金属材料学科前沿专家讲座课件.ppt

工程材料的分类 晶态材料：金属、合金、结晶盐、聚乙烯等 从结构分 非晶态材料：玻璃、橡胶、有机玻璃等无定型高聚物 结构材料 从特性和用途分 功能材料、结构功能一体化材料 金属材料 从组成和成分分： 无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等） 复合材料（金属基、树脂基、陶瓷基等） 结构材料： 功能材料： 金属材料： Nb-Si基超高温合金的性能指标已达到： ◆使用温度范围：1200～1450℃ ◆应用场合：叶片、尾喷管、喉衬、燃烧室等超高温部件 ◆合金成分设计、制备技术、综合力学性能 ?超高温整体定向凝固技术 ?抗氧化涂层技术 1250℃氧化100h的氧化膜厚度为9μm 1250℃循环氧化100h后氧化膜致密、完整、未剥落 制备渗层后高温抗氧化性能 1250℃/80MPa下的拉伸持久寿命为58.1h 高温拉伸持久性能 23.8MPa·m1/2 室温断裂韧性 6.7～6.8g/cm3 密度 ● 研发了Al, Cr, Zr, B以及稀土元素Y, Ce改性的多元梯度复合硅化物渗层； ●抗氧化性能达到：1250℃的抗氧化时间500h以上；1380℃的恒温抗氧化时间大于50h，抗热震氧化时间大于30min； ●渗层致密、缺陷少、厚度可控 制备了渗层的工件在1380℃下30 min热震氧化后的形貌 ◆已成功应用于某高超飞行器部件的抗氧化渗层 Guo X. et al. Corrosion Science, Vol. 71 (2014), 10-19 Nb-Si基超高温合金抗氧化涂层技术取得重要进展 Nb-Si基超高温合金在熔体温度为2050℃，抽拉速率R=2.5μm/s时定向凝固试样的宏观形貌（凝固方向为自下而上） ?定向凝固熔体温度达2050℃ ?定向凝固效果好 共晶胞耦合生长 挺直排列 ?所制备的特制陶瓷坩埚能耐2200℃以上的高温 和Nb基超高温合金基本不反应 ?固液界面为胞状 Nb-Si基超高温合金在熔体温度2050℃时的整体定向凝固组织： (a) (g) 2.5 μm/s, (b) (h) 5 μm/s, (c) (i) 10 μm/s, (d) (j) 20 μm/s, (e) (k) 50 μm/s and (f) (l) 100 μm/s. 定向凝固组织 横截面上：耦合生长的圆形共晶胞 纵截面上：Nbss片和(Nb,X)5Si3层片耦合生长，沿着抽拉的反方向挺直生长 共晶胞直径及层片间距随抽拉速率增大而减小 Guo X. et al. Mater. Sci. Engin. A, Vol. 617 (2014), 39-45. Guo X. et al. Intermetallics, Vol. 54 (2014), 143-147. 五、金属材料展望 五、金属材料展望 ?由于比强度和比刚度较低，金属在工程材料中所占的份额日 益减少，在重量作为主要考虑因素的应用领域（如航空及运 动器材等）金属逐步被其他材料所替代。 ?但由于金属材料自身所具有的一些独特性质，如高强度、高 断裂韧性、性能各向一致性、失效强度可预测性、独特的电 磁学性能、在中高温度范围内良好的综合力学性能等，金属 在很多工业领域仍是不可替代的材料。 ?开发新的强化方法，提高金属的强度而不损失其它性能是金 属材料研究应该努力的方向。多尺度多级结构可能是优化金 属整体性能的一个重要途径。 工程材料性能要求及发展趋势 二、金属材料与社会发展 常见轻金属 镁合金：密度低（~1.8 g/cm3），比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比Al合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好，用于制造飞机机身、发动机零件等。 Mg合金相机外壳 Mg合金引擎外壳 常见轻金属 二、金属材料与社会发展 铝合金：密度低，比强度高，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。 飞机上的蒙皮、梁