时间：2023-12-15 10:13:45
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关键词：粉末冶金；汽车零件；金属粉末；高性能
粉末冶金材料是指用若干种金属粉末或是金属粉末与非金属粉末作原料， 通过按比例配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种生产工艺过程也就是粉末冶金法， 它属于一种不同于熔炼和铸造的方法。由于其生产工艺过程与陶瓷制品工艺极为相似， 所以粉末冶金法又被称为金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制造某些具有特殊性能材料的方法， 同时也是一种无切屑或少切屑的加工方法。它具有生产效率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等特点。但其也存在一定的缺陷，如金属粉末和模具费用高， 制品大小和形状受到一定限制， 制品的韧性也较差。粉末冶金法常被用于制作硬质合金材料、结构材料、减磨材料、难熔金属材料、摩擦材料、过滤材料、无偏析高速工具钢、金属陶瓷、耐热材料、磁性材料等。
一、粉末冶金技术的含义及其特点
粉末冶金技术附属于材料制备和成形的加工技术，而作为粉末冶金的雏形就是块炼铁技术，块炼铁技术也是人类最初制取铁器的唯一手段，其对人类社会进步作出了巨大贡献。
1、 粉末冶金技术的含义
粉末冶金的方法其实诞生已久。人类早期通过机械粉碎法来制取金、银、铜和青铜的粉末，用来当作陶器等的装饰涂料。早在200年前，一些欧洲国家，如俄、英等国就曾大规模的制取海绵铂粒，并经过热压、锻和模压、烧结等加工工艺来制造钱币和一些贵重器物。1890 年，美国的库利吉发明用粉末冶金方法制造灯泡用钨丝，从而奠定了现代粉末冶金技术的基础。直到1910年左右，人们已经开始用粉末冶金法来大量制造了钨钼合金制品、青铜含油轴承、硬质合金、集电刷、多孔过滤器等，并逐步形成了一整套粉末冶金相关技术。上世纪30年代，旋涡研磨铁粉和碳还原铁粉技术问世后，从而为粉末冶金法制造铁基机械零件较快的发展机遇。从第二次世界大战后，粉末冶金技术得到了较快的发展，新型的生产工艺和技术装备、新的材料和制品不断出现，开拓出一些能制造特殊材料的领域，成为现代工业中的重要组成部分。
2、 粉末冶金技术的主要作用
由于粉末冶金技术的具有特殊优点，使其已成为解决新材料问题的有效途径，而且在新材料的发展中历程中发挥着举足轻重的作用。
粉末冶金技术由于其可以在最大限度地来减少合金成分发生偏聚，消除粗大且不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土储氢材料、高温超导材料、稀土催化剂、新型金属材料上具有独特的作用。同时还可以制备非晶、纳米晶、准晶、微晶以及超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料由于具有优异的电学、光学、磁学和力学性能。因此可以较容易地实现多种功能类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
二、粉末冶金技术的发展趋势
随着汽车和飞机零件以及切削和成形工具发展的需要，粉末冶金制造零部件的强度和质量都得到了较好的改善和提高。汽车制造业作为粉末冶金零件的最大用户，1996 年汽车行业占有美国粉末治金零件的市场份额的69%，成为美国粉末冶金零件的最大市场。发展粉末冶金需要制取新技术、新工艺及其过程理论。
1 、向全致密化发展
粉末冶金的重点是超细粉末和纳米粉末的相关制备技术，机械合金化技术，快速冷凝制备非晶、微晶和准晶粉末制备技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术，自蔓延高温合成技术。粉末冶金技术发展的总趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展，从而建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模过程理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。
2 、向高性能化、集成化和低成本等方向发展
粉末冶金制造零部件相关的新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现。目前， 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展；制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金；用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金；制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金；加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。
3 、粉末冶金产业化发展
由于相邻学科和相关技术的相互渗透和结合.更赋予了粉末冶金新的发展活力。粉末冶金新工艺层出不穷。粉末冶金产业化是指这些技术已比较成熟。甚至在一些国家已有生产规模，但主流还处于研究成果向产业化转化的过程之中。其工艺、设备、市场等已为产业化准备了条件，可以产业化，取得社会效益和经济效益。主要是指该技术实现产业化、集群化、模块化发展。其主要应用领域有汽车用粉末冶金零部件，汽车制造业仍是粉末冶金（PM）发展的牵引力；粉末注射成（PowderInjection Molding（PIM））温压成形技术（Warm Compaction）在众多为提高PM 件密度的生产方法中。温压成形技术被认为是最为经济的一种新工艺。本文将重点介绍以下产业化技术：
① 温压技术
温压技术在上世纪90 年代被誉为粉末冶金技术上重大突破，并于1990年取得了第一项采用一次压制烧结工艺制备高密度铁基（P / M）零件的美国专利。该技术可以使烧结钢中的孔隙度降低到6 %左右，而传统技术的孔隙度为10%以上，产品的密度能达到7.3g/cm3或以上，因此较大程度的拓宽了高密度、高强度烧结钢零件在工业上广泛应用的可能性。
② 模壁
模壁和温压是两个平行的提高铁基结构零件密度的方法。近年来，发展最迅速的是干模壁技术，即采用静电的方法，从而将干剂粉末吸附到模壁上进行，从而很好的避免了湿模壁在制备过程中压坯表面易于粘粉的缺点。
③注射成形
金属注射成形（MIM）是一种将塑料注射成形与粉末冶金技术结合而成的近净成形技术，此技术也是国内外公认的21 世纪粉末冶金的主流技术，被称为“第五代加工技术”。而且该技术也最适于用来大批量生产一些三维复杂形状的零件，同时还可以实现自动化连续作业，从而大大提高生产效率。目前，在一些发达国家，MIM技术已经成为一项最具竞争力的金属成形技术，而且开始大量用于不锈钢粉末冶金生产。
三、粉末冶金机械零件的制造现状与挑战
我国粉末冶金技术起步较晚，自1958年诞生以来，一直是处在蹒跚学步的状态中，而且一直不被人们重视，被当做是一个没有前景的小行业来对待。然而从世界粉末冶金行业发展状况来看，粉末冶金行业却是一个最具市场活力，发展速度极快，同时应用范围也是最广的冶金技术，尤其是日本在粉末冶金技术方面发展飞快，每年生产烧结含油轴承十几亿只。直到上世纪80年年代初，在我国体制改革的大潮中，粉末冶金零件行业正式划归当时的“基础件工业局”进行管理，并结束了粉末冶金零件行业自身自灭的状态，从而得到相应的发展机遇。我国自上世纪90年代至今约20多年间，粉末冶金零件得到迅猛发展，同时也经受住了金融危机的不利影响。
表1是我国自2007-2011年间粉末冶金分会53家会员企业的数据进行统计的结果，虽然我国粉末冶金行业目前显示出盎然生机，但也面临着各方面的挑战。现笔者将自己的针对其中的一些问题以及看法和相应的意见提供给大家参考：
四、粉末冶金机械零件制造技术在汽车行业的应用现状与前景
近年来，由于人们生活观念的改变，同时人们的环保意识也不断提高，因而轻量化的汽车也越来越受人们的亲睐，从而汽车工业也开始大量使用轻质合金材料，如铝合金、镁合金来生产汽车零部件。也正是由于粉末冶金能够很好的避免成分偏析，又可以满足具有各种特定性能的零部件一次性成型的要求。
目前粉末冶金汽车零件主要有两个市场，一个为汽车生产商市场，另一个为汽车维修服务点，即维修配件市场。而汽车生产商市场则是粉末冶金零件的主要市场，通常情况下，汽车生产商会与粉末冶金零件制造企业进行定向合作，从而导致其他零件制造企业难以插足获利。而维修配件市场相对来说则要开放的多，而且需求量也较大，但大多都是存在某些质量问题的货物。从表2可知，我国在汽车制造行业中对粉末冶金技术制造的零件的使用量只有日本的2/3左右，但我国的粉末冶金制造的零件的总量却要比日本的多，可见粉末冶金汽车零件的市场潜力是巨大的。
我国目前汽车行业正处于蓬勃发展期，因此也给我国粉末冶金零件制造企业带来了难得市场机遇。同时根据美国一家信息分析中心预测，2020年我国汽车销量将达到2000万辆，届时中国将超过美国成为全球汽车销量第一的国家。而我国粉末冶金汽车零件的主要制造企业有三十多家，且其主要生产的零部件为汽车所使用的一些轴承或者是小配件，总体呈现出还是处于相对来说较为低端的位置，而关于发动机或调速箱等关键部位的零部件则基本上是整体通过国外进口，同时随着全球经济一体化趋势的不断加速，我国粉末冶金企业毕竟面对国际化市场，这对我们来说既是机遇也是挑战。因此就需要我国粉末冶金企业把握机遇，迎难而上，主动积极的溶于国际化市场当中。
参考文献
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1高速压制成形技术最新研究进展
1．1成形装备
成形设备是实现粉末冶金高速压制成形的硬件基础，是发挥高速压制成形技术优势的前提条件，因此成形设备的研究进展也是高速压制技术研究人员关注的重点。为使冲击锤头获得高速度和高能量脉冲，目前可以采用的技术包括压缩空气、燃烧汽油－空气混合气、爆炸、电容器放电、叠并磁场、磁力驱动和机械弹簧等［2］。目前，基于液压驱动、重力势能驱动、机械弹簧蓄能驱动的高速压制成形设备进展较快。Hydropulsor公司以专利技术液压动力单位控制油路系统实现锤头的高速下降和提升，可实现高速的冲击压制和在极短时间间隔内多次高速压制，该公司已经成功开发出第四代HVC压机，可供应2 000t、900t、350t、100t等不同规格的机型，并销往多个国家和地区，对高速压制成形技术的研究起到积极的推动作用。但该类HVC成形设备成本较高、售价高昂，且压制速度通常在10m／s以下，无加热等辅助装置，在一定程度上限制了它的普及。重力势能驱动的HVC成形装置具有成本低廉，压制速度调节范围大等优势引起了研究人员的高度重视，华南理工大学肖志瑜教授等人［3］自行设计制造了一种重锤式温粉末高速压制成形试验装置。该装置采用独特的冲击结构，直接利用重力势能获得压制能量，通过调节重锤下落高度获得不同的冲击速度，最大理论速度可达18．78m／s，与Ku－mar［4］等人采用的重锤式试验装置冲击速度只能达到10m／s相比，具有明显的优势。该装置通过加热圈直接对模具进行加热，替代了热油加热，简化了加热元件的安装，加热温度可以精确控制，通过测温仪可以读出模具温度。同时，拿掉加热圈，就可以进行传统的高速压制，从而进行高速压制和温高速压制的对比实验，为研究提供了极大的方便。华南理工大学邵明教授等人［5］，自行设计和制造了一种基于机械弹簧蓄能的粉末冶金高速压制压力机，并用于基础探索研究。该设备可以将气动、液压或其他动力机构能量储蓄在机械弹簧中，通过一个锤柄锁紧释放机构将压缩弹簧的机械势能瞬间释放，驱动冲击锤头达到10m／s以上的高速度，使压制瞬间的重锤冲击速度达到HVC技术的要求，并将冲击波通过上模冲传递给金属粉末颗粒，使其在极短时间内致密成形。
1．2模具结构优化
模具的稳定性和寿命影响着高速压制技术的工业化应用，而改善高速压制模具寿命的手段不外乎于合理选材和优化模具结构设计。在高速压制过程中，上模冲要承受剧烈的冲击，因此宜选用韧性好的材料；而模具结构优化方面，一般认为冲锤与模冲直径相等且均为等截面杆时，对模冲寿命和撞击效率来说 都 是 最 佳 选 择，但 这 势 必 会 缩 小 高 速 压 制（HVC）技术的应用范围，因此需要对模具进行进一步的结构优化，目前利用高速压制技术除已成功制备了圆柱体、环形、棒体和凸轮等单层零件外，还可以成功制备轴承盖、牙齿冒等复杂多级产品。如Hinzmann［6］等人即成功设计出可用于多级零部件高速压制成形的模具，他指出模具设计时采用单个上模冲和每级一个下模冲的结构更有利于模具寿命和冲击能量的传递；Le［7］等人用高速压制的方法将WC－Fe等材质成功压制成多级试样，并对界面的凝聚力和界面几何尺寸进行了分析；法国机械工程技术中心（CETIM）采用HVC技术成功制备了多阶零件和有内齿或沿高度方向有外齿的复杂形状部件［8］；Eriksson等人［9］采用HVC和弹性模相结合的方法，使冲击能量通过弹性模以准等静压方式转移至零件的不同部位进行压制，成功制备了形状复杂的3D齿帽零件。
1．3成形过程数值模拟
数值模拟能大幅度降低设计成本、缩短设计周期，因此对高速压制致密化过程的数值模拟也是近几年的研究热点。对于粉末压制成形的数值模拟，目前主要是基于金属塑性力学和广义塑性力学两种方法，但在低密度情况下，其假设条件与实际情况有出入，因此在实际应用中，粉末压制模型是以完全致密化材料的基本模型为基础，加上给定的一系列引起塑性流动的条件而建立的。Haggblad［10，11］等利用Hopkinson实验装置对硅胶和钛粉进行高速压制，根据所得数据分别建立了相应的数学模型，用有限元法模拟了硅胶模中压制钛粉的情况得出密度分布和最佳尺寸设计，其结果与实验结果一致。中南大学的郑洲顺教授［12］等对高速压制成形过程中应力波的传播特征和粉末流动过程进行了数学建模和数值模拟，其研究结果表明，高速压制过程中，应力波的传播会使粉末应力突跃到峰值，每层的应力峰值随时间以指数衰减，从上层到下层应力峰值呈指数下降；应力波作用后，铁粉压坯垂直方向的线密度值从上层到底层递减，中间各层的线密度均匀；压制过程开始后，密度最先变化的是底层的单元，它们之间的空隙迅速缩小（对应颗粒重排），顶层的单元继续往下运动（对应颗粒塑性变形），顶层颗粒受压继续往下运动而底层颗粒运动基本达到平衡，粉末的密度分布开始趋于均匀，这一过程与高速压制成形的试验结果相符［13］。Jerier等［14］建立了一种高密度粉体接触模型，并在YADE开源软件系统上进行了离散元（DEM）数值模拟，其结果与多粒子有限元数值模拟及试验结果吻合程度均较高，在一定程度上克服了离散元法（DEM）数值模拟不能正确推演高密度粉末压制过程应力演变的缺点，为金属粉末高密度压制的数值模拟拓展了新理论和新方法。秦宣云［15］等通过等效热阻法建立了粉末散体空间导热的并联模型，并考虑了热辐射的贡献，推导的有效导热率的计算公式表达了分形维数、温度对有效导热率的影响。
1．4致密化机理
高速压制技术已经成功用于生产实际，但高速压制的致密化机理目前尚无定论，HVC致密化机理的分 析 也 一 直 是 研 究 热 点 之 一。果 世 驹 教 授 等人［16］提出了“热软化剪切致密化机制”，据此给出了相应的压制方程，该方程可合理地定性与定量解释高速压制下粉末压坯的致密化行为与特性；Sethi等人［2］认为HVC过程中并无冲击波产生，粉末体受冲击时，应力波形是一种逐渐上升的波形，在冲击速度不是非常高的情况下，很难在粉末内产生真正的冲击波；北京科技大学曲选辉教授等人［17］对铁粉、铜粉、钛粉等多种粉末进行的压制中证明了HVC过程中温升现象的存在，但并未发现绝热剪切现象；易明军等［18］初步研究了HVC过程中应力波波形的基本特征和对压坯质量的影响，结果表明，应力波为锯齿波形，每一个加载波形上都有数个极值点，其持续时间受加载速率的影响，且应力波在自由端面反射后会造成拉应力，从而导致压坯表面分层和剥落。陈进［19］对高速压制致密化机理进行了初步探讨，他认为粉末剧烈的塑性变形和颗粒间的摩擦产生较大温升，对粉末致密化起到主导作用。此外在成形过程中，气体绝热压缩对致密化也起到了重要的作用，即在高速压制时，瞬间内气体难以逸出而产生绝热压缩，使温度升高，从而使孔隙中气体分子的热运动加速，使粉末散体的传热增强，能量沉积在颗粒界面而使其软化，有利于进一步致密化。此外，高速压制的压坯密度不仅取决于冲击能量，还与压坯质量有很大关系，因此应该采用既能体现冲击能量又能反映压坯质量的质量能量密度的概念，即单位质量的压坯在压制过程中所受到的冲击能量，单位为J／g。闫志巧等［20］通过钛粉高速压制试验得知，对外径60mm内径30mm圆环形压坯，质量能量密度为40．1J／g时相对密度达到76．2％；而对直径20mm的圆柱形压坯，质量能量密度为121．7J／g时相对密度达到96．0％；不同压坯形状的致密化机理有所不同，圆环形压坯主要以颗粒滑动和颗粒重排为主，而圆柱形压坯主要以塑性变形为主。目前HVC研究的压制速度一般在10m／s左右，其机理无法套用爆炸成形的致密化机理，需要进一步进行研究与探索，尤其是重点研究粉末颗粒的微观行为，如粉末塑性变形、粉末碎裂等，以及粉末颗粒界面的显微组织形成与演变，粉末颗粒边界的扩散、焊合过程，孔隙形状的演变等现象。
1．5 HVC的成分体系适应性
近几年，国内外研究人员已经对铁粉、铜粉、钛粉、合金钢粉末、软磁材料以及聚合物等成分体系的高速压制致密化行为进行了初步探索，如Bos［21］等人所在的SKF公司用HVC技术大规模制备高密度、高强度的铁基和316L不锈钢零件，所生产的铁基齿轮件密度可达7．7g／cm3；王建忠［22，23］等人对铁粉和铜粉的高速压制试验表明：单次压制铁粉时，当冲击能量增加到6 510J时生坯密度达到7．336g／cm3，相对密度约为97％；单次压制铜粉时，当冲击能量为6 076J时，试样的生坯密度达到最大，为8．42g／cm3，相对密度约为95％；Eriksson［24］等人采用HVC技术制备了致密度为98．5％的钛／羟基磷灰石复合压坯，在500℃的低温即可实现材料的烧结；闫志巧［25］等人的研究表明，高速压制可制备高密度的钛粉压坯，当冲击能量为1 217J时，直径为20 mm圆柱试 样的压坯密度 最 大，达 到4．38g／cm3，相对密度为97．4％；中南大学的王志法［26，27］教授等人在950℃高速压制获得了相对密度大于80．65％的W骨 架，从 而 为 高 温 熔 渗 制 备90W－10Cu复合材料奠定了基础；Andersson［28］等人指出，由于高速压制（HVC）技术能显著提高磁粉的压制密度，从而能大幅提高其磁性能，使软磁材料具有更强的竞争力和更广泛的应用范围；Poitou［29］等人对聚四氟乙烯进行高速压制，发现其密度、晶体质量分数、抗磨损性能等物理和力学性能相对常规压制有所提高；Jauffres［30，31］等人采用高速压制技术对超大分子量聚乙烯进行成形，研究发现其杨氏模量、延伸率、屈服强度、蠕变强度和耐磨性等各项性能指标均优于传统压制成形方法。在上述研究的基础上，应进一步拓展合金钢粉末、复合材料粉末、铜合金粉末、钨合金粉末、铝合金粉末、磁性材料及非晶合金材料等成分体系的高速压制技术，从而为制备高密度高性能粉末冶金制品提供新途径。
2高速压制成形技术的发展方向
高速压制是在传统模压中输入高速度机械能产生的新型压制技术，作为近十年才发展起来的一种新技术，其相关基础研究还不够系统和深入。此外，为了进行技术创新，可以考虑将高速压制技术与温压、模壁、复压复烧等工艺有机地结合起来，更深入、更全面地进行探索。尤其要深化以下几个方面的研究：
2．1温高速压制
华南理工大学肖志瑜教授等人［3］提出了一种高速压制和温压相结合的温高速压制（warm high ve－locity compaction，简称WHVC）技术的思路，并设计制造出了实验装备，开展了相关基础研究，并取得一系列研究成果。其实验结果表明，温高速压制能否获得更高的压坯密度，取决于粉末的种类和特性。对于316L不锈钢粉末、混合铁粉、电解铜粉等粉末来说，温高速压制压坯密度高于传统高速压制，这是因为：（1）在温度场条件下，粉末中潮气得到充分挥发，同时粉末中气体也得到较好地排出；（2）在一定的加热温度下能够降低粉末的屈服强度，延缓其加工硬化程度并提高其塑性变形能力，塑性变形能力的改善为颗粒重排过程提供协调性变形，克服粉末颗粒之间的相互牵制，从而降低颗粒重排阻力，有利于颗粒重排的充分进行。而对于铝粉来说，温高速压制和传统高速压制致密化程度相差不大，这是因为铝是面心立方结构的金属，且具有12个滑移系，发生滑移的临界分切应力很小，塑性变形能力非常高，传统高速压制已经能够达到理想的压坯密度。在实验基础上，还对温高速压制的致密化机理和应力波特点进行了分析，认为在致密化过程中温升效应起了很大作用，致密化过程主要以剧烈塑性变形和颗粒冷焊为主。截止目前，温粉末高速压制成形技术的研究只有华南理工大学开展，其研究具有前瞻性和新颖性，有望在高密度成形中获得新的突破。
2．2条件对HVC结果的影响
由于高速压制自身的特点，HVC成形粉末时可在少量剂甚至无剂的条件下成形［32］，减少了脱脂和间隙元素引起的污染。如何在剂最少的前提下获得最理想的致密化程度是一个重要的研究目标。对于铁基、铜基等成形性较好的粉末通常采用模壁（即外），如邓三才等［33］研究了模壁对Fe－2Cu－1C粉末高速压制成形效果的影响，研究结果表明，模壁能有效降低粉末与模壁之间的摩擦，减少粉末颗粒与模壁冷焊的机会，相对提高有效压制压力，从而获得较高的生坯密度和生坯强度，以及较弱的弹性后效；此外，在相同压制速度时，有模壁时的最大冲击力要高于无模壁时的最大冲击力，且脱模力要小5～20kN。对于钛粉、钼粉等高硬化速率粉末的高速压制，通常采用内部添加剂的方式（即内），如闫志巧等人［34］研究了剂含量对钛粉高速压制性能的影响，结果表明，加入适量的剂，可以提高钛粉成形时的质量能量密度，从而获得更高密度的压坯。当剂加入量为0．3％（质量分数）时，钛粉成形的最大质量能 量 密 度 为0．192kJ／g，压 坯 密 度 为4．38g／cm3，相对密度为97．4％。此外，适量的剂能提高钛粉压制过程中的最大冲击力降低脱模力，但却会显著降低压坯的强度，密度较低的纯钛压坯的强度显著高于致密度较高的含剂压坯。对于不同剂含量的压坯，当密度接近时，其强度相差不大。在更广泛的成分体系内，研究方式、剂种类、剂添加量对高速压制成形效果的影响，开发适合高速压制条件下的新型剂，如高分子极性剂、大分子极性剂、无机层间化合物剂等都是今后较有价值的研究方向。
2．3复压复烧对HVC效果的影响
一般认为，与传统压制压坯密度只取决于压制压力而不随压制次数的增加而显著提高不同，高速压制的能量是可以累加的，即可以通过多次小冲击能量的压制得到与一次大冲击能量压制相同的效果，但王建忠等［35］对铁粉进行高速压制时发现，在总冲击能量相同的情况下，分两次压制制备的压坯密度最大，分三次压制的最小，一次压制的居中。Metec粉末冶金公司采用高速复压技术（HVR）制造出密度为7．7g／cm3的铁基粉末冶金制品，此外还通过高速压制316L不锈钢金属粉和1 385℃烧结工艺生产出高密度不锈钢零件，此类不锈钢制品在抗拉强度、冲击韧性和延展性等方面性能均较为突出。陈进等［36］在多次压制的基础上对铁粉进行了复压试验，即在两次高速压制之间引入预烧结工序，其研究结果表明，在冲击能量相同的条件下，复压比二次高速压制得到的生坯的密度更高，且随着复压冲击能量的增加生坯密度逐渐增大，在相同复压冲击能量下，预烧结温度为780℃时生坯密度最高，径向弹性后效最小。复压能大幅度提高生坯密度，主要是因为压坯经过预烧结阶段的回复与再结晶，粉末颗粒的强度和硬度下降，弹性储能得到一定的释放，再进行复压后，剂的去除促进更多的粉末颗粒发生塑性变形、微观焊接和熔合，颗粒界面得以消失，这有利于致密度的提高。此外，复压能量更多用于预压坯的塑性变形，弹性能量释放的少，一定程度上减轻了压坯尺寸的弹性膨胀，使得压坯与模具模壁的摩擦减小，从而导致复压时的脱模力较单次高速压制时显著降低。Fe－C粉末复压压坯经过复烧之后，密度高，孔隙少，珠光体较多且分布均匀，裂纹可能在晶粒内部沿着珠光体相或颗粒“烧结”界面展开，诱发了沿晶断裂，使得抗弯强度明显增强。复压复烧工艺是进一步发挥高速压制优越性的重要方向之一，需要进行更广泛、更细致、更深入的研究。
“皮鞋和草鞋的决战”
中等身材，精精瘦瘦，不修边幅，一笑，眼角和脸上就会“堆积”出几条皱纹，有点像加工后炭／炭复合材料上碳原子的有序走向。走在大学校园里，黄伯云更像是一位教授，而不是一校之长。
在外人看来，1988年43岁从美国留学回国后的他，在17年间完成了人生的几次飞跃：两年后当上了教授和粉末冶金所所长，5年后当了副校长，10年后当了大学校长，11年后当了院士，17年后率队“问鼎”国家发明奖一等奖。
一帆风顺的背后，是常人看不见的艰辛和求索。“别人是十年磨一剑，我们是二十年磨一剑。”对于他来说，在粉末冶金和材料领域二十多年的不懈求索，终于开出了今天的花朵。虽然查阅了世界上最强大的中文搜索网站，但是他的“前半生”似乎都是空白。这位湖南南县农村里走出来的科学家，对有报道说他从小就“想当科学家”的说法，虽未直接否定，但意思已经表达得很清楚：“就是想好一点读，读好一点，那是皮鞋――考上大学，就成了国家干部，穿上了皮鞋和草鞋的决战。”
20世纪80年代初，他以全校总分第一的成绩考取为数甚少的出国名额。留学期间，他就小有成绩，在研究上屡有斩获。在国外直接读完了硕士、博士、博士后，回国时，他成为改革开放后第一个在国外完成“全序列即硕士、博士、博士后”教育后的归国留学生。
“留在那里当然是没有问题。我又不是没有学位，什么都有。”黄伯云对自己的“反常行为”看得很清楚：“改革开放以后，没有多少人出去的时候我出去，别人都出去的时候我回来。”回忆起最初的困难，黄伯云面带微笑，显得达观和幽默：“我在美国时是两部汽车，回来后两部单车，还跑丢了。单车前面挂一个钩，后面挂一个勺，要买锅买盆。”
“1988年黄伯云回来时户口都没有，粮食也没有。因为粮店买米要户口，因出国时间长，家里户口也被吊销了。当时粮票还起作用，好在他还有一点粮票，就和人家换米吃。虽然吃饭问题后来解决了，但那时部里很多人都不知道博士后的概念。你是博士后啊，我们很多博士都没有经费，你是博士后，那就排在博士后面吧。”
“现在我们是唱大戏了”
又黑又圆的中空刹车片，像挖空的完整的冬瓜片。手一摸，手指头就染上了黑色。真不愧是炭黑――石墨的同位素“兄弟”。仔细观察，工人在加工时都带着白手套，只是手心、手指头部分都已经变黑了。
以前只知道炭纤维能够用于航天，是一种高端材料，我国大部分依赖进口。至于炭纤维究竟高级到什么程度？却没有感性认识。
一张小小的标识牌，记录着这些貌不惊人的刹车片的价值：薄薄的9片刹车片，正好“武装”飞机一个轮子的刹车，按照每片2万元计算，高不过20厘米、重不到32公斤的刹车片，“制造”了近20万元的市场价值，约等于每克6元钱。2004年，仅依靠这一个项目，黄伯云领导的课题组成立的学科性公司就“收获”了数千万元定单。然而，在起步之初，人们更多的是观望和怀疑，甚至质疑。炭纤维是近几十年兴起、至今仍是世界高科技产品，由于它的特殊性能，航天飞行器、民航客机上都有它的身影。而炭／炭复合材料作成的刹车盘，更是长期被美、英、法三国垄断。即使是俄罗斯这样的航空航天强国，也久攻不下。前车可鉴，中国人能做出这么高难度的材料和产品吗？
“这是技术发展趋势，我们不做，谁去做？”黄伯云不为质疑所困惑，他认准了就不回头：“这是飞机刹车材料的更新换代，我们不跟上，哪行？何况国家有急切的需求，我们大量飞机的刹车片不能总靠进口吧？”中南大学粉末冶金研究院实验室内的两台小型炉子和展示柜内简单的实验样品，见证了研究人员最初的艰辛。1998年，课题组在实验室获得了炭／炭复合材料的毛坯，圆圆的毛坯里是无数根“纳米”级、比头发丝细很多的炭纤维。检测表明，其摩擦性能达到了国内外相关标准。同年，炭／炭复合刹车材料经国家发改委批准立项，作为高技术示范工程加以支持。1．5亿的资金投入，让黄伯云真切地感受到了什么叫事业高峰的沉重压力。
“只有山穷水尽，才能看到山后面的风景”
2000年的失败，是黄伯云最痛苦的时刻。实验室成功了，刹车片上惯性试验台检验性能。那是一个模拟实战条件的检测平台，甚至比实战要求还要高。
可2000年，连续两次试验都失败了。2000年9月，第一次做惯性台试验，试验项目非常多，要模拟飞机的各种着陆状态，在做“终止起飞”――飞机起飞达到最大速度时突然要求停下来的实验时，刹车片温度急剧升高，摩擦系数下降得很厉害。“花了一个月的时间做实验，最后失败了。” 黄伯云说：“实验室里明明好好的，谁也没有想到惯性台上会过不去。”当时整个队伍都遭受了巨大打击，“都到了崩溃的边缘，眼看着就要垮下来。”时隔5年后，回想起那段时光，黄伯云仍然心有余悸：“钱输光了，招数也用完了，很痛苦啊。”
“这时候，是黄老师力挽狂澜。”黄伯云的学生、现任粉末冶金研究院副院长的熊翔说。黄伯云一班人痛定思痛，推倒重来，从头开始做起，一项项检查，一点点琢磨。改进工艺、添加新的材料……时隔1年多，成功终于降临。在后来的“实战”试验中，飞机场内几百人观看，消防车一字排开，飞机上除了驾驶员，就是课题组的成员。
“我们要记录数据，也有信心和飞机同上蓝天。心里还是捏了一把汗。”当飞机稳稳地刹住，黄伯云和课题组的人才不由松了一口气：成功了。中国飞机能上天却要依赖进口刹车片才能“落地”的历史结束了。
2003年，课题组实现了小批量生产。2004年，课题组成立的公司获得了民航总局颁发的炭/炭刹车盘制造人许可证，年产1500多盘，包括其他刹车材料在内的年总产值达5000万。作为过来人，黄伯云颇有感触地说，“大风险的背后就是大收获。”
采用这种自行研制的刹车副，替代传统的金属刹车副，使飞机减轻重量数百公斤，并且使用寿命是传统制动材料的4倍，极大地提高了航空飞行器的功能和效益。“对机来说，哪怕减轻一克重量，都是胜利。”
利用这一技术平台，他们还研制生产了耐高温的复合材料，成功应用于航天发动机的特殊和关键部件，显著提升了航天火箭的推进系统水平和综合性能，获得了航天产品工艺定型书。正是这些原子“乖乖”的排列，造就了高性能的制动材料，造就了今天的国家技术发明一等奖。在此基础上，科研人员还创立了实验室材料性能测试和评价方法，建立我国第一个炭／炭刹车材料地面试验装置，规范并制定了我国第一个适航标准。
课题组“微气氛”：博士“10年读”
课题组“副帅”熊翔1995年就当了教授，可博士学位去年才拿到。“他这个博士读了10年。”博士读10年？黄伯云解释说，那是因为这些年熊翔一直是他的主要助手，也有人称为“副帅”，复合材料的研究和攻关离不开他，不允许他一心二用。所以就耽误下来了。
对于课题组的参与者来说，这种参与是带有挑战性的。课题组目前在炭／炭复合材料获得了9项发明专利，但是专利和论文并不等同。为此，黄伯云曾经数次呼吁，应该将专利尤其是发明专利列入科研考核体系。如今，发明一等奖的获得，使这个团队终于有所收获。在黄伯云的学生兼助手熊翔看来，黄伯云最大的特点，就是执着，“湖南话叫倔。”正是一股子倔劲和胸有沟壑的胸怀，使黄伯云团队在10多年的时间里奋力前行，一步步走向辉煌。
碳原子和炭纤维界面的结合弱，一直是道高难度的技术难题。“我们开始都没有当回事。也许是做工程的不太愿意做很深的基础性研究，认为生产刹车片就像炒菜似的，放进（炉子）去，拿出来，不行，再放进去。”熊翔说，“但是黄老师要求我们要高度重视这个问题。”
课题组通过首创的炭表面原子结构处理技术，解决了“界面结合”难题，弯曲强度、压缩强度、剪切强度等力学性能均提高了30%以上，耐磨性提高了20%以上。为了攻克刹车材料的这座“高峰”，该项目集中了60多人成立了攻关队伍。“一个课题组三个教授都难免有摩擦，何况这么多人？”易茂中教授说， “有时候我们争论得很厉害，各有各的看法。没有黄校长的组织和协调，没有他运筹帷幄，发挥领头人和舵手的作用，事情的结果真的很难说。”
虽然已是副院长，但是熊翔说起“黄老师”仍有点“发怵”。让学生们逐渐习惯的一件事情是：黄伯云有时候晚上12点以后想起问题来，就给学生们打电话，赶紧布置。“第一次，心里说，谁这么晚了，还打电话？不是有病吗？可后来就习惯了。”黄伯云自己认为，这个团队的存在是成功的必要条件。虽然20年来，有进有出，但是基本队伍还在。熊翔、易茂中等就是其中的中坚力量。
为何敢于申报一等奖？
国家技术发明一等奖空缺了6年，今年自然科学一等奖又空缺，那是不是有关部门故意要“提拔”出一个一等奖呢？“我们多年前就曾经拿过国家发明二等奖和科技进步二等奖了。”针对这一疑问，熊翔说，获得发明二等奖的是高性能粉末冶金飞机制动材料，成功满足了某型号飞机苛刻的刹车要求。
［关键词］粉末冶金;市场营销;产品结构调整
1针对市场需求，调整产品结构
首先，做好深入细致的市场调研，针对市场需求，目标市场，准确市场定位。新产品开发要深入到用户，钢铁粉末企业的市场销售人员要广泛听取用户的意见，充分考虑到用户在使用过程中出现的实际问题，不能只做销售人员，要做用户的建议者、指导者、问题解决者，要接触和了解将来可能成为竞争对手的产品及它们的销售渠道，汇总同类产品的销售量和客户的反映，并把收集市场反馈和调查的信息公正、客观、准确地上报企业以便正确决策。目前国内钢铁粉末企业由于实力问题，研发能力都不是很强，在技术研发方面的投资比较小，由于近几年国内钢铁粉末市场变化快，而企业所能掌握的市场信息总是有限的，这就要求钢铁粉末企业进行市场调查时，对企业实力与市场需求之间进行协同性研究。根据自身实际情况，研发产品，扩大规模，才能规避不必要的风险，持续健康发展。其次，针对竞争日益激烈的钢铁粉末市场，唯有及时调整产品结构，增加产品的深度、宽度、相关性，提高产品的核心竞争力，才能突出重围，在竞争中立于不败之地。具体方式如下。
1.1调整产品组合的深度:即增加或降低产品组合的深度
增加产品组合深度，具体形式有:一是向下延伸。即钢铁粉末企业由高档次产品向下延伸，增加低档次产品。比如开发低松比高强度还原铁粉，发挥海绵铁粉颗粒形状复杂、成形性好，同等密度下强度、机械性能高等优势，在低密度异形件、含油轴承、铜包铁粉等领域得到更多应用。二是向上延伸。即钢铁粉末企业由低档次产品向上延伸，增加高档次产品。如雾化粉生产企业加大新产品开发力度，重点由低利润水平的纯铁粉向高压缩性铁粉、扩散粉、预合金粉和预混合钢粉等产品转移。三是双向延伸。即由中档产品同时向上、向下延伸，即同时增加高档次和低档次产品。如由80.25铁粉延伸出的80.22、80.23及80.27铁粉。四是增加不同于现有产品的新产品，比如开发出化工用铁粉等。降低产品组合的深度，就是根据情况减少现有产品。当某些产品销售量较差市场前景暗淡，就必须淘汰。如莱钢粉末最初研发的LRP150铁粉等。
1.2调整产品组合宽度，拓宽产品应用范围
钢铁粉末企业扩展产品组合的宽度，开发和经营市场潜力大的新的产品，扩大生产经营范围以至实行跨行业的多样化经营，有利于发挥企业的资源潜力，开拓新的市场，减少经营的风险性，增强竞争能力。如由于还原铁粉和雾化铁粉价格倒挂造成100目还原铁粉销售量急剧减少，从而迫使还原铁粉厂家改变产品结构，进一步开拓焊材、化工、冶金、火焰切割等新领域、新用途的应用。钢铁粉末企业缩小产品组合的宽度，剔除发展前景暗淡、利润空间小、无法规模化生产的产品，可以集中资源经营那些发展前景好、利润可观、利于规模化生产的产品，提高规模化生产效率，有利于提高整体市场竞争能力。
1.3调整产品组合的相关性
钢铁粉末产品相关性的调整过程中，有些钢铁粉末企业增加现有产品的相关性，提高专业化程度，增强钢铁粉末企业在相关行业的知名度，巩固与提高企业的市场地位。但是，由于客观需要，钢铁粉末企业在经营资源的开展上有时实际是走上了减少产品组合相关度的道路，即增加与现有产品、业务和市场无关的产品业务，实行多样化经营。如有些钢铁粉末生产企业因为看到房地产行业利润可观盲目进入。发展无关联多种经营必须量力而行。对于钢铁粉末企业来说，其多元化经营程度越高，企业管理难度就越大，其人才、技术等需求就越大，因此必须量力而行，积极、稳妥、循序渐进地开发，确保成功率，企业才能不断壮大。
2提高企业的市场竞争地位
2.1采取聚焦策略、专注钢铁粉末企业最擅长领域
钢铁粉末企业要“因地制宜”，根据各自企业自身的特点，把自身所掌握的有限资源优化组合起来，专注钢铁粉末领域，力争在钢铁粉末领域做得最好、做得最优，企业的钢铁粉末产品要能做到“人无我有，人有我精”。钢铁粉末企业要树立一个理念:和任何一个同行业强企相比，即使企业有很多个方面不如强企，但只要有一项、两项比它好，并着力培养这两个方面，就能够吸引有这方面需求的客户。
2.2增强企业技术创新意识，避免产品在低端竞争
钢铁粉末企业要加大科技研究开发的投入，重视技术研发人员的培养、教育和激励，加强对知识产权的开发和保护，增强技术创新意识，提高产品的科技含量，形成企业独特的核心技术与核心产品，避免和同行业企业同挤一座独木桥，同样的办法生产同样的廉价产品，拥挤在低端产品竞争，企业间相互自相残杀。同时，增强钢铁粉末的技术创新能力，钢铁粉末企业在引进技术的同时，还要加强对引进技术的消化、吸收和创新，从而提高企业自身的技术研发能力。
2.3确立整体营销观念，创新营销模式
要确立整体营销观念，突破以最终顾客市场营销为中心的传统市场营销理论的概念，从长远利益出发，将公司的市场营销活动涵盖内外部环境的所有重要行为者，促使企业对原有的竞争模式进行思考，进而结合自身实际不断创新。在竞争日趋激烈的市场环境下，钢铁粉末企业的营销活动为实现目标任务必须追求共同利益。企业不但要重视供应链上关联企业的市场营销，也要对竞争对手开展市场营销研究分析。加强与竞争对手之间的沟通和了解，企业能够针对竞争对手的状态影响其行为方式，进而使竞争态势朝对本企业有利的方面发展，合理避免恶性竞争，有利于钢铁粉末行业间共同构建有序的市场竞争环境。国内大多钢铁粉末企业尤为欠缺的是产品(Product)、价格(Price)、促销(Promotion)、渠道(Place)四大策略的相互配合与协调。其中，产品品质是实施价格策略的基础，渠道策略也要与价格策略、产品策略同步，促销策略更要与价格策略、产品策略和渠道协调一致。如价格策略不要在客户试用期间就立即开展。很多其他行业的大企业为了协调一致往往在营销部门内同时设立产品经理和市场经理。产品经理负责产品事宜，为产品推出市场奠定基础;市场经理则负责协调和规划企业在一个地区或一个目标客户群所需的所有产品及服务。这种方式值得国内钢铁粉末企业借鉴。总之，国内钢铁粉末企业必须确立整体营销观念，创新营销模式，制定切实有效的措施和方法，协调企业各个部门，为企业赢得忠实和稳定的客户资源。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
图2
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。
图3FGM的应用
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。
设计设计
图4FGM研究开发体系
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
图6SHS反应过程示意图
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
参考文献：
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[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。
近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
MHD 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
转贴于 4. 1 FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)
PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 FGM的研究发展方向
5.1 存在的问题
作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6 结束语
关键词 工程材料 教学改革 材料加工 技术人才
中图分类号：G712 文献标识码：A
1 工程材料加工课程教学改革应该遵循的原则
1.1 理论知识与技能实践共同发展
工程材料加工是一门涵盖多种材料工艺的学科，该学科实践性很强，实验课程和课堂教学都必须与生产实际相联系。课程不仅涵盖化学、力学、冶金等方面的知识，还对相关的工艺流程和相关原理做出阐释，丰富学生理论知识层面的认知。在国外高职院校相关专业的教学课程设置中，通常将实验课程以系列的形式搭配主干理论知识，根据教学需要进行选择。因此本课程的实践环节应该在保障焊接、铸造、金属塑性加工等工艺实验的基础上，添加激光加工、超声加工等新型加工工艺，培养学生的认知能力和动手能力。
1.2 适应材料专业人才培养的需要
工程材料加工是我国高职院校机械设计及自动化、材料加工工程等专业的必修课程，在很大程度上体现了高职院校培养人才的相关需求。在传授学科领域范围内主要加工制造方法的同时，又引进新型材料加工工艺，这种教学安排既体现了相关行业对人才的专业需求，也是由高职院校人才培养发展方向决定的。
2 工程材料加工教学理论知识的发展方向
2.1 优化专业课程内容
材料加工工艺既包括锻造、铸造和焊接等传统工艺，又涵盖微电子封装、真空镀膜等现代加工工艺，在专业课程教学过程中，必须对这些教学内容进行有效的优化整合，适时引入专业领域的前沿科研成果和发展成就，打造一个适宜人才培养计划的专业知识架构。举例来说，工艺教材内容设置应该在单一的传统工艺中加入粉末冶金等先进工艺，金属液态成型教学重点应该向热门的砂型铸造倾斜等等。在具体的教学活动中，教师应该突出教学的核心和重点内容，辅助学生拓展知识领域，为培养创造性思维和动手能力奠定基础。
2.2 扩大专业知识面
随着时代的发展，材料相关专业涉及的领域也逐渐得到拓宽，在解决实际问题的过程中产生了许多分支型的工艺和原理，这就要求高职院校的专业建设要做出改变，进一步拓宽基础知识面、扩充知识体系。教师应该在课堂教学中以一至两个典型工艺为讲解范例，对其它工艺进行概述或将其作为课外阅读，既引导学生“举一反三”，又达到广泛涉猎的教学目的。
2.3 专业教材建设
教材是开展教学活动的专业指导性资料，在材料相关专业的教材设置方面，各级院校应该组织教师对教材进行认真研读，并且形成书面性的参考意见，辅助教育部门对专业教材进行修订，将以锻造、焊接、表面工程等为代表的传统工艺，以及以快速原型制造、粉末冶金为代表的新型工艺相结合，弥补专业教材内容设置上的缺口，避免教材内容与时代脱节。
3 工程材料加工教学实践内容的改革思路
教学实践直接作用于学生，教学活动的开展是对学生思维能力、理解能力、创造能力和动手能力的多方面培养。为了顺应我国教育体制改革的需要，高职院校材料加工相关专业应该对传统的教学方法和手段进行改革，理论和实验并重的同时，将教学重点向实践运用方面倾斜。
3.1 运用多种教学手段 （下转第162页）（上接第160页）
工程材料加工具有工科专业的普遍特点，即概念和原理抽象化、理解难度较大。针对这一特点，教师应该充分运用多种模型道具或者直观的教学手段，将抽象的工艺流程或者技术原理具体化，便于学生理解。比如，在讲解锻造压、铸造等成型工艺的教学中，可以运用计算机辅助教学，将工艺操作流程以多媒体动画形式呈现出来，便于教师讲解，也易于学生理解。
3.2 加强互动式的课堂教学
传统“填鸭式”教学已经被时代抛弃，现代教学更加注重师生之间的有效互动。在材料加工课堂教学中，教师可通过适度的话题切入，引导学生展开自由讨论，通过互相交流沟通对所学知识进行巩固。以材料“加工硬化”和“二次硬化”的教学为例，在课堂讨论的过程中，学生可通过互相之间提问对不同工艺特点加以辨别，着重关注易于混淆的部分。
3.3 改革实验教学
实验教学是培养学生动手能力的重要环节，为了改变传统的验证性实验模式，教师应该根据教材设定有针对性的实验项目，转化实验教学思路，由点到面、层层推进实验教学，大幅度提高综合性实验的比例。以材料加工生产工艺的演示过程为例，教师选题范围应该以贴近毕业设计为重要指导方向，将其作为教学科研的重要部分来开展，在这一综合实验过程中，通过对工艺全过程的演示，启发学生发挥主观能动性，发现问题并对其进行分析，积极地参与到实验中，将创造性思维能力作用于实践。
3.4 加强校企合作
校企合作是近年来兴起的一种新型办学模式，学校充分根据企业对专业人才的供需状况和技术需求进行定向人才培养，企业为这些后备人才创造足够的实践空间。校企合作办学通过设立教学指导机构、定期邀请企业工程技术人员对教学开展指导等方式，实现了材料加工理论知识和生产实践的有机结合，顺应市场对相关人才的具体需要进行安排教学内容和实际训练课程，为高等职业院校相关专业学生顺利走上工作岗位奠定了基础。
4 结束语
经济的发展对高职教育提出了新的要求，面向市场需求进行人才培养已经成为教学实践发展的主要趋势。我国高职院校材料加工相关专业的教学实践要将培养实用型技术人才作为教学目标，实现教学管理水平的新突破。提高材料加工教学质量，为社会经济发展提供急需的技术应用型人才，是一项需要各部门协同合作的长期性工作，不仅需要学校对教学方法进行改革，还需要相关企业和政府部门的实践合作和政策扶持。
参考文献
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[3] 张诤,涂文斌.材料加工专业教学改革的一些思路[J].中国科教创新导刊,2010(11):199.
关键词：冶金企业 成本效益观 成本控制 问题 对策
中图分类号：F275.2 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2017）01-274-02
一、相关概念界定
（一）冶金企业的成本效益观
在市场经济环境下，经济效益始终是冶金企业管理追求的首要目标，冶金企业成本控制工作中也应该树立成本效益观念，实现由传统的“节约、节省”观念向现代效益观念转变，特别是在我国市场经济体制逐步完善的今天，冶金企业管理应以市场需求为导向，通过向市场提供质量尽可能高、功能尽可能完善的产品和服务，力求使冶金企业获取尽可能多的利润。与冶金企业管理的这一基本要求相适应，冶金企业成本控制也就应与冶金企业的整体经济效益直接联系起来，以一种新的认识观――成本效益观念，来看待成本及其控制问题。冶金企业的一切成本控制活动应以成本效益观念作为支配思想，从“投入”与“产出”的对比分析来看待“投入”（成本）的必要性、合理性，即努力以尽可能少的成本付出，创造尽可能多的使用价值，为冶金企业获取更多的经济效益。
（二）成本控制的主要内容
成本控制是现代企业管理的重要内容之一，是以成本预测、成本决策、价值分析、成本控制、成本核算、成本分析、成本考核等为内容的科学管理体系。传统成本管理理论包括目标成本管理理论、标准成本管理理论、责任成本管理理论和质量成本管理理论等；现代成本管理模式，包括作业成本管理理论、战略成本管理理论、价值链成本管理理论等。在新环境下，分别对传统成本管理和现代成本管理在企业管理中的地位和作用进行研究和探讨，可以使企业管理层更重视成本管理，为企业寻求新竞争环境下的持续成本降低提供了一个有效的思路。
（三）冶金企业加强成本控制的重要意义
成本控制的重要意义可以从理论分析和现实需要两个角度进行阐述。其理论上的重要意义主要基于下面这个会计等式，即：企业利润=收入-成本-费用
企业是一个追求利益最大化的组织，而从上面等式可以看出，要想扩大利润，无非是从增加收入、减少成本、降低费用三方面着手。另外，广义的成本即包括了上述公式中的“成本”、“费用”，因此，有效控制成本对于企业就显得尤为重要。
而从现实需要角度出发，成本控制的重要意义主要表现为以下三个方面：
1.成本控制是保证冶金企业落实成本目标、实现成本计划的重要手段。成本的形成过程就是成本计划的落实、实施过程。为了实现成本计划，冶金企业必须将成本计划规定的成本目标和实现成本目标的措施分解落实到各责任单位，并以此作为各责任单位控制成本的依据。实施中如发现出现较大的偏差，应分析原因并及时反馈给有关责任单位，造成差异如是成本计划本身的问题，应对计划进行修订，以保证计划的指导作用。通过有效的成本控制、才能充分挖掘冶金企业内部降低成本的潜力，才能确保成本计划的实现。
2.成本控制是推动冶金企业提高管理水平的动力。实行有效的成本控制，必须建立一套完整的成本控制制度和责任制度，使得冶金企业内部各级责任单位和全体员工都能明确各自的成本目标和经济责任。如为加强直接材料费用控制，必须为各种产品、零部件制定材料消耗定额及限额领料和配比发料制度，建立材料验收保管制度，并要求供应部门和各生产车间、班组严格执行材料管理与核算制度，不断提高材料管理水平和效率，满足冶金企业对材料费用控制的要求，提高冶金企业各项管理工作水平。
3.成本控制是增强冶金企业竞争力的有力保证。市场经济使冶金企业时刻面临着来自各方面的竞争压力。竞争的法则就是优胜劣汰，要使冶金企业在激烈的市场竞争中建立起竞争优势，主要基于优良的产品品质、优质的产品服务和优惠的产品价格之上要做到质优价廉，除了要做好产品的开发、创新和提高质量等工作之外，关键是要加强成本控制，不断降低产品成本，进一步增强冶金企业竞争能力。
二、我国冶金行业目前存在的成本控制问题
（一）成本控制意识薄弱
成本控制意识薄弱、观念落后、管理方法旧，没有充分认识到提高冶金企业经济效益必须加强成本控制的重要意义，没有充分认识到在社会主义市场经济条件下，冶金企业之间竞争的实质是冶金企业成本的较量。这主要表现在成本控制的范围、目的及手段等方面的认识存在偏差，使得成本控制松弛、成本控制约束弱化、损失浪费严重。
（二）成本控制不合理
1.成本核算不合理。表现在：其一，间接费用分摊标准与观念性不够，导致分摊不准确。其二，作为企业成本的管理费用等期间费用核算较粗，只按会计准则要求进行财务处理，未形成责任成本考核制度。其三，企业定额管理制度不完善。
2.成本控制方法陈旧。传统的成本控制方法局限于为降低成本而降低成本，忽视企业的经济效益；只注重生产过程的成本控制，忽视产品生命周期其他阶段的控制，仅以产品、财务信息作为控制对象，不能为管理人员提供所需要的非财务方面的信息。
3.企业成本项目不全。多数企业只考虑了会计学中的成本项目，只按会计准则的要求把可以计入成本的费用开支来作为企业成本加以控制。按照准则规定，营业外支出与生产经营活动无关，不能计入产品成本。但从企业角度出发，它作为一项耗费，企业仍需对其进行支付。此外，成本管理的内涵仅局限于物质产品成本，并未涉及如环境成本、质量成本、人力资源成本等非物质产品成本。
（三）技术创新不足
创新是企业保持竞争优势的关键，企业通过技术创新，可以有效的降低成本。公司生产技术水平较低，在技术、工艺上缺乏创新力度，不能有效提高材料利用率、降低材料的损耗量、提高成品率，从而降低成本。
（四）成本控制制度不完善，成本考核流于形式
公司虽然制定了一些成本控制制度，但贯彻执行不力。对制度的执行缺乏全面的监督与考核，未建立核算奖罚挂钩制度，没有将考核指标落实到相关部门的个人，无法调动职工参与成本控制的积极性，成本核算部门形同虚设。
三、冶金企业加强成本控制的具体对策
（一）强化成本意识，树立成本效益思想
现代成本控制意识是指企业的管理人员对于成本控制和成本管理要有足够的重视，改变成本控制就是降低产品成本的传统看法，改变成本控制到一定程度就无法再降低的错误观念，充分认识到成本降低的潜力是无限的。对比成本与效益并从中取得最大的收益是现代成本控制的最终目标，要做到有效地控制成本，首先是管理人员要足够重视，其次对企业全体职工进行成本意识方面的宣传教育，把成本控制意识灌输给每位员工，使全员都参与成本控制，让他们知道企业的利益就是自己的利益。
企业的成本控制应与企业整体的经济效益直接联系，应以科学的成本效益观念看待成本控制问题。企业所有的成本控制活动应从成本效益原则出发，从投入与产出的比率分析来看待投入成本的必要性，在保证产品和服务质量的前提下，尽可能以最小的成本，摄取尽可能多的经济利润。花钱是为了最大限度的省钱，这是成本效益观的集中体现。
（二）加强成本控制
冶金企业的生产特点通常是大量消耗原材料和能源，对原材料进行生产和加工，并且生产经营活动、产品品种复杂，生产工艺繁复多变。这种特点决定了冶金企业适合采用作业成本法。标准成本控制体系可以通过引入ERP管理系统来进行完善。标准成本体系与ERP的结合不仅克服了标准成本控制模式的一些缺点，而且还将ERP系统提高到了高层次管理的水平，加强了企业成本管理能力。
冶金行业也有中小企业，这些企业一般较落后。中小企业要充分认识到科技对成本的重要影响。在设计阶段，利用先进科技在研发产品时既保证质量又降低成本。在生产阶段，依靠科技进步来降低生产成本，通过对各个工序进行成本分析，找出生产成本的制约点，在此基础上确定科技攻关的重点。开展节能降耗科技创新，改变原燃料的消耗方式，加强循环利用，以降低生产成本。
（三）改进现有技术，采用新工艺，节能降耗
当市场进入衰退时，大多数企业都会通过削减成本、简化运营程序等方式来加以应对，直至情况趋于好转。严峻的经济形势将不可避免地给企业套上桎梏，但同时也创造出一片孕育创新的沃土。如果通过技术等创新来达到节约成本的效果，企业就将会从危机中脱颖而出，并且会变得比以往更加强大。针对公司为降低成本偷工减料致产品批量退货的现象，可以通过技术创新，改进现有技术，降低材料用量或寻找新的、价值便宜的材料替代原有的老的、价格较高的材料；采用新工艺，对现有材料的加工工艺积极加以改进，提高材料利用率、降低材料的损耗、提高成品率，达到降低成本的目的。
（四）健全成本考核制度，完善成本控制制度
考核是实现成本控制的重要手段和措施，没有严格规范的考核制度，其它制度也就形同虚设，因此，应该建立健全成本控制考核体系。首先制定成本考核指标体系，考核指标包括目标成本、目标成本节约率等指标。其次，根据相关数据计算成本考核指标，采用合理的评价方法，对各方面的成本控制工作进行评价。通过设置成本费用考核指标体系，对各项成本指标进行分析，定期对各成本责任部门和个人进行考核和评价，建立相应的奖励和惩罚机制，将考核结果同职工的工资挂钩，做到奖罚分明。
四、结语
成本控制是一个永恒的主题，冶金企业成本费用的节约与降低直接就等于增加收入、利润、净利润，效益不言而喻，一个规范科学全面的成本核算与管理不仅能给冶金企业带来直接经济效益，而且还能够促使整个公司管理的规范。因此，加强冶金企业成本控制具有极为重要的意义，值得大力探讨。
参考文献：
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[2] 赵春娣.冶金行业加强成本管理与控制研究[J].企业研究，2013，02：158
1．课程体系构建。按照冶金工程卓越人才应具备的知识、能力、素质要求，按照理论与实践有机结合、课内与课外有机结合、校企联合授课与校内单独授课相结合、知识传授与能力培养相结合、学习习惯与创新思维培养有机结合“五结合”原则，坚持“面向工程、宽基础、强能力、重应用，校企深度合作”的基本思想，对课程体系进行一体化设计。(1)公共基础课及素质拓展教育课。政治理论课14．0学分、大学外语16．0学分、高等数学11．0学分、大学物理8．0学分、物理实验4．0学分、大学计算机基础2．0学分、体育8．0学分、工程导论2．0学分、形势与政策1．0学分、军事理论1．0学分、就业与创业指导1．0学分。(2)专业基础课。C语言程序设计3．0学分、线性代数3．0学分、概率论与数理统计3．0学分、工程力学6．0学分、画法几何与机械制图3．0学分、机械设计基础3．0学分、电路与电子技术4．0学分、电路与电子技术实验2．0学分、普通化学3．0学分、普通化学实验1．0学分、物理化学6．0学分、物理化学实验2．0学分、材料科学基础4．0学分、冶金传输原理6．0学分、工程应用法律实务2．0学分、工业工程与管理2．0学分。(3)专业必修课。冶金物理化学(双语)5．0学分、冶金学Ⅰ(双语)5．0学分、冶金学Ⅱ(双语)5．0学分、有色金属冶金学(双语)2．0学分、冶金工程实验技术2．0学分、冶金流程工程学2．0学分、现代冶金工程设计原理2．0学分、专业英语阅读与写作2．0学分、钢铁冶金环境保护与综合治理2．0学分、技术经济分析2．0学分、综合实验4．0学分。(4)专业选修课。冶金反应工程分析基础、冶金过程数值模拟、纯净钢生产技术(双语)、冶金工程新技术(双语)、冶金过程检测与自动控制、轧材质量性能控制、矿物材料加工技术、铁矿球团还原技术(双语)、冶金辅助原料技术、金属压力加工(双语)、粉末冶金概论、复合材料概论、冶金机械、能源工程、冶金企业生产安全、工程数学。专业选修课程每门2学分，选修10学分以上。2．校内实践教学。冶金工程专业的校内实践是以一级项目(现代冶金工程设计)为主线，以二级项目(软件综合设计项目、工程素养训练项目、综合工程素质训练项目、创新设计项目、专业拓展训练项目)为支撑，三级项目以核心课程为基础，如冶金传输原理、冶金物理化学、冶金学等。将主干核心课程和整个课程体系统一起来，结合学生的自我学习能力、人际交往和团队协作能力，以及掌握、运行和调控能力进行全面培养。对于学生来说，设计项目的具体性可以深化理论知识的理解，设计项目的探索性能够激发学生主动学习的兴趣，增强社会、历史、道德和文化的认知力、批判力和传承力，使学生不仅在专业修养上，而且在创新能力、团队精神，适应与调控能力，以及企业文化感知等多方面同时得到培养和提高。3．企业实践教学。企业实践教学累计时间为40周，40学分。企业培养阶段主要包含工程实践(I－V)、岗位实践、现代冶金工程设计和毕业设计(论文)等四个部分。(1)工程实践。工程实践共计18周，18学分。
工程实践I设在第二学期，时间为3周。培养学生掌握金属加工的工艺与过程，包括切削加工、压力加工、焊接、钳工、数控与特种加工等;掌握简单零件加工方法选择和工艺分析;熟悉相关设备的安全使用及操作;培养学生看图、识图及了解技术条件的能力;培养学生良好的工作习惯、团队协作精神及理论联系实际的严谨作风。工程实践II设在第三学期，时间为2周。培养学生了解企业文化、企业发展规划目标、运营及管理模式、营销策略等。在采矿与选矿现场，参观铁矿石生产，使学生了解铁矿石的品位、性质及相关生产指标等。工程实践III设在第四学期，时间为2周。使学生了解焦炭、耐火材料的评价指标和生产指标。了解炼铁、炼钢、精炼、连铸、轧钢等生产环节的工艺特点、评价指标以及生产中容易出现的质量问题等。使学生初步了解钢铁冶金企业的系统构成、各系统之间的作用、联系和特点，建立钢铁冶金生产流程整体概念，了解钢铁冶金行业文化沿革，培养学生的工程意识。工程实践IV设在第五学期，时间为1周。参观烧结、球团等生产现场，使学生掌握烧结矿和球团的生产工艺及评价指标。工程实践V设在第六学期，时间为2周。使学生掌握轧钢生产工艺及设备，了解冶金工程的能源动力及冶金机械制造过程，了解现代冶金产品和工艺的研发态势及流程。工程实践I－V主要以现场参观和企业教师讲解为主。最后由企业教师、专业技术人员和校内教师共同组成考核组，对学生实习纪律、实习报告、实习内容的掌握，以及创新思维的展现等进行综合考核评价，确定企业实践成绩。(2)岗位实践。岗位实践设在第七学期，时间为6周。使学生熟悉炼铁、铁水预处理、炼钢、炉外精炼和连铸等钢铁生产工艺，掌握生产工艺和产品质量控制的技术要点，了解设备的运行和管理维护方法等，能够进行生产操作。学生通过教师现场授课、生产操作、技术报告、专题调研、流程参观和工程问题讨论等环节完成岗位实践，最后由考核组对学生的工程实践能力，特别是操作能力和创新精神进行综合考核评价，确定岗位实践成绩。(3)现代冶金工程设计。现代冶金工程设计设在第七学期，时间为6周。在工程实践的基础上开展，要求学生充分了解现代钢铁生产流程特点和功能，综合运用工程基础和工程专业知识，完成来源于实际的钢铁厂炼铁或炼钢的工程计算与设计，让学生在一定程度上掌握工程设计的理念和方法，拓展学生知识面，加强工程概念，培养团队合作意识。在集中讲授的基础上，学生分组，合作完成实际设计任务，聘请企业或设计院技术人员共同指导，最后由考核组对学生的设计方案、设计内容、绘图能力、团队配合、表达能力、技术运用能力，特别是创新能力进行综合考核评价，确定现代冶金工程设计成绩。(4)毕业设计。毕业设计(论文)阶段是卓越工程师培养的重要环节，是加强学生实践创新能力的有效途径。毕业设计设在第八学期，时间为18周。内容要能够体现冶金行业发展前沿趋势，反映冶金产品研发态势和特点，符合区域产业和经济社会发展需求，并充分展现学生对冶金文化的领悟和创新思维特质。在毕业设计过程中，学生要在充分了解国内外冶金行业现状的基础上，根据项目目标要求，撰写开题报告，充分阐述项目的可行性和项目进度分析，成果效益预测分析等。每周向指导教师至少汇报一次工作情况。企业和学校的指导教师共同负责学生的毕业设计工作，有责任就毕业设计情况进行指导、督促和检查，每位指导教师每周要与学生交流一次设计进展情况。毕业设计完成后，学生提交答辩申请，经校、企指导教师共同确认同意后，由教务部门组织学生答辩。毕业设计考核成绩由三部分组成:企业高级技术人员评价占30%，学校教师评价占30%，答辩小组评价占40%。在答辩小组中，企业高级技术人员比例不能低于40%。在评审未通过时，学生可申请延长该阶段时间，指导教师重新认定后，再申请答辩。学生在对评审结果有异议时，可向学校学术委员会提出申请复议，由学校重新组织答辩。
建立长期跟踪追加培养机制
