稀有金屬及其制備技術(shù)試題及答案

1、1.請(qǐng)從Ti的二元相圖角度分析Al、V、Mo、Fe、Cr、Sn 元素在鈦合金中的作用；并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有鈦合金牌號(hào)，提出發(fā)展新型高強(qiáng)鈦合金、低成本鈦合金的成分設(shè)計(jì)思路。答：根據(jù)鈦的二元相圖將鈦的合金化元素分三類(lèi):穩(wěn)定化元素：提高/轉(zhuǎn)變溫度，增加相，如Al；穩(wěn)定化元素：降低/轉(zhuǎn)變溫度，增加相，如V、Mo、Fe、Cr等；中性元素：影響很小，如Sn。Al:強(qiáng)化作用(室溫和高溫)；減小合金的比密度；含鋁量達(dá)6-7時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的焊接性。V：提高室溫強(qiáng)度和淬透性，不降低其塑性，是中/高強(qiáng)鈦合金、阻燃鈦合金最常用的元素之一，冷成形性?xún)?yōu)良；降低鈦合金的耐熱性和耐蝕性，有毒性，價(jià)格較貴。Mo：

2、提高強(qiáng)度、耐熱性和耐蝕性；含量越高，淬透性越好（含量超過(guò)24時(shí)，空冷能獲得全組織）；鉬密度高、熔點(diǎn)高，易形成鉬夾雜或鉬偏析；大量鉬的添加對(duì)鈦合金的塑性、抗氧化性能和可焊性不利。Fe：Fe是最強(qiáng)的穩(wěn)定元素，添加1Fe，/相變點(diǎn)下降約18 顯著提高淬透性；主要用于高強(qiáng)高韌高淬透性的鈦合金；在合金鑄錠中易形成偏析，在鈦材中形成斑型冶金缺陷，降低耐蝕性；鐵便宜，是發(fā)展低成本鈦合金的重要元素。Cr：鉻是有效的穩(wěn)定元素，鉻在中的溶解度僅有0.5%。共析反應(yīng)緩慢，因此一般鈦合金中Cr含量低于5，以避免析出TiCr2金屬間化合物。Sn：Sn 屬于Ti的共析型元素主要起固溶強(qiáng)化作用，提高耐熱性；錫含量過(guò)高增加鈦

3、合金的密度，超過(guò)一定濃度形成有序相Ti3Sn，降低塑性及熱穩(wěn)定性。發(fā)展新型高強(qiáng)鈦合金、低成本鈦合金的成分設(shè)計(jì)思路：目前我國(guó)的高強(qiáng)鈦合金主要有：TB8（合金成分為T(mén)i-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、TC21（合金成分：Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb）等，低成本鈦合金有：Ti8LC（Ti-Al-Fe-Mo）和Ti12LC（Ti-Al-Mo-Fe）等。由此可以看出發(fā)展新型高強(qiáng)鈦合金、低成本鈦合金主要通過(guò)合金化實(shí)現(xiàn)，應(yīng)選擇可以提高鈦合金強(qiáng)度同時(shí)低成本合金元素，盡量避免選用價(jià)格較貴的合金元素如V、Nb等，多采用便宜的合金元素Al、Fe等，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度低成本鈦合金。2.

4、按照亞穩(wěn)狀態(tài)下的相組成和穩(wěn)定元素含量將鈦合金分成了哪幾類(lèi)，各有什么特點(diǎn)？答：型鈦合金：只由穩(wěn)定元素和/或中性元素合金化的鈦合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)；在500600的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。近型鈦合金：加入少量穩(wěn)定元素形成近型鈦合金，良好的焊接性和高的熱穩(wěn)定性；較高的蠕變強(qiáng)度和高溫瞬時(shí)強(qiáng)度(即較高的熱強(qiáng)性)；主要以相為主，不能通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。+型鈦合金：同時(shí)加入穩(wěn)定相元素和穩(wěn)定相元素，合金元素含量低于10%，室溫為+兩相，但相含量不超過(guò)30%，有非常好的綜合機(jī)械性能，尤其是

5、好的工藝塑性和可采用強(qiáng)化熱處理的能力，是應(yīng)用最廣泛的合金。近型鈦合金：穩(wěn)定元素略高于臨界濃度的鈦合金。成分中主要含有穩(wěn)定元素釩、鉬、鐵、鉻等。具有最高的強(qiáng)化效應(yīng)、最高的強(qiáng)度(1200MPa)、較深的淬透截面(60150mm)、良好的拉伸塑性和斷裂韌性。亞穩(wěn)型鈦合金：凡合金中所含穩(wěn)定化元素的量達(dá)到使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)降至室溫以下而又不足以使轉(zhuǎn)變點(diǎn)低于室溫的合金稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)型合金。在固溶處理狀態(tài)具有中等強(qiáng)度和高的塑性，冷成型性和可焊性好。時(shí)效后室溫強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透性好，可滿(mǎn)足航空大型鍛件高強(qiáng)、高韌、高淬透性的使用要求。但是在350以上熱穩(wěn)定性差，可在300以下使用對(duì)雜質(zhì)的敏感性高，尤其是對(duì)氧有高度

6、的敏感性冶金工藝復(fù)雜，焊接性較差。穩(wěn)定型鈦合金：這類(lèi)合金在平衡狀態(tài)下，全部由穩(wěn)定的相組成，熱處理不能改變其相組織。3.請(qǐng)選擇一種你關(guān)心的鈦合金加工工藝，闡述其基本原理、工藝特點(diǎn)及其影響因素，分析1-2種缺陷的形成機(jī)理并提出改善措施。答：鈦合金鍛造基本原理：鈦合金鍛造是利用鍛壓機(jī)械對(duì)鈦合金坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鈦合金鍛造的最原始坯料是鑄錠，鍛造過(guò)程中鑄態(tài)組織經(jīng)過(guò)變形和再結(jié)晶，使原有的粗大枝晶和柱狀晶粒變成了晶粒細(xì)小、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織。同時(shí)鑄錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、裂紋等壓合，使金屬的組織變得更加密實(shí)，提高金屬的塑性和力學(xué)性

7、能。主要類(lèi)型有：自由鍛造、常規(guī)鍛造、近鍛造、亞鍛造、全鍛造等。鈦合金鍛造工藝有如下特點(diǎn)：(1)鈦合金的鍛造溫度范圍較窄；（）型鈦合金鍛造加熱溫度低于()/轉(zhuǎn)變溫度，型鈦合金通常在（）兩相區(qū)鍛造，鈦合金始鍛溫度和終鍛溫度都高于()/轉(zhuǎn)變溫度；(2)鈦合金具有很強(qiáng)的應(yīng)變速率敏感性。在鍛造過(guò)程中，隨著變形速率的增加，其變形抗力顯著增大；(3)鍛造溫度對(duì)鈦合金變形抗力影響顯著；(4)間隙元素（氧、氮、碳）的含量對(duì)鈦合金鍛造性能有顯著影響，特別是對(duì)氫元素尤為敏感。影響因素：主要有鍛造溫度、保溫時(shí)間、變形程度、變形速率和鍛后冷速。其中鍛造溫度：影響可加工性、顯微組織、晶粒粗化；在保證不發(fā)生裂紋的前提下應(yīng)盡

8、量降低鍛造溫度；為得到高強(qiáng)度和塑性，在+區(qū)域精鍛時(shí)，應(yīng)控制鍛造溫度，減少加熱次數(shù)，增加鍛造比；盡量避免加熱時(shí)的過(guò)熱和鍛造中的加工發(fā)熱，以保證理想的鍛造比和優(yōu)良的性能。保溫時(shí)間：影響吸氫、顯微組織粗化；變形程度：影響可加工性、顯微組織（如再結(jié)晶、晶粒結(jié)構(gòu)和相得形成）；變形速率：可加工性、變形過(guò)程中的試樣升溫、再結(jié)晶；鍛后冷速：影響相變和析出行為。缺陷及改進(jìn)措施：（1）鍛造熱應(yīng)力：鈦合金在相變點(diǎn)(+/轉(zhuǎn)變溫度)以上變形易獲得網(wǎng)籃組織或魏氏組織，塑性、疲勞性能差。隨著鍛造加熱溫度的升高，雙相鈦合金顯微組織中初生等軸的含量明顯降低，而板條含量顯著增加。也就是說(shuō)雙相鈦合金在相變點(diǎn)以下加熱時(shí)，隨著加熱溫度

9、升高，組織中初生等軸逐步向相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致加熱鍛造后的鈦合金顯微組織中初生等軸含量降低、形態(tài)變小，板條含量增多，當(dāng)加熱鍛造溫度超過(guò)鈦合金相變點(diǎn)之后，雙相鈦合金組織中的初生等軸全部消失，為板條狀網(wǎng)籃組織或魏氏組織。改進(jìn)措施：鈦合金在鍛造變形中，一般情況下中心部位是劇烈變形區(qū)，所以中心是溫升最高的區(qū)域，將中心部位溫升情況作為制訂鍛造工藝的主要依據(jù)。采用鍛造速度較快的鍛錘鍛造鈦合金時(shí)，必須考慮鍛造過(guò)程中的中心熱效應(yīng)，不能連續(xù)重?fù)襞髁?。鈦合金鍛造在有條件的情況下建議采用壓力機(jī)或快鍛機(jī)，該類(lèi)鍛造設(shè)備打擊速度低，鍛造過(guò)程中坯料瞬時(shí)應(yīng)變速率較低，產(chǎn)生的變形熱不是非常明顯，同時(shí)有足夠時(shí)間進(jìn)行變形熱擴(kuò)散，不會(huì)導(dǎo)

10、致瞬時(shí)心部溫度明顯增高。（2） 組織不均勻：鍛造有時(shí)會(huì)產(chǎn)生粗大塊又稱(chēng)大白塊，與網(wǎng)籃組織中細(xì)小的正常條相比，在形態(tài)上表現(xiàn)為粗大、不均勻，由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，很少出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象，其晶界面比較粗糙，凹凸不平。這種不均勻組織致使合金塑性與熱穩(wěn)定性能下降，影響了鍛件質(zhì)量。改進(jìn)措施：首先在其鑄錠開(kāi)坯鍛造時(shí)，采用適當(dāng)?shù)母邷鼐鶆蚧幚恚瑢?duì)于鑄錠柱狀組織區(qū)域的微觀晶內(nèi)枝晶偏析通過(guò)均勻化退火或變形再結(jié)晶改善和消除；其次在合金坯料及成品模鍛過(guò)程中采用適當(dāng)?shù)腻懞罄鋮s方式加以控制，抑制其顯微組織中出現(xiàn)粗大塊。4. 請(qǐng)給出鈦合金片層組織、等軸組織的基本特征和性能特點(diǎn)，并以Ti-6Al-4V鈦合金為例，給出獲得片層組織、雙態(tài)組

11、織的加工工藝，分析各工序?qū)M織的影響。答：片層組織。組織特征：具有粗大等軸的原始晶粒，在原始晶界上有較為完整的網(wǎng)，原始晶界清晰完整，晶內(nèi)相呈片狀規(guī)則排列。性能特點(diǎn)：斷裂韌性、持久和蠕變強(qiáng)度好，但塑性、疲勞性能和拉伸性能都較低。等軸組織。組織特征：在轉(zhuǎn)變基體上均勻分布著含量超過(guò)50%的等軸初生相。性能特點(diǎn)：較高的塑性，尤其斷面收縮率較高，但斷裂韌性、沖擊韌性和持久強(qiáng)度較差。片層組織加工條件：加熱和變形都在相區(qū)進(jìn)行時(shí)形成這種組織，或?qū)⒑辖鸺訜岬较鄥^(qū)較慢冷卻時(shí)。雙態(tài)組織加工條件：在兩相區(qū)的上部加熱和變形，或在兩相區(qū)變形后，再加熱至兩相區(qū)上部溫度后空冷。Ti-6Al-4V片層組織工藝：加熱到1065后

12、進(jìn)行爐冷可得到片層組織。雙態(tài)組織：加熱到900或955后進(jìn)行爐冷得到雙態(tài)組織。5.試評(píng)價(jià)集成計(jì)算技術(shù)在高性能鈦合金材料及工藝技術(shù)發(fā)展中將發(fā)揮的作用（如何促進(jìn)鈦合金材料技術(shù)的發(fā)展）。答：集成計(jì)算材料工程( ICME) 是材料基因組計(jì)劃( The Materials Genome Initiative-MGI) 的重要部分，它旨在把計(jì)算材料科學(xué)的工具集成成一個(gè)整體系統(tǒng)以加速材料的開(kāi)發(fā)，改造工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化過(guò)程，并把設(shè)計(jì)和制造統(tǒng)一起來(lái)，從而在實(shí)際制備之前就實(shí)現(xiàn)材料、制造過(guò)程和構(gòu)件的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，其最終目標(biāo)是提高先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)、制造和使用的速度。 由于數(shù)值模擬技術(shù)使得鈦合金熱加工工藝過(guò)程可以真實(shí)地在

13、計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)，所以企業(yè)生產(chǎn)者和科研工作者都利用此技術(shù)研究理想工藝參數(shù)與相應(yīng)組織、力學(xué)性能的關(guān)系，達(dá)到優(yōu)化現(xiàn)行生產(chǎn)工藝和降低新產(chǎn)品、新工藝、新材料研制成本的目的。有人研究了片狀組織TC21鈦合金在兩相區(qū)鍛造過(guò)程中的相演變。采用 DEFROM 軟件模擬分析了鍛造過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律并定量分析了相的形貌變化。有人采用剛粘塑性有限元法對(duì) TC11 鈦合金異型模鍛件成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了鍛件成型時(shí)金屬流動(dòng)規(guī)律、成形過(guò)程溫度場(chǎng)及載荷等，實(shí)現(xiàn)了工藝的優(yōu)化，且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。有人對(duì)TA15鈦合金大型整框零件鍛造過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了合理的坯料尺寸和模鍛工藝參數(shù)。采用DEFROM

14、 3D對(duì)TC11 鈦合金多火多向反復(fù)熱鐓拔工藝進(jìn)行了三維有限元模擬，分析了在不同火次、不同變形階段時(shí)鍛件中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)，得出最佳鐓粗比。利用商業(yè)化有限元模擬軟件 Deform 3D對(duì)TiAl合金高溫鍛造開(kāi)坯工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了兩步鍛造時(shí)不同變形量組合下變形餅坯中等效應(yīng)變場(chǎng)和斷裂因子分布信息。 與傳統(tǒng)工藝試錯(cuò)法相比，采取模擬技術(shù)作為研發(fā)手段可縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。而鈦合金因價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，其生產(chǎn)工藝的研究迫切需要模擬技術(shù)來(lái)為之開(kāi)辟捷徑，以攻克熱加工溫度范圍窄、工藝組織性能關(guān)系復(fù)雜多樣等難題。未來(lái)鈦合金熱變形機(jī)制及微

15、觀組織演變規(guī)律的研究須將物理模擬技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合，建立更加符合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的宏觀有限元模型，并將其與微觀組織演變模型耦合，力求模擬結(jié)果不僅能為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，而且能夠定量地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工藝，最終達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤變形過(guò)程、控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。1.簡(jiǎn)述鎢合金的主要強(qiáng)化機(jī)制及鎢合金的典型熱處理工藝。答：鎢的合金化途徑主要通過(guò)固溶強(qiáng)化、固溶軟化、彌散強(qiáng)化、變形強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、和氣泡強(qiáng)化以及兩種或兩種以上的合金化途徑組合成的復(fù)合強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化：主要是通過(guò)添加置換元素的固溶強(qiáng)化。要求合金化元素在所有溫度下能與鎢形成連續(xù)固溶體以達(dá)到最大的固溶強(qiáng)度，以便在相應(yīng)合金系統(tǒng)的固溶線溫度高時(shí)，保證合金系統(tǒng)在高

16、成分下仍可以在極高溫度下使用；同時(shí)合金的原子尺寸和彈性與鎢差異大。固溶軟化：添加錸會(huì)加速鎢合金在變形過(guò)程中孿晶的形成，減少堆垛層錯(cuò)能，降低對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)的晶格阻力，從而導(dǎo)致位錯(cuò)遷移率增加，促進(jìn)鎢的固溶軟化。此現(xiàn)象也被稱(chēng)為“錸的塑化效應(yīng)”。彌散強(qiáng)化：彌散強(qiáng)化包括直接強(qiáng)化和間接強(qiáng)化作用。直接強(qiáng)化：主要來(lái)源于位錯(cuò)與彌散顆粒的相互作用，其主要強(qiáng)化機(jī)制是顆粒對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，位錯(cuò)在顆粒周?chē)p結(jié)，阻礙位錯(cuò)滑移。間接強(qiáng)化：主要是由于亞晶粒的形成引起的。W-Re-HfC、 W-4Re-0.26HfC中的亞晶粒和位錯(cuò)網(wǎng)都起到了強(qiáng)化作用。隨著溫度的升高，原子擴(kuò)散速率加快，位錯(cuò)網(wǎng)的解鎖，彌散顆粒尺寸增大, 強(qiáng)化效果下降

17、。變形強(qiáng)化：隨變形量增大鎢顆粒斷面尺寸減小，鎢顆粒的斷面形狀從球形向橢圓形直至不規(guī)則的多邊形發(fā)展。多邊形趨勢(shì)與材料變形所受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。尺寸變小則是長(zhǎng)徑比變化在斷口上的直接體現(xiàn)。隨變形量增大，鎢顆粒被拉長(zhǎng)，斷面中基體的韌窩狀斷裂比例逐漸減小，鎢/鎢界面斷裂和鎢顆粒/基體界面斷裂比例明顯降低，而鎢顆粒解理斷裂比例逐漸增加。斷裂逐漸由基體向增強(qiáng)體轉(zhuǎn)移，這是導(dǎo)致鎢合金強(qiáng)度增加的關(guān)鍵因素之一。細(xì)晶強(qiáng)化：添加稀土元素或稀土氧化物(如Y2O3、CeO2、ZrO2、La2O3、ThO2、V2O3等)可以起到明顯的細(xì)化晶粒的作用，起到抑制W晶粒長(zhǎng)大的作用。晶粒長(zhǎng)大主要發(fā)生在W的溶解-析出過(guò)程中：(1)抑

18、制劑吸附在W顆粒表面，改變了W-粘結(jié)相的界面自由能，同時(shí)也減小了W-粘結(jié)相不同界面間的各向異性，減少了顆粒長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)；(2)抑制劑彌散分布在W顆粒表面，阻礙W界面的遷移，防止W顆粒發(fā)生聚集長(zhǎng)大；(3)抑制劑通過(guò)在粘結(jié)相中的溶解，阻止了溶解-沉淀的進(jìn)程，降低了溶解-沉淀速度。氣泡強(qiáng)化：摻鉀的鎢合金用于白熾燈絲，使鎢的再結(jié)晶溫度提高大約200K。由于鉀氣泡和鎢之間的界面能較低，有效地阻礙了晶粒粗化動(dòng)力，阻礙了再結(jié)晶。鉀氣泡阻止或拖拽晶界滑移，晶界發(fā)生彎曲和扭折。鉀氣泡也對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用。這些都提高了燈絲的強(qiáng)度。鎢合金的典型熱處理工藝去應(yīng)力退火：去應(yīng)力、降低硬度、改善塑性，一般在開(kāi)始再結(jié)晶溫度以下2

19、00左右進(jìn)行。再結(jié)晶退火：鎢及其合金在開(kāi)坯階段，常采用再結(jié)晶退火，以減少或消除組織不均勻性；接近成品及成品退火不可用此方法，否則會(huì)使韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。形變熱處理：彌散強(qiáng)化鎢合金如W-Hf-C和W-Re-Hf-C等中的碳化物，在基體中溶解度隨溫度升高而增大，可用形變熱處理方法，使碳化物在早期加工時(shí)溶解，后在可行的低溫下完成終加工，誘導(dǎo)溶解的碳化物盡可能沉淀為細(xì)微粒，并通過(guò)冷加工盡可能引入微細(xì)的亞晶組織。熱處理時(shí)表面污染：在高溫下易被氧、氮、碳等污染，需在保護(hù)性氣氛或真空熱處理，一般采用氫氣保護(hù)。2.簡(jiǎn)述鋯合金元素選擇的基本原則及雜質(zhì)元素對(duì)鋯合金性能的影響規(guī)律，并舉例說(shuō)明合金化元素在鋯合金中的作用

20、。答：鋯合金元素選擇的基本原則1）合金元素的熱中子吸收截面應(yīng)當(dāng)小，這才能保持鋯熱中子吸收截面低的優(yōu)點(diǎn)；2）合金元素應(yīng)該保證該合金制作的堆芯結(jié)構(gòu)件在反應(yīng)堆整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)具有良好的耐蝕性能；3）合金元素應(yīng)該保證合金不會(huì)惡化吸氫性能；4）合金元素應(yīng)該保證該合金制作的燃料元件和管道等結(jié)構(gòu)件，在反應(yīng)堆運(yùn)行的各種可能的工況（包括功率突變和事故情況）下力學(xué)性能穩(wěn)定可靠；5） 合金元素不應(yīng)形成具有強(qiáng)放射性的長(zhǎng)壽命的放射性核素如60Co，因?yàn)檫@將提高反應(yīng)堆卸料、乏燃料元件存放和運(yùn)輸?shù)某杀?。雜質(zhì)元素對(duì)鋯合金性能的影響規(guī)律l 根據(jù)上述規(guī)律，理論上鋯的同族元素進(jìn)行合金化對(duì)提高鋯的耐腐蝕性能最有利。周期表中第IV族元素

21、有Ti、Hf、Si、Pb、Ge、Sn、C。其中Ti對(duì)鋯的耐蝕性能有害；Hf的熱中子吸收截面太大；Pb熔點(diǎn)很低；Si和Ge的晶胞均為鉆石立方結(jié)構(gòu)，原子半徑同鋯的相差太懸殊，不易溶于密集立方結(jié)構(gòu)的-鋯中，且?guī)缀醪蝗苡?鋯中，所以只有Sn是第IV族元素中唯一能作為鋯的合金化元素。l 在周期表第V族元素中有V、Nb、Ta、N、P、As、Sb、Bi等，其中N和V對(duì)鋯的耐蝕性能有害；As、Sb、Bi熔點(diǎn)低；Ta的熱中子吸收截面大，所以在第VB族元素中只有Nb可作為鋯的合金化元素。l 同理，在第VIB族元素中有Cr、Mo，在第VIII族元素中有Fe、Ni可作為鋯的合金化元素。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Cr與Fe、Ni同時(shí)

22、加入鋯中時(shí)能改善鋯合金的耐蝕性能，Ni有促進(jìn)鋯合金吸氫的傾向。l 作為核用鋯合金的合金元素是有限的，目前使用和研究的鋯合金中主要的合金元素主要有：Sn、Nb、Fe、Cr、Ni、O，還有V、Mo，Cu，Al等。Fe、Cr、Ni的作用鐵、鉻和鎳被看作共析體，因?yàn)樵谒鼈兊南鄨D中這些元素都有相共析分解。隨著鐵含量的增加，強(qiáng)度增大，而塑性相應(yīng)下降。1%（原子）鐵會(huì)使鋯的抗蠕變性能顯著提高，超過(guò)此量后，抗蠕變性能明顯下降。鉻對(duì)鋯的機(jī)械性能的影響與鐵相似，它們?cè)?鋯中的溶解度都很低。鉻可以提高鋯的強(qiáng)度，強(qiáng)化效應(yīng)的最大值在2%（原子）處，但強(qiáng)化作用比錫弱。鉻對(duì)鋯的蠕變抗力也有改善作用。鉻含量在0.5%1.0%

23、（原子）時(shí)，Zr-Cr合金在500C下的蠕變抗力最好。而繼續(xù)增加鉻含量時(shí)，蠕變抗力下降。鎳對(duì)鋯有一定的強(qiáng)化作用。對(duì)機(jī)械性能的影響與鐵相似，鋯中加入鎳能改善鋯合金高溫蒸汽腐蝕性能，但鎳在鋯中能增加鋯的吸氫量，引起鋯的氫脆現(xiàn)象。在鋯-錫合金中加入適量的Fe、Cr和Ni(總量為0.30.4%)，不僅能抑制過(guò)量錫的有害作用，還能提高鋯的高溫耐蝕性能。3.鉭、鈮及其合金的物化性質(zhì)、力學(xué)性能及應(yīng)用領(lǐng)域。答：鉭的基本性質(zhì)：l 略帶藍(lán)色的淺灰色金屬, 密度為16.50 g/cm3；熔點(diǎn)2996, 僅次于鎢和錸，居第三位。l 富有延展性,韌性比銅更好，冷加工可拉成細(xì)絲和制成薄箔；膨脹系數(shù)很小,每升高1, 只膨脹

24、百萬(wàn)分之六點(diǎn)六；l 化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng), 常溫下不和水及空氣發(fā)生反應(yīng), 冷和熱態(tài)下都有極強(qiáng)的抗腐蝕性, 能抵抗除氫氟酸外的一切無(wú)機(jī)酸。將鉭金屬放入200的硫酸中浸泡一年, 表層僅損傷0.006 毫米。實(shí)驗(yàn)證明: 常溫下, 堿溶液、氨、氯氣、溴水、稀硫酸以及其他許多藥劑對(duì)鉭均不起作用；l 鉭在常溫下能溶解氫, 開(kāi)始生成固體溶液, 而后生成氫化物, 可作為貯氫材料。鉭的應(yīng)用：l 在制取無(wú)機(jī)酸的設(shè)備中, 鉭可用來(lái)代替不銹鋼, 壽命比不銹鋼長(zhǎng)十幾倍;l 在化工、電子、電氣及原子能行業(yè)中, 可以取代由貴金屬鉑，大大降低成本；l 作為煉制超強(qiáng)度鋼、耐蝕鋼和耐熱合金鋼的重要元素，可作為火箭、宇宙飛船、噴氣飛機(jī)等空

25、間技術(shù)所需的特殊材料；l 鉭和7.5%的鎢制成的無(wú)磁性合金，在紅熱條件下可保持彈性，廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)、電子管工業(yè)；l 鉭條還專(zhuān)用于整流器中；l 用于制造外科刀具、人造纖維的拉線模等, 是鉑的代用品；l 碳化鉭具有極強(qiáng)的硬度和極高的熔點(diǎn), 在高溫條件下與金剛石不相上下, 用其做成的切刀, 可高速切削許多堅(jiān)硬的合金; 用它制成的鉆頭, 可代替最堅(jiān)硬的合金或金剛石鉆頭；l 生物相溶性好，用來(lái)修補(bǔ)、封閉人體破碎的頭蓋骨和四肢骨折的裂縫及缺損；鉭的細(xì)絲作為手術(shù)縫合線，可代替肌腱和神經(jīng)纖維；鉭板可作人造鉭耳。鈮的基本屬性：l 鈮的熔點(diǎn)高(2468), bcc 結(jié)構(gòu), 延性和導(dǎo)熱性好，強(qiáng)度和比強(qiáng)度高，密度

26、8.6g/cm3，是最輕的難熔金屬，熱膨脹系數(shù)7.2, 高溫力學(xué)性能好,強(qiáng)度能保持到1649.9，熱中子俘獲截面小，在腐蝕介質(zhì)中極為穩(wěn)定，塑-脆轉(zhuǎn)變溫度低(-160)；l 鈮的熱中子吸收界面小，抗腐蝕性強(qiáng)同時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度，可用作原子能反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料和核燃料的包套材料，還可以作為核燃料的添加劑；l 鈮和鈮合金在高溫下能保持很高的強(qiáng)度和良好的加工性能，可制成薄板和形狀復(fù)雜的零件。在高超聲速飛機(jī)、航天飛行器、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和l 超音速低空火箭等方面，鈮被優(yōu)先選作熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)材料。鈮及其合金的應(yīng)用領(lǐng)域：鋼鐵工業(yè)：世界約8590的鈮以鈮鐵形式用于鋼鐵生產(chǎn)。鋼中只需加入0.030.05的鈮便可使鋼

27、的屈服強(qiáng)度提高30以上。鈮還能通過(guò)誘導(dǎo)析出和控制冷卻速度，實(shí)現(xiàn)析出物彌散分布，在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整鋼的韌性水平。因此，鋼中加入鈮不僅可以提高鋼的強(qiáng)度，還可以提高鋼的韌性、抗高溫氧化性和耐蝕性，降低鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼具有良好的焊接性能和成型性能；超導(dǎo)材料工業(yè)：鈮的某些化合物和合金具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，因而被廣泛用于制造各種工業(yè)超導(dǎo)體，如超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、加速器大功率磁體、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能器、核磁共振成像設(shè)備等。目前，最重要的超導(dǎo)體材料是鈮-鈦和鈮-錫，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的磁振圖象儀和用于譜線(分析)的核磁共振儀。航空航天工業(yè)：航空航天工業(yè)是高純鈮的主要應(yīng)用領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)火箭、飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)和耐熱部件。

28、鈮和鉭的熱強(qiáng)合金具有良好熱強(qiáng)性能、抗熱性能和加工性能，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片。在美國(guó)幾乎所有噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部件都采用鈮合金。原子能工業(yè)：鈮的熱導(dǎo)率好，熔點(diǎn)高，耐腐蝕性好，并且中子俘獲截面低，是一種非常適合原子能反應(yīng)堆的材料。鈮在原子能工業(yè)的主要用途包括：核燃料的包套材料、核燃料的合金、核反應(yīng)堆中熱交換器的結(jié)構(gòu)材料。電子工業(yè)：鈮酸鹽陶瓷可用于制作電容器，鈮酸鋰、鈮酸鉀等化合物單晶是新型光電子學(xué)和電子學(xué)用晶體，具有良好的壓電、熱電和光學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用到紅外線、激光技術(shù)和電子工業(yè)中。此外，鈮的熔點(diǎn)高，發(fā)射電子能力強(qiáng)，并具有吸氣能力，可用于制作電子管及其它電真空器件

29、。醫(yī)療領(lǐng)域：鈮具有良好的抗生理腐蝕性和生物相容性，不會(huì)與人體里的各種液體物質(zhì)發(fā)生作用，并且?guī)缀醪粫?huì)損傷生物的機(jī)體組織，對(duì)于任何殺菌方法都能適應(yīng)，因而常被用于制造接骨板、顱骨板骨螺釘、種植牙根、外科手術(shù)用具等。4.稀有金屬材料致密金屬坯錠需要滿(mǎn)足哪些基本要求？簡(jiǎn)述粉末冶金和真空熔煉制坯技術(shù)的性能特點(diǎn)及適用范圍。答：錠坯必須滿(mǎn)足以下要求：化學(xué)成分和雜質(zhì)含量在規(guī)定范圍內(nèi)，且分布均勻；組織均勻，無(wú)特異或個(gè)別粗大晶粒；無(wú)折皺和急劇凹凸等表面缺陷；無(wú)夾雜、裂紋、疏松、縮孔等冶金缺陷合理的形狀和尺寸。粉末冶金制坯技術(shù)的性能特點(diǎn)：l 可直接生產(chǎn)出所要求的成品和供直接加工的坯料；l 組織細(xì)而均勻，利于后續(xù)加工；

30、l 不存在成分偏析、晶粒粗大的缺點(diǎn)，具有良好的力學(xué)性能和高溫性能；l 金屬損失少，成品率高；l 能夠控制制品的空隙度，生產(chǎn)金屬過(guò)濾材料；l 對(duì)于小規(guī)格，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，具有較大的靈活性。真空熔煉性能特點(diǎn)：l 提純金屬的物理、化學(xué)過(guò)程，對(duì)氣態(tài)生成物的熔煉反應(yīng)起促進(jìn)作用；l 分解氮化物、氧化物，脫氣、脫氧、金屬雜質(zhì)上浮；l 真空熔煉方法各異，但從熔煉原理出發(fā)，均遵循相同的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理；l 真空作為一種保護(hù)性氣氛，可防氧化、減少金屬內(nèi)部的氣體與金屬氧化等雜質(zhì)，提高金屬的純潔度；l 同時(shí)，在真空條件下向金屬內(nèi)添加的元素成分和含量（特別是活性元素）容易控制，提高合金的性能，為熔煉鎢、鉬、鉭、鈮、

31、鈦、鋯、鉿等稀有金屬材料開(kāi)辟了道路；適用范圍：熔煉法占主導(dǎo)地位，粉末冶金多用在鎢鉬錸及其合金的生產(chǎn)、某些特殊性能要求的材料，如不下垂鎢絲、多孔難熔金屬材料、硬質(zhì)合金、高密度復(fù)合材料等。5簡(jiǎn)述影響真空熔煉過(guò)程中影響元素?fù)]發(fā)速率和脫氣效果的主要因素。答：影響揮發(fā)速率的因素l 各組元蒸汽壓的影響，成正比；l 活度的影響，元素在熔體中活度系數(shù)小，其它組元對(duì)其吸引力大，難以脫離熔體，難揮發(fā)；l 溫度的影響，溫度高，揮發(fā)快；l 真空度的影響。真空度高，揮發(fā)快；l 坩堝尺寸的影響。對(duì)于一定來(lái)的金屬熔體，坩堝直徑大，則熔池深度小，利于熔池內(nèi)部分子向自由表面遷移，并且熔池表面積大。脫氣l 真空熔煉脫氣效果好，金

32、屬中氣體的溶解度隨氣相中該氣體分壓的降低而降低l 當(dāng)真空度足夠高，氣體分壓低，分子的平均自由程等于或大于熔池液面到爐壁表面間的距離時(shí)，氣體從熔池液面揮發(fā)溢出的速度取決于它在熔池中的擴(kuò)散速度，并與其擴(kuò)散系數(shù)及熔池的攪動(dòng)有關(guān)l 熔池強(qiáng)烈攪拌時(shí)，熔體/爐氣界面層變薄，氣體在熔池內(nèi)分布均勻，僅在熔池表面層存在溫度梯度，氣體溢出速率為：（秒）l 熔池的表面積和氣體的擴(kuò)散系數(shù)越大，脫氣速率越大l 在有電磁攪拌熔池和溫度較高時(shí)，脫氣效果會(huì)更好l 熔池中加入可產(chǎn)生氣泡的物質(zhì)，加速脫氣6. 簡(jiǎn)述真空熔煉制備技術(shù)的性能特點(diǎn)及元素?fù)]發(fā)過(guò)程，并列出影響真空熔煉過(guò)程元素?fù)]發(fā)速率的因素答：真空熔煉性能特點(diǎn)：l 提純金屬的

33、物理、化學(xué)過(guò)程，對(duì)氣態(tài)生成物的熔煉反應(yīng)起促進(jìn)作用；l 分解氮化物、氧化物，脫氣、脫氧、金屬雜質(zhì)上??；l 真空熔煉方法各異，但從熔煉原理出發(fā)，均遵循相同的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理；l 真空作為一種保護(hù)性氣氛，可防氧化、減少金屬內(nèi)部的氣體與金屬氧化等雜質(zhì)，提高金屬的純潔度；l 同時(shí)，在真空條件下向金屬內(nèi)添加的元素成分和含量（特別是活性元素）容易控制，提高合金的性能，為熔煉鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯、鉿等稀有金屬材料開(kāi)辟了道路；元素?fù)]發(fā)過(guò)程1. 合金熔體內(nèi)揮發(fā)組元的原子向金屬液表面遷移2. 揮發(fā)組元的原子通過(guò)界面層擴(kuò)散到液-氣界面3. 在液-氣界面，發(fā)生液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟脫]發(fā)反應(yīng)4. 氣態(tài)分子通過(guò)氣相界層擴(kuò)散到

34、氣相影響揮發(fā)速率的因素l 各組元蒸汽壓的影響，成正比；l 活度的影響，元素在熔體中活度系數(shù)小，其它組元對(duì)其吸引力大，難以脫離熔體，難揮發(fā)；l 溫度的影響，溫度高，揮發(fā)快；l 真空度的影響。真空度高，揮發(fā)快；l 坩堝尺寸的影響。對(duì)于一定來(lái)的金屬熔體，坩堝直徑大，則熔池深度小，利于熔池內(nèi)部分子向自由表面遷移，并且熔池表面積大。7. 簡(jiǎn)述非自耗真空電弧熔煉、自耗真空電弧熔煉、電子束冷床爐熔煉、等離子束冷床熔煉和真空凝殼熔煉的性能特點(diǎn)及適用范圍。答： 真空非自耗電弧熔煉l 非自耗真空電弧爐是在真空條件下充入氬氣熔煉各種金屬樣品的設(shè)備，適用于金屬材料的研究、實(shí)驗(yàn)工作；l 廣泛應(yīng)用于高純金屬，稀有難熔金屬

35、，半導(dǎo)體材料及稀土材料的熔煉；l 惰性氣體保護(hù)下，水冷銅坩堝中，利用電弧的熱能熔化金屬；l 電極材料：鉭、鎢、石墨、TaC、TiC、ZrC等l 熔煉前爐膛抽真空后，充入惰性氣體沖洗爐內(nèi)一次或數(shù)次，驅(qū)趕殘留空氣；l 熔煉時(shí)0.5-1大氣壓，惰性氣體（氬、氦）在電弧作用下北電離，使電弧穩(wěn)定燃燒；l 工業(yè)生產(chǎn)，鎢電極：壽命短、損耗大、污染嚴(yán)重（0.39-0.49%）等缺點(diǎn)；適用范圍：適用于金屬材料的研究、實(shí)驗(yàn)工作；廣泛應(yīng)用于高純金屬，稀有難熔金屬，半導(dǎo)體材料及稀土材料的熔煉 真空自耗電弧熔煉VAR優(yōu)點(diǎn)：l 可生產(chǎn)大尺寸、大噸位的鑄錠，對(duì)所熔煉的金屬?zèng)]有污染l 世界最大VAR ，100t，錠子直徑2.

36、5m(鋼錠)，我國(guó)最大：直徑1m，長(zhǎng)4m的鈦錠l VAR熔煉鑄錠在水冷銅坩堝中快速定向結(jié)晶，可消除常見(jiàn)的縮孔、偏析和中心疏松等缺陷，同時(shí)使雜質(zhì)上浮l 工業(yè)上多用來(lái)熔煉鈦、鋯等活潑金屬及鉬等難熔金屬，適合熔煉高純金屬和高品級(jí)鑄錠缺點(diǎn)：l 熔化和凝固同時(shí)進(jìn)行，熔池內(nèi)溫度不均l 難熔和易揮發(fā)的合金成分難以均勻加入l 結(jié)晶速度和金相組織難以控制l 在熔煉高質(zhì)量合金時(shí)，需采用重熔鑄錠克服生產(chǎn)異形錠困難，電極制備比較復(fù)雜，尤其是難熔金屬的電極更困難l 制備海綿鈦電極和屑料時(shí)，需要大噸位壓機(jī)l 成型錠子需扒皮、切頭尾，成品率通常只能達(dá)到80%適用范圍：工業(yè)上多用來(lái)熔煉鈦、鋯等活潑金屬及鉬等難熔金屬，適合熔煉

37、高純金屬和高品級(jí)鑄錠。 電子束冷床爐熔煉l 熱源：鎢陰極發(fā)射的高能電子束流，溫度可高達(dá)6000以上。通過(guò)改變電磁場(chǎng)控制電子束的聚焦和掃描，均勻加熱特定的區(qū)域；熔化效l 率較高。電能利用率較高(70%)。l 工作環(huán)境： 高真空（10-2Pa），對(duì)原料放氣敏感l(wèi) 合金化：真空會(huì)造成具有較高蒸氣壓的合金元素如Cr, Al等的蒸發(fā)（30%左右），合金成分難以控制。l 精煉效果：沉積+蒸發(fā)+熔解。有害元素在真空下易被蒸發(fā)消除，純凈化效果最為顯著。l 表面質(zhì)量：3mm表面剝皮深度。 等離子冷床爐熔煉l 熱源：氦氣或氬氣電離產(chǎn)生的等離子弧，溫度可高達(dá)6000以上。l 等離子束無(wú)法聚焦，相對(duì)較寬，要靠機(jī)械擺動(dòng)

38、來(lái)改變其加熱方向和區(qū)域；熔化效率相對(duì)較低，電能利用率較低(40%)。l 工作環(huán)境：惰性氣氛，接近大氣壓力或稍偏正壓。l 合金化：在惰性氣體保護(hù)下，沒(méi)有元素的真空蒸發(fā)，故合金燒損小，合金的化學(xué)成分相對(duì)容易控制，收得率高。l 精煉效果：沉積+熔解。等離子弧會(huì)使得金屬液面產(chǎn)生攪動(dòng)，有利于成分均勻化。l 表面質(zhì)量：5mm表面剝皮深度。冷床爐應(yīng)用：l Ti系、Zr系儲(chǔ)氫合金，Ni-Ti-Nb形狀記憶合金，Nb-Ti系超導(dǎo)合金等。采用等離子冷床爐熔煉，不僅可以精確控制合金成分和鑄態(tài)組織，而且無(wú)污染。l -TiAl作為新一代航空航天高溫結(jié)構(gòu)材料，由于加入鈮、鉻、釩等元素進(jìn)一步合金化，造成熔煉和鑄造困難，鑄坯

39、開(kāi)裂傾向嚴(yán)重。采用等離子冷床爐熔煉可以很好地解決這些問(wèn)題，不僅能夠使合金化元素得以充分熔化均勻以及高純凈化精煉，而且形成鑄錠時(shí)的熔池淺、凝固速度快，顯著降低了鑄錠的宏觀偏析和內(nèi)應(yīng)力，可生產(chǎn)內(nèi)在/表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、大尺寸錠坯。l 制備超純凈的粉末高溫合金母合金。粉末高溫合金發(fā)展所遇到的最大的障礙是在制備過(guò)程中引入的非金屬夾雜物。冷床爐熔煉可以從根本上解決粉末高溫合金母合金冶煉方面的夾雜問(wèn)題。l 解決高性能結(jié)構(gòu)材料的純凈化問(wèn)題，滿(mǎn)足更高性能及更高可靠性需求。例如可將冷床爐超純凈冶煉技術(shù)應(yīng)用于制造大型飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼。l 解決高溫合金中常見(jiàn)的宏觀偏析（黑斑/白斑）問(wèn)題，以及使大尺寸鑄錠鑄態(tài)組織細(xì)化、均勻化等難點(diǎn)，生產(chǎn)航空優(yōu)質(zhì)級(jí)合金鑄錠。 真空凝殼熔煉l 所謂凝殼熔煉，就是在真空條件下，利用各種加熱方式（如：電弧、電子束、等離子弧等），在水冷銅坩堝和金屬熔體之間存在一層由金屬熔，坩堝.襯相當(dāng)于所熔金屬制成，坩堝表面與金屬熔體不直接接觸，杜絕坩堝材料對(duì)熔體的污染；l 作用：防止坩堝材料污染、坩堝表；l 冷坩堝是由十多根乃至數(shù)十根通水冷卻的銅管組合而成, 管間縫隙充填耐火材料絕緣, 由于對(duì)坩堝壁的強(qiáng)制冷卻, 其表面溫度足以防止熔融金屬與坩堝接觸時(shí)可能發(fā)生的任何反應(yīng)。l 在交變磁場(chǎng)中, 產(chǎn)生在冷坩堝各組合銅管截面中的感應(yīng)電流, 在相鄰兩管