新型金属结构材料研究现状

张立勇

中铁十七局集团物资有限公司（030008）

长期以来,金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料。钢铁、铜合金、铝合金、钛合金、镍合金、铅锡锌等等都是最重要的和最广泛应用的传统金属材料。对金属材料的使用性能的要求越来越高,金属材料本身也必须要发展以满足新的需要,同时科学技术的新发展,使得金属材料有可能得到新的大发展,从而可以预期,新型金属材料的发展和应用将成为21世纪金属材料工业的重要特征之一。新型金属材料的发展包括两方面,即目前大量应用的传统金属材料的新发展(俗称冶金新材料)和发展全新的完全不同于传统金属材料特性的新型金属材料[1]。

新型金属材料是完全不同于传统金属材料的一类新的金属材料。新型金属材料具有某些优越的使用性能,是传统金属材料不具备的特殊性能。这种新(型)金属材料并非一定是新发现的,但在过去尚不可能作为一种工程材料实现工业化应用,只是在当今的科学和技术发展的条件下,才有可能成为工程材料得到应用。

1 金属间化合物材料

金属间化合物主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物。它以其优异的耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性,受到材料界的青睐,是介于高温合金和陶瓷之间的最有希望的高温结构材料之一[2]。金属间化合物种类很多,在结构材料领域研究较多的是Fe-Al系、Ti-Al系以及Ni-Al系金属间化合物。

1.1 Fe-Al系金属间化合物

对Fe-Al系金属间化合物研究最多的主要是Fe3Al和FeAl合金。Fe-Al金属间化合物合金的研究始于20世纪30年代,在70年代末取得突破,到了80年代,Fe-Al合金作为一类结构材料得到广泛应用,90年代，研究发现导致Fe-Al合金室温脆性的根本原因是水汽[3。然后人们对Fe-Al合金的反常屈服行为、室温脆性、合金成分的理论设计、微合金化对Fe3Al性能的影响、Fe-Al粉末冶金制备方法[4]等方面都进行了较全面的研究。美国研究人员开发出的Fe3Al合金不仅有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能,其室温伸长率可达12.8%,采用快速凝固工艺制粉、热挤压固结的Fe3Al合金,其室温伸长率可达15%～20%,抗拉强度可达960MPa[5]。因此材料学家认为,该材料预计将在航空、化工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得广泛应用。

Fe-Al金属间化合物以后的发展方向为[6]:

1）通过微合金化来提高Fe-Al金属间化合物的塑性和韧性及高温综合性能。

2）通过铸造获取其他加工方法不能获得的所需形状。3）通过热形变处理,既可获得所需要的形状,又细化晶粒,提高材料塑性,改善材料的强韧性。

4）利用Fe-Al金属间化合物的半陶瓷性能,设计新型的复合材料。

5）解决材料的加工硬化问题,通过材料的冷加工,获得材料的精确形状。

6）开发Fe-Al合金的粉体制备工艺,研究Fe-Al的喷涂技术,充分利用该材料良好的耐腐蚀性。

1.2 Ti-Al系金属间化合物

Ti-Al系金属间化合物主要有两种:TiAl化合物(用γ表示)和 Ti3Al化合物(用 α2表示)。 由于单相(γ)化合物的塑性和断裂韧性比两相(γ+α2)化合物低得多,因此,人们目前的研究主要集中于两相化合物,即以TiAl(γ)为基体,含有少量Ti3Al(α2)的孪晶形态层片状组织的合金。

Ti-Al系金属间化合物的发展趋势可概括为以下五个方面:

1）研究开发使用温度更高,可在1 000～2 000℃之间工作的新型金属间化合物,主要是以高熔点金属Nb、W、Mo、Ta与TiAl形成的多元化合物。

2）发展以TiAl化合物为基的复合材料。用SiC、Al2O3、TiB2纤维和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等质点作为增强剂,强化化合物集体,发展新工艺,充分发挥其潜在的实用价值。

3）通过纤维组织的控制和采用先进的加工工艺来改善其力学性能,也是目前提高TiAl化合物性能的方向之一。

4）进一步研究Ti-Al系金属间化合物的室温脆性机制,从理论上解决其韧性问题。

5）加强TiAl基合金近净成形技术的研究,进一步开展对近净成形技术如精密铸造技术、粉末冶金近净成形技术以及超塑成型技术的研究。

1.3 Ni-Al系金属间化合物

Ni-Al系金属间化合物也是目前研究的热点[7],其中研究最多的是Ni3Al金属间化合物。许多Ni3Al基合金已应用于铸造和锻压,其中一些用于高温熔炉。添加B的Ni3Al合金冷轧性能很好,通过冷变形就可制得板材。NiAl比目前的Ni基高温合金轻,且具有高熔点,优良的抗氧化性以及高的热导率,但是由于低温下断裂韧性差,高温下强度差,抗蠕变能力差,在结构材料方面的应用受到限制。有人试图通过合金化的方法提高NiAl合金的蠕变强度，但是至今仍未取得较为理想的效果。

2 非晶带和大块金属玻璃合金

金属非晶带(薄膜)和大块金属玻璃合金具有非晶结构。非晶结构只有原子短程有序排列,而没有原子按一定规律排列的长程有序结构,金属玻璃处于热力学亚稳态,在一定的温度和时间条件下非晶态会向晶态转变。人们早已知道,氧化物玻璃是非晶结构。但是所有固态金属的接近平衡态都是晶体,具有原子长程有序排列的晶体结构,只有极快冷却条件下才能得到非晶结构。1960年Duwez在Nature首先报导在极快冷却条件下Au3Si液态金属凝固成具有非晶结构的金属玻璃[8]。金属液态结构也是短程有序排列,但其凝固得到的固态金属玻璃具有更大程度的短程有序,这个凝固转变是二级相变。非晶材料具有一般晶态材料没有的独特特性,例如,具有很高的刚性、强度、耐磨性和断裂韧性,优良的磁性,极佳的耐蚀性和催化特性。在一定的条件下,大块金属玻璃材料具有极好的超塑性,拉伸变形量可达15 000%。因而,金属非晶带(薄膜)和大块金属玻璃合金作为一类不同于传统金属材料的新金属材料获得重视和大力发展。

3 纳米晶粒尺度的金属材料

现有金属材料的组成晶粒或颗粒,其尺寸都在微米(1.0×10-6m)量级,而纳米金属材料由纳米(1.0×10-9m)尺度的晶粒或颗粒组成。晶粒尺度在10 nm以上时,占据界面的原子数只占20%以下,大部分原子在晶内。当晶粒细化到10 nm以下时,晶界所占体积百分数和界面原子数的占据比例上升速度加剧,到1 nm晶粒时,晶界原子数达到近90%(随晶粒形状略有差异)。这时,材料的原子排列已不同于常规晶体具有的严格有序排列,其原子排列特征主要由晶界区原子排列决定,晶界区原子排列是被扰乱的有序排列或含有大量缺陷的有序排列,晶界原子虽有序排列,但与晶粒内部的结构相比,原子偏离了正常平衡位置,发生晶格畸变和晶格体积变化,并且成为被晶界区隔开而互不相关的纳米尺度有序排列原子团,常规晶态的电子理论已不能正确应用到这种特殊结构,从而构成与晶态和非晶态均不相同的一种新的结构状态,成为一种全新的材料。

4 先进金属基复合材料

金属基复合材料在比强度、比钢度、导电性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。主要制备方法为:扩散法，沉积法，液相法[9]和熔体搅拌法[10]。研究较多的金属基复合材料包括[11]:硼纤维增强铝复合材料，碳化硅纤维增强铝复合材料和金属基纳米复合材料。金属基复合材料在新兴高科技领域，宇航、航空、能源及民用机电工业、汽车、电机、电刷、仪器仪表中日益广泛应用。

[1]陈国良.新型金属材料(一)[J].上海金属,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]万晓景,朱家红,黄胜标.Fe3A1与水汽及氢气的表面反应[J].金属学报,1997,32(7):707～709.

[4]望斌,彭志方,张凡,等.粉末冶金制备Fe-A1金属间化合物材料研究进展[J].材料导报,2007,21(1):75～82.

[5]范润华,刘英才,尹衍升.Fe3A1金属间化合物强韧化研究进展[J].材料科学与工程,1997,15(4):47～49.

[6]吴建鹏,朱振峰,曹玉泉.金属间化合物的研究现状与发展[J].热加工工艺,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]杨遇春.金属基复合材料的发展现状和趋势[J].稀有金属,1991,(4):289～295.

[10]吴人洁.金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报,1997,33(1):78～82.

[11]高玉红,李运刚.金属基复合材料的研究进展[J].河北化工,2006,29(6):51～54.