材料成型技术研究应用现状及发展趋势

张琳琅  余世浩  李爱农  欧阳文凯

（武汉华夏理工学院机电工程学院，湖北 武汉 430223）

 

摘  要：材料成型是现代制造业最核心的基础工艺之一，广泛应用于各个工业领域。本文简要介绍了焊接、铸造、锻造三个方面的先进成型技术研究发展情况和工业化应用现状，并从自动控制技术、信息化以及节能环保等方面对材料成型技术的发展趋势进行了展望。

关键词：材料成型；焊接；铸造；锻造

 

  材料成型技术有着悠久的历史，两千多年前人类就掌握了青铜器铸造、锻造等成型工艺，并制造出大量兵器和农具等用品。随着科学技术的进步和发展，人们对材料加工成型的力度和范围越来越大，材料成型已成为现代制造业最核心的基础工艺之一，广泛应用于汽车、矿山、能源、建筑、航空、航天、兵器等工业领域[1]。尤其是20世纪末以来，以材料成型技术为核心的材料科学与工程被看做新世纪的工业经济支柱。

  材料成型技术是材料制造工艺中的关键技术，根据材料宏观特性、理化结构以及力学性能，通过合理的材料成型技术，能够快速制备出尺寸精密、性能优异的工业产品。根据实际材料的不同和功能的需求，目前工业中应用最广的成型技术可分为焊接、铸造和锻造三部分[2]。本文分别对焊接、铸造、锻造三个方面的先进成型技术研究发展状况和工业化应用现状进行了介绍，并从自动控制技术、计算机与信息化以及节能环保等方面对材料成型技术的发展趋势进行了展望。

  1  材料成型技术研究应用现状

  1.1  焊接技术研究应用现状

  焊接技术是材料成型中最重要的组成部分，主要包括熔焊、压焊和钎焊，随着技术进步，焊接技术的应用已从金属材料延伸到陶瓷材料、生物组织、高分子材料等多个领域[3]。目前工业上应用较为广泛的先进焊接技术主要包括以下几个方面。

  1.1.1  气体保护焊

  气体保护焊采用电弧熔化母材，惰性气体在电弧周围形成保护层，将电弧、熔池与外界空气隔离，防止氧化，同时保证电弧稳定。其中最具有代表性的是CO2气体保护焊，利用CO2作为保护气体，填充焊丝作为电极，CO2气体保护焊具有生产效率高、节能节材、成本低等特点。

  CO2气体保护焊广泛应用于中厚板、结构钢以及船舶制造等领域[4]，尤其是CO2气体保护半自动焊接技术在船舶制造中应用率达到60%～65%，成为中国现代造船业中的关键技术之一[5]。先进焊接技术在提高船舶建造效率、降低建造成本、提高船舶质量方面具有不可替代的作用。

  1.1.2  高能束焊接

  高能束焊接技术主要包括激光焊接、电子束焊接以及等离子束焊接，利用可聚焦的高能量束作为加热源，由于其能量集中，具有较高的焊接效率以及良好的经济性。

激光焊接技术利用聚焦激光束对母材微小区域局部加热，形成熔池进行焊接，具有加热集中、热输入量低、热影响区窄、焊后变形小、适于焊接难熔及热敏感性强金属的特点[6]。20世纪70年代以前，激光焊接主要采用红宝石脉冲激光器，输出功率较低。随着千瓦级CO2激光器的出现，激光焊接技术得到了空前的发展，在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术[7]。汽车行业是激光焊接最重要的应用领域，在白车身制造、变速箱齿轮、传动轴、散热器、离合器、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造中，激光焊接已成为标准工艺[8]。同时在电子工业中的半导体器件壳体封装、生物医学中的血管连接、航空工业中的铝合金飞机机身制造、高分子薄膜焊接等方面得到越来越多的应用，激光焊接技术已经成为较高工业水平的重要标志。

  等离子焊接是在电弧上施加电磁作用力和机械作用力，提高电弧密度和电弧挺度，获得集中的等离子束流，熔化母材进行焊接。等离子电弧能量密度可达105～106 W/cm2，弧柱中心温度在24 000 K以上[9]。目前等离子焊接技术已在不锈钢焊接、薄板制造、管道焊接中得到了大量应用，北京航空工艺研究所开展了脉冲等离子弧焊的“一脉一孔”工艺研究，西安航空发动机公司采用等离子焊接技术，实现了某航空发动机工艺的改进。

  电子束焊接是利用阴极产生的电子，通过外加电场加速，聚焦形成密集的高速电子流，使母材迅速熔化达到焊接目的。电子束焊接有着其他焊接方法无以比拟的优势，具有真空环境、能量密度高、热效率高的特点，尤其适合异种金属、难熔金属、活泼金属及合金的焊接[10]。作为一种先进和高精密焊接技术，电子束焊接主要应用在航空航天和兵器等军工行业。国内许多航空发动机关键零部件都使用了电子束焊接技术，在某新型航空发动机上，电子束焊接工作量占25%～30%[11]，中国航空船体中的表面张力储箱、隔膜储箱、高压气瓶等高精密器件均采用电子束焊接。

  1.1.3  螺柱焊接

  螺柱焊接属于单面焊接，根据熔深和应用领域不同，主要分为储能式和拉弧式两种焊接方式。拉弧式焊接熔深大，在重工业领域广泛应用；储能式焊接熔深小，在薄板焊接中广泛应用。螺柱焊接的主要优势是无需钻孔、攻螺纹、粘结、铆接等连接方式，即使在瓷釉件、电镀板上焊接，也不必对非焊接面进行加工，因为是单面焊接，没有穿孔，所以螺柱焊接不存在漏水、漏气等问题。

  1.1.4  爆炸焊接

  爆炸焊接是利用爆炸产生的巨大能量，使母材产生塑性变形、熔化，并形成原子间结合的焊接技术，爆炸冲击波可以有效去除母材表面的氧化膜，然后利用爆炸载荷推动两种母材高速撞击而焊接在一起。

  1956年美国第一次实现爆炸焊接的工业应用，成功将铝与钢焊接在一起。随后英国、苏联、日本等国也开展了爆炸焊接技术研究，1968年大连造船厂采用爆炸焊接成功试制了国内第一块爆炸复合板。随着工业发展，爆炸焊接技术广泛应用在化工、石油、航空航天等领域[12]。近年来，爆炸焊接逐渐应用在金属和陶瓷连接以及非晶态合金的研制中。

  1.1.5  搅拌摩擦焊接

  搅拌摩擦焊接是通过搅拌头在焊逢处高速旋转产生热量，焊逢形成塑性区域，在外力作用下达到焊接目的。搅拌摩擦焊接最早由英国焊接研究所（TWI）开发，是一种优质、精密、高效、节能的固态焊接技术。搅拌摩擦焊接特别适用于铝合金的焊接，目前主要应用在航空航天中的飞机机翼结构、机身结构、舱门裙翼结构、机舱气密隔板等部件[13]。挪威最早采用搅拌摩擦焊接技术焊接铝合金船板。1999年，波音公司采用搅拌摩擦焊接生产了DeltaⅡ和Ⅲ型运载火箭的贮箱，同时欧洲航空工业公司已开展了“飞机框架结构的搅拌摩擦焊”项目研究[14]。随着汽车行业的发展，搅拌摩擦焊逐渐开始用于汽车发动机、轮毂、车身支架、车门预成型件等零部件。

  1.2  铸造技术研究应用现状

铸造是一种应用极广的成型工艺，不受工件尺寸、形状及合金材料的限制，主要是通过对金属凝固组织和铸模精度的控制，获得性能合格、尺寸精度与表面粗糙度良好的产品。目前工业上应用较为广泛的先进铸造技术主要包括以下几个方面。

  1.2.1  熔模精密铸造

  熔模精密铸造是在传统失蜡铸造基础上发展起来的，主要分为压制蜡模、制型、脱蜡、焙烧和浇铸等工序，具有尺寸精度高、表面光洁度高、节约材料、适用复杂结构等特点。在高精度、复杂结构铸件，特别是高熔点、高化学活泼性金属成型中起着不可替代的作用。

  美国某发动机广泛采用了熔模精密铸造工艺，将燃烧室零件数量减少50多个，生产制造成本显著降低。波音767飞机仪表控制台框架采用熔模精密铸造工艺制造，部件减轻27 kg，成本降低50%[15]。1966年，中国采用熔模精密铸造技术成功制造出空心镍基高温合金涡轮叶片，随着中国航空发动机叶片、机匣、舱门、进气道唇口及平尾支座等精密构件的研制进展，中国熔模精密铸造工业化进程也加速推进[16]。目前中国主要航空制造厂，均设有熔模精密铸造车间。

  1.2.2  挤压铸造

  挤压铸造是利用高压，使得液态或半固态金属充型和凝固的精确成型铸造技术，近年来在国内外稳步发展。日本丰田轮毂厂拥有多台挤压铸造设备，已形成年产400万只高档汽车铝轮的生产能力[17]。中国目前主要挤压铸件品种有汽车转向节、铝活塞、摩托车前叉刹车系统零件、空调压缩机涡旋盘等[18]。目前挤压铸造主要集中在铝、镁合金及其复合材料的成型，应用范围从航空、航天及兵器逐步扩展到民用领域，实现零件制造的轻量化和精密化。

  1.2.3  差压铸造

  差压铸造工艺是通过向铸型密封罩通入压缩气体，或抽真空，使铸型与密封罩间产生压差，金属液在压力差作用下填充铸型。差压铸造融合了低压铸造和压力釜铸造的特点，具有一系列优点，如可获得最优充型速度、得到优质的充型金属液、改善铸件尺寸精度和表面质量等，主要用于导弹仪器舱、壳体、大型铝合金框架、汽车铝合金轮毂、发动机缸盖等零件的生产，特别是在大型、复杂、薄壁铝合金铸件方面，差压铸造具有很强的技术优势，有着良好的发展前景。

  1.2.4  消失模铸造

  消失模铸造是一种先进的近无余量、精确成形的新技术，采用泡沫塑料制成模具，表面涂有耐火材料，通过高温金属液使模具热解消失，得到最终铸件。相比传统粘土砂铸造，消失模铸造无需取模、无分型面、无砂芯，因此具有精度高、污染少、成本低、易于自动化等优点，被认为是21世纪最可能实现绿色铸造的工艺技术[19]。目前主要有压力消失模、真空低压消失模、振动消失模、消失模悬浮铸造等技术，主要应用在汽车行业中发动机缸体、缸盖、箱体、电机壳体、进气歧管等复杂零件的生产，取得了良好的效果。

  1.3  锻造技术研究应用现状

锻造工艺拥有悠久历史，随着工业化发展，锻造技术在工业中应用越来越广泛，大型复杂结构锻造工艺，是国家工业科技水平和综合国力的重要体现。

  1.3.1  精密锻造

  精密锻造是指锻造后，零件只需少量加工或不加工的成型技术。与普通模锻相比，精密模锻具有加工余量少、尺寸精度高、表面质量好的特点。实现精密锻造成型主要是直接锻造出满足精密加工的毛坯，或者整个零件直接采用精锻加工而成，减少机加量。精锻工艺按成型温度可分为热精锻、冷精锻、温精锻、复合精锻等[20]。美国应用精密锻造技术生产出的F-22的承力隔框，是目前世界上最大的钛合金整体隔框锻件；同时美国F/A-18战斗机采用整体隔框精锻件，使重量减轻了350 kg。俄罗斯安-22运输机采用合金隔框精密锻件，使飞机重量减轻1 000 kg[21]。

  1.3.2  等温锻造

  等温锻造是通过把模具与锻坯加热至相同温度，使坯料在趋于恒定的温度下，以低应变速率和较少锻造火次成型，适用于锻造温度较窄的金属材料，特别是航空航天工业中钛合金和高温合金等难变形材料的精密成型，近年来也用于汽车和机械工业有色金属的精密成型。

等温锻造技术可显著改善锻件的微观组织，提高锻件组织性能均匀性，提高零件使用可靠性，国外主要航空公司的航空发动机盘件中90%以上采用等温锻造技术生产。通过等温锻造技术，高温合金、钛合金精锻叶片的非加工面≥80%，尺寸精度可达0.01 mm[22]。

  1.3.3  粉末锻造

  粉末锻造是以粉末为原料，结合粉末冶金和传统精锻方法形成的一种先进锻造技术。具有材料利用率高、尺寸精度高、机械加工量少等特点。粉末锻造温度低，对模具磨损小，可以显著提高模具寿命，节约成本。目前粉末锻造工艺在汽车零件生产中得到了广泛的应用，主要生产离合器内外环、自动变速器中的内齿轮、发动机连杆、齿轮箱同步环等零部件。

  2  材料成型新技术及发展趋势

随着社会的发展以及工业化对先进制造技术需求的不断提高，材料成型技术得到了飞速发展，一些新工艺、新技术得到了广泛研究及应用，指引了材料成型技术的发展方向和趋势。

  2.1  先进复合焊接技术

激光-电弧复合焊接技术，整合了电弧焊接间隙适应性强，激光焊接速度快、能量密度高的优点，主要分为激光-TIG（非熔化极气体保护焊）焊接、激光-MIG/MAG（熔化极惰性/活性气体保护焊）焊接、激光-等离子焊接等三个方面[23]。主要应用在石油天然气管道焊接、造船业、航空航天以及汽车制造业中，尤其是在中厚板焊接方面具有明显优势。同时还有LB（微光束）-TIG焊接、激光-电阻复合热源焊接、激光-摩擦热源焊接等新技术，均获得了一定的应用[24]。

  超声复合焊接，将超声能量通过电弧引入焊接熔池，以提高焊接效率，减少焊接缺陷，细化组织，提高性能；在钎焊过程中加入超声能量，可实现普通钎焊难以完成的焊接过程；在搅拌摩擦焊中加入超声能量，可细化焊缝晶粒，提高接头力学性能。目前，超声复合焊接技术已经应用于铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢及异种金属的焊接，同时在陶瓷、玻璃、金属基复合材料等难焊材料方面也得到了应用[25]。

  2.2  精密注射/喷射成型技术

  精密成型技术除了上文中介绍的金属精密铸造和锻造冲压技术外，还包括陶瓷和高分子材料的精密注射成型技术，其技术原理是在一定的温度和压力下，将流动性材料浆料注入冷却模具中，材料凝固后进行脱模，得到成品[26]。精密塑胶和陶瓷制件既有高尺寸精度，同时具有良好的力学性能，在机械、电子、仪器、通信等领域迅速取代了部分高精度金属零件。

  金属喷射成型技术，是将金属粉末熔化后，利用特殊喷嘴进行雾化，高速惰性气体射流带动雾化的金属颗粒喷射到沉积器（模具）内壁，迅速凝固，随着金属颗粒的连续喷射，最终凝固得到成品。金属喷射成型具有材料组织均匀、密度高、力学性能好、成型效率高等特点，广泛应用于精密齿轮、笔记本电脑、移动电话结构零件、磁盘驱动部件，光纤连接器部件、汽车涡轮增压部件、人造骨骼等方面[27]。喷射金属粉末从传统的铁合金逐渐向不锈钢粉末、磁性材料、铜粉、镍粉、钨粉等材料发展[28]。

  2.3  复合成型技术

  复合成型技术是指将两种或两种以上的传统成型工艺进行组合，形成的一种高效、节能、先进的近净成型生产工艺。比较典型的有：铜包钢终形铸-轧复合成型技术，钢丝穿过铜熔池，当铜液在钢丝表面处于半凝固状态时，进行压力加工，获得高质量的铜包钢复合材料；铝包钢丝连续铸-挤复合技术，钢丝通过挤压设备时，挤压孔型中的半凝固铝与钢丝一起承受挤压力，发生冶金反应，获得界面结合良好的铝包钢复合材料[29]。同时汽车行业中也广泛应用复合成型技术，如汽车半轴套管的正挤横轧成型工艺、飞轮齿环铸辗工艺等，采用复合工艺制造的变速杆，材料利用率可达86%，零件减小质量约40%、节约加工工时50%[30]。

  2.4  微成型技术

  微成型技术是指采用传统塑性加工方式在亚毫米级尺度上的成型技术，具有生产效率高，材料损失小、力学性能优良和尺寸精密等特点，该工艺主要源于电子工业的兴起，集成电路制造和微电子工艺发展对微型精密零件的需求急剧增加。典型的微成型工艺有微切削、微挤压、微模锻工艺等[31]。目前德国和日本在微成型领域走在前列，已经开发出微成型集成电路引线框、微型螺栓、螺钉、微型螺杆等精密零件。

  2.5  3D打印技术

  3D打印技术也称增材制造技术，是一项多学科交叉的先进成型技术，主要原理是通过三维建模，在电脑程序控制下将三维模型分解成若干层，通过3D打印设备将材料逐层堆积成型，最终得到成品，理论上可制造任何结构复杂的部件，被称为第三次工业革命的核心技术。目前3D打印主要有选区激光熔化技术、熔融沉淀技术、直接三维打印技术、立体光固化技术、激光近净成形技术等[32]。

  与传统打印相比，3D打印最大的区别是耗材不同。3D打印的耗材覆盖了金属、陶瓷、高分子等几乎所有的工业材料，在工业上已经取得实际应用，如复杂结构的航空发动机叶片、喷嘴、汽车发动机零部件、手术前关节、牙科导板等。

  2.6  材料成型技术发展趋势

  随着社会的发展以及工业化对先进制造技术需求的不断提高，材料成型技术获得了良好的发展契机，而自动控制技术、计算机技术、新材料和信息技术及其他先进技术的发展赋予了材料成型技术更为广阔的发展趋势。① 自动化。随着自动控制技术、工业机器人技术的逐渐成熟，材料成型技术向自动化、智能化以及高效率化方向发展趋势越发明显。② 信息化。随着计算机与信息技术的应用，促进了传统材料成型工艺的转变。基于虚拟现实建模的成型过程仿真技术，已大量地应用于工艺参数优化以及工艺设计等各个环节，对材料成型技术发展有着非常重要的意义。③ 绿色化。随着环保意识的不断增强，新型节能环保材料将得到更多应用，这将从根本上推动绿色无污染的材料成型技术的诞生和发展。

  3  结束语

  材料成型技术是一门在生产实践中诞生的工艺技术，同时也随着科学技术的不断进步而不断完善和发展，为中国工业化建设做出了巨大的贡献。近年来，在传统材料成型技术的基础上，大量先进材料成型技术获得突破并实现了工业化应用，尤其是在目前信息化、网络化、自动化、智能化、绿色化的大背景下，材料成型技术将获得新的发展契机。

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