基于冶金技术对金属材料制造的影响研究

郝晓宇

摘要：针对金属材料制造，本综述初步概述了目前金属零件加工的冶金技术，特别是粉末床熔合和定向能沉积技术，以及目前在金属材料面临的挑战，最后对金属材料冶金技术的研究前景进行了展望。

关键词：冶金技术;金属材料;制造;工艺

1 引言

材料制造在不变形、不去除材料的情况下，通过逐层、逐点或逐线的材料添加过程来生产三维物体[1]。与铣、焊、铸造、成形、锻造和车削等传统制造技术相比，材料制造复杂几何形状零件的能力，以及显著的时间、成本和废料减少，使该技术具有很强的竞争力。冶金技术用于金属加工，包括商业化的选择性激光烧结，商业化的选择性激光熔化，商业化的电子束熔化电弧、熔滴工艺和基于焊接技术的焊丝和电弧增材制造。

目前的金属金属材料工艺研究表明，不同的工艺参数对金属构件的凝固、冶金及其组织和力学性能都有显著影响[2]。特别是能量密度，它是热源功率、扫描速度、舱口/扫描线间距和层厚等单个加工参数的集合项，得到了广泛的研究。因此，本文的目的是概述金属材料冶金加工研究的最新进展。首先，根据ISO/ASTM标准对金属部件的冶金技术进行分类和描述，主要集中在粉末床熔化和定向能量沉积类别。然后提出了金属冶金工艺目前面临的挑战。最后对研究结果进行了总结，并对今后进一步的先进金属材料加工冶金技术进行了展望。

2 冶金技术加工金属材料的操作机制

利用冶金技术加工金属材料时，了解工艺参数与凝固和冶金机制之间的关系是很重要的。这是因为并非所有的实际应用都需要的致密结构，如过滤器、热交换器和制冷机等产品都需要一定的孔隙率[3]。因此，需要选择合适的加工设备和工艺，以及合适的加工参数来制造这种人工制品。这些冶金技术过程的操作机制根据使用的机器类型而不同，通常涉及三种类型：（1）通过激光或电子束向被加工材料发射的强热源;（2）原料材料的冶金结合;（3）粘结剂在原料上的沉积[4]。它们影响原料固化成完整部件的方式，即固化机制。此外，这些过程还表现出复杂的冶金机制，取决于所使用的加工参数（如激光功率和扫描速度）、材料特性和化学成分。这些不可避免地导致了零件的微观结构和力学性能的变化。因此，就期望的凝固水平和力学性能而言，成功制造商用金属零件取决于机器的类型、使用的工艺参数和预期的应用。

3 金属部件的冶金技术

金属部件的冶金技术可以是单步过程，也可以是多步過程。单步金属冶金工艺意味着，最终零件所需的几何形状和性能可以在单个层完全凝固后直接获得。另一方面，多步金属冶金工艺是指在多层凝固后直接获得所需的几何形状，但需要进一步加工才能提高零件的力学性能。然而，大多数金属冶金工艺是多步骤的，因为热处理和热等静压等后处理措施是为了提高屈服和抗拉强度等力学性能，并实现良好的冶金机制。粉末床熔化和定向能量沉积过程的凝固机理相似，都是将原料完全熔化，然后将凝固的材料层连接起来形成完整的结构。然而，在冶金技术加工过程中产生许多复杂的物理和冶金现象。

3.1 粉末床熔化

在粉末床熔化工艺中，利用激光或电子束的集中热能选择性地熔化或烧结一层粉末层。金属材料有烧结（部分熔化）和原料熔化两种方法。在粉末床熔化系统中，粉末床是通过将金属粉末层从粉末分配机构撒向建筑区域（也称为基体）而形成的，建筑区域通常由金属材料构成。然后热源根据数据，选择性地烧结（部分熔化）或熔化（完全熔化）粉末。然而，在金属材料加工中，完全熔化现在通常用来代替烧结。此外，金属的活性性质也要求粉末床熔化处理必须在封闭的室内进行，通常要么是真空，要么是含有Ar等惰性气体，以防止氧化或其他不希望发生的反应。

3.2 定向能量沉积

定向能量沉积过程包括大部分金属冶金技术，原料材料沉积在通过聚焦能量产生的熔池，无论是激光或电子束。给料材料可以是粉状或线状。定向能量沉积是基于传统的焊接技术，该技术通过将屏蔽气体流聚焦到熔池上，使材料能够在没有建腔的情况下沉积。在定向能量沉积工艺中，一股原料粉末被激光束熔化，形成一个最终凝固成固体的熔池。其他以粉末为原料的定向能量沉积工艺包括激光金属沉积、直接金属沉积和激光熔覆。此外，定向能量沉积的另一个子集涉及给丝料到熔池，本质上是焊接技术的扩展。

4 金属材料基于冶金技术的挑战

金属材料虽然孔隙率的存在对某些应用可能是有利的，但达到100%的致密化水平，无孔隙率和球化的结构是目前金属料基于冶金技术的主要绊脚石。在回顾的所有研究中，所能达到的最大致密化水平为99%。即使这足以提供使用条件下或结构应用所需的机械强度，但仍可以进行改进，以进一步提高这些金属部件的性能并延长其使用寿命。此外，孔隙率和球化的发生也会影响金属材料零件的尺寸和几何完整性以及表面的光滑性。这些限制很大程度上是由于控制金属材料冶金加工过程中发生的非平衡物理和冶金现象的复杂性引起的。

5 结论

为了满足金属部件产量的需求，开发了各种冶金技术来加工金属部件。目前，只有粉末床熔化和定向能量沉积技术已经成熟，而其他冶金工艺在商业和工业应用方面还有待进一步探索。成功制造冶金技术制造金属部件的关键在于充分理解整个过程的基本原理。

本文综述了粉末床熔化和定向能量沉积两种金属材料的机理，重点讨论了能量密度参数对金属材料凝固和冶金过程的影响，以及由此产生的金属材料的组织和力学性能。在不久的将来，金属冶金技术的研究无疑将呈指数级增长，随着先进冶金加工技术的发展，各种新材料将被开发和制造出来，例如新的功能梯度材料组合。因此，建立了工艺参数特别是能量密度、凝固和冶金之间的相互依赖关系。

参考文献

[1].金属与粉末冶金[J].新材料产业，2020（02）：93-95.

[2]范立坤.增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析[J].理化检验（物理分册），2015，51（07）：480-482+519.

[3]任朋立.浅析粉末冶金材料及冶金技术的发展[J].新材料产业，2014（09）：17-20.

[4]朔风.用粉末冶金技术制造仿铅制品[J].粉末冶金技术，2011，29（04）：249.