金属材料-505小分队

1、金 属 材 料西北工业大学 材料学院Northwestern Polytechnical UniversityCONTENTS13254绪论金属材料与社会发展金属材料的制备与成型技术Nb-Si基超高温合金研发金属材料展望 什么是金属材料？1绪论西北工业大学 材料学院 NWPU金属材料：金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。纯金属：不含其他杂质或其他金属成分的金属合金：两种或两种以上的金属元素或以金属为基的具有金属特性的金属材料金属间化合物：两个及以上金属或类金属组元按比例组成的具有金属特性和长程有序晶体结构的化合物金铁1绪 论西北工业大学 材料学院 NWPU金属材料的特性力学

2、特性：塑性，疲劳失效，冲击韧性等物理特性：金属光泽，导电性，导热，导磁，熔点密度差异大化学特性：易氧化，能与酸，碱反应等结构和键合特点1绪 论西北工业大学 材料学院 NWPU2金属材料与社会发展西北工业大学 材料学院 NWPU约10万年前，人类最先学会使用材料，从而与其他动物区分开来，开始进化。 早期人类时代的划分： 旧石器时代： 100，000BC 新石器时代： 8000BC 青铜时代： 5000BC 铁器时代： 1000BC 金属材料对人类的发展产生了极其深远的影响！2金 属 材 料 与 社 会 发 展西北工业大学 材料学院 NWPU 司母戊鼎马踏飞燕2金 属 材 料 与 社 会 发 展西

3、北工业大学 材料学院 NWPU2.1古人对金属材料的使用生命之环钢结构总重3500吨2金 属 材 料 与 社 会 发 展西北工业大学 材料学院 NWPU2.2金属材料与现代建筑现代高速铁路使用了大量的钢铁！2金 属 材 料 与 社 会 发 展西北工业大学 材料学院 NWPU2.3金属材料与现代交通大飞机工程中对金属及金属基复合材料的需求2金 属 材 料 与 社 会 发 展西北工业大学 材料学院 NWPU2.4金属材料与航空工业美国航母甲板：690 MPa级高强钢、HSLAll5钢；法国 “凯旋”级核潜艇耐压壳体：HLESl00钢；日本“亲湖”级潜艇（可下潜500米）：NS110钢（屈服强度10

4、00 MPa）。2金 属 材 料 与 社 会 发 展西北工业大学 材料学院 NWPU2.5金属材料与航海工业3金属材料的制备与成型技术西北工业大学 材料学院 NWPU工艺保证RESEARCH METHODS3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU金属冶炼高温长时热处理金属冶炼：把金属从化合态金属冶炼：把金属从化合态变为游离态的过程。用碳、变为游离态的过程。用碳、一氧化碳、氢气等还原剂与一氧化碳、氢气等还原剂与金属氧化物在高温下发生还金属氧化物在高温下发生还原反应，获得金属单质。原反应，获得金属单质。还原法置换法电解法热还原法：热还原法：2Fe2O3+3C

5、O 2Fe+3CO23金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU3.1金属冶炼3.2铸造：铸造：是一种将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固，清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。特点：特点：不受铸件尺寸、形状及合金材料的限制；技术难点：技术难点：微观组织与成分的精确控制；发展方向：发展方向：精密浇铸，特殊条件下的凝固。铸铸造造砂型铸造特种铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU液态成型（铸造、凝固） 特 点生产效率高，可以大批量生产生产效率高，可以

6、大批量生产改善了金属的组织与结构改善了金属的组织与结构材料利用率较高，一般可达材料利用率较高，一般可达7585%尺寸精度高尺寸精度高 利用金属的可塑性，在外力的作用下使其形成需要的形状的加工方法，包括冲压、拉拔、锻造和轧制等，其中锻造又分为自由锻、模锻和特种锻造。3.3塑性成型3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU发展趋势焊接：焊接：利用局部加热或加压的手段，使分离的两部分金属通过原子的扩利用局部加热或加压的手段，使分离的两部分金属通过原子的扩散与结合而形成永久连接的工艺，其涉及到金属的熔化与凝固过程。散与结合而形成永久连接的工艺，其涉及到金属的熔化与

7、凝固过程。RESEARCH METHODS焊接机器人的开发与生产；焊接机器人的开发与生产；灵巧智能型焊接机；灵巧智能型焊接机；计算机模拟技术与控制技术；计算机模拟技术与控制技术；发展无损探伤技术及可靠性评估的方法及理论；发展无损探伤技术及可靠性评估的方法及理论；发展恶劣条件下的焊接。发展恶劣条件下的焊接。3.4焊接成型3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU3D打印：打印：平面打印的叠加，图像一层一层的覆盖和凝固，从平面逐渐增高，渐渐形成立体的物件。特点：特点：无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；能够打印出一些传统生产技

8、术无法制造出的外型；快速有效。 3.53D打印3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU粉末冶金：粉末冶金：用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结来得到各种类型制品的工艺技术。特点：特点：材料利用率高；可加工外形复杂的零件；没有焊接缝等弊端；没有成分偏析等缺点。3.6粉末冶金3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU金属热处理：将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工

9、艺。钢的热处理：退火（缓慢冷却）；正火（空气中冷却）；淬火（在水或油等介质中快速冷却）；回火（淬火后的长时间保温）。3.7金属热处理3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU精密成型工艺，由近形向净形发展；精密成型工艺，由近形向净形发展；成形过程中的计算机数值模拟；复合成型工艺复合成型工艺；未 来 发 展 方 向原则：满足工业产业的需求、高效、环保和节能。模具、模型及工装的计算机辅助设计与制造。3.8金属材料成型未来发展方向3金 属 材 料 的 制 备 与 成 型 技 术西北工业大学 材料学院 NWPU4Nb-Si基超高温合金研发西北工业大学 材料学院 N

10、WPU西北工业大学 材料学院 NWPUNb-SiNb-Si基超基超高温合金高温合金壹壹贰贰叁叁肆肆制备技术制备技术合金化合金化研发进展研发进展4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.1图1 GE 90-115B喷气式发动机的结构示意图Nb-Si基超高温合金 Nb-Si基超高温合金被认为是最有潜力的新一代发动机结构材料的候选合金之一，具有熔点高，密度小，高温强度高等一系列优点，且在13001400 的抗氧化性能好，能够满足新一代发动机热端部件的需求。 就作为航空航天飞行器发动机所用的高温材料而言，Nb-Si超高温合金不仅满足使用温度的要求，更重要的

11、是在该温度下具有更高的比强度，比刚度以及低膨胀系数。4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.1Nb-Si基超高温合金 纯铌在高温下易形成没有保护作用的Nb2O5，甚至在600 就发生“pest”氧化。其氧化具有明显氧化物层裂纹的体系，随着氧化层增厚，内应力使氧化层开裂，引发灾难性氧化。Nb-Si超高温合金的抗氧化能力较纯铌的有所提高，但离实际应用还有一定差距。 但是铌及铌合金的发展和工程应用仍严重受制于其在氧化性氛围下的灾难性氧化行为。4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.2制备技术粉末冶金定向凝

12、固真空电弧熔炼制备技术反应放电等离子烧结（SPS）技术反应热压烧结（RHPS）技术真空自耗电弧熔炼技术真空非自耗电弧熔炼技术水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固技术电子束浮区熔炼定向凝固技术光悬浮区熔炼定向凝固技术超高温真空整体定向凝固技术4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.3合金化Nb-Si基超高温合金熔点高高温抗氧化性能差高温强度优良涂层制备合金化涂层损伤，引起灾难性氧化4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.3合金化对Nb-Si基超高温合金的影响元素作用Mo提高合金的熔点，室温韧性

13、和高温强度，但是会降低其抗氧化性 Ti提高室温断裂韧性和抗氧化能力；但随着其含量的增加，合金的熔点下降Cr生成Laves相，提高抗氧化能力；但降低室温断裂韧性Al促使Laves相形成，提高抗氧化能力HfHf使-Nb5Si3稳定；提高合金的抗氧化性能；其固溶强化作用提高合金的高温强度B主要分布在硅化物中，会阻止Nb的扩散，因此提高了硅化物的高温强度Y细化晶粒，改善抗氧化性能4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.4研发进展组织结构定向凝固组织定向凝固组织横截面上：耦合生长的圆形共晶胞。纵截面上：Nbss片和(Nb,X)5Si3层片耦合生长，沿着抽拉

14、的反方向挺直生长。共晶胞直径及层片间距随抽拉速率增大而减小。组织明显粗化，相的尺寸增大。Nb-Si基超高温合金在熔体温度2050时的整体定向凝固组织： (a) (g) 2.5 m/s, (b) (h) 5 m/s, (c) (i) 10 m/s, (d) (j) 20 m/s, (e) (k) 50 m/s and (f) (l) 100 m/s. 4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.4研发进展室温断裂韧性图6 Ti元素对Nb-Si基超高温合金断裂韧性的影响 Ti元素是有效提高Nb-Si基超高温合金室温断裂韧性的合金化元素之一，Ti元素的加入

15、主要是通过增强Nbss的韧性而提高合金断裂韧性的。 H.R. Xu等人研究发现：随着Ti含量的增加，合金的断裂韧性也逐渐增加，但是合金的共晶点随着Ti含量的增加会造成合金的熔点下降，从而降低了材料的最高承温能力。而Ti和Al的同时加入能够使材料的断裂韧性提高的更为显著。4N b - S i 基 超 高 温 合 金 研 发西北工业大学 材料学院 NWPU4.4研发进展高温抗氧化性能 研发了研发了Al, Cr, Zr, B以及稀土元素Y, Ce改性的多元梯度复合硅化物渗层；抗氧化性能达到：抗氧化性能达到：1250的抗氧化时间500h以上；1380的恒温抗氧化时间大于50h，抗热震氧化时间大于30min；渗层致密、缺陷少、厚度可控制备了渗层的工件在1380下30 min热震氧化后的形貌 5金属材料展望西北工业大学 材料学院 NWPU5金 属 材 料 展 望西北工业大学 材料学院 NWPU由于比强度和比刚度较低，金属在工程材料中所占的份额日益减少，在重量作为主要考虑因