合金材料范文

合金材料范文（精选12篇）

合金材料 第1篇

防辐射合金材料的作用是防电磁干扰、防电磁波、高低频屏蔽。

所采用的技术方案是采用防辐射合金材料隔离的原理来控制电磁干扰、电磁波由一个领域向另一个领域的感应和辐射。

防辐射合金材料的化学成分:铜47.5%、铁51.75%、锰0.75%。

制造方法:真空冶炼炉加温45分钟, 使其完全融化均匀, 在真空冶炼炉内浇铸成锭 (真空冶炼炉为:125 kg原材料量) 。预热加温880℃～900℃热轧成型。然后退火保温2 h (温度880℃) 。如需加工箔型磁屏材料, 还需要成型后退火。

工艺流程:真空冶炼浇铸成锭-预热加温-热轧成型-退火保温-细加工成型-退火-成品-检验-入库

主要用途:用于航天、航空、军事、通讯屏蔽电缆、人身健康方面的电磁干扰、电磁波、高低频磁屏蔽等领域的防辐射。

联系人:王铁运

地址:河北省景县王瞳镇南王瞳村39号

新型金属合金材料行业讲解 第2篇

散户之友 分类： 新能源新材料 财经

资料来源：东兴证券

中国航空业步入高速增长，带动航空材料产业腾飞。中国将成为世界增长最快、最具发展潜力的航空市场。根据中国商飞公司的测算，中国航空客流量将以每年7.7%的速度增长，未来20 年，中国总计需要新增飞机3997架。随着国产大飞机计划的推进，以及我国航空材料制造业的不断发展，航空材料国产化率会稳步提升，2010-2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空合金材料的年均增长率保持10%左右。高铁、城市轨道交通材料产业迎来爆发式增长期。随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的加速，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长时期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，总需求量将在2016 年达到30.77 万吨。金属基复合材料和C/C 复合材料将保持年均30%以上的增速，总需求量将从目前的10 万吨左右增长到2014 年的25 万吨。汽车轻量化材料是汽车工业节能减排的必然选择。2011—2015 年，随着中国汽车工业水平的不断提升，汽车工业节能减排的深入，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015 年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。

1．产业背景：战略新兴产业崛起的基础

1.1 新材料产业是新兴产业崛起的前提

新材料本身就是一种高新技术，又是现代高新技术和产业的基础和先导，也是提升传统产业的技术能力、调整产业结构的关键。新材料的突破往往会引发人类划时代的变革。如上世纪60 年代高纯硅半导体材料技术的突破，使人类进入信息化时代。高性能碳纤复合材料在今后20~30 年将迎来新发展时期，引发一场航空工业革命性的变革。新材料产业的发展是带动节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等产业发展的前提和保障。

从材料的用途来分，可分为信息材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类法则是结构材料和功能材料；传统材料与新型 材料。新材料产业通常包括：稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等新型功能材料；高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等先 进结构材料；碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料；纳米、超导、智能等共性基础材料。

新材料产业分类：高性能结构材料、先进复合材料、信息功能材料、光学功能材料、电性和磁性材料、新能源材料、生态环境材料、生物医用材料、智能材料、纳米材料

新材料产业包括以下六个子产业：特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能纤维及其复合材料和前沿新材料。其中与 金属新材料相关主要是特种金属功能材料和高端金属结构材料。预计在今后相当长一段时间内,金属材料仍是最主要的一类材料,将在人类经济社会发展中发挥重要 作用。金属新材料产业的发展是推动新材料产业发展的重要动力。

表：新材料及金属新材料分类 新材料产业分类

具体包含的材料种类

高性能结构材料

超级钢、先进铝合金、先进钛合金、高温合金、新型陶瓷、新型玻璃、新型高分子材料

先进复合材料

金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料、炭/炭复合材料、梯度功能材料

电性、磁性材料

电阻材料、半导体材料、超导材料、永磁材料、软磁材料、其他新型磁性材料

光学功能材料

红外光学材料、发光材料、激光材料 信息功能材料

信息存储材料、信息显示材料、信息传输材料、信息处理材料

新能源材料

太阳能材料、储氢材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、核能材料

智能材料

形状记忆合金智能材料、无机非金属材料智能材料、智能高分子凝胶

生物医用材料

医用金属和合金、生物陶瓷、医用高分子材料 纳米材料

纳米磁性材料、纳米微粒催化剂、生物纳米材料 生态环境材料

天然材料、循环再生材料、低环境负荷材料、环境污染控制材料

全球主要国家都高度重视新材料科学的发展，工业发达国家十分重视新材料在国民经济和国防安全中的基础地位和支撑作用，为保持其经济和科技的领先地位，都把发展新材料作为科技发展战略的目标，在制定国家科技与产业发展计划时将新材料列为21 世纪优先发展的关键技术之一，予以重点发展。

1.2 我国金属新材料发展规划

从我国经济发展水平以及全球金属材料发展的历程来看，目前我国金属材料产业发展水平正处于欧美等发达国家在20 世纪中后期的水平，正是发展现代轨道交通材料和航空航天材料的黄金时期。“十二五”期间，国家已经将新材料列入了七大战略新兴产业中，围绕国家发展战略性 新产业总体部署，我国新材料“十二五”期间重点发展的领域包括：新信息材料、航空航天材料、高轨交通及新能源汽车材料、节能环保材料、生物医用材料等。其 中与有色金属材料相关的领域主要包括：稀土功能材料、稀有金属材料、半导体材料、特殊合金材料、新型轻合金材料、金属基复合材料等。

表：金属新材料分类及相关上市公司

金属新材料类别/材料应用领域 具体内容 相关上市公司

1、新型合金材料

航空航天材料

先进高温材料、钛及钛合金、C/C 复合材料

钢研高纳、宝钛股份、博威合金、西部材料、博云新材、安泰科技

轨道交通材料

高速动车专用铝合金、动车组刹车片、轨道

利源铝业、博深工具、南山铝业、交通减震垫板、铁路车配件

中鼎股份、时代新材

汽车轻量化材料

镁及镁合金、铝及铝合金(汽车型材)

亚太科技、云海金属、宝钛股份

2、稀土功能材料

稀土发光材料

稀土三基色荧光粉

包钢稀土、厦门钨业

稀土

永

磁

材

料

钕

铁

硼

永

磁

合金

广晟有色、中科三环、横店东磁、正海磁材、江粉磁材、太原刚玉

稀土储氢材料

稀土LaNi5 型金属间化合物具有很强的吸氢

能力，用稀土储氢合金粉为负极的稀土镍氢

科力远

电池(Ni-MH)

3、信息功能材料

信息存储材料

高纯稀有金属及靶材、大规格钼电极、高品

厦门钨业、章源钨业、金钼股份、质钼丝、高精度钨窄带、大规格钨钼板材

东方钽业

信息处理材料

半导体材料：电子级多晶硅、砷化镓、碳化

硅、锗等新型半导体材料、铟锡氧化物ITO

贵研铂业、云南锗业

靶材

4、新能源材料

太阳能光伏

碲化镉、铜铟镓硒、铜铟硫等新型薄膜光伏

锡业股份、株冶集团

材料

锂动力电池

高纯碳酸锂、金属锂

天齐锂业、赣锋锂业

5、医用金属材料

医用钛及其合金

钛及钛合金、钴铬钼合金

宝钛股份

医用钴及其合金

钴铬合金

6、国防军工材料

核级锆、核辐射改性新材料

沃尔核材、东方锆业

我国到2020 年金属材料发展目标是：金属材料人均用量到世界平均水平，高品质金属材料基本实现自主供给，冶金行业节能减排和生产效率达到国际领先水平，大型和超大型基 金材料结构件实现自主生产，有自行设计工艺流程和制造重大装备的能力，基本满足国家重大工程建设、国家安全、信息化社会建设、高端装备制造、交通运输等的 需求，企业创新能力得到大幅提升，基础研究水平和新材料新工艺研发能力接近世界发达国家水平。

2．航空航天材料

在航空航天领域，由于大型客机和航天飞行器对自身结构材料和功能材料具有很高的性能要求，主要性能要求包括：高比强度、高比模量、耐高温、良好的断裂韧 性、抗疲劳及耐腐蚀。大型飞机制造技术发展通常伴随着结构材料的发展，第一代飞机是以木头和布作材料；第二代飞机用钢和铝合金作材料；第三代飞机增加了更 多的钛合金材料；第四代飞机则添进大量的复合材料，这些复合材料比钢铁轻得多，但强度却比钢铁高得多。目前全球大型飞机的材料主要还是以铝合金、钛合金以 及碳纤维复合材料为主，不同类型的飞机对材料需求不同，各种类型的材料使用比例通常会有较大的差别。通常在民用客机使用的铝合金比例较大，而军用飞机钛合 金的使用比例较高。目前最先进的波音787“梦想”飞机是目前惟一的飞机结构以复合材料为主的大型民用客机。

2.1 先进铝合金

先进铝合金由于具有高比模量、抗疲劳以及耐腐蚀等性能，是航空工业中的主要结构材料。在民用和军用飞机结构材料中，铝合金材料的用量比例一般在20%~80%。如代表先进水平的B-777 飞机中铝合金的用量为70%，在A-380 中为60%，C-17 军用运输机中铝合金的用量为70%。近年来，由于复合材料和钛合金的用量增加，最

新设计的飞机中铝合金的用量相对减少，但高纯、高强、高韧、耐蚀的高性能铝合金用量却在增加。

2.2 先进钛合金材料

钛合金具有密度小、强度高、耐度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天和军事领域中获得了广泛的应用，包括军用和民用飞机、航空发动机、导弹、舰艇等。美国在20 世纪80 年代以后设计的各种先进军用战斗机中，钛合金的用量一般在20%以上，第三代战斗机F-15 钛合金用量占27%。近年来所开发出的航空航天用新型钛合金主要有高强高韧合金、高温钛合金和阻燃钛合金。

2.3 炭/炭复合材料

C/C 复合材料即为炭纤维增强基复合材料，是以炭或者石墨纤维为增强体，炭或石墨为基体复合而成的材料。它具有耐高温、导热性好、抗热冲击、烧蚀率低、高温下高 强度、一定的化学惰性等特殊性能。炭/炭复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响，因为他具有高烧蚀热、低烧蚀率、超热环境下的高强度等优点，被认为是航 天环境中高性能的烧蚀材料。炭/炭复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高导热率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。

目前用于军用飞机和大型超音速客运飞机的刹车片都是C/C 复合材料。飞机使用C/C复合材料刹车片后，其刹车系统比钢刹车装臵减轻重量约680kg。飞机质量的减轻可以提高飞机的加速性和燃油经济性。C/C 刹车片不仅质量轻，而且特别耐磨、操作平稳，当紧急刹车时C/C 刹车片能够经受住摩擦产生的高温。

表：航空航天材料相关上市公司分类 所属领域

公司名称

主营业务

先进高温材料

钢研高纳

公司定位于中国“先进高温材料”技术的引领者与产业升级的推动者，主要

从事航空航天材料中高温材料的研发、生产，为国内先进航空发动机研制了

GH4169、GH901等合金涡轮盘。

铜合金、钛合金

博威合金

公司主要生产有色合金材料、高温超导材料、铜合金制品、不锈钢制品、钛

金属制品的制造加工，产品广泛应用于电子通讯、航天军工、船舶机械、精

密模具等行业。钛及钛合金

宝钛股份

公司是中国最大的钛及钛合金生产企业，国家高新技术企业。公司专业从事

钛加工业务，产量占全国总量的40%左右。公司钛材产品广泛应用在化工、建

筑、航空航天、舰船、医疗等领域。

西部材料

公司是陕西省正在打造的国家级新材料产业基地和西部钛谷的核心企业，公

司控股子公司西部钛业，拥有年产5000 吨的钛熔炼能力，公司致力于打造完

整的钛材产业链。C/C 复合材料

博云新材 C/C 复合材料应用领域包括：C/C 飞机刹车副、航天发动机的喷管等热构件。

公司的C/C 复合材料产品已应用在波音－757 系列、多种军用飞机以及多种

型号火箭上；公司的粉末冶金复合材料产品已应用在波音－737 系列、图－

154 和多种军用飞机上。

2.4 中国航空业步入高速增长，带动航空材料产业腾飞

全球经济的持续增长带动了航空运输业的长期发展。未来20 年，预计全球GDP 年均增长率为3.71%，全球航空旅客周转量(RPKs)的年均增长率为5.2%。其中，中国的GDP 年均增长率为5.87%，中国的航空旅客周转量年均增长率为7.7%，高于全球平均水平。中国经济的长期强劲增长推动力航空运输需求的增长，政府建设“民

航强国”的决心和对航空基础设施的规划建使得航空运输业前景无限。

我国已启动大飞机的发展计划，结构材料以铝合金材料为主。据预测，我国客机在未来10 年每年将需要单通道飞机100 多架；对100~125 座级和210 座级的单通道飞机需求将超过300 架；150~175 座级单通道飞机超过1000 架。为了形成我国大客机特色和竞争优势，必须发展高性能的铝合金材料，包括2000 系(Al-Cu)，7000 系(Al-Zn-Mg-Cu)、6000 系(Al-Mg-Si)及铝锂(Al-Li)合金。

预计随着我国城市化进程的不断提高,居民收入水平也将不断提升,中国将成为世界增长最快、最具发展潜力的航空市场。根据中国商飞公司的测算，中国航空客流量将以每年7.7%的速度增长，未来20 年，中国总计需要新增飞机3997 架。随着国产大飞机计划的推进，以及我国航空材料制造业的不断发展，航空材料国产化率会稳步提升，2010~2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空合金材料的年均增长率保持10%左右，因此相关上市公司也会受益行业高增长带来的发展机会。

2.5 航空航天材料重点公司推荐——宝钛股份、博云新材、钢研高纳

宝钛股份(600456)：公司已与波音、空壳等国家航空巨头建立了稳定的战略合作关系，而且公司主要为A380 和B787 等新机型提供钛材，新机型对钛材的需求量较大，其中每架A380 和B787 用量分别为138 吨和112 吨，远高于A320 和B737 的15 吨和20 吨。如果国产大飞机投产，公司凭借在航空钛材料方面的技术领先优势，将充分享受行业增长带来的业绩增长。

博云新材(002297)：公司核心产品飞机刹车副、航天用炭/炭复合材料、汽车刹车片都处于业内领先水平，公司前两种产品毛利率保持在45%以上。公司与霍尼韦尔联合竞标取得中国商飞C919 大型客机机轮、轮胎和刹车系统独家供应商资格，双方将通过成立合资公司来承担飞机机轮刹车系统的设计、研发以及部件制造、系统总装。公司作为航天用炭/炭复合材料的领导者，看好公司未来业绩表现。

钢研高纳(300034)：公司核心产品高温合金材料是制造航空航天发动机热端部件的关键材料，其用量在总重量的45%左右，中国航空领域的耐高温材料年需求量约为5000 吨，随着未来航空耐高温市场的增长和进口替代，预计该领域年均复合增长将保持在20%左右，公司目前仅有920 吨的铸造高温合金产能和25 吨的新型高温合金产能，产能限制已经成为公司业绩增长的瓶颈，未来随着募投项目的逐步达产公司业绩将高速增长。

3．轨道交通专用金属材料

3.1 中国高铁、城市轨道交通迎来爆发式增长期

轨道交通是我国大力发展的重大工程项目，主要包括城市轨道交通和全国铁路交通，面对我国人口多、资源少及城市化趋势加快，发展轨道交通对全面建设小康性社会，提高和改善人民生活都有重要意义。“十二五”期间，我国将迎来高速铁路交通的大发展时期。2004 年1 月，国务院批准了中国铁路历史上第一个《中长期铁路网规划》。2008 年又根据新的形势和发展需求对《中长期铁路网规划》进行相应调整，形成了《中长期铁路网规划(2008 年调整)》。根据规划内容，到2020 年，全国铁路营运里程达到12 万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。

高速重载铁路交通材料主要包括，高速列车车体材料和高速铁路轨道建设材料，其中高速列车车体材料主要包括以下六个方面的材料：列车车体材料和内饰材料、高速转向架构架材料、轮-轨系统材料、高速弓网系统材料、制动摩擦系统材料、减振、降噪材料。

目前国外高速列车车体主要用的铝合金和不锈钢，不锈钢主要用镍铬奥氏体不锈钢，由于其耐高温蚀性和美观的特点，在日本、美国应用较多，在保证强度和刚度前提下，如梁、柱等骨架的板厚由普通钢的3.2~6.0mm 减至1.0~1.5mm,可减重40%左右。20 世纪60 年代，日本率先研制出不锈钢车辆，其轻量、节能、不需涂装，产生了显著的经济效益。不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题，只用于制造200km/h 速度级的车体及车内承载和装饰件。法国TGV 高速列车骨架和车底架梁采用优质不锈钢，再通过轻量化设计，重量进一步减轻。铝合金比强度高，特别是大型空心薄壁铝材轧制技术的完善，使铝合金成为目前高速列车最理想的材料，欧洲以及日本应用较多。与钢车体相比，减重45%~50%，是车体使用寿命延长10 以上。

5000 系(Al-Mg)和6000 系(Al-Mg-Si)及一些2000 系、7000 系铝合金都可用于铁路车辆的建造，特别是一些新的连接技术，具有节能、减重和一体化结构等显著优点，因而铝合金材料在轨道交通领域的应用将持续增长。相关上市公司将明显受益行业市场空间增长带来的业绩提升。

表：高铁专用金属材料相关上市公司

所属领域

公司名称 主营业务

铝合金(轨道型材)

利源铝业

公司是国内领先的铝合金型材生产厂商，主要从事各种铝合金型材产品的

开发、生产。公司设备技术先进，大部分设备从国外进口，在熔铸、挤压、表面处理各个环节均具有国际先进水平。公司拥有的客户包括：英利汽车、长春轨道客车公司、山东泰开集团，辽宁远大集团。

动车组刹车片

博深工具

公司基于在金刚石工具及冶金粉末材料领域的领先优势，公司多年前已经

开始了动车组刹车片研究，已研发出了动车组刹车片并通过了试验环境验

证，目前只待铁道部的上车试验。动车组刹车片是耗材，毛利率高，预计

动车组刹车片2012 年和2015 年市场容量分别为37 亿和70 亿左右。高速动车专用铝合金

南山铝业

公司是轨道交通车辆型材市场的龙头企业，公司已与中国北车集团签定新

一代高速动车组技术协议，承接350km/h 动车组用74 个断面铝合金型材

研发试制，目前开模已经完成，正在处于试制阶段，成功后将进入批量生

产。高铁和城市轨道交通

中鼎股份

公司耗资4200 万突入高铁领域。公司全资子公司天津天拓铁路橡胶制品有

减震垫板

限公司则专业生产高铁和城市轨道交通减震橡胶垫板。

铁路车配件、铁路线

时代新材

公司的主导产品包括：铁路车配件、铁路线路配件和风电产品三类。主营

路配件

产品包括抗震减噪弹性元件、高分子复合材料、电磁线(主要为铁路机车

车辆和风机配套)、特种涂料及新型绝缘材料、复合材料制品等，主要应

用于轨道交通线路车辆以及风力发电领域。

高速铁路的建设带来了对动车组的巨大需求。目前中国铁路客运专线动车组采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5 四种类型中,除CRHI 型车体采用的是不锈钢材外,其余3 种动车组车体均为铝合金材质。每辆动车用铝型材8～9 吨、铝板材1.5 吨。按此推算,中国2010～2012 年动车组车体就需铝型材7 万吨、铝板材1.2 万吨。随着城际客运系统的建设及高铁网络向国外的不断延伸,动车组铝材的需求将不断增加。

除动车组外，我国很多个城市正在新建和扩建地铁或轻轨，预计全国城市轨道线路总长8000Km,轨道列车的需求量预测在5000~6000 辆，其列车箱体大量采用铝合金材料，因此对铝合金型材尤其是大规格高性能铝材需求量也将快速增长，市场空间巨大。

随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的加速，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长时期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，总需求量将在2016 年达到30.77 万吨。金属基复合材料和C/C 复合材料将保持年均30%以上的增速，总需求量将从目前的10 万吨左右增长到2014 年的25 万吨。

3.2 轨道交通材料重点公司推荐——南山铝业、博深工具、中鼎股份

南山铝业(600219)：目前公司轨道交通用铝型材产能为2 万吨，募投项目22 万吨“轨道交通新型合金生产项目”将继续加大公司在轨道交通领域的产能扩张。为了充分利用美国的市场和技术经验，公司将募投项目中约4 万吨产能在美国生产，项目预计于2012 年底建成，届时公司业绩将显著提升。

博深工具(002282)：公司多年前已经开始了动车组刹车片研究，已研发出了动车组刹车片并通过了试验环境验证，目前只待铁道部的上车试验。动车组刹车片是耗材，毛利率高，预计动车组刹车片2012 年和2015 年市场容量分别为37 亿和70 亿左右，公司在技术上处于领先地位，将充分享受动车组刹车片市场高速增长带来的业绩提升。

中鼎股份(000887)：公司将以1000 万元的价格，受让天津飞龙橡胶制品公司50%股权。天津飞龙是铁道部指定供货商，并参加了高铁和城市轨道交通相关行业标准的制定。天津飞龙全资子公司天津天拓是专业生产高铁和城市轨道交通用减震橡胶垫板，目前，天津飞龙已经与铁道部签订了价值4303.13 万元的高铁的订单，预计未来2~3 年，公司高铁业务将保持年均25%的高速增长。

4．汽车轻量化材料

近年来我国石油消费中汽车燃油的消费迅速增长，以2010 年为例，汽车用燃油消耗占国内石油消耗总量的29%，其中车用汽油占汽油总消耗量的86.4%，车用柴油占柴油总消耗量的38.5%(其中农用车对柴油消耗达到11%)。另一方面，按2005 年美国环保局(EPA)的数据，各个产业的温室气体排放情况中交通运输业的温室气体排放量仅次于电力工业，这些数据表明，汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应、环境保护、乃至于国家安全都具有重要的意义。

汽车轻量化是现实汽车工业节能减排的有效手段，研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可以有效降低油耗以及排放。目前，大量的研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验室表明,在满足欧IV 标准条件下,每百公里耗油Y 与自重X 满足以下关系Y =0.003X+3.3。

对商用汽车的研究表明，汽车质量每减少1000kg,油耗可降低6%~7%。于此同时，油耗的下降，意味着二氧化碳以及氮氧化物等有害气体排放量的下降。对于新能源汽车，如混合动力汽车由于增加了混合动力系统装臵而增加了车重，更加需要在混合动力汽车中实现轻量化，来减少油耗和降低制造费用。

汽车轻量化是在保证汽车功能(包括：被动安全的碰撞性能；与汽车振动和行驶稳定性相关的车身刚度；与汽车运动声学和舒适性相关的NVH 特性等；与汽车使用期限和寿命相关的振动稳定性)的前提下，汽车自重量的下降。汽车轻量化设计要求采用高强度轻量化材料选择和应用的欲望和需求。汽车轻量 化设计和轻量化的概念应从以下三个方面来阐明：首先是对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变；现有功能尚不能全部满足 要求的汽车，轻量化设计室完善功能而保持汽车重量不变；再次是汽车轻量化设计既要提高改进性能，同时也使汽车减重。

在汽车轻量化设计和轻量化工程实施中，轻量化材料和先进成形技术具有十分重要的地位，轻量化材料产业是汽车轻量化实施和发展的前提。轻量化的设计而又保证 高性能的要求给设计师提出了对高强度轻量化材料选择和应用的欲望和需求。汽车工业生产上的这种需求，导致汽车轻量化材料产业的迅速发展。在汽车中，常用的 轻量化材料与汽车用材的构成密切相关，通常家庭乘用车用材料构成为：钢54%，铸铁10%，塑料8%，铝合金8%，镁合金1%，橡胶玻璃7%，其他 12%。在这些构成汽车的主要材料中，钢、塑料、铝合金、镁合金这四种基本的材料是汽车轻量化材料的首选。

4.1 铝合金材料将成为汽车轻量化的首选材料

铝合金的密度只有2.68g/cm3,仅为钢的30%，在等弯曲刚度的条件下，铝对钢的厚度比是1.43，在等弯曲刚度的条件下，铝的减重的潜力是49%，在等弯曲强度的情况下，铝对钢减重的潜力是3%。根据Alcoa 的数据，汽车中典型的铝质零件的一次减重效果可达30%~40%，二次减重可进一步提高到50%；每使用1kg 铝，可使轿车寿命周期中减少20kg 的尾气排放；在发动机中用铝合金代替铸铁，其减重效果达50%，每应用1kg 铝，则可使轿车寿命周期中减少22kg 的CO2 排放量。

铝合金是既提升汽车性能又是满足某些法规要求的轻量化材料，近些年来，铝合金在汽车上的用量不断增加，用作发动机、热交换器、涡轮增压器、变速箱体、车轮 以及车声等部件。铝合金板的冲压性能已经接近或在某些方面超过了钢板，因此可替代钢板来制备汽车车身板。铝合金的应用可起到很好的减重效果，如采用铝合金 冲制汽车车身，质量可以降低约10%。

欧美等发达国家汽车工业发达，非常重视汽车节能和环保，铝合金在汽车轻量化方面的使用量和比例逐年提高，例如：德国奥迪A8 首创了ASF 铝合金空间桁架车身轻量化技术，成为世界上首辆全铝合金车身的产量型轿车，其采用ASF 铝合金空间桁架车身结构，其整体结构刚性则提升25％，但车辆结构因大量采用铝合金材质而节省6.5 公斤。ASF 组件大多以铝制成，不仅帮助奥迪减轻车身重量，也保证了良好的吸能和制动的效果。与此同时，这些铝制零件还可以大规模回收再利用。

对于欧美等汽车工业发达国家，铝合金材料已经成为汽车轻量化的主要材料。以欧洲为例，1971 年平均每辆汽车的铝用量为34kg,到2001 年则达到112kg,2005 年为130Kg,目前已经达到150kg 左右。据Ducker worldwide 预测，到2015 年，欧洲主要国家平均每辆汽车铝使用量将增长至180kg, 铝材料占整部汽车的重量也将由目前的9%提高到12%。

中国汽车铝合金使用比例较低，2010 年中国平均每年汽车铝使用量为99kg,低于全球平均112kg 的使用量，比欧洲、北美发达国家汽车用铝量差距则更大。

2011—2015 年，随着中国汽车工业水平的不断提升，汽车工业节能减排的深入，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015 年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。

4.2 镁合金是有发展前景的汽车轻量化材料

镁合金重量比钢和铝合金轻，强度高于铝合金和钢，刚度接近铝合金，具有良好的铸造性和稳定性，可在一定程度上替代传统的钢和铝合金材料。镁的密度为 1.74g/cm3,是最轻的金属结构材料之一；镁合金代替某些钢铁材料可以有效地减轻汽车的重量，如以刚度为设计准则的材料。在等弯曲刚度条件下，采用 镁代替钢可以减重61%，在等弯曲强度条件下，镁代替钢可减重74%，每使用1kg 镁，可使轿车寿命期减少30kg 尾气排放(和铝的比对值)；镁还是绿色环保材料，可循环回收。镁合金是具有广泛发展前景的汽车轻量化的结构材料。

上世纪20 年代，德国最先把镁合金应用于汽车制造业，此后欧美汽车制造企业纷纷应用镁合金零部件，主要用于生产汽车坐椅、轮圈、前端、转向盘、踏板托架、油箱门等。目前，北美汽车生产厂家每辆汽车用镁量为1.5~3.5kg,但镁在汽车中的应用增长很快，某些车型已达到将近10kg；美国福特汽车公司已经先行一步，在澳大利亚购买了镁的矿产开采权，为镁合金的扩大应用做准备。

国外对镁合金在汽车上的应用十分重视，2004 年6 月，美国、加拿大的相关机构和公司共同设立了一项汽车用的镁合金中长期研究计划。2006 年12 月，北美汽车研究联盟(USCAR)发布的《2020 年北美汽车用镁合金及轻量化战略展望》报告。根据报告中的规划，到2020 年，北美乘用车用镁量将会达到160kg/辆，届时镁将会成为第二大汽车材料，在乘用车中材料重量的比例将从目前的0.3%增加到12%。

我国在汽车镁合金应用领域起步较晚，目前平均每辆汽车的镁使用量在0.8~1kg 之间，但是随着我国镁工业和汽车工业的快速发展，镁合金这一高强度轻型金属材料的应用正在加快，目前长安、一汽集团、东风、奇瑞、吉利、隆鑫等汽摩企业已开发出数十种镁合金部件，并在具有自主知识产权的汽车上装车运行，效果显著。

2011—2015 年，随着镁合金在汽车工业应该的不断深入，全球汽车镁合金需求都将

保持15%以上的增速，中国镁合金轻量化产业起步较晚，增长潜力更大。未来5 年中国汽车镁合金材料平均用量将以每年50%以上的速度增长，到2015 年中国汽车用镁合金用量将从目前的1.6 万吨增长至68 万吨，市场增长潜力巨大。

4.3 汽车轻量化材料重点推荐——亚太科技、云海金属

亚太科技(002540)：公司是A 股市场中仅有的一家专注于汽车高端铝挤压材业务的上市公司，其产品包括：管材、型材和棒材，主要应用于汽车中的热交换系统、悬挂系统及制动系统。目前，公司铝挤压材产能约为4.2 万吨，公司产能利用率已经达到120%，公司产品供不应求，现阶段公司正在加紧建设5.7 万吨铝挤压材项目(募投项目)，预计2012 年能够达产，届时总产能将达9.9 万吨。随着募投项目的达产，公司将迅速跨越产能瓶颈，盈利能力迅速提升。

云海金属(002182)：公司是全球规模最大的镁合金专业生产企业，公司镁合金产销量居全国第一。公司拥有的镁合金产能约为9 万吨，铝合金产能13 万吨，不仅如此，在建产能幅度超过现有规模的一倍以上，其中镁合金在建产能约为10 万吨，铝合金在建产能15 万吨。预计新增产能将于2012 年达产，公司镁合金、铝合金产能将得到迅速提升。于此同时，公司为保障满足产能扩大带来的原材料需求，分别在山西、安徽取得了两个镁矿采矿权，进一步向上游产业链延伸。看好公司未来的业绩增长。

5．投资策略

看好航空航天材料、轨道交通材料及汽车轻量化材料相关的上市公司。

(1)航空航天材料——先进钛合金、铝合金、炭/炭复合材料

国产大飞机计划加快推进，航空材料国产化率会稳步提升，2010~2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空金属材料的年均增长率保持10%左右，重点推荐宝钛股份、博云新材、钢研高纳。

(2)轨道交通材料——铝合金、金属基复合材料

高速铁路和城市轨道交通建设将迎来建设高峰，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，重点推荐南山铝业、博深工具、中鼎股份。

(3)汽车轻量化材料——铝合金、镁合金

2011—2015 年，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。重点推荐亚太科技、云海金属。

 行业重点公司盈利预测与评级

简称

EPS(元)

PE

PB

10A

11E

12E 10A

11E

12E

宝

钛

股

份

0.008 0.20 0.56

—

博

云

新材 0.12 0.18 0.29 171

6.6

纳 0.39

业 0.40

具 0.38

技 1.00

属 0.14

钢

0.39 南

0.71 博

0.48 亚

1.12 云

0.21 研

山

深

太

海

112

高

铝

0.91 工

3.8 科

1.86 金

4.7 0.29

0.56

0.34

0.65

铝合金材料焊接性能的分析 第3篇

【关键词】铝合金；焊接特性；主要问题

一、铝合金材料种类性能及其用途

（1）工业纯铝。工业纯铝指的是纯度达到99.0%～99.9%铝材料，及机械强度相比于铝合金来说要低很多，但是其导电性及导热性以及加工性能要高很多，因此，在一些导电材料及化工设备等场合下，工业纯铝有着广泛的用途。（2）Al-Cu系合金。铜铝合金时铝合金中最为常见的一种铝合金，其内部材料除了铜之外，还含有少量的Mn、Mg等材料，这种铝合金在工业上用途十分广泛，归功于其超高的强度，但是，这种材料的可焊接性较差，且抗腐蚀性也很难达到工业的要求，因此，一般铆接结构件多采用这种材料。（3）Al-Mn系合金。Al-Mn系合金是一种采用不同的冷作硬化方法获得的材料，是一种非热处理强化合金。其中Mn的含量大概只有1.5%，其强度比纯铝高，但其导电性及看腐蚀性等特性也不比纯铝差很多，因此，这种铝合金在工业上也是极为常见的一种材料。（4）Al-Si系合金。这种铝合金的熔点一般会随着Si的含量增加而下降。此种铝合金的结晶温度范围很宽其其熔点较低，因此其焊接性及铸造性很好，一般的铸造材料及焊条多采用这种铝合金。这种不易产生热裂纹而作为可热处理强化合金的重要填加材料使用。（5）Al-Mg系合金。合金中Mg含量的不同，其拉伸强度也有很大的差别，一般情况下，这种材料多用作为焊接材料的结构件。

二、铝合金材料的焊接特性分析

（1）热胀冷缩。铝的膨胀系数比一般的金属要高很多，是铜的两倍之多，同时铝材料的收缩性最高能达到百分之七十五，铝合金的主要成分是铝，因此，铝合金的热胀冷缩性能也比一般的金属材料要强很多。在铝合金的焊接过程中，其发生焊接变形是十分常见的，而结晶是铝合金材料还常常发生裂纹现象。（2）热容量及融化温度。铝合金的热容量要比一般的金属材料高很多，想要将其融化需要更多的热量。铝合金的融化温度因其纯铝的含量不同而不同，纯铝的熔点大概在600是摄氏度左右，一般的铝合金的熔点便在600度上下，但不管何种类型的铝合金，其熔点都要比铜的要低很多，所以，易融化时铝合金材料以的一大特性。所以，铝合金材料具有低熔点及高热容量的特性。在焊接工艺上对这两个特性要充分掌握才能生产出达到要求的材质。（3）与氧气易反应。铝的化学性中有极易氧化的特点，铝合金也具有这种特点，铝合金与氧气化合生成一种氧化膜，其粘附能力极强，其耐高温，严重影响到铝合金的焊接性能，所以，在铝合金材料的焊接前期必须要对这层氧化膜进行去除处理，如此，才能保证铝合金的正常焊接。（4）焊接热量使局部性能改变。焊接铝合金需要更多的热量，但是过多的热量将会是某些部位的机械性能发生改变，且热量越多，其影响程度越深，因此，在焊接件的焊缝部分的机械性能往往与其他部位有所不同，在产品设计时要特别注重这一部位的设计。

三、铝合金材料焊接的主要问题

在铝合金材料的焊接过程中常出现的问题主要有以下几种：（1）焊缝出现裂纹。出现裂纹是铝合金材料焊接最常见的缺陷之一，铝合金的结晶温度越宽其出现焊接裂纹的概率越大，有研究表明，铝合金的含铁量在6%以下很难出现裂纹。所以，焊接裂纹的控制很大程度上要取决于材料的选取。造成焊接裂纹产生的原因主要是合金成分的不同，因为纯铝的膨胀系数较大，这位铝合金在焊接过程中出现裂纹提供了条件。（2）焊接结晶组织的出现。焊接结晶组织的出现是铝合金焊接过程中又一常见问题，焊缝金属是激冷的结晶组织，因此会伴随着不平衡结晶而产生偏析。枝状晶轴间距愈小，偏析率愈小。反之，枝状晶轴间距愈大，偏析率亦愈大。靠近熔合线区的结晶组织是细网状组织，随着向焊道中心的接近而逐渐变成网状枝晶组织，并通过新晶核的形成进一步向着形成等轴枝晶的方向变化。（3）气孔的产生。气孔出现是各种焊接材料焊接过程中都会出现的问题，铝合金也不例外，气孔的产生机理十分复杂，其直接根源是氢气，因为铝合金材料在高温时溶解了大量的氢气，等焊接过程完毕，温度降低，氢气的溶解度下降，氢气上浮造成气孔的产生。（4）未焊透或未熔合。未焊透的原因多半是由焊接电流过低引起的，未融合产生的原因主要是在焊接过程中，铝合金母材还没有真正融化或者其表面的氧化膜没有清除干净而引起的。除了以上四种外，铝合金的焊接问题还有多种，如合金材料的丢失等，这些问题都严重影响到了焊接之后的铝合金的物理及化学性能，对生产出来的产品质量大打折扣。

参考文献

[1]王希靖，片山大圣，松绳朗.不同铝合金在激光焊接时的熔化和蒸发特性[J].焊接学报.1995，3（16）：29～35

[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，1993：521～529

新型金属合金材料高速成长时代到来 第4篇

中国航空业步入高速增长, 带动航空材料产业腾飞。中国将成为世界增长最快、最具发展潜力的航空市场。根据中国商飞公司的测算, 中国航空客流量将以每年7.7%的速度增长, 未来20年, 中国总计需要新增飞机3997架。随着国产大飞机计划的推进, 以及我国航空材料制造业的不断发展, 航空材料国产化率会稳步提升, 2010～2019年是我国新增客机需求增长最快的时期, 在此期间航空合金材料的年均增长率保持10%左右。

高铁、城市轨道交通材料产业迎来爆发式增长期。随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的加速, 轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C复合材料将迎来高速增长时期, 其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%～30%的增速, 总需求量将在2016年达到30.77万吨。金属基复合材料和C/C复合材料将保持年均30%以上的增速, 总需求量将从目前的10万吨左右增长到2014年的25万吨。

高温合金材料研究进展 第5篇

第二部分：高温合金专题学习报告

学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程 姓名：XXXXX 学号：XXXXX 班级：XXXXX

2012年11月19日

第1页

高温合金材料研究进展

摘要：本文主要是根据这学期在材料科学与工程前沿课上听了董建新教授讲关于高温合金相关的知识，然后通过调研，对国内外高温合金的研究发展现状有了一定的认识，本文主要介绍目前高温合金材料的研究进展和我校在相关方面的研究成果，并提出自己的见解，我国高温合金方面虽然有了很大的进步，但是和国际上的高温合金的研究还有差距，建立在仿制国外高温合金材料的基础上的创新并不是真正的创新，真正想要达到并超越国际水平，我们还有很长的路要走。关键词：高温合金董建新研究进展

引言

高温合金是制造现代航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机的重要金属材料。目前在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例高达50%以上。显然，没有高温合金就不可能有高速、高效率、安全可靠的现代航空和航天事业，同时，高温合金在核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域也有广阔的用途[1]。高温合金是在550℃以上温度条件下能承受一定应力并具有抗氧化和抗热腐蚀能力的材料。我国的高温合金以合金成形方式、合金基体元素、合金强化方式的顺序，构成我国高温合金系列和体系，其中合金成形方式有变形高温合金、铸造高温合金（包括等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金）、焊接用高温合金丝、粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金和金属间化合物高温材料之分。在这些不同合金系列之下，再分为铁基、镍基、钴基及铬基合金。

董建新教授从高温合金在航空航天等高科技产品上面的应用开始说起，介绍了高温合金材料的研究现状、制备和加工方面，还有高温合金的元素组成、强韧化和工艺强化等知识，让我们对目前的高温合金材料的研究现状有了初步的认识。经过50多年的研究，我国在高温材料领域已经取得了一系列的进步，但是，还是与国外如美国等还存在着相当大的一段距离，例如我国生产的涡轮盘质量就不及美国，一些关键的技术都处于被国外封锁的阶段，一些关键的零部件我们不能研发，只能靠进口。这在很大程度上制约了我国航空、汽车制造业的发展。所以，研究高温材料的科研人员还是有很大的用武之地的。目前各国纷纷提出航天发展计划，竞争将愈加激烈。我们国家必须重点发展高温合金在高科技航空航天领域

第2页 的研发，才能在未来的空间竞争中占得一席之地。

一、国际上高温合金的研究现状

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。1937年德国涡轮喷气发动机Hcinkel问世，1939年英国研制出Whittle涡轮喷气发动机。同年，英国Mond公司首先研制成一种低碳含钛的镍基合金Nimonic75，不久又有含铝和钛合金元素的Nimonic80合金问世。这种合金与Nimonic75相比，蠕变性能在应力和持续时间相同的条件下，蠕变温度可以提高50℃[2]。

第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ’相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。1941年后美国开始发展航空燃气涡轮，1942年将HastclloyB镍基合金先后用于GE（通用电器）公司的两种喷气发动机中，1944年开发出钴基合金HS23用于西屋公司发动机中的精密铸造叶片。1950年后由于钴资源缺乏美国发展镍基合金，并广泛用于制作涡轮叶片。在此期间，美国的PW公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出Waspalloy、M-252和Udinet500等合金。

50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。60年代以后，陶瓷过滤、等温铸造、定向凝固、粉末冶金、机械合金化等新工艺的成功应用，推动了高温合金的迅猛发展，其中尤以采用定向凝固工艺制造出单晶高温合金叶片，于70年代初步获得成功应用，使航空发动机的性能大幅度提高。

在前苏联，高温合金称为耐热合金，20世纪40年代中期至50年代在耐热钢的基础上开发出铁-镍基、镍基、钴基耐热合金，前苏联镍基耐热合金成分特点是添加较多的钨和钼元素，添加一定量的铁元素，经常加人少量的钒元素，而美国合金常用钼元素，少用钨元素。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。

二、我国高温合金体系及其发展

自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的第3页 研究生产和应用已经历了50多年的发展历程。回顾50多年的历史，我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，合金的耐温性能从低到高，先进工艺得到了应用，新型材料得以开发，生产工艺不断改进且产品质量不断提高，并建立和完善了我国的高温合金体系，使我国航空航天工业生产和发展所需的高温合金材料立足于国内，也为其它工业部门的发展提供了需要的高温材料（图1[3]）。

图1世界高温合金(涡轮叶片、盘片)的发展趋势和我国主要合金的研制

根据2002年出版的《中国航空材料手册》，我国可供航空选用的高温合金牌号89个，目前正在编撰的《中国高温合金手册》中共列入牌号194个，其中：铁基变形合金30个，镍基变形合金43个，钴基变形合金6个，等轴铸造镍基合金62个，定向凝固镍基合金15个，单晶镍基合金9个，金属间化合物基合金20个，粉末高温合金3个，ODS合金5个，以及焊丝等，可供航空航天及其它工业部门选用。形成高温合金体系的，全世界没有几个，中国是其中之一，其余为美、英、俄，说明我们国家的高温合金材料研究已经形成了规模。

第4页

三、北京科技大学在高温合金方面所取得的成果

在发展尖端技术的推动下，冶金部于1958年从工厂抽调一批有才能的科技人员充实钢铁及有色两院，高温合金为北京钢铁研究总院研究与开发的重点领域，继而上海钢研所、航天部703所以及几所大学、如北京钢铁学院（现北京科技大学）等都加人了高温合金的研究与开发行列，值得指出的是，60年代初在钢铁学院和东北工学院还设立了高温合金专业，一直延续了十余年，为高温合金的发展培养了一批专门人才，在高温合金的发展过程中，促进了我国微量元素分析和相分析技术，高温物性与力学性能测试技术，不但保证了高温合金的生产，也使我国高温合金的研究达到较高水平[4]。

单从北京科技大学的角度看，发展至今，在高温合金领域依然有很强的竞争力，从1961年起，我院高温合金梯队谢锡善教授一直从事耐热钢及变形高温合金的工作以及高温材料强韧化和断裂导致失效的分析和改进研究。历年来主持并进行了：铁基高温合金研究、微量元素在高温合金中的作用、高温合金力学冶金高温合金强韧化、烟气轮机用高温合金大涡轮盘研制、新机种用GHl69合金及粉末高温合金涡轮盘的研究，改善大型锻件（涡轮盘）热加工工艺提高综合性能研究、高温合金表面合金化高温台金强韧化机理以及高温部件长期运行中的组织稳定性及寿命估算研究等。还主持和参与了多项国家、部委重点，国家自然科学基金，“863”高科技课题，和美、法、日、印度、巴西以及韩国等国际合作课题[5]。

我院葛昌纯院士也一直活跃在高温合金材料的制备与研究上，不断探索新的工艺进行研究，提出了火花等离子体放电（SPD）制备高温合金细粉新技术，并设计了样机，该方法与常用的高温合金制粉方法-等离子旋转电极法和氩气雾化法的原理不同，与之相比，该方法冷速更快，可制备粒度更细小的粉末，且设备简单，该方法制备的粉末粒度分布窄、球形度高、粉末颗粒表面光滑、看不到枝晶、颗粒内部是球状晶凝固组织，从而组织更均匀[6]。还有刘国权教授等也一直在粉末高温合金领域进行着探索。中国粉末高温合金的研究始于1977年，目前已研制了以FGH95合金为代表的使用温度为650℃的第一代高强型和以FGH96合金为代表的使用温度为750℃的第二代损伤容限型粉末高温合金。但从总体上讲，与国外之间还是有较大的差距。而刘国权教授梯队在粉末高温合金领域也取

第5页 得了一系列的成果。

四、总结与展望

多年来，我国高温合金取得了辉煌的成绩，但是也仍然存在着一些问题，创新是我们国家科技发展的灵魂，我国的高温合金必须突破引进加仿制到创新的体制，充分发挥我们自主的创新性，大力深化科技体制改革，把国内搞高温合金的力量集中起来，共同应对未来空间开发用的高温合金及民用高温合金，使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。

参考文献：

[1]师昌绪，仲增墉，中国高温合金五十年[M]，北京：冶金工业出版社，2006 [2]赵明汉，张国庆，孙晓峰，杨洪才，我国高温合金体系的发展[J]，北京：冶金工业出版社，2006 [3]师昌绪，仲增墉，我国高温合金的发展与创新[J]，金属学报，2010，46(11)：1281-1288 [4]师昌绪，仲增墉，中国高温合金40年[J]，金属学报，1997，33(1)：1-8 [5]赵凡，献身中国高温合金事业——北京科技大学谢锡善教授[J]，科技成果管理与研究，2011，(3)：101-102 [6]于军，葛昌纯，孟璐璐，沈卫平等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J]，2008，44(7)：892—896

铝合金材料在铁路货车上的应用 第6篇

重载和快捷是当今世界铁路货运发展的主要方向。以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西为代表的国家，幅员辽阔、资源丰富，煤炭和矿石等大宗货物运量较大，主要发展重载运输。其主要特点是货车轴重大、载重高、自重轻，列车编组辆数多、运能大、效率高、成本低，其列车牵引总重一般为1-3万吨，轴重普遍在29吨以上。法国、德国等欧洲国家为代表的国家，国土面积小、运输密度大，主要发展快捷运输，主要特点是货车运行速度高、轴重低、列车编组数量少。

近几年来，我国铁路货车通过自主创新、集成创新和引进消化吸收再创新，形成了产、学、研、用相结合的技术开发体系，在客货共线运营、安全可靠性要求高的条件下，实现了速度、密度、重量同步提升，走出了一条独具中国特色的提速、重载并举发展之路，铁路货车在综合技术性能、制造工艺、产品质量、管量水平等方面有了质的飞跃，为国民经济发展做出了重要贡献。

我国铁路货物运输采取“速、密、重”协调发展战略，在速度方面，通过技术升级和既有货车提速改造，货车速度标准普遍达到120km／h的世界先进水平；在密度方面，干线列车追踪间隔已达到6-7分钟，居世界先进水平；在重量方面，通过采用机车同步操纵技术，大秦线普遍开行2万吨组合列车、1万吨重载单元列车，主要干线普遍开行5000～6000吨列车，已成为世界上铁路运输效率最高的国家。

但与世界铁路运输发达国家相比，我国铁路货车在轴重及车辆轻量化技术方面还有一定差距。从轴重方面来说，我国通用线轴重23吨，专用线轴重25吨，而美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家已大量应用30吨～32.5吨轴重车辆，最大轴重达到40吨。从车辆轻量化方面来说，我国70吨级货车的自重系数为0.34，80吨级专用车自重系数为0.25，而美国很多专用货车的自重系数仅为0.17，澳大利亚40吨轴重矿石车的自重系数更是达到了0.159。

这些差距，特别是车辆轻量化技术方面差距的存在，除运用环境、结构等原因外，材料的影响也很重要。毋庸置疑，实现车体的轻量化最直接有效的办法就是减少各部结构所用板材的厚度。但由于车辆设计受到车辆性能、结构强度和检修年限等的限制，板材厚度的选取也是有限度的，因此采用比重小、耐腐蚀性高的铝合金材料就成为解决车体轻量化问题最直接有效的办法。国外铁路货车自重系数之所以较小，很多都是因为采用了铝合金材料而实现的。

二、铝合金材料在铁路货车上的应用

1、铝合金材料在国外铁路货车上的应用

随着铁路货车技术水平的不断发展，为了提高运能，最大可能地降低车辆自重，提高载重，近十几年来美国在铁路货车上大量地采用了铝合金材料，特别是运煤的敞车和漏斗车应用更为普遍。

由于铝合金车具有自重轻、载重大、运输能力高，车体耐腐蚀性好、使用寿命长、检修费用低，综合经济效益好等特点，二十世纪九十年代以来，北美铁路铝合金材质的车辆市场需求迅速增长，耐候钢车市场需求急剧降低，目前铝合金车的比重已占到运输散粒货物车辆的80％。

澳大利亚早在上世纪70～80年代就开始采用铝合金焊接结构的车辆进行煤炭的运输，运用至今效果良好。目前其在粮食漏斗车等产品上也在广泛应用铝合金材料。

2、铝合金材料在国内铁路货车上的应用

2003年，为进一步提高我国西煤东运能力，在大秦线C63A、C76型运煤专用敞车基础上，借鉴北美重载技术，齐轨道装备公司成功研制了25吨轴重C80铝合金运煤专用敞车，满足了大秦线开行2万吨重载组合列车的运输需求，开辟了中国铁路重载运输的新纪元，使中国铁路重载运输技术跨入了世界先进行列，为大秦铁路年运量从1亿吨跃升到4亿吨提供了新型运输装备。

该车在我国铁路货车上首次采用了铝合金材料，车辆的侧墙、端墙、下侧梁、撑杆、下侧门及浴盆等部位均采用材质为5083-H321的板材和材质为6061-T6的挤压铝型材，大大减轻了车辆自重，载重达到了80吨，较大秦线既有的C63A型运煤敞车提高运能31.1％，具有显著的经济及社会效益。

2003～2004年期间，该车共生产5432辆，全部供大秦铁路运输煤炭专用。2011年，神华集团预计采购该型车辆4300辆，用于神华集团运煤专用线路的运输，可极大提高车辆的运输效率。

三、铝合金材料在铁路货车上应用的优缺点分析

为了提高运能，最大可能地降低车辆自重，提高载重能力，近年来在铁路运输较为发达的国家，铁路货车主要受力部件仍主要以高强度耐候钢为主，而其他部位则较多地采用了铝合金材料。我国铁路货车用车体材料仍以高强度耐候钢为主，2003年以后在部分专用货车上采用了铝合金材料。为使铝合金材料更好地应用于铁路货车产品，必须对其在铁路货车上应用的性能特点进行全面的分析了解。

1、铝合金材料在铁路货车上应用具有以下几方面优点：

自重轻：铝合金材料的密度约为钢材的1／3，即在强度满足使用要求的前提下，铝合金结构是钢质结构自重的1／3。因此，使用铝合金材料的铁路货车，可大大降低车辆自重，增加载重能力。

耐腐蚀性能好：在自然条件下，铝合金表面容易形成一层很薄的氧化铝保护膜，其表面硬度较高、不易破损，在大气中有很好的防腐能力。而当其与煤或其他腐蚀性介质接触时，保护膜很好地保护了铝合金母材本身，保证了材料的使用性能要求。据美国统计，铝合金车体的腐蚀度为耐候钢的1／25，其使用寿命长，可以不涂漆使用。由于铝合金材料具有这样的特点，因此其更多地使用在运煤车辆上，并使车辆的使用寿命大为延长。

检修费用低：铝合金材料具有较好的耐腐蚀性能，使铁路货车车体的腐蚀速率大大降低，避免了车体钢结构部分的大量挖补和截换，节省了材料和人工成本的支出，进而降低了检修费用。

铝型材易于制造和组装。铝是面心立方结构，具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。而采用铝合金材质的车辆利用了其型材易于挤压成形的特点，在很多部位，特别是一些结构复杂的连接部位大量地应用了铝合金型材，既满足了结构性能的需要，又提高了车辆制造的工艺性。

寿命短期后残值较高。铝合金材料在车辆寿命期内其损耗极少或没有损耗，保持了铝合金材料的完整性，加之铝合金材料可重复利用，因此其具有较高的残值利用率，具有较好的回收利用价值。

2、铝合金材料在铁路货车上应用则具有以下几个方面的不足：

采购成本高：铝合金材料的价格相对高强度耐候钢的采购成本较高，加之铝合金材质的加工和组装

需要专用的设备和技术，使其制造成本也偏高。因此，性能相当的铝合金车较耐候钢车一辆车的采购成本高5～10万元左右。

刚度较弱：铝合金材料的弹性模量约为钢材的1／3，所以用于结构上减轻重量时，刚度与之成比例下降，这也是铝合金材料不能用作结构主要承载件的原因，而且铝合金车的整体刚度相比于钢质车较弱。

不适于焊接：随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入，铝合金的广泛应用也促进了铝合金焊接技术的发展。做为铁路货车用铝合金材料的焊接，虽然工艺已经成熟，但在操作过程中还有两个问题不易解决，一是铝合金焊接后热影响区材料的强度会降低30％左右，二是铝合金焊接变形较大不易控制。因此，铝合金焊接对于焊接人员的操作水平及设备的要求较高，造成成本的增加及效率的降低。所以，目前铝合金材质的铁路货车较少采用焊接结构，多采用铆接结构，与现有的钢车的制造工艺区别较大。

与其他金属接触存在电化学腐蚀。由于铝合金材料的电位较低，与其他电位高于它的金属(如钢)接触时，铝合金成为阳极，并在电解质中溶解为金属离子，使得材料快速腐蚀。为防止这种腐蚀的发生，在铝合金材料与钢接触的部位均须贴防电化腐蚀胶带，这种普通热塑树脂的有机膜在铝合金表面和电解质之间形成一层物理性阻挡层，从而起到了防腐的作用。防电化腐蚀胶带的使用，则进一步增加了车辆的制造成本。

3、优缺点综合分析比较

对比以上优缺点不难发现，铝合金材料应用在铁路货车上最主要的缺点就是车辆初始成本有所增加。但运用经验表明，初始成本增加的费用会因为车辆装载重量的提高和运营费用的节省所带来的经济效益而得到补偿，车辆载重要越大这种效益的增加就越明显，而且，铝合金车辆较钢质车辆的使用寿命长，寿命期后回收利用价值高，因此其所带来的收益更加巨大。

四、应用中亟待解决的主要问题

1、铝合金材料的强度有待提高

目前，国内铁路货车用铝合金材料主要是两种。5083-H321铝合金属于Al-Mg-Si系合金，不能热处理强化，耐蚀性好，冷加工性较好，具有中等强度，特别是具有抗疲劳强度，屈服强度为215Mpa，在铁路货车上主要用于侧板、端板、浴盆板及各连接部位等，非主要结构件；6061-T6铝合金亦属于Al-Mg-Si系合金，可热处理强化，屈服强度为245Mpa，在铁路货车上主要是制成各种形状的挤压型材，部分作为结构件。

以上两种材料屈服强度相对较低，在铁路货车上大多作为非结构件使用。随着对铁路货车设计要求的提高，需要铝合金材料也可以承担一定的载荷，起到结构件的作用，因此有必要研究新的高强度的铝合金材料应用到铁路货车上，同时结合车辆设计水平的提高，使铝合金材料具有承受适当载荷的能力。当然，材料强度等级的提高也带来采购成本的提升，因此还需要对新材料的性价比进行深入分析对比，使之既满足结构要求，又可以带来更大的经济效益。

2、优化车辆结构，提高整体刚度

铝合金材料的弹性模量约为钢材的1／3，对于整体承载结构的车辆，铝合金车较钢质车的整体刚度低30％～50％，已经接近甚至超过刚度评定标准的要求。因此，在设计时须优化车辆结构，合理选取各部位特别是对刚度贡献最大部位的铝型材断面型式，充分发挥车辆的整体承载能力，尽可能提高车辆的整体刚度和抗变形能力，满足车辆的使用性能和运输安全要求。

3、合理选择铝合金的制造工艺

铝合金车的制造主要采用铆接工艺和焊接工艺，两种工艺各有特点。采用铆接工艺，车辆结构完整，对设备及人员的要求相对较低，但对结构设计高，为满足铆接操作要求，可能导致车辆局部结构复杂，个别部位操作不便。而采用焊接工艺，对设备特别是防止焊接变形的工装、施焊工艺及人员的要求较高，增加了工时和操作难度，成本大幅增加。因此，铝合金车辆采用哪种制造工艺还需要综合分析、合理选择，特别是在设计阶段要充分考虑工艺制造因素，连接简单的部位尽量采用铆接结构，连接复杂的部位在强度允许的条件可考虑焊接结构，降低制造难度，提高可操作性。

五、铝合金材料在铁路货车上应用的发展趋势

铁路货车作为铁路货物运输的重要装备，如何适应铁路货物运输“重载、快捷、安全”的要求，如何满足国民经济快速、健康持续发展的需要，如何实现货物运输效益的最大化，已经成为铁路货车制造业必须面对和解决的重大课题。同时，为了提高我国铁路货车技术，缩短与世界先进水平的差距，增强国内外市场竞争能力，铁路货车必须加快技术进步的步伐，不断研究和吸收国外的先进技术，完善和提高自身的技术水平，以谋求长远的发展。

铝合金材料具有重量轻、耐腐蚀性的显著优势，在实现铁路货车轻量化目标的过程中可以发挥重要作用。特别是随着中国铁路货车设计、制造水平长足的发展，为铝合金材料的应用提供了前所未有的发展机遇和市场前景。而根据国内外铁路货车的运用经验，铝合金材质的铁路货车采购成本的增加不足以抵消运输效率提升和运能提高所带来的巨大经济效益和社会效益，因此，具有广阔的发展空间。

应该说，随着铁路货车技术的发展及国内铝合金材料的应用，国内铁路货车上大量采用铝合金材料的条件已经具备，并将逐渐成为实现车体轻量化的主要手段。

同时，铝合金车辆的结构型也将不仅仅局限于敞车这一单一形式，而会向漏斗车和大轴重的敞车，特别是煤炭漏斗车、粮食漏斗车等方向发展。此时，铝合金车的自重较同种结构形式的钢质车辆自重减少1～2吨，使用寿命可延长5年以上等优势将逐渐显现，运用的综合经济效益将更好，更受用户的欢迎。

铝及铝合金材料的检测 第7篇

1 荧光分析法

1.1 原理

当有些物质受到光照射时, 会发射出比原来吸收波长稍长的光;当光照射停止时, 这种光线也随即消失, 这种光称为荧光。通过测定分子所发射荧光的特征和强度, 对物质进行定性、定量的分析。固定荧光波长, 以激发光波长为横坐标, 荧光强度为纵坐标, 可绘制物质的激发光谱;固定激发光波长和强度, 以荧光波长为横坐标, 荧光强度为纵坐标, 可绘制物质的荧光光谱。激发光谱和荧光光谱可用于对物质进行定性分析, 也可用于荧光测定时激发波长和测量波长的选择。

1.2

荧光效率:Φ=

(1) 具有长共轭结构的物质具有较高的荧光效率。 (2) 分子的刚性和平面性可使荧光效率提高。 (3) 各种取代基对荧光效率有很大影响, 吸电子取代基使荧光效率降低, 而斥电子取代基使荧光效率提高。

1.3 测量仪器

荧光计或荧光分光光度计, 一般由光源、单色器、样品池, 检测器和读数装置等元件组成。荧光分光光度计的光源的强度大;有两个单色器, 一个用于选择激发光波长, 另一单色器用于选择荧光测量波长, 两单色器光路成90°角。

1.4 步骤

先选用一定浓度的荧光标准物质置于光路中, 将其荧光强度读数调到一个确定值。再配置不同浓度的铝及铝合金溶液置于光路中, 测出其荧光强度。绘制出曲线。应满足下列的关系式:F-=KC。

1.5 数据处理

根据测定的不同的荧光强度, 绘制出曲线。参照荧光的强度对物质成分进行定性和定量的分析。

2 化学分析法

铝合金中常见的合金元素有铜、镁、锰、锌、硅, 个别铝合金还含有镍、铬、钛、铍、锆、硼及稀土。铝及合金经常分析的元素有铝、铁、铜、镁、锌、硅、锰等, 其他微量元素一般很少分析测定。

2.1 溶解

用NaOH+HNO3溶解试样:先用20%~30%NaOH溶解到不再溶时, 再加入。

2.2 测定方法

铝是主体元素, 金属铝中铝含量在97%以上, 铸造铝合金中铝含量为80%左右, 变形铝中铝含量通常为90%左右。铝的测定方法一般采用EDTA置换滴定法或氟化钾酸碱滴定法。EDTA置换滴定法:试样经酸溶解后, 加入过量EDTA, 调节pH值为3~4, 煮沸2min~3min。在pH值为5~6缓冲溶液中用铜标液回滴至终点。加入置换出与铝络合的EDTA, 在煮沸温度下再用铜标液滴定。第二次滴定所消耗的铜的物质的量即为铝的物质的量。用六次甲基四胺为缓冲溶液, PAN为指示剂, 终点明显, 结果较准确。

(1) E D T A置换滴定法原理:与EDTA络合反应速度慢, 不能用EDTA直接滴定。本测定采用置换滴定法。首先加入过量的EDTA溶液 (不必定量) , 调节pH值为3.5左右 (用甲基橙指示剂指示) , 煮沸2~3min, 使与EDTA完全络合。同时其他干扰离子也与EDTA进行反应。取下调节pH值为5~6 (用六次甲基四胺) , 用PAN为指示剂, 趁热用铜标液滴定至终点。此时, 加人适量, 利用与生成更稳定络合物这一性质, 置换出与等物质量的EDTA。经加热煮沸后, 再用铜标液滴定。置换反应和滴定反应如下:

煮沸后趁热滴定是为了防止PAN指示剂僵化。

(2) 试剂:氢氧化钠 (固体) 、30%过氧化氢溶液、盐酸硝酸混合酸:在500mL水中加HCl400mL、加HNO3, 100mL, 混匀、1∶1盐酸、1∶1氨水、0.1%甲基橙指示剂水溶液、pH值为5.5的20%的六次甲基四胺缓冲溶液、PAN指示剂0.1%乙醇溶液、0.02mol/LEDTA溶液、0.02mol/LCuS标准溶液: (1) 配制:称5 9 Cu S5O, 于1 0 00 mL大烧杯中, 加1:123滴, 蒸馏水溶解并稀释为1L。 (2) 标定:吸取25.00mL已标定过的EDTA标准溶液于锥形瓶内, 加水50mL, 加10mL六次甲基四胺缓冲溶液, 加热至80°C~90°C, 滴入3~4滴PAN指示剂, 趁热用CuS滴定至由绿色变为紫色为终点。消耗CuS体积为V (mL) , 用下式计算铜标液的浓度c (mol/L)

2.3 测定步骤

准确称取试样0.25g于塑料烧杯中, 加入NaOH (固体) 4g, 水15mL, 于沸水浴中加热溶解。流水冷却后, 慢慢倾人盛有100mL盐硝混合酸的烧杯中。加10滴, 继续加热煮沸1min。取下冷却, 移人250mL容量瓶中, 用水定容摇匀。吸取试液50.00mL于300mL锥形瓶中, 加水50mL, 加0.02mol/L EDTA25mL。滴加甲基橙1~2滴, 用1∶1HCl或氨水调节pH变为橙色, 加热煮沸2min~3min。取下, 立即加入六次甲基四胺缓冲溶液10m L和4~6滴P AN指示剂, 趁热用CuSO4。标液滴定, 滴至颜色由绿色变成紫色为第一终点 (不计体积) 。加入lg, 继续加热煮沸2min, 补加3~4滴PAN指示剂, 将滴定管中CuS标液加满至“0”刻度, 继续滴定到第二终点, 记下所消耗的CuS标液体积V。用下式计算试样中铝的含量

式中c, V为分别为标准溶液浓度和体积;26.98为A1的摩尔质量, g/mol;G为试样质量;为滴定时吸取试样分率。

2.4 数据处理

根据上面做的实验, 记录数据, 代入公式计算出铝的含量。

3 结语

上面用了荧光分析法和化学分析法对铝及铝合金进行了测定, 分析出了各物质的特性及含量。通过物理和化学方法进行测定具有较强的可信度。最后关键的是要做好总结和数据处理工作, 对比以前的资料和相关数据进行分析比较。

摘要：随着铝及铝合金运用越来越广泛, 铝及铝合金的研究工作越来越有价值。本文主要就铝及铝合金原辅材料氧化铝、氟化铝、冰晶石等设计的一些检测工作。

关键词：铝及铝合金原辅材料氧化铝,氟化铝,冰晶石荧光分析法化学分析法

参考文献

[1]张锦柱.工业分析化学[M].冶金工业出版社, 2008 (8) .

AgCu合金材料的制备及应用 第8篇

伴随着科学技术的飞速发展及电器产品的不断更新换代,电子元件在电力和通信等行业中的作用日益突出,为了满足科学技术的发展需求,人们对材料的性能要求越来越高。尤其是低压电触头材料,虽然工作电压和分断容量较低,但其操作频繁、应用面广、用量大,不断增加电触头种类和产量的需求。国内外所生产应用的低压电器触头主要由银基触头材料制成,对贵金属银的需求量大。在如今资源匮乏的情况下,环境友好与可持续发展已成为各行业发展的前提条件。因此,从资源节约的角度出发,低银或少银电触头材料的开发对于现代电子、机械等行业至关重要。

电触头是整个电路、用电器的关键元件之一,承担接通和切断电流的功能。它既是载流体,又是机械零部件,必须具有良好的导电、导热性及耐电孤烧损、抗熔焊、电磨损小、低而稳定的接触电阻、不与使用介质发生化学反应、有一定的强度和易于机械加工等通性[1]。银基电触头材料的生产及应用已有百年之久,银因其独特的物理及化学特性伴随电触头材料发展的始终,但对于Ag Cu合金作为电触头材料的研究却很少,本文参阅相关文献资料,综合分析国内外Ag Cu合金的应用以及作为电触头材料的Ag Cu合金制备和发展概况。

2 Ag Cu合金的应用

2.1 Ag Cu合金在接触线中的应用

最初,Ag Cu合金作为接触线被大量研究。接触线是电气化铁路、城市交通电车、工矿电机车等的重要部件[2],其作用是通过与电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力机车输送电流,不仅要传输电流,还要承受悬挂张力、附加力、运行中的冲击力和机车受电弓滑板的磨耗。因此,要求接触线材料具有优良的导电性、较高的拉伸强度、良好的耐磨性和耐大气腐蚀性等性能。国外高速铁路多采用Ag Cu、Sn Cu、Mg Cu、Cd Cu、Cr Zr Cu等高强高导电铜合金接触线,国内牛玉英等[3]研究了在连续挤压工艺下制得的Ag Cu接触线在20℃下导电率达到102.2%IACS,延伸率达7.78%,晶粒尺寸小于0.03 nm,具有良好的细晶组织,晶粒分布均匀且具有良好的力学性能。吴予才等[4]研究了稀土的添加方法以及稀土元素在Ag Cu合金导线生产中的作用,研究表明,稀土元素的加入降低了材料的表面裂纹,同时又细化晶粒,提高了Ag Cu合金线杆的延伸率、抗拉强度、导电率。

2.2 Ag Cu合金在钎料中的应用

Ag Cu合金作为钎料的使用也相当广泛,目前银系钎料主要以纯银、Ag Cu(28)、Ag Cu(50)等为主,由于具有低熔化温度、高强度、优良的加工性能、高导电性、抗腐蚀性等特性,被广泛应用于电子器件的分级钎焊中[5,6]。其中Sn Ag Cu因其优良的润湿性及良好的力学性能被国际上公认为最有潜力的含铅钎料的代替品之一。美国推行使用的是Sn(3.9)Ag(0.6)Cu即SAC396,欧盟推行使用的是Sn(3.8)Ag(0.7)Cu即SAC387,日本推行使用的是Sn(3.0)Ag(0.5)Cu即SAC305,这些锡-银-铜体系都属于高银含量的高银无铅焊料[7]。此外,稀土元素也能极大地改善银钎料性能,在无铅银钎料中,加入适量的稀土元素,一方面可以改善钎料的润湿性能并细化晶粒;另一方面稀土元素的加入可以有效地防止钎焊过程中银钎料的氧化,同时净化钎缝晶界,从而提高钎缝的抗疲劳强度。随着工业用银量的不断增加,如何在保证使用性能的同时降低材料中Ag含量也是钎料发展过程中所面临的问题之一[8]。

3 Ag Cu合金电触头材料的发展概况

以Ag Cu合金为电接触材料的基体己经显示出较大的优越性和广阔的应用前景。早在20世纪70年代,Duwez P等[9,10]就已利用快速凝固技术成功制备了Ag Cu系合金。李宗全等[11]用超塑性变形(SPD)制备了纳米晶结构的Ag Cu固溶体。李文生等[12]利用等离子喷涂技术制备了Ag Cu复合触头材料,并通过扩散退火处理得到了很好的界面性能。李亚明等[8]采用热喷涂技术制备了Ag Cu复合电触头,结果表明,所得复合电触头不仅表面致密高、结合性好,而且具有良好的抗熔焊性能和抗电弧烧蚀性。一般情况下,制备Ag Cu合金多采用石墨坩埚在真空中频感应炉或高频感应炉中熔炼,但是采用这种方法制备的Ag Cu合金易出现成分偏析,对力学性能的均匀性有一定影响。相对纯银材料,Ag Cu合金触头材料不仅大大节约了银的使用量,而且极大地提高了触头的力学性能、耐磨性以及抗熔焊性能,广泛用于各种电器接点和焊料[13]。

但Ag Cu合金在实际应用中也存在以下问题:①在高温、高湿和含硫及硫化氢气氛下,合金表面容易生成不导电的硫化物膜和氧化膜,使触头接触电阻增大,触头的可靠性降低,从而极大地限制了其使用范围;②在Ag Cu合金中Cu含量一般低于20%,且银铜这两种物质均具有良好的延展性,硬度低,致使所得触头材料硬度较低、耐磨损性差[14]。通常采用添加第三相来改善上述性能,常用的添加元素有Li、Ca、Be、Mg、Ti等,以及La、Ce、Y等稀土元素[15,16]。

4 Ag Cu合金电触头材料制备方法

传统的Ag Cu合金的制备方法多以电镀、化学镀以及热喷涂制备工艺为主。这些制备工艺得到的主要是复层材料,材料有明显的分层现象,所以对接触表面的致密性和结合度有很高的要求,以下是几种制备工艺的介绍[17]:

(1)电镀法是利用电解原理在金属或其他材料制件表面镀上一层金属的表面处理技术,在实际应用中,主要目的为提高附件的耐蚀性、耐磨性,同时也利用电镀法来增加附件的导电性、反光性等。利用电镀法所得触头材料其抗熔焊性、抗电弧侵蚀性能大大提高,镀层与基体的表面致密性和结合性能也较好,其缺点是制备中会产生有毒废气、废水,对人体和环境有害并且生产周期长,不利于大规模工业化生产。

(2)化学镀法广泛地应用于金属/金属复合粉体材料的制备,具有工艺简单,操作方便,成本较低等优点。化学镀是基于氧化剂与还原剂之间的氧化还原反应之上,没有外加电流,利用溶液中的还原剂Rn+将金属离子Mez+还原为金属Me,最终使金属Me沉积在基体表面的过程。

(3)热喷涂是一种快速有效的表面处理技术,其原理是利用外加热源将需要喷涂的材料加热融化,喷射到基体表面,其目的为使喷涂材料的性能优于基体的性能,从而得到性能更加优异的材料。热喷涂技术的发展为之后等离子喷涂技术、高速电弧喷涂技术的发展奠定了基础。热喷涂技术在制备Ag Cu电触头材料领域也有着非常广泛的应用,其优点是生产周期短、成本低、绿色环保;不足之处在于涂层与基体之间的结合较差。改进方法有采用高速电弧喷涂法和等离子喷涂技术来提高涂层与基体之间的结合力。

(4)等离子喷涂技术相对电镀、化学镀及热喷涂技术,具有很多优越性,是一种功能强大、用途广泛的新型喷涂工艺。具有以下优点:①可以对高熔点材料进行喷涂;②涂层致密性高,粘结强度大;③喷涂过程中采用了惰性气体,有效地避免了喷涂材料的氧化。基于以上优点,等离子喷涂技术在表面处理方面有着广泛的应用。

(5)机械合金化方法(MA)是20世纪60年代末由Benjamin在制备氧化物弥散强化合金时提出[18]。该方法可以将两种熔点相差很大的金属,以固体的形式,在常温下便可以实现二者之间的固溶,避免了高温操作的危险,是一种成本较低、操作方便的新型制粉方法。随着触头材料的不断向前发展,机械合金化法的应用范围也越来越广泛,涉及到纳米材料、纳米晶材料、准晶以及非晶材料等诸多领域,有着非常广阔的应用前景[19,20,21,22,23]。Fang Fang等[24]对不同银含量的Ag Cu合金的固溶性情况进行了研究,结果表明,采用机械合金化法制备的Ag Cu合金电触头材料其粉末颗粒细小、成分分布较均匀,性能较好。

5 Ag Cu合金电触头材料的发展展望

(1)降低银含量。与基本的银基电触头相同,也是Ag Cu合金电触头研究工作中所要面临的主要问题,在满足触头材料性能要求的基础上,可以考虑提高铜的含量及添加少量的微量元素。

(2)制备工艺的改进和创新。可采用机械合金化法结合粉末冶金中的烧结、挤压工艺,这样可以避免传统方法熔融法的高温操作以及电镀法工艺生产周期长、污染大等问题,而且可以通过试验优化各部分工艺参数,以期得到性能优良的电触头材料。

(3)添加剂。选取合适的添加元素,提高Ag Cu合金电触头材料的各项性能。因为银和铜均为延展性、导电性很高的金属,所以在加工和制备过程中其机械强度和电导率会是一对矛盾体,在基体银铜确定的条件下,寻找满足性能要求的添加元素,对于提高触头材料的使用性能以及触头材料的发展有很大的促进作用。

生物医用镁合金材料熔炼技术研究 第9篇

关键词：镁合金,生物医用材料,熔炼,密封炉

镁作为医用植入材料, 与现在已投入临床使用的各种金属植入材料相比, 具有许多优点由于其生物学性能较好, 作为生物材料的研究也成为近年的热门[1]。

为了获得杂质含量少, 纯洁度高, 成分准确的优质金属材料, 一般熔炼方法已不能满足要求, 采用真空熔炼是获得优质材料的有效手段。

真空熔炼使在常压下进行的物理化学反应条件有了变化, 主要体现在气相压力的降低方面。随着气相压力的降低, 使一切反应都向存在气相的方向发展。对冶金过程来讲, 这不仅影响热力学条件的变化, 而且影响冶金生产中更有现实意义的动力学条件的变化。

1 真空熔炼过程相关问题

合金熔体中组元的挥发损失量与熔体温度、真空室中的压力、初始熔炼合金的量及熔炼时间有关。为了减少合金在熔炼过程中成分的变化, 在合金熔炼过程中应该采取一些必要的措施[2]。

1.1 往真空室反充氩气增加真空室中的压力

气体总压力对组元挥发损失速率的大小有着重要的影响, 可以用下面的公式来表示某一合金中所有挥发元素在熔体温度为时所需的阻塞压力Pimpe’

式中:Pimpe熔体组元挥发的阻塞压力;

Pei’max熔体各个挥发组元的饱和蒸汽压中的最大值;

C大于1的常数, 一般考虑到时间的因素其取值在1.3~1.5之间。

在合金的熔炼保温过程中, 在设备允许的条件下可以向真空室中充入惰性气体使得真空室总压P的大小大于在该条件下的熔体组元挥发的阻塞压力Pimpe, 并且维持真空室总压P的不变, 通过这样反充气体的方法可以明显的减小熔体中元素的挥发损失量。实践证明, 只要充入1.01104Pa的惰性气体, 就能使挥发损失大为降低[3]。

1.2 熔化室内氮气、水蒸气、氧气分压的控制

为了控制镁合金熔体中氮气、水蒸气、氧气溶解度, 单靠熔化炉真空泵是远远不够的。可采用多次抽真空反充惰性气体氩气方法, 来稀释熔化室内的残留气氛, 使熔化室内的实际氮气、水蒸气、氧气分压降低很多。

1.3 控制加热功率不要让熔体温度过高

熔炼过程中都是采取阶梯加载的方式, 这样做至少有两方面的好处, 一方面可以让炉料中的水分以及粘附的有机物有充足的时间挥发掉;另一方面可以防止金属液的飞溅甚至"热爆"的产生, 使熔炼过程平稳进行。

2 镁合金制备前的准备工作

2.1 配料

原材料中的纯镁用特级, 纯锌用0号锌锭, 稀土直接加入, 锰以MnCl2加入。装料不得超过其容量的90%, 以免操作时溢出。

2.1.1 制备镁合金的配料操作注意事项

a.根据所配合金的主成分要求, 来确定主要元素的计算成分。以10g合金作为配料基数, 从而计算出该炉的合金总量。

b.对于入炉的单质和中间合金或混合盐, 在加入前要预热到120~150℃。如Mn Cl2加入前, 必须经过烘烤。

2.1.2 制备镁合金各金属加入量的计算

各金属加入按Zn2.0%, RE1.0%, Mn0.5%, Ca0.5%计算, 以10g镁为基础。

Zn:加入0.2g Zn, 则 (10+0.2) =10.2g合金中含98.04%Mg, 1.96%Zn。

RE:加入0.1g RE, 则 (10+0.2+0.1) =10.3g合金中含97.09%Mg, 1.94%Zn, 0.97%RE。

Ca:加入0.05g Ca, 则 (10+0.2+0.1+0.05) =10.35g合金中含97.09%Mg, 1.93%Zn, 0.97%RE, 0.48%Ca。

Mn:10g特级镁中含有0.0003gMn, 加入0.05gMn, 则 (10+0.2+0.1+0.05+0.05) =10.4g合金中含96.15%Mg, 1.92%Zn, 0.96%RE, 0.48%Ca, 0.48%Mn。

此种计算方法尽管理论上符合合金的成分要求, 但实际熔炼中还要考虑各种金属的损失量。镁的烧损率按3%计, 锌的烧损率按0.5%计, 锰的损失量按1%计。钕的损耗随熔铸条件而变, 一般为10%~15%。

2.2 熔炼合金工艺

2.2.1 熔炉准备

将炉料放入炉内, 进行烘炉。烘炉时要缓慢升温。并在150~200℃保温以烘尽水分。

2.2.2 将坩埚预热400~500℃, 装上经过预热的炉料, 镁, 锌, 钙等。炉料预热至150℃以上。

2.2.3 开始抽真空, 经过5次反充惰性气体氩气使真空度分别至103Pa, 102Pa, 10Pa再抽真空。

2.2.4 通入氩气使炉内压力达到1.01105Pa稳定后, 升温熔化。升温至730~780℃, 保温10~20min。

2.2.5 切断电源, 停止加热。继续通入氩气, 使镁合金随炉冷却。

按照以上熔炼工艺, 可以熔炼出杂质含量少, 成分稳定的镁合金。能够满足生物医用材料的要求。

参考文献

[1]李龙川, 高家诚, 王勇.医用镁合金的腐蚀行为与表面改性[J].材料导报, 2003, 17 (10) :29-32.

[2]苏彦庆, 郭景杰, 刘贵仲.有色合金真空熔炼过程熔体质量控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005.

铝锂合金新材料应用研究浅析 第10篇

在竞争日益激烈的民用飞机市场里, 客户要求飞机具有较高的出勤率和较低的维护成本, 同时又要保证飞机的经济性, 降低燃油消耗。随着人们对出行安全的越来越高的要求, 适航部门要求飞机在整个服役期内能有应对各种可能发生的情况, 保证乘客及飞机安全。

1 新型铝锂合金技术优势

铝锂合金是近十年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域, 90年代后, 进入了三代铝锂合金的研究时代。在合金设计成分上, 第三代铝锂合金降低了Li含量, 而增加了Cu含量, 并且添加一些新的合金元素Ag、Mn、Zn等;在性能水平上较以往铝锂合金有了较大幅度提高。新型铝锂合金主要产品形式为中厚板、薄板、挤压型材等, 规格种类相对较为单一, 已经获得适航认证在飞机上使用的牌号主要有美铝2099、2199、2397和加铝的2196、2198等, 新型铝锂合金在机身的主要的应用部位为机身蒙皮、长桁、框、地板梁、座椅滑轨、梁、腹板等。

根据资料显示, 美国、俄罗斯、法国和日本在航空航天领域均有使用铝锂合金的实例。法国Rafele军用战斗机, 以及空客公司的A330、340和380等机型的机翼前后缘、座椅滑轨、地板梁、机身与机身蒙皮等结构部件均使用了铝锂合金材料。A380-800飞机座舱横梁采用了2196铝合金锻压件。第三代铝锂合金相对于传统铝合金有着显著的优越性能, 具体表现如下。

(1) 铝锂合金在比刚度及比强度方面优于传统常规铝合金结构。

(2) 铝锂合金的疲劳性优越传统铝合金, 提高疲劳许用应力超过40%, 可大面积减重。

(3) 裂纹扩展速率与传统铝合金相比降低25%以上, 低的裂纹扩展速率能有效降低重复检查周期, 降低维护成本。

(4) 铝锂合金对疲劳裂纹的不敏感性能极大改善了结构的广布疲劳损伤能力, 增强了设计的使用安全性, 并能够满足适航规章中近乎苛刻的关于广布疲劳损伤的相关要求。

在减重效果上, 复合材料和铝锂合金相对于常规铝合金都表现出较大的优势;在制造工艺性方面, 铝锂合金可以大量继承常规铝合金工艺技术, 铝锂合金具有和复合材料相似的高维护间隔和高抗腐蚀性能, 能较好的降低维护成本, 在雷击, 电磁兼容方面应用比较成熟, 基于目前技术现状, 金属结构设计具有较高的技术成熟度, 以铝锂合金为基础进行飞机设计可以极大的降低飞机项目的实施风险。

2 庞巴迪C系列飞机新型铝锂合金的应用

加拿大庞巴迪公司C系列飞机是专门针对90-149座级市场研发的110-130座的新型飞机, 每种又分为标准型和增程型。

C系列飞机采用了民用飞机适用的与B787和A380同等级的先进技术、设备和新材料, 材料的使用与B78对比。庞巴迪C系列飞机采用新材料带来的高服役寿命及低维护成本已成为吸引市场的一大卖点, 得到广大运营公司的青睐。

在大型民用飞机结构设计中, 铝锂合金结构设计既要重量轻, 又要满足静强度和耐久性/疲劳损伤容限要求;既要满足适航条例25部及相关咨询通告的要求;又要考虑结构的经济性、高出勤率和低维护成本的要求.根据25.571适航条例规定, C系列铝锂合金机身结构设计有如下要求。

(1) 新设计的铝锂合金结构在重量、静强度等方面优于传统常规铝合金结构。

(2) 裂纹形成寿命高于常规铝合金机身结构形式。

(3) 建立满足两跨裂纹剩余强度设计准则。

(4) 铝锂合金机身结构广布损伤设计准则:确定延缓广布疲劳损伤出现的构形方案, 要保证满足剩余强度要求。

2.1 铝锂合金材料性能及工艺试验

Al-Li合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高模量、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑性成形性能, 是当今民用航空金属材料应用的一个重要发展方向, 为了给工程设计可行性提供依据, 同时也为制造部门提供合适的加工工艺参数, 在铝锂合金新材料的应用上进行了大量的材料性能试验以及工艺试验。

拉弯成形需要借助塑性力学分析手段, 对非对称型材弯曲过程中拉弯失稳问题进行研究, 分析非对称型材弯曲时出现分散性失稳和集中性失稳时的应变强度。“C”型2196型材拉弯成形工艺试验目的是在典型热处理状态下, 评估铝锂合金型材的拉弯成形性能, 确定拉弯参数。

轧压成形工艺是板材在弯曲模具中经多个轧辊的共同作用而成型。在轧制工艺过程中, 轧制后材料的晶粒塑形流变使型材中几乎没有成形加工中的内应力存在, 因此也避免了型材的弹性回弹。传统铝合金, 弯曲轴与晶粒方向垂直时, 成形性较好, 而对于铝锂合金, 当弯曲轴与晶粒方向平行时, 成形性较好。板材2198在T3状态下无裂纹时在室温条件下能承受180度的弯曲。

2198板材在T3或T3S状态下成形性能最好, 因此, 通常情况下拉弯成形在此状态下进行。试验目的是为了评估相应材料厚度和热处理状态下可成形性。对于传统铝合金, 拉弯方向与晶粒方向平行时可成型性最好, 而铝锂合金是拉弯方向与晶粒方向垂直时可成型性最好。

2.2 铝锂合金机身结构试验

民用飞机机身是典型的薄壁结构, 主要由蒙皮、框、长桁、地板梁与支撑件组成, 通过紧固件、连接角片连接在一起。机身蒙皮在内部增压作用下呈现双向受拉载荷状态, 内部增压载荷与机身总体弯曲、扭转、剪切载荷叠加后, 在机身壁板上形成拉弯-剪切或压缩-剪切的复合载荷状态, 受力形式相对复杂。为了保证飞机结构设计在新材料应用及新构型设计上可靠性及安全性, 对C系列飞机机身结构开展了系列完整性综合试验验证。SACC全程参与了其中的机身典型桶段试验、蒙皮纵环向连接试验、地板梁试验、蒙皮壁板剪切试验、座椅滑轨试验等。

机身桶段结构试验件结构形式取自C系列前机身为参考样本, 几何尺寸及曲率均相同, 各结构通过铆接装配成桶段, 绝大部分机体结构由铝锂合金及新一代铝合金组成, 常规铝合金只占很少一部分。桶段试验作为C系列项目研发性试验, 主要用来研究机身桶段的结构设计概念, 典型结构的分析方法, 维修方案以及应用新一代铝锂合金材料后其性能的改进。验证如下细节设计特点及承载能力:

(1) 浮框、机加框及其框对接方案。

(2) 框与地板连接方案。

(3) 地板横纵梁的连接及立柱与框的连接。

(4) 蒙皮纵向及环向连接。

通过静力载荷测量、疲劳试验、裂纹扩展试验及剩余强度试验等, 确定机身壁板设计参数, 考核典型部位疲劳和裂纹扩展特性, 并对耐久性及损伤容限设计分析方法进行验证。

通过试验数据表明铝锂合金裂纹扩展寿命为常规铝合金的2倍以上, 同时失稳点位置也大大高于常规铝合金。通过对比分析表明铝锂合金材料性能有较好的稳定性, 采用铝锂合金可以大大提高结构的裂纹扩展寿命, 增长飞机服役中的维修检查时间间隔, 提高结构安全性, 降低维护成本。

蒙皮壁板环向连接试验作为桶段试验件的补充试验, 连接参考位置选择在机身载荷比较严重的后机身顶部长桁蒙皮连接位置, 分别进行疲劳试验和损伤容限试验, 试验件所用材料与上机材料基本保持一致, 蒙皮、长桁、框及带板等主要结构均为铝锂合金。疲劳耐久性试验在进行中, 按照试验要求进行了一系列的检查, 并未发现任何裂纹, 满足两倍经济寿命要求。在对接区域拆毁检查未发现其他裂纹, 满足剩余强度要求。

蒙皮纵向连接试验件采用上搭下的搭接方式进行连接, 纵向连接试验件材料信息与环向连接试验件基本一致, 蒙皮、长桁、框等主要结构均为铝锂合金。试验包含两个构型相同的试验件, 分别用于耐久性试验和损伤容限试验。

通过一系列静力、疲劳和损伤容限试验数据和分析结果的对比分析, 可以看出铝锂合金相对于传统铝合金具有高的弹性模量, 静强度性能, 低的疲劳敏感性, 低的裂纹扩展速率和较好的剩余强度性能;同时材料方又确认铝锂合金材料具有低密度和高的抗腐蚀性能。因此, 铝锂合金替代传统铝合金在民用飞机机体上有着广泛的应用空间, 可以同时达到减重, 降低维修成本, 高的性能的效果。

3 铝锂合金应用展望

铝锂合金作为一种新型低密度、高强度、高模量铝合金材料, 将是21世纪航空航天领域与复合材料竞争的首选。随着合金技术的不断发展, 低各向异性、高强可焊性等性能, 将是新一代铝理合金发展的思路。但是由于铝锂合金为新一代材料, 性能尚未为我们完全掌握, 静力试验中材料破坏一般在纤维45°偏角方向破坏, 在剩余强度试验中也存在着裂纹最终失效和预期不一致的情况, 同时材料的疲劳性能受热处理影响比较严重。因此, 我们需要在铝锂合金应用方面要更加谨慎。

新材料与新技术的革新给未来民用航空业带来机遇、挑战, 也带来风险。在看到新技术优点的同时, 也要了解它会带来些什么问题, 尽量避免全新设计。对于新技术、新材料、新工艺的引进还需要持积极、慎重的态度, 应该在经济成本、研制周期、环保等方面进行论证, 并严格应按适航规定的适航条款进行验证及确认, 充分表明是可靠安全的。

摘要：大型民用飞机结构设计中, 铝锂合金结构设计既要重量轻, 又要满足静强度和耐久性/疲劳损伤容限要求;既要满足适航条例25部及相关咨询通告的要求, 又要考虑结构的经济性、高出勤率和低维护成本的要求。本论文在参与C项目工作的基础上, 对铝锂合金材料机身工程结构设计应用中所开展的一些材料性能工艺试验、组部件典型结构试验方法等进行了分析和总结, 对国内探索大型民用飞机结构设计新材料的应用做有益的尝试。

关键词：铝锂合金,工艺试验,疲劳损伤容限试验

参考文献

[1]陈建.铝锂合金的性能特点及其在飞机中的应用研究[J].民用飞机设计与研究, 2008.

[2]FAR25.571:疲劳损伤容限要求[S].

合金材料 第11篇

关键词：热电材料PbTeMA-SPS

1 概述

随着能源与环境问题的日益严峻，社会发展对绿色能源以及能源结构多元化需求的迅速增加，工业废热发电技术引起了人们的极大兴趣。而热电材料制作的热电发电装置与其他发电装置相比，具有无机械运动部件、无噪声、无污染，无磨损、可靠性高、应用温度宽等突出优点。PbTe是一种主要应用于中温区域（500~800K）温差发电的热电材料，具有高熔点、低蒸汽压、化学稳定性好和高晶体对称性[1]的优点。PbTe热电发电机，已应用于美国军队的同位素辐射热电发电装置RTG[2]，并在心脏起搏器上提供电源[3]。

通过高能球磨(MA)可降低晶粒尺寸，增强在晶界处的声子散射，同时在材料中形成大量Pb空位缺陷，可使晶格热导率大幅降低。再通过放电等离子烧结(SPS)实现低温快速烧结，保证了晶粒不会再次长大，得到晶粒细小的多晶热电材料，从而提高热电优值。且与传统工业采用在抽真空并密封的石英管中熔炼合成多晶热电材料相比，具有不需要高温、缩短合成时间、节省工业成本的优点。

2 实验

采用Pb(99.99％，粉末)和Te(99.99％，粉末)作为起始原料，按化学式PbTe配比称重。采用QM-BP行星球磨机，球料质量比为15:1，转速为400r／min，在高纯氩气保护下球磨2～20h。为了尽量避免粉末的氧化，粉末的称重和加载在充满氩气的手套箱中进行。球磨后的粉体装入石墨模具，在400℃温度下进行SPS烧结，其它的烧结条件是：氩气气氛，单轴向压力30MPa，升温速率50℃／min，保温5min，最后得到PbTe合金块体材料。

采用XRD(PHILIPS X'pert Pro型X射线衍射仪，步长为0.017°，扫描角度范围0°≤2θ≤90°)分析粉末在高能球磨过程中和烧结后块体材料的物相，采用阿基米德法测试材料的密度，采用SEM（美国FEINova400NanoSEM型扫描电镜）观察烧结样品的断口组织、EDS分析烧结样品的微区成分，采用热重-质谱联合分析仪（耐驰STA449C-QMS403C型）对球磨粉末、烧结块体进行热重-差热分析。采用四探针法测试样品的电阻率，在样品两端施加5-10℃温差测试材料的温差电动势率。

3 结果与讨论

3.1 机械合金化制备PbTe合金粉末

图1为Pb和Te粉经过不同球磨时间后的XRD图谱。从图1可以看出，没有经过球磨的粉末为Pb和Te的混合态。当球磨2h后，XRD图谱显示单质Te和Pb的衍射峰完全消失，并出现了较强的PbTe的衍射峰，表明球磨2h即可形成PbTe合金。根据XRD谢乐公式计算得到球磨时间10h的PbTe粉末的平均晶粒尺寸为15nm~30

nm。这说明当球料质量比为15:1，转速为400r／min时，得到PbTe固溶体单相只需球磨2h。

■

图2为球磨10h后PbTe粉末的SEM照片。从图中可以看出，粉末形貌并不是很规则，粉末颗粒粒径比较分散，大的粉末颗粒尺寸达到2μm，如图2B；小的颗粒只有100nm左右。总的来说虽然粉体颗粒团聚现象比较严重，但颗粒尺寸还比较小。

■

图3为球磨10h后PbTe粉末的TG-DTA分析。从图3中可以看出，在整个热分析过程中，球磨10h后PbTe粉末的质量损失了3.86%。质量损失的原因是Pb的熔点较低（约为327.5℃），升温过程中Pb挥发所致。在557.9℃出现微弱的吸热峰，是由于Te的剩余，Te在此处熔化吸热。在859.2℃出现的吸热峰，为PbxTey的熔化吸热生成。在909.6℃处出现吸热峰，为PbTe的熔化吸热。

3.2 放电等离子烧结制备PbTe合金块体

图4为以不同球磨时间得到的粉末为原料，在相同的烧结工艺（烧结温度400℃，保温时间5min）下制备的PbTe合金块体的XRD图谱。从图4中可以看出，烧结后块体的XRD图谱完全为PbTe的衍射峰，且没有Pb和Te的衍射峰，表明Pb、Te合金化完全，产物为PbTe。随着球磨时间的增加，PbTe的衍射峰强度增加，更加尖锐，说明PbTe块体结晶更加完整。

■

球磨时间分别为2h，10h，20h的粉末烧结后样品的相对密度均超过了99.0%以上。球磨10h样品的密度最高，相对密度达到99.7%。

■

图5为以球磨10h后PbTe粉末为原料烧结制备的PbTe合金块体的TG-DTA分析。从图5中可以看出，在升温过程中，由Pb的挥发所致的质量损失仅为1.95%， 与球磨10h后粉末的质量损失相比减小，表明Pb被Te固定得更好，合金化程度更高。

与图3球磨10h后粉料的DTA分析对比，没有Te的熔化吸热峰，表明Te已反应完全。在861.9℃出现吸热峰，同样是由于PbxTey的吸热，但吸热强度明显弱化，表明PbxTey的含量非常低。而在927.7℃出现的吸热峰，与图3中的909.6℃的吸热峰的温度出现差异，可能是由于烧结成块体后，PbTe晶体结构发生改变。

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表1为以球磨10h后PbTe粉末为原料烧结制备的PbTe合金块体EDS分析。从表中可以看出，烧结样的Pb和Te的含量分别为44.46%和46.72%，与名义配比1:1有偏差，Pb的含量低于Te的含量，这主要是由于Pb在烧结过程中的挥发所致，图5的热分析已证实。

图6为以球磨10h后PbTe粉末为原料烧结制备的PbTe合金块体的SEM照片。从图6中可以看出，PbTe晶粒断裂方式为沿晶断裂，外形为多边形，大小为0.2μm~

1.5μm。从低倍显微镜照片可以发现，烧结体内结构不均匀。有的区域晶粒比较大，如在A图中，晶粒尺寸约1μm。而有的区域晶粒尺寸比较小，如在B图中，晶粒尺寸约为200nm。原因可能是烧结过程中，电流密度不均匀，导致烧结体的温度分布不均。

■

图7为不同球磨时间以及温度对PbTe合金块体的电阻率的影响。从图7中可以看出，电阻率与温度的关系分为两个阶段。第一阶段，刚开始升温，电阻率随温度的变化不明显。第二阶段，当温度升到550k左右，电阻率随温度近似直线下降。

热电材料的电阻率与载流子迁移率呈反比，而球磨20h的PbTe粉末合金化更加完全，烧结得到的块体结晶更加完全，具有较低的载流子迁移率，导致其电阻率较高。

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图8为不同球磨时间以及温度对PbTe合金块体的seebeck系数的影响。从图8中可以看出，刚开始升温至473K时，电阻率随温度的几乎不变，保持在300μv/k。当温度升到473k左右，电阻率随温度急剧下降，变为负值，最低为-280μv/k。

不同球磨时间烧结块体的seebeck系数相差不大，球磨20h的烧结样品晶粒尺寸较小，禁带宽度较大，使得seebeck系数增加。因此，球磨20h的样品seebeck系数略高于其它样品。

4 结论

①采用机械合金化-放电等离子烧结（MA-SPS）工艺，高能球磨得到的平均晶粒尺寸为15nm~30nm的PbTe粉末，烧结后PbTe合金块体的平均晶粒尺寸为200nm~1.5μm，其致密度达到了99.1%~99.7%。

②PbTe细晶粒合金块体的制备机理是先通过机械合金化使粉末的晶粒细化到微米甚至纳米级，再经过低温快速的放电等离子烧结来抑制PbTe在烧结过程中晶粒长大。

③放电等离子烧结后PbTe块体合金化程度更高，Pb被Te固定得更好。球磨10h后烧结的PbTe合金块体的热稳定性比球磨10h PbTe粉末的好。

④电阻率和seebeck系数均随球磨时间增加，合金化更加完全，晶粒度越小而升高。

参考文献：

[1]Delaire O,Ma J,Marty K,et al.Giant anharmonic phonon Scattering in PbTe[J].Natue Material,2011,10:614

[2]Rowe D M.Applications of nuclear-powered thermoelectric generators in space[J].Applied Energy,1991,40(4):241-271.

[3]Dughaish Z H.Lead telluride as a thermoelectric material for thermoelectric power generation[J].Physica B:Condensed Matter,2002,322(1):205-223.

作者简介：李伟（1966-），男，河南鲁山人，大专，副总经理，工程师，研究方向为碳素材料及新型功能材料。

6005铝合金材料力学性能研究 第12篇

车辆用6005铝合金属于Al-Mg-Si系中等强度铝合金。由于其优良的挤压成形性、耐腐蚀性和良好的焊接性, 在国外被广泛用于高速列车、地铁列车、双层列车和客货汽车车体所需的薄壁、中空的大型铝合金壁板型材以及其它工业用结构型材。在我国, 铝合金大型材已研制成功并投入生产, 随着我国交通运输业的发展, 6005铝合金在高速、轻型铝合金列车和地铁列车以及轻型客货汽车上的应用必将越来越多[1,2,3]。

6005具有较高的工艺性能。万普华等人对6005铝合金试样进行了水淬和水淬并深冷处理, 来观察金相组织、抗拉强度等对6005铝合金力学性能的影响[4]。张健等人利用热塑性试验研究了6005A铝合金的热裂纹敏感性[5], 张大新等人将6005铝合金铸态试样和挤压制品试样在不同温度固溶加热后淬火处理, 制备金相组织, 用混合酸溶液侵蚀后在金相显微镜下观察金相组织[6]。

文章主要就6005铝合金材料的力学性能性能通过万能材料试验机开展了系统的实验研究。测定试件在准静态拉伸时, 材料的应力应变曲线;提取加载曲线中的屈服点、强度极限;同时, 测量实验前后试件实验段 (即试件的标距段) 的长度变化, 计算断裂伸长率和断面收缩率。

2 准静态拉伸试验

2.1 试件及仪器

运用Instron 5969标准电子万能拉伸试验机对6005铝材进行了准静态拉伸试验。试件参照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》[7]制作。板状试件的尺寸示意图如图1所示。本试验采用比例试件, 形状为板状, 其厚度为4mm, 平行长度为55mm, 总长度128 mm。

2.2 试验结果

将试验试件在室温 (10~35℃) 环境下, 试验试件及试验用夹头安装在试验机上, 试件轴线应与力的作用线重合, 将引伸计连接在试件上。试验机匀速进行拉伸, 加载速率为10mm/min, 测试试件在拉伸过程中的载荷-变形量的关系。针对横向切取和纵向切取材料, 分别进行五次试验。试验过程如图2所示。

将试验结果绘制曲线, 得到如图3所示的位移-载荷曲线。

名义应力可定义为σ=F/A0, 即载荷F除以原始截面积A0, 而对应的名义应变可由ε=△L/L0计算得到, 即伸长量△L除以原始标距L0。将结果绘制曲线, 得到如图4所示的名义应力-名义应变曲线。

名义应力应变曲线并未真实地反映出材料随应变变化的关系, 因而实际过程中的应力应变要进行相应的修正, 需将实验所没测的名义应力与应变曲线转化为真应力真应变曲线。试验中采用引伸计, 可直接测得拉伸过程中的应力和应变数据, 绘制得到如图5所示的真实应力-真实应变曲线。

各次试验的结果如表1所示。

3 结束语

由准静态拉伸的位移-载荷曲线、名义应力-应变曲线、真实应力-应变曲线, 得到以下几点结论: (1) 相同应变情况下, 真实应力略大于名义应力。分析可知, 此现象符合实际。因为拉伸试验过程中, 横截面发生收缩, 小于初始横截面积, 导致真实应力大于名义应力。 (2) 6005铝合金样件所能承受的最大拉伸力在2500-2750N范围内。 (3) 6005-T5的抗拉强度可达到260MPa, 屈服强度约为230MPa, 五次重复试验测得试件的延展率均为12.08%。

摘要：采用万能材料试验机, 对典型车用的6005铝合金材料进行准静态拉伸试验。输出载荷-变形量关系, 获得应力-应变曲线, 进而分析材料的弹性模量、极限强度、极限应变、屈服强度和延展率等力学性能。

关键词：6005铝材,准静态拉伸,应力-应变曲线,力学性能

参考文献

[1]尹丽丽.6005A铝合金的加工特性和性能[J].轻合金加工技术, 2000, 28 (6) :41-46.

[2]刘静安.铁道车辆用大型铝合金挤压型材的开发应用[J].铝加工, 1995, 18 (1) :16-23.

[3]陈小祝, 匡永祥.铝及铝合金在交通运输业中的应用[J].铝加工, 1993, 16 (2) :1-15.

[4]万普华, 韩月娇, 等.6005铝合金深冷处理的组织和性能研究[J].热加工工艺, 2013, 42 (14) :160-162.

[5]张健, 雷振, 等.高速列车6005A铝合金型材焊接热裂纹分析[J].焊接学报, 2012, 33 (8) :60-65.

[6]张大新, 杨瑞成.6005铝合金的过烧温度机器组织特征[J].轻合金加工技术, 2011, 39 (4) :39-42.