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：于波常州機電職業(yè)技術學院模具系

摘要文章簡單介紹了現(xiàn)代材料科學研究的基本內(nèi)容和最新進展；對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)狀及應用作出了較為詳細的闡述；并對21世紀高性能金屬材料的發(fā)展方向作出了分析與展望。

關鍵詞合金金屬材料能源、信息和材料被認為是一個國家國民經(jīng)濟的三大支柱。沒有先進的材料，就沒有先進的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學技術。人類從石器時代到青銅時代，從蒸汽機到電子芯片的誕生，每一次時代的飛躍都必然伴隨著材料的革命。如果沒有高純度、大直徑硅單晶的研制成功，就不會有后來發(fā)展起來的集成電路，更不會有今天如此先進的計算機和電子設備。因此，歷史學家都將材料作為衡量一個國家文明程度的標準，并據(jù)此而將歷史化分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代等等。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術革新往往起始于新材料的產(chǎn)生。例如，上世紀50年代鎳基超級高溫合金的出現(xiàn)，使金屬高溫材料的使用溫度由原來的700℃提高到900℃以上，從而導致了超音速飛機的問世。反過來，近代新技術（如原子能技術、計算機技術、航天技術等）的發(fā)展又促進了新材料的產(chǎn)生。在十八世紀后的歐洲工業(yè)革命中，隨著對金屬材料的需求，在化學、物理及材料力學等學科的基礎上，產(chǎn)生了金屬學這門學科。二十世紀以后，由于X射線衍射技術、透射電子顯微技術以及固體物理、量子力學等相關學科的發(fā)展，進一步推動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合材料（陶瓷材料）、復合材料和具有優(yōu)異的光、電、磁性能的功能引言材料應用日益廣泛，金屬材料與非金屬材料相互滲透，互相促進，逐漸形成了一門新形的學科體系——材料科學與工程。材料科學與工程——關于材料成份、結構與性能之間的關系和應用的一門科學，涉及的領域包括材料科學基礎、材料工程、材料表面工程、材料的性能及測試技術等等。而金屬材料是材料學科中的重要組成（核心）部分，金屬材料的研究往往對一個國家的交通、機械、軍事等相關領域起到一個重要的影響作用。我們知道，1957年11月，原蘇聯(lián)人造衛(wèi)星被送入太空，它對當時美國朝野的震動可與二戰(zhàn)時期日本偷襲珍珠港事件相比。美國政府的調查表明，當時主要的問題在于金屬材料的研究落后于原蘇聯(lián)。此后，以美國為代表的西方先進工業(yè)國家十分重視材料的研究與開發(fā)。美國關鍵技術委員會早在1991年確定的22項關鍵技術中，材料占了五項：①材料的合成與加工；②電子和光電子材料；③陶瓷材料；④復合材料；⑤高性能金屬和合金。日本為開拓21世紀選定的基礎技術研究項目中共涉及46個領域，其中關于新材料的基礎研究項目就占據(jù)14項之多。鋼鐵材料的發(fā)展在上世紀中期，就世界范圍來說，處于最鼎盛的時期。金屬材料作為結構材料已經(jīng)走過了它最輝煌的年代。在21世紀，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材料，但由于其具有較高強度、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，在材料科學領域中仍然占有非常重要的地位，尤其在交通運輸和機械制造業(yè)中，鋼鐵材料的應用仍然占90%以上。美國福特汽車公司曾統(tǒng)計在汽車結構件中，金屬材料占90%以上。正如世界著名的材料學家柯垂瓦（Cotterl）在美國金屬學會議上發(fā)言時說：“將來我們會繼續(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)達國家的情況可以看出，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發(fā)及熱加工成型工藝（即材料的鑄造技術，鍛壓技術、焊接技術、熱處理技術），隨著鋼鐵物理冶金技術發(fā)展，隨著對鋼中馬氏體相變、貝氏體相變、鋼的合金化原理以及氫致開裂的機理的深入了解和斷裂力學的不斷發(fā)展，而逐漸趨于成熟和完善。因此，發(fā)達國家的材料學家、冶金學者，正在著力研究各種更高性能的新型金屬材料。近十年來，開發(fā)各種高性能的新型金屬材料已成為金屬材料工程領域中主要的發(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)生將對人類發(fā)展空間技術、核能技術、海洋開發(fā)等領域領域有著重要的推動意義。目前，各種高性能金屬材料作為結構材料和功能材料現(xiàn)在已廣泛地應用于機械、化工、航空航天、生物醫(yī)學、信息技術、新能源等高技術領域，同普通的金屬材料相比較，它有明顯的性價比優(yōu)勢和廣闊的市場前景。今天，我就幾種新型金屬材料的研究情況和發(fā)展動態(tài)向各位作一簡單介紹。一、高溫合金航空發(fā)展歷史表明，材料科學每一次新的技術突破，都給航空技術帶來巨大的影響，飛行器性能得到較大幅度提高；高溫合金就是隨航空技術的的發(fā)展而應運而生的。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)動機中應用最廣。高溫合金的使用始于20世紀初，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到750-850℃，對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到1100℃。但是傳統(tǒng)的高溫合金主要的缺點是隨著使用溫度的升高，力學性能將明顯下降。金屬間化合物是一種很有發(fā)展前途的新型高溫結構材料，常見的類型是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構，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)了反常的高溫力學性能，同時彈性模具高，比強度高，密度小，抗氧化性能好，因此，金屬間化合物可以說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，美國、日本各國的材料工作者，如美國Wilsdorf教授、日本東北大學的和泉修教授、我國清華大學材料學院和冶金工業(yè)部下屬的鋼鐵研究總院也都對金屬間化合物的這種反常的高溫力學性能的物理本質、微觀結構、合金化規(guī)律進行了深入的研究。在90年代中期，Ni3Al、TiAl金屬間化合物合金的開發(fā)已比較成熟，有了突破性的發(fā)展，美國已用TiAl制成了噴氣發(fā)動機的高溫構件，并已在進行試車考核，可以預言：金屬間化合物高溫合金航天、能源等領域的開發(fā)應用已為期不遠。如能在航空上推廣，則發(fā)動機推重比將有個大的飛躍。二、鈦合金鈦及其合金也是近十幾年來發(fā)展應用日益廣泛的一類新型結構材料，其主要性能特點是比強度高，在大氣、海水以及酸、堿介質中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優(yōu)于不銹鋼。同時具有超導、記憶、儲氫等特殊性能，作為尖端科技材料，在航空、電力、醫(yī)療等領域獲得廣泛的應用。純鈦呈銀白色，熔點為1668℃，它的密度?。?.5g.cm-3）。鈦在固態(tài)下具有同素異構轉變，當溫度低于0.49K時，鈦呈現(xiàn)超導特性，經(jīng)適當合金化，超導轉變溫度可提高到9～10Ｋ。鈦作為一種強度高、耐腐蝕性好的材料廣泛應用于化學工業(yè)中。鈦及鈦合金比強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；抗拉強度可達1400Mpa。經(jīng)過淬火時效、形變熱處理和化學熱處理后耐磨性和疲勞強度會進一步提高。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。例如儲氫合金、形狀記憶合金、超導合金。Ti合金塑性較差，不易加工成型，特別是制造形狀復雜的零件。如果Ti合金經(jīng)熱處理后形成極細的組織，就可實現(xiàn)所謂“超塑性成形”，這時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裝置，這是因為鈦合金和生物細胞有良好的相容性。美國生產(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)動機外殼、航空發(fā)動機壓氣機盤及壓力容器。波音747飛機，鈦合金用量達3.6～4噸。ＳＲ－71高速高空偵探機合金用量達93％，被稱為全鈦飛機。因此鈦被認為繼Fe基和Al基合金之后的第三類金屬材料。鈦合金作為21世紀的新材料，被人們稱為“未來的鋼鐵”。目前美、俄、日等材料科學家們都在開發(fā)鈦合金。鈦合金的種類很多，一個潛在的應用是替代馬氏體不銹鋼制作大型蒸氣輪機葉片。目前應用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，我國Ti資源豐富，儲量居世界首位，這是我國