材料加工技术的发展与展望

2018-02-18蔡济云

信息记录材料 2018年2期

关键词：新型材料成形加工

蔡济云

（武汉市第十一中学湖北武汉 420100）

材料加工技术的发展与展望

蔡济云

（武汉市第十一中学湖北武汉 420100）

工业的发展离不开材料加工技术的支持，工业革新使工业的发展迎来了质的飞跃。政府加大了材料学的科学研究的力度，新型材料的接连不断地出现，材料加工的技术也不断提高。本文重点阐述了材料加工的技术发展与展望。

材料加工；发展

1 引言

金属材料想要真正被应用只依靠传统的加工技术是不可能实现的。传统金属加工技术只能融化塑性金属，得到材料坯，材料坯经过新型材料加工技术之后才拥有各种形态和功能被航天、运输、军事、建筑等行业应用。

2 材料加工技术的发展历史

早在远古时代，人类就掌握了材料加工的技术，材料加工可以说是一种又古老又年轻的技术。纵观历史发展，材料加工主要发生了五次重大改革，具体为以下：

（1）最早人类材料加工的原材料基本上是就地取材，远古时期人类碾磨石头，用石头做武器餐具，一直到公元前4000年，人类开始掌握熔炼和铸造铜，用铜代替石头，标志着人类进入了青铜时代。这是材料加工技术的第一次重大改革，原材料从石头变成了金属物质。

（2）人类社会逐步发展，人们发现了另一种金属铁，它的质地比青铜硬，冶炼技术更简单，因此人类开始熔炼和铸造铁，逐渐用铁代替铜制作武器和生活用具，这便是材料加工技术的第二次重大改革。

（3）第三次材料加工技术改革发生在公元1500年，人类用合金替代铁。

（4）人类在使用合金材料过程中迸发了新的灵感，抛弃传统的自然资源，加工自己合成的原材料。在20世纪初期，合成材料开始面世，标志着第四次材料技术革命的开始。

（5）20世纪中后期，人类科学技术发展的十分迅速，人类迫切需要研究具有强大功能的新型材料来满足计算机、航天等尖端领域科学的发展。那段时期纳米材料、超导体、陶瓷材料等新型材料不断面世，给材料加工技术注入了新的活力。到了21世纪后，材料加工技术发展主要两个典型特征，第一个特征直接引领了第五次改革即实现材料性能性能设计与制备加工工艺设计一体化，第二个特征便是精准把握材料的性能、大小等，这些都需要依靠计算机的仿真和模拟技术以及大数据的支持。

3 材料加工技术的主要发展方向

本文深入研究了材料加工技术的发展趋势和特点，整合归纳了材料加工技术未来的发展方向主要为以下五个方向：

（1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化

传统的材料加工存在步骤多、耗时长、成本高、产量低等缺点，材料加工技术未来发展就是要改善传统技术的缺点，缩短流程、简化步骤从而减少时间的浪费，连续生产、合并步骤，实效材料加工的高效快捷，同时还需要把控细节避免出现差错。近几年来各国绿色环保意识提高，如何减少资源的浪费也是材料加工技术需要攻破的难题。

（2）发展先进的成形加工技术

仅仅依靠传统的加工技术难以改善材料的性能，实现“精确成形”及“短流程”可以挖掘出材料的性能。轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。冷却和加温都可以提高材料的性能，比如：非平衡凝固技术、电磁连铸技术等就是冷却材料来精确控制材料加工的速度；低温强加工技术就是通过温度来精确控制材料的变形程度。材料成形加工可以让材料更轻、更薄、更精、更强、更韧、质量高、周期短及成本低。如今材料成形技术广泛相当广泛，它的核心就是精密化在制造技术。精密零件外形尺寸和精密零件内部成分是材料成形加工技术精密化的主要内容。“精确成形”及“短流程”还可以减少材料的缺陷，比如：组成成分细密、平均等。成形技术还可以攻克传统技术难以改造的材料。应急快速维修技术、再制造毛坯快速成形技术等都是新材料的重点研究方向。成形技术还可以解决以前技术难题，比如：用激光、电子束焊接就可以解决材料连接的难题。

（3）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品

近几年国家对材料加工技术越来越重视，新型的加工技术层出不穷，比如铝合金激光焊接、镁合金激光焊接、机器人智能焊接、非纳米晶复合涂层制备技术等。国外也高度重视新型制备与成形加工技术的研究开发，德国对电气化学的研究投入就很大，特意召开了专题会，集中探讨电气化学的材料工艺。电磁场是各国新型材料研究的重点内容，因为电磁场可控性很高，易于被控制，科学家可以通过改变磁场的磁性、叠加磁场等精准控制材料的塑性。相信在未来电磁场将会在新型材料研究中发挥巨大的作用。快速凝固激光加工技术目前也是材料加工研究的另一个热点，通过快速凝固金属来精准把控材料的塑性。材料的新型制备和加工可以缓解日益短缺的自然资源，攻克一些难以解决的加工技术问题，促进材料研究学的发展。

（4）发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构筑完善的材料数据库。

材料加工技术的未来发展离不开计算机技术和大数据技术的支持。科学家研究和发展计算机的数值模拟以及高仿真技术就是为了提高材料成型加工技术的水平，改善材料的性能，实现“精确成形”及“短流程”挖掘出材料的性能。强大的数据库资源也是不可或缺的，它可以为计算机的数值模拟以及高仿真提供精准的数据，提高实验结果的准确性，加速计算机科学技术的发展。国内在近几年才开始了解到计算机数值模拟与过程仿真技术，构筑完善的材料数据库的重要性，而国外的研究早在20世纪80年代就已经开始了，技术和研究水平明显落后。

（5）材料的智能制备与成形加工技术

20世纪后期计算机的快速发展让人们看到了材料加工技术的新方向。计算机拥有强大的计算能力和储存能力，研究依靠计算机技术以及数据库的支持可以实现对生产流程的智能化控制，实时监控、在线反馈。材料的智能制备与成形加工技术意义重大，它可以在保证产品质量的同时，缩短加工的时间，提高生产的效率，实现生产的绿色环保。