稀有金属及其制备技术试题及答案

1、1.请从Ti的二元相图角度分析Al、V、Mo、Fe、Cr、Sn 元素在钛合金中的作用；并在此基础上，结合现有钛合金牌号，提出发展新型高强钛合金、低成本钛合金的成分设计思路。答：根据钛的二元相图将钛的合金化元素分三类:稳定化元素：提高/转变温度，增加相，如Al；稳定化元素：降低/转变温度，增加相，如V、Mo、Fe、Cr等；中性元素：影响很小，如Sn。Al:强化作用(室温和高温)；减小合金的比密度；含铝量达6-7时具有较高的热稳定性和良好的焊接性。V：提高室温强度和淬透性，不降低其塑性，是中/高强钛合金、阻燃钛合金最常用的元素之一，冷成形性优良；降低钛合金的耐热性和耐蚀性，有毒性，价格较贵。Mo：

2、提高强度、耐热性和耐蚀性；含量越高，淬透性越好（含量超过24时，空冷能获得全组织）；钼密度高、熔点高，易形成钼夹杂或钼偏析；大量钼的添加对钛合金的塑性、抗氧化性能和可焊性不利。Fe：Fe是最强的稳定元素，添加1Fe，/相变点下降约18 显著提高淬透性；主要用于高强高韧高淬透性的钛合金；在合金铸锭中易形成偏析，在钛材中形成斑型冶金缺陷，降低耐蚀性；铁便宜，是发展低成本钛合金的重要元素。Cr：铬是有效的稳定元素，铬在中的溶解度仅有0.5%。共析反应缓慢，因此一般钛合金中Cr含量低于5，以避免析出TiCr2金属间化合物。Sn：Sn 属于Ti的共析型元素主要起固溶强化作用，提高耐热性；锡含量过高增加钛

3、合金的密度，超过一定浓度形成有序相Ti3Sn，降低塑性及热稳定性。发展新型高强钛合金、低成本钛合金的成分设计思路：目前我国的高强钛合金主要有：TB8（合金成分为Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、TC21（合金成分：Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb）等，低成本钛合金有：Ti8LC（Ti-Al-Fe-Mo）和Ti12LC（Ti-Al-Mo-Fe）等。由此可以看出发展新型高强钛合金、低成本钛合金主要通过合金化实现，应选择可以提高钛合金强度同时低成本合金元素，尽量避免选用价格较贵的合金元素如V、Nb等，多采用便宜的合金元素Al、Fe等，以实现高强度低成本钛合金。2.

4、按照亚稳状态下的相组成和稳定元素含量将钛合金分成了哪几类，各有什么特点？答：型钛合金：只由稳定元素和/或中性元素合金化的钛合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强；在500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。近型钛合金：加入少量稳定元素形成近型钛合金，良好的焊接性和高的热稳定性；较高的蠕变强度和高温瞬时强度(即较高的热强性)；主要以相为主，不能通过热处理进行强化。+型钛合金：同时加入稳定相元素和稳定相元素，合金元素含量低于10%，室温为+两相，但相含量不超过30%，有非常好的综合机械性能，尤其是

5、好的工艺塑性和可采用强化热处理的能力，是应用最广泛的合金。近型钛合金：稳定元素略高于临界浓度的钛合金。成分中主要含有稳定元素钒、钼、铁、铬等。具有最高的强化效应、最高的强度(1200MPa)、较深的淬透截面(60150mm)、良好的拉伸塑性和断裂韧性。亚稳型钛合金：凡合金中所含稳定化元素的量达到使马氏体转变点降至室温以下而又不足以使转变点低于室温的合金称为亚稳态型合金。在固溶处理状态具有中等强度和高的塑性，冷成型性和可焊性好。时效后室温强度高、断裂韧性好、淬透性好，可满足航空大型锻件高强、高韧、高淬透性的使用要求。但是在350以上热稳定性差，可在300以下使用对杂质的敏感性高，尤其是对氧有高度

6、的敏感性冶金工艺复杂，焊接性较差。稳定型钛合金：这类合金在平衡状态下，全部由稳定的相组成，热处理不能改变其相组织。3.请选择一种你关心的钛合金加工工艺，阐述其基本原理、工艺特点及其影响因素，分析1-2种缺陷的形成机理并提出改善措施。答：钛合金锻造基本原理：钛合金锻造是利用锻压机械对钛合金坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。钛合金锻造的最原始坯料是铸锭，锻造过程中铸态组织经过变形和再结晶，使原有的粗大枝晶和柱状晶粒变成了晶粒细小、大小均匀的等轴再结晶组织。同时铸锭内原有的偏析、疏松、气孔、裂纹等压合，使金属的组织变得更加密实，提高金属的塑性和力学性

7、能。主要类型有：自由锻造、常规锻造、近锻造、亚锻造、全锻造等。钛合金锻造工艺有如下特点：(1)钛合金的锻造温度范围较窄；（）型钛合金锻造加热温度低于()/转变温度，型钛合金通常在（）两相区锻造，钛合金始锻温度和终锻温度都高于()/转变温度；(2)钛合金具有很强的应变速率敏感性。在锻造过程中，随着变形速率的增加，其变形抗力显著增大；(3)锻造温度对钛合金变形抗力影响显著；(4)间隙元素（氧、氮、碳）的含量对钛合金锻造性能有显著影响，特别是对氢元素尤为敏感。影响因素：主要有锻造温度、保温时间、变形程度、变形速率和锻后冷速。其中锻造温度：影响可加工性、显微组织、晶粒粗化；在保证不发生裂纹的前提下应尽

8、量降低锻造温度；为得到高强度和塑性，在+区域精锻时，应控制锻造温度，减少加热次数，增加锻造比；尽量避免加热时的过热和锻造中的加工发热，以保证理想的锻造比和优良的性能。保温时间：影响吸氢、显微组织粗化；变形程度：影响可加工性、显微组织（如再结晶、晶粒结构和相得形成）；变形速率：可加工性、变形过程中的试样升温、再结晶；锻后冷速：影响相变和析出行为。缺陷及改进措施：（1）锻造热应力：钛合金在相变点(+/转变温度)以上变形易获得网篮组织或魏氏组织，塑性、疲劳性能差。随着锻造加热温度的升高，双相钛合金显微组织中初生等轴的含量明显降低，而板条含量显著增加。也就是说双相钛合金在相变点以下加热时，随着加热温度

9、升高，组织中初生等轴逐步向相转变，从而导致加热锻造后的钛合金显微组织中初生等轴含量降低、形态变小，板条含量增多，当加热锻造温度超过钛合金相变点之后，双相钛合金组织中的初生等轴全部消失，为板条状网篮组织或魏氏组织。改进措施：钛合金在锻造变形中，一般情况下中心部位是剧烈变形区，所以中心是温升最高的区域，将中心部位温升情况作为制订锻造工艺的主要依据。采用锻造速度较快的锻锤锻造钛合金时，必须考虑锻造过程中的中心热效应，不能连续重击坯料。钛合金锻造在有条件的情况下建议采用压力机或快锻机，该类锻造设备打击速度低，锻造过程中坯料瞬时应变速率较低，产生的变形热不是非常明显，同时有足够时间进行变形热扩散，不会导

10、致瞬时心部温度明显增高。（2） 组织不均匀：锻造有时会产生粗大块又称大白块，与网篮组织中细小的正常条相比，在形态上表现为粗大、不均匀，由晶界向晶内生长，很少出现交错现象，其晶界面比较粗糙，凹凸不平。这种不均匀组织致使合金塑性与热稳定性能下降，影响了锻件质量。改进措施：首先在其铸锭开坯锻造时，采用适当的高温均匀化处理，对于铸锭柱状组织区域的微观晶内枝晶偏析通过均匀化退火或变形再结晶改善和消除；其次在合金坯料及成品模锻过程中采用适当的锻后冷却方式加以控制，抑制其显微组织中出现粗大块。4. 请给出钛合金片层组织、等轴组织的基本特征和性能特点，并以Ti-6Al-4V钛合金为例，给出获得片层组织、双态组

11、织的加工工艺，分析各工序对组织的影响。答：片层组织。组织特征：具有粗大等轴的原始晶粒，在原始晶界上有较为完整的网，原始晶界清晰完整，晶内相呈片状规则排列。性能特点：断裂韧性、持久和蠕变强度好，但塑性、疲劳性能和拉伸性能都较低。等轴组织。组织特征：在转变基体上均匀分布着含量超过50%的等轴初生相。性能特点：较高的塑性，尤其断面收缩率较高，但断裂韧性、冲击韧性和持久强度较差。片层组织加工条件：加热和变形都在相区进行时形成这种组织，或将合金加热到相区较慢冷却时。双态组织加工条件：在两相区的上部加热和变形，或在两相区变形后，再加热至两相区上部温度后空冷。Ti-6Al-4V片层组织工艺：加热到1065后

12、进行炉冷可得到片层组织。双态组织：加热到900或955后进行炉冷得到双态组织。5.试评价集成计算技术在高性能钛合金材料及工艺技术发展中将发挥的作用（如何促进钛合金材料技术的发展）。答：集成计算材料工程( ICME) 是材料基因组计划( The Materials Genome Initiative-MGI) 的重要部分，它旨在把计算材料科学的工具集成成一个整体系统以加速材料的开发，改造工程设计的优化过程，并把设计和制造统一起来，从而在实际制备之前就实现材料、制造过程和构件的计算机优化，其最终目标是提高先进材料的发现、开发、制造和使用的速度。 由于数值模拟技术使得钛合金热加工工艺过程可以真实地在

13、计算机上再现，所以企业生产者和科研工作者都利用此技术研究理想工艺参数与相应组织、力学性能的关系，达到优化现行生产工艺和降低新产品、新工艺、新材料研制成本的目的。有人研究了片状组织TC21钛合金在两相区锻造过程中的相演变。采用 DEFROM 软件模拟分析了锻造过程中温度场、应变场的变化规律并定量分析了相的形貌变化。有人采用刚粘塑性有限元法对 TC11 钛合金异型模锻件成形过程进行了数值模拟，研究了锻件成型时金属流动规律、成形过程温度场及载荷等，实现了工艺的优化，且模拟结果与实验结果相吻合。有人对TA15钛合金大型整框零件锻造过程进行了数值模拟，确定了合理的坯料尺寸和模锻工艺参数。采用DEFROM

14、 3D对TC11 钛合金多火多向反复热镦拔工艺进行了三维有限元模拟，分析了在不同火次、不同变形阶段时锻件中的温度场、应变场，得出最佳镦粗比。利用商业化有限元模拟软件 Deform 3D对TiAl合金高温锻造开坯工艺过程进行了数值模拟，获得了两步锻造时不同变形量组合下变形饼坯中等效应变场和断裂因子分布信息。 与传统工艺试错法相比，采取模拟技术作为研发手段可缩短研制周期、降低生产成本、优化生产工艺，从而达到提高生产效率和增加经济效益的目的。而钛合金因价格昂贵、生产周期长，其生产工艺的研究迫切需要模拟技术来为之开辟捷径，以攻克热加工温度范围窄、工艺组织性能关系复杂多样等难题。未来钛合金热变形机制及微

15、观组织演变规律的研究须将物理模拟技术和数值模拟技术有机结合，建立更加符合实际生产过程的宏观有限元模型，并将其与微观组织演变模型耦合，力求模拟结果不仅能为现场生产提供理论依据，而且能够定量地指导现场工艺，最终达到实时跟踪变形过程、控制产品质量的目的。1.简述钨合金的主要强化机制及钨合金的典型热处理工艺。答：钨的合金化途径主要通过固溶强化、固溶软化、弥散强化、变形强化、细晶强化、和气泡强化以及两种或两种以上的合金化途径组合成的复合强化。固溶强化：主要是通过添加置换元素的固溶强化。要求合金化元素在所有温度下能与钨形成连续固溶体以达到最大的固溶强度，以便在相应合金系统的固溶线温度高时，保证合金系统在高

16、成分下仍可以在极高温度下使用；同时合金的原子尺寸和弹性与钨差异大。固溶软化：添加铼会加速钨合金在变形过程中孪晶的形成，减少堆垛层错能，降低对位错移动的晶格阻力，从而导致位错迁移率增加，促进钨的固溶软化。此现象也被称为“铼的塑化效应”。弥散强化：弥散强化包括直接强化和间接强化作用。直接强化：主要来源于位错与弥散颗粒的相互作用，其主要强化机制是颗粒对位错的钉扎作用，位错在颗粒周围缠结，阻碍位错滑移。间接强化：主要是由于亚晶粒的形成引起的。W-Re-HfC、 W-4Re-0.26HfC中的亚晶粒和位错网都起到了强化作用。随着温度的升高，原子扩散速率加快，位错网的解锁，弥散颗粒尺寸增大, 强化效果下降

17、。变形强化：随变形量增大钨颗粒断面尺寸减小，钨颗粒的断面形状从球形向椭圆形直至不规则的多边形发展。多边形趋势与材料变形所受复杂的应力状态相关。尺寸变小则是长径比变化在断口上的直接体现。随变形量增大，钨颗粒被拉长，断面中基体的韧窝状断裂比例逐渐减小，钨/钨界面断裂和钨颗粒/基体界面断裂比例明显降低，而钨颗粒解理断裂比例逐渐增加。断裂逐渐由基体向增强体转移，这是导致钨合金强度增加的关键因素之一。细晶强化：添加稀土元素或稀土氧化物(如Y2O3、CeO2、ZrO2、La2O3、ThO2、V2O3等)可以起到明显的细化晶粒的作用，起到抑制W晶粒长大的作用。晶粒长大主要发生在W的溶解-析出过程中：(1)抑

18、制剂吸附在W颗粒表面，改变了W-粘结相的界面自由能，同时也减小了W-粘结相不同界面间的各向异性，减少了颗粒长大的机会；(2)抑制剂弥散分布在W颗粒表面，阻碍W界面的迁移，防止W颗粒发生聚集长大；(3)抑制剂通过在粘结相中的溶解，阻止了溶解-沉淀的进程，降低了溶解-沉淀速度。气泡强化：掺钾的钨合金用于白炽灯丝，使钨的再结晶温度提高大约200K。由于钾气泡和钨之间的界面能较低，有效地阻碍了晶粒粗化动力，阻碍了再结晶。钾气泡阻止或拖拽晶界滑移，晶界发生弯曲和扭折。钾气泡也对位错有钉扎作用。这些都提高了灯丝的强度。钨合金的典型热处理工艺去应力退火：去应力、降低硬度、改善塑性，一般在开始再结晶温度以下2

19、00左右进行。再结晶退火：钨及其合金在开坯阶段，常采用再结晶退火，以减少或消除组织不均匀性；接近成品及成品退火不可用此方法，否则会使韧脆转变温度提高。形变热处理：弥散强化钨合金如W-Hf-C和W-Re-Hf-C等中的碳化物，在基体中溶解度随温度升高而增大，可用形变热处理方法，使碳化物在早期加工时溶解，后在可行的低温下完成终加工，诱导溶解的碳化物尽可能沉淀为细微粒，并通过冷加工尽可能引入微细的亚晶组织。热处理时表面污染：在高温下易被氧、氮、碳等污染，需在保护性气氛或真空热处理，一般采用氢气保护。2.简述锆合金元素选择的基本原则及杂质元素对锆合金性能的影响规律，并举例说明合金化元素在锆合金中的作用

20、。答：锆合金元素选择的基本原则1）合金元素的热中子吸收截面应当小，这才能保持锆热中子吸收截面低的优点；2）合金元素应该保证该合金制作的堆芯结构件在反应堆整个运行寿期内具有良好的耐蚀性能；3）合金元素应该保证合金不会恶化吸氢性能；4）合金元素应该保证该合金制作的燃料元件和管道等结构件，在反应堆运行的各种可能的工况（包括功率突变和事故情况）下力学性能稳定可靠；5） 合金元素不应形成具有强放射性的长寿命的放射性核素如60Co，因为这将提高反应堆卸料、乏燃料元件存放和运输的成本。杂质元素对锆合金性能的影响规律l 根据上述规律，理论上锆的同族元素进行合金化对提高锆的耐腐蚀性能最有利。周期表中第IV族元素

21、有Ti、Hf、Si、Pb、Ge、Sn、C。其中Ti对锆的耐蚀性能有害；Hf的热中子吸收截面太大；Pb熔点很低；Si和Ge的晶胞均为钻石立方结构，原子半径同锆的相差太悬殊，不易溶于密集立方结构的-锆中，且几乎不溶于-锆中，所以只有Sn是第IV族元素中唯一能作为锆的合金化元素。l 在周期表第V族元素中有V、Nb、Ta、N、P、As、Sb、Bi等，其中N和V对锆的耐蚀性能有害；As、Sb、Bi熔点低；Ta的热中子吸收截面大，所以在第VB族元素中只有Nb可作为锆的合金化元素。l 同理，在第VIB族元素中有Cr、Mo，在第VIII族元素中有Fe、Ni可作为锆的合金化元素。实验表明，当Cr与Fe、Ni同时

22、加入锆中时能改善锆合金的耐蚀性能，Ni有促进锆合金吸氢的倾向。l 作为核用锆合金的合金元素是有限的，目前使用和研究的锆合金中主要的合金元素主要有：Sn、Nb、Fe、Cr、Ni、O，还有V、Mo，Cu，Al等。Fe、Cr、Ni的作用铁、铬和镍被看作共析体，因为在它们的相图中这些元素都有相共析分解。随着铁含量的增加，强度增大，而塑性相应下降。1%（原子）铁会使锆的抗蠕变性能显著提高，超过此量后，抗蠕变性能明显下降。铬对锆的机械性能的影响与铁相似，它们在-锆中的溶解度都很低。铬可以提高锆的强度，强化效应的最大值在2%（原子）处，但强化作用比锡弱。铬对锆的蠕变抗力也有改善作用。铬含量在0.5%1.0%

23、（原子）时，Zr-Cr合金在500°C下的蠕变抗力最好。而继续增加铬含量时，蠕变抗力下降。镍对锆有一定的强化作用。对机械性能的影响与铁相似，锆中加入镍能改善锆合金高温蒸汽腐蚀性能，但镍在锆中能增加锆的吸氢量，引起锆的氢脆现象。在锆-锡合金中加入适量的Fe、Cr和Ni(总量为0.30.4%)，不仅能抑制过量锡的有害作用，还能提高锆的高温耐蚀性能。3.钽、铌及其合金的物化性质、力学性能及应用领域。答：钽的基本性质：l 略带蓝色的浅灰色金属, 密度为16.50 g/cm3；熔点2996, 仅次于钨和铼，居第三位。l 富有延展性,韧性比铜更好，冷加工可拉成细丝和制成薄箔；膨胀系数很小,每升高

24、1, 只膨胀百万分之六点六；l 化学稳定性强, 常温下不和水及空气发生反应, 冷和热态下都有极强的抗腐蚀性, 能抵抗除氢氟酸外的一切无机酸。将钽金属放入200的硫酸中浸泡一年, 表层仅损伤0.006 毫米。实验证明: 常温下, 碱溶液、氨、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂对钽均不起作用；l 钽在常温下能溶解氢, 开始生成固体溶液, 而后生成氢化物, 可作为贮氢材料。钽的应用：l 在制取无机酸的设备中, 钽可用来代替不锈钢, 寿命比不锈钢长十几倍;l 在化工、电子、电气及原子能行业中, 可以取代由贵金属铂，大大降低成本；l 作为炼制超强度钢、耐蚀钢和耐热合金钢的重要元素，可作为火箭、宇宙飞船、

25、喷气飞机等空间技术所需的特殊材料；l 钽和7.5%的钨制成的无磁性合金，在红热条件下可保持弹性，广泛应用于电器工业、电子管工业；l 钽条还专用于整流器中；l 用于制造外科刀具、人造纤维的拉线模等, 是铂的代用品；l 碳化钽具有极强的硬度和极高的熔点, 在高温条件下与金刚石不相上下, 用其做成的切刀, 可高速切削许多坚硬的合金; 用它制成的钻头, 可代替最坚硬的合金或金刚石钻头；l 生物相溶性好，用来修补、封闭人体破碎的头盖骨和四肢骨折的裂缝及缺损；钽的细丝作为手术缝合线，可代替肌腱和神经纤维；钽板可作人造钽耳。铌的基本属性：l 铌的熔点高(2468), bcc 结构, 延性和导热性好，强度和比

26、强度高，密度8.6g/cm3，是最轻的难熔金属，热膨胀系数7.2, 高温力学性能好,强度能保持到1649.9，热中子俘获截面小，在腐蚀介质中极为稳定，塑-脆转变温度低(-160)；l 铌的热中子吸收界面小，抗腐蚀性强同时具有良好的高温强度，可用作原子能反应堆的结构材料和核燃料的包套材料，还可以作为核燃料的添加剂；l 铌和铌合金在高温下能保持很高的强度和良好的加工性能，可制成薄板和形状复杂的零件。在高超声速飞机、航天飞行器、卫星、导弹和l 超音速低空火箭等方面，铌被优先选作热防护材料和结构材料。铌及其合金的应用领域：钢铁工业：世界约8590的铌以铌铁形式用于钢铁生产。钢中只需加入0.030.05

27、的铌便可使钢的屈服强度提高30以上。铌还能通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布，在较宽的范围内调整钢的韧性水平。因此，钢中加入铌不仅可以提高钢的强度，还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性，降低钢脆性转变温度，使钢具有良好的焊接性能和成型性能；超导材料工业：铌的某些化合物和合金具有较高的超导转变温度，因而被广泛用于制造各种工业超导体，如超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器、核磁共振成像设备等。目前，最重要的超导体材料是铌-钛和铌-锡，被广泛应用于医学诊断的磁振图象仪和用于谱线(分析)的核磁共振仪。航空航天工业：航空航天工业是高纯铌的主要应用领域，主要用于生产火箭、飞船的发动机

28、和耐热部件。铌和钽的热强合金具有良好热强性能、抗热性能和加工性能，广泛用于制造航空发动机的零部件、燃气轮机的叶片。在美国几乎所有喷气式战斗机的发动机的热部件都采用铌合金。原子能工业：铌的热导率好，熔点高，耐腐蚀性好，并且中子俘获截面低，是一种非常适合原子能反应堆的材料。铌在原子能工业的主要用途包括：核燃料的包套材料、核燃料的合金、核反应堆中热交换器的结构材料。电子工业：铌酸盐陶瓷可用于制作电容器，铌酸锂、铌酸钾等化合物单晶是新型光电子学和电子学用晶体，具有良好的压电、热电和光学性质，被广泛应用到红外线、激光技术和电子工业中。此外，铌的熔点高，发射电子能力强，并具有吸气能力，可用于制作电子管及其

29、它电真空器件。医疗领域：铌具有良好的抗生理腐蚀性和生物相容性，不会与人体里的各种液体物质发生作用，并且几乎不会损伤生物的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，因而常被用于制造接骨板、颅骨板骨螺钉、种植牙根、外科手术用具等。4.稀有金属材料致密金属坯锭需要满足哪些基本要求？简述粉末冶金和真空熔炼制坯技术的性能特点及适用范围。答：锭坯必须满足以下要求：化学成分和杂质含量在规定范围内，且分布均匀；组织均匀，无特异或个别粗大晶粒；无折皱和急剧凹凸等表面缺陷；无夹杂、裂纹、疏松、缩孔等冶金缺陷合理的形状和尺寸。粉末冶金制坯技术的性能特点：l 可直接生产出所要求的成品和供直接加工的坯料；l 组织细而均匀，利

30、于后续加工；l 不存在成分偏析、晶粒粗大的缺点，具有良好的力学性能和高温性能；l 金属损失少，成品率高；l 能够控制制品的空隙度，生产金属过滤材料；l 对于小规格，小批量产品的生产，具有较大的灵活性。真空熔炼性能特点：l 提纯金属的物理、化学过程，对气态生成物的熔炼反应起促进作用；l 分解氮化物、氧化物，脱气、脱氧、金属杂质上浮；l 真空熔炼方法各异，但从熔炼原理出发，均遵循相同的热力学、动力学原理；l 真空作为一种保护性气氛，可防氧化、减少金属内部的气体与金属氧化等杂质，提高金属的纯洁度；l 同时，在真空条件下向金属内添加的元素成分和含量（特别是活性元素）容易控制，提高合金的性能，为熔炼钨、

31、钼、钽、铌、钛、锆、铪等稀有金属材料开辟了道路；适用范围：熔炼法占主导地位，粉末冶金多用在钨钼铼及其合金的生产、某些特殊性能要求的材料，如不下垂钨丝、多孔难熔金属材料、硬质合金、高密度复合材料等。5简述影响真空熔炼过程中影响元素挥发速率和脱气效果的主要因素。答：影响挥发速率的因素l 各组元蒸汽压的影响，成正比；l 活度的影响，元素在熔体中活度系数小，其它组元对其吸引力大，难以脱离熔体，难挥发；l 温度的影响，温度高，挥发快；l 真空度的影响。真空度高，挥发快；l 坩埚尺寸的影响。对于一定来的金属熔体，坩埚直径大，则熔池深度小，利于熔池内部分子向自由表面迁移，并且熔池表面积大。脱气l 真空熔炼脱

32、气效果好，金属中气体的溶解度随气相中该气体分压的降低而降低l 当真空度足够高，气体分压低，分子的平均自由程等于或大于熔池液面到炉壁表面间的距离时，气体从熔池液面挥发溢出的速度取决于它在熔池中的扩散速度，并与其扩散系数及熔池的搅动有关l 熔池强烈搅拌时，熔体/炉气界面层变薄，气体在熔池内分布均匀，仅在熔池表面层存在温度梯度，气体溢出速率为：（秒）l 熔池的表面积和气体的扩散系数越大，脱气速率越大l 在有电磁搅拌熔池和温度较高时，脱气效果会更好l 熔池中加入可产生气泡的物质，加速脱气6. 简述真空熔炼制备技术的性能特点及元素挥发过程，并列出影响真空熔炼过程元素挥发速率的因素答：真空熔炼性能特点：l

33、 提纯金属的物理、化学过程，对气态生成物的熔炼反应起促进作用；l 分解氮化物、氧化物，脱气、脱氧、金属杂质上浮；l 真空熔炼方法各异，但从熔炼原理出发，均遵循相同的热力学、动力学原理；l 真空作为一种保护性气氛，可防氧化、减少金属内部的气体与金属氧化等杂质，提高金属的纯洁度；l 同时，在真空条件下向金属内添加的元素成分和含量（特别是活性元素）容易控制，提高合金的性能，为熔炼钨、钼、钽、铌、钛、锆、铪等稀有金属材料开辟了道路；元素挥发过程1. 合金熔体内挥发组元的原子向金属液表面迁移2. 挥发组元的原子通过界面层扩散到液-气界面3. 在液-气界面，发生液相转变为气相得挥发反应4. 气态分子通过气

34、相界层扩散到气相影响挥发速率的因素l 各组元蒸汽压的影响，成正比；l 活度的影响，元素在熔体中活度系数小，其它组元对其吸引力大，难以脱离熔体，难挥发；l 温度的影响，温度高，挥发快；l 真空度的影响。真空度高，挥发快；l 坩埚尺寸的影响。对于一定来的金属熔体，坩埚直径大，则熔池深度小，利于熔池内部分子向自由表面迁移，并且熔池表面积大。7. 简述非自耗真空电弧熔炼、自耗真空电弧熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子束冷床熔炼和真空凝壳熔炼的性能特点及适用范围。答： 真空非自耗电弧熔炼l 非自耗真空电弧炉是在真空条件下充入氩气熔炼各种金属样品的设备，适用于金属材料的研究、实验工作；l 广泛应用于高纯金属，

35、稀有难熔金属，半导体材料及稀土材料的熔炼；l 惰性气体保护下，水冷铜坩埚中，利用电弧的热能熔化金属；l 电极材料：钽、钨、石墨、TaC、TiC、ZrC等l 熔炼前炉膛抽真空后，充入惰性气体冲洗炉内一次或数次，驱赶残留空气；l 熔炼时0.5-1大气压，惰性气体（氩、氦）在电弧作用下北电离，使电弧稳定燃烧；l 工业生产，钨电极：寿命短、损耗大、污染严重（0.39-0.49%）等缺点；适用范围：适用于金属材料的研究、实验工作；广泛应用于高纯金属，稀有难熔金属，半导体材料及稀土材料的熔炼 真空自耗电弧熔炼VAR优点：l 可生产大尺寸、大吨位的铸锭，对所熔炼的金属没有污染l 世界最大VAR ，100t，

36、锭子直径2.5m(钢锭)，我国最大：直径1m，长4m的钛锭l VAR熔炼铸锭在水冷铜坩埚中快速定向结晶，可消除常见的缩孔、偏析和中心疏松等缺陷，同时使杂质上浮l 工业上多用来熔炼钛、锆等活泼金属及钼等难熔金属，适合熔炼高纯金属和高品级铸锭缺点：l 熔化和凝固同时进行，熔池内温度不均l 难熔和易挥发的合金成分难以均匀加入l 结晶速度和金相组织难以控制l 在熔炼高质量合金时，需采用重熔铸锭克服生产异形锭困难，电极制备比较复杂，尤其是难熔金属的电极更困难l 制备海绵钛电极和屑料时，需要大吨位压机l 成型锭子需扒皮、切头尾，成品率通常只能达到80%适用范围：工业上多用来熔炼钛、锆等活泼金属及钼等难熔金

37、属，适合熔炼高纯金属和高品级铸锭。 电子束冷床炉熔炼l 热源：钨阴极发射的高能电子束流，温度可高达6000以上。通过改变电磁场控制电子束的聚焦和扫描，均匀加热特定的区域；熔化效l 率较高。电能利用率较高(70%)。l 工作环境： 高真空（10-2Pa），对原料放气敏感l 合金化：真空会造成具有较高蒸气压的合金元素如Cr, Al等的蒸发（30%左右），合金成分难以控制。l 精炼效果：沉积+蒸发+熔解。有害元素在真空下易被蒸发消除，纯净化效果最为显著。l 表面质量：3mm表面剥皮深度。 等离子冷床炉熔炼l 热源：氦气或氩气电离产生的等离子弧，温度可高达6000以上。l 等离子束无法聚焦，相对较宽，

38、要靠机械摆动来改变其加热方向和区域；熔化效率相对较低，电能利用率较低(40%)。l 工作环境：惰性气氛，接近大气压力或稍偏正压。l 合金化：在惰性气体保护下，没有元素的真空蒸发，故合金烧损小，合金的化学成分相对容易控制，收得率高。l 精炼效果：沉积+熔解。等离子弧会使得金属液面产生搅动，有利于成分均匀化。l 表面质量：5mm表面剥皮深度。冷床炉应用：l Ti系、Zr系储氢合金，Ni-Ti-Nb形状记忆合金，Nb-Ti系超导合金等。采用等离子冷床炉熔炼，不仅可以精确控制合金成分和铸态组织，而且无污染。l -TiAl作为新一代航空航天高温结构材料，由于加入铌、铬、钒等元素进一步合金化，造成熔炼和铸

39、造困难，铸坯开裂倾向严重。采用等离子冷床炉熔炼可以很好地解决这些问题，不仅能够使合金化元素得以充分熔化均匀以及高纯净化精炼，而且形成铸锭时的熔池浅、凝固速度快，显著降低了铸锭的宏观偏析和内应力，可生产内在/表面质量优异、大尺寸锭坯。l 制备超纯净的粉末高温合金母合金。粉末高温合金发展所遇到的最大的障碍是在制备过程中引入的非金属夹杂物。冷床炉熔炼可以从根本上解决粉末高温合金母合金冶炼方面的夹杂问题。l 解决高性能结构材料的纯净化问题，满足更高性能及更高可靠性需求。例如可将冷床炉超纯净冶炼技术应用于制造大型飞机起落架用超高强度钢。l 解决高温合金中常见的宏观偏析（黑斑/白斑）问题，以及使大尺寸铸锭铸态组织细化、均匀化等难点，生产航空优质级合金铸锭。 真空凝壳熔炼l 所谓凝壳熔炼，就是在真空条件下，利用各种加热方式（如：电弧、电子束、等离子弧等），在水冷铜坩埚和金属熔体之间存在一层由金属熔，坩埚.衬相当于所熔金属制成，坩埚表面与金属熔体不直接接触，杜绝坩埚材料对熔体的污染；l 作用：防止坩埚材料污染、坩埚表；l 冷坩埚是由十多根乃至数十根通水冷却的铜管组合而成, 管间缝隙充填耐火材料绝缘, 由于对坩埚壁的强制冷却, 其表面温度足以防止熔融金属与坩埚接触时可能发生的任何反应。l 在交变磁场中, 产生在冷坩埚各组合铜管截面中的感应电流, 在相邻两管