新型高温结构材料

新型高温结构材料新型高温结构材料 新型高温结构材料 金属间化合物 摘要介绍了金属问化合物的 特性 日本 美国在开发金属间化合物高温结构 材料方面所采取的 措施 论述了金属问化合物作为结构材料还有待进一步改善 3个主 要性能指标 室温延性 高温强度和杭氧化性 及其影响因素 讨论了 制备工艺对 材料微观组织和力学性能的影响 在此基础上指出了金 属间化合物的主要研究与发展方向 关键词 高温结构材料金属间化合物性能制备引言1高温金属间化合 物特性与研究状况随着工业的发展 特别是向高性能和高效率方向发 展 人们对所用的材料提出了越来越高的要求 常规材料一种相继达 到使用极限 钛基合金和镍基合金是两类主要的高温结构材料 通过50多年的发展 钛基合金使用温度达到600 比重只有4 5g cm 1高温金属间化合物特性与研究状况随着工业的发展 特别是向高性 能和高效率方向发展 人们对所用的材料提出了越来越高的要求 常 规材料种种相继达到使用极限 钦基合金和镍基合金是两类主要的高温结构材料 通过50多年的发展 钦基合金使用温度达到600 比重只有459 c m3 镍基合金使用温度高达110 但其比重大于8 39 m3 航空航天工业的发展要求未来的材料既具有更高水平的综合力学性 能 还要求其有较低的比重 金属间化合物是一类极具潜力的新型高温结构材料 它具有比重轻 抗高温 耐氧化等突出优点 研究这类材料使其达到实际应用水平是 目前材料学中一个非常活跃的领域 目前开发的金属间化合物按其组成可分为4类 它们分别是Ti A I Ni A I N b A l及硅化物 这些化合物中 铝和硅的含量都很高 因铝和硅原子的原子质量数小 半径又比较大 因而使得它们的比重 都比较小 加上铝和硅都易形成致密的氧化膜 使得它们具有耐氧化 的优点 正因为它们具有一系列的优点 这些化合物在航天航空 汽车和化学 工业在日本 自1962年第一篇关于金属间化合物的论文发表以来 对 它的研究稳步增长 论文数逐年增多 在日本金属学会和日本钢铁学会的年会上 均专门设立了金属间化合 物专题 日本的 未来工业基础技术研究和开发计划 把它列为9大新目标材 料之一 计划用6年时间 即在1997年以前为它的实际应用作好准备 在美国 主要是为了适用于航空工业 金属间化合的研究开发得红红 火火 美国科学家正在分阶段地 扎扎实实地建立金属间化合物的生产和 维护整套技术 TI A I和Ti3A I研究工作尤为迅速 目前国际上每年也定期举行关于高温金属间化合物的专题学术会议 比较有影响的定期学术会议主要是美国的MR S会议 在M RS秋季会上 每两年举办一次高温有序金属间化合物合金研讨会 目 前已举办了5届 此外 中国 日本 英国和法国也先后举办了金属间化合物国际讨论 会 美国把金属间化合物的研究分四个阶段来进行 第一阶段 主要是研究发现某些金属间化合物的引人的特性 接着做 一些重要的工程化方面的研究工作 从而建立起大概的微观结构一力 学性能的关系 虽然合金的成分和工艺流程不一定最佳 在今后还有待改进 但熔炼 的基本工艺过程已确定 不尽人意的是先前的某些研究过分地集中在金属间化合物的延性和 强度这两种性能上 这使得材料的综合性能提高的水平不大 这一阶段是最关键的一步 只有这一步走好了 才不会误导以后的对 新材料的研究 因为只有在理论和研究方案的指导下人们才能获得理 想的微观结构 从而得到一种理想的新材料 直到现在 大部分研究工作仍处于这一阶段 第二阶段是开始设计新材料的工作 这一阶段的重点是建立一个最佳 的材料各种性能平衡 通过设计得到大量的数据 这些数据对金属间化合物的开发与生产有 很大的用处 在这一阶段 研究工作者开始把这种新材料看成是一门工程技术 第三阶段是进行工程实践检验 这主要是为了给设计者提供有关材料的缺陷和工作寿命等方面的数 据 这些都是实验室里很难得到的 目前最大的不足是这些检验的周期很长 从事研究工作的人员大多只能完成到两个周期 因此 缩短周期势在必行 最后一个阶段主要是建立整个力学性能特征的数据库 它不但要求有 正常工作时的数据 还要求有修理 镀层 环境影响方面的数据 有了这种数据库 就像使用常规材料一样 在设计 生产 维修时有 手册和资料可参考 至1994年 几乎所有金属间化合物在航天航空工业上应用的研究工作 还处在第一阶段 只有Ti3A I基合金例外 通过20年的努力 对Ti3AI基合金已经进行工程检验 正向工程所要求 的标准靠近 由于它独特的强度特性 正吸引人们致力生产出一种适用于导弹的旋 转构件 但现今所得到的材料其抗氧化能力不足 希望这个缺陷能够在Ti3AI被广泛应用之前 通过加入某些元素或加 上镀层来克服 T IA I基金属间化合物是当今金属间化合物研究的最热点 通过研究可知 1 结构的T i3A I相在IJI 结构的T IA I基体相中所占的比例及其分布决定了合金的力学性能 通过大量的实验 研究者们摸索出不少有关工艺过程一微观结构的关 系 通过控制熔铸及凝固工艺和采用喷射成型 预合金粉末及热机械处 理工艺等手段来获得所希望的微观结构 从而提高金属间化合物的力 学性能 使得在900 以下 TI A I基合金可取代镍基合金 并具有比重小 弹性模量高等优点 TI AI基合金的研究工作正处在第一阶段的末期 强度和延性与微观结构 的关系还有待进一步完善 TI AI工程化材料的断裂 弯曲 抗压 抗氧化等性能的研究还刚刚起 步 对其它3类金属间化合物 Ni一A I N b Al及硅化物 的研究主要是一些基础工作 例如强度与延性方面的研 究 但N b3A I等化合物因被日本列为主要目标材料之一 近几年来在粉末冶金和 熔铸工艺方面进行了大量的研究 2金属间化合物的三个主要性能指标金属间化合物将主要应用于航天 航空 汽车和化学工业 为了取代常规材料它必须具有优越的性能 对高温金属间化合物来说 室温下的延性 高温时的强度和抗氧化性 是它的三个有待进一步完善的主要性能指标 也是它的致命弱点 延性是随温度变化的 高温下微观粒子运动加剧 表现在宏现上是材 料的延性好 在较低温度下延性就相对差一些 延性是金属间化合物的弱点 较好的材料在室温下的延性也只有2 3 为了便于加工成零件和延长使用寿命 必须提高延性 决定延性的一 个主要因素是微观结构 B 相有立方对称结构 用稳定B 相的镍 铝 钒等加入到Ti3AI中 可 改善Ti3AI的延性 y a 化合物中的层状结构是TI AI基合金延性的内因 例如 在TI A I Ti3A I晶体易变动模式下的拉伸变形可达20 因此通过各种有效的工艺过程来改善化合物的微观结构 是一个获得 良好延性的有效途径 另一个决定化合物延性的重要因素是材料的含氧量和含氢量 研究表明两者的含量越低 化合物的延性越好 特别是氧的影啊尤为明显 资料表明 在氧的含量 0 03纬时 减少它 能明显提高延性 但由于生产加工过程中不可避免地带有氧 故应该严格控制生产条件 将氧和氢的含量降低到最低限度 对于多晶金属间化合物 当变形温度超过某一临界值后 强度随温度 升高而急剧降低 目前研究工作者正通过各种途径来提高材料的高温强度 其主要方向 是通过加入第三合金元素或化合物 或引入其它结构的金属间化合物 相来起高温强化作用 例如 通过放热反应合成工艺 即X DIM反应合成工艺 在A I一T i基合金中形成0 3o vo l 的T IB 可明显地提高材料的抗变形能力 以A13N b为基的多相合金在相同温度和应力水平下 比单相A13N b和A13 Nb Ni 的变形小 这说明多相的金属间化合物往往比单相化合物强度更高 这也是目前提高金属间化合物强度的主要指导原则 在高温环境下 金属间化合物不可避免地要发生氧化 形成氧化层 因 而材料将变脆 目前改进抗氧化性的主要方法是加入合金元素 加入的元素易氧化 但氧化后产生致密的表面氧化层 阻止气体原子 向合金材料内扩散 从而起到保护材料的作用 为了能达到这种目的 加入的元素的氧化物必须比材料中其它任何元 素的氧化物更稳定 因而它最先被氧化 此外所加入的元素必须有足够的量 以便能形成连续保护层 Al是一种理想的元素 因此在化合物中铝的含量决定着抗氧化能力的 强弱 A l形成致密氧化层A12O3 N IAI基合金由于Al的含量大 且分布很均匀 因此N IAI基合金表现出良好的抗氧化能力 在三相化合物N bA13一N bNI AI N IAI中 因为AI的扩散速度很快 加上AI很活跃 虽然A l含量不高 但其抗氧化能力与N IAI基合金接近 温度对氧化也有影响 有的化合物在高温时氧化速度快如TI AI 有的在温度低时氧化速度快如N IA I Mo si 特别是Mo si 在600 1200 时氧化很慢 但在500 C时就很快了 甚至发主灾难 性的破坏现象 加入合金元素对氧化能力也有影响 典型的例子是对于N i一AI系化合物 即使AI的含量较低 C r的加入均有利于形成AI O 表面保护层 有利于提高化合物的抗氧化 能力 然而C r加入到某些两相化合物中 却降低了化合物的抗氧化的能力 3制备工艺与研究方向尽管金属间化合物具有密度小 弹性模量高等 优越性 但是低的延性和韧性是金属间化合物的致命弱点 现在研究者们正通过各种途径提高延性和韧性 例如加入一些固溶元 素 改变晶体构造 改善粉末的外形和尺寸 虽然各种途径所取得的成果有限 但是人们正在通过研究工艺一性能 一微观结构之间的关系 努力寻找更合适的制备工艺来获得所希望的 微观结构和性能 通过大量的实践 人们发现多相金属间化合物比单相金属间化合物的 性能优越 特别是表现在延性与强度方面 综合性能也比单相化合物 好 T i3AI基合金 由于固有的D OI 结构使得它们很脆 但细心的研究者们发现 加入特殊的月相稳定 元素如镍 钥 钒等元素后 形成具有bc 结构的日相 它具有相当的延性 研究发现Q Z 日的双相合金 通过不同的热处理工艺 可得到一系列的微观结构 它们的延性和韧性都比单相a 化合物好 这是因为QZ p相的合金强度 好 而俘相或有序的B 相具有易于变形的立方结构 两者结合故显示 出比较理想的性能 具有高强度 高弹性模量且抗氧化性良好的不TI AI相的延性相当差 而y TI AI Q Z Ti3AI 却有约2环的塑性变性 改善的原因还不大清楚 一种较为合理的解释是a 相可以从y相中夺取部分杂质氧原子 提高 了y基体的纯度 另一种解释是aZ D01 的加入形成了一种易变形的 层状结构 当然 TIAI的性能还可以通过其它途径来改善 但是到目前为止 取得 较大成果的都是通过形成多相化合物达到的 N IAI单相化合物具有很高的熔点 1638 故耐高温 而且比重小 抗 氧化能力强 但机械强度低 加Ni AI Ti相后 形成双相化合物 强度大大提高 甚至比工程上用来做涡轮叶 片的Mar一M20镍合金的强度还高 这是因为NIAI与Ni ZAITi形成立方一立方的取向关系 但是由于两者晶格常数相差太大 这种多相金属间化合物很脆 在多相化合物中 由于其它相存在 出现了不同相间的匹配度和稳定 共存的问题 研究表明匹配度越高 稳定性越好 金属间化合物的力学性能就越好 通过各种途径使得多相化合物各相 相处融洽 是取得良好性能的 保证 从大量的研究结果看出 要获得性能好的金属化合物 须致力于设计 好多相化合物 从而得到综合性能好的材料 这是一个很有前途的研 究方向 目前不少研究者正在想方设法设计一系列不丫型的高性能多相金属 间化合物合金材料 许多金属加工工艺被采用来开发金属间化合物 通过采用这些工艺来 提高化合物的性能 主要是提高室温的延性和高温强度 对于金属间化合物材料常采用的工艺有熔铸 定向凝固 喷射成型 热机械处理等 研究表明 制备过程中须尽量保持纯净 特别是要和抗氧化性有影啊 消除杂质 获得较细的微观组织是获得良好性能的关键 对于以金属间化合物为基的复合材料 常用的工艺有机械合金化 X 创M反应合成工艺 共喷射成型 纤维压力铸造等 强化或韧强化韧化效果不及连续强韧化 但生产成本要低得多 经常采用的X DTM工艺所形成的不连续强化相能提高屈服强度和断裂强度 但强化 的效果还要取决于TIB 的含量和分布情况 4结束语4结束语现代技术在追求更高性能和更高效率时往往要受到 材料性能极限的制约 因此 高技术工业进一步发展的关键在于新型 材料的开发 在高温材料领域 传统材料性能的发掘几乎到了尽头 但 高温金属间化合物的出现又使人们看到了新的希望 金属间化合物具有较小的比重 更高的强度 更好的耐热性能 可望 在航空 汽车和化学工业中发挥重要的作用 因此 金属间化合物的 研究已成为近年来材料科学中一个十分活跃的前沿领域 美国和日本等发达国家正在有计划 分步骤地进行金属间化合物的 研究与开发工作 工作的重点都是围绕着如何改善其室温延性 高温 强度和抗氧化性三个方面 已取得了许多突破性的进展 有的金属间化合物 如Ti3AI 已开始进入工程检验阶段 可望在不久 的将来进入工业化应用 对于大多数金属间化合物而言 仍有许多基础性的研究工作要做