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1、 一神秘的形状记忆合金在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试验引起了与会者的极大兴趣，原来在蝴蝶下面有一根所谓“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。所谓形状记忆效应是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象。 形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法从古代便为人所用，就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，例如直接插入冷水中(称为淬火)，这时钢转变为一种称为马氏体的
2、结构，并使钢硬化。这种马氏体相变有一个特别的性质，在一定的温度下一旦形成的马氏体随着时间延长不再长大，为了增加马氏体的量，必须进一步降低温度，产生新的马氏体。后来，在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变，热弹性马氏体一旦产生可以随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小，由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些，而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变，因此热弹性马氏体相变随之伴有形状的变化。早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金-镉合金有形状记忆特性，当时并未引起重视，1953年又在铟
3、-铊合金发现这类效应，1963年发现镍-钛合金具有形状记忆特性后，掀起了这类合金研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想，新的形状记忆合金应运而生，后来还发现了具有双向记忆效应，即铆钉如用双向记忆合金制作时，把铆好的铆钉重新降温后，铆钉又会变直，正如本节开始提到的蝴蝶下面的合金丝便是双向记忆合金，随温度的变化可来回伸长或缩短，引起蝴蝶翅膀上下翻飞。形状记忆合金不仅具有理论上的重大意义，更重要的是工业中的应用价值。最先报道的是用形状记忆合金制作月面天线。月面天线伸展开来很宽大，火箭无法容纳，那么，如何把这样一个天线送上太空，送上月球呢?正是形状记忆合金神话般地解决了这一难题。用Ni-Ti合金丝在马
4、氏体相变温度以上，先做成月面天线，然后在低于Mf的温度把月面天线压成小团装入运载火箭，当发射至月球表面后，通过太阳能加热而恢复原形，在月球上展开成为正常工作的月面天线。用形状记忆合金制作插头与插座或管子连结器有很大的优点，先把形状记忆合金做成比需连结的不锈钢管略小的管连接器，将它冷至Mf温度以下，加以扩径至比连接管略大，然后顺利套在连接管上，最后升温至Af以上(即使用温度)，连接器即自动收缩，于是两根管被牢固地连接起来。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合金管接头，因为在这些场合中，管道排
5、列十分密集，一般的方法无法实行管道的连接。形状记忆合金用于低质能源的利用上具有深远的意义。目前已将形状记忆合金成功地用于医学上，作为牙科的齿形矫正器，在Ms温度以上把形状记忆合金丝做成正常的形状，然后在低于Mf温度下变形并套在不正常的畸形牙上，当温度上升至口腔的温度后，矫正器自动变成正常形状，把畸形牙矫正。还可用于矫正脊椎侧弯。静脉过滤器是，把筛状过滤器在低温拉成直线，送入静脉，受体温加热后，变成筛状，起到过滤凝血的作用。目前正在用形状记忆合金试制人造肾的微型泵、可以收缩的人造肌肉及人造心脏等。形状记忆合金的发明与应用，使人们对于金属材料的特性及功能开阔了眼界，神秘的被人们称之为机敏或智能材料
6、的大门被打开了。二未来能源材料之星储氢合金从能源的角度来说，20世纪是石油的时代，人们毫无顾忌地开采石油，大量地燃烧石油，一些原来贫穷的国家依靠石油发家致富，世界围绕着石油的竞争十分激烈，甚至引起战争。然而，随着世界石油的大量开采和消耗，这个石油的时代还能维持多久呢?这不能不引起人们的忧虑，总有一天，石油时代终将结束，那么现代工业的动力能源从何而来?人类将如何生存?持"能源有限论”思想的人们抱着悲观态度，他们不断地向人类发出警告。说实在的，能源危机正在石油大战中悄然走来，进入21世纪，石油时代之后又是什么时代呢?悲观绝望并不可取，但是盲目乐观也很危险。从科学技术的角度来说，能源是无限
7、的，风能水力不会终止，海水中蕴藏的能量也是无限的，寻找新的能源，实现石油时代的平稳过渡将是人类面临的严重挑战。氢是一种十分理想的能源，1kg氢气燃烧可放出14104J的热量，比1kg石油放出的热量高两倍，氢燃烧的产物是水，不会产生任何污染，而水又可以产生氢。可以设想，在用电低潮的夜晚，把剩余的电用于电解水而制取氢，然后把氢储存起来；在用电高峰时，再用氢作为能源去开动机器、开动汽车。因此，可以说氢是地球上取之不尽的清洁能源。但是这里产生一个不容忽视的问题，就是氢气如何储存又如何运输呢?目前，人们靠把氢气用高压变成液体，然后用高压气瓶储存、运输。这样做太不合算了，氢气瓶本身的重量远远大于所容纳的氢
8、的重量，而且十分危险。天无绝人之路，一种高效率的储氢金属材料被研制出来，使人们在黑暗中见到光明，给氢能源的利用带来了希望。如果把氢原子装进容器，拼命加压并降低温度可以得到液氢，再加压再降温，氢原子靠得更近，从理论上说，最终可以得到固态的氢，从一般的常识来说，固态的氢应该是密度最高的氢了，然而储氢合金的出现却得到了意想不到的结果，在储氢合金中氢的密度比标准状态的氢气高出1400倍以上，超过了液氢甚至固态氢。之所以如此，是因为储氢合金具有独特的晶体结构，使氢原子容易进入其晶体中的间隙位置并形成金属氢化物。储氢合金可以储存大量的氢，氢的密度高得惊人，一个重重的液氢高压气瓶中的氢，可以放进一小块储氢合
9、金中，运送起来多么方便。而且氢与金属原子的结合力很弱，在一定的条件下，氢气又很容易地从储氢合金中释放出来，因此金属的氢化物本身就成为一种氢能源材料，用于燃氢发动机、氢动力汽车；由于吸氢和放氢的过程分别为放热和吸热的过程，因此可用储氢材料做空调机、制冷器、热机械泵等，此外储氢合金还可用于镍氢电池、重氢的浓缩等。 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁-镍合金具有吸氢特性，1969年荷兰菲力普实验室发现SmC05合金的储氢特性，随后又研制出LaNi5合金，具有良好的吸氢和放氢的性能，打开了储氢合金的大门。20世纪80年代后，各种储氢合金如雨后春笋不断涌现。储氢合金的发展非常迅速，用途亦十分广泛
10、，目前已有不少进入实用的阶段，例如，氢气的精制与回收，由于氢气中的杂质如C02、CO、CH2等不易进入储氢合金，或容易从储氢合金中排出，从而可以获得纯度99.9999%的超纯氢而用于电子工业；日美等国用储氢合金制作的空调器已开始商品化，它不用有污染作用的氟里昂，具有很大的吸引力；利用储氢合金制成超低温致冷机，包括获得77K的液氮致冷器，2129K的液氢致冷器，甚至低于1OK的超低温微型致冷器，在航天和其他超低温物理中有重要用途；利用储氢合金制作热机械泵的原理，可利用工厂排出的低温废水、废气中的热能，建立节能型冷、暖房系统是100200低温热源利用的范例，可以节省大量的能源；燃氢汽车是储氢合金应
11、用的最诱人的领域，每立方米氢的燃烧可行驶56公里，是一种完全无污染的能源。用氢、油混燃也能大大节油并减少污染，目前燃氢的汽车发动机已研制成功，不久的将来，燃氢汽车必将展现在人们的面前。尽管储氢合金研究与开发的道路仍很艰难，但前景十分迷人，我们相信，曙光就在前头。三冲出传统观念的非晶态金属人类使用金属材料大约已有8000年的历史，在这漫长的时间中，使用的都是具有晶体结构的金属材料，直到20世纪后期，即1960年美国加州大学Duwez小组用快冷首次获得了非晶态的合金Au70Si30，1967年又最先得到了非晶合金Fe86P12.5C7.5，并发现非晶态金属具有许多常规晶态金属不可比拟的优越性能，从
12、此揭开了金属材料发展历史上新的一页。近些年来，非晶态金属材料与急冷技术已成为材料领域的一个前沿学科而得到迅速的发展，至今已有数不胜数的非晶合金被研制出来，非晶态金属是目前人们所知的强度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料，有人把非晶态金属视为20世纪金属材料的新里程碑，有一定的道理。1 晶态合金的形成液态金属冷却的过程中，在低于理论熔点(Tm)的温度将产生凝固结晶，这个过程程可分为形核和长大两个基本阶段，随温度的降低，结晶开始和终了的时间与温度的关系可以用一个C形曲线来表示。如果液态金属以高于临界冷速 乃俣壤淙词保?奔淇梢酝耆?柚咕?宓男纬桑?佣?禾?鹗艚峋?及岩禾?鹗簟岸辰帷钡降臀拢
13、?纬煞蔷?牡墓烫褰鹗簟永砺凵纤担?魏我禾宥伎赏?焖倮淙椿竦梅蔷?烫宀牧希?徊还?煌?牟牧闲枰?煌?睦淙此俣龋?杂诠杷嵫?玻璃)和有机聚合物而言，其C形曲线的最短时间也有几小时或几天，因此在正常的冷却速度下均得到非晶固体，但是对于纯金属而言，其最短时间约为10-6s，这意味着纯金属必须以大约每秒1010K的速度冷却时才可能获得非晶态，因此在实际工程中，无法得到非晶态的纯金属。研究表明，对于合金而言，获得非晶态的临界冷速与合金的成分、合金中原子间的键合特性、电子结构、组元的原子尺寸差异以及相应的晶态相的结构等因素有关，为获得非晶态金属主要有下述两个途径：研究具有低的的合金系统，以便得到形成非晶态的
14、较为便利的条件；发展快速冷却的技术，以满足获得非晶态金属的技术需要。（1）非晶态合金成分的主要特点。多数可获得非晶态的二元合金系列是由过渡族金属或贵金属和玻璃化非金属或类金属组成，前者如Fe、Ni、Co等，后者如B、Si、C、P等，其中玻璃化元素的原子百分比为15%30%，多数在1/51/6范围内。这类合金的成分均接近于共晶的成分，这是因为，共晶结晶时，固相的成分与液相有很大的差别，也就是说二元共晶的形核需要有更大的成分起伏和能量起伏，而且固体结晶相的结构也比较复杂，因此结晶时形核比较困难，形核所需时间比较长，有利于非晶态的获得。如果在二元合金中，再加入另一种或几种元素，有可能构成更易得到非晶
15、态的多元系，例如Fe-P-C、Ni-Si-B、Pd-Cu-Si、Pt-Ni-P等非晶态合金系列，含有较多价格低廉的类金属元素，并且有很好的性能，是研究得最多的一类非晶合金，其中的Fe40 Ni40p14B6、Fe80B20、Fe80P16C3B1等合金均已投入实际的应用。 适当的合金系列，可使临界冷速大大下降，使得技术上实现的可能性显著增大。其他非晶合金的系列还有以下几种。(a)两种过渡族金属所组成的，如Ni-Nb、Ni-Ta、Ni-Ti、Ni-Zr等。(b)A族金属元素(Mg、Ca、Sr)加B族金属元素(AI、Zn Ga)等，如Mg70Zn30、Ca或Sr中加入15%60%(原子)Mg、A1
16、、Cu、Zn、Ga、Ag等。(c)A族金属元素加过渡族金属Ti、Zr、Nb、Hf等，例如Be40Zr10Ti50合金已投入应用。(d)锕系金属与过渡族金属组成的合金系，如U-V，U-Cr等。(e)铝基非晶合金：Al分别加上Cr、Cu、Ge、Mn、 Ni Pd、Zr、Co等二元系或三元系，如Al-M(Cr、Mo、Mn、Fe、Co或Ni)-Si、Al-Co-B、Al-M (V、Cr、Mo、Mn、 Fe、Co或Ni)-Ge、Al-A (Fe、Co、Ni或Cu )-M(Ti、Zr、V、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo或W)。（2）形成非晶态的快速凝固技术。金属熔液从高温以很高的冷速(> )迅速冷至低
17、温，是获得非晶态的不可缺少的技术条件，一个相对于环境放热的系统，其冷速取决于该系统单位时间内产生的热量和通过环境可以传出的热量，因此实现快速冷却必须要求：(a)减少系统凝固时放出的潜热； (b)增大体系和环境的传热速度。根据这两个要求，只能减小同时凝固的熔体的体积，增大熔体的散热表面积，并采用散热极快的环境体系。根据上述基本要求，发展出了各种急冷快凝技术。根据熔体分离和冷却方式的不同可分为模冷技术、雾化急冷技术和表面熔化急冷技术3类。模冷技术的特点是，首先把熔体分离成截面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与高速旋转的、传热极快的冷模接触，从而迅速冷却；雾化急冷技术是指，先将液态金属通过喷雾器分散成
18、尺寸极小的雾状熔滴，再迅速在冷却气氛或与冷模接触中冷却；表面熔化急冷技术是用高能粒子束扫描主件的表面，使其表面层局部迅速熔化，通过，强制冷却的工件本身的传导，使熔化区急冷。不同的急冷快凝方法可以获得不同的冷却速度，最高可达108K/s，由此可以制得粉末状、丝状、薄带状的非晶态合金。一种广泛应用于实验室并可用于生产的熔体旋转法，将所需成分的合金切成小块，去除氧化皮和油污后，置于石英管中，经感应加热熔化至一定温度的合金在充入的惰性气体压力下从石英管下端的孔隙中喷出，在导热性极好的高速旋转的铜制滚轮上，迅速凝固并抛射出来。最高冷速可达108K/s。2非晶合金的结构从非晶态金属的形成过程可知，它的凝固
19、过程显然不同于结晶过程，它不存在形核和长大的过程，非晶凝固过程主要是熔体粘度的变化，在非晶形成的温度附近很小的温度范围内，粘度增加了约4个数量级，而原子的组态基本保持不变，即在凝固的过程中被“冻结”为无长程有序的非晶态固相，并抑制了晶态相的形成。经X射线衍射、中子衍射和电子衍射分析表明，非晶态合金的结构与晶体截然不同，非晶态合金不具有长程有序性，即原子的排列不具备规则的周期的重复排列的特性。但非晶态合金的结构与液态金属的结构也有一定的差别。实验研究表明，非晶态合金的结构并非完全无序，在几个原子范围在考虑非晶合金结构特征时，如下几点应予以重视。（1）非晶态是一种亚稳态，它是在特定的条件下形成的，
20、因此在一定的条件下(在玻璃化温度附近)会发生稳定化的转变，即向晶态转变，称为晶化。非晶态金属的晶化过程也是一个形核和长大的过程，由于是在固态下、较低的温度下进行的，要受原子在固相中的扩散的支配，晶化速度不可能像凝固结晶时那样快，但是由于非晶态金属在微区域中的结构更接近于晶态，且晶核形成的固相中的界面能也比液固界面能小，因而晶化时形核率很高，晶化后可以得到晶粒十分细小的多晶体。非晶态合金的晶化过程是很复杂的过程，不同成分的合金可有不同的方式，并且在许多情况下，晶化过程中还会形成过渡的结构。（2）非晶态合金中没有位错，没有相界和晶界，没有第二相，因此可以说是无晶体缺陷的固体，结构上具有高度的均匀性
21、而且没有各向异性，但是原子的排列又是不规则的，与通常的晶体材料的巨大差异将对其性能有重大影响。（3）非晶态合金原则上可以得到任意成分的均质合金相，其中许多在平衡条件下是不可能存在的。这是一个非常重要的特点。从这个角度来说，非晶态合金大大开阔了合金材料的范围，并可获得晶态合金所不能得到的优越性能。3非晶态合金的性能特点由于非晶态合金在成分、结构上都与晶态合金有较大的差异，所以非晶态合金在许多方面表现了独特的性能。（1）特殊的物理性能。优异的磁学性能是许多非晶态合金的突出特点。在非晶合金中没有晶界，也没有第二相沉淀粒子对磁畴壁的钉扎作用，所以具有软磁性能的非晶态合金非常容易磁化，甚至在比地磁场弱一
22、百倍的磁场中即可磁化，矫顽力亦极低，一般Hc<8A/m。某些钴基非晶态合金还具有很小的磁滞伸缩、在很大的频率范围内都具有很高的磁导率。合金的永磁性能主要决定于与原子排列短程有序有关的电子能带结构，因此非晶态永磁合金同样具有良好的硬磁性能。与晶态合金不同的是，一些非晶态永磁合金经过部分晶化后，性能还有大幅度的提高，例如引人注目的Nd-Fe-B非晶态合金，经过适当的晶化处理后，磁能积达到4OMGOe，这是目前永磁合金磁能积的最高水平。由于非晶态合金具有长程无序结构，因此对于电子有较强的散射能力，所以一般具有很高的电阻率，为相同成分的晶态材料的23倍。同时电阻温度系数比晶态合金小。许多非晶态合
23、金具有超导性。非晶态合金的密度比晶态合金低1%2%，与晶态合金相比，原子在非晶态合金中的扩散速度比相应的晶态合金中要增大1个数量级，非晶态合金的热膨胀系数较小，只有相应的晶态合金的一半左右。（2）优良的耐腐蚀性。由于非晶态合金在成分上和结构上都比晶态合金更为均匀，使在腐蚀介质中不易形成微电池，因而具有更高的抗腐蚀能力。前已述及，非晶合金的成分不受限制，因此可以得到平衡条件下在晶态不可能存在的含有多种合金元素配比的均质材料，在腐蚀介质中形成极为坚固的钝化膜，特别有利于发展新的耐蚀材料。例如，在FeCl3溶液中，钢完全不耐腐蚀，而Fe-Cr非晶态合金基本上不腐蚀，在H2S04溶液中，Fe-Cr非晶
24、态合金的腐蚀率是不锈钢的千分之一左右。 Fe70Cr10P13C7非晶态合金，在HCl E溶液中基本不腐蚀，其中Cr的主要作用是形成富Cr的钝化膜，而P能促进钝化膜的形成，像这样成分的均质合金相，在晶体材料中是无论如何得不到的。（3）优异的力学性能。由于非晶态合金中原子间的键合比一般的晶态合金中强得多，而且非晶中不会由于位错的运动而产生滑移，因此某些非晶材料具有极高的强度，甚至比超高强度钢高出12倍，例如4340超高强度钢的断裂强度为1.6GPa，而Fe80B20非晶态合金为3.63GPa，Fe60Cr6Mo6B28达到4.5GPa。对于晶态合金来说，超高强度钢已达到相当高的水准，要想继续提高
25、强度，困难是很大的，而非晶态材料使金属的强度成倍的增长，这是晶态材料中难以想像的事。非晶态合金在具有高强度的同时，还常具有很好的韧性，这与非晶态的玻璃完全不同，也是晶态金属所不可及的。非晶态合金还具有较好的延性，在压缩、剪切、弯曲状态下具有延展性，非晶薄带折叠180。也不会出现断裂。目前对非晶合金的形变机制还了解很少。非晶合金还具有较高的硬度和耐磨性。4非晶态合金的应用前景从20世纪70年代中期以来，非晶态合金已经在许多方面得到了应用。 非晶软磁合金，有可能作为新一代变压器铁芯材料最为引人注目，因为它不仅极易磁化，矫顽力低，而且有很高的电阻，可以大为降低涡流损耗，例如Fe81B13.5Si3.
26、5G2和Fe82B10Si8等铁基软磁非晶合金的磁芯损耗只有常用硅钢片的1/31/5，因此用非晶合金制作变压器，可使能耗降低2/3。还可以在额定功率一定时，减轻变压器的重量和减小变压器的尺寸。以美国为例，据估计如果采用非晶软磁材料代替现有的硅钢片铁芯，可减少损耗一半，由此每年可节约20亿30亿美元。非晶软磁合金还可用作磁记录磁头、磁屏蔽材料，计算机中的磁盘，软盘和仪器仪表中的磁记录装置，还可作记忆元件材料、传感器元件材料等。非晶永磁合金近几年也有了很快的发展。非晶合金材料具有高强度、高韧性、高硬度和高耐磨性等优良的综合力学性能，是一种很有发展潜力的结构材料，由于尚不能够制造出大块的非晶材料，使
27、其应用受到限制，但可作为复合材料中的增强体。兼有很高耐蚀性的高强度非晶合金有很好的应用前景，例如Fe63Cr22Ni3M02B8C2非晶合金强度高达1.72GPa，耐蚀性比316不锈钢高10倍，并且有很高的抗应力腐蚀性能；高强度、抗海水腐蚀的铜基非晶合金可作为制造潜水艇的材料；某些铁基非晶态合金可制作快中子反应堆的化学过滤器。非晶纤焊合金做成薄带，延展性好，可加工成型，成分均匀不含杂质，熔点低，流动性好，可用于高温合金和不锈钢的纤焊，代替昂贵的金基纤焊合金用于飞机发动机部件的焊接。除上述用途之外，非晶合金还具有许多特性，可作为多方面的功能材料加以应用，例如高电阻材料，恒弹性、恒热膨胀材料，超导
28、材料，储氢材料，以及光学系统中的电子源等等。非晶态金属及合金发展历史还很短，但毕竟是冲出了传统观念的一个崭新的领域，随着研究的不断深入和技术的不断发展，相信其应用前景将非常广阔。四金属与金属结亲金属间化合物普通金属材料(合金)的基体均属无序固溶体。其溶剂元素原子与溶质元素原子在晶体结构中所占的相对位置是杂乱无序的。金属间化合物属有序晶体结构，A金属元素原子与B金属元素原子在晶体结构中所占的位置是固定有序的。因此两种元素在化合物中所占的原子数量的相对比例是可以用固定的整数比(化学计量)表示的，如AB、A2B、A3B等。陶瓷材料常由金属元素与非金属元素通过共价键结合而成，而金属间化合物是由不同金属
29、元素通过混合键(共价键与金属键并存)结合而成。因此金属间化合物的性能往往介于陶瓷材料与普通金属材料之间。例如：其塑性和韧性通常低于普通金属材料而高于陶瓷材料；其高温性能通常低于陶瓷材料而高于普通金属材料。随着飞机飞行速度和发动机推重比的不断提高，零部件的工作温度越来越高，原有的金属材料已很难适应要求。陶瓷材料虽有优越的高温蠕变抗力和抗氧化性，但作为结构材料，其脆性间题始终令入担忧。于是，不少人对金属间化合物寄予厚望，其中最为世人瞩目的是钛、镍、铁等金属元素与铝的化合物，这主要是因为铝化物的密度较小且高温抗氧化性较好。对金属间化合物的研究已有很长的历史，但作为结构材料来研究，美国和前苏联等国是从
30、20世纪50年代前期才开始的，而我国则始于50年代末，但由于室温脆性间题迟迟未能解决而使研究工作长期停滞不前。70年代后期，美国莱特空军基地材料实验室的科研人员及其合作者，通过合金化等途径改善了Ti3Al及TiAl基合金的塑性；美国橡树岭实验室和日本金属材料研究所几乎同时报道了少量硼元素的添加可显著提高多晶Ni3Al的塑性的重要成果。于是，世界各国在80年代很快掀起了研究和开发金属间化合物结构材料的高潮。首先接近实际应用阶段的金属间化合物是Ti3Al基合金。20世纪80年代，美国研制的Ti3Al基合金高压压气机机匣和高压涡轮支承环先后长期试车成功。90年代初，我国研制的Ti3Al基合金(TD2
31、)涡轮导风板和涡轮结合环装在涡喷13发动机上长期试车成功，其中涡轮导风板是世界上第一个参加试车的Ti3Al基合金转子零件。从近期发展的情况来看，由于世界各国的科技人员认识到TiAl基合金的潜力最大和应用前景最佳，因此整个金属间化合物结构材料领域的发展焦点逐渐集中到TiAl基合金上来。TiAl基合金的密度只有3.73.9g/cm3，远低于镍基高温合金，也低于普通钛合金和Ti3Al基合金。TiAl3合金虽然密度更低(3.37g/cm3)，但其极脆的要害间题迄今尚难突破，因此对它感兴趣的人不多。TiAl基合金的弹性模量显著高于普通钛合金和Ti3Al基合金，这表明它作为结构材料时具有足够的刚度。TiA
32、l基合金的极限工作温度较高，早期不少资料认为其极限工作温度(包括蠕变极限温度和氧化极限温度)可达1040。现在看来，其高温抗氧化性还不够理想，如果没有表面保护措施(如涂层)，其极限长期工作温度应为800左右，即使如此，它仍具有很大的吸引力(由于普通钛合金和Ti3Al基合金的极限长期工作温度分别为600和650)，它至少可以取代不少在600800温度范围工作的镍基高温合金而显著减轻结构重量。TiAl基合金的主要缺点是：可锻性差(通常需要等温锻造)；室温下的塑性、断裂韧性较低(室温延伸率2%左右居多，室温断裂韧性203OMPa 居多)；疲劳裂纹扩展速率较快。当前；各国科技工作者仍在努力寻找进一步克
33、服或减轻这些缺点的技术途径。20世纪90年代美国在TiAl基合金应用研究方面的重要成就有高压涡轮叶片减振器、高压涡轮叶片定位器等典型零件在航空发动机上的成功试车，但其中最引人注目的成就是，一整盘的TiAi基合金低压涡轮转子叶片装在美国GE公司的CF6-80C2发动机上成功地经受了试车考验。该TiAl基合金的名义成分为Ti-48Al- 2Cr-2Nb(原子百分比)，叶片系由精铸件加工而成。GE公司打算在适当的时候将TiAl基金涡轮叶片用于大型涡轮风扇发动机GE-90(波音777飞机的动力装置)，可减少结构重量100多千克。我国在TiAl基合金研究方面也投入了大量的人力物力，在合金成分、制备技术、
34、显微组织和力学性能等方面都取得了重要的进展。TiAl基合金溶模精铸时容易产生裂纹，但通过浇注系统的改进是可以避免的。例如美国F-18战斗机用的枪炮冲击波扩散器头精铸件就是在改进了浇注系统后才避免了裂纹的。铸造的TiAl基合金排汽阀和涡轮增压器叶轮也已在汽车用发动机上成功地通过了试车。五大地之子”-钛 钛是一种银白色的金属，早在1791年，英国科学家威廉姆格里戈尔在英国密那汉郊区找到这种神奇的元素时，首先发现了这种新元素。过了4年，德国化学家克拉普洛特又从匈牙利布伊尼克的一种红色矿石中，发现了这种元素，便以希腊神话中的英雄来命名。钛的意思是“地球的儿子”。钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，且体重
35、只有铁的一半。在常温下，钛可以安然无恙地“躺”在各种强酸、强碱中；就连最凶猛的酸- 王水，也不能腐蚀它。有人曾把一块钛片扔进大海，经过5年以后取出来，仍然闪闪发亮，没有半点锈斑。俗话说:“真金不怕火炼”。可是钛的熔点比黄金还高出 600多摄氏度。正因为钛的本领非凡，所以有着广泛用途。现在，钛是制造飞机、坦克、军舰、潜艇不可缺少的金属。在宇宙飞船和导弹中，也大量用钛代替钢铁。钛与氮、碳结合生成的氮化钛、碳化钛，也是非常坚硬的化合物，它们的耐热本领甚至还比钛高1倍。这样坚硬而耐热的材料，可以代替超级钢，制造高速切削刀具。钛的许多特殊性能，还在化工、超声波和超导技术中得到应用。然而，钛有个最大的缺点
36、，就是提炼比较困难。这主要是因为钛在高温下可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。所以人们曾把钛当作“稀有金属”,其实，钛的含量约占地壳重量的6，比铜、锡、锰、锌的总和还要多10多倍。在世界上，我国钛的储藏量最多，四川的攀枝花，钛的储藏量占全国90%以上，是世界上罕见的大钛矿。钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1，但其强度低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为：密度=4.5g/cm3，熔点为1725，导热系数=15.24W/(m.K)，抗拉强度b=539MPa，伸长率=25，断面收缩率=25，弹性模量E=1.078105MPa，硬度HB19
37、5。(1)比强度钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。(2)热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500范围 “钛飞机”坚实又轻便，一架大型钛客机可比同样重的普通飞机多载 岚；黑龙江省的呼玛；北京市昌平的上庄和怀柔的新地。其中四川省表 FeTiO3+3H
38、2SO4 = Ti(SO4)2+FeSO4+3H2OFeTiO3+2H2SO4 = TiOSO4+FeSO4+2H2OFeO+H2SO4 = FeSO4+H2OFe2O3+3H2SO4 = +3H2O为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+ 还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO47H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。 Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：Ti(SO4)2+H2O = TiOSO4+H2SO4TiOSO4+2H2O = H2TiO3+H2SO4锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：H2TiO3 = TiO2+H2O工业上制金属钛采用金
39、属热还原法还原四氯化钛。将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至10001100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。TiO22C2Cl2TiCl42CO-在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛： TiCl42Mg2MgC12Ti这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。 钛及钛合金的特性、用途纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54gcm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K ，比钢高近500K。钛属于化学性质比
40、较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80% 。同时，钛无，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。钛具有“亲生物“性。在人体内
41、，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。钛的化合物及用途重要的钛化合物有：二氧化钛(TiO2)、四氯化钛(TiCl4)、偏钛酸钡(BaTiO3)。 二氧化钛纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。因此，人
42、们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。四氯化钛四氯化钛是一种无色液体；熔点250K、沸点409K，有制激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。TiCl4+3H2O = H2TiO3+4HCl因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严
43、寒、霜冻的危害。偏钛酸钡将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡：TiO2+BaCO3 = BaTiO3十CO2-人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。钛产品钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,在航空、航天、车辆
44、工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。材质：典化钛，工业纯钛， 型钛， 型钛， +型钛类型包括有钛丝、钛网、钛管、钛片、钛箔。钛网：应用于一些仪器以及装置，起过滤作用。钛丝：除了工业上的应用，高级钛丝还应用于一些植入和美容手术。 钛管：应用于工业、机械上。钛片：应用于骨骼上的植入，外科接骨手术与生物植入公司。 钛箔：应用同上，钛箔是更薄的钛片，厚度在0.1mm以下。上海思尔德光刻微铸实验室，用超声波结合光学平台，在钛材料上制造出精度可达1%mm的无规则矢量图形。克服了钛不能被蚀刻加工的问题。从而能制造出各种矢量图形的钛产品。使此国内钛产品加工业更上了一个台阶。 其制造
45、钛成形的过程中不使用氢氟酸，不经过有毒药水和造成污染，使钛产品的最终质量达到了全球领先的水平，其技术已成功引入欧洲各国，在生物植入和医疗植入骨科系有着卓越贡献。现状与展望钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。 我国钛行业发展现状及未来所面临的形势 发布时间：2011年06月02日我国钛行业发展现状及未来所面临的形势，如下：1、钛的优异性能及钛行业的基本特点钛及其合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁性、低阻尼、高低温性能好、与炭复合材料的相容性好、生物
46、相容性好等突出优点，并具有超导、形状记忆和储氢特性，而在航空航天、舰船、海洋工程、化工、电力、冶金、医疗、体育休闲等行业有广泛的应用，被人们誉为“太空金属”和“海洋金属”，是重要的战略金属材料。钛冶金和加工技术是高技术。钛的氧化物化学位低，极为稳定，将其还原为金属极为困难。目前，海绵钛生产的主导工艺是氯化-镁还原法，即富钛料通过氯化-精制-还蒸-精整工序得到海绵钛，还要通过配套氯化镁的电解，实现镁、氯闭路循环，是一个复杂的冶金体系。金属钛的熔点高，合金体系复杂，加工温区窄、变形抗力大，需要许多特殊的加工技术和专用设备进行钛及其合金的加工材的制备。因此，目前世界上只有美国、俄罗斯、日本和中国具有
47、完整的钛工业体系。用钛量的多少是一个国家发达程度的标志。钛是现代金属，是高新技术不可或缺的关键材料。纵观世界钛工业的发展史，社会的现代化程度越高，用量就越大。换句话说，用钛量的多少是一个国家发达程度的标志。钛是朝阳金属。一方面钛及其合金在航空航天、海洋工程、核电等领域有越来越重要的广泛应用，就是在民用的化工、冶金、医疗、体育休闲等领域的应用也越来越广泛。另一方面，钛资源储存量大，易于开采。因此，目前世界上的主要经济体都竞相发展钛产业。2、 中国钛工业已取得的巨大成就在党和政府的直接关怀和领导下，中国钛工业从1954年开始起步，经过55年的发展，已取得巨大的发展，中国已成为世界钛工业大国。中国已
48、建立了钛的开采-冶炼-加工-应用-科研这一完整的钛工业体系。中国已经建立了比较完整的钛合金体系和钛工业标准体系。中国海绵钛的产能和产量已居世界第一位。2008年中国共生产海绵钛49632t，约占世界总产量的28.7%。2008年，中国共生产钛加工材27737t，居世界第二位，约占世界总产量的21.4%。2008年，中国钛加工材消耗量为24068t，居世界第二位。中国已拥有海绵钛产量过万吨的世界级海绵钛大厂-遵义钛厂，拥有钛加工材产量过万吨的世界级钛材大厂-宝钛集团。3、中国钛工业的不足经过55年的发展，中国钛工业确实取得令人瞩目的发展，但与美日俄相比，中国钛工业还是后进者，特别是金融危机加剧以来，更突显出中国钛工业缺陷与不足。a、产业的聚集度不够目前，国外仅有7家海绵钛工厂，除处在恢复重建中的美国ATI公司海绵钛厂产能为7000t/a之外，其他6家海绵钛厂的产能均在12000t/a之上，其中俄罗斯AVISMA公司的产能达到38000t/a。而2008年，中国共有13家海绵钛厂，仅遵义钛厂一家的产能达到14000t/a。中国的钛加工材
