高温结构材料汇总课件.ppt

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1、第六章 新型结构材料6.1 高温结构材料,6.1.1 超耐热合金,要提高火力发电的热效率，核心在于提高作为其动力源的蒸汽的温度和压力。要提高气轮机的输出和效率，都得提高其运转温度，有的材料还要求能在高温下连续工作几万小时以上，,2,航天飞机发动机的高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成。,等等，这些都需要超耐热合金。,超耐热合金根据其用途和工作条件的不同，对性能的要求有所不同，对高温材料的要求主要有： （1）在高温下要有优良的抗腐蚀性； （2）在高温下要有较高的强度和韧性。 耐热合金主要就是VVII 副族元素和第VIII族元素形成的合金。

2、因为第V副族、VI副族、VII副族元素是高熔点金属。,4,形成金属: 第B族（V，Nb，Ta） 第B族（Cr，Mo，W） 高熔点金属 第B族（Mn，Tc，Re） 第 族（Fe，Co，Ni）,这些原子中未成对的价电子数很多，在金属晶体中形成了坚强的化学键，而且其原子半径较小，晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大，所以其熔点高、硬度大。,金属在高温下氧化的初始阶段是一种纯粹的化学反应过程，随着氧化反应的进一步发展，便成为一种复杂的热化学过程了。 与前面学过的尖晶石的形成过程类似，在金属表面形成氧化物后，能否继续向内部扩展，取决于氧原子穿过表面氧化膜的扩散速度，而此速度取决于温度和表面氧化膜的结构

3、。,以铁的氧化为例来看一下金属的氧化过程。通常铁能与氧形成FeO，Fe3O4，Fe2O3等一系列氧化物。 570以下，铁表面形成的是构造复杂的Fe3O4，Fe2O3氧化膜，氧原子难以扩散，这种氧化膜起着减缓进一步氧化、保护内部的作用，但温度高于570，氧化物中除了Fe3O4，Fe2O3氧化膜外，还增加了FeO成分，而FeO晶格结构很疏松，所以为了阻止进一步的氧化，必须设法阻止FeO的形成。,改进的方法: 在钢中加入对氧的亲和力大于铁的Cr，Si，Al等，可优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3、SiO2等氧化物保护膜，从而可以提高钢的耐热性。 超耐热合金的发展过程： 50年代前后，钴基合金

4、（较高的耐用温度）50年代后期，镍基合金（合金体为稳定的面心立方结构）高温合金中镍含量越来越高，可以,提高使用温度、延长高温下的使用时间、并减轻质量。 习惯上，将含镍25%-60%及含铁的高温合金称为铁镍基高温合金。 由于铁基、钴基、镍基合金的使用温度不可能超过1050-1100，而难熔金属钨、钼、铌、钽有更高的熔点，其合金可在高于1100的温度下使用。,9,（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。铁基合金中各元素的作用： 镍形成稳定奥氏体的主要元素 铬提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨强化固溶体的晶界 铝、钛、铌沉淀硬化作用基体：奥氏体，主要强化相为 ， 以及其他微量碳化物、硼化物。铁基高

5、温合金：适用于低于800的条件,10,(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量50% 使用范围：7001000 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造,11,（3）钴基合金：钴含量为4060% 的奥氏体，可 在7301100 条件下使用。 耐热温度高。 一般钴基合金含1022%Ni和2030%Cr，以及Mo,W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素，含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船

6、燃汽 轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。,钨、钼、铌、钽这组金属的合金可以作为高温结构材料，还可作为高温发热体、真空管材料、电子工业材料、硬质工具、耐磨材料、防震材料 80年代发现的碳化钽，熔点可高达4150，可望成为新一代耐热金属陶瓷材料。,用途：,6.1.2 高温结构陶瓷,科学技术的迅速发展，原子能、火箭、燃气轮机等技术领域的要求，迫使人们去寻找比耐热合金更能承受高温，比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料。于是一系列的高温结构陶瓷便应运而生。,高温结构陶瓷与金属材料的性能比较:,氧化铝陶瓷,性 能,用 途,熔点高,坩埚、高温炉管,硬度大,刚玉球磨机,透明、耐高温,高压钠灯灯管,备注

7、：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。,易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用,氧化铝陶瓷制品,（1）氧化物陶瓷,（2)非氧化物陶瓷 碳化硅： 高温强度大（1400 500600MPa）； 高温结构件（炉管、火箭尾管喷嘴）。 氮化硅： 高化学稳定性； 耐蚀、耐磨材料（赛隆刀具）。 氮化硼： 耐热、绝缘性好； 高温结构元件及刀具等。,氮化硅陶瓷,氮化硅基陶瓷具有密度小、高强、高硬、高韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、隔热、电绝缘等一系

8、列优良性能。,氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、,制造发动机部位的受热面，提高柴油机的质量，节省燃料（不用水冷却，减少热散失）。,Si3N4基陶瓷球轴承,氧化锆陶瓷,碳化硅陶瓷,氮化硅陶瓷部件,（3）金属陶瓷 取金属及陶瓷优点复合而成。 构成方式： 陶瓷相(氧化物、碳化物)为主体、骨架； 金属相(Co、Ni等)起粘结作用。 材料类型： 工具材料(陶瓷为主)；结构材料(金属相数量增加)。 氧化物基金属陶瓷 Al2O3+Cr( 10) 性能：韧性较好(Cr的存在)，热稳定性及抗氧化性好(Cr2O3)。 应用：工具材料，热硬性1200、硬材料加工 (65HRC)、高速切削；模具等。,碳化物基金属陶瓷 组成：碳

9、化物（ WC、TiC等）+ 铁族元素 （Co、Ni）。 特性：碳化物的高硬度、高温强度+金属的塑 性、韧性工具材料及耐热结构材料。 硬质合金：刀具、模具（拉丝模等）；钨钴类 YG(WC+Co)、钨钴钛YT(WC、TiC+Co) 及万能类YW（WC、TiC、TaC+Co) 。 铜结硬质合金：（30%50%碳化物合金钢粘结）,可热处理，可加工。韧性,bb。用 作模具、耐磨零件。,表6-3,返回,返回,高温结构陶瓷与传统陶瓷的区别：,传统的陶瓷以粘土和石粉为原料，用水拌和，成型干燥后烧制而成的。传统陶瓷的最高耐温为1300，并且易碎； 高温结构陶瓷在原料和制法上都不同于传统的陶瓷，它先把碳化硅、氮化

10、硅等磨成颗粒大小相同的细粉末，与烧结助剂混合或直接高压成型后，最后在1500-2000高温下烧制而成。,高温结构陶瓷的优点： 远比金属坚硬几十倍，耐高温，即使在1500下其强度一点也不会改变，同时还具有优良的耐腐蚀性、耐蠕变性和耐机械及热冲击性。 最有希望的高温结构陶瓷材料： 氮化硅（Si3N4）是最有希望的高温结构陶瓷材料，50年代开始用氮化硅做烧结助剂制成的,氮化硅陶瓷，其耐热冲击性高，曾成功地用以制造温度超过1500、氧化情况不太严重的火箭发动机机尾喷管及燃烧室。氮化硅的特点： 两种组成元素的电负性相近，属强共价键结合，所以其硬度高、熔点高、结构稳定、绝缘性能好。耐腐蚀、耐磨损、弹性模量

11、大、高强度、耐高温、热膨胀系数小、密度低，抗氧化。 具有“轻如铝、强如钢、硬若金刚石”等优点。,因为氮化硅具有强的共价键结合，使组成元素的移动几乎不能发生，所以具有优良的高温机械性质。但是这种性质却不利于粉末烧结，而使其成为难烧结性物质的代表。 最近上海硅酸盐研究所研制的一种高温性能优异的氮化硅陶瓷材料，成功地实现了材料强度从室温到1300保持不降目标，在国际上属于领先地位，有望做为高温结构材料。,氮化硅粉的合成方法（主要有4种）：,1. 硅氮结合法,2. 还原氮化法,3. 化学气相法 硅的卤化物或氢化物与氨发生化学气相反应如下:,也可以由硅烷与氨或联氨发生化学气相反应如下:,还可以由硅烷在含

12、卤素的氮气氛中发生化学气相反应如下:,4. 热分解法.(1000-1600),Si3N4基陶瓷球轴承,高纯氧化铝透明陶瓷管,氧化铝陶瓷制品,氧化锆陶瓷,耐高温氧化铝陶瓷材料,陶瓷的分类,陶瓷的主要分类：日用陶瓷、精细陶瓷,1.日用陶瓷： ,中国可以称得上是陶瓷古国。 “China”一词，即是“中国”也是“瓷器”的意思。陶瓷是具有悠久历史的材料，陶瓷材料的特点是硬度高、强度高和抗腐蚀性好，即使在高温下也如此。过去陶瓷主要用作日常生活用品和装饰美术品。,我国众多古代文化遗产和出土文物中，有许多是陶瓷珍品,2精细陶瓷,随着科学技术的发展，电子、信息、能源、空间、海洋工程以及军事等高技术领域对新材料的

13、要求，赋予了陶瓷新的生命，构成了一个新的陶瓷领域精细陶瓷又称高级陶瓷。它是在工业上使用的陶瓷基础上，通过调整原料、控制化学组成、改进工艺方法、控制材料的显,微组织和结构等，使其成为具有某种特定性能的特殊陶瓷材料 精细陶瓷的种类极为广泛，概括起来可分为功能陶瓷和高温结构陶瓷两大类。结构陶瓷利用其先进的力学性能制备各种机械结构零部件；功能陶瓷利用其特殊的电、磁、声、光等性能来制备电容器陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷、电光陶瓷等。,这是一大类陶瓷材料。是用于各种结构部件，以发挥其材料的各种特性如：机械性能、热性能、化学性能，以及生物功能等各种高性能特长的陶瓷。结构陶瓷主要有氮化硅、碳化硅、氧化锆

14、系统、氧化铝等各种系列，以及陶瓷基复合材料系列。,结构陶瓷：,由于结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度、高导热性和质量轻等特点，因此在机械、化工、冶金、汽车、航空航天和电子通讯以及生物等方面具有广阔应用前景。,功能陶瓷：,这是另一大类陶瓷材料。通常具有一种或多种功能。如：电、磁、光、热、声、化学、生物等功能，以及耦合功能。如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。功能陶瓷品种繁多，大致可分为1）电解质陶瓷（如绝缘陶瓷和电容器陶瓷）；2）铁电陶瓷（如压电陶瓷）；3）敏感陶瓷（如PTC、传感器等）；4）导电陶瓷（如：氧化锆、氧化铝）；5）超导陶瓷；6）磁性陶瓷。,由于功能陶瓷所具有的一些特殊性能

15、，所以，目前已在能源开发、信息通讯、空间技术、传感技术、生物技术和环境科学等领域广泛地应用。,稀土与陶瓷,由于稀土元素具有4fx 5d1 6s2 电子层结构，电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质，故其应用十分广泛，尤其在特种陶瓷及功能材料方面具有广阔的发展前景。,稀土元素,一、稀 土 概 况,世界稀土资源分布,稀土资源在世界上分布极不均匀，主要集中在中国、 俄罗斯、 美国、澳大利亚、 印度、南非、加拿大、埃及等国家。中国稀土储量和产量均居世界首位。近年来，世界各国对于稀土资源的争夺日益激烈，争夺战遍及北美洲、亚洲以及非洲。,Si3N4 陶瓷硬度高、强度大、热膨胀系数小，具有较高

16、的抗蠕变性能及抗氧化、抗腐蚀性能，是一种非常好的高温结构材料。 作为Si3N4 陶瓷，由于SiN键属共价键，致使在无液相存在下烧结非常困难，须加入添加剂。较为理想的添加剂为稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3 ，不仅可使Si3N4陶瓷在烧结时产生液相，促进烧结，同时又可大大提高Si3N4陶瓷的高温力学性能。,研究表明，添加La2O3和Y2 O3的氮化硅陶瓷，其抗弯强度在1370的高温下保持不变，达1000MPa以上。 添加Al2O3和La2O3烧结助剂的Si3N4 陶瓷形成具有高耐火度和粘度的YLsSiON玻璃晶界，因此具有较高的高温抗弯强度和较好的抗氧化性能，并且在高温条件下易析出较高熔

17、点的结晶化合物，于是减少了材料非晶态玻璃相的含量，提高了材料的高温断裂韧性。,Al2O3陶瓷,Al2O3 陶瓷具有较高的硬度和机械强度，膨胀系数与金属差不多，同时具有良好的化学稳定性。对Al2O3陶瓷来讲，为提高其高温热稳定性，可添加稀土元素。 研究表明：之所以能提高Al2O3 陶瓷高温热稳定性，主要原因是形成了稀土铝酸盐，如添加La2O3可形成起到稳定作用的LaAl11O18。,红宝石,红色来自铬(Cr),蓝宝石,蓝宝石，是由于其中混有少量钛（Ti）和铁（Fe）杂质所致；,氧化铝装置瓷,氧化铝火花塞,高熔点,高硬度,可制成透明陶瓷,无毒、不溶于水，强度高,主要特性,主要用途,坩埚,刚玉球磨机

18、,高压钠灯的灯管,水龙头阀门芯,将氧化铝陶瓷主要特性和主要用途一对应并连线,为降低Al2O3 陶瓷的烧成温度，改进产品性能，在其加入不同数量的稀土外加剂，可大大降低烧成温度。,SiC是共价键性极强的化合物，在高温状态下仍能保持高的键合强度，且热膨胀系数小，耐腐蚀性优良，具有较高的热传导性，故是高温结构材料最有希望的材料之一。,SiC陶瓷,SiC中添加Al 2O3和Y2O3为烧结助剂可大大降低SiC陶瓷的烧结温度，Al2O3和Y2O3 在烧结温度下形成液相，从而以液相烧结机理加速材料致密化。有研究用无压烧结制得含板状晶料的液相烧结SiC陶瓷，其断裂韧性达7MPam1/2 ，添加稀土氧化物可使其抗

19、氧化性能得到明显改善，且随稀土加入量的增加，氧化速度逐渐降低，加入量为3时效果最佳。,Y2O3陶瓷是一种高性能透明陶瓷，它是以高纯氧化钇为原料并添加8mol10molThO2 在氢气中于2000以上高温烧成透明晶体，也可在添加LiF和ThO2 后于13001500和3550MPa压力下真空热压烧结。由于其熔点大于2400，介电常数为1214，透明性好，即使在远红外区仍有约80的直线透过率，是优良的高温红外材料和电子材料。,Y2O3 陶瓷,AlN陶瓷,AlN陶瓷导热性好、耐高温、耐腐蚀，具有较好的电绝缘性能，但因属共价键，故烧结困难。 在制备AlN陶瓷时加入稀土氧化物Y2O3、La2O3 等作为

20、添加剂，与AIN颗粒表面的Al2O3 反应，生成低熔点液相，使整个烧结在有液相参与下进行，最终达到致密化。这样制得的AlN陶瓷可作熔炼纯铁、铝等的优良坩锅材料及其高温结构材料。,ZrO2 陶瓷具有较高的熔点，是理想的高温结构材料，但由于其在1100左右存在单斜与四方的晶型转变，并伴有较大体积变化，故在制造时须加入稳定剂，稀土氧化物CeO2和ThO2 为常用稳定剂。就Y2O3来说，由于Y3离子的大小与Zr4离子接近，可固溶形成稳定的立方晶相，故稀土加入ZrO2后可使ZrO2 陶瓷的抗热震性能得到较大提高。,ZrO2陶瓷,氧化锆: 坚如钢,白如雪!,ZrO2 烤 瓷 性 能,（一） 物理机械性能

21、经烧结后的烤瓷材料的硬度是目前口腔材料中较高的，接近于牙釉质的硬度，耐磨性优良，最适合作为牙体修复材料。,（二） 化学性能 烤瓷材料能耐受多种化学物质的作用而不发生变化，其化学性能相当稳定，不易腐蚀、老化、变色、降解。,（三）生物性能 烤瓷材料具有良好的生物安全性、惰性，无毒，对口腔组织无刺激、无致敏，长期在口腔内也不会发生不良反应。,（四） 审美性能 烤瓷材料的着色性好，表面光洁度高，又具有透明和半透明性，能获得牙体组织的天然色泽。,个人用品：氧化锆陶瓷耐磨性好，硬度高，可以抛光且外观美观，因此可作为手表带、表壳及其他装饰部件。陶瓷表源于瑞士雷达表，后来国内有优尼克、潮州三环和北京建材院下属

22、公司等一些企业开始生产。目前主要生产表带，以黑和白为主，蓝、金和红等其他颜色也已开发出来，制备工艺以热压铸和干压为主。,课堂练习： 1有关高温结构陶瓷和光导纤维的说法正确的是（? ） A 高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料 B 氮化硅陶器是一种重要的结构材料，具有超硬性，它不与任何无机酸反应 C光导纤维是一种能高质基传导光的玻璃纤维 D光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听 2下列有关材料的说法不正确的是（? ） A 传统的无机材料虽有不少优点，但质脆、经不起热冲击 B新型无机非金属材料虽然克服了传统无机材料的缺点，但强度比较差 C 高温结构材料具

23、有能受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D 新型无机非金属材料特性之一具有电学特性,3下列属于新型无机非金属材料的特性是（ ） 能承受高温、强度高具有电学特性具有光学特性具有生物功能可塑性好 ABCD 4有关目前氧化铝陶瓷的用途中不正确的是（ ） A制造高温炉管 B制造球磨机 C制作高压钠灯的灯管D制造钟表的轴承 5下列说法中不正确的是（ ） A用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件，可以提高柴油机的质量 B光导纤维除了可以用于通讯外，还用于医疗、信息处理、传能传像等许多方面 C石墨可以用来切削和刻划其它物质，被用于钻探、磨削等行业 D一般情况下，金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，因此不适合在高温时使用,参考答案：1C、D 2B 3D 4D 5C,