新型金屬結(jié)構(gòu)材料研究現(xiàn)狀

張立勇

中鐵十七局集團(tuán)物資有限公司（030008）

長期以來,金屬材料一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。鋼鐵、銅合金、鋁合金、鈦合金、鎳合金、鉛錫鋅等等都是最重要的和最廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)金屬材料。對(duì)金屬材料的使用性能的要求越來越高,金屬材料本身也必須要發(fā)展以滿足新的需要,同時(shí)科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展,使得金屬材料有可能得到新的大發(fā)展,從而可以預(yù)期,新型金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用將成為21世紀(jì)金屬材料工業(yè)的重要特征之一。新型金屬材料的發(fā)展包括兩方面,即目前大量應(yīng)用的傳統(tǒng)金屬材料的新發(fā)展(俗稱冶金新材料)和發(fā)展全新的完全不同于傳統(tǒng)金屬材料特性的新型金屬材料[1]。

新型金屬材料是完全不同于傳統(tǒng)金屬材料的一類新的金屬材料。新型金屬材料具有某些優(yōu)越的使用性能,是傳統(tǒng)金屬材料不具備的特殊性能。這種新(型)金屬材料并非一定是新發(fā)現(xiàn)的,但在過去尚不可能作為一種工程材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,只是在當(dāng)今的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的條件下,才有可能成為工程材料得到應(yīng)用。

1 金屬間化合物材料

金屬間化合物主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物。它以其優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、耐磨損等優(yōu)良特性,受到材料界的青睞,是介于高溫合金和陶瓷之間的最有希望的高溫結(jié)構(gòu)材料之一[2]。金屬間化合物種類很多,在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域研究較多的是Fe-Al系、Ti-Al系以及Ni-Al系金屬間化合物。

1.1 Fe-Al系金屬間化合物

對(duì)Fe-Al系金屬間化合物研究最多的主要是Fe3Al和FeAl合金。Fe-Al金屬間化合物合金的研究始于20世紀(jì)30年代,在70年代末取得突破,到了80年代,Fe-Al合金作為一類結(jié)構(gòu)材料得到廣泛應(yīng)用,90年代，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致Fe-Al合金室溫脆性的根本原因是水汽[3。然后人們對(duì)Fe-Al合金的反常屈服行為、室溫脆性、合金成分的理論設(shè)計(jì)、微合金化對(duì)Fe3Al性能的影響、Fe-Al粉末冶金制備方法[4]等方面都進(jìn)行了較全面的研究。美國研究人員開發(fā)出的Fe3Al合金不僅有良好的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能,其室溫伸長率可達(dá)12.8%,采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結(jié)的Fe3Al合金,其室溫伸長率可達(dá)15%～20%,抗拉強(qiáng)度可達(dá)960MPa[5]。因此材料學(xué)家認(rèn)為,該材料預(yù)計(jì)將在航空、化工、核反應(yīng)堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

Fe-Al金屬間化合物以后的發(fā)展方向?yàn)閇6]:

1）通過微合金化來提高Fe-Al金屬間化合物的塑性和韌性及高溫綜合性能。

2）通過鑄造獲取其他加工方法不能獲得的所需形狀。3）通過熱形變處理,既可獲得所需要的形狀,又細(xì)化晶粒,提高材料塑性,改善材料的強(qiáng)韌性。

4）利用Fe-Al金屬間化合物的半陶瓷性能,設(shè)計(jì)新型的復(fù)合材料。

5）解決材料的加工硬化問題,通過材料的冷加工,獲得材料的精確形狀。

6）開發(fā)Fe-Al合金的粉體制備工藝,研究Fe-Al的噴涂技術(shù),充分利用該材料良好的耐腐蝕性。

1.2 Ti-Al系金屬間化合物

Ti-Al系金屬間化合物主要有兩種:TiAl化合物(用γ表示)和 Ti3Al化合物(用 α2表示)。 由于單相(γ)化合物的塑性和斷裂韌性比兩相(γ+α2)化合物低得多,因此,人們目前的研究主要集中于兩相化合物,即以TiAl(γ)為基體,含有少量Ti3Al(α2)的孿晶形態(tài)層片狀組織的合金。

Ti-Al系金屬間化合物的發(fā)展趨勢可概括為以下五個(gè)方面:

1）研究開發(fā)使用溫度更高,可在1 000～2 000℃之間工作的新型金屬間化合物,主要是以高熔點(diǎn)金屬Nb、W、Mo、Ta與TiAl形成的多元化合物。

2）發(fā)展以TiAl化合物為基的復(fù)合材料。用SiC、Al2O3、TiB2纖維和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等質(zhì)點(diǎn)作為增強(qiáng)劑,強(qiáng)化化合物集體,發(fā)展新工藝,充分發(fā)揮其潛在的實(shí)用價(jià)值。

3）通過纖維組織的控制和采用先進(jìn)的加工工藝來改善其力學(xué)性能,也是目前提高TiAl化合物性能的方向之一。

4）進(jìn)一步研究Ti-Al系金屬間化合物的室溫脆性機(jī)制,從理論上解決其韌性問題。

5）加強(qiáng)TiAl基合金近凈成形技術(shù)的研究,進(jìn)一步開展對(duì)近凈成形技術(shù)如精密鑄造技術(shù)、粉末冶金近凈成形技術(shù)以及超塑成型技術(shù)的研究。

1.3 Ni-Al系金屬間化合物

Ni-Al系金屬間化合物也是目前研究的熱點(diǎn)[7],其中研究最多的是Ni3Al金屬間化合物。許多Ni3Al基合金已應(yīng)用于鑄造和鍛壓,其中一些用于高溫熔爐。添加B的Ni3Al合金冷軋性能很好,通過冷變形就可制得板材。NiAl比目前的Ni基高溫合金輕,且具有高熔點(diǎn),優(yōu)良的抗氧化性以及高的熱導(dǎo)率,但是由于低溫下斷裂韌性差,高溫下強(qiáng)度差,抗蠕變能力差,在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用受到限制。有人試圖通過合金化的方法提高NiAl合金的蠕變強(qiáng)度，但是至今仍未取得較為理想的效果。

2 非晶帶和大塊金屬玻璃合金

金屬非晶帶(薄膜)和大塊金屬玻璃合金具有非晶結(jié)構(gòu)。非晶結(jié)構(gòu)只有原子短程有序排列,而沒有原子按一定規(guī)律排列的長程有序結(jié)構(gòu),金屬玻璃處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài),在一定的溫度和時(shí)間條件下非晶態(tài)會(huì)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。人們早已知道,氧化物玻璃是非晶結(jié)構(gòu)。但是所有固態(tài)金屬的接近平衡態(tài)都是晶體,具有原子長程有序排列的晶體結(jié)構(gòu),只有極快冷卻條件下才能得到非晶結(jié)構(gòu)。1960年Duwez在Nature首先報(bào)導(dǎo)在極快冷卻條件下Au3Si液態(tài)金屬凝固成具有非晶結(jié)構(gòu)的金屬玻璃[8]。金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)也是短程有序排列,但其凝固得到的固態(tài)金屬玻璃具有更大程度的短程有序,這個(gè)凝固轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變。非晶材料具有一般晶態(tài)材料沒有的獨(dú)特特性,例如,具有很高的剛性、強(qiáng)度、耐磨性和斷裂韌性,優(yōu)良的磁性,極佳的耐蝕性和催化特性。在一定的條件下,大塊金屬玻璃材料具有極好的超塑性,拉伸變形量可達(dá)15 000%。因而,金屬非晶帶(薄膜)和大塊金屬玻璃合金作為一類不同于傳統(tǒng)金屬材料的新金屬材料獲得重視和大力發(fā)展。

3 納米晶粒尺度的金屬材料

現(xiàn)有金屬材料的組成晶粒或顆粒,其尺寸都在微米(1.0×10-6m)量級(jí),而納米金屬材料由納米(1.0×10-9m)尺度的晶粒或顆粒組成。晶粒尺度在10 nm以上時(shí),占據(jù)界面的原子數(shù)只占20%以下,大部分原子在晶內(nèi)。當(dāng)晶粒細(xì)化到10 nm以下時(shí),晶界所占體積百分?jǐn)?shù)和界面原子數(shù)的占據(jù)比例上升速度加劇,到1 nm晶粒時(shí),晶界原子數(shù)達(dá)到近90%(隨晶粒形狀略有差異)。這時(shí),材料的原子排列已不同于常規(guī)晶體具有的嚴(yán)格有序排列,其原子排列特征主要由晶界區(qū)原子排列決定,晶界區(qū)原子排列是被擾亂的有序排列或含有大量缺陷的有序排列,晶界原子雖有序排列,但與晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相比,原子偏離了正常平衡位置,發(fā)生晶格畸變和晶格體積變化,并且成為被晶界區(qū)隔開而互不相關(guān)的納米尺度有序排列原子團(tuán),常規(guī)晶態(tài)的電子理論已不能正確應(yīng)用到這種特殊結(jié)構(gòu),從而構(gòu)成與晶態(tài)和非晶態(tài)均不相同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài),成為一種全新的材料。

4 先進(jìn)金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料在比強(qiáng)度、比鋼度、導(dǎo)電性、耐磨性、減震性、熱膨脹等多種機(jī)械物理性能方面比同性材料優(yōu)異得多。主要制備方法為:擴(kuò)散法，沉積法，液相法[9]和熔體攪拌法[10]。研究較多的金屬基復(fù)合材料包括[11]:硼纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料，碳化硅纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料和金屬基納米復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料在新興高科技領(lǐng)域，宇航、航空、能源及民用機(jī)電工業(yè)、汽車、電機(jī)、電刷、儀器儀表中日益廣泛應(yīng)用。

[1]陳國良.新型金屬材料(一)[J].上海金屬,2002,24(4):1～9.

[2]M cKamey C G,DeVan JH,Tortore11i PE,eta1.A review of recent deve1opments in Fe3A1-based a11oys[J].JMater Res.,1991,6:1779～1781.

[3]萬曉景,朱家紅,黃勝標(biāo).Fe3A1與水汽及氫氣的表面反應(yīng)[J].金屬學(xué)報(bào),1997,32(7):707～709.

[4]望斌,彭志方,張凡,等.粉末冶金制備Fe-A1金屬間化合物材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21(1):75～82.

[5]范潤華,劉英才,尹衍升.Fe3A1金屬間化合物強(qiáng)韌化研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程,1997,15(4):47～49.

[6]吳建鵬,朱振峰,曹玉泉.金屬間化合物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].熱加工工藝,2004,(5):41～43.

[7]Liu C T,W hite C L,Horton JA.Effect of Boron on Grainboundaries in N i3A1[J].ActaMeta11,1985,33:213～216.

[8]K1ement K,W i11ensRH,PDuwez.Nature,1960,187:869.

[9]楊遇春.金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].稀有金屬,1991,(4):289～295.

[10]吳人潔.金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望[J].金屬學(xué)報(bào),1997,33(1):78～82.

[11]高玉紅,李運(yùn)剛.金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].河北化工,2006,29(6):51～54.