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1、精选优质文档-倾情为你奉上特种加工技术概论摘要：一般认为，现代材料科学与工程由四个基本要素组成,即材料的制备与加工、成分组织、材料性能、服役行为和寿命1。材料的制备与加工工艺，与材料的成分和组织、材料的性能一起，构成决定材料服役行为和寿命的最基本的三大要素，也充分反映了材料制备与加工技术的重要作用和地位。关于材料的制备、成形与加工技术的研究和开发材料是科学技术中最活跃的领域之一，而材料先进成型技术是目前材料科学技术中最活跃的领域之一。材料先进制备、成形与加工技术的发展，既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用，同时也可有效地改进和提高传统材料的使用性能对传统材料产业的更新改造具有重要
2、作用。发展材料先进制备、成形与加工技术，对于提高综合国力，保障国家安全，改善人民生活质量，促进材料科学技术自身的进步与发展具有重要作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。随着各种高新技术的不断进步，向材料成型和加工方法提出了更高的要求，想要制造一种零件使之满足各种高水平的综合指标，从传统材料成型方法出发是非常困难的，常常顾此失彼，即使花费很多的时间和很大的精力得到某种符合要求的零件也需要很长的周期。随着现代工业和技术的发展，材料成型方面的新技术、新工艺不断涌现，从而解决了上述难题，并得到了广泛推广。传统上材料加工技术主要包括焊接技术、铸造技术、压力加工技术三个方面2，本文对近年来出现的特
3、种加工技术，主要是特种焊接技术，特种铸造技术，特种压力加工进行总结，从各类特种加工技术的原理、分类、应用方面作简要的概述，并对当前材料加工技术的发展趋势与方向作简要介绍。关键词：材料加工，特种焊接，特种铸造，特种压力加工一、特种焊接技术1、激光焊激光焊 （Laser Welding）是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法3。随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视。激光焊对于一些特殊材料及结构的焊接具有非常重要的
4、作用，这种焊接方法在航空航天、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到应用，并日益受到工业发达国家的重视4。1.1 激光焊的原理激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入材料内部。对于不透明材料，透射光被吸收，金属的线性吸收系数约为107108。对于金属，激光在金属表面0.010.1的厚度中被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高，再传向金属内部5。光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材
5、料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子,这些原始激发能经过一定过程再转化为热能6。激光除了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源不具备的特性，如高方向性、高亮度 （光子强度）、高单色性和高相干性。激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间 （约为10-9S）内完成的7。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐照区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。金属对激光的吸收，主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关89。一
6、般来说，金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。1.2激光焊的分类按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊 （功率密度小于1052）和深熔焊 （锁孔焊）。（1）传热焊采用的激光光斑功率密度小于1052时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间。焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形，这种焊接机理称为传热焊10。传热焊时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后，通过热传导将工件熔化，熔池形状近似为半球形。
7、传热焊的特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。其主要用于薄 （厚度1）、小工件的焊接加工。(2) 深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时 （1062），金属表面在激光束的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内 （10-810-6）升高到沸点，使金属熔化和气化。产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，逸出的蒸气对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深11。另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周，此过
8、程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊 （也称锁孔焊）。深熔焊的激光束可深入到焊件内部，因而形成深宽比较大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊12。从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，二者没有本质的区别。小孔周围为熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动，小孔将
9、随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。小孔的前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力梯度和温度梯度。在压力梯度的作用下，烧熔材料绕小孔的周边由前沿向后沿流动。温度梯度沿小孔的周边建立了一个前面大后面小的表面张力，这就进一步驱使熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固起来形成焊缝。激光焊焊接时伴有声音和颜色的变化，可据此监控焊接过程13。1.3激光焊接在国外汽车工业中的应用目前，国外汽车工业已安装了2500多台激光器用于加工，仅美国通用汽车公司（GM）就安装了200台以上，日本丰田汽车公司1990年前后仅从一家激光公司就购买100台35kW CO2激光器。至今，国
10、外各大汽车公司，如通用、福特、克莱斯勒奔驰、丰田、大众、B M W、菲亚特等，已全部拥有自己的激光加工生产线，且激光器数量以每年20%的速度增长14。（1）白车身激光焊接汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。早期的车身激光焊接应用主要是车顶盖搭接焊，目的是为减噪和适应新的更安全的车身结构设计。Volvo公司是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。德国大众公司也相继在Audi A6、Golf4、Passat等车顶采用了此技术，奔驰的C/S/E级车（C219、SW140、SW220、EW221等）、B M W公司的5系列、
11、O p e l公司的Vectra车型等更是趋之若鹜。严格地讲，当时的车顶焊还属于车身结构件激光焊接，即激光焊缝不能露在车身外表面。但随着车身件制造及装配精度的提高以及用于车身表面覆盖件连接的激光钎焊技术的出现，车顶盖激光焊接逐渐被激光钎焊所取代，车顶激光钎焊也成为可直接在车身表面实施连接的新技术（奔驰公司在C级车后立柱上采用了激光填丝焊接，也属于少数车身表面焊接技术之一）。目前德国大众汽车公司的车顶焊接几乎全部是激光钎焊，车型包括Golf5、新Audi A6、MAGOTAN等。车顶激光钎焊并不是最早和惟一的车身激光钎焊技术。实际上，激光钎焊于1998年最早用在大众公司生产的Bora车身覆盖件行
12、李箱盖的表面连接。至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的一个典型应用，广泛用在德系车上，近年来在一些美系车上也可看到。另一项比较重要的车身激光焊接应用，是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度，并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。德国大众公司在车身结构件激光焊接方面的应用走在世界前面。(2)不等厚激光拼焊板车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。此项应用最早源于1985年Audi 100的底板拼焊，目前已推广到世界几乎各大汽车公司。采用激光拼焊板所带来的好处也显而易见。如某车型的侧围门内板采
13、用三块板拼焊在一起，在原材料成本不增加的前提下，较采用单张普通板材单车可节省用材16kg，提高了材料利用率；如果在不影响整车强度及耐蚀性的前提下，根据需要将不同部位的材料做局部替换（如用裸板代替镀锌板或用薄钢板代替较厚板），然后激光拼焊到一起，单车可降成本13美元。激光拼焊板正在被世界各地的新车型所接受，激光拼焊板生产将成为一项数十亿美元的产业。(3) 齿轮及传动部件焊接20世纪80年代末，克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kW CO2激光器，用于齿轮激光焊接，生产能力提高40%。90年代初，美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接，
14、因为前者焊缝热影响区小。美国福特汽车公司用4.7kW CO2激光器焊接车轮钢圈，钢圈厚1mm，焊接速度为2.5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机，将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起，成为轿车自动变速器的齿轮架部件，生产率为200件/h。意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮，费用只比老设备提高一倍，生产效率却提高57倍。美国阿符科公司研制的HPL工业用CO2激光焊接机功率为15kW，用于焊接汽车转动组件的两个齿轮，焊接时间为1S，每小时可焊1000多件。福特公司有20台5kW CO2激光焊机，通用公司有11台14kW CO2激光焊机专门用于汽车齿轮焊接。克莱斯勒公司也有10台69k
15、W CO2激光焊机从事相同的工作。汽车自动变速器驻车棘轮的材料有淬火钢、奥氏体钢和特种合金等，通过激光焊接技术可将这些不同成分的材料连接起来，而且无裂纹出现。1.4激光焊接技术用于汽车工业面临的主要问题（1）工艺参数优化众所周知，激光焊接具有多参数特点，通常情况下包括：激光波长、激光束模式（或发散角）、激光功率、激光偏振特性、激光脉冲频率、聚焦镜焦距、激光照射角度、焊接速度、离焦量（或称焦点位置）、气体保护方式、保护气种类及流量、接头间隙等激光及加工参数，另外还包括焊接结构、焊接材料、工件厚度等工件特性和参数15；如果是激光填丝焊（或激光硬纤焊），激光焊接参数还应包括：焊丝直径、焊丝成分、填丝
16、速度、填丝方向（与焊接方向的关系）、填丝位置（焊丝熔化端与工件和激光焦点之间的关系）、填丝角度；如果是激光复合焊还应包括除激光以外焊接热源（TIG、MIG或等离子源）的相关参数16。激光焊接多参数的特点给激光焊接带来丰富多彩的焊接结果，同时也给研究激光焊接带来很多可变因素和新的课题。无论在开环控制还是闭环控制下，激光焊接工艺参数优化或最佳工艺参数确定的难度和工作量都所增加。由于汽车工业要求用于大批量生产的各种生产工艺稳定、可靠且易于控制，因此，如何通过筛选和有效控制最少的激光参数来达到最大控制激光焊接结果的目的17，则显得非常重要。(2) 先进工艺方法研究一辆汽车的车身和底盘由数百种以上的零件
17、组成，采用激光焊接可以把很多不同厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车设计的灵活性18。激光焊接汽车零件（特别是车身件）复杂性和多样性的特点，也为激光焊接新方法的不断涌现提供了动力和广阔的发展空间。自激光焊接首次用于汽车工业以来，除激光传导焊、激光深熔焊、激光硬纤焊、激光软纤焊外，又相继问世了激光双光束焊接（LDBW）、激光填丝焊（LFW）、激光复合焊（HLW）、远程激光焊接（LRW）等新的焊接方法19。每种激光焊接方法的机理、特性及对焊接结果和焊接性能的影响都需要深入的研究，以使激光焊接加工趋于更加完美，同时也为实际生产中激光焊接技术应用的选择和创新做必要的
18、准备。（3）性能预测及质量控制能够有效控制焊接质量（形成闭环控制）和预测焊接结果，是焊接研究人员多年的追求。对像激光焊接这样的快速、精密焊接技术，形成闭环控制和预测焊接结果尤为重要。激光焊接由于采用计算机控制20，所以具有较强的灵活性和机动性，可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件实施焊接，也可以完成车顶和侧围、发动机架和散热器架等部件的装配，如果加上光纤传输系统和机械手，就可以进入汽车装配生产线达到自动化焊接的目的。加工中的闭环控制可使激光焊接系统几乎达到完美加工的要求；另一方面，汽车产品质量正在迈向更高的近乎完美的水平，也对贡献于其中的激光焊接技术尽快实现闭环控制，提出更迫切的要
19、求。因此，激光焊接加热过程研究、激光焊接温度场模拟、激光焊接区等离子体特性及机理研究21，将对快速预测激光焊接结果和有效控制激光焊接质量（形成闭环控制）起到至关重要的作用，但相关研究与实际应用尚有一段距离。2、搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）由英国的TWI发明，是一项创新的摩擦焊技术。经过十多年的发展，搅拌摩擦焊技术已日趋完善并成功应用于航空、航天、汽车、造船和高速铁路列车等诸多轻合金结构制造领域，其可焊厚度2100mm。早在1996年，挪威的Marine公司和Maritime公司就对船用平板和型材搅拌摩擦焊接流水线制造技术进行了研究开发22。2.
20、1搅拌摩擦焊接原理搅拌摩擦焊与传统摩擦焊相比，都是利用摩擦热作为焊接热源，但不同的是，传统摩擦焊是通过摩擦顶锻完成焊接的，而搅拌摩擦焊是利用高速旋转和沿焊缝的水平直线运动的搅拌头对焊接处的材料进行高温摩擦和搅拌来实现焊接的。搅拌摩擦焊的焊接原理如图1所示23：其原理是利用一个耐高温，耐磨损材料制成的搅拌头插入两被焊工件接缝处与工件进行摩擦，所产生的热量使搅拌头周围的金属达到塑性软化状态。随着搅拌头旋转并沿焊缝前进，塑性金属在搅拌针搅拌力的作用下发生从前到后的流动，两被焊工件的塑性金属混合在一起发生再结晶，实现连接，形成固态焊缝24-26。在整个焊接过程中搅拌头的周围材料一直处于热塑性状态而没有
21、溶化，因此，利用搅拌摩擦焊焊接可以避免很多传统熔化焊中出现的焊接缺陷。但在焊接过程中，搅拌针所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满，最后在焊缝末端形成匙孔27。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌针的长度略小于焊缝的深度，其作用是对接头处的金属进行摩擦及搅拌；而搅拌头上圆柱形的轴肩主要用于与工件表面摩擦产生热量，防止焊缝处的塑性金属向外溢出，同时可以清除焊件表面上的氧化膜。搅拌摩擦焊区别于其他焊接方法的最大特点在于它是一种固相连接技术，焊接温度没有超过被焊金属的熔点，没有出现熔化现象，所以避免了许多熔化焊过程中产生的缺陷，如裂纹、气孔等。2.2搅拌摩擦焊接的主要工艺特点（1）保持母材的冶金性能，接
22、头力学性能好由于搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，焊缝金属只达到塑性状态，没有熔化，因此接头中不会出现熔化焊中的焊接缺陷，因此可以焊接用熔化焊方法难以焊接的材料，如2XXX，7XXX系列的铝合金28；搅拌摩擦焊焊缝金属的晶粒细化，形成细小等轴晶，并且合金元素没有蒸发和烧损，没有改变合金的成分及相组成，因此接头的力学性能好。焊前不需要进行严格的表面清理，并且焊接工作环境好，无烟尘，无飞溅，噪音小。(2) 不需添加焊接材料在搅拌摩擦焊焊接时不需要添加焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂和保护气体等，是因为搅拌摩擦焊是通过搅拌头与焊件之间的摩擦和搅拌作用实现两部分工件的连接。搅拌摩擦焊中的搅拌头是唯一的消耗
23、品，但一个工具钢搅拌头可以焊接数百米长的铝合金焊缝。(3) 接头变形小，残余应力小由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低，不存在熔化焊过程中焊缝处大范围的热塑性变形过程，因此焊后接头处的变形量和残余应力比熔化焊的小很多，不需要进行焊后冷、热校形，降低了焊接成本。搅拌摩擦焊可以基本实现板件的低应力无变形焊接。(4) 可实现异种材料连接，可焊热裂纹敏感材料搅拌摩擦焊技术可实现铸件与挤压件，金属与非金属材料等异种材料的连接，可以焊接热裂纹敏感的材料，如锌、铝等，是因为搅拌摩擦焊是固相连接方法，可以避免熔化焊时形成的液化裂纹或结晶裂纹。(5) 接头形式多，不需开专门坡口随着搅拌摩擦焊研究的不断深入，其可实现仰焊
24、和俯焊，适用于多种接头形式的焊接，如对接，搭接，角接等接头，如图2所示，甚至可以焊接多层材料或厚度变化的结构。（6）焊接效率高搅拌摩擦焊技术的焊接设备较简单，焊接工艺参数少，不需要添加材料及保护气体，因此易实现全位置的自动化焊接，使焊接能量得到最有效的利用。在搅拌摩擦焊过程中是靠搅拌头的旋转和沿焊缝移动实现整条焊缝的焊接，所以比以往的焊接方法更方便，更节能，非常适用于大型板件的焊接，如船板、框架、平台等。但随着搅拌摩擦焊技术研究的不断深入，其缺点也在逐步被发现及改进，搅拌摩擦焊的不足之处有：（a）搅拌摩擦焊的被焊工件需要刚性固定，防止焊接过程中焊件间隙变大；（b）被焊工件的背面必须有垫板，防止
25、焊缝塑性金属塌陷，焊穿；（c）当焊接工艺参数选择不当时，焊缝会产生一些熔化焊过程中不会出现的缺陷，如飞边、沟槽、隧道等缺陷。近些年来，为了弥补上述的不足，研究人员发明了很多新的搅拌焊接方法，如激光辅助搅拌摩擦焊，无匙孔搅拌摩擦焊，复合搅拌摩擦焊等29。二、特种铸造技术铸造是一种液态金属成型的方法。在各种铸造方法中，用得最普遍的是砂型铸造，这是因为砂型铸造，不仅铸件生产批量的大小，而且铸件的形状、尺寸、重量及合金种类等几乎都不受限制30。但是，随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活的需要，对铸造生产提出了一系列 新的、更高的要求，归纳起来，主要有如下三个方面：（1）要求大量生
26、产同类型、高质量而且稳定的铸件，进一步提高铸件的表面光洁程度、尺寸精度以及内在质量和机械性能；（2）进一步简化生产工艺过程，缩短生产周期，便于实现生产工艺过程机构化、自动化，提高劳动生产率，改善劳动条件；（3）减少生产原材料的消耗，降低生产成本。为了适应上述的要求，近年来，在铸造技术中出现了一些新型的工艺和方法，主要是：连续定向凝固技术和复合铸造技术。2.1连续定向凝固传统的定向凝固技术为金属的凝固理论研究以及新型高温合金的发展提供了一个极其有效的手段31，但是用传统的定向凝固方法得到的铸件（或铸锭）的长度是有限的，在铸锭的顶部也就是最后凝固的部分易出现等轴晶，且晶粒粗大。为此开发出连续定向凝
27、固技术，它综合了连续铸造和定向凝固的优点，又相互弥补了各自的缺陷和不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭。它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。连续定向凝固技术在铜及铝的单晶线材连续生产中获得成功，随着电子技术的迅速发展，人们对传输电缆的保真特性提出越来越高的要求。音像电缆的信号保真性更为重要。多晶电缆中的晶界，特别是垂直于导电方向的晶界，相当于一连串电容，对视频与音频信号具有很强的衰减作用。随着音响设备和高清晰度电视技术的发展，对单晶电缆的需求日益增加。因此，单晶材料连续定向凝固技术具有很大的发展潜力。连续定向凝固技术的发展虽然只有20余年的时间，但发展速度
28、很快，在日本已经投入小批量的工业生产。在加拿大、美国、韩国、中国等都开展了这一技术的开发与应用研究。（1）连续定向凝固的原理1978年日本千业工业大学教授大野笃美在晶粒型壁游离形核理论的基础上发明了一种新的定向凝固方法Ohno Continuous Casting（简称 OCC法），即连续定向凝固法。OCC法的理论基础是大野笃美长期研究金属凝固过程中等轴晶的形成机制所提出的“游离形核理论”。20世纪60年代末，大野笃美在研究Chalmers提出的等轴晶“结晶游离”理论时，证实了等轴晶的形成不是由熔液整体过冷（constitutional super cooling）引起，而主要是由铸型表面形核
29、分离，带入熔液内部，以及枝晶断裂或重熔引起32。因而控制凝固组织结构的关键是控制铸型表面的形核过程。连续定向凝固的基本原理是：在连续定向凝固过程中对铸型进行加热，使它的温度高于被铸金属的凝固温度，并通过在铸型出口附近的强制冷却，或同时对铸型进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿拉坯方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流（拉坯方向）相反的方向，按单一的结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶组织），甚至单晶组织。因此，OCC法技术与传统连铸技术的根本区别在于其铸型是加热的，而不是冷却的，如图3所示：传统的连铸过程，金属或合金液首先在铸型的急冷作用下凝固，并逐渐向中心生
30、长。因此，在最后凝固的铸锭中心易产生气孔、缩孔、缩松及低熔点合金元素与杂质元素的偏析。而OCC法连铸过程中铸型温度高于金属或合金液的凝固温度，铸型只能约束金属或合金液的形状，而不会在其表面发生金属的凝固。凝固界面通常是凸向液相的。这一凝固界面形态利于获得定向或单晶凝固组织。OCC法技术的核心是避免凝固界面附近的侧向散热，维持很强的轴向热流，保证凝固界面是凸向液相的。维持这样的导热条件需要在离开凝固界面的一定位置进行强制冷却。由于OCC法依赖于固相的导热，适用于具有较大热导率的铝合金及铜合金。同时，由于随着铸锭尺寸的增大，固相导热的热阻增大，维持某一散热条件变得更加困难，因此OCC技术对铸锭的尺
31、寸有一定的限制，它只适用于小尺寸的铸锭。（2）连续定向凝固的特点铸型出口端与冷却区有悬殊的温差和高的温度梯度，铸型内金属液的热流主要沿拉铸方向单向传输，满足定向凝固的条件，可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织。对其工艺进行优化控制使其有利于晶粒的淘汰生长，则可实现单晶的连续铸造。OCC法固相与铸型之间始终有液相隔离，摩擦力小，所需牵引力也小，利于进行任意复杂形状截面型材的连铸；同时，铸锭表面的自由凝固使其呈镜面状态。因此，OCC法是一种近终形连铸生产的技术，可用于那些通过塑性加工难于成形的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材的连铸。凝固过程中固液界面始终凸向液相，有利于凝固过程析出的
32、气体及夹杂进入液相。因此，气孔、夹渣等缺陷较少；同时，铸锭中心先于表面凝固，不存在铸锭中心补缩困难问题。因而可得到无缩孔、缩松等缺陷，组织致密的铸锭。铸锭中缺陷少，组织致密，消除了横向晶界，因而，塑性加工性能好，是生产超细、超薄精细产品的理想坯料。连续定向凝固铸坯具有优异的延展性，有利于后续的冷加工。延展性优异的原因是柱状晶取向与冷加工延伸方向一致，不容易产生垂直于加工方向的横向裂缝。同时抗腐蚀及抗疲劳性能均得到大幅度改善，导电性能优异，是生产高保真电缆的优质材料。2.2复合铸造技术复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不同的性能，以满足
33、使用的要求。通常是一种合金具有较高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐蚀、耐热等特殊使用性能33。常见的复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造、离心复合铸造34，近年来还出现了技术更为先进的水平磁场制动复合连铸法（LMF）、包覆层连续铸造法（CPC）、电渣包覆铸造法（ESSLM）、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双流连铸梯度复合法、双结晶器连铸法、充芯连铸法（CFC法）等复合铸造新技术和新工艺。（1）水平磁场制动复合连铸法（LMF）利用温度计检验和磁流体动力学分析的方法，研究安装在结晶器上的水平磁场（LMF）所产生的磁场对钢液在结晶器中流动的影响，发现LMF可以抑制结晶器内化学成分的
34、混合程度，导致了一种新的复合钢坯连铸工艺概念的形成，即水平磁场制动复合连铸工艺。在这种新工艺中，结晶器中的不同钢液通过水平磁场的作用实现分离，并且凝固成复合钢坯。用LMF方法生产复合钢坯的连铸工艺如图4所示：图4中，水平磁场安装在结晶器的下部，两种不同化学成分的金属液分别通过长型和短型的浸入式浇口同时注入结晶器的上部和下部。如果没有水平磁场的作用，从两个浇口流出的两种金属液会造成混合。有了水平磁场，它的制动力会对垂直穿过水平磁场的钢液流产生作用，从而阻止两种金属液的混合。根据磁流体动力学的原理，在结晶器中形成以水平磁场为界的上下两部分。冷却仍然采用水冷铜结晶器和出结晶器后喷水冷却两种方式。位于
35、结晶器上部的熔融钢液凝固形成复合钢坯的外层，位于结晶器下部的钢液凝固成复合钢坯的芯部。（2）包覆层连续铸造法（CPC）轧钢技术的发展要求轧辊具有更高的强韧性和耐磨性，因此近年来欧美和日本不断采用新的轧辊制造工艺，如CPC、Osprey、HIP、CBC、ESR、CIC等方法，使生产的复合轧辊的强韧性和耐磨性显著提高。其中，包覆层连续铸造法（Continuous Pouring Process for Cladding，CPC）工艺简单，复合性能好，生产成本低。CPC法的原理如图5所示：将轧辊辊芯材料1垂直地放于水冷紫铜的结晶器8中，为了减小刚进入结晶器金属的冷却强度，防止出现裂纹，在结晶器的上部
36、设置和结晶器同轴心的石墨隔离环7。将金属液4浇注到配置在结晶器和隔离环上方的耐火材料浇口杯6和辊芯材料之间，使外层金属液和辊芯熔合，并顺序向上凝固，将凝固部分连续向下拉拔，实现连续铸造包覆辊外层9。为了实现辊芯金属和外层金属的冶金结合，需要控制外层金属液的温度，因此在耐火材料浇口杯的外面设置感应加热线圈5。为了实现辊芯金属和外层金属的良好复合，需要预热辊芯材料，防止辊芯材料进入外层金属液时的温度太低，因此在辊芯材料的外面设置感应热线圈3。为了防止辊芯在进入外层金属液之前被氧化，导致辊芯金属和外层金属的复合质量下降，需要在辊芯材料的外面涂一层防氧化涂料2。CPC法的关键技术包括以下两个方面，温度
37、的正确设定、匹配与控制和辊芯防氧化。CPC法对于解决外层金属复合的完整性有着独到的优势，而在实际生产中产品的质量也得到了保证，但对设备的能力、厂房条件的要求也比较高，对操作工人的能力和实际操作水平要求较高，且这种方法只适用于单件小批量生产。三、特种压力加工压力加工又称为塑性成形技术，是金属加工的重要方法之一，它是利用一些工具或模具使金属材料在一定的外力作用下获得一定形状及一定力学性能的工艺35。通常分为轧制和锻压两大类，前者是冶金工业中生产型材、板材、管材的加工方法，后者是机械制造领域内生产零件或坯料的加工方法。锻压工艺是一门古老的技术，人们很早就利用金属塑性变形的规律，采取合理的技术措施，将
38、金属材料在固态下成形，制成各种工具、兵器、农具、日用品和机器36。在工业革命中，这种古老的工艺在制造业中发挥重要作用的同时，其本身也得到了长足的发展。目前，由于产品的更新换代日趋频繁，金属塑性加工正朝着复杂化、多样化、高性能、高质量方向发展，因此各工业部门对生产技术的发展也提出了愈来愈高的要求，锻压工艺的设计方法和手段也在不断地更新和发展。今些年来出现了以粉末锻造、复合塑性成形、连续挤压成型等为代表性的一系列新型压力加工工艺方法。3.1粉末锻造粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻相结合的工艺，综合了二者的优点。能以较低的成本和较高的生产率实现大批量生产。能够生产高质量、高精度、形状复杂的结构零件。粉
39、末锻造（简称粉锻）的研究，实际上起源于20世纪60年代初期。1964年美国GM公司研究了粉末锻造汽车连杆，同年英国GKN公司对粉末锻造材料、工艺及预成形坯的力学物理性能进行了研究。1970年在纽约召开的第三届国际粉末冶金会议，对粉末锻造的发展起了很大的推动作用。美国粉末锻造一直处于领先地位，我国从1972年开始粉末锻造工艺的研究，先后有数十个单位从事开发研究，先后建成三条生产线生产齿轮、密封环等多种零件，能力达100万件以上。目前，正在不断扩大粉锻工艺的研究与应用37。（1）粉锻工艺过程粉末锻造工艺，通常可分为粉末锻造，烧结锻造，锻造烧结和粉末冷锻。具体工艺过程如图6所示，与普通锻造不同，粉锻
40、毛坯采用的是粉末预成形坯。由于冷锻提高毛坯的密度十分困难，因而常采用热锻。对于粉末烧结锻造工艺，其前期工序为传统的粉末冶金生产方法，后期工序为锻造成形。(2) 粉锻工艺的特点粉末锻造属于无飞边闭式精密成形，材料利用率高，显著减少后续加工工作量。粉末制品零件几何形状准确，表面光洁，尺寸精度高，且在大批量生产中零件的一致性好。制件可以由不同粉料混合制成，也可使制件的不同层面具有不同的金属成分，甚至可以制造钻石级硬度的零件。工模具磨损减小，使用寿命长。噪声低，热辐射减少，改善劳动条件。粉末冶金锻造工艺虽有许多优点，但也有一些不足之处，如零件的大小和形状还受到一些限制；粉末价格还比较高；零件的韧性较差
41、等。但这些问题随着粉末冶金和锻造技术的发展，正在逐步解决。随着粉末冶金和锻造技术的进展，其应用范围正在不断扩大，技术经济效益将越来越显著。(3)粉末锻造的应用粉末锻造在许多领域中得到应用，主要用来制造高性能的粉末制品，尤其是在汽车制造工业中应用更突出。例如汽车发动机中的连杆、齿轮、气门座、气门挺杆、交流电机转子、启动齿轮和环形齿轮；手动变速器中的毂套、倒车空套齿轮、离合器、轴承座圈和同步器中各种齿轮；底盘中的后轴承盖、扇形齿轮、万向轴节、侧齿轮、轮毂、伞齿及环形轮等近百种复杂零件适合于采用粉末锻造工艺生产。其中齿轮和连杆是最能发挥粉末锻造优点的两大类零件。这两类零件均要求有良好的动平衡性能，要
42、求具有均匀的材质分布，这正是粉末锻件特有的优点。3.2轧制复合成形复合塑性成形技术指将不同种类的塑性加工方法组合起来，或将其它金属成形方法（如铸造、粉末冶金等）和塑性加工方法结合起来使用，使变形金属在外力作用下产生流动和变形，从而得到所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。在塑性成形技术的发展过程中，复合化一直是一种技术创新的重要途径，其特点是在成形过程中将原来分属不同范畴的加工方法组合起来使用，其目的是节约材料和能源，减少加工难度和加工工序，提高零件的加工精度，尽可能做到无切削（即净形Net Shape）或少切削，提高劳动生产率和降低成本38，以满足日益发展的工业和社会需求。轧制复合法主要用于
43、双金属板以及减振钢板、铝塑复合板的成形。轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合、冷轧复合和温轧复合三种。此外还有一种利用爆炸成形进行接合（焊接），然后进行轧制成形的方法。 热轧复合先将金属板的接合面仔细清洗干净,为了提高界面的接合强度，还可对接合面进行打磨，提高其粗度。轧制坯的制备主要有如图7所示的两种方式:其中图7(a) 为单一复合坯的情形，适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;图7（b）为组合型复合坯的情形，适合于复合层与基体板材在厚度或变形抗力上相差较大的情形。在保持内部为真空的条件下将组合坯的四周焊合成一体。为了便于在复合后将上下复合板分开，需在两组复合坯之间涂覆耐
44、热化合物，以防止轧制时产生焊合。然后对复合坯进行加热轧制，直至所需厚度。当界面较清洁时，一般只需百分之几的压下率即可实现有效接合，获得高性能的复合界面。热轧复合法的缺点在于：当被复合的材料为铝、钛等活性金属时，易在界面生成脆性金属间化合物；由于坯料的长度受限制，轧制后切头剪边部分所占比例较大，对成品率影响较大。 冷轧、温轧复合与热轧复合相比，冷轧复合时界面接合较困难。但由于无加热所带来的界面氧化，不易在界面生成化合物，无需真空焊接等坯料前处理工艺措施，因而金属组合的自由度大，适应面广。冷轧复合的一般方法如下。轧制前先将接合面的油脂、氧化物除去，然后将被复合的材料叠在一起进行轧制。为了获得较好的
45、界面接合，轧制压下率通常需要在70以上。由于冷轧复合的前处理与轧制均较容易实现连续作业，故可使用卷状坯料（板卷），以提高生产率与成品率。但冷轧复合时的界面几乎没有扩散效果，要达到完全接合很困难。因此，往往在冷轧复合后施以扩散热处理，提高复合材料的界面接合强度。此外，对于冷轧接合较困难的材料，亦可在轧制复合前进行适当的加热，即采用温轧复合的办法。图8为带轧前连续加热（低温），轧后在线连续扩散热处理设备的轧制复合生产线。 爆炸焊接轧制成形法 有些金属在常温或低温下不容易轧制接合，而采用高温轧制复合法又存在坯料前处理复杂、成品率低，或金属之间易发生反应而形成脆性化合物等缺点。若采用爆炸成形法进行复合
46、（焊合），然后再采用常规轧制法（冷轧或热轧）进行加工可以解决上述问题。爆炸焊接的原理如图9所示，基板平放在沙土堆上，覆层板通过软质支撑呈一定角度（13）支撑在基板上方，覆层板与基板之间的间隔（利于形成冲击）大约与覆层板的厚度相等即可。炸药均匀堆放在覆层板上面，通过引爆在起爆端的雷管，利用爆炸的巨大冲击力以及爆炸位置的迅速和连续传播，在很短的时间（通常为零点几秒）内即可完成整个焊接复合过程。爆炸成形是一种高能高速成形，其瞬时接合压力可高达104MPa以上，因而可使界面两侧的原子达到很近的距离，加上接合过程中伴随有塑性变形，有利于界面接合。虽然焊接过程中伴随有高温的产生，但由于复合在很短的时间内完
47、成，能很好地抑制活性金属之间的化学反应。四、材料加工技术的发展趋势与方向4.1材料加工技术的总体发展趋势材料加工技术的总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合、学科综合。过程综合主要包括两个方面的含义，其一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；其二是指多个过程（如凝固与成形）的综合化，或称短流程化，如喷射成形技术、半固态加工技术、铸轧一体化技术等。技术综合是指材料加工工程越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学，尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术（计算机模拟与过程仿真）、信息技术的综合，与各种先进控制技术的综合等。学科综合则体现为传统三级
48、学科（焊接、铸造、压力加工）之间的综合，与材料物理与化学、材料学等二级学科的综合，与计算机科学、信息工程、环境工程等材料科学与工程学科以外的其他一级学科的综合。其中，与材料科学与工程的其他二级学科的综合的最大特点是，各二级学科之间的界限越来越不明显，学科渗透与相互依赖性越来越强。从一定意义上来讲，学科综合的发展趋势起因于现代科学技术的发展要求“按照使用要求来设计材料的性能”的特点。例如，要研制（生产）一种新材料，或加工一种新产品，需要综合研究和解决材料设计、材料的组成与结构、材料制备与加工工艺、材料服役行为（包括与环境的交互作用）、材料的保护与再利用等一系列问题，既包括材料科学与工程的所有二级、三级学科问题，也包括计算机科学技术、控制工程等其他一级学科问题。由于上述材料加工技术的总体发展趋势，可以预见，在今后较长一段时间内，材料与加工技术的发展将具有以下两个主要特征：（1）性能设计与工艺设计的一体化。（2）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。4.2材料加工技术的主要发展方向基于上述材料加工技术的总体发展趋势和特征，金属材料加工