Transcript 高速发展中的新型金属材料9

高速发展中的新型
金属材料
姓名：于 波
常州机电职业技术学院模具系
摘
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要
文章简单介绍了现代材料科学研究的基本内容和最新进展；
对新型高性能金属材料如高温合金、钛合金、铝锂合金等
材料的研究现状及应用作出了较为详细的阐述；并对21世
纪高性能金属材料的发展方向作出了分析与展望。
关键词
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合金 金属材料
引言
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能源、信息和材料被认为是一个国家国民经济的三大支柱。没有先
进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。人类从石器时代
到青铜时代，从蒸汽机到电子芯片的诞生，每一次时代的飞跃都必
然伴随着材料的革命。如果没有高纯度、大直径硅单晶的研制成功，
就不会有后来发展起来的集成电路，更不会有今天如此先进的计算
机和电子设备。因此，历史学家都将材料作为衡量一个国家文明程
度的标准，并据此而将历史化分为石器时代、青铜器时代、铁器时
代等等。从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起始于新材料
的产生。例如，上世纪50年代镍基超级高温合金的出现，使金属高
温材料的使用温度由原来的700℃提高到900℃以上，从而导致了超
音速飞机的问世。反过来，近代新技术（如原子能技术、计算机技
术、航天技术等）的发展又促进了新材料的产生。在十八世纪后的
欧洲工业革命中，随着对金属材料的需求，在化学、物理及材料力
学等学科的基础上，产生了金属学这门学科。二十世纪以后，由于X
射线衍射技术、透射电子显微技术以及固体物理、量子力学等相关学科的发
展，进一步推动了金属材料的深入发展，在现代材料科技中高分子材料和复
合材料（陶瓷材料）、复合材料和具有优异的光、电、磁性能的功能
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材料应用日益广泛，金属材料与非金属材料相互渗透，互相促进，逐
渐形成了一门新形的学科体系——材料科学与工程。
材料科学与工程——关于材料成份、结构与性能之间的关系和应用的
一门科学，涉及的领域包括材料科学基础、材料工程、材料表面工程、
材料的性能及测试技术等等。而金属材料是材料学科中的重要组成
（核心）部分，金属材料的研究往往对一个国家的交通、机械、军事
等相关领域起到一个重要的影响作用。
我们知道，1957年11月，原苏联人造卫星被送入太空，它对当时美
国朝野的震动可与二战时期日本偷袭珍珠港事件相比。美国政府的调
查表明，当时主要的问题在于金属材料的研究落后于原苏联。此后，
以美国为代表的西方先进工业国家十分重视材料的研究与开发。美国
关键技术委员会早在1991年确定的22项关键技术中，材料占了五项：
①材料的合成与加工；②电子和光电子材料；③陶瓷材料；④复合材
料；⑤高性能金属和合金。日本为开拓21世纪选定的基础技术研究项
目中共涉及46个领域，其中关于新材料的基础研究项目就占据14项
之多。
钢铁材料的发展在上世纪中期，就世界范围来说，处于最鼎盛的时期。
金属材料作为结构材料已经走过了它最辉煌的年代。在21世纪，金属
材料虽不像信息材料、生物材料、纳米材料等属于高科技的先进
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材料，但由于其具有较高强度、高弹性模量、高韧性及优异的物理
特性和加工工艺性能。因此，在材料科学领域中仍然占有非常重要的
地位，尤其在交通运输和机械制造业中，钢铁材料的应用仍然占90%
以上。美国福特汽车公司曾统计在汽车结构件中，金属材料占90%以
上。正如世界著名的材料学家柯垂瓦（Cotterl）在美国金属学会议
上发言时说：“将来我们会继续研究和使用金属及合金，特别是钢
铁”。
但就目前世界各工业发达国家的情况可以看出，在金属材料研发方面，
常规的、传统的金属材料钢种体系开发及热加工成型工艺（即材料的
铸造技术，锻压技术、焊接技术、热处理技术），随着钢铁物理冶金
技术发展，随着对钢中马氏体相变、贝氏体相变、钢的合金化原理以
及氢致开裂的机理的深入了解和断裂力学的不断发展，而逐渐趋于成
熟和完善。因此，发达国家的材料学家、冶金学者，正在着力研究各
种更高性能的新型金属材料。
近十年来，开发各种高性能的新型金属材料已成为金属材料工程领域
中主要的发展方向。所谓高性能是指具有比常用的金属材料更高强度、
高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的金属材料。这种
材料的产生将对人类发展空间技术、核能技术、海洋开发等领域领域
有着重要的推动意义。
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目前，各种高性能金属材料作为结构材料和功能材料现在已广泛地应
用于机械、化工、航空航天、生物医学、信息技术、新能源等高技术
领域，同普通的金属材料相比较，它有明显的性价比优势和广阔的市
场前景。今天，我就几种新型金属材料的研究情况和发展动态向各位
作一简单介绍。
一、高温合金
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航空发展历史表明，材料科学每一次新的技术突破，都给航空技术带
来巨大的影响，飞行器性能得到较大幅度提高；高温合金就是随航空
技术的的发展而应运而生的。高温合金一般指在650℃以上的具有很
高并且抗氧化、抗蠕变的金属材料。这类合金材料中Ni基合金最重要，
在航空发动机中应用最广。高温合金的使用始于20世纪初，但我们知
道，耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下的最高使用温度一般只能达
到750-850℃，对于更高温度下使用的部件，则需要用Ni基、Co基合
金。因此40年代发展了Nimonic高温合金（Ni80Cr20）。目前，高
温合金使用温度已达到1100℃。但是传统的高温合金主要的缺点是随
着使用温度的升高，力学性能将明显下降。金属间化合物是
一种很有发展前途的新型高温结构材料，常见的类型是L12型如：
C03Ti、Ni3Al，它不同于一般的金属材料，是一种有序的晶体结构，
即晶胞中的Co、Ti、Al原子（按一定规律有序排列），因此，高温
下晶体的滑移变形受大位错的分解而受阻。并且具有以下特性：在一
定的高温范围内，具屈服强度随温度的升高不是降低而是增加，即出
现了反常的高温力学性能，同时弹性模具高，比强度高，密度小，抗
氧化性能好，因此，金属间化合物可以说是一种很好的航空材料，但
金属间化合物在室温下脆性大，易断裂，因此，近十几年来，美国、
日本各国的材料工作者，如美国Wilsdorf教授、日本东北大学的和泉
修教授、我国清华大学材料学院和冶金工业部下属的钢铁研究总院也
都对金属间化合物的这种反常的高温力学性能的物理本质、微观结构、
合金化规律进行了深入的研究。在90年代中期，Ni3Al、TiAl金属间
化合物合金的开发已比较成熟，有了突破性的发展，美国已用TiAl制
成了喷气发动机的高温构件，并已在进行试车考核，可以预言：金属
间化合物高温合金航天、能源等领域的开发应用已为期不远。如能在
航空上推广，则发动机推重比将有个大的飞跃。
二、钛合金
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钛及其合金也是近十几年来发展应用日益广泛的一类新型结构材料，其主要
性能特点是比强度高，在大气、海水以及酸、碱介质中具有良好的耐蚀性，
抗氧化性优于不锈钢。同时具有超导、记忆、储氢等特殊性能，作为尖端科
技材料，在航空、电力、医疗等领域获得广泛的应用。纯钛呈银白色，熔点
为1668℃，它的密度小（4.5g.cm-3）。钛在固态下具有同素异构转变，当
温度低于0.49K时，钛呈现超导特性，经适当合金化，超导转变温度可提高
到9～10Ｋ。
钛作为一种强度高、耐腐蚀性好的材料广泛应用于化学工业中。钛及钛合金
比强度是金属材料中最大的。它是合金钢的1.4～1.7倍；是铝合金的1.3倍；
抗拉强度可达1400Mpa。经过淬火时效、形变热处理和化学热处理后耐磨性
和疲劳强度会进一步提高。钛的耐腐蚀性特别是耐海水腐蚀性能力是目前金
属材料中最好的。一块钛板泡于海水中5年后取出仍是光亮闪闪，毫不生锈。
钛还可与其他元素（如铝、钒）组成各种具有特殊性能的钛合金。例如储氢
合金、形状记忆合金、超导合金。Ti合金塑性较差，不易加工成型，特别是
制造形状复杂的零件。如果Ti合金经热处理后形成极细的组织，就可实现所
谓“超塑性成形”，这时Ti合金的行为就像热加工玻璃一样，可以吹制成各
种中空的器皿，即可以柔软得随意加工成任意形状。在医学上钛合金
也可作为人体植入材料，现在已成功地用钛合金制作人工心脏修复装
置，这是因为钛合金和生物细胞有良好的相容性。美国生产的钛合金
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TA7（α型钛合金）和TC4（α+β型钛合金）已大量用作火箭发动机
外壳、航空发动机压气机盘及压力容器。波音747飞机，钛合金用量
达3.6～4吨。ＳＲ－71高速高空侦探机合金用量达93％，被称为全钛
飞机。因此钛被认为继Fe基和Al基合金之后的第三类金属材料。钛合
金作为21世纪的新材料，被人们称为“未来的钢铁”。
目前美、俄、日等材料科学家们都在开发钛合金。钛合金的种类很多，
一个潜在的应用是替代马氏体不锈钢制作大型蒸气轮机叶片。目前应
用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，我国Ti资源丰富，储量居世界
首位，这是我国发展钛工业的优势，目前对Ti合金的相变及破坏机制
还不太清楚，Ti合金的加工工艺及合金化研究正在进行。北航空航天
大学在这方面做了很多研究工作，并做得了一定的成果。
现在，钛及其合金的表面处理技术发展很快 如激光涂覆钛合金，应
用PVD（物理气相沉积）技术在刀具上涂TiN层，可以使得切削刀具的
寿命提高1～1.5倍。也可以作为日常生活装饰用（彩色涂层），从而
提升产品的附加值。
三、铝锂合金
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Al-Li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料。
该合金的研制与应用，标志着半个月多世纪以来铝合金领域的重要发
展。
锂是一种极为活泼且很轻的化学元素，密度为0.533g·cm-3，为铝的
1/5，铁的1/15。锂元素为地球存在较多的金属，同时海水中还有相
当大的含量。
在铝合金中加入锂元素，可以更显著的降低其密度，并明显地改善合
金的力学性能。例如，在铝中添加锂2%，密度可减少10%，强度可与
铝合金中强度最高的硬铝12合金媲美。因此，Al-Li合金具有比重小、
比强度高和刚度大，耐疲劳性能好，耐蚀性好等优点。用Al-Li合金
制作飞机结构材料，可使飞机减重达20%，提高飞机的速度。因此，
Al-Li合金被认为是21世纪航空航天及兵器工业最理想的轻质高强度
结构材料。
目前，Al-Li合金的研究成了有色合金新材料研究中一个十分活跃的
领域。在前苏联， Al-Li合金已用于火箭、航天飞机材料及民用飞机
上，1999年，美国“奋进号”航天飞机外储箱使用Al-Li合金材料，
使航天飞机的运载能力提高了3.4t。我国Al-Li合金研究的起步较晚，
目前仍处于研究阶段，距应用还有一段距离，国内某此高效及研究所
正在做这方面的工作，哈工大材料学院对Al-Li-Cu系、Al-Li-Mg系合
金的时效动力学、断裂机制及2091 Al-Li-合金焊接接头的强化
机制进行了研究。现已经建立Al-Li合金的研究开发基地，以Sic纤
维、Sic颗粒为增强体的Al-Li基复合材料是刚刚发展起来的新型材料。
经过3个五年计划的材料研究与应用开发后，其规模和水平已达到美、
俄20世纪80年代水平，国产Al-Li合金已在航空航天工业中试用，其
中1420Al-Li合金深冲模锻件已批量应用于我国的飞机和导弹上。
四、钛镍形状记忆合金
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形状记忆合金，是一种性质与过去的金属材料变形情况完全不同的合
金。众所周知，金属材料质地较硬，若变形超过弹性极限，则形状永
久不能回复。但是，形状记忆合金容易变形，通过加热其形状可以复
原。1963年，美国海军研究所在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金
中发现：把直条形的线材加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复
到原来的直条形，该合金能“记忆”原来的形状的能力。人们把这种
现象称为形状记忆效应。研究表明，形状记忆机理是在形状记忆合金
中有热弹性马氏体的可逆转变。热弹性马氏体转变时随着温度下降，
原马氏体片会继续长大，而温度上升，它又会收缩呈现出热弹性，而
且转变具有完全的可逆性，即马氏体（低温相）以足够快的速度加热
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不会分解而直接转变成高温相（母相）。
如美国国家航空航天局所开发的宇宙火箭用天线，将该合金预先压缩
成紧凑的一团而安装于运载火箭上，待运载火箭发射到月球表面时受
到太阳光照射加热使合金升温，当温度达到一定值时，被折叠成球状
的合金丝团就自动完全打开，成为原先定形的抛物状天线。这样，就
可以认为如果汽车的车身也采用这种记忆合金制造，那么即使遭受碰
撞变形也能够用热水等稍微加热的方式即可恢复原状，可使汽车外形
“青春常驻”。
形状记忆合金的主要应用有：（1）自动组装的结构件，如宇航天线、
管子接头、记忆铆钉等。（2）热能——机械能转换装置 很多记忆
合金在马氏体相变的逆转变时产生很大的应力和位移，因此可以作功。
利用这一特性，可把热能转变成机械能。人们正利用这一原理制成记
忆材料发动机。（3）医学器械 矫正牙齿的拱形金属丝，比不锈钢
好，整形外科用材料：如脊椎矫正棒、人工股关节等。
五、非晶态合金
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非晶态合金的发现源于20世纪70年代。我们知道金属在一般的冷却速
度凝固后均形成晶体，而且晶体中存在着大量的空位、晶界、位错等
缺陷。当时在美国喷气推进研究所的美国加州大学教授Duwez在一次
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实验中，无意将熔融的金硅合金液滴喷溅到铜板上时，由于冷却速度
极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样
没有晶体结构的非晶态合金，所以也有人称之为金属玻璃，不过它并
不是像玻璃那样透明的材料，而是一种在本质上与原来的晶态金属完
全不同的新物质—原子无规则排列的金属。由于快速凝固，原子来不
及扩散，金属中的合金元素偏析程度显著降低，没有晶界，从而可提
高合金化程度，而不致产生脆化相，非晶态合金具有高强度、耐腐蚀
等优点。例如非晶态合金Fe 80B20抗拉强度达35310Mpa，而超高强度
钢（晶态）的抗拉强度仅为1800~2000Mpa。非晶态合金伸长率低但并
不脆，而且具有很高的韧性，许多淬火态的非晶态合金薄带可以反复
弯曲，即使弯曲1800也不会断裂。。在工程应用中，通过激光束表面
处理可在工件表面获得非晶态组织，从而使材料表面具有高耐磨和高
强度，非晶态合金制成的硅太阳能电池，光电转换率可达15%。由于
没有晶体缺陷，很多非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，可以得到
磁导率极高的软磁材料。当制作变压器铁心时，其磁滞损耗和涡流损
耗只有硅钢片的1/3。现美国已建立了万吨级薄片和薄带的非晶体软
磁材料生产线，美通用电器公司已采用Fe—B—Si单晶制造了批量生
产高压变压器.我国在非晶态合金的研究与应用上，也取得了很大的
进展。可以预见，非晶态合金应用前景广阔。现在，非晶态合金已经
成为新型的金属磁性材料，是材料科学瞩目的新领域。
六、金属材料的前景展望
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二十一世纪是高新技术和新材料（包括新型金属材料）迅速发展的时
代，高性能的金属材料的应用也将更加广泛。同时，先进的材料制备、
成型和加工技术，如快速凝固技术、超塑性成型技术、真空热处理技
术、双金属复合、高纯、超细、纳米金属制加工以及激光熔覆、等离
子喷涂以及物理和化学气相沉积这些先进的材料表面改性技术的发展，
还将极大地推动高性能新型金属材料快速发展。“十五”国家火距计
划中重点支持的新材料应用领域将高性能金属材料列于首位，随着单
晶技术的成熟和近期超导材料研究的重大突破和电子薄膜衍射等测试
技术的不断进步。我们相信，在全球冶金学者的共同努力下，各种超
高温、高韧性、耐腐蚀、抗氧化、高强度、多功能、新型金属材料的
问世将为期不远，材料科学技术的明天将会更加辉煌灿烂。
谢谢大家。