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材料科学中那些“高不可攀”的金属
发布时间:2021-09-22 16:53 阅读量:1037

【材料+】说:

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高端金属结构材料是指较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。结构材料指以力学性能为主的工程材料;而高性能结构材料一般指具有更高的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能,并适应特殊环境要求的结构材料。在材料科学领域,除了高性能结构材料,还有新型功能材料和先进复合材料

        具体而言,高端金属结构材料主要包括高品质特殊钢、铝合金、镁合金和钛合金四大类别,涉及65种重点产品目录。其中,高品质特殊钢和铝合金最为常见,技术相对成熟,应用领域也比较广。高品质特殊钢广泛应用于核电、汽车、航空航天、造船等产业,铝合金则主要应用于运输工业领域。镁合金和钛合金则因其优异的性能,近年来备受青睐。在美国,55%以上的钛合金都被用来发展航空航天等高端科技领域,镁合金则在消费电子、医疗、汽车等领域出现爆发式增长,大有替代铝合金等传统合金之势。

高品质特殊钢

        根据《规划》,高品质特殊钢“以满足装备制造和重大工程需求为目标,发展高性能和专用特种优质钢材。”重点发展的特殊钢分为五大类别,分别是核电用钢、超超临界火电用钢 、 高品质不锈钢、高性能汽车钢和其他高品质特殊钢。以满足装备制造和重大工程需求为目标,发展高性能和专用特种优质钢材。重点发展核电大型锻件、特厚钢板、换热管、堆内构件用钢及其配套焊接材料,加快发展超超临界锅炉用钢及高温高压转子材料、特种耐腐蚀油井管及造船板、建筑桥梁用高强钢筋和钢板,实现自主化。积极发展节镍型高性能不锈钢、高强汽车板、高标准轴承钢、齿轮钢、工模具钢、高温合金及耐蚀合金材料。

        其中涉及的重点产品包括核岛压力容器钢板、700℃蒸汽参数超超临界火电机组用钢、超纯铁素体不锈钢、高品质轴承钢等34种,占据了高端金属材料重点产品目录的一半以上。生产这些高品质特殊钢的的关键技术,是开发超高纯铁(S+P<35ppm)冶炼、大规格铸锭熔铸、大锻件最佳化学成分配比、成型和热处理工艺技术,低成本、低能耗高品质特钢流程技术,关键装备则是开发高功率(单枪功率≥500Kw)电子束炉和等离子炉,大型特钢精炼真空电渣炉。高特质特殊钢上游行业是黑色金属冶炼,而下游的应用则包括核电、汽车 、航空航天、造船等产业,二级市场中涉及高品质钢生产的企业有15家。其中,飞机制造和船舶制造由于兼备“航天军工”概念,符合战机和航母制造标准的特殊钢生产企业具备较大的想象力。

 

重大装备关键配套金属结构材料

1、电力

        核电用汽轮机转子锻件、发电机转轴锻件、承压壳体材料、换热管材、堆内构件材料、锆合金包壳管等;超超临界火电机组锅炉管、叶片、转子;燃机用高温合金叶片、高温合金轮盘锻件;水电机组用大轴锻件、抗撕裂钢板、薄镜板锻件等。

2、交通运输

        轨道列车用大型多孔异型空心铝合金型材、高速铁路车轮车轴及轴承用钢;车辆用第三代汽车钢及超高强钢、高品质铝合金车身板、变截面轧制板、大型镁合金压铸件、型材及宽幅板材等。

3、船舶及海洋工程

        船用高强度易焊接宽厚板、特种耐腐蚀船板、货油舱和压载舱等相关耐蚀管系材料、殷瓦钢等;海洋工程用高强度特厚齿条钢、大口径高强度无缝管、不锈钢管及配件、深水系泊链、超高强度钢等。

4、航空航天

        高强、高韧、高耐损伤容限铝合金厚、中、薄板,大规格锻件、型材、大型复杂结构铝材焊接件、铝锂合金、大型钛合金材、高温合金、高强高韧钢等。

新型轻合金材料

        以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳为发展方向,发展高性能铝合金、镁合金和钛合金,重点满足大飞机、高速铁路等交通运输装备需求。积极开发高性能铝合金品种及大型铝合金材加工工艺及装备,加快镁合金制备及深加工技术开发,开展镁合金在汽车零部件、轨道列车等领域的应用示范。积极发展高性能钛合金、大型钛板、带材和焊管等。

        铝合金方面,共包括高性能铝合金半固态坯料及零件、涡轮发动机压叶轮材料、深冷铝合金板材等9种重点产品。由于铝合金的生产工艺和技术也相对比较成熟,二级市场上涉及铝合金生产的企业也比较多,共有21家。铝合金由于性价比较高,在下游的应用领域也比较广泛:在汽车、航空航天、高铁、地铁等运输工业领域的应用尤为常见。铝合金与镁合金、钛合金统称为高强轻型合金材料,被《规划》列入十二五期间的十大重点发展工程之一。铝合金发展的目标,是“到2015年,关键新合金品种开发取得重大突破,形成高端铝合金材30万吨。”

        钛合金方面,十二五期间重点发展的产品有优质宽幅冷轧纯钛板材、钛及钛合金带材等10种,主要应用领域是航空航天、核电和海洋装备等方面。“钛合金十二期间的发展目标,是到2015年,形成高端钛合金材2万吨。”

        镁合金方面,高端金属结构材料中最具想象力的,无疑是镁合金。镁合金是压铸常用合金中最轻的金属,密度是铝的三分之二、钢的四分之一,具有比重轻,强度高、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减振性好和易于回收等优点,能够满足汽车工业减重以及通迅电子器件高度集成化和轻薄小型化的要求。《规划》中,镁合金包括耐热铸造镁合金、高性能镁合金挤压型材等12种重点产品,并提出“到2015年,要形成高强镁合金压铸及型材和板材15万吨的生产能力”的目标。

       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。

高端金属结构材料关键技术和装备

1、高品质特殊钢技术

        开发超高纯铁(S+P<35ppm)冶炼、大规格铸锭熔铸、大锻件最佳化学成分配比、成型和热处理工艺技术,低成本、低能耗高品质特钢流程技术。

2、新型轻合金材料技术

        发展高洁净、高均匀性合金冶炼和凝固技术,大规格铸锭均质化半连铸技术,大型材等温挤压、拉伸与校正技术,复杂锻件等温模锻、铝合金板材新型轧制、中厚板(80-200mm)固溶淬火、预拉伸与多级时效技术,高性能铸造镁合金及高强韧变形镁合金制备、低成本镁合金大型型材和宽幅板材加工、腐蚀控制及防护技术,钛合金冷床炉熔炼、15吨以上铸锭加工、2吨以上模锻件锻压、型材挤压、异型管棒丝材成型和残料回收技术。

3、高端金属结构材料关键装备

        开发高功率(单枪功率≥500Kw)电子束炉和等离子炉,大型特钢精炼真空电渣炉,高纯净大规格铝锭半连铸装备,等温模锻、等温挤压、固溶淬火、三级时效等装备,大型厚板预拉伸、时效成型热压及超声摩擦搅拌焊接装备,8吨以上钛合金熔炼真空自耗电弧炉,30MN以上镁合金压铸机和挤压机,大面积等温焊接等成套装备。

 

        总之,其实金属材料的种类很多,有很多金属并不像钢材,铜那么常见,很多金属材料实际上是我们“不可高攀”的,它们从产量,制备,性能,后期加工都有着不可估量的价值。我国的研究人员也在努力的研发这些金属的使用性能以及高性能的加工技术,以其获得技术上的突破,从而大范围的推广这些高端结构金属材料。