合金材料论文

合金材料论文（精选12篇）

合金材料论文 篇1

摘要：本文详细介绍了镍合金材料的焊接工艺,包括焊前准备、焊接工艺介绍、焊丝选择和焊后处理。

关键词：镍,镍合金,焊接工艺

随着镍合金材料在化工设备和化学处理设备、海面技术、环境与能源技术领域中的应用越来越广泛,其焊接工艺问题就显得越来越重要。焊缝的质量对设备的使用寿命及安全性能起着决定性的影响,选择合适的焊丝与焊接工艺也起着至关重要的作用。在手工操作过程中,操作人员的技能要符合非黑色金属焊工的要求。

1 焊前准备

对所有镍或镍合金材料进行热处理时,要特别注意清洁,表面必须无硫化或铅化物质,甚至指纹也可能是有害的。经过冷弯、倒角、卷边、深拉的材料,在焊接之前要进行软化退火或固溶退火。退火气体也应该是无硫的,且应处于受控状态,使其环境稍微偏碱或保持中性。如不能保证环境完全无硫的话,可使用轻微偏氧化气体。退火气体不能在氧化和还原条件之间波动。

对材料的热处理所做的清洁度要求同样适用与焊接,尤其在焊接区及其热影响区。

镍合金的物理性能与碳钢不同,导热性差、热膨胀性强。可通过采用较大的咬根间隙来处理这些问题,用较大的开角来抵消材料的收缩,最好用切削加工,如车、磨、刨等方法来准备焊接角。

2 焊接工艺介绍

用于镍合金材料焊接的熔焊工艺有以下几种:

GTAW(气体钨弧焊);GTAW-HW(有预热焊丝的气体钨弧焊);PAW(等离子弧焊);GMAW(惰性气体金属保护弧焊);GMAW(活性保护气金属弧焊);SMAW(涂层棒电极的手工金属弧焊);SAW(埋弧焊);L(激光焊)。

气体钨弧焊用焊丝焊接时,在很低的热量输入情况下的焊接质量较好。气体钨弧焊常常用于低、中厚度的板的焊接,以及根道焊缝、大壁厚衬板的焊接。对于镍合金材料用直流电来焊接(负电极)。

预热焊丝的气体钨弧焊可以得到与GTAW工艺同样高的焊接质量。焊丝直径0.8～1.2mm,经过焊丝进给系统不停的被送到焊接池上,焊丝浸入焊池的某一位置并在焊接过程中保持。火头的正确倾向对热焊丝的GTAW最佳操作来说是很重要的。连接管的倾角对材料平面或水平面应该在20～40°之间。用0.8mm直径的焊丝,焊丝自由端的长度不应超过15mm,否则焊丝在浸入焊池之前就由于持续受热燃烧了。通常GTAW吹管连接到负极上,而工件连接到正极上。一个单独的可调整电压的交流电源用来加热焊丝,电压在5～12伏之间,为了避免加热之后焊丝被氧化,连接管可以装一个保护气体供给器。用冷焊丝的GTAW焊接中,焊接速度可以达到10～15cm/min,用热焊丝的焊接速度可达20～30cm/min或更快。与其它焊接工艺相比,GTAW-HW焊接性能很好,变形小,热影响区窄,基材的热裂风险降低。

在GTAW工艺过程中,利用氩气并含有2-3%的氢气作为保护气对形成高速、平直和光滑的焊缝是很有利的。

在等离子弧焊中,被转移的弧在钨电极与水冷锥形铜管之间燃烧,作为阴极的钨电极和作为阳极的管连起来,电离气体被吹进钨电极和管子之间的环形空间。保护气通常是不含或仅含一点氢气的氩气,保护焊池不受其它气体的影响。PAW焊接工艺如下:离子束穿透材料或工件,被一方形的对焊缝连接在一起,锁眼沿着工件要焊接的边缘移动,熔化的材料在锁眼后流到一起形成了焊缝金属。PAW工艺有很高的焊接质量,在无焊接准备且无论有没有焊丝的情况下,对于2～8mm厚度的材料可以使用。

在惰性保护气体金属弧焊中,热源就是在保护气体下不断进给的熔化金属和基材之间所产生的弧。在大部分情况下用脉冲弧来焊接镍合金材料。调整焊接电流的频率控制叠加电流的脉冲弧,可实现薄横断面在相当低的热量输入下的焊接。

在用H2作为活性保护气的气体金属弧焊中,CO2加入到氩(氦)保护气中,在脉冲弧的成分中气体成分是:Ar+50%He+0.05%CO2或Ar+30%He+2%H2+0.05%CO2。这种气体混合物有助于:i)减少飞溅;ii)提高焊接速度。

有涂层棒电极的手工焊由于其多种不同的使用可能性,一直有着特定的应用领域。对于低设备成本的焊接,可以在其它焊接工艺设备难以达到或受限制的部件区进行施焊,这种工艺过程在所有熔化金属焊接工艺中产生的热量和能量是最低的,在多层式焊接中表现尤为突出。它通常使用直流电且连在正极。

在埋弧焊(SAW)中,不断进给的焊丝电极在流粉的覆盖下熔化,粉末熔化形成充满弧光燃烧电离气的熔渣泡。因为此焊接工艺完全在覆盖层发生,所以热效率非常的高,这种高的热效率使得热输入比棒电极焊接的7倍还高,相应的就有高的熔化率。如果基材有敏化或金属间相的沉淀,就很有必要降低热输入量。在这些情况下,电极直径应该限制在2mm以内。

在激光束焊接工艺过程中,利用非常高的激光束能量来熔化材料,需要结合面相互平行,结合面之间的间隙非常小(<0.2mm)。可实现高速度焊接并且焊接质量非常好,被焊接材料的热应力低,焊接区变形量小。激光焊接的缺点是只能用作纯机械化工艺,而且这种焊接工艺主要用于纵向焊接管的生产。

在所有这些焊接过程中,焊接保护起着决定性的作用,特别是要尽可能排除导致氧化与燃烧的环境影响。涂层、流粉和气体也必须没有碳化物成分,否则会导致沉淀金属的碳含量大大增加,同时温度必须尽可能的保持低点,因为它增加了气孔变形的倾向。放在焊接区附近的铜基焊条有助于驱散热量并减小变形,夹紧装置建议用来排列工件。工件允许在夹紧装置中冷却。在不能用夹紧装置的地方,建议使用比较密的间断焊。

对于多层焊接来说,许多情况下采用几次小而窄的焊道方式比一两层焊道好的多,一两层焊道可能会导致耐腐蚀力的降低,同时条状焊比交叉焊更合适。在每一层焊接之后,下一层焊接实施之前都应将焊缝细心的清理干净,在V型或U型焊缝中不可能实施底焊的地方应该反过来焊。

从焊接工艺角度看,近来从带涂层棒电极手工金属弧焊到气体保护弧焊已经有了相当大的变化,这种变化的原因是气体保护焊比起手工金属弧焊来说更容易保证焊接质量。另外一个优点就是易于生产出均匀光滑、精美规则表面的焊缝,这种焊缝的底层和顶层均匀光滑、精美规则,因此不可能发生沉积变形和由此而产生的裂缝腐蚀。

3 焊丝选择

高合金特种钢,为了达到与母材相同的耐蚀性常用更高合金成分的焊条来焊接。相比较,镍和镍合金通常用相同或相似成分的焊丝来焊接。

4 焊后处理

为了能达到最大程度的表面耐腐蚀能力,在焊接或热处理过程中形成的任何氧化层,最后必须去掉。去除氧化皮可用适当的酸混合物来处理(如硝酸或氢氟酸),也可用不锈钢丝刷来刷,通常在焊缝还热的时候刷,必要时可进行酸洗,酸洗应在可控状态中进行。

合金材料论文 篇2

航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金。以下是各种型号的应用领域：

1050 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉。

1060 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途。

1100 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工

产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具。1145 包装及绝热铝箔，热交换器。1199 电解电容器箔，光学反光沉积膜。

1350电线、导电绞线、汇流排、变压器带材。

2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品。

2014 应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件。

2017 是第一个获得工业应用的2XXX系合金，它的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件。

2024 飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件。2036汽车车身钣金件。

2048 航空航天器结构件与兵器结构零件。2124 航空航天器结构件。

2218飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环。2219 航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力。2319 焊拉2219合金的焊条和填充焊料。

2618 模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件。2A01 工作温度小于等于100℃的结构铆钉。

2A02 工作温度200~300℃的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片。

2A06 工作温度150~250℃的飞机结构及工作温度125~250℃的航空器结构铆钉。2A10 强度比2A01合金的高，用于制造工作温度小于等于100℃的航空器结构铆钉。

2A11 飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉。

2A12 航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件。2A14 形状复杂的自由锻件与模锻件。

2A16 工作温度250~300℃的航天航空器零件，在室温及高温下工作的焊接容器与气密座舱。2A17 工作温度225~250℃的航空器零件。2A50 形状复杂的中等强度零件。2A60 航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等。2A70 飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等。

2A80 航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件。2A90 航空发动机活塞。

3003 用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道。

3004 全铝易拉罐罐身，要求有比3003合金更高强度的零部件，化工产品生产与贮存装置，薄板加工件，建筑加工件，建筑工具，各种灯具零部件。

3105 房间隔断、档板、活动房板、檐槽和落水管，薄板成形加工件，瓶盖、瓶塞等。3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等。

5005 与3003合金相似，具有中等强度与良好的抗蚀性。用作导体、炊具、仪表板、壳与建筑装饰件。阳极氧化膜比3003合金上的氧化膜更加明亮，并与6063合金的色调协调一致。5050 薄板可作为致冷机与冰箱的内衬板，汽车气管、油管与农业灌溉管；也可加工厚板、管材、棒材、异形材和线材等。

5052 此合金有良好的成形加工性能、抗蚀性、可烛性、疲劳强度与中等的静态强度，用于制造飞机油箱、油管，以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品等。5056 镁合金与电缆护套铆钉、拉链、钉子等；包铝的线材广泛用于加工农业捕虫器罩，以及需要有高抗蚀性的其他场合。

5083 用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。

5086 用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，例如舰艇、汽车、飞机、低温设备、电视塔、钻井装置、运输设备、导弹零部件与甲板等。5154 焊接结构、贮槽、压力容器、船舶结构与海上设施、运输槽罐。

5182 薄板用于加工易拉罐盖，汽车车身板、操纵盘、加强件、托架等零部件。

5252 用于制造有较高强度的装饰件，如汽车等的装饰性零部件。在阳极氧化后具有光亮透明的氧化膜。

5254 过氧化氢及其他化工产品容器。

5356 焊接镁含量大于3%的铝-镁合金焊条及焊丝。5454 焊接结构，压力容器，海洋设施管道。

5456 装甲板、高强度焊接结构、贮槽、压力容器、船舶材料。5457 经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件。5652 过氧化氢及其他化工产品贮存容器。

5657 经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件，但在任何情况下必须确保材料具有细的晶粒组织。

5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件。

5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可用来代替5A02合金。5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架。

5A06 焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件。5A12 焊接结构件，防弹甲板。

6005 挤压型材与管材，用于要求强高大于6063合金的结构件，如梯子、电视天线等。6009 汽车车身板。6010 薄板：汽车车身。6061 要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构性，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、夹具、机械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材。

6063 建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料。6066 锻件及焊接结构挤压材料。

6070 重载焊接结构与汽车工业用的挤压材料与管材。6101 公共汽车用高强度棒材、电导体与散热器材等。

6151 用于模锻曲轴零件、机器零件与生产轧制环，供既要求有良好的可锻性能、高的强度，又要有良好抗蚀性之用。

6201 高强度导电棒材与线材。

6205 厚板、踏板与耐高冲击的挤压件。

6262 要求抗蚀性优于2011和2017合金的有螺纹的高应力零件。6351 车辆的挤压结构件，水、石油等的输送管道。

6463 建筑与各种器具型材，以及经阳极氧化处理后有明亮表面的汽车装饰件。6A02 飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件。

7005 挤压材料，用于制造既要有高的强度又要有高的断裂韧性的焊接结构，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器；大型热交换器，以及焊接后不能进行固熔处理的部件；还可用于制造体育器材如网球拍与垒球棒。

7039 冷冻容器、低温器械与贮存箱，消防压力器材，军用器材、装甲板、导弹装置。7049 用于锻造静态强度与7079-T6合金的相同而又要求有高的抗应力腐蚀开裂勇力的零件，如飞机与导弹零件——起落架液压缸和挤压件。零件的疲劳性能大致与7075-T6合金的相等，而韧性稍高。

7050 飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。制造这类零件对合金的要求是：抗剥落腐蚀、应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与抗疲劳性能都高。

7072 空调器铝箔与特薄带材；2219、3003、3004、5050、5052、5154、6061、7075、7475、7178合金板材与管材的包覆层。

7075 用于制造飞机结构及期货 他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件、模具制造。7175 用于锻造航空器用的高强度结构性。T736材料有良好的综合性能，即强度、抗剥落腐蚀与抗应力腐蚀开裂性能、断裂韧性、疲劳强度都高。7178 供制造航空航天器的要求抗压屈服强度高的零部件。

7475 机身用的包铝的与未包铝的板材，机翼骨架、桁条等。其他既要有高的强度又要有高的断裂韧性的零部件。

铝合金材料产品设计分析 篇3

《考工记》强调一切制作工艺都要在符合自然规律和特点的前提下进行，否则无法获得工艺上乘的制品。从古至今，金属材料以其优异的力学性能、优良的成型工艺、独特的外观特征等综合性能在人类生产与生活中扮演着极其重要的角色。从首饰到家用器具、从祭祀用品到机械设备、从建筑五金到交通工具，金属无处不在，推动人类文明进程，改善人类生活水平。而金属材料中的铝合金材料由于其独特的材质特性使其在产品成型以及表面装饰方面具有突出特点，正是这些特点给予设计更加丰富的理性与感性的创意空间。

质轻高强的材质特征

铝合金是工业用量最大的有色金属，是一种常用的现代材料。相比其他金属材质，铝虽然强度不如钢铁，但其比强度高，铝的密度相对较小，属轻金属，约为2.7 g/cm?，相当于铜的三分之一。如果在纯铝中加入适量的合金元素，可以得到以铝为基体的合金，从而改善和提高性能特征。铝合金材质在低密度情况下其强度和硬度大大优于铝和铁，抗拉强度超越工程塑料，在产品外观造型上表现的更加轻薄、稳固和耐用。

铝合金具有较优良的特性，可以使用在不同的场合，满足不同的功能需求，如优良的散热性与抗压性使其在电子产品市场有很高占有率。铝合金由于良好的表面质感，轻质高强等独特的优势优势，使得铝合金材质不仅在电子产品中广泛应用，在其他产品设计中也有了更为丰富的创意空間。

图1为铝合金材质的手提包，该设计利用了铝合金质轻的特点，在表面冲出蜂窝状孔洞既强化了结构的强度，同时对包身起到了一定程度的美化作用，配合皮质手拎袋，现代金属材质与质朴皮质的混搭呈现出了十分前卫的视觉效果，令人耳目一新，铝合金优良的耐蚀性也提供给用户较为丰富的使用环境。

图1 由铝合金制成的手提包

优良的加工特征

铝合金材料具有很高的塑性，成型性能好，容易加工，可进行轧制、挤压、拉拔、锻造、旋压、冲压等各种塑性加工，可以用于制造形状复杂的产品。

结实耐用的SIGG铝质饮料瓶产品已经成为不着设计痕迹的典范作品。针对铝这种有延展性的金属，设计师采用了冲压这个冷加工工艺。铝瓶是将一块铝片冲压而成，因此它的整个造型只有一个冲压工艺，瓶体的稳定性非常好，同时铝这种材料也使之具有超轻的重量，便于携带。

丰富的表面处理效果

产品设计是为了使所创造的产品与人之间取得最佳匹配的活动，而与人的关系还表现于视觉与触觉的世界，也就是材料表面的世界。

铝合金材料的具有丰富的表面处理效果，依靠各种表面处理工艺来获得色彩﹑光泽﹑肌理等表面要素，而这些表面要素则会因材料表面性质与状态的改变而改变，所以表面处理工艺的合理运用对于产生理想的产品造型形态至关重要。

1.色彩

随着人类审美需求不断提高，仅凭材料的固有色彩已经不足以满足这些需求。根据不同需求，通过一系列表面处理手法调节或改变材料本色，获得人工色。

铝合金材料的固有色彩为银白色，经过阳极氧化处理而得到的氧化膜，具有多孔状结构，具有强烈的吸附能力，因而可以再经过一定的工艺处理使其表面形成一层硬而且致密的保护层并着上各种鲜艳的色彩，达到美化和防护的双重效果。根据着色物质和色素在氧化膜中分布的不同，可分为自然发色法、电解着色法和染色法三类。其中电解着色工艺具有成本低、颜色耐晒、不易退色等特点，是目前应用最广泛的着色方法。铝合金材质可阳极氧化成各种颜色，色彩丰富、色泽艳丽，色域宽广。

2.肌理

肌理是指材料表面的组织纹理结构纵横交错、高低起伏、粗糙平滑、色彩斑斓的纹理变化以及形成的条理韵律节奏所产生的形式美感。物质存在表面，即存在表面肌理。除了材料固有的肌理之外，科技的发展，为创造更多更美的新肌理形式提供了理想的手段和开发前景。

铝合金材质通过表面精加工赋予产品特定的肌理，如平滑﹑光亮、美观和具有凹凸肌理的表面状态，既可以起到仿真、装饰的作用，也可以增强产品表面的防滑、耐磨、耐蚀等功能，可以补充完善产品材质的功能，降低产品表面效果的成本。主要加工方式有：抛光、拉丝、喷砂、车纹、压印、批花等。抛光可以使表面更加平滑高亮;拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、螺纹、波纹和旋纹等几种。表面肌理一般不会以单一的效果出现，而是根据产品的结构特点以不同的肌理效果达到装饰和提高功能的作用。

结语

随着人民生活水平的提高，设计需要满足消费者更加多元化的需求而不断探索新材料的应用空间，同时更应该重视对现有材料设计空间的充分挖掘。在近几十年里，经过人类的不断研究和探索，在铝合金的开发和研制方面都取得了不错的成绩。铝合金作为目前研究较为成熟的金属材料，其成型以及表面处理都有许多优于其它金属材质的地方。设计应该将“美材”配以“巧工”充分结合设计者的设计创意，使得三者相辅相成，互相辉映，才能做出更好的设计，充分地认识材料并创造性地利用材料，也是一个优秀设计师的必备条件。

镁合金材料研发进展概况 篇4

镁资源在地壳中分布的也比较广, 地壳含有1500多种矿物, 其中含有镁化合物的即占200多种。目前世界上生产镁质非金属和金属材料的主要矿物为菱镁矿和白云石。截至2004年底, 世界已探明的菱镁矿储量约为124亿t, 主要赋存在中国、朝鲜、俄罗斯等13个国家和地区, 其中29%的菱镁矿分布在中国 (图1) 。白云石矿主要分布在中国、前苏联、美国、法国、日本、加拿大、意大利、澳大利、英国等国家和地区。由于白云石矿储量巨大、分布广泛, 因而一般地质资料中均未提及其储量。

国际上原镁生产以中国、加拿大、澳大利亚、前苏联为主。目前, 北美和欧洲国家的镁产量已降至世界镁产量的20%左右。2009年中国原镁产量50.2万t, 占世界产量的79.2%;2010年1-10月份, 中国原镁产量达54.3万t。凭借资源、能源和成本优势, 中国几乎控制和垄断了全球原镁的供应。

作为国际上的原镁生产大国, 我国每年要向国外提供大量的原镁及镁的初级产品。

我国在国际镁产业链的布局中, 长期处于产业链的前端位置。中国镁产品出口的情况比较见表1。

一、我国镁合金材料发展现状

我国镁材料起步于20世纪50年代末期, 以军事用途为主, 经过50多年的发展, 特别是近10年的联合科技攻关, 无论原镁冶炼产量、出口量, 还是国内消费量以及经济效益等方面都取得了举世瞩目的成就, 已经初步形成了包括镁及镁合金生产、镁合金深加工、产品开发与应用及装备制造等相对完整的镁合金产业链, 并在全国形成了多个各具特色的镁产业基地和产业集群。

为了推动我国镁产业结构升级和可持续发展, 以师昌绪院士和李恒德院士为首的科学家, 在2000年联名倡议从国家层面大力支持镁的研究。此后, 我国各级政府和科技部门对镁产业的发展给予了高度重视, 科技部等有关政府部门以及地方政府自“十五”以来相继出台了一系列推动镁产业发展的政策。

万t

自“十五”以来相继出台了一系列推动镁产业发展的政策。自“十五”国家科技攻关计划项目正式启动以来, 一批与镁合金开发应用及产业化相关的项目先后在国家“973”、“863”、“国际合作”等计划中获得立项支持。国家专项经费投入近2亿元, 吸引各方面资金近15亿元。按照镁产业链的总体布局, 以企业为主体, 以市场应用为牵引, 全国共21个省市自治区的30多家企业、20多所高校和院所直接参与了项目研究工作, 围绕镁产业发展的关键工艺技术和重大装备等进行联合攻关, 推动镁合金高端产业价值链的形成。目前, 已初步形成了从原材料到深加工再到应用的完整镁产业链, 初步建立了从基础研究到应用研究再到产品开发的完整科研开发体系, 突破了一批前沿核心技术和产业化关键共性技术, 在全国建立了一批产业化示范基地。我国不仅是原镁第一生产国和出口国, 而且成为科研大国。

随着我国镁加工产业链的形成和发展, 近年来, 我国金属镁的消费量保持持续迅速增长态势。从2007年起, 我国成为世界第一大镁消费国, 占全球镁消费量的1/3, 成为全球最具潜力的镁消费市场。在中国镁合金快速发展和原材料优势的带动下, 国外很多拥有镁合金技术优势的公司纷纷到中国投资建立镁合金压铸厂, 生产汽车、摩托车和3C产品等镁合金零部件。随着越来越多的来自我国台湾地区和北美、欧洲及日本等的镁加工企业将产业基地转移到中国内地并扩大其生产规模, 中国正在成为世界镁合金产业加工制造基地。

二、镁合金开发主要技术进展

我国镁材料科技发展在国家政府的关注和支持下起步。2000年7月, 年近80高龄的师昌绪院士高瞻远瞩, 敏锐地捕捉到国际材料学术动态的前沿, 及时倡导中国要发挥资源大国优势, 研究镁材料应用, 同时联名其他院士向科技部提出加快发展我国金属镁工业发展的建议。

科技部领导及时采纳了科学家的建议, 于2001年8月启动了“十五”国家科技攻关计划“镁合金开发应用及产业化”项目, 之后, 又陆续启动了“973”、“863”、“国际合作”及“十一五”科技支撑计划等有关镁合金研发项目。国家发改委、国家自然科学基金委员会、教育部、中国科学院、各省市地方政府随后均陆续对镁的研究给予积极支持经过广大科技人员的共同努力, 我国镁合金开发取得了可喜成果。

1. 原镁冶炼技术取得新进展

我国原镁生产企业基本上采用横罐还原炉, 直接燃煤方式使得生产能耗高。“十一五”期间, 南京云海特种金属有限公司开发了“大直径竖式还原罐炼镁技术”, 采用竖罐 (图2) , 底部出渣还原炉技术, 能够使球料快速受热升温, 且工艺操作更简便, 缩短了镁料进出炉时间, 也进一步增加了热能利用。同时, 在镁冶炼过程采用双蓄热器式镁还原炉 (图3) 和余热利用系统, 加上广泛采用炉料预热, 使热能得到充分利用, 吨镁生产能耗由原来的10t标煤降到5t标煤以下, 环境污染也得到了有效治理, 烟气含尘量≤100mg/m3。

我国还开发了镁废料回收利用成套技术, 每吨再生镁合金总燃料平均消耗只有0.328t标煤, 金属回收率达到98.2%, 熔剂渣残金属回收率由50%提高到95.7%。

原镁生产企业研制出利用镁渣制造水泥的技术:镁渣添加比率为30%~32%, 吨水泥镁渣利用量≥300kg, 现已达到日产镁渣水泥熟料2500t, 年可消化炼镁还原废渣30万t, 废渣达到零排放。

总之, 通过近10年的努力, 我国皮江法原镁冶炼技术向前推进了一大步, 初步改变了原镁生产能耗高、污染严重的景象。

2. 镁合金型材、板材成形加工技术有突破

镁合金由于其流动性、充型性能好, 适于采用压铸成形, 且成本低。目前, 镁合金部件约90%以上采用压铸方式生产, 但由于铸态缺陷又限制了镁合金材料的应用。因此亟待开发镁合金变形加工技术。近几年, 主要进行了型材和板材成形技术的开发工作。

东北大学等采用电磁铸造方法, 突破了大型镁合金铸造锭坯的制备技术, 获得了表面光洁、内部晶核细化的?500mm大型镁合金铸锭, 表面车削量为1.5mm时已经能够满足后续加工要求。

为开发低成本板材, 山西闻喜银光镁业 (集团) 有限公司等开发出镁合金连续铸轧及成卷技术, 建成了宽幅600mm、厚度0.5~9mm的板材生产线, 并形成年产板带3000t的商品化生产能力。

在镁合金型材的开发中, 重庆大学等研制出外接圆直径为368mm的镁合金薄壁中空大型材。同时开发了镁合金快速挤压技术, 镁合金管材的挤压速度可达到4~8m/min, 棒材达到20m/min以上。

镁合金板材连铸轧新技术和型材挤压技术的突破, 为镁合金材料作为结构材料的推广应用打下了基础。

3. 表面处理与连接技术取得突破

西安理工大学首次提出微弧氧化 (MAO) 过程临界电流密度的概念, 以放电瞬间的能量梯增速度替代击穿电压理论作为控制系统设计的指导思想, 处理过程的电流密度从15A/dm2减小到0.48A/dm2, 开发出一次性处理面积达6m2的低能耗镁合金微弧氧化成套装备。兰州大成科技股份有限公司根据多年研究真空镀膜的成果, 开发出镁合金制品真空镀膜成套技术及装备, 将真空电弧离子镀膜和磁控溅射镀膜等多项先进镀膜技术集成应用于镁合金零件表面处理。

大连理工大学率先研究低功率激光-电弧复合热源焊接技术、镁合金活性电弧焊接技术以及胶焊新技术, 开发出优质、高效的镁合金连接技术, 实现了镁合金与异种材料的连接, 接头动、静载荷达到镁合金母材的90%以上, 镁合金补焊熔深达5mm;并且开发出镁合金连接的成套设备并实现工业化应用。

4. 大型复杂件的开发与应用

东风汽车、一汽、重庆长安、奇瑞汽车等已开发和生产变速箱壳体、真空助力器中间隔板、制动阀体、方向盘骨架、气阀室罩盖等50多种镁合金零件 (图9) , 累计生产各类零部件超过800万件。一汽、重庆长安、东风汽车等汽车公司还开展了大型复杂压铸件的结构设计、强度分析、压铸工艺优化、压铸模具开发的并行研究, 实现了镁合金座椅骨架、油底壳、链轮室罩盖等压铸件在自主品牌B级车——奔腾轿车等新车型上的同步开发。

成发集团铸造公司采用砂型铸造技术, 开发出平台、音圈等大型镁合金砂型铸件, 突破了熔体压头轻、易于氧化燃烧等一系列难题。其中, 镁合金振动平台的最大尺寸达到1800mm×2200mm, 最大质量达到1200kg。

三、国际合作与技术交流

为了促进我国镁产业的发展, 近10年, 国内镁研发有关的企业、高校和科研院所与德国、美国、日本、加拿大、俄罗斯、澳大利亚、新西兰、韩国等进行了广泛接触, 建立了经常性的学术联系。成功组织的2004年北京国际镁会议, 首次全面向世界展示了中国在镁的研发和应用方面的工作, 提升了中国镁的国际影响力和竞争力。与德国弗劳恩霍夫工业经济与组织研究所 (IAO) 合作开展的欧盟第六框架下“镁加工生产系统设计与规划项目 (PROSYS) ”, 培训企业在设计规划时如何考虑环境、健康和安全等因素, 促进产业可持续发展。

在此期间, 尤其侧重加强与国外企业的密切联系, 开展实质性合作。特别是2007年以来, 正式启动了中国、美国、加拿大3国政府间国际合作开展的“镁质车体前端结构研究与开发” (MFEFD) 项目, 研究内容包括:防撞性研究, 噪声、振动和平顺性 (NVH) 研究, 疲劳和耐久性研究, 腐蚀与表面处理, 低成本挤压成形, 低成本板材成形, 高致密度铸件的开发, 焊接和连接, 综合计算材料工程和全寿命周期分析10个任务。参加项目的外方合作单位主要有美国、加拿大的政府研究机构、大学以及有关汽车零配件生产厂。目前, 在3个国家技术人员的共同努力下, 取得了以下成果:

(1) 建立了汽车用镁合金关键材料的基础数据库:针对4种汽车用镁合金关键材料AZ31、AM30、AM50、AM60, 测试了这些材料的抗撞击性能、NVH、疲劳性能和集成计算材料工程等相关内容, 建立了镁质汽车前端材料设计的基础数据库。

(2) 研发出了适合汽车前端设计需求的关键制备技术:研制出挤压速度达到6m/min以上, 抗拉强度最高达到300MPa以上的镁合金高速挤压技术;开发出韧性可提高50%~60%, 且具有可热处理和可焊接性能的超真空压铸工艺技术 (SVDC) ;开发了幅宽600mm、厚度0.5~9mm的镁合金板材制造技术。

(3) 研发出了适合汽车零部件的表面处理与连接技术:开发出微弧氧化和微弧氧化及电泳 (MAOE) 相结合的表面防腐处理新工艺;开发出低能耗激光氩弧复合焊接技术和搅拌摩擦焊技术, 与传统焊接方法相比, 焊接接头的动载荷强度从72%提高到98%以上。

(4) 完成了镁全生命周期中的二氧化碳排放调查与分析:对镁的冶炼、合金化、成形、应用、回收与再利用进行全生命周期分析, 结果表明, 与钢相比, 镁在其全生命周期中的二氧化碳排放比钢要少得多。

(5) 建立了中美加MFERD国际合作项目网络平台:依托密西西比州立大学建立了中美加MFERD合作项目网络平台 (http://carload.hpc.msstate.edu.) , 建立了3方共享的成果和数据库, 为3个国家科学家和管理人员通过网络进行信息技术交流及研发数据共享提供了有力支撑。

四、我国镁合金产业面临的主要问题

1. 实用新材料品种少, 难以满足多样性需求

我国镁材料研究历史短, 基础相对薄弱。这也反映出我国镁合金材料基础研究与发达国家有差距, 自主合金牌号少, 与有400多个牌号的铝合金材料相比, 差距更大, 供应用选择的范围小, 影响了镁产品的扩大应用。同时, 镁合金的力学性能具有相对独特性, 需要针对镁的特性开展研发工作。目前研究和开发的镁合金材料, 不能同时满足性能与价格应用要求, 获得实际应用的品牌品种少, 数量受到限制, 难以满足多样性的市场需求。

2. 塑性成形成本高, 限制了镁合金的广泛应用

镁合金成形以传统压铸工艺为主, 但铸态缺陷限制了镁合金性能的提高, 制约了镁合金的广泛应用。镁合金使用塑性成形, 可消除铸态缺陷的影响, 借助形变强化和热处理强化可显著提高合金性能, 但由于镁是密排六方结构, 变形比铝、钢、铜等常用金属困难。若直接采用铝合金的塑性成形方法, 则镁合金成品率很低, 因而使塑性成形成本过高, 限制了镁合金在更为广泛领域的应用。

3. 性能评价体系不完善, 设计应用亟待提高

我国镁合金性能评价体系不完善:镁合金零部件应用时, 需要镁合金腐蚀防护、疲劳、动态力学性能及耐久和可靠性的实用性基础数据, 镁合金生产标准体系也待充实。但目前还没有完整的镁合金材料数据库, 这方面的工作之前未引起重视, 近年来, 通过中美加3国项目的合作, 科研人员已认识到此内容的重要性。

受上述因素影响, 镁合金在国内的应用基本上仍处于样品复制基础上的简单替代阶段, 同步设计开发尚未真正起步, 应用水平也只处于常温下的低载荷压铸件。

五、“十二五”镁合金科技攻关设想

1. 总体目标

“十二五”期间, 要充分利用我国镁资源优势, 顺应节能和低碳经济的总趋势, 以技术突破为牵引, 提高镁材料技术水平, 促进我国镁应用的发展, 将资源优势转化为技术和经济优势, 推动镁合金应用快速发展;要依托产学研紧密合作, 基于“十五”、“十一五”我国在镁研究领域形成的人才、技术和产业化基础, 以应用需求为导向, 重点开展实用镁合金、成形加工技术研究, 建立镁合金应用评价体系, 进行镁应用的同步设计开发。

2. 重点内容

根据我国镁产业面临的主要问题, “十二五”已经优先启动的国家科技支撑计划项目研究内容拟以汽车的同步设计和集成应用为主线开展产学研联合开发工作, 由汽车企业从设计角度提出零部件要求;依据应用工况, 提出材料要求, 开发适用的镁合金、压铸件、型材、板材及其工艺技术。材料要提供给制造企业试制零部件, 并将这些部件装车应用;同时, 对有关的材料部件进行可靠性、耐久性等评估测试, 积累材料数据, 形成我国镁合金应用的性能评价体系。镁合金材料、技术与工艺研究框架见。

项目涉及的主要内容为:面向应用的新型镁合金研究开发, 镁合金高致密度铸造技术开发, 镁合金板带高效低成本轧制技术开发, 镁合金特种型材挤压成形技术开发, 镁合金腐蚀连接、耐久性与可靠性研究及评价, 镁合金零部件同步开发与集成应用等。

3. 展望

我国是世界上汽车消费增长最快的国家, 汽车保有量增长速度前所未有。镁合金作为结构金属材料, 80%以上都应用于汽车。因此, 以汽车和其它运输工具为载体, 开展镁合金产品制造技术创新工作, 将镁合金产品的开发与自主品牌车型的推出同步运行, 在结构优化的基础上发挥镁合金材料的轻量化优势, 将在提高我国镁合金应用水平的同时对我国汽车制造业起到重要作用。

高温合金材料的应用与发展 篇5

李桃山

王保山

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：10号

南昌航空大学飞行器工程学院100631班：20号

摘 要：

本文主要介绍高温合金材料的定义及加工特点，通过了解合金的使用范围及选择标准，使更好的发展运用在各个领域。随着工业技术的发展。要求使用具有耐更高温度下的疲劳、蠕变、热稳定性以及抗氧化性能的高温材料，以适应先进设备（主要是航空运用）的设计要求，因此近半个多世纪以来人们从未停止过对的各种高温合金材料研发。从我国高温材料的发展历程与现状分析认为，我们应该发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

关键字：高温合金材料 合金分类 应用 合金发展前景 选择标准 前 言：

高温钛合金以其优良的热强性和高比强度，在航空发动机上获得了广泛的应用。类似的高温合金材料在未来很长的一段时间应该是王牌型材料，在科技日新月异的今天，对高温合金材料的研究与来发具有很高的实际意义与战略意义。未来的航空航天飞行器及其推力系统，要求发展比现有的Ti64和Ti6242合金的强度、工作温度和弹性模量更高，密度更小，价格更低的高温合金材料，因此，高温合金材料的是航空材料的发展主流。

一、高温合金材料的定义及加工特点

高温合金定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。高温合金加工特点

对于镍合金、钛合金以及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了加工难度。在加工时的重切削力和产生的高温共同作用下，使刀具产生碎片或变形，进而导致刀具断裂。此外，大多数此类合金都会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。加工钛合金同样面临这些问题。尽管加工钛合金所需的切削力只比钢稍微高一点，但由于钛合金的特殊性能，使加工它比加工同等硬度的钢要困难得多。主要有以下几点：

1）钛合金和其它高温合金一样，也容易产生加工硬化；

2）钛基合金导热能力很低，使加工时产生的所有热量几乎都集中在切削刃上；

3）钛合金的弹性模量很小，尤其是在重切削力时，使工件容易受刀具偏移和震动的影响；

4）最严重的是钛合金比其它高温合金化学性能都要活泼，这一点使钛合金工件在加工时很容易与刀具发生化学反应，从而导致工件产生缩孔。

因为以上原因，加工耐高温合金需要特殊的加工技术，这里就不详细列出。

二、合金使用范围及选择标准

在540 ～ 815℃高强度应用场合主要采用析出强化合金。这些合金体系均包含通过镍、铝、钛或铌的析出物(Ni3 Al、Ni3 Ti、Ni3 Nb)以及固溶强化元素(如Mo)加以强化的奥氏体基体。

当析出物过剩并随温度升高开始溶解时,说明这些合金已达到温度极限。但是,通过增加析出成形元素(Ti、Al、Nb),可以提高其耐热性。此外,还必须持续增加镍含量,以形成金属间析出物,并稳定合金含量更高的奥氏体结构。还可以添加钴元素,降低析出物的溶解倾向。添加钨和钼等难熔元素,可提高高温硬度。所有这些添加元素可改善耐热性能,但亦使合金成本大幅提高。

选择合金取决于力学性能要求(即强度、蠕变、疲劳)以及最高使用温度。典型高温合金的成分、力学性能和使用温度上限分别见表

1、表2。

A286的名义镍含量为25% ,成本较低。

按耐热性能的升序排列,其他常用合金有901、718、X750、751、Waspaloy和Pyromet 41与720合金。表1所示为本系列材料逐渐增加的合金含量。Pyromet 718合金也许是最通用的高温合金,在675℃具有高强度和抗蠕变性,且这两种特性在 最高760℃下,均达合理水平,其抗疲劳特性极其优越。Waspaloy合金主要用于温度超出675℃时和最高温度在760℃时需达至超蠕变的情况。由于它的镍和钴含量更高,故其成本较高。Waspaloy是涡轮部件、锻模紧固件和钢模锻造等的理想之选。

高温合金的发展已很成熟,根据具体需求发展现有合金,比开发新型合金更为经济。合金生产工艺及控制技术日新月异,为合金性能的发展开辟了新的天地。

三、高温合金分类及其应用

1、高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和铬基。

铁基高温合金——此类合金又分为固溶强化合金和时效硬化合金。时效硬化合金包括PyrometA57、CTX909合金和Thermo750和751合金,这些合金的适用温度最高为870℃。固溶强化合金(Pyromet 102、680和625合金)最高工作温度达1 205℃。

钴基高温合金——此类合金的代表是L-605。除含有镍、铁、铬和钨外,其钴含量达50%;它属展延性合金,工作温度最高约1 040℃;此类合金还包括MP159和188合金。此类合金尤其适用于需耐硫腐蚀的环境。

2、按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。（1）铸造高温合金

铸造高温合金及制品主要以航空、航天发动机，地面燃机等动力机械为服务 对象，其发展主要以动力机械需求为牵引。铸造高温合金及制品对原材料要求高，制备工艺复杂，产品质量控制严格，行业准入门槛高，国内外具有研制和生产铸 造高温合金能力的企业数量有限。

近年来，国内外铸造高温合金发展趋势主要表现为：

1）在等轴晶方面不再投入大量的人力和物力进行新合金的研制，而是通过工艺水平的提高，挖掘合金的潜能，提高等轴晶铸件的使用性能，因而高性能等轴晶的发展是一个重要的方向。

2）目前各种先进铸件制造技术和设备在不断开发和形成，如细晶工艺、热控凝固、真空离心铸造技术等，许多大型复杂结构高温合金铸件制造成功，并付诸应用，特别是越来越呈现出材料和工艺互相影响和促进的趋势。发达国家在铸造高温合金材料上将集中于少数极端工作条件的关键需求上，如适用于超高温、大应力、富氧或腐蚀环境等。同时，继续开发新技术，并提高现有技术的控制水平，从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

3）定向、单晶高温合金研究方兴未艾，新型合金不断涌现，定向凝固合金已出现三代，单晶合金发展到5代，材料本体承温能力达到1200℃，基本达到此类材料的极限。（2）变形高温合金 变形高温合金在国内外发展基本比较平稳，美国变形高温合金年产量约4 万吨左右，我国约5000吨左右。变形高温合金在航空发动机中至今仍然是主要 用材，随着其他产品的日益成熟，变形高温合金的用量可能会有所减少，但这个 过程比较漫长。而且，通过改进现有变形高温合金的综合性能、优化生产工艺、降低制造成本，变形高温合金至少在数十年内仍是航空发动机的主要用材。

目前，国内的变形高温合金使用可分为两大类：

一是军用，主要用户为航空、航天、舰用等领域，军品的特点是高牌号、高 使用性能、高精度、种类规格繁多。

二是民用，主要在石油化工、能源动力、冶金与环保等诸多民用工业领域广 泛应用，尤其是近几年来，随着产品的升级换代，高温服役的部件使用温度提高，许多原先使用耐热钢、不锈钢部件都逐渐使用高温合金和耐蚀合金取代，对高温 合金及耐蚀合金的需求量非常大。民用变形高温合金产品种类主要有不同规格的 锻棒、轧棒、板材、带材、丝材、管材等。（3）新型高温合金

新型高温合金包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化（ODS）高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域。1）粉末高温合金处于第三阶段，同时具有高强度、高使用温度及高抗裂纹扩展能力，粉末高温合金材料及制件已经在国外获得了广泛的应用。

2）钛铝系金属间化合物的各个合金均在我国航空、航天和兵器领域开始应用，应用进展明显快于国外。

3）氧化物弥散强化（ODS）高温合金主要用于航空航天等军工领域。4）耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，目前在化纤等领域已经得到广泛应用。

5）粉末冶金及纳米材料固体自润滑轴承、新型耐磨高韧性硬质合金、新型高温固体自润滑密封件等已经在相关行业逐步得到推广。

四、我国高温合金的发展与展望

自1956 年第一炉高温合金GH3030试炼成功,迄今为止,我国高温合金的研究生产和应用已经历了50多年的发展历程.目前，已有GH系变形高温合金和K系铸造高温合金。可以说，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主开发和研究的能力, 进行应用研究和对材料进行评估的能力以及进行故障分析的能力,可以解决航空、航天及其它工业部门生产和发展中所遇到的各种高温合金材料问题。50 多年来由于需求的推动, 全国科技人员和企业共同努力, 我国逐步形成了独有的高温合金体系, 其特点是牌号多, 性能相近的合金不少, 因而本来生产量很小, 工艺和性能难以稳定的问题更加突出.造成这种局面的主要原因是每引进一种发动机, 就要试制一批合金, 再加我国自行研制的合金品种的不断增加, 因而造成我国高温合金品种的多样化，但是最根本的原因是我们对每个合金的深入研究不够, 对每个合金的特点不能做出有说服力的判断, 再加上合金研制与设计人员沟通不够, 以及国家在这方面没有明确的政策, 造成合金的品种增加多, 淘汰少, 从而形成当前如此局面, 这是留给高温合金工作者和发动机设计人员的一个复杂而艰巨的任务.应该指出, 要想合理地解决这一问题, 必须发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

五、结束语：

高温合金的研制与应用一直受到各国研究者的高度重视和政府的大力支持，在中国西北地区亦是如此。但国内研制高温合金与国外有较大差距这种差距不是在研究水平上，而是在工业化生产水平和应用尤其是应用上。

高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。

此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。

但是，由于高温合金的难变形特性以及我国尚无大型挤压机和先进的大型热模锻、等温锻造等设备, 使我国高温合金材料的热加工面临很大的困难。虽然冶金学家致力于合金化提高合金的耐高温性能，但收效甚微。

因此，进一步提高合金性能与对高温合金材料开发的工作道路仍是曲折而漫长的。

参考文献

[1] 胡本芙.高温合金研究的新进展[J].北京科技大学学报.1981年03期 [2] 师昌绪.仲增墉我国高温合金的发展与创新[J].第46 卷2010年11月第11 期第1281一1288 页

[3] Kurt P.Rohrbach.高温合金的发展与选择[J].宇航材料工艺.2005年

第01期

[4] 李凤梅.中国航空材料现状、问题与对策[A].中国材料研讨会论文摘要集 [C].2004年

合金材料论文 篇6

【关键词】块状非晶；Zr合金；晶化；纳米材料

1、前言

非晶合金材料具有良好的物理化学性能，在航天航空、汽车、精密制造、电子通讯与计算机、生物医学等领域有着广阔的应用前景[1-2]。近年来，具有良好非晶形成能力的锆基多组元合金体系引起了研究者的极大兴趣。锆基块体非经合金具有高拉伸强度、良好的延展性、高弹性以及很强的抗腐蚀性 [3-5]。

本文以Zr-Cu基为基础，通过添加Al、Ni等元素，在得到准晶体的基础上采用不同非晶晶化方式对合金进行晶化，通过XRD和DSC分析研究不同合金系的非晶形成能力；通过组织观察和硬度分析试验，研究合金性能和影响因素。为进一步开展Zr基大块非晶合金材料的研究提供理论基础。

2、试验过程

试验合金原料为工业纯Zr、Al、Ni及Cu，成分纯度均在99.9%以上。采用WK型非自耗真空电弧炉进行合金熔炼，熔炼过程中采用高纯度氩气进行保护。铜模吸铸成型制备得到1、2和3三组试样，吸铸试样的尺寸为80mm×10.2mm×2.6mm。

电致晶化：对试样施加短时的强电流脉冲实现快速加热使其发生纳米晶化。实验参数：电流密度为107A/m2～108A/m2，加热速率约为104K/s～106K/s，通电流5分钟。

热致晶化：温度480℃、保温2h后冷却至室温。该方法对于进一步理解纳米晶体的内界面结构特征、纳米晶的形成机理以及材料的结构性能关系提供了一种有效的手段[6]。

3、试验结果与讨论

DTA实验起始温度为100℃，结束温度为600℃，加热速率为20℃/min。三组试样的曲线在480℃左右出现了明显的放热峰，试样质量发生变化，材料在这个临界点位置发生了相变，试样内部发生晶格重组或产生新相使得质量上升，确定三个试样的晶化转变温度为480℃，表明试样成分不同对该准晶体的晶化温度影响很小。

1号试样在35°～40°之间有明显的峰值出现，析出相为CuZr及Al2Zr3。电致晶化后，45°的峰对应的析出相增多，热致晶化后析出峰逐渐右移，说明电流对试样内部的组织转变起到了作用。2号试样在30°～45°之间有明显的衍射峰，45°以后曲线趋于平缓，说明晶体内部析出相较少。3号试样铸态下和经过电致晶化后材料内部相结构变化很小，曲线的平稳度较高。结合上述分析，本文制备的试样可以定义为介于非晶和晶体之间的过渡态准晶体材料。

经过电致晶化及热致晶化后，试样的硬度均小于铸态下组织硬度，且热致态组织硬度最小，1号试样硬度显著高于2号及3号试样。电致晶化后，基体中析出的化合物大大地降低了材料的硬度，从1026HV降低到901HV，说明电致晶化后降低了1号试样中的非晶化程度。

3号试样显微组织中看不出明显的晶界，经过电流能量拌入后，提高了其非晶化的程度，硬度从644HV升高到689HV。1号样和2号样铸态下的硬度最高，经过晶化作用后，硬度下降。3号试样经过电流能量拌入后，硬度有了明显的增加，该材料的非晶化程度有明显的提高，因此硬度上升。

3号试样经过电致晶化后，从基体中析出了第二相，析出的第二相呈雪花状，该点成分其中L能级上Zr的峰值最大，说明析出相中Zr含量占的比例最大，从原子比可以看出，析出相接近Al2Zr3化合物原子比[7]。析出的相虽然没有达到纳米级的水平，但也达到了微米级别。

热致晶化后，3号试样从基体中析出了第二相，能谱显示Zr含量达到70%（如表4所示），超过了一开始设计的成分比例，Al、Cu及Zr元素的原子比接近1：1：2。这些点在氢氟酸的腐蚀下表现出良好的耐蚀性，因此该点可能是含Zr的陶瓷相。1号试样的铸态基体很细小，有很多短棒状的组织构成，尺寸在2μm～10μm之间。其间还含有少量的更细小的纳米级颗粒。

4、结论

本文在Zr基合金系基础上，采用电流能量拌入、等温退火等非晶晶化方式获得三维纳米材料。对材料进行差热分析、XRD分析、金相分析、显微硬度分析和扫描电镜分析。实验结果表明：

1）铜模吸铸法成功制备出准晶体材料；

2）三组试样的结晶化温度都在480℃左右，试样成分对结晶化温度影响很小；

3）不同热处理和能量拌入方法对试样产生了晶化效应，1号试样具有较强的非晶成型能力。

参考文献

[1]许并社.纳米材料及应用技术[M].化学工业出版社，2004：1-13.

[2]张志，孙楠，许泽兵.非晶合金发展及制备[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION， 2007，26：177-179.

[3]刘应开，侯德东，周效锋，刘佐权.纳米晶材料的历史与现状[J].现代物理知识，2008，11（1）：1.

[4]丁秉钧.纳米材料[M].机械工业出版社，2004：8-12.

[5]王鸣阳，郭成言，葛璜，刘彬译.日本纳米技术手册编辑委员会.纳米技术手册[M].科学出版社，2005年：107-110.

[6]何国，陈国良.金属间化合物与大块玻璃合金的形成[J].材料研究学报，1999，13（6）：569-57.

材料表面的激光合金化 篇7

(一) 激光表面合金化工艺制定的一般原则及方法

1. 激光表面合金化工艺制定的一般原则

为达到激光表面合金化预期的目的和实际生产的需要, 在研究中普遍遵循如下原则[2]:

(1) 必须考虑到合金化元素或化合物与基体金属熔体间相互作用的特性;

(2) 必须考虑在合金化区形成的物相对合金化强化效果的影响;

(3) 必须考虑表面合金层与基体间呈冶金结合的牢固性, 以及合金层的脆性、抗压、耐弯曲等性能。

制定激光合金化工艺包括合金化成份的选配、合金粉末添加方式的制定及合金化层质量拄制三个主要方面。

(1) 基体与合金化组元的选择

为满足激光合金化工艺制定原则的要求, 基体材料的选择多数是铁基合金和有色金属, 此外, 半导体与金属薄膜的合金化也是一个重要的应用领域。铁基材料中包括普通碳钢、合金钢、高速钢、不锈钢及各类铸铁, 有色金属材料主要包括A1、Ti、Cu、Ni及其合金等。在合金化组元的选择上, 既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo等金属元素, 也有C、N、B、Si等非金属元素, 以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔质点。

(2) 合金化中粉末添加方式的制定

为实现合金化, 向激光熔池中添加金属粉末或强化第二相粒子的方法主要有两种:“预先沉积法”和“同时沉积法”。

预先沉积法即在激光处理前将合金化材料预置于基材表面的方法, 是当前合金化工艺中较普遍采用的方法。此法要求沉积膜具有洁净的衬底-薄膜界面和光洁的表面, 较薄的预置膜通常可采用气相沉积、真空溅射、离子注入等方法制得, 较厚的预置膜, 可采用电镀、喷涂、轧制、扩散、预涂合金粉末或膜片等方法制得。

同时沉积法是在激光熔化基材表面的同时向熔池中喷入合金粉末或注入金属丝, 以实现表面的合金化。由于自动送粉具有易于实现自动化, 可得到良好的表面合金层质量及提高粉末利用率的优点, 近几年来国内外一些专家正在热心研制各种类型的自动送粉装置, 以不断完善同时沉积法。

(3) 合金化层质量的控制

激光表面合金化层质量的控制主要包括合金化层中合金元索含量 (合金化程度) 的控制以及合金化层裂纹和表面不平整度的控制等。

试验表明, 为达到激光合金化, 在相应的光束作用时间内, 激光功率密度应在104W/㎝2~107W/㎝2, 通常, 减小作用时间和功率密度, 可导致合金化区域中合金化元素含量的相对减少。此外, 粉末预涂层厚度也是一个重要因素, 一般说来, 随着粉末涂敷层厚度的增加, 合金化区域中合金元素的浓度增大, 但预涂层过薄或过厚, 都达不到合金化的目的。

由于表面合金化层与基体材料间存在热膨胀系数、弹性模量、导热系数等物理性能的较大差异, 在激光与金属表层发生相互作用时, 有可能导致裂纹的形核和长大, 最终产生表层开裂 (宏观裂纹) 或微观裂纹。基体与涂层对激光能量的吸收系数αE值之差越大, 热应力值越大, 越易产生裂纹;另一方面, 如果合金化表层的导热系数λ与基体材料的λ差别较大时, 在合金化层中的过渡区将出现温度梯度的突变, 就为裂纹的形成提供了条件。从预防开裂和裂纹形核的角度出发, 激光合金化技术的应用实际上受到了合金材料物理性能的限制, 并非所有材料都可采用激光合金化方法强化。

在合金化过程中, 当熔池迅速凝固后会留下不平整的表面, 因多组元的合金化实际情况较复杂, 难以作准确的控制, 因此人们针对表面不平整度的控制作了大量的研究。研究认为, 调整工艺参数可以得到理想的合金化涂层。例如, 采用大功率光束进行照射且采用的光束扫描速度V超过Vc (产生波纹表面的临界激光扫描速度) 时, 就可避免波纹状表面的产生。

(二) 激光表面合金化涂层性能

1. 耐磨性

目前, 激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末 (如Si C、WC、Ti C等) , 或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性[3]。

预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐磨性的工艺目前应用较广泛。蒋平[4]利用预涂Si C粉的方法对Ti-6Al-4V合金进行激光合金化实验, 制得以Ti C和金属间化合物Ti5Si3为增强相的复合材料表面改性层, 合金化涂层硬度及在二体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。

原位生成硬质合金相或者是金属间化合物也是提高合金化涂层硬度的一种好方法, H.C.Man[4]预涂Ni Ti粉末对AA6061合金进行激光表面合金化, 优化工艺条件得到了无裂纹和气孔的合金化涂层, 其主要组成相为Ti Al3和Ni3Al。合金化涂层硬度大于350 HV, 明显高于基体硬度 (小于100 HV) , 合金化涂层耐磨性是基体的5.5倍。

激光合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以提高合金化涂层的硬度和耐磨性, A.Hussain首次采用850W CW C02。激光器对AISI 1010低碳钢电镀10μm镍进行激光表面合金化, 合金化涂层微观组织均匀且无裂纹, 合金化涂层含镍5%时, 硬度为基体的3倍, 原因是由于快速冷却, 合金化涂层中出现马氏体组织。

2. 耐蚀性

通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性, 是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支。例如, 在Ti基体表面上先沉积15nm的Pb膜, 再进行激光处理, 形成几百纳米深的Pb的摩尔分数为4%的表面合金层, 具有较高的耐蚀性能。Muthukanann Duraiselvam等对Ti-6Al-4V添加Ni/Ti-Ti C开展激光表面合金化研究, 所得到的合金化涂层致密, 几乎无裂纹。腐蚀实验显示, 合金化涂层耐蚀性相对基体增加1.2~1.8倍, 耐蚀性的增加主要是由于合金化涂层中金属间化合物所贡献的。

3. 耐磨耐蚀性

试验研究表明, 采用合适的工艺对基体材料进行激光合金化表面处理, 合金化涂层的耐磨耐蚀性能够同时得到改善。田永生对Ti-6Al-4V分别添加碳、氮、硼进行激光合金化的硬度为1100~1300 HV, 明显高于Ti-6Al-4V (约405HV) , 磨损试验表明, 合金化涂层的耐磨性是基体的3~4倍。当采用碳、氮、硼或Ti C、Ti N等粉末进行复合合金化后, 分别进行激光合金化后合金层的硬度为可达1600~1700 HV, 耐磨性能高于基体5倍以上, 合金层的磨损表面比较平整, 形成的沟槽较浅, 未发生粘着磨损。而基体的磨损表面粗糙, 存在较深的沟槽, 并呈现粘着磨损, 经稀土化处理后, 其耐蚀性得到进一步提高。

(三) 展望

激光合金化作为目前最具发展潜力和竞争力的先进表面改进技术之一, 已初步显示出了其优越性, 并日益受到重视。但其真正应用于大规模工业生产尚有许多问题有待解决, 其一是经济上的竞争力, 即价格与成本;其二是技术本身尚未完善, 即技术上的可行性。近几年来, 许多国家和地区加大了对激光表面合金化研究的力度, 该技术具有十分广阔的应用前景。

摘要：激光表面合金化是材料表面改性处理的重要方法之一, 具有广阔的应用前景。文章综述了激光表面合金化工艺制定的原则、方法及合金化涂层的性能, 同时探讨了激光合金化当前研究存在的不足和今后努力的方向。

关键词：激光表面合金化,原则,方法,性能

参考文献

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[3]李贵江, 许长庆, 孟丹, 等.材料表面激光合金化研究进展[J].铸造技术, 2008, 29 (8) :1136-1139.

[4]蒋平, 张继娟, 于利根, 等.Ti-6Al-4V合金SiC粉激光合金化表面合金化组织与耐磨性[J].应用激光, 1999, 19 (5) :229-231.

航空铝合金材料腐蚀损伤研究 篇8

1 预腐蚀试验

1.1 试验件

试验件采用平板状试件, 由LY12CZ铝合金材料制成, 其尺寸如图1所示。

1.2 试验方案

采用酸性Na Cl溶液浸泡, 具体配比为5%的N a C l溶液中加入5%的稀硫酸使其p H=4±0.2, 溶液温度为室温。在试验过程中, 每隔5天利用KH-7700数字显微镜对试件进行一次拍照, 整个试验周期为40天, 此时试验件尚处于点蚀阶段。

1.3 试验结果

通过预腐蚀试验, 最终共获得14组不同腐蚀时间试件的腐蚀表面照片, 如图2所示。

从图2中可以看出, 腐蚀时间为20天的试件形成的腐蚀坑, 表面积较小且分布稀疏, 与之相应, 腐蚀坑的深度也较小。腐蚀时间为40天的试件表面积明显加大, 部分相邻蚀坑之间发生了相互交错结合的情况, 此时的腐蚀坑深度也明显增加。上述现象反映了腐蚀表面形貌与腐蚀损伤程度 (蚀坑深度) 之间在发展趋势上确实存在着某种内在联系和一致性。

此外, 该文还利用KH-7700数字显微镜的实时3D图像合成功能, 并结合该设备自带软件计算得到了不同腐蚀时间的最大点蚀坑深度, 其基本测量原理为国标GB/T18590-2001所述的点蚀坑深度变焦显微测量法, 具体测量结果见表1。

2 腐蚀图像特征值的提取

通过数字图像处理技术从拍摄得到的腐蚀照片中提取了孔蚀率、蚀坑分形维数、点蚀坑半径、图像灰度值、能量值, 共计五种腐蚀图像特征值, 见表1。可以看出, 随着腐蚀时间的延长, 腐蚀程度的加深, 蚀坑半径、孔蚀率、蚀坑分形维数均呈现出增大的趋势, 而图像的灰度值和能量值则在整体上呈现出减小的趋势。

3 基于腐蚀图像特征值的腐蚀损伤研究

采用灰色预测方法对图像特征值和腐蚀损伤量之间的关系加以研究, 所建模型为多变量灰色预测模型GM (1, 5) 和GM (1, 6) , 其中, 作为变量的是五种腐蚀图像特征值以及腐蚀时间t。计算结果见图3。

图3中以五种腐蚀图像特征值孔蚀率、蚀坑半径、灰度值、能量值、蚀坑分形维数作为变量建立了GM (1, 5) 预测模型, 将腐蚀时间小于30天的11组数据作为已知变量, 利用所建模型对腐蚀时间大于30天的试件蚀坑深度进行预测, (为图中所对应的12、13、14三个数据点) 。从图中可以看出, 此时五变量灰色模型的预测结果与真实值吻合较好, 平均相对误差为15.49%, 而引入了时间变量t后的六变量预测模型的平均相对误差为40%。

4 结语

该文从腐蚀表面照片出发, 提取了腐蚀图像特征值, 建立了基于图像特征值的腐蚀损伤灰色预测模型。在研究过程中, 得到以下结论。

(1) 随着腐蚀时间的增加, 试件的表面图像和腐蚀损伤也在不断变化, 它们的变化趋势存在某种内在联系和一致性。

(2) 图像特征值反映了腐蚀表面的起伏变化和材料的腐蚀程度, 将其作为输入参数对腐蚀损伤程度 (蚀坑深度) 进行预测是可行的, 预测结果也较为合理。

参考文献

[1]卞贵学, 陈跃良, 张丹峰, 等.基于IDS的铝合金预腐蚀疲劳寿命研究[J].航空学报, 2008, 29 (6) :1526-1530.

[2]张有宏, 吕国志, 陈跃良.LY-12CZ铝合金预腐蚀及疲劳损伤研究[J].航空学报, 2005, 26 (6) :125-128.

[3]Silva J, Bustamante A.Morphological analysis of pits formed on AI 2024-T3in chloride aqueous solution[J].Applied Surface Science, 2004, 236 (1) :356-365.

[4]Codaro E N, Nakazato R Z, Horovistiz A L.An image processing method for morphology characterization and pitting Corrosion evaluation[J].Materials Science&Engineering A, 2002, 334 (1) :298-306.

[5]张玮.金属腐蚀形貌特征提取用于腐蚀诊断的研究[D].大连:大连理工大学, 2004.

合金材料论文 篇9

1) 密度小, 强度高, 它的强度大于高强度钢。

2) 热稳定性好, 高温强度高。在300℃~500℃以下, 它的强度约比铝合金高十倍。

3) 抗蚀性好。钛合金在潮湿大气和海水介质中工作, 其抗蚀性能远优于不锈钢, 对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力很强。对碱、氯化物、硝酸、硫酸等有着优越的抗腐蚀能力。

4) 化学活性大, 能与大气中的O、N、H、CO、CO2、水蒸气等产生剧烈的化学反应。在600℃以上时, 钛吸收氧, 形成硬度很高的硬化层。H含量上升, 也会形成脆化层。

5) 导热性差。钛的导热系数低, 约Ni的1/4, Fe的1/5, Al的1/14.钛合金的导热系数更低, 一般为钛的50%。

6) 弹性模量小。钛的弹性模量为107800MPa, 约为钢的1/2。

综上所述, 由于钛合金具有比重小、强度高、无磁性、耐腐蚀和高温的特点, 广泛用于船舶、航空航天、精密仪器仪表等领域的核心零件。

2 应用举例

以光学镜筒的机械加工为例, 通过工艺难点分析, 刀具、冷却液的选择, 不同加工策略的比较等几方面对钛合金铣削加工进行阐述。

2.1 光学镜筒零件介绍及加工内容

该零件材料采用TC4, 它是a+β钛合金, 为双相合金。零件是受力件, 内腔装光学透镜, 所以零件要求有很高的精度, 足够的强度和一定的密封性。

数控铣削需加工外形的圆弧R42.5、119下端面减重腔、140右端面减重腔及密封槽、外形斜筋及减重腔。为了使加工基准与工艺基准、设计基准统一。把加工基准设定在140右端面与￠77圆柱的中心点上。

2.2 钛合金的切削加工难点

1) 弹性模量低, 弹性变形大。接近后刀面处工件表面回弹量大, 所以已加工表面与后刀面的接触面积大, 刀具磨损加大。

2) 导热系数低, 切削温度高。刀具与切削的接触长度短, 使切削热积于切削刃附近的小面积内而不易散发。

3) 塑性低, 硬度高。使剪切角增大, 切屑与前刀面接触长度很小, 前刀面单位面积上的切削力大, 容易造成崩刃。

4) 易产生表面加工硬化。由于钛的化学活性大, 易与各种气体杂质产生强烈的化学反应, 导致表层的硬度及脆性上升。在高温时形成氧化硬层, 造成表层组织不均, 产生局部应力集中, 降低了零件的疲劳强度。切削过程中严重损伤刀具, 产生缺口、崩刃、剥落等现象。

5) 黏刀现象严重。切削时, 切屑及被切表面层易与刀具材料咬合, 产生了严重的黏刀现象。黏刀导致在切削的相对运动过程中, 引起剧烈的黏结磨损。

6) 斜面清角加工过切。由图2中M-M视图可以看到共有10处底面呈斜面的异形腔。在使用等高精加工策略后, 形腔的角落不光滑。

如果有一条沿形腔轮廓移动的刀路, 形腔的角落将很光滑。由图3会发现刀路在具有斜率的地方发生了过切。

7) 深圆弧面的加工。由主视图可知, 在三轴机床上加工R42.5圆弧面 (如图4所示) 需要一把底部直径大于24mm, 顶部直径小于10mm, 长度大于129mm的立铣刀。根据前面对钛合金的切削加工特性的分析, 是完全加工不出的。

8) 密封槽的加工。密封槽的尺寸:宽3.8mm、深1.97mm, 由于槽宽限制, 铣刀直径只能小于3.8mm。根据铣刀标准选用￠3立铣刀。

传统加工采用0.5mm层铣法, 它是Z轴作间隙运动, 刀具沿XY轴作进给运动。由于在铣削过程中, 每个刀齿的切削厚度都比较小, 刀齿在极薄的切削厚度下进入切削, 刀齿要经过一段滑擦才能切削。造成刀具后刀面的磨损, 使切削力增大。切削力沿径向作用于刀具, 会造成刀具弯曲, 缩短刀具寿命, 这种情况对直径较小的刀具将更加明显。再因￠3立铣刀自身刚度差, 容易粘刀, 散热性差, 易断刀。刀具折断时因离心力的作用, 刀具在折断点会发生啃刀, 密封槽将失去密封效果, 造成零件报废。

3 解决问题的措施

3.1 刀具的选择

3.1.1 刀具材料的选择

由于钛合金强度高、韧性大、粘附性强和导热性差。粗加工时, 切削用量大, 切削力大, 切削过程中会产生较大的冲击力和振动, 这就要求刀具具有一定的韧性和抗弯强度。选用W2Mo9Cr4V4Co8材料粗齿高速钢铣刀, 因为它含钴量多, 所以它具有一定的抗弯强度和抗冲击韧性。再者高速钢铣刀齿数少, 有较大的容屑空间, 便于排屑。但是由于高速钢铣刀的耐磨、性耐热性和抗弯强度不如硬质合金铣刀, 在加工过程中要让刀。精加工选用GC1030 (HC) -S15材料细齿硬质合金铣刀, 它是一种主要含碳化钛, 氮化钛的PVC涂层硬质合金立铣刀。具有良好的抗积屑性和抗塑性变形性。在加工过程中同时参与切削的齿数多, 切削力小, 切削过程平稳, 可以获得很高的加工表面质量。高速钢材料与硬质合金材料性能比较如表1所示。

3.1.2 刀具几何参数的改进

由于钛合金硬度高、弹性模量低, 弹性变形大, 切屑集中在刀尖附近, 使剪切角增大。标准立铣刀的前角为10°~15°, 对加工钛合金材料前角太大, 排屑不顺畅, 不易带走切削热, 易产生积屑瘤。所以加工钛合金材料时前角应修磨至2°~6°, 以增大容屑空间, 减少刀尖附近的切削热。标准立铣刀的后角为16°, 由于后角太大, 会降低刀具和刀刃强度。所以加工钛合金材料时后角应修磨至6°~12°, 以减小后刀面与已加工表面的摩擦, 使切削轻快, 刀刃磨损减小, 增强刀具和刀刃强度。另外过渡刃应修磨成0.5~1mm圆弧, 以保护刀尖。加工钛合金铣刀的几何参数如表2所示。

3.2 切削参数的优化

切削速度对切削刃的温度影响很大, 切削速度越高则切削温度剧增, 切削温度的高低直接影响刀具寿命。由于钛合金导热性差、易粘刀产生积屑瘤, 所以切削速度较低, 以避开积屑瘤和鳞刺的产生;较小的进给量可以提高表面粗糙度, 减小弹性变形。但是由于钛合金易形成氧化硬层, 进给量太小会使刀具在硬化层内切削, 增加刀具磨损;背吃刀量大可以避免刀尖在硬化层内切削, 减小刀具磨损。还可增加刀刃工作长度, 有利于散热, 背吃刀量可选择D/2但不超过5mm。铣削用量参数如表3所示。

3.3 走刀方式的选择

铣削钛合金时, 宜采用顺铣。顺铣时, 由于刀齿切出时的切屑很薄, 不易产生积屑瘤, 能减小黏结磨损。逆铣正好相反, 容易黏屑, 当刀齿再次切入时, 切屑被碰段, 容易使刀具材料剥落、崩刃。但是, 顺铣时由于钛合金弹性模量小, 容易造成让刀现象, 因此需要光刀一次。顺铣时作用在工作台上的水平分力与走刀方向相同, 由于丝杠与螺母之间有间隙, 会使工作台突然窜动, 发生啃刀。但是数控加工中心进给丝杠与螺母无间隙, 这为采用顺铣走刀方式提供了方便。

3.4 切削液的配制

切削液选用不含氯的水溶乳化液, 它不腐蚀已加工表面。粗加工需要利用切削液带走大量的切削热, 保证切削刃强度, 减少刀具磨损, 以冷却为主, 按比例配制成5%的浓度。精加工为提高已加工表面质量, 减小切屑与前刀面之间摩擦角, 增大剪切角以减小铣削力, 以润滑为主, 按比例配制成10%的浓度。

3.5 斜面清角加工过切问题的解决──刀心轨迹偏移法

如图6 (a) 所示, 在△aob中ob=Sin (θ-90°) R所以过切量G的公式为:

为此必须把刀具中心轨迹沿斜面法向偏移0.402mm, 过切问题得以解决, 如图6 (b) 所示。

3.6 深圆弧面的加工

在三轴数控铣床上安装一台绕X轴旋转的数控转台, 在A轴上加工, 如图7所示。

由于R42.5圆弧面两端要清根, 所以选择￠10立铣刀在A轴上加工。但是由于立铣刀有1°~2°的副偏角k′r, 所以加工后表面粗糙度达不到图纸要求 (如图8所示) 。

为消除副偏角对表面粗糙度的影响, 需要点接触刀具, 选用￠6球头铣刀进行精加工。

提高表面粗糙度, 除了选择合理的刀具参数、优化的铣削用量及润滑方式外, 数控编程时行距 (横向行距) 的选取决定了残留高度的大小, 残留高度是表面粗糙度一个重要指标。残留高度主要控制轮廓最大高度Ry。

所以行距的计算公式为:

其中, R为球头铣刀半径, H为残留高度。

因刀具为￠6球刀所以R=3mm, 图纸要求表面Ra3.2。考虑到机床精度, 表面Ra1.6, 对应的Ry即H=6.3μm, 代入式 (2) 得:

3.7 密封槽的加工

钻削式去除材料法是刀具沿Z轴作进给运动, XY轴作间隙运动, 快速大量地去除材料。切削力沿轴向传人主轴, 能有效刀具保护。侧向力小, 减小工件变形。切削宽度小, 产生较薄的切屑, 这些切屑能从切削刃上带走大量切削热。后刀面与已加工表面摩擦小, 切削轻快, 刀刃磨损小。有利于发挥机床加工效率, 提高刀具寿命, 节约生产成本。

4 结论

1) 钛合金的加工宜采用低转速、低进给量、大吃刀量。粗加工用含钴的高速钢铣刀, 精加工用含碳化钛的涂层硬质合金铣刀, 可以做到质量、效率与成本的平衡。

2) 通过计算分析可以得出, 斜面的斜率变化会导致球头刀与斜面切削点的位置改变。

3) 加工切削性能差、切削加工困难的窄槽时, 钻削式去除材料法是最佳的加工方案。

参考文献

[1]朱波.钢结硬质合金与钛合金ELID磨削技术及机理的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2001.

[2]孙杰, 李剑峰.钛合金整体结构件加工关键技术研究[J].山东大学学报 (工学版) , 2009, 39 (3) :81-88.

[3]莫善畅, 等.Mastercam X2完全学习手册[M].北京电子工业出版社, 2007.

钛合金材料的机械加工工艺综述 篇10

1 钛合金材料的特点及应用重要性

钛合金, 一种发展于20世纪50年代的金属材料, 具有着良好的耐蚀型与耐热性。自钛合金材料出现以后, 世界各国均将注意力投向了其应用特性上, 并通过大量的研究开发, 将钛合金材料加工制作成多种产品, 促进了人类的精神文明与物质文明建设。

客观来说, 钛合金材料具有着强度高、耐蚀耐热性好、化学活性大的特点, 将其应用于机械加工领域时, 可通过机械加工制作得出各种各样的产品零件。但需要注意的是, 由于钛合金材料不同于其他金属材料, 其本身所具有的导热系数小、弹性模量低以及化学活性强等性能特点使其机械加工变得困难, 而这一点正是我们在钛合金机械加工中需要注意的重要事项。为此, 笔者建议在进行钛合金材料机械加工时, 务必要严守加工处理工艺的加工原则, 控制好每一道加工工序的质量, 达到保证钛合金机械加工顺利进行的目的。

2 钛合金材料的机械加工原则

对于钛合金材料来说, 如果其在机械加工过程中没有遵循相关的切削加工原则来实施加工切削工作, 那么其最后所获得的钛合金成品质量必然会受到影响。笔者通过对以往钛合金机械加工经验的总结与分析, 得出在机械加工中, 钛合金材料应该严格遵循以下几项基本原则:

2.1 刀具材料的选择合理性

刀具材料是钛合金切削加工中的必备工具, 选择时应针对待加工材料的性能、具体的加工方法以及加工技术等多方面的内容来合理选择。只有保证了刀具材料选择的合理性, 钛合金机械切削加工才可顺利进行。需要注意的是, 刀具材料的选择除了要考虑技术合理性以外, 还要考虑到经济合理性。在满足了机械加工技术条件以后, 还要尽量降低加工成本, 多选择价格相对较低廉的, 耐磨性好的刀具材料。

2.2 改善机械切削条件

实际加工时, 要尽量采取措施保证钛合金机械切削条件的优质性, 尽可能的提高“机床-夹具-刀具”这一加工系统的刚性。另外, 要注意调整好机床各部分结构之间的间隙, 减小主轴的径向跳动。最后, 为了更好的满足钛合金机械加工工艺的要求, 要尽量缩短刀具切削部分的长度, 是在保证容屑量充足的前提下尽量增大刀具的刃厚度, 达到提高刀具刚度和强度的目的。

2.3 做好切屑的控制

鉴于钛合金材料具有着其他金属材料没有的性能特点, 所以在切削加工时, 钛合金材料经切削后所产生的切屑数量相对较多, 这对钛合金的切削加工进度有所影响。因此在实际加工时一定要注意控制钛合金切屑的产生数量, 要采取适当的断屑措施来保证刀具切削的顺利进行。

3 机械加工技术分析

钛合金机械加工包括车削、钻削、铣削、攻丝、磨削和电火花加工等。国外不断研究钛合金加工技术, 并已取得一些成果。

3.1 切削液

使用切削液, 可以把刀刃的热量带走和冲走切屑, 以降低切削力, 因此, 有效的冷却和合理的应用切削液是提高生产率和改善被加工零件表面质量的主要方向之一。一般使用的切削液有三类, 即水或碱性水溶液, 水基可溶性油质溶液和非水溶性油质溶液。

3.2 刀具材料选择

由于钛合金导热系数低、塑性低、加工硬化倾向高等特性, 故在加工中切削力大、切削温度高, 导致刀具易磨损, 寿命减低, 所以要选用硬性好、耐磨性高的刀具材料。

3.3 零件加工后表面残余应力的处理

经过机械加工的钛合金零件表面产生应力, 这种应力的大小与切削加工条件有关。

消除应力退火处理是在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃和650℃分别加热保温5min、15min、30min、45min、60min、120min和240min后空冷进行, 完全消除应力, 退火中避免吸氢, 钛合金零件退火需在真空炉内进行, 既能消除应力, 又能除氢。

结束语

本篇文章对钛合金材料机械加工原则以及加工工艺作了浅要的论述, 经分析讨论后得出以下三点结论:1) 钛合金材料在进行机械切削加工时, 要尽量选择散热性好和抗高温性能好的刀具材料;2) 钛合金加工时要严格控制好切削用量和切屑数量;3) 钛合金材料进行切削加工后, 加工所得到的钛合金成品必然继续充分的冷却。

参考文献

[1]邹浩波, 张宇, 戴丽玲.高速切削加工的刀具材料及其合理选择[J].机械工人.冷加工, 2005 (4) .

合金材料论文 篇11

关键词：铝及铝合金；焊接性能；材料分类

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）01-024-01

随着近几年我国城市化进程的不断推进和社会化生产速度的加快，铝及铝合金在建筑、轮船、化工机械等方面的应用不断扩大，同时，在高性能焊接方法的支持下，其焊接技术也得到了长远的发展。其主要的焊接方法为TIG焊，具有保护效果好、质量高、电弧稳定等特点，适用于全方位焊接。但受到铝及铝合金自身特点的影响，焊接工艺存在着一定的困难，较容易产生焊接缺陷。因此，分析焊接性能和其材料分类十分必要。

一、铝及铝合金的材料分类

铝及铝合金主要分为两大类，其一为变形铝及铝合金，主要以冶金半成品如棒、管、带为主，兼顾有锻件和挤压型材。其二是铸造类铝合金，包括有零件和毛坯。具体来看，变形铝及铝合金又可以细分为只可变形强化不能进行热处理的铝及铝合金和既能变性强化又能够实行热处理的铝及铝合金。

在我国的《变形铝及铝合金牌号表示法》中，四位字符体系牌号是属于变形铝及铝合金的表示方法，其中第三和第四位代表着同组中不同的铝合金或纯铝的纯度。依据我国的《变形铝及铝合金状态代号》来看，F为自由加工状态，O为退火状态，H为加工硬化状态，W为固溶热处理状态，T为热处理状态。T代号后的第四位或第五六位数字代表着由不同的消除应力处理过的状态。

二、铝及铝合金的焊接性能

焊接性能指的是金属材料对焊接加工的适应性，也就是焊接后优质焊接接头的获取难易程度，受到铝及铝合金的物理和化学性能的影响，该基础材料的焊接技术有着一定的难度，因此掌握铝及铝合金的特点十分必要。

第一，铝及铝合金具有高度的氧化性能。铝与氧的结合力较强，常温中铝金属的氧化作用就较为明显，铝合金中的某些合金元素也具有较强的氧化性。在焊接过程中，焊接的高温直接作用到铝及铝合金中，导致该材料表面生成一层氧化膜，厚度在0.1-0.2 之间，其主要成分为氧化铝。氧化铝的熔点明显高于铝及铝合金的660℃的熔点，达到2050℃，且具有较高的致密性，当氧化铝形成后，铝及铝合金的正常焊接工作就可能受到干扰，导致焊接不透。

氧化铝具有较高的密度，较难从熔池中浮出，从而导致焊缝夹渣，而氧化膜对水分的吸附力较高，焊缝中气孔的可能性较大。受到氧化膜电子发射的影响，焊接过程中的电弧稳定性也相对有所下降。

针对这一情况，技术人员在焊接前需要对焊接区域的氧化膜进行清除，对处于液化状态的金属进行有效保护，减少金属的进一步氧化，对熔池中可能生成的氧化膜进行破除。

第二，气孔形成的可能性高。气孔的形成多见于纯铝和防锈铝的焊接过程中。其气孔的主要形成因素为氢，原因为氮与液态铝的溶合性差，而铝中并不含有碳元素，因此，气孔中氮气孔和一氧化碳气孔的的可能性为零。虽然铝和氧有着较强的结合力，但其反应生成氧化铝，也不会有氧气孔出现的可能。

常温中氢溶于固态铝的可能性较小，而在高温的作用下，氢与液态铝的溶合度较高，原来液体中的氢被全部析出，形成气泡并上浮、逸出。当部分气泡未能成功逸出但已经长大时，气孔便随之诞生。铝及铝合金具有较低的比重，且导热性较强，凝固速度快，气泡的浮出速度受到影响，气孔的生成几率相对较大。

在焊接过程中，技术人员需要从减少氢进入液体金属中的量和气泡的充分逸出等方面进行考虑，减少气孔的生成。

第三，铝及铝合金的热裂纹的产生几率较大。纯铝和非热处理强化铝合金较少产生热裂纹，而热处理铝合金和高强度铝合金的热裂纹产生率较高。热裂纹多出现在焊接金属和近缝区部位，常被称为结晶裂纹或液化裂纹，依据其部位不同而有所变化。

受到铝热膨胀系数大的影响，其焊接过程中的热应力也相对较大，而铝合金在高温下具有较低的强度和可塑性，过大的内应力会导致热裂纹的产生。若铝合金中的杂质含量过大，其焊缝处的热裂纹产生几率也相对较大。

为减少热裂纹，技术人员需要对铝合金中杂质的含量做严格的控制，并及时调整焊丝的成分，采取合理的焊接工艺。

第四，合金元素蒸发和烧损的可能性较大。在焊接过程中，高温对铝合金中某些合金元素有着较大的影响，从而出现合金元素烧损或蒸发，导致铝合金成分的改变，最终影响到铝合金焊接接头的性能。同时，在焊接过程中，铝及铝合金的的颜色变化并不明显，技术人员较难对焊接工作进行操作，困难性较高。

正确的分析铝及铝合金的焊接性能并掌握科学的材料分类对于提高其焊接工艺十分有利。在焊接过程中，气孔、焊接不透、溶合度低、金属裂纹、咬边、焊缝夹渣和夹钨、穿孔等的出现都需要结合其原因做具体的分析，通过对症下药有效缓解焊接常见问题，提高焊接水平，减少不必要的基础金属的浪费。在社会发展速度不断提高的今天，焊接操作不仅需要有基础性的理论作指导还需要有较为熟练地操作技能，从而确保焊接技术的发展。

参考文献：

[1] 于增瑞.钨极氩弧焊实用技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 王新彦，姚建辉，李晓梅.锡青铜轴瓦的焊补[J].热加工工艺，2010（09）.

[3] 陆元三.铝及铝合金气焊工艺研究[J].金属铸锻焊技术，2011（07）.

镁合金新材料加工工艺研究 篇12

关键词：镁合金,加工,技术

一、镁合金新材料特点

(一) 镁合金是最轻的结构材料之一

镁合金有着其它金属不可比拟的优越性。镁及镁合金的特殊性能, 重量轻、产品集成化高, 其导热性能和强度尤为突出, 在同样的强度零部件的情况下, 镁合金的零部件能做得比塑料的而且轻等使其在移动通信、手提计算机等的壳体结构件上以及在汽车、电子、电器等领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景。镁合金相对比强度最高。镁合金冲击韧性好、抗弯强度大、机械性能的各向异性不明显、塑性好、容易变形加工、容易焊接成形、比热容量大、导热性低。事实上, 轻量化的好处, 并不仅仅是提升马力重量比这个与加速能力息息相关的参数, 更对汽车的操控大有影响。实践证明, 镁合金是实现汽车轻量化不仅是节油节能、提高效率、降低污染的有效途径, 也对提高汽车安全性能、加强环境保护等有着重要的意义。

(二) 镁是工程应用中最轻的金属结构材料

镁合金是活泼金属, 所以制造设备和环境有更高的要求, 导致制造成本高涨, 所以镁合金的价格也会高于铝合金。同等体积的条件下镁合金比铝合金质量轻, 这是镁合金的优势。其密度仅为1.8克/厘米3, 是钢的1/4, 铝的2/3。在汽车结构材料应用中, 有时比铝和塑料更有应用价值。镁合金板材及板坯具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性好、易于加工、减震性能好的优点。镁合金具有较高的抗振能力和吸热性能, 因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金AZ31B在汽油、煤油和润滑油中很稳定, 适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管。还具有良好的电磁屏蔽特性和阻尼减震能力、成形性能优良及回用处理方便等一系列性能, 符合对材料的轻量化和绿色化的要求。另外, 镁合金在电子工业中具有十分广阔的应用前景。镁合金将能够满足汽车非结构件和结构件的性能和使用要求, 具有耐高温、抗蠕变和抗腐蚀性能。

(三) 镁合金相对比强度最高

随着能源、资源问题的日渐突出, 以镁、钛金属及其合金为代表的轻合金材料应用越来越广泛, 镁合金的强度高、机械性能好.是实用金属中的最轻的金属, 高强度、高刚性。另外, 还具有良好的吸震性及耐冲击性。镁合金产品吸震性及耐冲击性强, 对外界的碰撞具有很好的防震作用, 因而就能对内部机体有很好的保护作用。具有吸声性能, 广播室和现代大建筑物目前多采用镁合金做室内天花板。铝在碰击情况下不产生火花, 可应用于防止火花产生的场合。镁合金具有良好的散热性。镁合金的热传导性与热扩散性都比较好, 而铝合金热传快但扩散慢, 它不能有效及时地把热散掉。“十二五”期间, 新型轻合金材料主要以大规格、轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳为发展方向, 大力发展高性能镁合金是必然趋势。

二、镁合金新材料加工工艺分析

(一) 强烈塑性变形技术

镁合金在塑性变形时由于强烈的变形织构存在, 变形后容易产生各向异性, 影响进一步的加工。通过工艺控制与优化, 调控材料的织构类型和数量, 是提高或改善镁合金加工性能的重要途径, 所以成为材料科学工作者不断探索与研究的领域之一。强烈塑性变形技术是制备超细晶金属材料的有效方法。一系列通过强烈塑性变形来制备超细晶材料的工艺技术被提出, 包括等通道角挤压、累积轧合法、高压扭转法、震波冲击法、反复折皱-压直法、扭转挤压法、大挤压比挤压法、多向锻造法等等。由于镁合金是六方结构, 塑性变形能力较差, 传统的单一的塑性变形方法难以进一步提高其力学性能。针对这一难点, 采用大塑性变形技术, 发挥其强烈的晶粒细化效果, 可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级。大塑性变形技术包括等通道转角挤压、累积叠轧等。采用大塑性变形制备的Mg-Y-Zn合金在250℃时获得抗拉强度为400 MPa, 屈服强度为340 MPa, 伸长率达20%的综合力学性能。

(二) 铸造技术

一般来讲, 镁合金锻件的性能岁碧昂型程度的增大而提高;而随着变形温度的升高, 其力学性能逐渐降低。近年来变形镁合金得到了广泛的研究和应用, 连续铸造技术为新型变形镁合金提供合格的铸坯。压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。因镁合金热流动性好, 很适合于薄壁件的压铸生产。

镁合金锻件替代铝合金作为汽车轮毂是镁合金的另一重要应用, 但这对其安全性及性能提出了很高的要求。从镁合金的性能上来看, 完全可以满足方向盘的性能要求, 而且采用一片式的压铸成型工艺, 为安全气囊, 多功能开关在方向盘上实现提供了可靠保证。

(三) 锻造技术

锻造技术是汽车工业的重要支撑工业之一, 一直以来与汽车业的发展密切相关。近年来汽车业的迅猛发展带动了锻造市场的扩大。锻造工艺按方式可分为自由锻造和模锻, 按锻造温度可分为热锻, 温锻和冷锻, 由于镁合金冷加工性能差, 所以一般采用热锻。由此可见, 锻造是高性能镁合金产品成形的有效方法之一。采用铸造技术生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其他镁合金铸造方法要高, 复杂、耐高温、不易加工的铸件均可用熔模精密铸造。

结语

我国镁的蕴藏也十分丰富, 菱镁矿资源占全球总量的22.15%, 原镁产量已占全球产量的64%, 是名副其实的镁金属生产大国。随着对镁合金需求的不断增加, 市场认可度逐渐增强。因此, 镁合金材料加工需从技术、人员、管理等方面进行全面的整合, 才能不断扩大镁合金市场规模, 实现镁合金加工工艺技术的不断提高。

参考文献

[1]宋才飞.试论镁合金压铸投资策略[J].铸造技术, 2007 (12) .

[2]辛明德, 孟桂华.镁合金压铸件的应用及发展前景[J].黑龙江冶金, 2001 (03) .