如何設計力學性能優異的新型合金

⑴ 淺談鎂合金新材料加工工藝

一、鎂合金新材料特點

(一)鎂合金是最輕的結構材料之一

鎂合金有著其它金屬不可比擬的優越性。鎂及鎂合金的特殊性能，重量輕、產品集成化高，其導熱性能和強度尤為突出，在同樣的強度零部件的情況下，鎂合金的零部件能做得比塑料的而且輕等使其在移動通信、手提計算機等的殼體結構件上以及在汽車、電子、電器等領域都具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。鎂合金相對比強度最高。鎂合金沖擊韌性好、抗彎強度大、機械性能的各向異性不明顯、塑性好、容易變形加工、容易焊接成形、比熱容量大、導熱性低。事實上，輕量化的好處，並不僅僅是提升馬力重量比這個與加速能力息息相關的參數，更對汽車的操控大有影響。實踐證明，鎂合金是實現汽車輕量化不僅是節油節能、提高效率、降低污染的有效途徑，也對提高汽車安全性能、加強環境保護等有著重要的意義。

(二)鎂是工程應用中最輕的金屬結構材料

鎂合金是活潑金屬，所以製造設備和環境有更高的要求，導致製造成本高漲，所以鎂合金的價格也會高於鋁合金。同等體積的條件下鎂合金比鋁合金質量輕，這是鎂合金的優勢。其密度僅為1.8克/厘米 3，是鋼的1/4，鋁的2/3。在汽車結構材料應用中，有時比鋁和塑料更有應用價值。鎂合金板材及板坯具有密度小、比強度高、電磁屏蔽性好、易於加工、減震性能好的優點。鎂合金具有較高的抗振能力和吸熱性能，因而是製造飛機輪轂的理想材料。鎂合金AZ31B在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適於製造發動機齒輪機匣、油泵和油管。還具有良好的電磁屏蔽特性和阻尼減震能力、成 形性能優良及回用處理方便等一系列性能，符合對材料的輕量化和綠色化的要求。另外，鎂合金在電子工業中具有十分廣闊的應用前景。鎂合金將能夠滿足汽車非結構件和結構件的性能和使用要求，具有耐高溫、抗蠕變和抗腐蝕性能。

(三)鎂合金相對比強度最高

隨著能源、資源問題的日漸突出，以鎂、鈦金屬及其合金為代表的輕合金材料應用越來越廣泛，鎂合金的強度高、機械性能好.是實用金屬中的最輕的金屬，高強度、高剛性。另外，還具有良好的吸震性及耐沖擊性。鎂合金產品吸震性及耐沖擊性強，對外界的碰撞具有很好的防震作用，因而就能對內部機體有很好的保護作用。具有吸聲性能，廣播室和現代大建築物目前多採用鎂合金做室內天花板。鋁在碰擊情況下不產生火花，可應用於防止火花產生的場合。鎂合金具有良好的散熱性。鎂合金的熱傳導性與熱擴散性都比較好，而鋁合金熱傳快但擴散慢，它不能有效及時地把熱散掉。“十二五”期間，新型輕合金材料主要以大規格、輕質、高強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞為發展方向，大力發展高性能鎂合金是必然趨勢。

二、鎂合金新材料加工工藝分析

(一)強烈塑性變形技術

鎂合金在塑性變形時由於強烈的變形織構存在，變形後容易產生各向異性，影響進一步的加工。通過工藝控制與優化，調控材料的織構類型和數量，是提高或改善鎂合金加工性能的重要途徑，所以成為材料科學工作者不斷探索與研究的領域之一。強烈塑性變形技術是制備超細晶金屬材料的有效方法。一系列通過強烈塑性變形來制備超細晶材料的工藝技術被提出，包括等通道角擠壓、累積軋合法、高壓扭轉法、震波沖擊法、反復折皺-壓直法、扭轉擠壓法、大擠壓比擠壓法、多向鍛造法等等。由於鎂合金是六方結構，塑性變形能力較差，傳統的單一的塑性變形方法難以進一步提高其力學性能。針對這一難點，採用大塑性變形技術，發揮其強烈的晶粒細化效果，可以直接將材料的內部組織細化到亞微米乃至納米級。大塑性變形技術包括等通道轉角擠壓、累積疊軋等。採用大塑性變形制備的 Mg-Y-Zn 合金在 250℃時獲得抗拉強度為400 MPa，屈服強度為340 MPa，伸長率達20% 的綜合力學性能。

(二)鑄造技術

一般來講，鎂合金鍛件的性能歲碧昂型程度的增大而提高;而隨著變形溫度的升高，其力學性能逐漸降低。近年來變形鎂合金得到了廣泛的研究和應用，連續鑄造技術為新型變形鎂合金提供合格的鑄坯。壓鑄是鎂合金最主要、應用最廣泛的成形工藝。因鎂合金熱流動性好，很適合於薄壁件的壓鑄生產。 鎂合金鍛件替代鋁合金作為汽車輪轂是鎂合金的另一重要應用，但這對其安全性及性能提出了很高的要求。從鎂合金的性能上來看，完全可以滿足方向盤的性能要求，而且採用一片式的壓鑄成型 工藝，為安全氣囊，多功能開關在方向盤上實現提供了可靠保證。

(三)鍛造技術

鍛造技術是汽車工業的重要支撐工業之一，一直以來與汽車業的發展密切相關。近年來汽車業的迅猛發展帶動了鍛造市場的擴大。鍛造工藝按方式可分為自由鍛造和模鍛，按鍛造溫度可分為熱鍛，溫鍛和冷鍛，由於鎂合金冷加工性能差，所以一般採用熱鍛。由此可見，鍛造是高性能鎂合金產品成形的有效方法之一。採用鑄造技術生產出的鑄件尺寸精度、表面質量比其他鎂合金鑄造方法要高，復雜、耐高溫、不易加工的鑄件均可用熔模精密鑄造。

結語

我國鎂的蘊藏也十分豐富，菱鎂礦資源佔全球總量的22.15%，原鎂產量已佔全球產量的64%，是名副其實的鎂金屬生產大國。隨著對鎂合金需求的不斷增加，市場認可度逐漸增強。因此，鎂合金材料加工需從技術、人員、管理等方面進行全面的整合，才能不斷擴大鎂合金市場規模，實現鎂合金加工工藝技術的不斷提高。

⑵ 高溫合金如何設計

一、變形高溫合金

變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。

1、固溶強化型合金

使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用於製作航空、航天發動機燃燒室、機匣等部件。

2、時效強化型合金

使用溫度為-253～950℃，一般用於製作航空、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。製作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。 例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；製作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大於40小時。

變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。

二、鑄造高溫合金

鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：

1. 具有更寬的成分范圍 由於可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對於鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ』含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優良性能。

2. 具有更廣闊的應用領域 由於鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、製造出近終形或無餘量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。

根據鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用於製作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用復雜結構件等。

第二類：在650～950 ℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大於700MPa、拉伸塑性大於6%；950℃，200小時的持久強度極限大於230MPa。這類合金適於用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

第三類： 在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金 這類合金在此溫度范圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大於100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用於製作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。

隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。

三、粉末冶金高溫合金

採用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓後再經鍛造成型的生產工藝製造出高溫合金粉末的產品。採用粉末冶金工藝，由於粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。

FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大於50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求,是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

四、氧化物彌散強化（ODS）合金

是採用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小於50nm)在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均勻地分散於合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優良的高溫蠕變性能、優越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。

目前已實現商業化生產的主要有三種ODS合金：

MA956合金 在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位。可用於航空發動機燃燒室內襯。

MA754合金 在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃並保持相當高的高溫強度、耐中鹼玻璃腐蝕。現已用於製作航空發動機導向器蓖齒環和導向葉片。

MA6000合金 在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用於航空發動機葉片。

五、金屬間化合物高溫材料

金屬間化合物高溫材料是近期研究開發的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。

Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強度、高鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點，可以使結構件減重35～50%。 Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫（小於600℃）有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。

⑶ 哈工大陳瑞潤團隊：高熵合金相形成對其力學性能的影響及其機理研究

導讀： 本文報道了Cr7Mn25Co9Ni23Cu36高熵合金（HEA）在熱處理條件下的相分解以及二次相的形成對其拉伸力學響應的影響。顯微組織分析表明，800 C 2 h和600 C 8 h的熱處理會導致σ相的形成，但在600 及2h以下的熱處理中沒有觀察到σ相。將實驗觀察到的熱穩定性和相與計算的相圖進行比較，並藉助熱力學和動力學進行合理化。基於從頭計算討論了相分解的機理，結果表明分解成兩個固溶體相在能量上優於具有標稱組成的單一固溶體相。

對於金屬結構材料，實現強度和延展性的良好結合是一個重要目標。常用方法包括優化合金成分和控制加工路線。多主合金或高熵合金的發現拓寬了合金設計的領域，是材料領域的重要突破。

目前，已經使用了許多方法來開發具有良好性能的熱等靜壓合金，其中，熱處理是一種簡單、有效和廉價的提高合金力學性能的方法。近年來，學者們熱衷於研究熱處理對某些合金的顯微組織和力學性能的影響。結果表明，當溫度從0 升至1000 時，無相分離發生，說明HEA在較寬的溫度區間內具有良好的相穩定性。

近日，哈工大陳瑞潤教授團隊通過電弧熔煉設計和制備了Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 HEA，其在室溫和鑄態下展現出非常好的強度和延展性組合，研究成果發表於金屬頂刊《Acta Materialia》，以 「Experimental and theoretical investigations on the phase stability and mechanical properties of Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 high-entropy alloy」為題。文中研究了200 1000 下熱處理對合金顯微組織和室溫力學性能的影響，並將實驗相組成和熱穩定性與熱力學計算進行比較。用計算相圖法（CALPHAD）確定的生成吉布斯能分析了σ相和FCC相的穩定性。此外，討論了高溫下的相分解機理。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116763

SEM和TEM圖像顯示，合金800 熱處理2h時，形成了富Cr和富Co的σ相，這與CALPHAD的預測相吻合。

在 600 的溫度下熱處理的樣品中沒有觀察到σ相，但通過CALPHAD進行了預測。這種差異和動力學因素有關，600 熱處理時間的延長證實了合金的顯微組織變化。

EMTO-CPA的計算結果表明，在低溫和高溫下，與名義成分的合金相比，分解體系(FCC_1和FCC_2)在能量上是優選的。

熱處理溫度從200 提高到600 ，屈服強度和抗拉強度分別從401 MPa提高到581 MPa，以及從700 MPa提高到829 MPa，同時，伸長率從35％降低到22％。這些變化歸因於600 C熱處理時納米沉澱的細化。

由於屈服和極限抗拉強度分別下降至303 MPa和530 MPa，延展性降低至斷裂應變的15％，因此800 C熱處理導致斷裂韌性下降，強度的顯著降低是由於形成的σ析出物分布不均，尺寸無明顯變化。σ相的形成對合金的拉伸力學性能是有害的。

⑷ 高溫合金都有哪些制備工藝

以鎳為基體，在650～1000℃范圍內具有較高強度和良好抗氧化、抗腐蝕能力的高溫合金材料。
應用領域：航天 航空 石油 化工 機械 海洋 環保 能源 食品等。
進口高溫合金牌號：哈氏系列C-276、C-22、C-2000、C-4、B-3、G-30、ALLOY59、Inconel600、Inconel601、Inconel625、Inconel718、Inconel X750、Incoloy800、Incoloy800H、Incoloy800HT、Incoloy825、Monel400、Monel k500、Alloy20、Alloy 28 、Alloy31、RA330、RA333、N02201、NIMONIC系列、MP35N、ELGILOY、HAYNES HR-120 / HR-160 、HAYNES 556/242/230等。
純 鎳NI201、NI200等。
變形高溫合金牌號：GH1040、GH1131、GH1132、GH1140、GH2132、GH2136、GH2026、GH2696、GH2747、GH3128、GH3039、GH3030、GH3044、GH3536、GH4049、GH4090、GH4099、GH4141、GH4145、GH4169、GH4648、GH4738、GH4202、GH600、GH625、GH605、GH5188等。
鑄造高溫合金牌號：K213 、K403 、K417、K417G、 K418 、K418B、 K423、 K424、 K438 、K465、K4169、K4163、K644、MAR-M246、MA956等
耐蝕合金牌號：NS111、NS112、NS113、NS142、 NS143、 NS312、 NS313、NS315、 NS321、 NS322、 NS333、 NS334、 NS335、NS336 等。
主要規格：
無縫管、鋼板、圓鋼、鍛件、法蘭、圓環、焊管、鋼帶、直條、絲材及配套焊材、圓餅、扁鋼、六角棒、大小頭、彎頭、三通、加工件、螺栓螺母、緊固件
篇幅有限，如需更多更詳細介紹，歡迎咨詢了解。

⑸ 鋁合金力學性能

壓鑄鋁合金按性能分為中低強度和高強度al—si—cu、al—si—mg、al—si—cu—mg、al—zn等.鋁合金壓鑄一般用adc12鋁合金（日本牌號）,a356鋁合金,a356一般坐汽車件,adc12鋁合金一般做通用件,具體還是需要看最終的產品對材料的要求,包括氣密性和硬度.
鋁合金壓鑄按性能分為中低強度(如中國的y102)和高強度(如中國的y112)兩種.目前工業應用的壓鑄鋁合金主要有以下幾大系列:al-si、al-mg、al-si-cu、al-si-mg、al-si-cu-mg、al-zn等.壓鑄鋁合金力學性能的提高往往伴隨著鑄造工藝性能的降低,壓力鑄造因其高壓快速凝固的特點使這種矛盾在某些方面更加突出,因此一般壓鑄件難於進行固溶熱處理,這就制約了壓鑄鋁合金力學性能的提高,雖然充氧壓鑄、真空壓鑄等是提高合金力學性能的有效途徑,但廣泛採用仍有一定難度,所以新型壓鑄鋁合金的開發研製一直在進行.先進的壓鑄技術早期的卧式冷室壓鑄機的壓鑄過程只有一個速度壓送金屬液進入模具,壓射速度只有1m～2m/s.採用這種工藝,鑄件內部氣孔多,組織疏鬆,不久便改進為2級壓射,把壓射過程簡單地分解為慢速和快速2個階段,但快速的速度也不過3m/s,後來為了增加壓鑄件的緻密度,在慢速和快速之後增加了一個壓力提升的階段,成為慢壓射,快壓射和增壓3個階段,這就是經典的3段壓射..我知道有個專業性的地方可以幫到您,中國壓鑄原材料網,您可以進去看看!現在新增很多優質牌號鋁合金,比如汽車用的b390,美國研發的,建議了解多一點這樣的信息,