而导致自由晶粒的产生。根据成分过冷理论，固一液界面要以单向的平面生长方式进行长大时，需要保证足够大（为晶体生长前沿液相的温度梯度，R为界面的生长速度），这就需要通过以下几个基本工艺措施来保证：
①严格的单向散热，要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用之下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的形核和长大；
②要减小熔体的异质形核能力以避免界面前方的形核现象，即要提高熔体的纯净度；
③要避免液态金属的对流、搅动和振动，以阻止界面前方的晶粒游离。对于晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。
常规的定向凝固技术定向凝固工艺为了控制晶粒的单向生长，采用了多种措施来保证凝固过程中热流方向的单一性，凝固过程中放出的热量较多，而常规定向凝固技术的主要缺点是温度梯度低、冷却速度小，致使凝固组织出现粗化，枝晶偏析严重，影响材料综合性能的提高。造成冷却速度较小的主要原因是凝固界面与温度最高的液相面距离太远，固液界面偏离最佳位置，因此温度梯度较小。为了保证界面前沿液相中无稳定结晶形核，凝固速度不宜过高，一般控制在平衡结晶状态。
（1）区域熔化液态金属冷却法（ＺＭＬＭＣ）该方法与ＬＭＣ方法冷却方式相同，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前液相进行加热，进一步提高了温度梯度。他们自制的ＺＭＬＭＣ装置，其温度梯度最高可达１３００Ｋ／ｃｍ，冷却速度最大可达５０Ｋ／ｓ，凝固速率可在６～１０００μｍ／ｓ内调节。采用ＺＭＬＭＣ法，可显著细化高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶的间距。但是，该方法单纯地采用强制加热方法，通过提高温度梯度来提高凝固速度，未能获得较大的冷却速度，却需要散发掉较多的热量，冷却速度的提高受限，一般很难达到快速凝固。目前这方面的研究还处于试验阶段。电磁约束成形定向凝固（ＤＳＥＭＳ）电磁约束成形定向凝固技术是西北工业大学傅恒志等综合电磁铸造与电磁悬浮等无坩埚熔炼和无模成形各自的优点，并结合液态金属冷却定向凝固技术而提出的新型材料制备技术。该技术最大特点是集加热、融化、无接触成形及组织定向凝固于一体，特别适合高熔点、易氧化、高活性特种合金的无污染近终成形制备。卢百平等利用自制的真空电磁约束成形定向凝固实验设备，研究了真空下耐热不锈钢的双频电磁约束成形过程。研究表明，当两感应器的间距为２５ｍｍ时，预热感应器对成形感应器中的磁场分布影响较小，但能独立调整熔体的温度分布，调节电磁成形系统的有效热力比，可扩大工艺参数的匹配范围。采用ＤＳＥＭＳ法可制备出组织定向优良，表面质量较好的耐热不锈钢件。但目前为止，关于凝固组织控制的研究较少。
（2）深过冷定向凝固技术就是将熔体的深过冷度与定向凝固技术相结合，使熔体在固／液界面前沿液相中温度梯度ＧＬ＜０的条件下晶体定向生长的方法，简称ＳＤＳ技术。由于深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很短，因此可大幅度提高生产效率，同时可获得改善的组织和性能，但目前深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着不少需要解决的问题。
（3）激光超高温度梯度快速定向凝固（ＬＲＭ），激光能量具有高度集中特性，使其作为定向凝固的热源不仅可以实现极高的温度而且可获得比常规定向凝固技术更高的温度梯度。通过对激光表面快速熔凝过程中的熔凝组织生长方向研究，开发出了激光超高温定向凝固技术。该技术与Ｂｒｉｄｇｍａｎ超高温度梯度定向凝固法类似，其温度梯度可高达106Ｋ／ｍ，冷却速度可高达４ｍｍ／ｓ。目前激光快速熔凝技术在医疗、航空航天、军事国防、汽车制造、模具制造等应用领域取得了较大的进展。但是这项技术同时也存在着可制造性、过程缺陷、表面质量以及零件尺寸的限制，需要大量的研究去克服，以扩大应用范围。
（4）电子束悬浮区熔定向凝固技术（ＥＢＦＺＭ）电子束悬浮区熔定向凝固技术就是以高能电子枪为加热源，在试棒上形成狭窄的熔区，熔区在表面张力的作用下保持在试棒与已凝固棒料之间，而在电子枪沿试棒长度方向移动的反方向开始定向凝固，从而使整个棒料沿其长度方向生长的方法，简称ＥＢＦＺＭ技术。该方法具有能量密度高、控制简单且精度高等优点，既能去除气体和夹杂以提纯难熔金属，又能生长出具有理想组织结构的晶体，是目前制备高纯难熔金属的最重要的方法。电子束悬浮区熔技术的最大的局限性就是凝固过程是辐射散热，冷却速率小。
（5）连续定向凝固技术（ＯＣＣ），该技术的基本思想是通过加热结晶器模型到金属熔点温度以上，使金属液不在模型上形核，并将冷却系统和结晶器分离，使铸件在型外冷却，以此获得单向高温度梯度，熔体脱离结晶器的瞬间凝固，铸件离开结晶器的同时，晶体沿与热流相反的方向生长凝固，得到定向结晶组织，甚至单晶组织。该技术最大的特点是将传统的连续凝固中冷却结晶器变为加热结晶器，熔体的凝固不在结晶器内部进行。此外，ＯＣＣ法连铸过程中固相与铸型不接触，固液界面处于自由状态，固相与铸型之间是靠金属液的表面张力来联系，因此固相与铸型之间不存在摩擦力，可以连续拉延铸坯，并且所需的拉力较小，铸坯的表面质量很好。ＯＣＣ法综合了先进的定向凝固技术与高效的连铸技术的优点，是一种新型的近成品形状加工技术。目前该技术生产效率低，主要是由于所使用的冷却剂基本都是水，冷却能力有限，应开发冷却能力强的冷却剂，例如研究如何利用液氮作为冷却剂等来提高温度梯度，以加大生产效率。
（6）二维定向凝固技术（ＢＤＳ）与一维定向凝固相比，二维定向凝固技术具有更为复杂
的工艺条件。ＢＤＳ技术主要被用于制备高性能叶片和圆盘件。二维定向凝固的基本原理是控制热流的方向，使得金属由边缘向中心定向生长，最后获得具有径向柱状晶（宏观）和枝晶轴（微观）组织的材料。二维定向凝固合金由于柱状晶轴沿径向排列，故其径向强度、塑性和冲击韧度得到大幅度提高，具有十分广阔的前景。
（7）辅助场定向凝固技术，近年来，借助电场、磁场等外场来优化金属基材料定向凝固方法引起了研究者的关注。北京科技大学郭发军等，研究了交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响，发现交流电场对定向凝固组织有细化作用，且随电流的增大，其效果越明显，同时交流电场使凝固界面的溶质含量减小。上海大学玄伟东等研究了纵向磁场对ＤＺ４１７Ｇ合金的定向凝固组织的影响，发现磁场在固／液界面前沿合金熔体中诱发热电磁对流，致使高温合金ＤＺ４１７Ｇ一次枝晶间距减小，且一次枝晶间距减小的程度随外加磁场的强度增大而增大。董建文等研究了横向磁场对镍基高温合金定向凝固组织的影响，发现在生长速率较低条件下，外加磁场明显影响了合金的枝晶生长和宏观偏析，一次枝晶间距减小，试样在沿磁场方向的左侧出现了“斑状”偏析，随着生长速率的增加，磁场的影响减弱。Ｖｅｒｈｏｅｖｅｎ等研究了磁场对Ｓｎ－Ｃｄ和Ｓｎ－Ｐｂ合金定向凝固组织的影响。研究表明辅助场对凝固组织细化、偏析减小都有重要的影响。目前，该技术还处于试验研究阶段。
组织基本特征和性能特点：
定向凝固的金属材料的晶粒具有明显的方向性，以长轴粗大晶粒为主（晶粒的长度方向为凝固方向），材料的总体力学性能表现为各向异性，材料的高温性能好。
定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。
6、何谓金属间化合物，简述金属间化合物的性能特点及强化途径。
金属间化合物：金属与金属或金属与类金属之间所形成的化合物。
由两个或多个的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。
金属间化合物的性能特点：力学性能：高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、低塑性等；良好的抗氧化性；特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料、磁性材料等等。
金属间化合物中不同种类原子的原子间强键合和有序排列及可能由此导致的晶体结构的低对称性，使其原子和位错在高温下的可动性降低，晶体结构更加稳定，其结果金属间化合物通常具有优良的高温强度和刚度。但是塑性形变比普通金属困难，变形能力介于金属与陶瓷之间。
强化途径：
（1）合金化
通过向金属间化合物中加入合金化元素，来改善或提高合金的微观组织、高温强度、室温塑性以及高温抗氧化性能等。其中所应用的强化或者增韧机制主要有:a.固溶强化b.沉淀强化c.强化晶界。如在微合金化过程中加入一定量的B，通过B 向晶界偏聚起强化晶界的作用。此外，加入伪共晶形成元素，形成伪共晶组织从而改善合金的室温韧性和高温强度等性能；加人一定量的合金化元素，形成塑性第二相，起到塑化作用。
（2）制备多相合金
通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化基体的目的。
（3）制备复合材料
制备复合材料也被认为是非常有效的方法之一。目前的工艺方法主要有机械合金化+热压或热等静压、铸造法、反应热压法等。通常采用的增强相有:HfC，TiB2和TC。
