高速發(fā)展中的新型金屬材料

高速發(fā)展中的新型金屬材料姓名：于波常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具系

摘要文章簡(jiǎn)單介紹了現(xiàn)代材料科學(xué)研究的基本內(nèi)容和最新進(jìn)展；對(duì)新型高性能金屬材料如高溫合金、鈦合金、鋁鋰合金等材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用作出了較為詳細(xì)的闡述；并對(duì)21世紀(jì)高性能金屬材料的發(fā)展方向作出了分析與展望。

關(guān)鍵詞合金金屬材料能源、信息和材料被認(rèn)為是一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱。沒(méi)有先進(jìn)的材料，就沒(méi)有先進(jìn)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)技術(shù)。人類從石器時(shí)代到青銅時(shí)代，從蒸汽機(jī)到電子芯片的誕生，每一次時(shí)代的飛躍都必然伴隨著材料的革命。如果沒(méi)有高純度、大直徑硅單晶的研制成功，就不會(huì)有后來(lái)發(fā)展起來(lái)的集成電路，更不會(huì)有今天如此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備。因此，歷史學(xué)家都將材料作為衡量一個(gè)國(guó)家文明程度的標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此而將歷史化分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等等。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于新材料的產(chǎn)生。例如，上世紀(jì)50年代鎳基超級(jí)高溫合金的出現(xiàn)，使金屬高溫材料的使用溫度由原來(lái)的700℃提高到900℃以上，從而導(dǎo)致了超音速飛機(jī)的問(wèn)世。反過(guò)來(lái)，近代新技術(shù)（如原子能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)等）的發(fā)展又促進(jìn)了新材料的產(chǎn)生。在十八世紀(jì)后的歐洲工業(yè)革命中，隨著對(duì)金屬材料的需求，在化學(xué)、物理及材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了金屬學(xué)這門(mén)學(xué)科。二十世紀(jì)以后，由于X射線衍射技術(shù)、透射電子顯微技術(shù)以及固體物理、量子力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了金屬材料的深入發(fā)展，在現(xiàn)代材料科技中高分子材料和復(fù)合材料（陶瓷材料）、復(fù)合材料和具有優(yōu)異的光、電、磁性能的功能引言材料應(yīng)用日益廣泛，金屬材料與非金屬材料相互滲透，互相促進(jìn)，逐漸形成了一門(mén)新形的學(xué)科體系——材料科學(xué)與工程。材料科學(xué)與工程——關(guān)于材料成份、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)，涉及的領(lǐng)域包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程、材料表面工程、材料的性能及測(cè)試技術(shù)等等。而金屬材料是材料學(xué)科中的重要組成（核心）部分，金屬材料的研究往往對(duì)一個(gè)國(guó)家的交通、機(jī)械、軍事等相關(guān)領(lǐng)域起到一個(gè)重要的影響作用。我們知道，1957年11月，原蘇聯(lián)人造衛(wèi)星被送入太空，它對(duì)當(dāng)時(shí)美國(guó)朝野的震動(dòng)可與二戰(zhàn)時(shí)期日本偷襲珍珠港事件相比。美國(guó)政府的調(diào)查表明，當(dāng)時(shí)主要的問(wèn)題在于金屬材料的研究落后于原蘇聯(lián)。此后，以美國(guó)為代表的西方先進(jìn)工業(yè)國(guó)家十分重視材料的研究與開(kāi)發(fā)。美國(guó)關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)早在1991年確定的22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，材料占了五項(xiàng)：①材料的合成與加工；②電子和光電子材料；③陶瓷材料；④復(fù)合材料；⑤高性能金屬和合金。日本為開(kāi)拓21世紀(jì)選定的基礎(chǔ)技術(shù)研究項(xiàng)目中共涉及46個(gè)領(lǐng)域，其中關(guān)于新材料的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目就占據(jù)14項(xiàng)之多。鋼鐵材料的發(fā)展在上世紀(jì)中期，就世界范圍來(lái)說(shuō)，處于最鼎盛的時(shí)期。金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)走過(guò)了它最輝煌的年代。在21世紀(jì)，金屬材料雖不像信息材料、生物材料、納米材料等屬于高科技的先進(jìn)材料，但由于其具有較高強(qiáng)度、高彈性模量、高韌性及優(yōu)異的物理特性和加工工藝性能。因此，在材料科學(xué)領(lǐng)域中仍然占有非常重要的地位，尤其在交通運(yùn)輸和機(jī)械制造業(yè)中，鋼鐵材料的應(yīng)用仍然占90%以上。美國(guó)福特汽車(chē)公司曾統(tǒng)計(jì)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件中，金屬材料占90%以上。正如世界著名的材料學(xué)家柯垂瓦（Cotterl）在美國(guó)金屬學(xué)會(huì)議上發(fā)言時(shí)說(shuō)：“將來(lái)我們會(huì)繼續(xù)研究和使用金屬及合金，特別是鋼鐵”。但就目前世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的情況可以看出，在金屬材料研發(fā)方面，常規(guī)的、傳統(tǒng)的金屬材料鋼種體系開(kāi)發(fā)及熱加工成型工藝（即材料的鑄造技術(shù)，鍛壓技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)），隨著鋼鐵物理冶金技術(shù)發(fā)展，隨著對(duì)鋼中馬氏體相變、貝氏體相變、鋼的合金化原理以及氫致開(kāi)裂的機(jī)理的深入了解和斷裂力學(xué)的不斷發(fā)展，而逐漸趨于成熟和完善。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家的材料學(xué)家、冶金學(xué)者，正在著力研究各種更高性能的新型金屬材料。近十年來(lái)，開(kāi)發(fā)各種高性能的新型金屬材料已成為金屬材料工程領(lǐng)域中主要的發(fā)展方向。所謂高性能是指具有比常用的金屬材料更高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕、抗輻射等性能的金屬材料。這種材料的產(chǎn)生將對(duì)人類發(fā)展空間技術(shù)、核能技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域領(lǐng)域有著重要的推動(dòng)意義。目前，各種高性能金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、新能源等高技術(shù)領(lǐng)域，同普通的金屬材料相比較，它有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)前景。今天，我就幾種新型金屬材料的研究情況和發(fā)展動(dòng)態(tài)向各位作一簡(jiǎn)單介紹。一、高溫合金航空發(fā)展歷史表明，材料科學(xué)每一次新的技術(shù)突破，都給航空技術(shù)帶來(lái)巨大的影響，飛行器性能得到較大幅度提高；高溫合金就是隨航空技術(shù)的的發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的。高溫合金一般指在650℃以上的具有很高并且抗氧化、抗蠕變的金屬材料。這類合金材料中Ni基合金最重要，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣。高溫合金的使用始于20世紀(jì)初，但我們知道，耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下的最高使用溫度一般只能達(dá)到750-850℃，對(duì)于更高溫度下使用的部件，則需要用Ni基、Co基合金。因此40年代發(fā)展了Nimonic高溫合金（Ni80Cr20）。目前，高溫合金使用溫度已達(dá)到1100℃。但是傳統(tǒng)的高溫合金主要的缺點(diǎn)是隨著使用溫度的升高，力學(xué)性能將明顯下降。金屬間化合物是一種很有發(fā)展前途的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，常見(jiàn)的類型是L12型如：C03Ti、Ni3Al，它不同于一般的金屬材料，是一種有序的晶體結(jié)構(gòu)，即晶胞中的Co、Ti、Al原子（按一定規(guī)律有序排列），因此，高溫下晶體的滑移變形受大位錯(cuò)的分解而受阻。并且具有以下特性：在一定的高溫范圍內(nèi)，具屈服強(qiáng)度隨溫度的升高不是降低而是增加，即出現(xiàn)了反常的高溫力學(xué)性能，同時(shí)彈性模具高，比強(qiáng)度高，密度小，抗氧化性能好，因此，金屬間化合物可以說(shuō)是一種很好的航空材料，但金屬間化合物在室溫下脆性大，易斷裂，因此，近十幾年來(lái)，美國(guó)、日本各國(guó)的材料工作者，如美國(guó)Wilsdorf教授、日本東北大學(xué)的和泉修教授、我國(guó)清華大學(xué)材料學(xué)院和冶金工業(yè)部下屬的鋼鐵研究總院也都對(duì)金屬間化合物的這種反常的高溫力學(xué)性能的物理本質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、合金化規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。在90年代中期，Ni3Al、TiAl金屬間化合物合金的開(kāi)發(fā)已比較成熟，有了突破性的發(fā)展，美國(guó)已用TiAl制成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫構(gòu)件，并已在進(jìn)行試車(chē)考核，可以預(yù)言：金屬間化合物高溫合金航天、能源等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。如能在航空上推廣，則發(fā)動(dòng)機(jī)推重比將有個(gè)大的飛躍。二、鈦合金鈦及其合金也是近十幾年來(lái)發(fā)展應(yīng)用日益廣泛的一類新型結(jié)構(gòu)材料，其主要性能特點(diǎn)是比強(qiáng)度高，在大氣、海水以及酸、堿介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優(yōu)于不銹鋼。同時(shí)具有超導(dǎo)、記憶、儲(chǔ)氫等特殊性能，作為尖端科技材料，在航空、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。純鈦呈銀白色，熔點(diǎn)為1668℃，它的密度小（4.5g.cm-3）。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度低于0.49K時(shí)，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)適當(dāng)合金化，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可提高到9～10Ｋ。鈦?zhàn)鳛橐环N強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的材料廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中。鈦及鈦合金比強(qiáng)度是金屬材料中最大的。它是合金鋼的1.4～1.7倍；是鋁合金的1.3倍；抗拉強(qiáng)度可達(dá)1400Mpa。經(jīng)過(guò)淬火時(shí)效、形變熱處理和化學(xué)熱處理后耐磨性和疲勞強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高。鈦的耐腐蝕性特別是耐海水腐蝕性能力是目前金屬材料中最好的。一塊鈦板泡于海水中5年后取出仍是光亮閃閃，毫不生銹。鈦還可與其他元素（如鋁、釩）組成各種具有特殊性能的鈦合金。例如儲(chǔ)氫合金、形狀記憶合金、超導(dǎo)合金。Ti合金塑性較差，不易加工成型，特別是制造形狀復(fù)雜的零件。如果Ti合金經(jīng)熱處理后形成極細(xì)的組織，就可實(shí)現(xiàn)所謂“超塑性成形”，這時(shí)Ti合金的行為就像熱加工玻璃一樣，可以吹制成各種中空的器皿，即可以柔軟得隨意加工成任意形狀。在醫(yī)學(xué)上鈦合金也可作為人體植入材料，現(xiàn)在已成功地用鈦合金制作人工心臟修復(fù)裝置，這是因?yàn)殁伜辖鸷蜕锛?xì)胞有良好的相容性。美國(guó)生產(chǎn)的鈦合金TA7（α型鈦合金）和TC4（α+β型鈦合金）已大量用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)及壓力容器。波音747飛機(jī)，鈦合金用量達(dá)3.6～4噸。ＳＲ－71高速高空偵探機(jī)合金用量達(dá)93％，被稱為全鈦飛機(jī)。因此鈦被認(rèn)為繼Fe基和Al基合金之后的第三類金屬材料。鈦合金作為21世紀(jì)的新材料，被人們稱為“未來(lái)的鋼鐵”。目前美、俄、日等材料科學(xué)家們都在開(kāi)發(fā)鈦合金。鈦合金的種類很多，一個(gè)潛在的應(yīng)用是替代馬氏體不銹鋼制作大型蒸氣輪機(jī)葉片。目前應(yīng)用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，我國(guó)Ti資源豐富，儲(chǔ)量居世界首位，這是我國(guó)