本文描述了我国高温合金的发展历程, 近期的科技进步与创新和今后需进行的工作.

半个世纪以来, 以γ´´和γ´相强化的Ni-Fe基高温合金Inconel 718(GH4169)由于其优异的力学和工艺性能, 在650 ℃以下的高温环境中得到了广泛的应用. 本文采用热力学计算以及合金设计理论与大量的力学性能相结合, 不仅在常规热处理并且在高温长期时效状态下来研究主要强化元素Nb, Ti, Al和杂质元素P, S以及微合金化元素Mg的作用. 采用金相, SEM, TEM, EDS, SAED以及电解萃取和相化学分析等综合分析方法, 对各类析出相γ´´, γ´, δ, δ´´, σ和α-Cr进行定性的分析, 同时亦采用Auger能谱仪分析晶界元素的偏聚行为. 研究结果表明, 为提高GH4169原型合金的性能, 主要强化元素 Nb应控制在高限(5.4%-5.5%), 降低S到10×10^-6以下, 提高P至150×10^-6以下, 并添加适量的Mg. 为提高GH4169合金的使用温度到680 ℃甚至更高, 必须通过合金化的途径来提高主要强化相 γ´´/γ´的最高稳定温度和控制晶界析出相. 为此, 680 ℃或更高一点温度使用的改进型 GH4169合金中Nb仍应控制在高限(5.4%-5.5%), S控制到10×10^-6以下, P提高到150×10^-6, 配合适量的Mg微合金化, 同时要提高Al含量至1.0%-1.5%, Ti含量不变仍控制在1%左右, 改进型GH4169合金不仅在650 ℃以上显示出优良的高温组织稳定性, 并且亦提高了高温力学性能.

对高温度梯度液态金属冷却(LMC)定向凝固技术中低熔点合金污染、模壳变形破裂等关键问题进行了分析, 通过优化LMC定向凝固工艺, 解决了430 mm长大型铸件变截面位置的断晶、偏晶等问题, 分析了铸件的显微组织、热处理工艺及典型力学性能, 成功研制了大型定向结晶叶片.

研究了双晶镍基高温合金IN792定向凝固过程的结构演化. 对于汇聚生长晶粒, 非择优取向枝晶在晶界处能够阻挡择优取向枝晶的生长, 从而导致晶界从非择优取向晶粒向择优取向晶粒倾斜, 竞争长大的结果是择优取向晶粒消失, 非择优取向晶粒获胜; 对于发散生长晶粒, 晶界处会形成新的枝晶, 从而导致晶界从择优取向晶粒向非择优取向晶粒倾斜, 竞争长大的结果是择优取向晶粒获胜, 非择优取向晶粒消失.

氢脆是一种由于金属材料中氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象. 常用的抗氢合金有奥氏体不锈钢、沉淀强化奥氏体合金、低合金钢及铝合金等. 由于奥氏体基体具有良好的抗氢脆性能, 并且奥氏体合金可以通过沉淀强化提高其强度, 因此这种合金作为结构件在氢环境下被广泛应用. 中国科学院金属研究所开发了系列抗氢合金HR-1, HR-2, HR-3, J75和J100以及Al-6Mg-0.2Sc-0.15Zr抗氢铝合金, 这些合金具有高的综合力学性能和抗氢性能. 此外, 合金的冶炼、铸、锻、焊、热处理都遵循各自的制备规律, 严格控制其组织结构以达到提高抗氢损伤等性能的目的.

针对不锈钢材料钨极惰性气体保护(TIG)焊熔深浅、焊接效率低的缺点开发了大深宽比高效率TIG焊接新工艺, 包括活性剂焊接工艺、混合气体联合保护焊工艺和双层气流保护焊工艺. 与涂覆活性剂法相比, 混合气体法不仅可获得深熔深, 而且操作方便, 易于实现工业化; 双层气流法可有效避免混合气体法中电极氧化烧损现象. 实验和模拟结果表明: 熔池中活性元素O含量变化导致的Marangoni对流方向的变化是TIG焊熔深增加的主要因素, 焊接过程中调整液态熔池中活性组元含量可获得大深宽比焊缝. 高效率TIG焊接工艺对焊接规范 (焊接速度、焊接电流和电极间距)不敏感, 有利于在工业生产中推广应用.

根据Mn--Cu耐候钢大气腐蚀锈层的研究进展, 总结了低合金钢锈蚀的增重和腐蚀速率、锈层的组成和截面形貌等多个因素随干湿循环次数变化的演化规律, 阐述了所建立的室内干湿循环模拟大气腐蚀加速实验方法的合理性. 论述了以Cu, Mn和P为合金元素协同提高钢腐蚀锈层的耐海岸大气和工业酸雨大气腐蚀的原理, 介绍了Mn--Cu钢锈层的离子选择特性与结构关系的理论以及P在锈层中的作用机制.

综述了近年来在核电高温高压水中不锈钢和镍基合金的腐蚀电化学行为规律, 以及材料表面膜的成分、组织结构和电子特征. 通过系统分析水介质化学和材料微观结构对表面膜的影响, 试图把膜的特性与腐蚀电化学行为联系起来. 讨论了核电高温高压水中材料的腐蚀机制, 提出核电高温高压水中不锈钢和镍基合金的腐蚀机制与常温时不同, 高温下是由电化学与氧化联合控制, 而不是传统意义上常温下的纯电化学腐蚀. 表面膜为双层结构, 外层疏松, 而内层是由纳米晶构成的具有半导体性质的膜层, 内层是控制腐蚀的关键. 材料的微观成分与组织结构、表面加工状态、水化学参数是影响核电用材料高温高压水中腐蚀的重要因素. 腐蚀产生的氧化物的楔形力导致缺陷前端产生局部拉应力, 即使在宏观压应力区, 缺陷前端的局部拉应力仍可导致应力腐蚀开裂的发生与扩展. 氧化物楔形力的作用是促进压应力下产生应力腐蚀开裂的重要原因.

本文结合本研究组近几年的部分研究结果, 围绕制备-结构-性能之间的相互关系和内在机制, 通过调控合金熔体加热和凝固过程以及复合材料界面结构的设计, 制备出几种结构可控和性能优异的非晶合金及非晶复合材料. 其中(Ti, Zr)基非晶块体材料尺寸在50 mm以上, 非晶复合材料特别是结构可控的晶态/非晶态双连续相复合材料具有良好的力学性能. 研究工作涉及锆基、镁基、镍基和钛基等主要合金体系及其复合材料, 在综合分析和论述的基础上, 力图清晰地认识和理解制备--结构--性能之间的内在关系. 非晶合金的大量应用一直是待攻克的重要目标, 期望颇具特色的非晶复合材料能得到实际应用.

材料的强化通常是在材料内部引入各种缺陷以阻碍位错运动来实现, 如固溶强化、弥散强化、细晶强化和应变强化等,但这些传统的强化途径无可避免地会影响材料的塑性形变能力, 导致塑性和韧性的降低. 利用纳米尺度孪晶界面实现材料强化可避免上述缺点. 本文对纳米孪晶强化原理和纳米孪晶金属研究进展进行了简要综述, 分别讨论了纳米孪晶变形机制、纳米孪晶金属的部分力学行为(如强度、塑性、应变速率敏感性和加工硬化等)和物理性能(如导电性), 以及纳米孪晶金属的制备技术等相关问题.

在原子尺度观察组织结构并理解它和性质之间的关系是物质科学追求的目标之一. 纳米科技、信息器件微型化、先进制造精密化等领域的快速发展, 对材料显微表征深入到原子排列、电子结构层次起到了重要的推动作用. 集形貌观察、结构诠释、元素分析于一身的透射电子显微镜近年来因像差校正器的突破而有望将上述三项功能都推进到原子分辨水平. 本文介绍像差校正电子显微镜给材料显微研究带来的新契机: (1)像差校正电子显微学(提高分辨率、减少离位效应、负球差成像、系列离焦像); (2)走向原子柱元素分辨的化学分析; (3)三维原子像; (4)复杂结构的界面; (5)时间分辨电子显微术; (6)电子全息; (7)原位电子显微术(较大极靴间隙).

本文概述了钛合金及Ti₃Al经过渡族元素合金化形成的正交相的联系与区别, 简要总结了作者研究组近期针对这些正交相变的研究结果, 分析了需进一步澄清的科学问题. 结合低弹性模量超弹性钛合金研制、冷镦紧固件丝材超细网篮显微组织制备以及Ti₂AlNb基合金板材和箔材研发3个实例, 展示了正交相变规律的实际应用.

经过50多年的发展, 中国已经成为世界上最大的Mg原材料生产国. 2000年, 师昌绪等5位院士联合向国家科技部提出了加速我国Mg工业发展的建议, 促成了科技部启动“十五”科技攻关重大专项“镁合金应用开发及产业化”, 拉开了我国大规模Mg材料研究和应用的序幕. 经过10年的发展, 我国在先进镁合金材料、表面处理技术和镁合金加工技术方面都取得了极大的进步, 正在从Mg生产大国向Mg研发应用的强国迈进.

简述了具有密排六方(hcp)结构镁合金材料各种可能的滑移和孪生系统及其临界切变应力; 以镁合金塑性变形机理为主线, 分别对单晶和多晶镁合金材料塑性变形行为及微观机理的影响规律, 轧制、挤压及不同严重塑性变形模式下镁合金织构的形成机理, 形变镁合金材料退火过程中回复与再结晶及镁合金材料在热变形过程中的动态再结晶机理, 以及沉淀硬化镁合金塑性变形机理、特别是沉淀相与位错滑移及孪生的交互作用机理等进行了总结与评述. 同时, 对高成形性镁合金及提高镁合金塑性成形能力的塑性变形机理进行了讨论.