新型金屬結構材料研究現狀

張立勇

中鐵十七局集團物資有限公司（030008）

長期以來,金屬材料一直是最重要的結構材料和功能材料。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用的傳統金屬材料。對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展以滿足新的需要,同時科學技術的新發展,使得金屬材料有可能得到新的大發展,從而可以預期,新型金屬材料的發展和應用將成為21世紀金屬材料工業的重要特征之一。新型金屬材料的發展包括兩方面,即目前大量應用的傳統金屬材料的新發展(俗稱冶金新材料)和發展全新的完全不同于傳統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金屬材料的一類新的金屬材料。新型金屬材料具有某些優越的使用性能,是傳統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現的,但在過去尚不可能作為一種工程材料實現工業化應用,只是在當今的科學和技術發展的條件下,才有可能成為工程材料得到應用。

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。它以其優異的耐高溫、抗氧化、耐磨損等優良特性,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構材料之一[2]。金屬間化合物種類很多,在結構材料領域研究較多的是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合金作為一類結構材料得到廣泛應用,90年代，研究發現導致Fe-Al合金室溫脆性的根本原因是水汽[3。然后人們對Fe-Al合金的反常屈服行為、室溫脆性、合金成分的理論設計、微合金化對Fe3Al性能的影響、Fe-Al粉末冶金制備方法[4]等方面都進行了較全面的研究。美國研究人員開發出的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12.8%,采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結的Fe3Al合金,其室溫伸長率可達15%～20%,抗拉強度可達960MPa[5]。因此材料學家認為,該材料預計將在航空、化工、核反應堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領域獲得廣泛應用。

Fe-Al金屬間化合物以后的發展方向為[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,又細化晶粒,提高材料塑性,改善材料的強韌性。

4）利用Fe-Al金屬間化合物的半陶瓷性能,設計新型的復合材料。

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Fe-Al合金的粉體制備工藝,研究Fe-Al的噴涂技術,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)的孿晶形態層片狀組織的合金。

Ti-Al系金屬間化合物的發展趨勢可概括為以下五個方面:

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

2）發展以TiAl化合物為基的復合材料。用SiC、Al2O3、TiB2纖維和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等質點作為增強劑,強化化合物集體,發展新工藝,充分發揮其潛在的實用價值。

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

4）進一步研究Ti-Al系金屬間化合物的室溫脆性機制,從理論上解決其韌性問題。

5）加強TiAl基合金近凈成形技術的研究,進一步開展對近凈成形技術如精密鑄造技術、粉末冶金近凈成形技術以及超塑成型技術的研究。

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[7],其中研究最多的是Ni3Al金屬間化合物。許多Ni3Al基合金已應用于鑄造和鍛壓,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,優良的抗氧化性以及高的熱導率,但是由于低溫下斷裂韌性差,高溫下強度差,抗蠕變能力差,在結構材料方面的應用受到限制。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構。非晶結構只有原子短程有序排列,而沒有原子按一定規律排列的長程有序結構,金屬玻璃處于熱力學亞穩態,在一定的溫度和時間條件下非晶態會向晶態轉變。人們早已知道,氧化物玻璃是非晶結構。但是所有固態金屬的接近平衡態都是晶體,具有原子長程有序排列的晶體結構,只有極快冷卻條件下才能得到非晶結構。1960年Duwez在Nature首先報導在極快冷卻條件下Au3Si液態金屬凝固成具有非晶結構的金屬玻璃[8]。金屬液態結構也是短程有序排列,但其凝固得到的固態金屬玻璃具有更大程度的短程有序,這個凝固轉變是二級相變。非晶材料具有一般晶態材料沒有的獨特特性,例如,具有很高的剛性、強度、耐磨性和斷裂韌性,優良的磁性,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金屬材料的新金屬材料獲得重視和大力發展。

3 納米晶粒尺度的金屬材料

現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,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,占據界面的原子數只占20%以下,大部分原子在晶內。當晶粒細化到10 nm以下時,晶界所占體積百分數和界面原子數的占據比例上升速度加劇,到1 nm晶粒時,晶界原子數達到近90%(隨晶粒形狀略有差異)。這時,材料的原子排列已不同于常規晶體具有的嚴格有序排列,其原子排列特征主要由晶界區原子排列決定,晶界區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,但與晶粒內部的結構相比,原子偏離了正常平衡位置,發生晶格畸變和晶格體積變化,并且成為被晶界區隔開而互不相關的納米尺度有序排列原子團,常規晶態的電子理論已不能正確應用到這種特殊結構,從而構成與晶態和非晶態均不相同的一種新的結構狀態,成為一種全新的材料。

4 先進金屬基復合材料

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

[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.Fe3A1與水汽及氫氣的表面反應[J].金屬學報,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展[J].材料導報,2007,21(1):75～82.

[5]范潤華,劉英才,尹衍升.Fe3A1金屬間化合物強韌化研究進展[J].材料科學與工程,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狀與發展[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.金屬基復合材料的發展現狀和趨勢[J].稀有金屬,1991,(4):289～295.

[10]吳人潔.金屬基復合材料的現狀與展望[J].金屬學報,1997,33(1):78～82.

[11]高玉紅,李運剛.金屬基復合材料的研究進展[J].河北化工,2006,29(6):51～54.