先进金属材料制备科学与技术考试要点(北航)_北航金属复试题答案

先进金属材料制备科学与技术考试要点(北航)由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“北航金属复试题答案”。

1、何谓材料制备加工？请简述材料制备加工工艺在材料科学与工程中的作用。

（一）定义：材料制备技术是指材料的合成与加工，使材料经过制备过程后获得的新材料在化学成份、元素分布或组织结构上与原材料有显著的不同。

（二）作用：可以通过材料制备技术控制现有的内部组织，如宏观微观结构、原子排列、元素分布、能量状态等，来控制现有材料的性能，特别是新的制备技术的出现，如快速冷凝技术可极大的提高凝固速率、改善金属的组织；复合材料制备技术的出现还克服了材料在各自性能上的缺点实现优势互补。此外，通过一些新的制备技术还能获得一些新的组织结构，得到一些新的材料，如高速冷却下可以得到金属非晶材料；不同的制备技术控制不同的实验条件还可以得到新的相，从而改善原有材料的性能。

（三）意义：材料制备时新材料的获取和应用的关键，也是对材料进行加工、成形和应用的品质保证，现已成为材料研究和材料加工领域引人注目的技术热点。其地位和作用已经超出了技术经济的范畴，而与整个人类社会有密不可分的关系。高新技术的发展，资源能源的有效利用，通信技术的进步，工业产品的质量，环境的保护都与材料的制备密切相关。先进制备与成形加工技术的发展对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用，其的出现与应用加速了新材料的研究开发、生产应用进程、促进如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成。促进了现代航空航天、交通运输、能源保护等高新技术发展。现有结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成形技术的支撑，可使材料生产过程更加高效、节能、清洁。

（四）应用：材料制备、合成与成形在材料科学研究中占有核心支柱地位，主要用于纳米材料、薄膜材料、金属复合材料、高温柱状合金、单晶合金、非晶合金、亚晶合金以及磁性材料等的制备。

2.论述材料合成、制备与成形在材料科学与工程中的地位。并举例说明其基本 手段和方法。

3.先进金属材料快速凝固背景、优点、工艺及方法。并简述合金快速凝固的原 理、组织基本特征与性能特点。

背景：常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。

优点：快速凝固材料的偏析程度大幅度降低,而且在快速凝固材料中获得均匀的化学成分要容易得多.快速凝固工艺可制备具有超高强度、高耐蚀性和磁性的材料.由于快速凝固是通过合金熔体的快速冷却(大于105～106K/s)或非均质形核的被遏制,使合金在很大的过冷度下发生高生长速率的凝固,因此可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金.工艺方法:

（一）动力学急冷法：

（1）模冷技术.主要包括:枪法,双活塞法,熔体旋转法,平面流铸造法,电子束急冷淬火法,熔体提取法和急冷模法.（2）雾化技术.具体分为:流体雾化法,离心雾化法和机械雾化法.（3）表面熔化与沉积技术.主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种.（二）热力学深过冷法：深过冷快速凝固是指在尽可能消除异质晶核的前提下,使液态金属保持在液相线以下数百度,而后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法.（1）大体积液态金属的深过冷,主要有熔融玻璃净化法,循环过热法和熔融玻璃净化法+循环过热法.（2）微小金属液滴的深过冷,包括乳化-热分析法,落管法和无容器电磁悬浮熔炼法.（3）其它形状金属液态的深过冷——熔体急冷法,可分为:气枪法,雾化沉积法,熔体旋转法,锤砧法,单辊法.（三）快速定向凝固法.原理：快速凝固技术一般指以大于105～106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相,是一种非平衡的凝固过程,通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶),使粉末和材料具有特殊的性能和用途.由于凝固过程的快冷,起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征.组织基本特点：(1)细化凝固组织，使晶粒细化。(2)减小偏析。(3)扩大固溶极限。(4)快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大已有的亚稳相范围。(5)形成非晶态。(6)高的点缺陷密度。性能特点：

4.简述激光增材制造技术的背景、原理及优势。谈一谈制备过程中可能遇到的问题。

背景：现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展。金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高，对制造技术的要求越来越高、挑战日益严峻。传统制造技术生产 上述大型、整体、高性能金属构件，不仅需要万吨级以上的重型锻造装备及大型锻造模具，技术难度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高。

原理：以合金粉末或丝材为原料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积。直接从零件数字模型一步完成全致密、高性能大型复杂金属结构件的直接近净成形制造 优势：

１）激光原位冶金／快速凝固“高性能金属材料制备”与“大型、复杂构件成形制造”一体化，制造流程短。２）零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。

３）无需大型锻铸工业装备及其相关配套基础设施，无需锻坯制备和锻造模具制造，后续机械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。

４）具有高度的柔性和对构件结构设计变化的 “超常快速”响应能力，同时也使结构设计不再受 制造技术的制约。

５）激光束能量密度高，可以方便地实现对包括Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ等在内的各种难熔、难加工、高活性高性能金属材料的激光冶金快速凝固材料制备和复杂零件的直接“近净成形”。

６）可根据零件的工作条件和服役性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分和显微组织，实现多材料、梯度材料等高性能金属材料构件的直接近净成形等。可能遇到的问题：

金属材料激光增材制造过程中可能遇到的材料基础问题：

（一）激光／金属交互作用行为及能量吸收与有效利用机制

（二）内部冶金缺陷形成机制及力学行为

（三）移动熔池约束凝固行为及构件晶粒形态演化规律

（四）非稳态瞬时循环固态相变行为及显微组织形成规律

（五）内应力演化规律及构件变形开裂预防控制

5.简述合金定向凝固的原理、组织基本特征与性能特点。阐述制备的具体优势 并举例说明。

原理：在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和为凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。组织基本特征：

柱状晶具有特定取向、各向异性、晶间杂质少、组织致密、缩松少 性能特点：

消除横向晶界，提高材料的纵向力学性能；材料韧性、抗高温蠕变性能、抗疲劳性能、持久强度等能力大幅提升，对热循环影响不敏感 举例说明具体优势：

该技术运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度。

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

（一）定义：金属间化合物是指金属与金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合形成的化合物，其原子的排列遵循某种有序化的规律，当以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整个强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增加，这使得金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。

（二）性能特点：屈服强度随温度的升高而提高；密度低，比刚度高；韧性很低或者说是脆性抗氧化性能优良；高温强度好。

（三）强化途径：a提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并得到无缺陷完整晶体，无晶须。b向晶体中引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子等。具体方法有固熔强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细晶强化等。

（四）塑化和强化方法：通常有微量元素合金化，主要有元素合金化、控制微观组织、纤维强塑化、快速凝固细化晶粒方法。

（五）提高韧性：a加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布以改善塑性；b通过合金化改变有序结构的类型；c微量合金强化晶界；d材料纯化；e细化晶粒，细化第二相组织以及加入弥散第二相质点从而提高合金塑性。f用韧性的纤维与其复合增强其韧性，同时还保留金属间化合物的诸多优点。

7.试述制备高性能金属基复合材料的主要方法以及材料设计与制备过程中应考虑的主要材料科学问题和解决方法；并谈谈金属基复合材料在工业实际应用中可能面临的主要问题。

制备方法：依据增强体的加入方式，金属基复合材料的制备方法可分为外加法和原位反应法。外加法是以粉体混合、熔融金属中添加陶瓷颗粒等物理方式达到基体和增强相相容，再通过烧结、铸造、压力加工等后续工艺制备成品，常用的外加法主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法、挤压铸造法等。

原位反应法同外加法的区别在于增强体不是额外加入，而是通过添加原料与基体、添加原料之间发生反应生成，并原位析出。目前报道的原位合成法主要有：放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法和反应喷射沉积等。主要问题和解决方案：

（一）金属熔体与增强相之间的润湿性

改善金属熔体与增强体之间的润湿性的方法主要有:（1）对增强颗粒进行金属涂覆(如Ni, Cu)处理。（2）向金属熔体中加入活性元素(如Li, Mg, Ca, Ti, Zr和P等)。（3）增强颗粒进行预热及保持颗粒表面清洁等方法。（4）增加增强相的表面能、减少熔化金属基体的表面张力和基体与增强相之间的界面能

（二）界面结构

牢固的结合界面使得复合材料的弹性模量和抗拉强度增加。改善基体/增强相的润湿性,控制化学反应,尽可能地减少氧化物的形成（三）复合材料力学性能

挤压变形方法、固溶时效处理工艺

（四）计算机模拟

自洽模型、微分法、复合圆柱族模型、Eshelby等效夹杂物和Mori-Tanaka模型、有限元法

面临的问题：金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时,却大大地降低了其塑性,不利于对复合材料二次塑性加工。

增强体的均匀分散，多相融合的界面效应及其机理，产品性能参数的离散性大，基体与增强体本身特性导致的应力集中、不浸润等

8.简述先进金属材料快速凝固的背景和凝固组织特征，快速凝固激光加工与成 形的主要工艺方法和具体优势。

凝固组织特征：

偏析形成倾向减小 形成非平衡态 细化凝同组织

析出相的结构发生变化 形成非晶态

快速凝固激光加工与成形的主要工艺方法

钛合金速凝固激光熔覆技术 激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层 小面相液固界面结构与生长机制 高性能金属零件激光快速成形 难熔金属激光约束熔铸成型 柱晶钛合金激光约束熔铸成形 具体优势

不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征(如:枝晶及组织细化、元素高度过饱和固溶、低偏析或无偏析、形成各种亚稳相、准晶、非晶等非平衡相等)和特殊物理化学及力学性能的表层材料外,还可以在激光材料表面快速熔化过程中灵活地向熔池中加入合金元素或直接熔化同步输送于零件表面的合金粉末,从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材、具有细小均匀快速凝固非平衡组织特征和所设计优异特殊性能配合的特种表面冶金涂层材料。另外,激光表面熔化过程快速、灵活、热影响区小、无变形、零件表面快速凝固表面改性过程易于实现自动化。9.非晶材料的主要制造技术及应用？

熔剂包敷法、金属模铸造法、水淬法、喷铸-吸铸法、高能束熔覆法、电弧熔炼吸铸法、定向凝固法、非晶粉末挤压法等

非晶硅材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器，如光传感器、温度传感器、功率传感器、压力传感器。在电力领域，铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶、铁基纳米晶等广泛应用于配电变压器、磁放大器等。

未来的非晶硅产品可望在随意基片上低温淀积非晶硅，即使是在不能耐温的基片(如塑料膜)上也照样能淀积，同时用非晶硅单片模式制作三维器件也成为可能。

10.简述金属基复合材料的主要优点和制备方法。选一种具体的金属基复合材料 介绍其制备原理和应用情况。

主要优点：

其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。

1、高比强度、比模量

2、导热、导电性能好

3、热膨胀系数小、尺寸稳定性好

4、良好的高温性能

5、良好的耐磨性

6、良好的断裂韧性和抗疲劳性能

7、不吸潮、不老化、气密性好 制备方法：

（一）粉末冶金复合法

（二）铸造凝固成型法

1、原生铸造复合法

2、搅拌铸造法

3、半固态铸造复合法

4、含浸凝固法（MI技术）

5、离心铸造法

6、加压凝固铸造法

7、热浸镀与反向凝固法

8、真空铸造法

（三）喷射成型法

（四）叠位复合法

（五）原位生成复合法

1、直接氧化法

2、放热弥散法

3、SHS铸渗法

4、反应喷射沉积技术

颗粒增强铝基复合材料(particulate reinforcedaluminum matrix composites, PRAMCs)以其基体合金可选择范围宽、成本低、易于用传统工艺方法制备和加工、能实现批量和大规模生产、制备的材料表现出良好的尺寸稳定性和各向同性而备受瞩目。例如，由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp/Al复合材料活塞已应用于摩托车及小型汽车的发动机[10]。北京航空材料研究院研制的颗粒增强铝基复合材料已应用于卫星的相机零件。

粉末冶金是最早开发的用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺。它是将金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、均匀混合、冷压固结、除气、烧结，以及后续处理制得复合材料。

烧结后的试样经过热挤压可以减少空洞的数量、细化晶粒、改善复合材料的界面结合强度和SiC颗粒的分布，从而有效提高复合材料的力学性能。经过热处理(如固溶、淬火和时效)后能进一步强化复合材料的力学性能。

11.航空涡轮发动机为工业王冠上的明珠，涡轮叶片为其中的重中之重，当前涡 轮叶片的主要制造技术及技术瓶颈是什么？

目前，涡轮叶片主要以单晶高温合金作为基体材料，采用熔模精密铸造工艺进行成形。在新材料方面，F136 发动机涡轮 3 级陶瓷基复合材料导向叶片，该导向叶片不再采用精密铸造工艺进行制造，而是基于化学气相渗透法等方法进行制备。叶片结构形式的变化也会导致其制造工艺的变化，如多孔层板 Lamilloy结构，Allison 公司为此发明了所谓的铸冷（Castcool）制造技术，冷却通道利用浇铸成形加工。此外，随着 3D 打印技术的发展及成熟，将 3D 打印技术应用于涡轮叶片精密成形成为一大发展趋势，如 GE 利用电子束熔覆（Electron Beam Melting, EBM）技术生产低压涡轮叶片

技术瓶颈：

（1）材料难加工，切除率大

（2）叶片形状与内部冷却结构复杂

（3）加工精度高，精铸工艺流程复杂，成品率极低

13.根据你的了解，你认为 3D 打印技术的发展前景及瓶颈是什么？

发展前景：

一是各种新型材质的投入使用，可以打印出更多的真实物体，例如：新型高聚合材质、纳米材质等。随着技术的进步，未来适用于 3D 打印的基础材料也将会大幅增加，而且会产生多元材料的混合制造，实现复杂物体的制造。

二是基于技术的革新，其打印效率、速度都会得到迅速的发展。

三是应用范围将会更加广泛，不仅仅局限于早前的医疗、机械、航空领域，将会更加广泛的应用于家用的军事上的机械零件、食品、厨具等范畴。

四是打印设备的两型化、智能化。

3D 打印机具有灵活性、轻便性、移动性，操作员可以通过网络发出指令，产品可以在不同的地方生产并配送给客户，颠覆了传统的生产时间和地点不易改变得观念，也颠覆了传统的供应链、分销网的部署格局，可以实现真正的云制造。瓶颈：

(1)成本较高。现有3D打印机造价普遍较为昂贵，今年虽然多家公司推出了廉价3D家用打印机(1000美元以下)，但是苦于打印材料价格高居不下，导致总体成本偏高。

(2)打印材料限制。目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全性也存在一定隐患。(3)精度、速度和效率方面。目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。

(4)打印零件尺寸限制。目前的3D打印机并不能实现大尺寸零件的制造。

(5)产业环境方面。3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

14.先进金属材料（制备、工艺等）的发展前景及理解。

先进金属材料是新型金属材料和具有高性能的传统金属材料的总称。如今，许多新兴的金属材料应运而生，加工制备工艺上不断革新，出现了单向凝固技术，快速凝固，半固态加工技术，多孔金属成型技术，喷射铸造，微重力凝固，激光表面处理，爆炸成型等。除此之外，还有如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等新型高性能金属材料，如非晶态软磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、贮氢材料及活性生物医用材料等新型金属功能材料，向着高功能化和多功能化发展。

金属材料工业，如钢铁工业已经具有了一套相当完整的生产技术和生产能力，同时质量稳定，供应方便，在性价比上也具有一定的优势，同时在今后相当长的一段时间内其资源也是有保证的，并且我们知道，金属是可以回收循环使用的，其本身对环境没有污染。最终要的是，在于金属材料具有其他材料体系不能完全取代的独特的性质和使用性能，例如它具有很高的模量，较高的韧性，并且具有磁性和导电性等优异的性能。而且，在其他材料发展的过程中，金属材料也在不断地推陈出新。在可以预见的将来，凭借其不可替代的功能，金属材料仍将占据材料工业的主导地位。