新型合金材料

新型合金材料

金属是材料中的一种，金属和金属复合会产生功能更强的新型金属合金材料，这些材料仍然属于合金的定义范畴，其种类不仅繁多，而且工业用途也非常的广泛；下面介绍几种新型的合金材料。

一、形状记忆合金

如Ni—Ti、Ag—Cd、Cu—Cd、Cu—Al—Ni、Cu—Al—Zn等形状记忆合金具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点，可用作调节装置的弹性元件（如离合器，节流阀，温控元素等）、热引擎材料、医疗材料（牙齿矫正材料）等。

用形状记忆合金这种功能金属材料做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。

最早研究成功的形状记忆合金是称为镍钛脑的Ni－Ti合金。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金加Cu－Zn－Al和Cu－Al－Ni，价格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好、强度高、易加工、价格低，很有开发前途。

由于形状记忆合金的特殊形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。

自从形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中有存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。

二、超耐热合金

在超耐热合金中，镍钴合金能耐高达1200℃的高温，常常被用作喷气发动机和燃气轮机的构件。镍铬铁非磁性耐热合金在1200℃的高温条件下，仍保持高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温（1000℃以上）、可长时间运行（10000h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。

涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它能在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。这时候镍铬铁非磁性耐热合金就派上了用场，并且随着加工工艺和技术的不断进步，取得愈来愈好的效果。在开始采取多晶铸造工艺让熔融的合金在铸型中逐渐冷却凝固，一开始就产生无数的晶粒，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个叶片。由于合金冷却时散热的方向未加控制，晶粒的长大是随意的，因此得到的晶粒形状接近球形，称为等轴晶。晶粒之间的界面称为晶界，通常晶界上容易出现杂质和缺陷，因此晶界是叶片中最薄弱的易破坏区，必须采取相应的技术措施净化晶界，提高晶界的结合强度。

（一）柱晶合金柱

晶合金是采用定向凝固工艺来铸造涡轮叶片。当合金在铸型内冷却时，控制散热方向，使晶粒按预定的方向生长，这样就得到长条形的柱晶。柱晶涡轮叶片的最大特点是不存在横向晶界，当涡轮叶片高速旋转时，最大的离心应力与柱晶中的晶界平行，减少了晶界断裂的机会，从而提高了强度，使叶片的工作温度提高了约50℃，喷气发动机的寿命提高了1倍。

（二）单晶合金柱

在晶合金中，只有单晶合金才能完全消除晶界的影响。单晶涡轮叶片铸造工艺是在定向凝固柱晶叶片铸造的基础上发展起来的。常用种晶法制得，即预先在铸型的底部植入一粒籽晶，当铸型内的熔融合金凝固时，控制散热方向，只允许籽晶长大，直到完全占有整个铸型空间。这当然要求合金有很高的纯度，铸型是非常洁净的，不能引进杂质，否则杂质可能成为晶核，造成多晶。用同一种高温合金材料，由于采用新工艺，单晶涡轮叶片使工作温度又提了100℃以上，喷气发动机的寿命延长了4倍。

三、贮氢合金

随着生产机械化和自动化的发展以及人类生活水平的日益提高，人类对能源的需要与日俱增，于是就出现了核能源，并有可能替代石油而在能源供应上占主导的地位。另一方面，随着环境保护工作日益受到人类的关注，开发太阳能和氢能的研究都引起了人类的高度重视。近十多年来，对以氢气作为未来的动力的氢能源研究获得了巨大的进展。氢气最简单的来源就是电解水，而地球上的水资源是非常丰富的，同时氢气的燃烧产物为水。所以说氢能源是一种无污染、无公害、取之不尽、用之不竭的能源，是能源研究的一个发展方向。

氢能源是一种具有潜力的能源，但是发展氢能源需要解决三个方面的问题，即氢气的发生，氢气的储备和氢气的利用。现在已经有了电解的方法生产氢气的技术和大量储存氢气的技术。1968年美国首先发现Mg—Ni合金具有贮氢功能，但要在250℃时才放出氢。后相继发现Ti—Fe，Ti—Mn，La—Ni等合金也有贮氢功能。La—Ni贮氢合金在常温、0．152MPa下就可放出氢，可用于汽车、燃料电池等，新型贮氢合金材料的发现和实际应用有待于21世纪继续努力。

为了解决氢气的储存问题，科学家们经过研究，研制出了贮氢合金。

贮氢合金就是利用金属或者合金中的间隙，来结合氢气中的氢原子，因为在金属中原子都是紧密堆积的，其中的空隙可以容纳半径较小的氢原子；这样氢气就被储存到合金或者是金属中了。在贮氢合金中，一个金属原子能与2个或3个甚至更多的氢原子结合，生成金属氢化物。但值得一提的是不是每一种贮氢合金都能作为贮氢材料，具有实用价值的贮氢材料要求贮氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速度快，使用寿命长和成本低。

目前正在研究开发的贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金如MgH2、Mg₂Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi₅，为了降低成本，用混合稀土Mm代替了La，推出了MmNiMn，MmNiAl等贮氢合金；钛系贮氢合金如TiH2，TiMn_1．5。

四、非晶态合金

非晶态又称玻璃态。非晶态物质中的原子排列没有周期性，所以没有固定的熔点；与X射线作用只能产生散射现象而不能发生衍射现象，这充分的表明非晶态物质中原子排列是长程无序的，但短程可以有序。

熔融状态的合金缓慢冷却得到的是晶态合金，因为从熔融的液态到晶态需要时间使原子排列有序化。如果熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液态一样的无序排列状态，得到的是非晶态合金。这种结构与玻璃的结构极为相似，所以常把非晶态合金称为金属玻璃。非晶态合金是从熔融液态急冷凝固得到的，合金整体呈现的均匀性和各向同性，因而具有优良的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。由于非晶态合金中原子是无序排列，没有晶界，不存在晶体滑移、位错、层错等缺陷，使合金具有高电阻率、高磁导率、高抗腐蚀性等优异性能。非晶态合金的电阻率一般要比晶态合金高2～3倍，这可以大大减少涡流损失，故特别适合做变压器和电动机的铁芯材料。采用非晶态合金做铁芯，效率为97%，比用硅钢高出10%左右，所以得到推广应用。此外，非晶态合金在脉冲变压器、磁放大器、电源变压器、漏电开关、光磁记录材料、高速磁泡头存储器、磁头和超大规模集成电路基板等方面均获得应用。

五、其他合金

（一）轻质合金

轻质合金的典型代表——铝锂合金具有高比强度、高比刚度且相对密度小的特点，如用作现代飞机蒙皮材料，一架大型客机可减轻重量50kg。以波音747为例，每减重1kg，一年获利2000美元。钛合金相对密度为4．55，比钢轻，耐腐蚀、无磁性、强度高，用于舰艇材料。

（二）镁及镁合金

镁在自然界的蕴藏量丰富，物理性能和机械加工性能优良，被公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。

1．交通类产品中的镁合金

20世纪70年代以来，世界各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993－1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。美国提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车，且整车至少80%以上的部件可以回收。这些要求的提出要求汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车，以实现对环境的更好的保护。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5．5%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO的年排放量就能减少30%以上。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用日益受到人们的重视和青睐。

因此，世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美等一些发达的国家中，汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为自身车辆领先的标志，大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。20世纪90年代初期，欧美小汽车上应用镁合金的重量，平均每车约1公斤，至2000年已达到3．6公斤左右，目前欧美各主要车厂都在规划在今后15～20年的期间，将每车的镁合金用量上升至100～120公斤。行家预测，在未来的7～8年中，欧洲汽车用镁将占总消耗量的14%，预计今后将以15%的速度递增。

2．镁合金在电子和家电中的应用

镁在汽车行业的大量应用，推动了镁合金生产技术的多项突破，为此，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。

3．在其他应用领域的应用

在金属的防腐方面以及作铝合金中的添加剂，镁起了很大的作用。在社会生产实践中镁牺牲阳极作为有效地防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有3万吨／年～4万吨／年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。

镁合金型材、管材，主要用于航空航天等尖端或国防领域。由于近几年科技的不断发展，镁合金生产能力和技术水平大大的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。

（三）钛及钛合金

随着国民经济及国防工业的发展，钛及钛合金所具备的密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性日益被人们普遍认识，广泛地应用于社会的各个领域。从美国和日本在钛的应用领域来看，美国的航空航天是航天上使用钛的最大厂家，占到总消费量的58．5%；日本则是火力、核电厂及板式热交换器，两者合计占总消费量的41．9%。从表2－1可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行车架、轮椅等等。美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。在计算机磁盘（真空镀膜）、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。两国的具体比较见表2－1。

（四）铝及铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。

表2－1　美日两国钛材的用途比较表

（资料来源：国际钛应用会议，上海科学技术情报研究所整理）

在世界范围内，交通运输业已成了铝材的第一大用户，2001年交通运输业消耗铝占全世界原铝产量的27．6%，有些国家达30%以上。随着科技的进步和各项事业的现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。

1．铝合金材料在航空航天中的应用

铝合金是制造飞机的重要的原料，民用飞机结构上的质量的70%～80%是铝合金，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40万～150万个，据波音飞机公司的统计，制造各类民用飞机31．6万架，共用铝材710万吨，平均每架用铝22吨。铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%～60%。据预测，2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为4．5%。

美国是世界航空航天工业巨头，其用铝约占全球此领域用铝量的50%，其他国家如法国、俄罗斯、中国、日本、巴西、加拿大、英国等的用量为50%。2002年，全世界航空航天用铝量约42万吨，其中美国的用量为21．4万吨。

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

一些科学家预测，含钪铝－镁合金及其他系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。

2．铝合金在汽车中的应用

最早用于汽车制造的轻质金属材料——铝及其铝合金，也是工程材料中最实用、最经济、最有竞争力的汽车用轻金属材料，不论从生产成本、零件质量来看、还是材料利用率方面来看，都具有其他金属材料所不可及的优点。

汽车用铝合金材料的3／4为铸造铝合金，主要是发动机部件、传动系部件、底盘行走系零部件。变形铝合金主要用于热交换器系统，车身系部件。铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。

泡沫铝材是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车（Ghiaroadster）的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减重27．2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1／3。

在研制合金材料方面，如同复合材料一样，以功能和用途为原动力，设计和合成各种类型的新合金材料，如高性能结晶控制合金、非晶合金、超微粒子合金等等。这些是金属材料中最活跃的发展领域。