超塑性合金的应用与发展

新型金属——合金材料

开发先进合金的主导方向有两个：一、最大限度发挥原有合金的潜力，并在某一方面提高合金的性能。二、开发全新的合金。

一、高温合金

高温合金是指那些在极高温度下仍能满足工作要求的金属材料。20世纪30年代，飞机的发展对优质耐高温材料的需求日益强烈，高温合金因此应运而生，且主要用在航空发动机上。到了20世纪40年代末，随着喷气机问世，高温合金的使用范围也逐渐扩大。

高温合金依靠“固熔强化”、“金属间化合物强化”及“碳化物强化”三种方法来提高耐热温度。在20世纪70年代以前，高温合金的耐热温度以每年10℃增强。例如涡轮叶片最初使用的耐热钢，工作温度只有550℃～650℃，到20世纪70年代已达到1050℃。继续提高镍基和钴基高温合金的工作温度越来越困难，因为这样高的温度已接近基体金属镍和钴的熔点。很明显，合金的潜力几乎被挖尽，上面几种强化方法再也难以奏效。于是，科学家只好求助于设计和工艺的改进来满足工作温度的要求。

二、超塑性合金

20世纪60年代，航空航天上所需要的高耐受性材料——钛合金和高温合金，利用普通的锻造和轧制等工艺很难成形。于是人们希望能够有一种材料，可以很容易地进行塑性加工成型，且成型以后，又能像钢铁一样坚固耐用。而超塑性合金的出现，则将这种想象变成了现实。

其实早在1920年，德国人罗森汉在研究中就发现了锌与22%铝的合金经冷轧后，具有暂时的超塑性。这种超塑性锌合金的形成条件为，温度250℃～270℃，压力0．39兆帕～1．37兆帕。超塑性锌合金具有成型加工温度低，成型性和耐腐蚀性好等优点。1928年英国物理学家森金斯则给此现象下了一个定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度为10毫米／秒时产生本身长度3倍以上的延伸率，均属于超塑性。1945年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。

20世纪70年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现170多种合金材料具有超塑性。而到现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、钛合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200%～2000%之间。如铝锌共晶合金为1000%、铝铜共晶合金为1150%、纯铝高达6000%、碳合不锈钢在150%～800%之间、钛合金在450%～1000%之间。

金属只有在一定的变形温度和低的变形速率下才可能显示出超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。而有一些钢受热达到某个温度区域时，组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。

超塑材料加工时，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作，且可以一次成型，从而节省了能源和设备，降低了成本。但唯一美中不足的，超塑性加工的时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。超塑性合金有着广泛的用途。例如：超塑性锌合金可以用挤压或气压法生产出形状复杂、轮廓清晰的零件，如橡皮或塑料制品的腔形模，薄铜板的冲裁模，带凸筋的各种手枪、旋转纽、微波导体、各种仪表壳体等；超塑性铝合金可以用气体吹塑法“吹”成各种复杂的壳体，取代飞行器上传统的镀金零件，同时也可以应用在仪表、计算机和装饰业中。而超塑性钛合金则在汽车、航空、造船工业中具有广泛的用途。

三、记忆合金

1963年，美国海军一个研究所在实验中发现：有一些镍－钛合金丝无论做成什么形状，而当温度升到一定值时，它们便立即恢复到原来的模样，且丝毫不差。其实类似的现象在20世纪50年代初期就不止一次地被观察到，只不过当时并没有引起足够的重视，所以使记忆合金的真正实用化晚了十几年。

科学家对这一发现进行了深入的研究和反复的试验，发现很多合金都有这种奇特的本领：人们可以在一定温度范围内根据需要改变它们的形状，可是到一个特定的温度，它们都有回复原状的能力。而且这一“改变——恢复”的现象可重复进行，其“记忆”能力决不会降低。科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。1973年，美国加州劳伦斯实验室的朋克制成了第一台“镍钛诺”热机，立刻使记忆合金名扬四海。

记忆合金的成分通常是镍钛、铜锌、铜铅镍和铜金锌等。其中以50%的镍和50%的钛组成的“镍钛诺”应用最广。关于记忆合金的工作原理目前还不清楚。一般认为，记忆合金由复杂的菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，就会发生形状恢复的记忆。而当记忆合金恢复原形时伴随产生极大的力，镍钛诺合金高达60千克每平方毫米，远比最初变形时加的力大。通常可达原变形的10倍，这就意味着输出的能量比输入的能量大得多。科学家对此无法解释，物理学家罗沙尔说：“热力学定律一点没有错的地方，但这些定律就是不适合于镍钛诺……”

记忆合金由于其独特的性质，正备受人们瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，并且已被广泛应用到各个领域。

在航空航天领域中，记忆合金的应用有很多成功的范例。例如，人造卫星上庞大的天线就是用记忆合金制作的。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，等火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。

记忆合金特别适合用在管接头上。如，用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管，然后在液氮温度下将套管扩径约8%，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏、装配时间短，远胜于焊接，特别适合于在航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合应用。美国海军飞机的液压系统就使用有10万个这种接头，多年来从未发生漏油和破损。

记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用，是现代医疗中不可替代的角色。

例如接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。

齿科用的矫齿丝、结扎脑动脉瘤和输精管的长夹、脊柱矫直用的支板等，都是在植入人体内后靠体温的作用启动的，血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。

人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动。

记忆合金在人们日常生活中所起的作用同样不容忽视。利用记忆合金制成的弹簧，可以根据温度的不同来变换长短和形状，因此在日常生活中是非常有用的：1．控制浴室水管的水温。在热水温度过高时通过"记忆"功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。2．制作消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。3．放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度。当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。

目前，记忆合金还用于热机械和恒温自动控制中。可以制成室温自动开闭臂，在阳光照耀的白天，开闭臂打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。记忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间工作，从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存在的问题是效率不高，只有4%～6%，有待于进一步改进。

作为一种新型的功能材料，记忆合金正在不断地被改进，很多新用途也在被开发。或许不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，省钱又省力。

四、防振合金

过去工业上的防振，主要采用系统防振和结构防振两种方式。系统防振主要使用空气或油压减振装置；而结构防振则主要是在两种金属间夹入粘弹性高分子材料，采用蜂窝夹层结构等。这两种方式制造工艺复杂，且只是部分吸收与缓和了振源的振动和噪音。此外，夹有高分子材料的层板，由于不导电而引起点焊等工艺性恶化，且使用温度受限制，一般只能在室温至120℃范围内工作。

防振合金的出现，将防振技术带入了一个新的阶段。现在的材料防振系统，利用本身衰减能很高的防振合金制造零件，直接削弱了振源，是一种更加经济适用的高效防振方式。

防振合金出现至今只有几十年的历史。最初只用在导弹控制板、飞行器陀螺仪和潜艇螺旋桨等先进武器上，以达到防振和消音的目的。后来它的使用范围迅速扩展，逐渐由军事转向民用，成为各种运输工具和家电防止噪音的一种有力手段。

复合型防振合金的使用非常普遍。同复合材料一样，复合型防振合金有两种不同的组织成分，一种是高韧性的基体；另一种是嵌在基体中的柔软颗粒。在两种不同成分的交界面上很容易产生变形，这就能像海绵吸水一样吸收和消耗外部的振动能，达到消除噪音的目的，对噪音一般能降低3～40分贝。