新型金属材料

新型金属材料种类繁多，它们都属合金。

形状记忆合金 形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。

最早研究成功的形状记忆合金是 Ni－Ti 合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如 Cu－Zn－Al 和 Cu－Al－Ni，价格只有 Ni－Ti 合金的 10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表 7－3 列出一些形状记忆合金及其相变温度。

表 7 － 3 一些形状记忆合金及其相变温度

形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。

形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。

高温合金 涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。一般选用镍基和钴基高温合金作材料制造叶片，随着加工工艺和技术的不断进步，取得愈来愈好的效果。较早时采取多晶铸造工艺，让熔融的合金在铸型中逐渐冷却凝固，一开始就产生无数的晶粒，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个叶片。由于合金冷却时散热的方向未加控制，晶粒的长大是随意的，因此得到的晶粒形状接近球形，称为等轴晶，如图 7－10（a）所示。晶粒之间的界面称为

晶界，通常晶界上容易出现杂质和缺陷，因此晶界是叶片中最薄弱的易破坏区，必须采取相应的技术措施净化晶界，提高晶界的结合强度。

1. 柱晶合金 柱晶合金是采用定向凝固工艺来铸造涡轮叶片。当合金在铸型内冷却时，控制散热方向，使晶粒按预定的方向生长，这样得到的不是等轴晶，而是长条形的柱晶，如图 7－10（b）所示。柱晶涡轮叶片的最大特点是不存在横向晶界，当涡轮叶片高速旋转时，最大的离心应力与柱晶中的晶界平行，减少了晶界断裂的机会，从而提高了强度，使叶片的工作温度提高了约 50℃，喷气发动机的寿命提高了 1 倍。

1. 单晶合金 柱晶合金仍存在晶界，只有单晶合金才能完全消除晶界的影响。单晶涡轮叶片铸造工艺是在定向凝固柱晶叶片铸造的基础上发展起来的。常用种晶法，即预先在铸型的底部植入一粒籽晶，当铸型内的熔融合金凝固时，控制散热方向，只允许籽晶长大，直到完全占有整个铸型空间。这当然要求合金有很高的纯度，铸型是非常洁净的，不能引进杂质，否则杂质可能成为晶核，造成多晶。用同一种高温合金材料，由于采用新工艺，单晶涡轮叶片使工作温度又提高了 100℃以上，喷气发动机的寿命延长了 4 倍。

贮氢合金 氢是 21 世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。氢气燃烧将放出大量热能，其反应如下：

H + 1 O

2 2

₂→H 2 O(1) + 286kJ

每千克氢气燃烧产生的热能是煤的 4 倍以上。燃烧产物是水，没

有任何污染气体产生。氢来源于水的分解，可以利用光能或电能分解水， 而水是取之不尽的。

H O(1) ^光^解→ H

• 1 O

2 或电解

2 2 2

氢若作为常规能源必须解决氢的贮存和输送问题。传统上氢采用气态或液态贮存，前者在高压下把氢气压入钢瓶，后者在－253℃低温下将氢气液化，然后灌入钢瓶，但运送笨重的钢瓶很不方便。

贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。在贮氢合金中，一个金属原子能与 2 个、3 个甚至更多的氢原子结合，生成金属氢化物。但不是每一种贮氢合金都能作为贮氢材料，具有实用价值的贮氢材料要求贮氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速度快，使用寿命长和成本低。目前正在研究开发的

贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金如 MgH2，Mg2Ni 等；稀土系贮氢合金如 LaNi5，为了降低成本，用混合稀土 Mm 代替 La，推出了 MmNiMn， MmNiAl等贮氢合金；钛系贮氢合金如 TiH2，TiMn1.5。表 7－4 列出了一些贮氢合金。

表 7 － 4 一些贮氢合金的含氢率及其分解温度

贮氢合金用于氢动力汽车的试验已获得成功。随着石油资源逐渐枯竭， 氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。贮氢合金的用途不限于氢的贮存和运输，它在氢的回收、分离、净化及氢的同位素的吸收和分离等其他方面也有具体的应用。

非晶态合金 非晶态也称玻璃态。非晶态物质中原子没有周期性重复排列，因而没有确定的熔点。与 X 射线作用只产生散射，没有衍射，表明非晶态物质中原子排列是长程无序的，但短程可以有序。图 7－11 为物质的晶态和非晶态示意图。

熔融状态的合金缓慢冷却得到的是晶态合金，因为从熔融的液态到晶态需要时间使原子排列有序化。如果将熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液态一样的无序排列状态， 得到的是非晶态合金。这种结构与玻璃的结构极为相似，所以常把非晶态合金称为金属玻璃。非晶态合金是从熔融液态急冷凝固得到的，合金整体呈现均匀性和各向同性，因而具有优良的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。由于非晶态合金中原子是无序排列，没有晶界，不存在晶体滑移、位错、层错等缺陷，使合金具有高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。非晶态合金的电阻率一般要比晶态合金高 2～3 倍，这可以大大减少涡流损失，故特别适合做变压器和电动机的铁芯材料。采用非晶态合金做铁芯，效率为 97%，比用硅钢高出 10%左右，所以得到推广应用。此外，

非晶态合金在脉冲变压器、磁放大器、电源变压器、漏电开关、光磁记录材料、高速磁泡头存储器、磁头和超大规模集成电路基板等方面均获得应用。