國內(nèi)外先進復合材料低成本制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀

第一篇：國內(nèi)外先進復合材料低成本制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外先進復合材料低成本制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀

從低成本成型的研發(fā)現(xiàn)狀看，大致可分為以下5方面的內(nèi)容：（1）

對熱固性復合材料一直沿用的方法進行改進和提高效率，如Filament

Winding（FW，纖維纏繞）、Pultrusion（拉擠）、Braiding（編

織）、Towplacement（絲束排布）、自動成套裁剪、預浸材料激光

樣板切割（Lasertemplate）等自動化技術。（2）濕法工藝技術：

RTM、RFI等在纖維增強體的預型件上再注入浸漬樹脂。（3）熱塑性

復合材料的易成型新材料開發(fā)及IN-SITU（原位）成型方法：Direct

consolidate（直接固結）、Commingledyarn（攙混紗線）、

Powdercoatedtowpreg（粉末涂覆絲束預浸）等新成型方法。（4）

不用熱壓罐的新固化技術，用微波、電子天、超聲波、X線等高效率

能量的新固化方法。（6）CAD/CAM模擬技術：鋪層、浸漬、成型、

固化等工序的模型化/模擬技術，有助于保證產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率。

低成本成型技術當前發(fā)展的主流是濕法成型技術，也稱液體模塑

成型技術（簡稱LCM）,主要有樹脂傳遞模塑、真空輔助樹脂傳遞模

塑（VARTM）、樹脂滲透成型工藝（SCRIMP）和結構反應注射模塑

等。其中最重要的是樹脂傳遞模塑技術（RTM）以及由此而發(fā)展起來

的VARTM。RTM免除了將纖維制成預浸料，再切割成層片然后再鋪

疊成預型件的過程，擺脫了大投資的熱壓罐，工藝易于實現(xiàn)自動化，

具有生產(chǎn)周期短、勞動力成本低、環(huán)境污染少、制造尺寸精確、外形

光滑、可制造復雜產(chǎn)品等優(yōu)點。是目前國際上發(fā)展應用最快，并在航

空工業(yè)應用最多的低成本技術之一。

從國際上看，美國在濕法成型技術上處于領先地位，特別是在航

空航天領域內(nèi)，在過去十年里，美國應用RTM技術的增長率為20-

25%。據(jù)美國塑料工程學會預測，在今后五年里美國應用RTM技術的

增長率將提高到30-32%。美國基本形成了RTM有關的材料體系、制

造工藝、技術裝備和驗證系統(tǒng)，并在武器裝備上得到批量應用，應用

范圍從次結構件發(fā)展到主結構件，包括機翼主承力正弦波梁，其它構

件包括前機身隔框、油箱構架和壁板、中機身武器艙門帽型加強筋、

機翼中間梁、尾翼梁和加強筋等。RTM技術的成熟和發(fā)展，為美國的

航空工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益,如美國F-22機上采用RTM技術制造

的各種復合材料部件達400件，占復合材料結構總量的1/4,單這一

項就比原設計節(jié)省開支約2.5億美元。歐洲是濕法成型發(fā)展較快的另一

地區(qū),RTM制件的增長率為8-10%。業(yè)內(nèi)人士估計，20年以后大多

數(shù)大型的復合材料結構或半結構部件都將是RTM制品,所有重型卡車

的殼體只有用RTM生產(chǎn)。

由RTM開發(fā)出來的VARTM和SCRIMP工藝近年來更是發(fā)展迅

速，這種方法改變了RTM采用雙邊閉合模的辦法，而只采用單邊硬模,

用來鋪放纖維增強體，另一面則采用真空袋覆蓋，由電腦控制的樹脂

分配系統(tǒng)先使樹脂膠液迅速在長度方向充分流動滲透。然后在真空壓

力下向厚度方向緩慢浸潤，大大改善了浸漬效果，減少了缺陷發(fā)生，

產(chǎn)品性能的均勻性和重復性以及質量都能得到有效的保證。在同樣原

材料的情況下，與手糊制件相比，成本節(jié)約可達50%,樹脂浪費率低

于5%,而制件的強度、剛度及其它的物理特性可提高30%-50%以上。

另外由于采用閉模成型，揮發(fā)性有機物和有毒空氣污染物均受到很好

的控制，VOC排放不超過5PPm的標準，而開模成型的苯乙烯的揮發(fā)

量超過500PPmeSCRIMP工藝使大尺寸、幾何形狀復雜、整體性要

求高的的制件的制造成為可能，目前它可成型面積達185m2、厚度為

3-150mm、纖維含量達70-80%.孔隙率低于1%的制品。樹脂浪費

率低于5%,節(jié)約勞動成本50%以上。在船艇制造、風機葉片、橋梁、

汽車部件及其它民用和海洋基礎工程等方面得到廣泛應用。實踐證明，

SCRIMP工藝制造的部件性能與航空航天領域廣泛采用的熱壓罐工藝

相媲美。隨著SCRIMP技術從軍事應用向民用工業(yè)的轉移,在建筑、

汽車行業(yè)將有很大的拓展空間，如大尺寸的屋面、建筑平臺等公用工

程構件。以Lotus公司為代表的汽車廠家已實現(xiàn)該工藝的大規(guī)模生產(chǎn)。

SCRIMP工藝的另一個主要應用領域是風機葉片的制造，目前，國外

采用閉模的真空輔助成型工藝用于生產(chǎn)大型葉片（葉片長度在40m以

上時）和大批量的生產(chǎn)。這種工藝適合一次成型整體的風力發(fā)電機葉

片（纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型）,而無需二次粘接。

世界著名的葉片生產(chǎn)企業(yè)LM公司開發(fā)出56M的全玻纖葉片就是采用

這種工藝生產(chǎn)的。

除濕法成型外,其它的低成本制造技術還有纖維纏繞、拉擠等。

纖維纏繞主要用于圓柱體及旋轉體的制造，如壓力容器、石油管道、

排水管道等。纏繞成型的一種拓展技術為預浸帶自動纏繞，采用的是

經(jīng)樹脂預浸漬的纖維預浸帶，這種方法比一般的纖維絲束纏繞鋪放的

效率更高，業(yè)內(nèi)專家介紹，美國波音787飛機上采用50%的復合材料,

其中整體機身段就是采用纖維預浸帶纏繞工藝制造的，機身段是長度

和直徑都在5m以上的超大型制件，而采用這種高效的成型技術，整

個制件的成型僅在三天之內(nèi)就完成，其中裝模和準備一天，纏繞一天，

固化及卸模一天，不僅高效快速，且能有效的保證了產(chǎn)品的質量。另

一種高效的低成本成型是拉擠成型，拉擠成型有高度自動化大量生產(chǎn)

的特性，特別適合民生用產(chǎn)品，許多金屬件也逐漸被拉擠成型的FRP

制件來取代，各式各樣的拉擠制件件，如實心方管、實心圓管、工型

梁、C型梁、空心方管、空心圓管以及空心加助補強制件件,幾乎任

何截面都可制造出，其截面形狀變化能力非常高。用以取代金屬制件

用于建筑工程，完全沒有銹蝕的問題，且結構輕便、施工與保養(yǎng)容易。

另外如屋頂波浪版、工型梁、中空方型梁都可用拉擠的復合材料取代

又重又容易銹蝕的鋼制結構。可以預見拉擠成型制件的輕、強、產(chǎn)量

大、容易制造、成本低等優(yōu)點會逐漸取代金屬件，而在民品工業(yè)中占

有一席之地。

國內(nèi)復合材料低成本產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術水平較低，特別是高端

的航空航天產(chǎn)品的低成本制造，目前僅停留在實驗階段，這也從一個

側面反映出我國復合材料產(chǎn)業(yè)的總體現(xiàn)狀和水平。在低成本成型技術

的研發(fā)方面，高端的航空航天產(chǎn)品，由于應用需求問題，目前仍處于

初級階段，在原材料、制造設備、成型技術以產(chǎn)品驗證系統(tǒng)和規(guī)范標

準等還未形成自己的體系。其它民用復合材料的制造，目前手糊工藝

制品占有相當大的比重，但近年來隨著復合材料工業(yè)對成型工藝產(chǎn)品

的質量要求的不斷提升，特別是對成型工藝的環(huán)保及成本方面的要求

越來越高，促進了這些企業(yè)復合材料的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質量不斷改進

和升級。其中低成本成型技術,包括濕法工藝的RTM和VARTM技術,

以及纏繞、拉擠工藝得到了迅速的發(fā)展。我國玻璃鋼/復合材料企業(yè)生

產(chǎn)能力與技術水平與世界先進國家之間有著明顯的差距。我國仍以手

糊法為主,占75%的比例，相應其它國家只有約20%,而在先進成型

技術方面,美國接近40%,日本30%，德國15%,而我國不到3%;

纏繞法我國發(fā)展較快，達13%,這是因為我國在這方面市場需求增長

很快，而中低端的纏繞產(chǎn)品在技術上較容易實現(xiàn)。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模和集成

能力來看，我國的企業(yè)數(shù)量是美國的6倍，而相反年產(chǎn)量僅是美國的

1/3。這是因為我國的中小型民營企業(yè)數(shù)量巨大，這些數(shù)量巨大的小型

民營企業(yè)目前普遍存在諸如生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品多為來樣加工，缺乏

自主設計能力，無嚴格的質量檢驗體系，生產(chǎn)過程對空氣污染嚴重，

生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工人缺乏必要的防護服等著一系列的問題。

第二篇：先進航空發(fā)動機關鍵制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

先進航空發(fā)動機關鍵制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

一、輕量化、整體化新型冷卻結構件制造技術1整體葉盤制造技

術整體葉盤是新一代航空發(fā)動機實現(xiàn)結構創(chuàng)新與技術跨越的關鍵部件，

通過將傳統(tǒng)結構的葉片和輪盤設計成整體結構，省去傳統(tǒng)連接方式采

用的樺頭、棒槽和鎖緊裝置，結構重量減輕、零件數(shù)減少，避免了棒

頭的氣流損失，使發(fā)動機整體結構大為簡化，推重比和可靠性明顯提

高。在第四代戰(zhàn)斗機的動力裝置推重比10發(fā)動機F119和EJ200上,

風扇、壓氣機和混輪采用整體葉盤結構，使發(fā)動機重量減輕

20%~30%,效率提高5%~10%,零件數(shù)量減少50%以上。目前，整

體葉盤的制造方法主要有：電子束焊接法；擴散連接法；線性摩擦焊

接法；五坐標數(shù)控銃削加工或電解加工法；鍛接法；熱等靜壓法等。

在未來推重比15-20的高性能發(fā)動機上，如歐洲未來推重比15~20

的發(fā)動機和美國的IHPTET計劃中的推重比20的發(fā)動機,將采用效果

更好的SiC陶瓷基復合材料或抗氧化的C/C復合材料制造整體渦輪葉

盤。2整休葉環(huán)（無盤轉子）制造技術如果將整休葉盤中的輪盤部分

去掉，就成為整體葉環(huán)，零件的重量將進一步降低。在推重比15-20

高性能發(fā)動機上的壓氣機擬采用整體葉環(huán)，由于采用密度較小的復合

材料制造，葉片減輕，可以直接固定在承力環(huán)上，從而取消了輪盤，

使結構質量減輕70%。目前正在研制的整體葉環(huán)是用連續(xù)單根碳化硅

長纖維增強的鈦基復合材料制造的。推重比15?20高性能發(fā)動機，如

美國XTX16/1A變循環(huán)發(fā)動機的核心機第3、4級壓氣機為整體葉環(huán)

轉子結構。該整體葉環(huán)轉子及其間的隔環(huán)采用TiMC金屬基復合材料

制造。英、法、德研制了TiMMC葉環(huán)，用于改進EJ200的3級風扇、

高壓壓氣機和渦輪。3大小葉片轉子制造技術大小葉片轉子技術是整

體葉盤的特例，即在整體葉盤全弦長葉片通道后部中間增加一組分流

小葉片，此分流小葉片具有大大提高軸流壓氣機葉片級增壓比和減少

氣流引起的振動等特點，是使軸流壓氣機級增壓比達到3或3以上的

有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。4發(fā)動機機匣制造技術在新一代航空發(fā)動機上有

很多機匣，如進氣道機匣、外涵機匣、風扇機匣、壓氣機機匣、燃燒

室機匣、渦輪機匣等，由于各機匣在發(fā)動機上的部位不同，其工作溫

度差別很大，各機匣的選材也不同，分別為樹脂基復合材料、鐵合金、

高溫合金。樹脂基復合材料已廣泛用于高性能發(fā)動機的低溫部件，如

F119發(fā)動機的進氣道機匣、外涵道筒體、中介機匣。至今成功應用的

樹脂基復合材料有PMR-15（熱固性聚酰亞胺）及其發(fā)展型、Avimid

（熱固性聚酰亞胺）AFR700等,最高耐熱溫度為290℃?37HC,

2020年前的目標是研制出在425。（：溫度下仍具有熱穩(wěn)定性的新型樹脂

基復合材料。樹脂基復合材料構件的制造技術是集自動鋪帶技術

（ATL）、自動纖維鋪放技術（AFP）、激光定位、自動剪裁技術、模

壓成形、樹脂傳遞模塑成形（RTM）、樹脂膜浸漬成形（RFI）、熱壓

罐固化成形等技術于一體的綜合技術。5寬弦風扇葉片制造技術英國

羅?羅公司成功開發(fā)出遺達系列的超塑成形-擴散連接發(fā)動機寬弦風扇

轉子葉片，引起了國際航空界的高度重視，此類空心葉片的輕質量、

高結構效率使航空發(fā)動機的綜合性能得到顯著提高。如今，寬弦、無

凸臺、空心葉片是高性能發(fā)動機風扇和第一級壓氣機葉片的發(fā)展方向。

推重比10一級發(fā)動機F119,EJ200均采用了寬弦風扇葉片，GE公司

的GE90,推重比15-20高性能發(fā)動機都采用復合材料風扇葉片?，F(xiàn)

在寬弦風扇葉片主要采用超塑成形-擴散連接（Superplastic

Forming/DiffusionBonding,SPF/DB）技術。與傳統(tǒng)工藝制造的零

件相比，SPF/DB組合工藝技術具有重量輕、成本低、效益高、整體性

好、成形質量高等優(yōu)點。目前國外正在研究的推重比15~20高性能發(fā)

動機的金屬基復合材料風扇葉片，是一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維

增強的鈦基復合材料（TiMMC）制造,采用超塑成形/擴散連接工藝

制出空心風扇葉片。6復合冷卻層板結構制造技術多孔復合冷卻層板

結構是推重比10以上發(fā)動機采用的先進冷卻結構，多用于燃燒室和渦

輪葉片，它是一種帶有復雜冷卻回路的多孔層板，用擴散連接方法連

接成形的冷卻結構，其關鍵制造技術是計算機輔助設計和繪制復雜冷

卻回路，用〃照相-電解法〃制成冷卻回路，擴散連接成多層多孔層板。

由此可知，整體化結構、新型冷卻結構等新技術，使發(fā)動機諸多零件

減輕了質量、降低了成本、提高了效率，從而保證了發(fā)動機高推比、

高性能的相關要求。

二、新材料構件制造技術推重比15~20一級的航空發(fā)動機要求材

料具有耐高溫、高強度、高韌性等特性。高性能發(fā)動機已經(jīng)采用很多

種類的新材料和新材料構件，尤其是金屬基復合材料、陶瓷基復合材

料、碳/碳復合材料是當前高溫復合材料領域開發(fā)和應用研究的熱點。

與其同時進行的高溫復合材料構件制造技術正在深入地發(fā)展。1金屬

基復合材料構件制造技術SiC長纖維增強Ti基復合材料（TiMMC）具

有比強度高、比剛度高、使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點。例

如德國研制的SCS-6SiC/IMI834復合材料的抗拉強度高達2200MPa,

剛度達220GPa,而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,在70（TC溫度暴露

2000h后，力學性能不降低。TiMMC葉環(huán)代替壓氣機盤，可使壓氣

機的結構質量減輕70%。美國制備的TiMMC葉環(huán)已在P&W的XTC-

65IHPTET驗證機上成功地進行了驗證，能夠滿足性能要求。英、法、

德也研制了TiMMC葉環(huán)，并成功地進行了臺架試驗。未來發(fā)動機的

低壓壓氣機葉片和靜子葉片、整體葉環(huán)、機匣及渦輪軸將采用金屬基

復合材料制造。TiMMC關鍵制造技術有、纖維涂層法、等離子噴涂法、

漿料帶鑄造法、箔-纖維法。2陶瓷基復合材料構件制造技術推重比

15~20高性能航空發(fā)動機的渦輪前溫度將達到2200K以上，連續(xù)纖維

增韌陶瓷基復合材料（CMC）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂

行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災難性的損毀，可代替高溫合金作為熱

端部件結構材料。CMC的應用使發(fā)動機大幅度減重，節(jié)約冷卻氣或無

需冷卻，從而確保發(fā)動機高推重比的有關性能。美、英、法等發(fā)達國

家以推重比9~10發(fā)動機（如F119、EJ200.F414等）作為CMC的

驗證平臺，主要驗證的部件有SiC基CMC的燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰

穩(wěn)定器、矢量噴管調(diào)節(jié)片和密封片，甚至整體燃燒室和整體渦輪等構

件。SiC基CMC的關鍵制造技術包括纖維預制件的設計和制造、SiC

基體的致密化技術、纖維與基體間界面層和復合材料表面防氧化涂層

的設計與制造以及構件的精密加工等。3破/碳復合材料構件制造技術

碳/碳復合材料（C/C）的最顯著的優(yōu)點是耐高溫（1800℃-2000℃）

和低密度（約L9g/cm3）,可能使發(fā)動機大幅度減重。美、法、俄等

研制的C/C復合材料部件有燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導

向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環(huán)等。美國將整體渦輪盤在176CTC進行

了地面超轉試驗。C/C構件的關鍵制造技術包括碳纖維預制體的設計

與制備、C/C的致密化技術和C/C防氧化涂層的設計與制造。C/C致

密化方法有化學氣相浸透法（CVI）和液相浸漬法。液相浸漬法包括樹

脂浸漬炭化法和瀝青浸漬炭化法，發(fā)展的方向是提高致密化速率，降

低制造成本。由于航空發(fā)動機用C/C構件要滿足富氧燃氣環(huán)境下長壽

命工作的要求，所以必須解決C/C抗氧化的問題。通過設計和制備防

氧化涂層是改善C/C抗氧化性的主要途徑，也是國際研究的熱點，目

前尚未取得突破性進展。由上可見，與現(xiàn)行推重比8的發(fā)動機相比，

新材料構件不管在結構設計、制造技術方面，還是在整體質量方面，

都有較大突破，因此可確保推重比15?20等高性能的實現(xiàn)。

三、航空發(fā)動機制造技術新工藝1新型結構件精密制坯技術目前，

先進精密毛坯制造技術正在向近凈成形方向發(fā)展。先進的精密制坯技

術有定向凝固和單晶精鑄制坯、精密鍛造制坯和快速凝固粉末冶金制

坯技術。高性能航空發(fā)動機采用了大量的新型結構件，由于制坯技術

的進步將導致毛坯件發(fā)生重大變化。精鑄件、精鍛件、單晶和定向凝

固精鑄件以及快速凝固粉末冶金制坯毛坯將取代傳統(tǒng)的大余量毛坯。

傳統(tǒng)意義的鍛件將由77%降至33%,精鑄件由18%增至44%以上，

粉末冶金件由3%增至8%,復合材料構件由4%增至15%。2先進的

切削技術切削加工一直是航空發(fā)動機關重件的主要制造手段。隨著航

空發(fā)動機推重比的不斷提高，特別是質量的不斷減輕，發(fā)動機制造將

越來越多地依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的鈦合

金、高溫合金以及金屬基復合材料等新材料，而這些材料都屬于典型

的難加工材料。同時發(fā)動機關重件往往型面復雜，對加工精度和表面

完整性的要求極，因此在新一代航空發(fā)動機的切削加工中迫切需要采

用新型刀具材料、刀具結構以及高效的工藝方法，同時這種需求也大

大推動了具有高剛度、高精度和大驅動功率的專用機床和通用機床的

發(fā)展。數(shù)控加工技術在航空發(fā)動機的制造中主要用于壓氣機及渦輪機

的各類機匣、壓氣機盤及渦輪盤、渦輪軸和壓氣機軸等復雜構件的加

To高端數(shù)控裝備及技術作為國家戰(zhàn)略性物資，對提高發(fā)動機整體制

造水平起著舉足輕重的作用，如美國洛克希德?馬丁公司在研制JSF聯(lián)

合攻擊機時，采用五坐標數(shù)控加工方法，將約1.5t的鐵合金鍛鍛錠數(shù)

控銃削加工成重約99kg的大型升力風扇整體葉盤，其切除率超過

93%。高效精密切削、變形補償、自適應加工，以及抗疲勞制造等技

術的研究和應用在新一代發(fā)動機的加工中需求迫切；同時，加工過程

的知識積累對于提高加工效率、加工質量和加工的自動化水平非常重

要，應圍繞發(fā)動機關重件和典型材料的高效數(shù)控加工建立相應的切削

數(shù)據(jù)庫。磨削在先進的切削技術研究中占有重要地位。在磨削加工技

術的研究中，為了獲得高加工效率，世界發(fā)達國家開始嘗試高速、強

力磨削技術，如利用強力磨削可一次磨出渦輪葉片的樺頭齒形。目前,

磨削技術的發(fā)展趨勢是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、

高速高效磨削機理并開發(fā)其新的磨削加工技術，研制高精度、高剛性

的自動化磨床。3特種加工技術以高能束流加工為代表的特種加工技

術在難切削材料加工，復雜構件的型腔、型面、型孔、微小孔、細微

槽及縫的加工中具有顯著優(yōu)勢，解決了常規(guī)加工很難解決的問題。特

種加工技術主要包括：激光加工、電子束加工、離子束加工、等離子

加工、電火花加工、電解加工、超聲波加工、磨料流加工、高壓水射

流切割等。通過電磁場、溫度場、化學場和力場（包括空間微重力場）

等外加因素的綜合應用以及激光、等離子束、微波等多種能量形式的

結合，開辟材料加工成形技術創(chuàng)新的廣闊途徑。4特種焊接技術先進

焊接連接技術作為確保航空發(fā)動機結構完整性不可缺少的手段，其研

究、開發(fā)與應用直接關系到新一代航空發(fā)動機的質量、壽命和可靠性。

特種焊接技術由于具有可明顯減輕結構重量、降低制造成本、提高結

構性能等特點，滿足航空發(fā)動機輕質化、長壽命、低成本、高可靠性

制造的要求，已成為航空發(fā)動機制造中的一項重要技術。特種焊接技

術主要包括：笆極惰性氣體保護弧焊（GTAW）、活性焊劑焊接技術、

自蔓延高溫合成焊接法、等離子弧焊（PAW）、電子束焊（EBW）、

激光焊（LBW）、真空釬焊（VB）、擴散焊（DB）、摩擦焊等。近

年來，新型纖焊和擴散焊、摩擦焊和高能束流焊接等先進焊接技術在

航空發(fā)動機制造中的發(fā)展和應用越來越廣泛。在歐美已相繼用摩擦焊

取代電子束焊用于發(fā)動機的粉末冶金等溫鍛造盤-盤及盤-軸一體化焊

接。摩擦焊接技術在發(fā)動機轉子鼓筒、整體葉盤的焊接中得到和應用，

并逐漸發(fā)展成為航空發(fā)動機制造中的一項關鍵技術。5熱障涂層技術

先進的高推重比發(fā)動機結構中將大量采用以熱障涂層技術為代表的先

進熱障涂層技術。涂層技術在航空發(fā)動機關鍵零部件的耐磨、高溫防

護、隔熱、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面起了顯著

的作用，應用越來越廣泛。先進的涂層方法主要包括：真空等離子噴

涂、層流等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電子束物理氣相沉積、化學

氣相沉積、真空離子濺射涂層（MAn爐）等。熱端部件采用熱障涂層

以提高結構強度，其中有陶瓷涂層和多層隔熱層。陶瓷熱障涂層需先

在零件表面噴涂MCrALY底層以提高結合強度。多層復合隔熱涂層是

在基體金屬表面釬焊一層柔性金屬纖維結構（材料為

HFe22.5Cr5.5SiOO.lC）,可減少冷卻氣流80%。渦輪工作葉片和導

向器的隔熱涂層采用低壓等離子噴涂涂敷，也可以采用電子束物理氣

相沉積（EB-PVD）涂敷。發(fā)動機冷端部件溝采用封嚴涂層、耐磨和防

腐蝕涂層。6快速原型/零件制造技術快速原型（RapidPrototyping,

RP）制造技術出現(xiàn)于20世紀90年代中期，這種基于〃離散-堆積〃

原理和增材制造的方法，能夠實現(xiàn)高性能復雜結構金屬零件的無模具、

快速、近凈成形，具有高度柔性的制造思想已經(jīng)被企業(yè)界廣泛接受，

其應用已從最初的設計原型和測試原型制造向最終產(chǎn)品制造的方向發(fā)

展?？焖僭?零件制造技術為航空發(fā)動機復雜零件的設計實現(xiàn)實體化

提供快速方便的手段，可實現(xiàn)精鑄復雜模具的制造，現(xiàn)在發(fā)展到直接

快速成形零件，是一種很有發(fā)展前景的工藝方法。主要方法有：分層

實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔化沉積制造

（FDM）、三維立體印刷（SLA）和三維焊接法等?？焖僭椭圃旒?/p>

術一經(jīng)出現(xiàn)，就成為先進制造技術和激光加工領域研究的熱點，美國

軍方對這項技術的發(fā)展給予了相當?shù)年P注和支持，在其直接支持下，

美國率先將這一先進技術實用化，目前，F(xiàn)-22和F/A-18E/F上的幾個

關鍵零件已經(jīng)采用了TC4鈦合金激光快速成形件。該技術能顯著提高

疲勞性能，降低成本40%,加工周期僅為傳統(tǒng)工藝的1/5。7浮壁式

火焰筒制造技術推重比10一級發(fā)動機渦輪前溫度達到1500℃

艾利遜公司研究了用多孔層板加柔性金屬/陶瓷

-1700℃oLamilloy

制造的浮壁式火焰筒結構。普惠公司研究了用玻璃陶瓷基復合材料制

造浮壁式火焰筒結構。F119采用的浮壁式火焰筒結構是用多環(huán)段連接

而成。環(huán)段背向火焰一面對流散熱的凸環(huán)，并有縫隙形成冷卻隔熱氣

膜，隔熱環(huán)是由浮動片組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。浮動片用精

密鑄造而成，而冷卻隔熱環(huán)局部噴涂熱障涂層，以降低部件表面溫度。

四、航空發(fā)動機零部件的無損檢測技術無損檢測技術能為發(fā)動機

產(chǎn)品提供內(nèi)部質量信息，既可作為產(chǎn)品評價的依據(jù)，也為工藝分析提

供參考信息，是確保發(fā)動機結構高可靠性的重要手段。對于航空發(fā)動

機而言，在服役過程中難免會出現(xiàn)一些疲勞裂紋、損傷以及惡劣工作

環(huán)境下組織狀態(tài)變化等問題，及時檢測到這些問題對于減少事故、提

高零部件的使用壽命有重大意義。常用的檢測技術有超聲檢測、渦流

檢測、工業(yè)CT無損檢測等。無損檢驗技術發(fā)展的總趨勢仍是速度快，

自動化程度高，分辨率高，易于解讀，可嵬性高，以及成木低。例如，

在傳統(tǒng)的超聲、電磁及聲學檢驗中，廣泛引入移動式自動掃描，綜合

應用了多種技術，出現(xiàn)了自動掃描的超聲、電磁、傳感器系統(tǒng)，聲學-

激光自動掃描系統(tǒng)。

五、面向零件制造過程的專業(yè)化成套制造技術作為單項數(shù)字化制

造技術的集成，將信息技術與制造技術相結合而形成的數(shù)字化生產(chǎn)線

技術的應用成為航空發(fā)動機行業(yè)提高生產(chǎn)質量和柔性的關鍵技術。GE、

羅?羅和普惠等主要航空發(fā)動機生產(chǎn)廠商應用數(shù)字化技術，建成了一系

列航空發(fā)動機典型零件自動化生產(chǎn)線，取得了良好的效果。（1）壓氣

機葉片精密鍛造生產(chǎn)線目前航空發(fā)動機有33%的工作量來自于葉片的

制造，葉片精鍛生產(chǎn)線是解決葉片制造瓶頸的有效方法之一。生產(chǎn)線

由葉片制坯、葉片精鍛成形、葉片型面化銃、葉片熱處理、葉片檢測

5條子生產(chǎn)線組成，適合于高溫合金、鈦合金、鋁合金和不銹鋼等材

料精鍛葉片的批量生產(chǎn)。（2）渦輪葉片精密鑄造生產(chǎn)線渦輪葉片制造

質量對航空發(fā)動機的性能有很大影響。由于其結構復雜、制造技術含

量高，其精鑄質量和尺寸精度與葉片研制過程中的設計、制造、冶金、

化學、制模、爐工等人員密切相關。國外航空發(fā)動機制造公司花費大

量資金建立了發(fā)動機渦輪葉片精鑄生產(chǎn)線。（3）壓氣機轉子葉片電化

學自動化加工牛產(chǎn)線該牛產(chǎn)線集拉削加工技術、高精度測量技術、電

化學技術、電火花加工技術、機器人技術以及無損檢測技術等眾多技

術于一體，其關鍵技術為360。電化學加工技術。首先采用組合的垂直

拉床將預切長度的棒材拉削加工出葉片的樣齒，然后利用根部來定位,

從葉盆和葉背兩面進行電化學加工，一次完成葉身型面加工。

六、以信息化技術為紐帶，建立數(shù)字化工廠信息化是振興及提升

航空發(fā)動機制造業(yè)的必要途徑，必須將專業(yè)的制造技術與信息技術、

管理技術相融合，運用先進的信息技術和現(xiàn)代管理思想，實現(xiàn)航空發(fā)

動機設計、試驗、制造、檢測、管理、使用和維護等全過程的自動化、

網(wǎng)絡化和智能化。在國外，航空發(fā)動機研制已利用信息化技術從傳統(tǒng)

的大批量制造模式轉向現(xiàn)代先進精益制造模式。例如，GE公司發(fā)動機

部GEAE在1998年制訂實施了航空發(fā)動機異地協(xié)同設計和制造的增量

式發(fā)展規(guī)劃，取得了顯著的效益。羅?羅公司建立了發(fā)動機典型零件的

自動化生產(chǎn)線和協(xié)同的計算機工作環(huán)境，實施了并行工程，從整體上

增強航空發(fā)動機的研制能力。普惠公司采用集成產(chǎn)品開發(fā)團隊的形式

來管理發(fā)動機全生命周期內(nèi)的計劃、流程、技術、信息等經(jīng)濟技術活

動，建立先進的數(shù)字化工廠。免責聲明：本公眾號所載文章為本公眾

號原創(chuàng)或根據(jù)網(wǎng)絡搜集編輯整理，文章版權歸原作者所有。如涉及作

品內(nèi)容、版權和其它問題，請跟我們聯(lián)系！文章內(nèi)容為作者個人觀點,

并不代表本公眾號贊同或支持其觀點。本公眾號擁有對此聲明的最終

解釋權。

第三篇：特種加工技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望?先進制造技術課程論文

先進制造論文

題目：先進制造技術院系：周口科技機械工程數(shù)控

班級：數(shù)控

姓名：閆文磊

4班

時間:2010年12月251

日

先進成型技術

摘要

一、特種加工技術在國際上被稱為21世紀的技術，對新型武器裝

備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用。本文分別從激光加工技術、

電子束加工技術、離子束及等離子加工技術、電加工技術幾方面介紹

了國外的發(fā)展現(xiàn)狀，同時提出了國內(nèi)相應領域的技術發(fā)展方向。

關鍵詞：特種加工；高能束流；激光技術；發(fā)展趨勢

特種加工亦稱〃非傳統(tǒng)加工〃或〃現(xiàn)代加工方法〃，泛指用電能、

熱能、光能、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除

或增加材料的加工方法。本文所述的特種加工技術主要是指激光加工

技術、電子束加工技術、離子束及等離子加工技術和電加工技術等。

隨著新型武器裝備的發(fā)展，國內(nèi)外對特種加工技術的需求日益迫

切。不論飛機、導彈，還是其它作戰(zhàn)平臺都要求降低結構重量，提高

飛行速度，增大航程，降低燃油消耗，達到戰(zhàn)技性能高、結構壽命長、

經(jīng)濟可承受性好。為此，上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺都要求采用整體結

構、輕量化結構、先進冷卻結構等新型結構，以及鈦合金、復合材料、

粉末材料、金屬間化合物等新材料。

為此，需要采用特種加工技術，以解決武器裝備制造中用常規(guī)加

工方法無法實現(xiàn)的加工難題，所以特種加工技術的主要應用領域是：

難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強鋼、復合材料、工程

陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強度、高熔

點材料。

難加工零件，如復雜零件三維型腔、型孔、群孔和窄縫等的加工。

低剛度零件，如薄壁零件、彈性元件等零件的加工。

以高能量密度克流實現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻

蝕和精細加工。1先進制造技術的特點1.1是面向21世紀的技術

先進制造技術是制造技術的最新發(fā)展階段，是由傳統(tǒng)的制造技術

發(fā)展起來的，既保持了過去制造技術中的有效要素，又要不斷吸收各

種高新技術成果，并滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的所有領域及其全部過程。先進

制造技術與現(xiàn)代高新技術相結合而產(chǎn)生了一個完整的技術群，它是具

有明確范疇的新的技術領域，是面向21世紀的技術。1.2是面向工業(yè)

應用的技術

先進制造技術并不限于制造過程本身，它涉及到產(chǎn)品從市場調(diào)研、

產(chǎn)品開發(fā)及工藝設計、生產(chǎn)準備、加工制造、售后服務等產(chǎn)品壽命周

期的所有內(nèi)容，并將它們結合成一個有機的整體。先進制造技術的應

用特別注意產(chǎn)生最好的實際效果，其目標是為了提高企業(yè)競爭和促進

國家經(jīng)濟和綜合實力的增長。目的是要提高制造業(yè)的綜合經(jīng)濟效益和

社會效益。1.3是駕馭生產(chǎn)過程的系統(tǒng)工程

先進制造技術特別強調(diào)計算機技術、信息技術、傳感技術、自動

化技術、新材料技術和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術在產(chǎn)品設計、制造和生產(chǎn)組

織管理、銷售及售后服務等方面的應用。它要不斷吸收各種高新技術

成果與傳統(tǒng)制造技術相結合，使制造技術成為能駕馭生產(chǎn)過程的物質

流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。1.4是面向全球競爭的技術

20世紀80年代以來，市場的全球化有了進一步的發(fā)展，發(fā)達國

家通過金融、經(jīng)濟、科技手段爭奪市場，傾銷產(chǎn)品，輸出資本。隨著

全球市場的形成，使得市場競爭變得越來越激烈，先進制造技術正是

為適應這種激烈的市場競爭而出現(xiàn)的。因此，一個國家的先進制造技

術，它的主體應該具有世界先進水平，應能支持該國制造業(yè)在全球市

場的競爭力。1.5是市場競爭三要素的統(tǒng)一

在20世紀70年代以前，產(chǎn)品的技術相對比較簡單，一個新產(chǎn)品

上市，很快就會有相同功能的產(chǎn)品跟著上市。因此，市場競爭的核心

是如何提高生產(chǎn)率。到了20世紀80年代以后，制造業(yè)要贏得市場競

爭的主要矛盾已經(jīng)從提高勞動生產(chǎn)率轉變?yōu)橐詴r間為核心的時間、成

本和質量的三要素的矛盾。先進制造技術把這三個矛盾有機結合起來,

使三者達到了統(tǒng)一。

研究現(xiàn)狀

新材料成形加工技術的研究開發(fā)，是近二、三十年來材料科學技

術領域最為活躍的方向之一。先進制備與成型加工技術的出現(xiàn)與應用，

加上了新材料的研究開發(fā)、生產(chǎn)和應用進程，促成了諸如微電子和生

物醫(yī)用材料等新興產(chǎn)業(yè)的形成，促進了現(xiàn)代航天航空，交通運輸，能

源環(huán)保等高技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

先進工業(yè)國家對材料制備與成型加工技術的研究開發(fā)十分重視。

美國制定了〃為了工業(yè)材料發(fā)展計劃〃，其核心是開放先進的制備與

成型加工技術，提高材料性能，降低生產(chǎn)成本，滿足未來工業(yè)發(fā)展對

材料的需求。德國開展的"21世紀新材料研究計劃〃將材料制備與成

型加工技術列為六個重點內(nèi)容之一。在歐盟的〃第六框架"計劃中，

先進制備技術時新材料領域的研究重點之一。日本在20世紀90年代

后期，先后實施了〃超級金屬〃、〃超鋼鐵〃計劃，重點是發(fā)展先進

的制備加工技術，精確控制組織，大幅度提高材料的性能，達到減少

材料用量、節(jié)省資源和能源的目的。同時開展本科學領域色前沿和基

礎研究，并綜合利用相關學科基礎理論和科技發(fā)展成果，提供預備新

材料的新原理新方法，也是材料科學與工程學科自身發(fā)展的需求。

一大批先進技術和工藝不斷發(fā)展和完善，并逐步獲得實際應用，

如快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠、精密鑄造、半固態(tài)加

工、粉末注射成型、陶瓷膠態(tài)成型、熱等靜壓、無模成型、微波燒結、

離子束制備、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促進了傳統(tǒng)材

料的升級換代，加速了新材料的研究開發(fā)、生產(chǎn)和應用，解決了高技

術領域發(fā)展對特種高性能材料的制備加工與組織性能精確控制的急需。

現(xiàn)在將主要的先進材料加工技術分別介紹如下：1快速凝固

快速凝固技術的發(fā)展，把液態(tài)成型加工推進到遠離平衡的狀態(tài)，

極大地推動了非晶、細晶、微晶等非平衡新材料的發(fā)展。傳統(tǒng)的快速

凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，如非晶絲材、箔材的

制備。近年來快速凝固技術主要在兩個方面得到發(fā)展：①利用噴射成

型、超高壓、深過冷，結合適當?shù)某煞衷O計，發(fā)展體材料直接成型的

快速凝固技術；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結

構的新材料。目前快速凝固技術被廣泛地用于非晶或超細組織的線材、

帶材和體材料的制備與成型。2.半固態(tài)成型

半固態(tài)成型包括半固態(tài)流變成型和半固態(tài)觸變成形兩類：前者是

將制備的半固態(tài)漿料直接用于成型，如壓鑄成型（稱為半固態(tài)流變壓

鑄）；后者是對制備好的半固態(tài)坯料進行重新加熱，使其達到半熔融

狀態(tài)，然后進行成型，如擠壓成型（稱為半固態(tài)觸變擠壓）。

3.無模成型

為了解決復雜形狀或深殼件產(chǎn)品沖壓、拉深成型設備規(guī)模大、模

具成本高、生產(chǎn)工藝復雜、靈活度低等缺點，滿足社會發(fā)展對產(chǎn)品多

樣性（多品種、小規(guī)模）的需求，20世紀80年代以來,柔性加工技

術的開發(fā)受到工業(yè)發(fā)達國家的重視。典型的無模成型技術有增量成型、

無摸拉拔、無模多點成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術

超塑性成型加工技術具有成型壓力低、產(chǎn)品尺寸與形狀精度高等

特點，近年來發(fā)展方向主要包括兩個方面：一是大型結構件、復雜結

構件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結

構、飛機艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦

合金、鎂合金、高溫合金結構件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型

加工

粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術，

可以實現(xiàn)材料設計、制備預成型一體化；可自由組裝材料結構從而精

確調(diào)控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復合

材料。它是近20年來材料先進制備與成型加工技術的熱點與主要發(fā)展

方向之一。粉末材料成型加工技術的研究重點包括粉末注射成型膠態(tài)

成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強化燒結等。6.陶瓷膠態(tài)成

型

在圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問題，開

發(fā)了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導絮凝成形、

膠態(tài)振動注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現(xiàn)，受到嚴重重視。

原位凝固成形工藝被認為是提高胚體的均勻性，進而提高陶瓷材料可

靠性的唯一途徑，得到了迅速的發(fā)展，已逐步獲得實際應用。7.激光

快速成型

采用該技術的成形件完全致密且具有細小均勻的內(nèi)部組織，從而

具有優(yōu)越的力學性能和物理化學性能，同時零件的復雜程度基本不受

限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發(fā)達國家已進入實際

應用階段，主要應用于國防高科技領域。激光加工技術1.1現(xiàn)狀

國外激光加工設備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100kW的大功率

CO2激光器、kw級高光束質量的Nd:YAG固體激光器,有的可配

上光導纖維進行多工位、遠距離工作。激光加工設備功率大、自動化

程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標聯(lián)動，并裝有激光功率監(jiān)控、

自動聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。

激光制孔的最小孔徑已達0.002mm,已成功地應用自動化六坐標

激光制孔專用設備加工航空發(fā)動機渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達到無

再鑄層、無微裂紋的效果。

激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復合材料制成的零件。目

前薄材切割速度可達15m/min,切縫窄，一般在0.1?1mm之間,熱

影響區(qū)只有切縫寬的10%~20%,最大切割厚度可達45mm,已廣泛

應用于飛機三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機旋翼、4發(fā)動機

燃燒室等。

激光焊接薄板已相當普遍，大部分用于汽午工業(yè)、宇航和儀表工

業(yè)。激光精微焊接技術已成為航空電子設備、高精密機械設備中微型

件封裝結點的微型連接的重要手段。

激光表面強化、表面重熔、合金化、非晶化處理技術應用越來越

廣，激光微細加工在電子、生物、醫(yī)療工程方面的應用已成為無可替

代的特種加工技術。

激光快速成型技術已從研究開發(fā)階段發(fā)展到實際應用階段，已顯

示出廣闊的應用前景。

國內(nèi)70年代初已開始進行激光加工的應用研究，但發(fā)展速度緩慢。

在激光制孔、激光熱處理、焊接等方面雖有一定的應用，但質量不穩(wěn)

定。目前已研制出具有光纖傳輸?shù)墓腆w激光加工系統(tǒng)，并實現(xiàn)光纖耦

合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光燒結快速成

型原理樣機研制，并采用環(huán)氧聚脂和樹脂砂燒結粉末材料，快速成型

出典型零件，如葉輪、齒輪。1.2發(fā)展趨勢

激光加工技術今后幾年應結合已取得的預研成果，針對需求，重

點開展無缺陷氣膜小孔的激光加工及實時檢控技術、高強鋁（含鋁鋰、

鋁鎂）合金的激光焊接技術、金屬零件的激光粉末燒結快速成型技術、

激光精密加工及重要構件的激光沖擊強化等項目的研究。實現(xiàn)高溫渦

輪發(fā)動機氣膜孔無缺陷加工，可使葉片使用壽命達2000小時以上；以

焊代替數(shù)控加工飛機次承力構件，以及帶筋壁板的以焊代鐘；實現(xiàn)重

要零部件的表面強化，提高安全性、可靠性等，從而使先進的激光制

造技術在軍事工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。1）無再鑄層、無微裂紋渦輪葉

片氣膜孔激光高效加工技術研究；

2）鋁合金、超強鋼、鈦合金、異種材料構件以及大型空間曲面零

件的激光焊接工藝研究；

3）三維激光切割工藝規(guī)范及表面質量控制技術和在線測量控制技

術研究；4）提高高溫合金、鋁合金等重要部件抗疲勞性能的激光沖

擊技術研究；5）激光快速成型技術研究；電子束加工技術2.1現(xiàn)狀

電子束加工技術在國際上日趨成熟，應用范圍廣。

國外定型生產(chǎn)的40kV~300kV的電子槍（以60kV、150kV為主），

已普遍采用CNC控制，多坐標聯(lián)動，自動化程度高。電子束焊接已成

功地應用在特種材料、異種材料、空間復雜曲線、變截面焊接等方面。

目前正在研究焊縫自動跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔

深可達300mm,焊縫深寬比20:1。電子束焊已用于運載火箭、航天

飛機等主承力構件大型結構的組合焊接，以及飛機梁、框、起落架部

件、發(fā)動機整體轉子、機匣、功率軸等重要結構件和核動力裝置壓力

容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機采用先進的電子束焊接，減輕了飛機重

量，提高了整機的性能；〃蘇-27〃及其它系列飛機中的大量承力構件,

如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術。

國內(nèi)多種型號的飛機及發(fā)動機和多種型號的導彈殼體、油箱、尾

噴管等結構件均已采用了電子束焊接。因此，電子束焊接技術的應用

越來越廣泛，對電子束焊接設備的需求量也越來越大。

國外的電子束焊機，以德國、美國、法國、烏克蘭等為代表，已

達到了工程化生產(chǎn)。其特點是采用變頻電源，設備的體積、噪聲、高

壓性能等方面都有很大提高；在控制系統(tǒng)方面，運用了先進的計算機

技術,采用了先進的CNC及PLC技術，使設備的控制更可靠，操作更

簡便、直觀。

國外真空電子天物理氣相沉積技術，已用于航空發(fā)動機渦輪葉片

高溫防腐隔熱陶瓷涂層，提高了涂層的抗熱沖擊性能及壽命。電子束

刻蝕、電子束輻照固化樹脂基復合材料技術正處于研究階段。2.2發(fā)展

趨勢

電子束加工技術今后應積極拓展專業(yè)領域，緊密跟蹤國際先進技

術的發(fā)展，針對需求，重點開展電子束物理氣相沉積關鍵技術研究、

主承力結構件電子束焊接研究、電子束輻照固化技術研究、電子束焊

機關鍵技術研究等。1)150kV.15kW高壓電子槍及高壓電源的技術

研究；2)電子束物理氣相沉積技術的研究；

3)大厚度變截面鈦合金的電子束焊接技術研究及質量評定；4)

典型復合材料飛機構件的電子束固化工藝研究及其工程化研究；5)

多功能電子束加工技術研究。離子束及等離子體加工技術3.1現(xiàn)狀

表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的

壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。

美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源來制備各種功能

涂層。等離子體熱噴涂技術已經(jīng)進入工程化應用，已廣泛應用在航空、

航天、船舶等領域的產(chǎn)品關鍵零部件耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層

和高溫防護層等方面。等離子焊接已成功應用于18mm鋁合金的儲箱

焊接。配有機器人和焊縫跟蹤系統(tǒng)的等離子體焊在空間復雜焊縫的焊

接也已實用化。微束等離子體焊在精密零部件的焊接中應用廣泛。我

國等離子體噴涂已應用于武器裝備的研制，主要用于耐磨涂層、封嚴

涂層、熱障涂層和高溫防護涂層等。

真空等離子體噴涂技術和全方位離子注入技術已開始研究，與國

外尚有較大差距。等離子體焊接在生產(chǎn)中雖有應用，但焊接質量不穩(wěn)

定。3.2發(fā)展趨勢

離子束及等離子體加工技術今后應結合已取得的成果，針對需求，

重點開展熱障涂層及離子注入表面改性的新技術研究，同時，在已取

得初步成果的基礎上，進一步開展等離子體焊接技術研究。

1）復雜零件〃保形〃離子注入與混合沉積技術研究，獲得高密度

等離子體方法研究；2）空間結構焊接工藝參數(shù)自適應控制及焊縫自

動跟蹤系統(tǒng)研究，以及等離子弧焊過程中變形控制技術研究；

3）等離子噴涂陶瓷熱障涂層結構、工藝及工程化研究；4）層流

湍流自動轉換技術及軸向送粉、三維噴涂技術研究；5）層流等離子

體噴涂系統(tǒng)的研制及其噴涂技術的研究。4電加工技術4.1發(fā)展現(xiàn)狀

國外電解加工應用較廣，除葉片和整體葉輪外已擴大到機匣、盤

環(huán)零件和深小孔加工，用電解加工可加工出高精度金屬反射鏡面。目

前電解加工機床最大容量已達到5萬安培，并已實現(xiàn)CNC控制和多參

數(shù)自適應控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級超高頻脈沖電

源和多電極同時加工的專用設備，加工效率2~3秒/孔，表面粗糙度

Ra0.4|jm,通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級加工精度，

可加工3pm的微細軸和5Pm的孔。精密脈沖電解技術已達10|jm左

右。電解與電火花復合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。

參考文獻

[1]張遼遠現(xiàn)代加工技術北京：機械工業(yè)出版社，2002[2]

劉晉春特種加工北京：機械工業(yè)出版社,2004[3]張建華精密與特

種加工技術北京：機械工業(yè)出版社,2003[4]主編白基成，郭永豐,

劉晉春特種加工技術哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006【5】郭

東明，趙福令面向快速制造的特種加工技術北京：國防工業(yè)出版社，

20097

第四篇：國內(nèi)外先進制造技術的新發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢解讀

國內(nèi)外先進制造技術的新發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1當前制造科學要解決

的問題

(1)制造系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快

速響應和快速重組的能力，必須借鑒信息科學、生命科學和社會科學

等多學科的研究成果，探索制造系統(tǒng)新的體系結構、制造模式和制造

系統(tǒng)有效的運行機制。制造系統(tǒng)優(yōu)化的組織結構和良好的運行狀況是

制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化的主要目標。制造系統(tǒng)新的體系結構不僅

對制造企業(yè)的敏捷性和對需求的響應能力及可重組能力有重要意義，

而且對制造企業(yè)底層生產(chǎn)設備的柔性和可動態(tài)重組能力提出了更高的

要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系統(tǒng)，以滿足制造系統(tǒng)新的

要求。

(2)為支持快速敏捷制造，幾何知識的共享已成為制約現(xiàn)代制造

技術中產(chǎn)品開發(fā)和制造的關鍵問題。例如在計算機輔助設計與制造

(CAD/CAM)集成、坐標測量(CMM)和機器人學等方面，在三維現(xiàn)實

空間(3-RealSpace)中,都存在大量的幾何算法設計和分析等問題，特

別是其中的幾何表示、幾何計算和幾何推理問題；在測量和機器人路

徑規(guī)劃及零件的尋位(如Localization)等方面，存在C-空間(配置空間

ConfigurationSpace)的幾何計算和幾何推理問題;在物體操作俠持、

抓取和裝配等)描述和機器人多指抓取規(guī)劃、裝配運動規(guī)劃和操作規(guī)劃

方面則需要在旋量空間(ScrewSpace)進行幾何推理。制造過程中物理

和力學現(xiàn)象的幾何化研究形成了制造科學中幾何計算和幾何推理等多

方面的研究課題，其理論有待進一步突破，當前一門新學科--計算機

幾何正在受到日益廣泛和深入的研究。3)在現(xiàn)代制造過程中，信息不

僅已成為主宰制造產(chǎn)業(yè)的決定性因素，而且還是最活躍的驅動因素。

提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學發(fā)展的一個重點。

由于制造系統(tǒng)信息組織和結構的多層次性，制造信息的獲取、集成與

融合呈現(xiàn)出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多層次性。

在制造信息的結構模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數(shù)

據(jù)的制造知識庫管理等方面，都還有待進一步突破。

(4)各種人工智能工具和計算智能方法在制造中的廣泛應用促進

了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進化算法的計算智能工具，在包括

調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術領域中，受到越來越普遍的關注，

有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突

破問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設計、智能

加工、機器人學、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。

這些問題是當前產(chǎn)品創(chuàng)新的關鍵理論問題，也是制造由一門技藝

上升為一門科學的重要基礎性問題。這些問題的重點突破，可以形成

產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎研究體系。2現(xiàn)代機械工程的前沿科學

不同科學之間的交叉融合將產(chǎn)生新的科學聚集，經(jīng)濟的發(fā)展和社

會的進步對科學技術產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形成前沿科學。前

沿科學也就是已解決的和未解決的科學問題之間的界域。前沿科學具

有明顯的時域、領域和動態(tài)特性。工程前沿科學區(qū)別于一般基礎科學

的重要特征是它涵蓋了工程實際中出現(xiàn)的關鍵科學技術問題。

超聲電機、超高速切削、綠色設計與制造等領域，國內(nèi)外已經(jīng)做

了大量的研究工作，但創(chuàng)新的關鍵是機械科學問題還不明朗。大型復

雜機械系統(tǒng)的性能優(yōu)化設計和產(chǎn)品創(chuàng)新設計、智能結構和系統(tǒng)、智能

機器人及其動力學、納米摩擦學、制造過程的三維數(shù)值模擬和物理模

擬、超精度和微細加工關鍵工藝基礎、大型和超大型精密儀器裝備的

設計和制造基礎、虛擬制造

和虛擬儀器、納米測量及儀器、并聯(lián)軸機床、微型機電系統(tǒng)等領

域國內(nèi)外雖然已做了不少研究，但仍有許多關鍵科學技術問題有待解

決。

信息科學、納米科學、材料科學、生命科學、管理科學和制造科

學將是改變21世紀的主流科學，由此產(chǎn)生的高新技術及其產(chǎn)業(yè)將改變

世界的面貌。因此，與以上領域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學、

納米機械和納米制造科學、仿生機械和仿生制造學、制造管理科學和

可重構制造系統(tǒng)等會是21世紀機械工程科學的重要前沿科學。

2.1制造科學與信息科學的交叉--制造信息科學

機電產(chǎn)品是信息在原材料上的物化。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價值增值主

要體現(xiàn)在信息上。因此制造過程中信息的獲取和應用十分重要。信息

化是制造科學技術走向全球化和現(xiàn)代化的重要標志。人們一方面對制

造技術開始探索產(chǎn)品設計和制造過程中的信息本質，另一方面對制造

技術本身加以改造，以使得其適應新的信息化制造環(huán)境。隨著對制造

過程和制造系統(tǒng)認識的加深，研究者們正試圖以全新的概念和方式對

其加以描述和表達，以進一步達到實現(xiàn)控制和優(yōu)化的目的。

與制造有關的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息，這一

領域有如下主要研究方向和內(nèi)容：

(1)制造信息的獲取、處理、存儲、傳遞和應用，大量制造信息向

知識和決策轉化。

(2)非符號信息的表達、制造信息的保真?zhèn)鬟f、制造信息的管理、

非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策、虛擬管理制造、基于網(wǎng)絡環(huán)境下

的設計和制造、制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學問題。

這些內(nèi)容是制造科學和信息科學基礎融合的產(chǎn)物，構成了制造科

學中的新分支--制造信息學。

2.2微機械及其制造技術研究

微型電子機械系統(tǒng)(MEMS),是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及

信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電

系統(tǒng)。MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新

原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS的發(fā)展將極大地促進各類產(chǎn)品的

袖珍化、微型化，成數(shù)量級的提高器件與系統(tǒng)的功能密度、信息密度

與互聯(lián)密度，大幅度地節(jié)能、節(jié)材。它不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本,

而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)無法完成的任務。例如用尖端直

徑為5pm的微型銀子可以夾起一個紅細胞；制造出3mm大小能夠開

動的小汽午；可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小的飛機等。MEMS技術

的發(fā)展開辟了技術全新的領域和產(chǎn)業(yè)，具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬

的優(yōu)點，因此在制造業(yè)、航空、航天、交通、通信、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學、

環(huán)境監(jiān)控、軍事、家庭以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分

廣闊的應用前景。

微機械是機械技術與電子技術在納米尺度上相融合的產(chǎn)物。早在

1959年就有科學家提出微型機械的設想，1962年第一個硅微型壓力

傳感器問世。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為

60~120pm的硅微型靜電電動機，顯示出利用硅微加工工藝制作微小

可動結構并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力。微機械技術有可能

像20世紀的微電子技術那樣，在21世紀對世界科技、經(jīng)濟發(fā)展和國

防建設產(chǎn)生巨大的影響。近10年來，微機械的發(fā)展令人矚目。其特點

如下：相當數(shù)量的微型元器件（微型結構、微型傳感器和微型執(zhí)行器等）

和微系統(tǒng)研究成功，體現(xiàn)了其現(xiàn)實的和潛在的應用價值；多種微型制

造技術的發(fā)展，特別是半導體微細加工等技術已成為微系統(tǒng)的支撐技

術；微型機電系統(tǒng)的研究需要多學科交叉的研究隊伍，微型機電系統(tǒng)

技術是在微電子工藝的基礎上發(fā)展的多學科交叉的前沿研究領域，涉

及電子工程、機械工程、材料工程、物理學、化學以及生物醫(yī)學等多

種工程技術和科學。

目前對微觀條件下的機械系統(tǒng)的運動規(guī)律，微小構件的物理特性

和載荷作用下的力學行

為等尚缺乏充分的認識，還沒有形成基于一定理論基礎之上的微

系統(tǒng)設計理論與方法，因此只能憑經(jīng)驗和試探的方法進行研究。微型

機械系統(tǒng)研究中存在的關鍵科學問題有微系統(tǒng)的尺度效應、物理特性

和生化特性等。微系統(tǒng)的研究正處于突破的前夜，是亟待深入研究的

領域。

2.3材料制備/零件制造一體化和加工新技術基礎

材料是人類進步的里程碑，是制造業(yè)和高技術發(fā)展的基礎。每一

種重要新材料的成功制備和應用，都會推進物質文明，促進國家經(jīng)濟

實力和軍事實力的增強。21世紀中，世界將由資源消耗型的工業(yè)經(jīng)濟

向知識經(jīng)濟轉變，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化

的特性；要求材料和零件的設計實現(xiàn)定量化、數(shù)字化；要求材料和零

件的制備快速、高效并實現(xiàn)二者一體化、集成化。材料和零件的數(shù)字

化設計與擬實仿真優(yōu)化是實現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質制備/制造及二

者一體化、集成化制造的關鍵。一方面，通過計算機完成擬實仿真優(yōu)

化后可以減少材料制備與零件制造過程中的實驗性環(huán)節(jié)，獲得最佳的

工藝方案，實現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質制備/制造；另一方面，根據(jù)

不同材料性能的要求，如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、電磁性能等，研究

材料和零件的設計形式。進而結合傳統(tǒng)的去除材料式制造技術、增加

材料式覆層技術等，研究多種材料組分的復合成形工藝技術。形成材

料與零件的數(shù)字化制造理論、技術和方法，如快速成形技