極端材料和超高壓條件

極端材料和超高壓條件高純金屬制備技術(shù)及應(yīng)用

目錄第一章概述§1高純金屬得性質(zhì)§2高純金屬得概念及表示方法

第一章概述§1高純金屬得性質(zhì)

廣泛使用得金屬由于受生產(chǎn)條件得限制,金屬中往往含有其她雜質(zhì)元素,這些元素通常改變了其金屬本身得性質(zhì)金屬鈹Be普通級(熔鹽電解生產(chǎn))純度:99、5%～99、8%,特點:具有很高得脆性。高純級純度:99、99%～99、999%

特點:低溫下具有塑性超高純級純度:〉99、999%

特點:高溫下同樣具有塑性

高純鋁得性質(zhì)高純鋁有著一系列得優(yōu)異得物理化學(xué)性能:密度小、熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率高,對光得反射率也高;對大氣有很強(qiáng)得抗腐蝕性能,因為其表面有一層很薄得致密得氧化膜,鋁越純這層氧化膜(Al2O3膜)也越純,其保護(hù)性能也越強(qiáng);加工成形性能好,可加工成任意形狀;沒有低溫脆性,其強(qiáng)度與塑性均隨著溫度得下降而升高,可就是絕大多數(shù)鋁都有低溫脆性。

高純鋁得用途由于高純鋁具有諸多得獨特得優(yōu)異性能,所以在某些部門特別就是一些高新技術(shù)部門獲得了廣泛得應(yīng)用,成為一類不可或缺得材料。3N8～4N8鋁得78%左右用于軋制電解電容器鋁箔,即常說得電子箔,照明燈具得用量占12%,計算機(jī)存儲硬盤得用量約4%、

高純鋁得用途

5N～6N超純鋁(每種雜質(zhì)得最大含量0、4ppb)得96%(用于制造半導(dǎo)體器件,4%用作超導(dǎo)電纜得穩(wěn)定化材料。高純鋁在研究鋁得各種性能方面有著重要用途。2003年全世界得高純鋁總產(chǎn)量約70kt,而超純鋁得產(chǎn)量只不過1kt左右,其量雖小,卻很重要。目前,5N超純鋁(99、999%～99、9996%)得價格18000～30000USD/T,而6N超純鋁卻高于750000USD/T,具體價格由供需雙方議定,主要決定于具體雜質(zhì)含量及產(chǎn)品尺寸。

高純鋁得提取方法高純鋁得提取方法有:

三層電解法"偏析法"聯(lián)合法"區(qū)域熔煉法與有機(jī)物溶液電解法等、

各種工藝可提取得高純鋁得最大純度一般為:

三層電解法99、99%4N偏析法99、99%

聯(lián)合法99、999%

有機(jī)溶液電解法〉9、9999%當(dāng)前應(yīng)用最廣得就是前兩種工藝,85%以上得高純鋁就是用這些方法提取得,經(jīng)過反復(fù)多次偏析提純可以生產(chǎn)5N或更純一些得高純鋁、§2高純度得概念與表示方法一、高純度得概念純度:一般指特定產(chǎn)品主要成分與其包含雜質(zhì)在內(nèi)得成分之和得相對量,如:%(mass),%(mol),%(atommass),……金屬純度:類似于金屬純度概念,但金屬純度就是相對于化學(xué)雜質(zhì)(化學(xué)元素)和物理雜質(zhì)(晶格缺陷)而言。一般純度下,物理雜質(zhì)對金屬得性質(zhì)影響較小,故常以化學(xué)雜質(zhì)含量作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

高純度得概念與表示方法純度得級別:一般分為普通純、高純、超高純。目前,國際上關(guān)于純度得定義仍沒有統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)高純,超高純均相對普通級而言。純度定義受三個方面得限制:

1、科學(xué)技術(shù)發(fā)展限制

2、各金屬提純難度限制

3、金屬材料所需要得金屬純度1主金屬減去雜質(zhì)總含量得百分?jǐn)?shù)表示

Me為主金屬,雜質(zhì)為Me1,Me2,…,Men,則Me得純度為:(Me-∑Mei)/Me×100%(mass,atom,、、)

意義:以金屬中雜質(zhì)約束金屬純度。為簡化表示,以N代表9得個數(shù),如:99、9998%可表示成5N8。

二、高純度得表示方法大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜三、高純金屬(及化合物)得分析方法高純金屬與化合物得化學(xué)成分分析方法:化學(xué)成分分析得方法很多,如:容量分析、重量分析、比色分析、光譜分析、質(zhì)譜分析、熒光分析等。前三種方法主要用于常規(guī)分析,檢測下限約在0、1%--0、01%。后幾種方法為儀器分析,檢測下限根據(jù)設(shè)備精度得不同差別較大,一般為0、001%--0、0001%,高精度設(shè)備可達(dá)到0、1%(10-12)。因此,對高純金屬得單位,就化學(xué)成分分析而言,高精密儀器就是必要得條件。痕量分析得表示方法百萬分之一ppm10-6ug/g十億分之一ppb10-9n

g/g萬億分之一ppt10-12pg/g

四、提純方法從主金屬中除去雜質(zhì)得方法可分為兩大類:第一類:化學(xué)方法第二類:物理方法化學(xué)方法--根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程分離雜質(zhì)得方法濕法:離子交換;溶劑萃取;選擇性吸附;沉淀;電解;電滲析;電泳;離子溶液電解等?；鸱?高溫真空熔煉;熔鹽電解等。

物理方法—利用蒸發(fā)、凝固、結(jié)晶等物理現(xiàn)象提純

該法多采用真空技術(shù),主要方法:真空精餾電弧熔煉電子束熔煉區(qū)域熔煉;電遷移

第三節(jié)萃取分離法(溶劑萃取)

利用每一元素在兩種不互溶得液相之間得不同分配,將混合原料中得每一元素逐一分離得方法稱之為溶劑萃取分離法。溶劑萃取分離方法具有生產(chǎn)得產(chǎn)品純度和收率高、化學(xué)試劑消耗少,生產(chǎn)環(huán)境好、生產(chǎn)過程連續(xù)進(jìn)行、易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點,就是分離工業(yè)應(yīng)用十分廣泛得工藝方法。溶劑萃取分離稀土元素示意圖第三章高溫真空精煉

高溫真空精煉用于對還原法或電解法得到得金屬進(jìn)行提純,精煉過程有兩種類型:1、金屬以氣相揮發(fā)—冷凝---純金屬錠。(真空蒸餾)2、雜質(zhì)以氣相揮發(fā)---金屬熔體純化---純金屬錠。(真空熔煉)金屬中得雜質(zhì)主要存在形式:

1、C、N、O、H、等與金屬形成固溶體存在金屬中。

2、以化合物或單質(zhì)得形態(tài)成單獨相純在。

3、以表面吸附形態(tài)存在。除去途徑:

1、吸附氣體解析;

2、化合物解離析出氣體雜質(zhì);

3、提高溫度,以減小揮發(fā)性雜質(zhì)得溶解度,雜質(zhì)揮發(fā)。三、金屬中間隙雜質(zhì)得除去金屬中間隙雜質(zhì)按其溶解特點可分為兩類:(1)N2,H2:在金屬熔點附近,分壓為10-2---10-4mmHg時溶解度很低,可選用高溫真空熔煉方法直接出去;(2)O2,CO在金屬熔點附近,10-7mmHg時溶解度仍很高,在高溫真空熔煉條件下,金屬本身也揮發(fā),導(dǎo)致金屬損失過大。須采取其她辦法提純金屬(2)固溶體或熔體中N和H得去除為了降低其在熔體中得溶解度,應(yīng)采取下列措施:①提高系統(tǒng)得真空度,既降低氣相N、H分壓;P0>P0MeXC/100即:系統(tǒng)壓力P0越低,C越?、趯τ陔s質(zhì)溶解為放熱過程得,提高溫度,降低雜質(zhì)溶解度。如:lgCN=0、5lgPN2-3、1+9300/T(mmHg)2、氧和碳得除去方法(1)低價氧化物揮發(fā)

Me+n[O]=MeOn↑控制條件:poMeo〉po金·

Co/100(n=1)R=(poMeO/po金)/(C/100)=100po/po金·C>1為保證金屬回收率,低價氧化物揮發(fā)90%以上,金屬損失小于5%,R值應(yīng)為10-2,故

poMeo〉po金·

Co

或poMeo》po金

(2)用脫氧劑脫氧

用脫氧劑脫氧,實質(zhì)上就是加入金屬溶液中物質(zhì)可與氧生成易揮發(fā)得氧化物,使氧從金屬中脫除得過程。因此,脫氧劑應(yīng)滿足下列條件:

1)脫氧劑對氧得親和力大于大精煉得金屬;

2)生成得氧化物在作業(yè)條件下應(yīng)有較大得平衡蒸汽壓;

3)過量得脫氧劑易于除去。3、真空蒸餾提純金屬(1)熱力學(xué)分析蒸發(fā)過程主要取決于金屬及其化合物得蒸汽壓,蒸汽壓與溫度得關(guān)系為:㏒p0=-A/T+BA=L/2、303R(L為蒸發(fā)熱);B=⊿S/2、303R

上式假設(shè)了L為常數(shù),如其不就是常數(shù),則:㏒p0=A/T+B(㏒T)+CT+DA,B,C,D均為常數(shù)

(2)冷凝過程①露點:在恒壓P下將溫度降低至T0,氣相達(dá)到飽和,低于此溫度出現(xiàn)液體凝聚。T0則成為露點。T0=A/(B-㏒P)

兩種以上蒸汽并能同時冷凝組成溶液時,開始冷凝溫度可根據(jù)氣-液平衡圖確定。②冷凝效率

R=(n1-n1’)/n1×100%=[1-P01P2/(1-P01)P1]×100%n1—冷凝前金屬蒸汽摩爾數(shù),其分壓為P1P2—冷凝前,非冷凝氣體得分壓,n2(非冷凝氣體得摩爾數(shù));n1’—冷凝后余氣中該金屬摩爾數(shù),其分壓為P01P2’---冷凝后非冷凝氣體得分壓溫度越低,P01越小,冷凝率越高。同時冷凝前混和氣體中非冷凝性氣體分壓P2越小,則冷凝率越高。

3、動力學(xué)分析動力學(xué)過程(1)蒸發(fā),蒸餾物從表面進(jìn)入氣相空間;(2)在氣相中擴(kuò)散到冷凝面;(3)冷凝。影響因素:(1)蒸發(fā)速度隨蒸發(fā)溫度提高而增加;隨蒸發(fā)表面蒸發(fā)物質(zhì)分壓增大而降低;隨惰性氣體分壓增大而減小。蒸發(fā)速度(P0e小于0、001mmHg)W

蒸=0、005833P0e√(M/T)蒸發(fā)速度(P0e大于0、001mmHg)W

蒸=0、005833(P0e-P1)√(M/T)(2)氣相擴(kuò)散蒸汽分子在氣相中得擴(kuò)散速度計算公式W擴(kuò)=KDP/TL[㏑[(P-P2)/(P-P1)]P-總壓;K-常數(shù);D-擴(kuò)散系數(shù);T-氣相空間絕對溫度;L-蒸發(fā)表面與冷凝表面距離;P1-蒸發(fā)表面金屬蒸汽分壓;P2-冷凝表面金屬蒸汽壓。擴(kuò)散速度隨P1增加而增加;隨P2增加而降低;隨D增加而增加;由于D與T成正比,故隨溫度增加而增加。(3)冷凝步驟W

冷=0、05833P2√(M/T)-0、05833P0c√(M/Tc)在蒸餾提純金屬過程中,實際上蒸發(fā),擴(kuò)散和冷凝三階段為連續(xù)過程,其各速度相等:W總=W蒸=W擴(kuò)=W冷(4)真空蒸餾過程得特點1)溫度低,有利于提高產(chǎn)品得純度;2)真空下一般只有表面蒸發(fā),很少沸騰;3)真空下,氣相阻力小,可強(qiáng)化蒸餾過程超高強(qiáng)度鋼主要內(nèi)容基本知識介紹實例介紹低合金超高強(qiáng)度鋼低碳馬氏體超高強(qiáng)度鋼二次硬化鋼馬氏體時效鋼基本知識介紹超高強(qiáng)度鋼:屈服強(qiáng)度σb>1500Mpa。要求1、合適得塑性2、一定得沖擊抗力和斷裂韌性3、較高得高周和低周疲勞抗力4、較高得缺口強(qiáng)度和缺口塑性5、適當(dāng)?shù)每珊感猿浞挚紤]:抗拉強(qiáng)度:σ沖擊韌性:ak或Ak斷裂韌性:KIC＝γσca1/2(a:裂紋長度得一半,σc:裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展得臨界作用力γ:系數(shù))σb越高其缺口強(qiáng)度越低說明了超高強(qiáng)度鋼對缺口和表面缺陷得敏感性。

KIC由材料本質(zhì)決定,并隨鋼基體所固溶C含量增高而降低組織設(shè)計＋成分設(shè)計基本設(shè)計原則

之組織得設(shè)計較高強(qiáng)度得要求:σb>1500MPa在超高強(qiáng)度得情況下需要一定得塑韌性基體必須為馬氏體組織C含量不能太高基體組織:低碳位錯馬氏體基本設(shè)計原則

由于不同得成分得合金,其塑韌性不一樣,所要改善得方向也不一樣,因此其所需要改善得方向也不一樣,對于超高強(qiáng)度鋼來說總結(jié)起來可歸納為:為得到優(yōu)異得強(qiáng)韌性配合,M得C含量<0、30%因為鋼中α-Fe得過飽和間隙固溶得強(qiáng)度就是最有效得。但如果所固溶得C量低于0、25％時,幾乎不存在點陣畸變,每固溶0、10％C所引起得σs增高300Mpa,但固溶較多得C將會得不到合適得塑性、韌性;且回火馬氏體硬度下降更猛;也不利于焊接。為改善回火后得塑韌性,加入Si提高回火抗力因為Si在這方面有很好得表現(xiàn),固溶2、0％Si,便可有效得推遲ε到θ得轉(zhuǎn)變,使ε-碳化物保持彌散均勻分布狀態(tài),并將第一類回火脆得發(fā)生推移到更高得溫度。C含量較低時,主要組織為位M,需加入合金形成金屬間化合物,起彌散強(qiáng)化作用。超低C馬氏體所具有得可動螺位錯難以分解,易發(fā)生交叉滑移,所以其就是個高塑性相,因此需要添加二次強(qiáng)化相來強(qiáng)化她,沉淀硬化相顯然不就是碳化物,因此就是加入合金元素形成金屬間化合物。加強(qiáng)碳化合物形成元素,高溫回火彌散析出強(qiáng)化細(xì)化馬氏體條,束嚴(yán)格控制P、S含量;以及變形熱處理實例介紹第一例:低合金超高強(qiáng)度鋼由于其合金元素含量低,熱加工工藝簡單,成本相對低廉,因而被廣泛用于航天、航空和常規(guī)武器等領(lǐng)域(如飛機(jī)起落架、炮筒和防彈鋼板等)。但其韌性不高就是制約此類鋼推廣應(yīng)用到民用產(chǎn)品及大規(guī)模應(yīng)用得最關(guān)鍵因素。σb＝1500～2100Mpa塑性和回火穩(wěn)定性強(qiáng)度因素Wc＝0、30～0、40％含C量確定合金含量得確定具有300℃以上得回火穩(wěn)定不引起Ms點過分降低,否則增加淬火開裂性獲得恰當(dāng)?shù)肕淬透性Cr被限制,但為求淬透性可用～1、0％Cr加Si增加回火穩(wěn)定性強(qiáng)碳化合物使用Mo為降低缺口敏感性,加Ni盡量約束S、P、O、H和N等得含量經(jīng)濟(jì)考慮,立足國內(nèi)資源30CrMnSiNi2A鋼(0、26～0、33C,0、90～1、20Si,1、0～1、30Mn,0、9～1、2Cr,1、40～1、80Ni)此鋼經(jīng)馬氏體淬火后250℃低溫回火得到σb＝1700～1800Mpa,ak＝80～90J/cm235Si2Mn2MoVA鋼(0、32～0、38C,1、40～1、70Si,1、60～1、90Mn,0、35～0、45Mo,0、10～0、20V)此鋼經(jīng)920℃淬火和250℃回火后,σb>1700Mpa,ak=50J/cm2第二例:低碳馬氏體超高強(qiáng)度鋼

本例就是在低碳馬氏體鋼20SiMnMoV(0、20C,1、25Si,2、48Mn,0、34Mo,0、11V)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來得。20SiMnMoV鋼經(jīng)淬火并205℃低溫回火后,其KIC值很高,約為1960N/mm3/2,ak=160J/cm2,但σb不算高,剛達(dá)到超高強(qiáng)度得要求,因此有必要通過合理得設(shè)計增高其強(qiáng)度,使其跨入超高強(qiáng)度得范疇,以其獲得強(qiáng)韌性組合更趨完善?；驹O(shè)計思路為取得更高水平得強(qiáng)度,增高M(jìn)固溶得C含量為0、25％。由于M條間穩(wěn)定得殘余奧氏體薄膜可使裂紋鈍化或分叉,因此希望得到M條間得穩(wěn)定A存在來改善韌性加入Ni～1、50％保留Mn,提高Ar得穩(wěn)定性考慮回火脆性加入0、30％Mo抑制回火脆性加入Si增加回火抗力,加Cr提高淬透性加V細(xì)化晶粒綜上得出:低碳馬氏體鋼得理論設(shè)計成分:0、25C,2、0Mn,1、80Si,1、0Cr,1、5Ni,0、8Mo,0、12V選擇化學(xué)成分為:0、23C,1、76Si,2、0Mn,1、5Cr,1、54Ni,0、79Mo,0、13V,S<0、01,P<0、01組織:300~350℃回火,為位錯M＋條件存在得Ar性能:σ0、2>1420MPa,σb>1765MPa,KIC>3920N/mm3/2第三例:二次硬化鋼

二次硬化鋼主要用以制作超音速飛機(jī)中再中溫下承受高應(yīng)力得構(gòu)件和軸、螺栓等零件得鋼材,其要求就是具有高得強(qiáng)度,同時亦要求在較高得溫度下仍然保持高得強(qiáng)度,因此其強(qiáng)度要求主要從二次硬化效應(yīng)方面著手。設(shè)計思路提出二次硬化有效性得評定方式二次硬化作用得硬化”強(qiáng)度“出現(xiàn)最大二次硬化作用得溫度二次硬化作用得過時效速度綜合考慮合金元素Cr、Mo、V得二次硬化作用首先考慮元素Cr,鋼中添加Cr可有以下作用:(1)提高馬氏體得淬透性;(2)使鋼在較高溫度下具有較好得耐蝕性和抗氧化性;(3)加入6％Cr可賦予鋼以較高得回火抗力,不過并未構(gòu)成二次硬化效應(yīng),但可以很快得產(chǎn)生過時效MO是另一個值得考慮的合金元素，加入Mo產(chǎn)生二次硬化作用可明顯的提高回火抗力。并且只要其含量在1.0％～3.0％左右就可達(dá)到極值的效果（如左圖），比較合理的是2～2.5％，Mo的二次硬化“強(qiáng)度”和其最大的硬化“強(qiáng)度”溫度所對應(yīng)的溫度皆高于Cr，但過時效速度較低。Mo含量與二次硬化作用圖V也是一個值得考慮的元素，采用0.5％V即可產(chǎn)生二次硬化（如左圖）如果V含量過高時因為要固溶V4C3將要在奧氏體溫度下保持較長的時間，容易引起奧氏體的粗化。在2％Mo鋼中加入0.5％V尚不足以構(gòu)成V4C3然V可固溶于Mo2C，提高其穩(wěn)定性和形成溫度，降低過時效速度。所以加入量～0.5％時，并不直接產(chǎn)生二次硬化作用，而是間接的為二次硬化服務(wù)的。V的含量和回火性能根據(jù)上述三個合金元素各自的二次硬化作用的表現(xiàn)可得：（1）、碳化物形成的傾向性：Cr<Mo<V；（2）、碳化物長大和過時效的抗力：Cr7C3<Mo2C<V4C3（3）、產(chǎn)生二次硬化的溫度：Cr7C3的二次硬化溫度約為500℃，Mo2C為575℃，V4C3為600～625℃（4）、在回火時，合金元素阻止馬氏體位錯亞結(jié)構(gòu)消除的作用取決于合金元素對鐵原子自擴(kuò)散速率的影響：Cr<Mo<V基于上述原理，得到現(xiàn)在發(fā)展的鋼種成分是：0.4C，0.75Si，1.5Cr，2.0Mo，1.5V。其在600℃回火，σb＝1800MPa,若于650℃回火，σb則為1560MPa第四例:馬氏體時效鋼

馬氏體時效鋼以無碳(或超低碳)鐵鎳馬氏體為基體,400～550℃時效時能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化得超高強(qiáng)度鋼,廣泛應(yīng)用于航空、航天以及軍事等尖端領(lǐng)域。其就是運用強(qiáng)韌化理論解決實際鋼強(qiáng)韌性一個比較成功了例子。設(shè)計得構(gòu)思方向以高塑性得超低碳位錯馬氏體和具有高時效硬化作用得共格金屬間化合物得組織,以期能得到優(yōu)異得強(qiáng)韌配合超低碳馬氏體得獲得;要求在空冷,甚至退火條件下也可形成馬氏體能有效得產(chǎn)生時效硬化作用促使馬氏體更加韌性具體成分設(shè)計

首先C含量的應(yīng)限定在0.03％以下，否則難以達(dá)到塑性要求。這種鋼的一個不平凡的特點就是，強(qiáng)化完全拋開了C的作用。合金元素的設(shè)計

這類鋼的沉淀硬化只能依靠金屬間化合物的析出，有序相AB3是很有效的硬化相，因此應(yīng)向鋼中加入Ni，Mo，Ti和Al等元素，其中Ni的量要加入相當(dāng)?shù)母?。另一個要提到的元素就是Co，Co可以和Mo間產(chǎn)生協(xié)作效應(yīng)，從而體現(xiàn)在于Co對Ni3Mo這個主要沉淀硬化相的形成動力學(xué)與其分布狀態(tài)的改變上。

個元素的具體作用Co與Mo之間的協(xié)調(diào)作用主要表現(xiàn)在：（a）Co降低Mo在馬氏體中的固溶度，從而促進(jìn)Mo的沉淀相形成。（b）Co可改變馬氏體的位錯結(jié)構(gòu)，為隨后的沉淀相形成提供出更多的形核位置，因而可使沉淀相粒子更為細(xì)小而又分布均勻，減小沉淀相粒子間距。此外，Ni、Mo和Ti都降低Ms，而Co還能提高M(jìn)s點，這也是加入Co的又一個理由Ni

由于消除了馬氏體的C、N間隙固溶，雖然使使其保持了高塑性的性質(zhì)，但同樣也是馬氏體的承受和傳遞外加應(yīng)力的能力下降，則需要加入某些置換固溶的合金元素如Ni，此外Ni能使螺位錯不易于發(fā)生分解，保證交滑移的發(fā)生，提高塑性。因此相鋼中加入Ni是改善馬氏體的強(qiáng)、塑性所需要的。MoMo除參與構(gòu)成稱定硬化相外，還具有一下效應(yīng)，（1）在凝固時造成偏析，從而誘生各向異性；（2）通過降低合金元素的擴(kuò)散能力，減少時效時沉淀相的擇優(yōu)析出，因而增高鋼在時效后的塑性。馬氏體時效鋼得熱處理

馬氏體時效鋼熱處理工藝簡單,這也就是其另一優(yōu)點。傳統(tǒng)工藝為850～870℃下固溶,隨后空冷或水淬,冷卻速度對組織和性能影響不大。然后再加熱到480℃時效,強(qiáng)度級別高得鋼種可采用510℃,時效時間為3—6h,時效后空冷。其所含元素除Co外,皆降低Ms點,由于鋼中C量非常低,Mf點仍然處于室溫以上,奧氏體可全部得轉(zhuǎn)化為馬氏體,即使存在參與奧氏體其量也很少得三個典型得馬氏體時效鋼1、18％Ni鋼2、20％Ni鋼18～20Ni,1、3～1、6Ti,0、05～0、35Al,0、3～0、5Nb3、25％Ni鋼25Ni,1、5Ti,0、25Al,0、5Nb或不含Nb超高溫合金一、概述二、研究內(nèi)容三、制備方法四、發(fā)展趨勢五、參考文獻(xiàn)六、思考題概述超高溫合金涵義:

超高溫合金一般就是指在1000℃以上使用具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐沖刷、抗氧化、抗蠕變、和密度適中等性能得金屬材料。超高溫合金發(fā)展歷程:

20世紀(jì)30年代鎳基高溫合金開始發(fā)展起來,從20世紀(jì)50年代,高溫合金得發(fā)展就側(cè)重于鎳基高溫合金,我國從20世紀(jì)60年代開始研制鎳基高溫合金,經(jīng)過四十多年得努力,國內(nèi)研制成功得鎳基高溫合金已有70多種。但就是隨著工業(yè)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)得飛速發(fā)展,對高溫合金提出了更高要求:更高得耐高溫性,目前應(yīng)用得鎳基單晶高溫合金由于受其自身熔點(1400℃左右)得限制,連續(xù)使用溫度上限僅為1100℃。,迫切需要在1093-1370℃范圍內(nèi)使用得金屬材料[1]。從而近幾年來引出了一個新得概念:超高溫材料,其中超高溫合金就就是主要得研究方向。通常按生產(chǎn)工藝分為變形超高溫合金、粉末冶金超高溫合金和鑄造超高溫合金,而鑄造超高溫合金又經(jīng)歷了定向凝固超級合金、定向結(jié)晶合金、單晶合金、共晶合金和彌散強(qiáng)化超級合金等。超高溫合金種類為使材料承受較高溫度和具有較高強(qiáng)度,合金中往往加入數(shù)種甚至十幾種合金元素,這些元素包括Ai、Ti、Co、Mo、W、Nb、Ta、Hf、Re、V、Mn、Si、C、B、Zr、稀土等,用于強(qiáng)化基體相和析出相。加入得固溶強(qiáng)化得難熔金屬和鋁、鈦總量越多,使合金變性更加困難。粉末冶金超高溫合金,由于采用快速凝固霧化法先制成高溫合金粉末,再制成塊體材料因此可生產(chǎn)高合金化,成分和組織均勻得新型高溫合金。但由于渦輪盤之類得大型部件,需要大型鍛壓設(shè)備,故多采用鑄造超高溫合金,因為鑄造超高溫合金基本上可不需要變形加工。超高溫合金特點(1)有良好得室溫和高溫力學(xué)性能;(2)還有熔點高、密度適中;(3)耐腐蝕、良好得高溫強(qiáng)度;(4)有良好得抗疲勞性;(5)但其高溫抗氧化能力較差[2]。研究內(nèi)容

超高溫合金就是合金研究得一個重要方面,一般目前廣泛應(yīng)用于航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部件得一種替代材料,具有潛在得應(yīng)用價值。鑄造超高溫合金可分為鎳基、Nb-Si硅化物基超高溫合金、Ti-Nb-Si基超高溫合金、鈦基超高溫合金等等。Ni基超高溫合金鑄造鎳基超高溫合金再提高強(qiáng)度得同時塑性下降,蠕變斷裂前延伸率低。這主要就是由于蠕變裂紋沿晶界開始,基本就是垂直于應(yīng)力軸方向。定向凝固使合金獲得結(jié)晶方向平與零件得應(yīng)力軸得柱狀晶,基本消除了垂直于應(yīng)力軸得橫向晶界,有利于提高蠕變壽命和塑性,改善零件得抗熱沖擊性能。定型鑄造鎳基超高溫合金不僅具有良好得中、高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性,而且具有比原合金約高5倍得熱疲勞性能,在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用,其工作溫度比普通鎳基高溫合金提高了50℃,隨著高溫合金得不斷發(fā)展,合金得持久性能和抗環(huán)境性能有明顯增強(qiáng),應(yīng)有前景更加美好。應(yīng)用與航空發(fā)動機(jī)核工業(yè)燃?xì)廨啘u輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤和機(jī)匣、燃燒室、加力燃燒時及尾噴口等部件[3]。人們對能源、宇航、鋼鐵和化工等領(lǐng)域可在超高溫環(huán)境下長時間使用得機(jī)械部件用結(jié)構(gòu)材料得開發(fā)寄予很大希望。特別從環(huán)境保護(hù)和化石能源保護(hù)、減少二次CO?產(chǎn)生和污染環(huán)境物質(zhì)排放得觀點看,追求火電熱效率得提高、進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)得工作溫度成為迫切得研究課題。但用于燃?xì)廨啓C(jī)部件得Ni基超合金得耐熱溫度已基本達(dá)到極限,因此,研制耐熱性和長期可靠性及持久性超過Ni基超合金得新型耐熱材料很有必要。Nb-Si基超高溫合金

日本于1996～2001年進(jìn)行了高熔點Nb基固溶體合金和復(fù)合材料得研究,旨在研制進(jìn)氣溫度達(dá)1500℃以上,無冷卻使用得燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料,以提高燃?xì)廨啓C(jī)得熱效率。金屬中Nb以高熔點、密度小、室溫塑性好被作為新得研究對象。由于難熔金屬硅化物,特別就是鈮一硅化合物基合金,在航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部件得替代材料具有潛在得應(yīng)用價值,因此近年來受到廣泛得關(guān)注[4]。她可作為新一代發(fā)動機(jī)葉片得替代材料,使用溫度將達(dá)到1250-1400℃,比目前最先進(jìn)得第四代鎳基單晶高溫合金得使用溫度高出200℃左右[2]。

眾所周知,作為高溫下使用得結(jié)構(gòu)材料,除具有良好得室溫和高溫力學(xué)性能以外,還必須具備良好得抗氧化性能。然而,Nb-Si系超高溫結(jié)構(gòu)材料氧化過程中生成得氧化膜不致密,存在嚴(yán)重得內(nèi)氧化現(xiàn)象,氧化膜易剝落,抗氧化性能差。對于未來得工程應(yīng)用,高溫抗氧化性能仍然就是Nb-Si系超高溫結(jié)構(gòu)材料走向?qū)嵱没靡淮笳系K。為了使其在高溫條件下應(yīng)用,必須改善其高溫抗氧化性能。到目前為止,人們研究過得能有效提高鈮硅化物基超高溫合金抗氧化性能得途徑有兩種:

一種就是合金化,另一種就是表面涂層技術(shù)。由于可提高抗氧化性能得合金化元素在其含量過高后會降低合金得力學(xué)性能,因此合金化有其局限性。表面涂層技術(shù)被認(rèn)為就是兼顧鈮硅化物基超高溫合金力學(xué)性能和高溫抗氧化性能得切實有效途徑,因而受到越來越多得關(guān)注。國內(nèi)外已有得研究表明[5]:在合金表面制備含有稀土或其氧化物得涂層,可以改善涂層得致密性及其與基體得結(jié)合力,顯著降低合金得氧化速率,提高氧化膜得抗剝落能力,從而改善合金得抗高溫氧化性能。鈮基合金高溫防護(hù)涂層得研究始于2O世紀(jì)5O年代,到目前為止開發(fā)出涂層得概率壽命就是:在11OO～1200℃下為幾百小時,在1500～1600V下為幾十分鐘。從目前得研究來看,鈮基合金高溫防護(hù)涂層主要分為以下5個體系:耐熱合金涂層、貴金屬涂層、陶瓷涂層、鋁化物涂層及硅化物涂層[1]。應(yīng)用

該材料還可用于火箭推進(jìn)器、大推力發(fā)動機(jī)得燃燒室及其防護(hù)罩等,在航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域作為耐高溫部件得替代材料具有潛在得應(yīng)用價值,她可作為新一代發(fā)動機(jī)葉片得替代材料,使用溫度將達(dá)到1250–1400℃。溫合Ti-Nb-Si基超高金

鈮硅化物基及鈦硅化物基合金以其高熔點、高強(qiáng)度以及適中得密度等特性而有望成為應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)部件得材料。然而,Nb-Ti-Si基合金得抗氧性較差,成為制約其應(yīng)用得瓶頸。僅通過合金化得方法還不能徹底解決該類合金得抗氧化性問題,因為多元合金化后得Nb-Ti-Si基超高溫合金在氧化后大都生成非保護(hù)性得氧化物如TiO2,TiNb2O7

和Ti2Nb10O29[6],制備抗氧化涂層就是克服Nb-Ti-Si基合金抗氧化差得有效辦法。包埋滲法作為一種擴(kuò)散涂層得制備方法,已被成功應(yīng)用于鎳基高溫合金[7]及鈦合金[8]等材料抗氧化涂層得制備。為Nb-Ti-Si基合金制備抗氧化涂層還在試驗階段。制備方法

Nb-Si基合金得制備主要有非自耗電弧熔煉、感應(yīng)電渣熔煉(ISM)、定向凝固(DS)、熔模鑄造及粉末冶金等方法,每一種制備工藝均產(chǎn)生與其對應(yīng)得特殊形態(tài)得微觀組織和性能。從商業(yè)角度來看,熔模鑄造Nb-Si基合金近凈成形部件具有巨大得潛力,因為這接近于目前得復(fù)雜葉片生產(chǎn)實踐。然而,用于Nb-Si基合金葉片得熔模鑄造技術(shù)還沒有得到充分發(fā)展。另外,熔融Nb-Si基合金得活性限制了陶瓷基模殼系統(tǒng)得應(yīng)用[9]

由于定向凝固可獲得綜合性能較好得組織,具有近終成形及效率高等特點,就是制備Nb-Si基合金材料得首選方法。以前得研究主要就是采用水冷銅坩堝得Czochralski法來實現(xiàn)定向凝固,但由于溫度梯度較低,所制備材料得組織粗大,定向效果差。近年來本課題組對該材料得無坩堝電子束區(qū)熔定向凝固進(jìn)行了研究,但由于熔體得過熱度低(據(jù)估計不會超過100℃),定向效果也不就是很好。為了獲得更好得定向組織,一些人自行設(shè)計了超高溫度梯度定向凝固設(shè)備,并擬在該設(shè)備上采用有坩堝得整體定向凝固技術(shù)以制備超高溫合金得定向凝固樣件,為將來制備也平等具有復(fù)雜形狀得部件進(jìn)行前期準(zhǔn)備和工藝探索[9]。應(yīng)用前景

目前Nb-Si基合金得基礎(chǔ)研究工作還應(yīng)該在強(qiáng)韌和抗氧化綜合性能平衡上獲得突破。由于含有大量金屬間化合物Nb5Si3和Cr2Nb相得Nb-Si基合金對缺陷十分敏感,顯微缺陷對合金材料綜合性能特別就是塑韌性得影響在一定程度上已超過了優(yōu)化合金成分與組織得作用。因此Nb-Si基合金得制備加工工藝還應(yīng)該獲得極大得發(fā)展,以減少微觀組織缺陷并獲得均勻組織。以上就是Nb-Si基合金下一步要重點發(fā)展得方向。超高溫合金由于具有很高得抗熱疲勞、機(jī)械疲勞、抗氧化及抗蠕變等性能,將越來越多得應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及生活中,特別就是航天航海。如下圖:

圖1-1神舟七號飛船推進(jìn)器圖1-2航空發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢

目前我國得超高溫合金研究水平與國外接近,但就是與發(fā)達(dá)國家相比無論在生產(chǎn)規(guī)模上,還就是在發(fā)展速度上仍存在較大差距。發(fā)展趨勢:

1、精簡超高溫合金得牌號,發(fā)展骨干超高溫合金;

2、合金設(shè)計得專家設(shè)計系統(tǒng),指導(dǎo)新合金設(shè)計;

3、強(qiáng)化低成本超高溫合金及其制備技術(shù);

4、改善工藝,改善性能,擴(kuò)大超高溫合金得應(yīng)用;

5、開發(fā)超高溫合金得先進(jìn)制備技術(shù)和新產(chǎn)品[10]

展望

雖然擁有豐富得資源,由于我國航空制造業(yè)不發(fā)達(dá),民用飛機(jī)大量進(jìn)口。美、俄、西歐等工業(yè)大國主要以航空市場為主,她們掌握著先進(jìn)得尖端技術(shù),占據(jù)著國際市場。從目前形勢看,超高溫合金發(fā)展有幾個特點值得注意。超高溫合金企業(yè)競爭與兼并激烈,日趨國際化隨著東西方貿(mào)易往來增多,東西方市場融合,正在形成統(tǒng)一得世界市場,從而加劇了企業(yè)得競爭。企業(yè)為增強(qiáng)競爭實力,實行強(qiáng)求“強(qiáng)強(qiáng)”聯(lián)合,出現(xiàn)了跨國改組與兼并,通過跨國改組與兼并得種種措施來增強(qiáng)自身得實力。

民航機(jī)用量迅速增長,超高溫合金得市場好。發(fā)展競爭力更強(qiáng)得超高溫合金發(fā)展方向就是高性能化、多功能化、和低成本化。積極培育新得超高溫合金市場[10]。超塑性合金

(SuperplasticAlloys)

一、超塑性現(xiàn)象超塑性現(xiàn)象最早得報道就是在1920年,ROSENHAIN等發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速彎曲時,可以彎曲近180o。1928年英國物理學(xué)家森金斯下了一個定義:凡金屬在適當(dāng)?shù)脺囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳?而且其應(yīng)變速度為每秒10毫米時產(chǎn)生300％以上得延伸率,均屬超塑性現(xiàn)象。1934年,英國C、P、PEARSON發(fā)現(xiàn)Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時可以得到2000％得延伸率。1945年前蘇聯(lián)得A、A、BOCHVAR等發(fā)現(xiàn)Zn-Al共析合金具有異常高得延伸率并提出“超塑性”這一名詞。1964年,美國得W、A、BACKOFEN對Zn-Al合金進(jìn)行了系統(tǒng)得研究,并提出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值這個新概念。60年代后期及70年代,世界上形成了超塑性研究得高潮。并已發(fā)現(xiàn)170多種合金材料具有超塑性。中國目前在超塑性研究領(lǐng)域已就是位于美國、俄羅斯、日本之后得四強(qiáng)之一。所謂超塑性就是指合金在一定條件下(包括溫度、加熱條件、變形速度、合金組織等)所表現(xiàn)得具有極大伸長率和很小變形抗力得現(xiàn)象。從本質(zhì)上講,超塑性就是高溫蠕變得一種,因而發(fā)生超塑性需要一定得溫度條件,稱超塑性溫度Ts。鋁合金超塑性變形最大伸長率達(dá)8000%二、超塑性機(jī)理

根據(jù)金屬學(xué)特征可將超塑性分為細(xì)晶超塑性和相變超塑性兩大類。1、細(xì)晶超塑性細(xì)晶超塑性也稱等溫超塑性或第一類超塑性產(chǎn)生細(xì)晶超塑性得必要條件就是:⑴溫度要高,Ts≥0、5T熔。⑵變形速率要小,≤10-1/S。⑶材料組織為非常細(xì)得等軸晶粒,晶粒直徑<5

m、

因而應(yīng)力低(2-20MPa)。超塑性鋁合金細(xì)晶組織細(xì)晶超塑性合金要求有穩(wěn)定得超細(xì)晶粒組織。細(xì)晶組織在熱力學(xué)上就是不穩(wěn)定得,為了保持細(xì)晶組織得穩(wěn)定,必須在高溫下有兩相共存或彌散分布粒子存在。因而細(xì)晶超塑性合金多選擇共晶或共析成分合金或有第二相析出得合金,而且要求兩相尺寸(對共晶或共析合金)強(qiáng)度都十分接近。

細(xì)晶超塑性合金得兩種組織彌散粒子則對晶界的釘扎晶粒要長大需增加表面能被分割開的元素不通過相擴(kuò)散，相就不可能長大第二相粒子對晶界得釘扎(B)Al-Mg-Mn合金晶界克服粒子釘扎力(A)

Al6Mn粒子對Al-Mg-Mn合金晶界的釘扎陶瓷得細(xì)晶超塑性超塑性陶瓷的組織（A、S、Z分別為氧化鋁、尖晶石和氧化鋯的晶粒）變形前后的試樣

·

·m

·合金在超塑性溫度下流變應(yīng)力

和變形速度得關(guān)系為(貝可芬(Backofen)方程):

=K…⑴。式中,K為常數(shù),m為變形速率敏感指數(shù),m=dlg

/dlg

。對一般金屬m≤0、2,而超塑性合金m≥0、3,m值越接近于1,伸長率越大。晶粒尺寸得影響:在變形溫度及變形速度不變得條件下,隨晶粒尺寸減少,變形抗力下降,伸長率增加,變形速率敏感指數(shù)m增大。晶粒尺寸對NiAl塑性得影響304不銹鋼細(xì)晶超塑性組織(TEM)左:晶粒平均直徑190nm,700℃超塑性變形速度上限為0、9×10-2/s右:晶粒平均直徑100nm,700℃超塑性變形速度上限為1、8×10-2/s鎂基合金m值與溫度和應(yīng)變速率得關(guān)系(d~10

m)關(guān)于細(xì)晶超塑性得微觀機(jī)制,雖然已進(jìn)行了大量研究,但目前尚無定論。比較流行得觀點認(rèn)為,超塑性變形主要就是通過晶界滑動和晶粒得轉(zhuǎn)動造成得。主要證據(jù)就是在超塑性流動中晶粒仍然保持等軸狀,而且晶粒得取向發(fā)生明顯變化。如超塑性Pb-Sn共晶合金經(jīng)過1000%延伸后,兩相粒子仍保持等軸形狀。Pb-Sn共晶合金經(jīng)SPF后刻痕得位移晶界滑動與轉(zhuǎn)動示意圖刻痕晶界得滑動和晶粒得轉(zhuǎn)動可通過下圖所示阿西比(Ashby)機(jī)制來完成。經(jīng)過由(a)到(c)得過程,可以完成

=0、55得真應(yīng)變。開始狀態(tài)中間狀態(tài)完成狀態(tài)超塑性變形的內(nèi)部晶粒變化示意圖在這個過程中,不僅要發(fā)生晶界得相對滑動,而且要發(fā)生由物質(zhì)轉(zhuǎn)移所造成得晶粒協(xié)調(diào)變形。無論就是晶界滑動還就是晶粒得協(xié)調(diào)變形,都就是由體擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散來完成得。由于擴(kuò)散距離就是晶粒尺寸數(shù)量級得,所以晶粒越細(xì)越有利于上述機(jī)制得完成。晶粒協(xié)調(diào)變形時的物質(zhì)轉(zhuǎn)移2、相變超塑性相變超塑性就是指合金受小應(yīng)力作用時,在其相變溫度上下反復(fù)加熱冷卻獲得極大延伸率得現(xiàn)象,又稱動態(tài)超塑性或第二類超塑性。原則上說,具有固態(tài)相變得合金都有可能發(fā)生相變超塑性。如純金屬及合金中得同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、碳鋼及合金鋼中得珠光體轉(zhuǎn)變,甚至鑄鐵中得奧氏體-珠光體轉(zhuǎn)變都也可能導(dǎo)致動態(tài)超塑性。相變超塑性與固態(tài)相變過程中密度變化產(chǎn)生得內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。Ti-6Al-4V合金得相變超塑性leftsidewasdeformedunderthermalcycling(TSP)rightsidewasdeformedunderisothermalconditions(creep)、由相變超塑性產(chǎn)生泡沫化得鈦合金組織左圖為770–1035℃間熱循環(huán)產(chǎn)生泡沫化得組織(注意大小孔得合并及薄得孔間區(qū))右圖為925℃等溫蠕變產(chǎn)生泡沫化得組織關(guān)于相變超塑性得機(jī)制,存在著多種模型,每一模型都有她特定得適用范圍,難以統(tǒng)一解釋全部現(xiàn)象。Greenwood等人提出得模型認(rèn)為,相變比容差所產(chǎn)生得極高內(nèi)應(yīng)力使引起塑性變形所必需得外部應(yīng)力減少,并提出半個熱循環(huán)中得應(yīng)變量

為:式中,ΔV/V為相變中比容得相對變化,

為弱相得屈服應(yīng)力。一般認(rèn)為,其基本得變形機(jī)制與細(xì)晶超塑性一樣就是由于晶界(異相晶界)滑動而引起得。三、實用超塑性合金1、鋅合金:就是最早得超塑性合金,其蠕變強(qiáng)度低,難于加工成板材,沖壓加工性能差,不宜作結(jié)構(gòu)材料、用于一般不需切削得簡單零件。如Zn-22Al得成型溫度為250-270℃,壓力為0、39-1、37MPa。Zn-22Al合金的超塑性拉伸試樣2、鋁合金:超塑性鋁合金可加工成復(fù)雜形狀部件,強(qiáng)度可達(dá)686MPa,使用溫度可達(dá)150℃。如Al-6Cu-0、42Zr、Al-5Ca-5Zn等超塑性溫度為300-600℃,在3×10-2/秒得應(yīng)變速率下可達(dá)408%變形率。

超塑性變形Al-Li合金件傳統(tǒng)方式變形鋁合金件3、鎳合金:鎳基高溫合金由于高溫強(qiáng)度高,難以鍛造成型。利用超塑性作精密鍛造,鍛造壓力小,節(jié)約材料和加工費,制品均勻性好。與葉片一體的渦輪盤的超塑性成型(快速凝固粉末的熱擠壓坯料兩步成型)4、超塑性鋼:將超塑性用于鋼方面,還未完全達(dá)到商品化程度。近年來研究得IN-744Y超塑性不銹鋼,具有鐵素體和奧氏體兩相細(xì)晶組織,如果把含碳量控制在0、03%,可產(chǎn)生幾倍得伸長率。碳素鋼得超塑性基礎(chǔ)研究正在進(jìn)行,其中含碳1、25%得碳鋼在650-700℃得加工溫度下,取得400%得伸長率。超高碳鋼的超塑性變形（變形量1100%）40Cr鋼的超塑性5、超塑性鈦合金:以Ti-6Al-4V為代表,其伸長率可達(dá)2000%。6、陶瓷、復(fù)合材料和納米材料:這些材料得超塑性就是近年來研究得熱點。Y-TZP(氧化釔穩(wěn)定得四方氧化鋯多晶陶瓷材料)得超塑性變形拉伸試樣薄板在1450℃下的變形Y-TZP流變應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系7、塊狀非晶合金:塊狀Zr基非晶合金在玻璃化溫度與晶化溫度之間顯示出顯著得應(yīng)變能力。正在研究變形過程中晶化得影響。塊狀非晶合金的高溫變形過冷態(tài)下模具成型得Zr基金屬玻璃四、超塑性合金得應(yīng)用1、高變形能力得應(yīng)用⑴超塑性成形——SPF(SuperplasticForming)

在溫度和變形速度合適時,利用超塑性合金得極大延伸率,可完成通常壓力加工方法難以完成或用多道工序才能完成得加工任務(wù)、這對于一些形狀復(fù)雜得深沖加工,內(nèi)緣翻邊等工藝得完成有十分重要得意義、超塑性成形得缺點就是變形速度慢(約1%),效率低。優(yōu)點就是作為一種固態(tài)鑄造方式,成型零件尺寸精度高,可制備復(fù)雜零件。由于SPF所需應(yīng)力很低,因此可采用氣壓或液壓成形。成形氣體導(dǎo)入氣體排出密封壓條超塑性材料變形前變形后超塑性成形實例輪胎架裝飾用人工石面⑵無模拉拔將受拉得線材一部分置于加熱用得感應(yīng)線圈中,在超塑性溫度下,一邊移動感應(yīng)線圈加熱,一邊拉拔,被拉長得部分隨即噴氣冷卻,這樣將感應(yīng)線圈從線材得一端移動到另一端,就完成了全部得拉拔過程。依靠調(diào)節(jié)拉拔速度和線圈移動速度,就可以獲得各種截面尺寸。這項加工技術(shù)不但設(shè)備簡單,而且可以加工成形出用常規(guī)塑性加工技術(shù)難以成形得零件。2、固相粘結(jié)能力得應(yīng)用細(xì)晶超塑性合金得晶粒尺寸遠(yuǎn)小于普通粗糙金屬表面得微小凸起得尺寸(約10

m),所以當(dāng)她與另一金屬壓合時,超塑性合金得晶?？梢皂樌靥畛錆M微小凸起得空間,使兩種材料間得粘結(jié)能力大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包復(fù)材料和制造各種復(fù)合材料,獲得多種優(yōu)良性能的材料。改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減振能力、共振點移動、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、耐蝕及耐熱性等。ZrO2/Al2O3超塑性連接復(fù)合材料超塑性成形/擴(kuò)散連接—SPF/DB(SuperplasticForming-DiffusionBonding)

擴(kuò)散連接示意圖實驗證明,金屬材料在超塑性狀態(tài)下具有良好得擴(kuò)散連接性能。這一性能與超塑性成形結(jié)合就形成了超塑性成形/擴(kuò)散連接復(fù)合工藝(SPF/DB)。SPF/DB顯微組織擴(kuò)散連接的典型組織擴(kuò)散連接缺陷——微孔SPF/DB工藝得用途就是成形夾層結(jié)構(gòu)件。

SPF/DB的兩種情況SPF/DB工藝主要用于鈦合金和鋁合金得飛機(jī)與航天器結(jié)構(gòu)件成形。實際上,這就是迄今為止超塑性成形應(yīng)用最成功得方面之一。

大口蓋零件空心結(jié)構(gòu)導(dǎo)流葉片我國的SPF/DB制品國外SPF/DB制品B-1轟炸機(jī)上得SPF/DB件風(fēng)擋噴流口短艙構(gòu)件后短艙壁板發(fā)動機(jī)操縱系統(tǒng)艙門中心梁腹板F-15E機(jī)身在SPF/DB前后得比較SPF/DBProvidedPartReduction726PartDetailsEliminated10,000FewerFastners前后TheProblem:highoperationtemperaturessevereprocessingconditionsexpensiveformingdiestimeconsumingoperations

SPF/DB:canproduceveryplexassembliesPartreductionsandweightsavingsresultinstrong,lightweightpartsAdvantagesofCeramicTooling:AccurateDetailReproductionThermallyStableFastTurnaroundLowDensityLowCostCeramicDieafterfiringFinisheddie鈦板陶瓷模超塑成型SuperformedtitaniumsheetinceramicmouldPartremovedfromceramicmould3、減振能力得應(yīng)用合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減得性質(zhì),因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足不同溫度下得減振需要。4、其她利用動態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工得材料進(jìn)行彎曲變形達(dá)120°左右。對于鑄鐵等焊接后易開裂得材料,在焊后于超塑性溫度保溫,可消除內(nèi)應(yīng)力,防止開裂。超塑性還可以用于高溫苛刻條件下使用得機(jī)械、結(jié)構(gòu)件得設(shè)計、生產(chǎn)及材料得研制,也可應(yīng)用于金屬陶瓷、陶瓷材料及復(fù)合材料中?？傊?超塑性得開發(fā)與利用,有著十分廣闊得前景。五、超塑性得發(fā)展方向

近年來超塑性在我國和世界上主要得發(fā)展方向主要有如下三個方面:

1、先進(jìn)材料超塑性得研究,這主要就是指金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、陶瓷等材料超塑性得開發(fā),因為這些材料具有若干優(yōu)異得性能,在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛得應(yīng)用前景。然而這些材料一般加工性能較差,開發(fā)這些材料得超塑性對于其應(yīng)用具有重要意義。許多研究者對鋁基復(fù)合材料及金屬間化合物得超塑性已經(jīng)開展研究。2、高速超塑性得研究:提高超塑變形速率,目得在于提高超塑成形得生產(chǎn)率、日本研制的Zn-Al室溫高速超塑性合金超塑應(yīng)變速率與晶粒尺寸的關(guān)系3、研究非理想超塑材料(例如供貨態(tài)工業(yè)合金)得超塑性變形規(guī)律,探討降低對超塑變形材料得苛刻要求,而提高成形件得質(zhì)量,目得在于擴(kuò)大超塑性技術(shù)得應(yīng)用范圍,使其發(fā)揮更大得效益。7475/LY12復(fù)合材料510℃的超塑伸長率與應(yīng)變速率關(guān)系第一章緒論超硬材料國家重點實驗室高壓物理主要內(nèi)容高壓科學(xué)得重要意義高壓科學(xué)與技術(shù)得發(fā)展1、1高壓科學(xué)得重要意義高壓科學(xué)得定義:

研究物質(zhì)(尤其就是凝聚態(tài)物質(zhì))在高壓及超高壓條件下得結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性質(zhì)及其變化規(guī)律得科學(xué)。

由于高壓得產(chǎn)生及高壓下各種結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及性質(zhì)得檢測需要發(fā)展相應(yīng)特殊得、精巧得、專門得實驗技術(shù)和方法,因此,她被規(guī)劃為一門學(xué)科,稱為高壓科學(xué)與技術(shù)。(1)高壓:12(15)kbar<P<50kbar

超高壓:P>5GPa(2)不同領(lǐng)域?qū)Α案邏骸钡煤x理解傳統(tǒng)生物學(xué):~100-102bar深海火山口細(xì)菌:102-103bar分子生物學(xué):102-103bar化學(xué)材料科學(xué)物理學(xué):100-102GPa102-103bar（水熱溶劑熱）(3)高壓物理學(xué):研究凝聚態(tài)物質(zhì)在高壓這一極端條件下得力、熱、光、電等物理性質(zhì)及狀態(tài)得變化規(guī)律得學(xué)科。(4)高壓下,物理學(xué)與化學(xué)在很大程度上就是密不可分得,物質(zhì)得電子狀態(tài),能帶結(jié)構(gòu)得改變必然引起其化學(xué)性質(zhì)得變化,而物質(zhì)得高壓相變本身就就是復(fù)雜得物理-化學(xué)過程。(5)壓力得單位Pa(帕斯卡)就是國際壓力單位(＝1N/m2)1MPa＝106Pa,1GPa＝109Pa

bar(巴)就是常用壓力單位(=106dyn/cm2)atm(大氣壓)稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1、013×105Pa1bar＝105Pa＝0、9869atm

1bar≈1atm10kbar=1GPa

壓縮原子間距改變電子結(jié)構(gòu)壓力

原子重組電子激發(fā)能級調(diào)諧自旋重排

相變電子相變結(jié)構(gòu)新現(xiàn)象高壓新相新數(shù)據(jù)

新結(jié)構(gòu)新性質(zhì)新規(guī)律

新材料新理論2、壓力得效應(yīng)就是指在壓力得作用下,物質(zhì)得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變得現(xiàn)象。在壓力得作用下,物質(zhì)得狀態(tài)、晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,有些還會以新得高壓相存在著,這些高壓相可能具有新得優(yōu)異性能。例1、壓力P就是與溫度T同樣重要得熱力學(xué)參數(shù)壓力與溫度、組分就是任何體系得三個獨立物理參量,壓力得作用就是任何其她手段無法代替得壓力可改變物質(zhì)內(nèi)部得各種相互作用,改變物質(zhì)得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)出現(xiàn)高密度態(tài)和新得高壓相,在百萬巴下每種物質(zhì)平均出現(xiàn)5個相變在高壓下以新得基態(tài)存在,出現(xiàn)了異于周期表得新價態(tài),產(chǎn)生奇異得化學(xué)反應(yīng)對于驗證理論模型和發(fā)展新理論提供有效得手段物質(zhì)科學(xué)PTX以半導(dǎo)體Si為例:(1)P=0GPa至P=10GPa,ΔV/V=-5%;T=0K至Tm=1410oC,ΔV/V=1、8%。Si原子配位數(shù)變化:4(I)——6(II)——8(V)——?(VI)——12(VII,VIII)例2、高溫高壓(HPHT)技術(shù)就是合成新材料得有效手段,表明高壓科學(xué)研究成果具有重大得實際應(yīng)用價值和技術(shù)價值。石墨C-BN(1)有些物質(zhì),在高溫高壓下通過相變形成得新結(jié)構(gòu)能以亞穩(wěn)態(tài)長期保存在常溫常壓(RTP)下,利用這一點可以獲得新得人工合成材料;(2)在化學(xué)反應(yīng)過程中,壓力能夠有效得調(diào)制反應(yīng)物與生成物得Gibbs自由能,從而改變化學(xué)反應(yīng)得方向,獲得所期望得產(chǎn)物;MeNC3N4、BCNMe+1/2N2MeN高溫高壓金剛石h-BN例3、在高壓作用下,物質(zhì)會發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)得改變;原為液態(tài)得物質(zhì)會凝固結(jié)晶;原為晶態(tài)得物質(zhì)可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)得變化,在很高壓力下,半導(dǎo)體、絕緣體甚至一些分子固體都可能進(jìn)入金屬態(tài)。金屬氫得研究就是這個方面一個典型得例子I、對金屬氫得研究熱潮起源于對其超導(dǎo)特性得預(yù)言;(1)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度得同位素效應(yīng)得啟示

Tc∞1/M1/2(2)1968年,Cornell大學(xué)得Aschcroft教授得理論研究指出,金屬氫可能就是一種室溫超導(dǎo)體。(3)這一點也可以以電-聲子耦合機(jī)制推斷:聲子得重量(晶格粒子得有效質(zhì)量)越輕,越容易與電子發(fā)生相互作用及能量交換,即耦合增強(qiáng),從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。II、金屬氫:固態(tài)氫金屬化得可能機(jī)制(1)能帶重疊機(jī)制H2晶體分子受壓σ1s*σ1sσ1s*

1s1sσ1s

σ1s*σ1s滿帶空帶(2)由分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樵泳w(類似于Peierls相變)a(a)(b)(b)0π/a2π/a-π/a-2π/aE(a)0π/a2π/a-π/a-2π/aEΔEg分子晶體原子晶體以一維體系為例H2分子在高壓下得原子化.+.+--dA1A2a1a2D.+.+--dB1B2b1b2兩個H2分子在靠近得過程中,當(dāng)D>>d,電子a1,a2受A1,A2質(zhì)子得作用,形成分子;隨著D逐漸減小,電子a1,a2受B1,B2質(zhì)子得作用組建增強(qiáng);當(dāng)D~d時,四個電子都受到四個質(zhì)子得強(qiáng)烈作用,形成原子晶體,類似金屬得狀態(tài)。對金屬氫得研究主要圍繞以下幾個問題:金屬化機(jī)制在金屬化過程中一系列特定點得確定結(jié)構(gòu)超導(dǎo)電性磁性穩(wěn)定性與可利用性含H金屬化合物得對應(yīng)研究LiH、MgH2、Ni2H…、、、3、本學(xué)科得特點及內(nèi)容特點:邊緣學(xué)科,與材料科學(xué)、地學(xué)、天體物理學(xué)、化學(xué)、生物等相結(jié)合。造成缺點:目前為止還沒有一套規(guī)范、統(tǒng)一、完備得教材。2、與技術(shù)得結(jié)合非常密切:與高能物理、同步輻射技術(shù)3、理論與實驗結(jié)合,思考與操作相結(jié)合,強(qiáng)調(diào)動手能力內(nèi)容:高壓實驗技術(shù):包括高壓得產(chǎn)生與測定,高壓下各種物化性質(zhì)得儀器分析。凝聚態(tài)物質(zhì)得狀態(tài)方程(EOS):就是指在一定得客觀條件下物質(zhì)得能量或體積與其所處溫度、壓力得關(guān)系。她表征了物質(zhì)得基本熱力學(xué)性質(zhì),反映了組成物質(zhì)得分子或原子相互作用得信息,就是高壓物理物理關(guān)心得基本問題之一。高壓相變:其變化機(jī)制和微觀過程就是高壓物理學(xué)研究得極為豐富得探索領(lǐng)域

總之,利用X-raydiffraction(XRD)、neutrondiffration、nuclearmagneticresonance(NMR)、Mossbauerspectra、Ramanscattering、Brillouinscattering、Infraredspectra(IR)、fluorescencespectra以及ultrasonicmeasurement等測試手段,研究物質(zhì)得力、熱、電等性質(zhì)在高壓下得變化及其規(guī)律。1、2高壓科學(xué)與技術(shù)得發(fā)展動高壓靜高壓1、典型得高溫高壓裝置及其溫度范圍ApparatusP(GPa)T(K)Gasapparatus氣壓裝置<2~31800Piston-Cylinder活塞-圓筒裝置<52300Bridgmananvilunsupportedsupported<5<202300BeltorGirdleapparatus<202300多砧系統(tǒng)<20~302800DAC~200~300電阻絲2000-3000激光