第一篇：金屬采礦方法現(xiàn)狀

金屬采礦方法現(xiàn)狀

單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué) 院系：礦業(yè)學(xué)院

專業(yè)班級：采礦專業(yè)14-2班 姓名：劉振宇 學(xué)號：1401020220 指導(dǎo)教師：王鑫陽

2016年10月11日 / 8

內(nèi)容摘要

伴隨著社會經(jīng)濟的迅速進步與不斷發(fā)展,人們對于金屬的需求逐漸提高。摘要討論了我國金屬礦山主要采礦方法的特點、應(yīng)用情況，系統(tǒng)和全面地介紹了 50 年來我國金屬礦山采礦技術(shù)在露天開采、井巷掘進、采礦方法、礦山充填、采礦裝備和采礦環(huán)境控制等方面的主要成就,其中露天開采方法主要有：陡幫開采，松土機-鏟運機露天開采，間斷連續(xù)開采，高階段采礦，露天開采工藝：陡坡鐵路，裝備大型化，邊坡穩(wěn)定與境界，邊坡監(jiān)控，露天地下聯(lián)合開采。地下開采方式：空場采礦法，崩落采礦法，充填采礦法，深部開采，原地溶浸采礦法。

關(guān)鍵詞：采礦方法現(xiàn)狀；露天開采；地下開采。

Content summary With the rapid development of social economy and the continuous development, people's demand for metal gradually increased.In this paper, the main characteristics of China's Metal Mines mining methods, and systematically introduces 50 years of mining technology of metal mine in China in open-pit mining, tunneling, mining method, mine filling, mining equipment and mining environment control etc.the main achievements, which are the main method of open-pit mining: steep slope mining, scarifier scraper open-pit mining, continuous mining, high level mining, open-pit mining, technology: steep slope railway, large-scale equipment, slope stability and state, slope monitoring, combined open pit and underground mining.Underground mining: open stope mining method and caving mining method, filling method, deep mining, in-situ leaching mining method.Key words: mining method status;open pit mining;underground mining./ 8

目錄

引言………………………………………………………………………………………………………………………………4

第1章金屬礦的種類………………………………………………………………………………………………...4

第2章中國金屬礦的采礦方法………………………………………………………………………………….…4

2.1露天開采………………………………………………………………………………………………….…....4

2.1.1露天開采工藝………………………………………………………………………………………………..5

2.1.2爆破技術(shù)………………………………………………………………………………………………………..6

2.2地下開采工藝…………………………………………………………………………………………………6

2.2.1空場采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.2崩落采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.3 充填采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.3深部開采………………………………………………………………………………………………………….….7

2.4原地溶浸采礦法…………………………………………………………………………………………….……7

第3章結(jié)語………………………………………………………………………………………………………………….8

參考文獻……………………………………………………………………………………………………………………..…8/ 8

引言

中國是一個金屬礦采礦歷史非常悠久的國家。三千年之前，就已經(jīng)開始通過鑿井對銅礦資源進行開采。兩千多年前，開采技術(shù)已非常廣泛地運用在礦產(chǎn)資源開采當中。但近代之后，我國金屬礦開采技術(shù)一直處于長時間落后的狀態(tài)，礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)大都是經(jīng)過手工作業(yè)的方式進行。直至50年代，金屬礦采技術(shù)才獲得了一定程度的發(fā)展和進步。特別是最近三十年，我國逐漸對現(xiàn)代化采礦技術(shù)和采礦工藝開展了全方位的探究。在露天陡幫的開采、連續(xù)和間斷開采、分段中深孔的采礦、大直徑深孔的采礦、自然崩落采礦、機械分層的采礦、溶提采礦、巖體加固和支護、高效率的礦山充填、井下成套采礦裝備、礦山的防治水、露天的成套采礦裝備等方面都獲得了非常大的成效。為此，我國金屬礦采礦技術(shù)水平得到了迅猛提升，這將促使金屬礦開采技術(shù)的飛速發(fā)展與進步。第1章金屬礦的種類

所謂金屬礦是指經(jīng)冶煉可以從中提取金屬元素的礦產(chǎn)。如黑色金屬礦產(chǎn):鐵、錳、鉻、釩、鈦等是用做鋼鐵工業(yè)原料的礦產(chǎn)。有色金屬礦產(chǎn)包括：銅、錫、鋅、鎳、鉆、鎢、目、汞等。貴金屬包括：自、銠、金、銀等。輕金屬礦產(chǎn)包括:鋁、鎂等。稀有金屬礦產(chǎn)包括：鋰、鈹、稀土等。多數(shù)金屬狂插的共同特點主要表現(xiàn)在質(zhì)地比較堅硬、有光澤等方面。金屬礦產(chǎn)按其物質(zhì)成分、性質(zhì)和用途可分為5類：黑色金屬礦產(chǎn)、有色金屬礦產(chǎn)、貴金屬礦產(chǎn)、稱有分散元素礦產(chǎn)、半金屬礦產(chǎn)。第2章中國金屬礦的采礦技術(shù) 2.1露天開采

露天開采的地下開采兩者比較起來，還是露天開采的量還是比較大的，新世紀一來，兩者的產(chǎn)量比已經(jīng)基本穩(wěn)定在5:1到6:1左右，露天采礦占84°%,地下采礦占16%。雖然淺部的資源可開發(fā)量在不斷減少，而深部的可開采資源量在不斷增加，這一比例會受其影響不斷減小,但是露天開采量還是會占到較大的比重。2.1.1露天采礦工藝

現(xiàn)代化的露天采礦工藝的技術(shù)發(fā)展趨勢是開采工藝的綜合化。開采工藝的選擇，貴在因地制宜。對于那種范圍廣闊，能力巨大的大型礦山，應(yīng)該要針對不同的開采對象、不同開采地段、不同開采深度的特點，采用不同的開采工藝，組成一個綜合開采工藝的開采方案, 以實現(xiàn)優(yōu)化開采效果。這一方法已經(jīng)成為現(xiàn)代化的露天開采技術(shù)的發(fā)展趨勢了。陡幫開采技術(shù)、分期開采技術(shù)、間斷一連續(xù)開采技術(shù)、高臺階開采技術(shù)等，都是現(xiàn)金綜合采礦工藝中常用的技術(shù)。

（1）陡幫開采。這一開采技術(shù)具有初期剝離量小，基建工程量少，建設(shè)周期短和最終邊坡暴露時間短等優(yōu)點。因此，我國“八五”期間，將陡幫開采列入國家科技攻關(guān)項目并在南芬露天礦開展了大規(guī)模的工業(yè)試驗，為我國大中型露天礦的技術(shù)改造和新建、擴建提供了實踐經(jīng)驗。目前我國金堆城、紫金山、眼前山等礦山都采用陡幫開采。

（2）松土機一鏟運機露天開采。這種開采工藝主要應(yīng)用于鋁土礦開采，其技術(shù)特點是用松土機松散和破碎礦巖，以代替鑿巖爆破，鏟運機進行裝載、運輸和卸載。其工藝簡單一機多用，通過分層鏟裝實現(xiàn)分層開采、分層排土，是實現(xiàn)排土一復(fù)墾一體化的理想工藝。1984年在孝義鋁礦進行了該工藝的試驗研宄并取得成功，目前己推廣應(yīng)用。/ 8

（3）間斷一連續(xù)開采。這種采礦工藝是在工作面用電鏟裝載礦石，經(jīng)汽車運輸和破碎機破碎后，用膠帶運輸機將礦石運出采場。這種工藝有利于發(fā)揮汽車和膠帶機的優(yōu)點，適合于深凹露天礦開采。自20世紀80年代開始，我國先后在大孤山、東鞍山等鐵礦和德興銅礦應(yīng)用該開采工藝。1997年齊大山鐵礦通過引進，建成了采場內(nèi)可移動式礦巖破碎一膠帶運輸系統(tǒng)，標志著我國深凹露天礦開采工藝進入了世界先進水平。

（4）陡坡鐵路。采用陡坡鐵路運輸是解決深凹露天礦(米深350 ~ 400 m)開拓運輸問題的發(fā)展方向。深凹露天礦改用陡坡鐵路運輸可保證鐵路運輸進入露天礦更深的水平，礦山基建工程和汽車集運量分別減少2.5%和1.5%運距縮短30%,由采場向上提升礦巖的費用降低20%,而且減少線路的移道工作量，可獲得巨大的經(jīng)濟效益。為了將鐵路坡度由30 %提高到40 %目前正在進行著“十五”國家科技攻關(guān)計劃，分別在攀枝花和首鋼水廠鐵礦實驗。

（5）高臺階采礦。隨著露天開采設(shè)備大型化的發(fā)展，國外一些礦山研宄并采用高臺階開采工藝。我國對高臺階開采技術(shù)的研宄起步較晚，采用高臺階開采的露天礦不多，臺階高度最大也只有14~ 15 m。近幾年來我國大型露天鐵礦裝備水平有了很大提高，采用10 m3以上的大型挖掘設(shè)備逐漸増多，為高臺階開采新工藝的實施提供了有利的技術(shù)保證，為此，將本項目列入國家“八五”科技攻關(guān)項目，南芬露天鐵礦南山擴幫區(qū)開采參數(shù)優(yōu)化表明，與12 m臺階相比，18 m高臺階開采的單位成本可降低5.76% ~ 6.12%,動態(tài)效益每年可節(jié)省1 052 ~ 1 162萬元。南芬露天鐵礦18 m高臺階開采工藝研宄和實踐表明，高臺階開采技術(shù)是成功的，經(jīng)濟效益可觀。

（6）裝備大型化。隨著高新技術(shù)特別是微電子技術(shù)的進一步擴大應(yīng)用，大功率柴油機和大規(guī)格輪胎相繼研制成功，為裝載設(shè)備大型化發(fā)展創(chuàng)造了條件。在21世紀必將會有采用先進技術(shù)特別是高科技微電子控制系統(tǒng)的、更加靈活可靠的、造價較低的更大型裝載設(shè)備登上露天開采的舞臺。1988年，露天礦穿孔設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化。至20世紀90年代，國產(chǎn)15 t到154 t的礦用自卸汽車形成系列產(chǎn)品，使露天礦用汽車不再依靠進口。（7）邊坡穩(wěn)定與境界。露天礦山采場合理境界確定是礦山設(shè)計和工程科研中的重要內(nèi)容。一旦露天礦山采場境界確定后，邊坡穩(wěn)定性研宄就成為檢驗礦山設(shè)計方案合理與否的重要手段。因而邊坡巖體穩(wěn)定性研宄和分析己成為露天礦山尤其是大中型露天礦山貫穿整個生命周期的重要工程課題之一。在這方面，我國許多礦山取得了一些經(jīng)驗，其中，石錄銅礦20世紀20世紀80年代采用半掩埋式抗滑粧加固了一長為120 m、垂高高度16 m的滑體;20世紀90年代會東鉛鋅礦采用6座高強抗滑粧和196根34 ~ 36 m的預(yù)應(yīng)力長錨索組成的抗滑粧、長錨索、錨桿聯(lián)合加固方式，成功地加固了山坡露天礦高邊坡上的35萬m3不穩(wěn)定巖體。

（8）邊坡監(jiān)控。在露天采礦技術(shù)較先進的國家，邊坡角己達45°左右，而在我國是40°左右。為了生產(chǎn)安全和避免損失，必須搞好巖移監(jiān)測預(yù)報。20世紀90年代隨著集成電子技術(shù)的發(fā)展，礦用監(jiān)測儀器向便攜式小型化、智能化、高精度、多功能、多層次方面發(fā)展，例如全站儀、聲發(fā)射儀。尤其是近年發(fā)展起來的“3S”技術(shù)，將使金屬礦山（特別是大型露天礦邊坡）的巖移監(jiān)測實現(xiàn)遙控全天候監(jiān)測。

（9）露天地下聯(lián)合開采、露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)。我國正在進行露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山或露天與地下聯(lián)合開采的礦山，如廣西的大新錳礦、河北的建龍鐵礦、福建的連城錳礦、河南的銀洞坡金礦、安徽的新橋硫鐵礦、銅山銅礦和鳳凰山銅礦、吉林板石溝鐵礦等。取得了大量的成功經(jīng)驗。2.1.2爆破技術(shù) / 8

牙輪鉆機正向増大孔徑(450 mm, 480 mm)、加大孔深方向的趨勢發(fā)展，而今后要主要向自動化方向發(fā)展。控制爆破技術(shù)廣泛應(yīng)用擠壓、微差爆破、孔內(nèi)微差爆破、大爆區(qū)微差爆破等技術(shù)，解決了難爆礦巖的破碎塊度問題和爆破減振問題。新型炸藥以及爆破器材不斷問世:銨油炸藥及各種衍生含水炸藥、防水漿狀炸藥、爆藥雷管、電子雷管、塑料導(dǎo)爆系統(tǒng)、氣爆系統(tǒng)等新型爆破器材的使用對提高爆破精度、改善爆破質(zhì)量、加強爆破安全等都有重大的影響。其中，在南芬露天鐵礦，采用奧瑞凱雷管起爆器材，基本上實現(xiàn)了逐孔起爆的功能。

2.2地下開采工藝 2.2.1空場采礦法

(1)VCR法。20世紀80年代，VCR法（大直徑深孔球狀藥包后退式崩落采礦法）首先在我國凡口鉛鋅礦試驗成功。隨后，這一高效率的采礦方法先后在金川有色金屬公司、安慶銅礦、金廠略金礦和獅子山銅礦等礦山得到推廣應(yīng)用。1980 ~ 1985年間，在凡口鉛鋅礦又試驗成功了另一種具有代表性的大直徑深孔采礦方案，即階段深孔臺階崩落采礦法。該采礦方法的實質(zhì)是:將露天礦的臺階崩礦技術(shù)應(yīng)用到地下開采中，即在采場的局部面積上，先形成切割槽，然后以這一切割槽為自由面和補償空間，采用大直徑深孔裝藥進行全階段高或臺階狀崩礦，崩落的礦石由采場下部的出礦系統(tǒng)運出。

(2)地下金屬采礦連續(xù)化。地下金屬礦山連續(xù)開采主要包括:礦房的連續(xù)回采、礦體(床）的連續(xù)開采、礦石的連續(xù)運送及全工藝過程的連續(xù)化。即在開采過程中一步化；回采過程中落礦、出礦、礦石運搬工藝的連續(xù)作業(yè)化;井下礦石的轉(zhuǎn)載、運輸、提升等環(huán)節(jié)礦石的連續(xù)化;掘進、落礦、出礦、運搬、運輸?shù)热に囘^程的連續(xù)化。2.2.2崩落采礦法

(1)無底柱分段崩落法，大結(jié)構(gòu)參數(shù)。我國無底柱分段崩落法面臨著一個如何加大和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的問題。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的主要方向是増大進路間距。増大進路間距將大幅度地減少采掘工程量，僅梅山鐵礦將15 mX 15 m結(jié)構(gòu)改為15 mX 20 m結(jié)構(gòu)參數(shù)，將減少采掘工作量25%同時増大了一次崩礦量，提高采礦強度，降低礦石成本提高礦山的經(jīng)濟效益。由于増大進路間距具有較強的可操作性，易于推廣應(yīng)用，目前程潮、桃沖、板石溝、北銘河等礦山都應(yīng)用了該技術(shù)具有重要的實踐意義。低貧化放礦。低貧化放礦或無貧化放礦是指在放礦過程中當?shù)V巖界面正常到達出礦口時便停止放出，以保持礦石界面的完整性，最大程度地減少礦巖的混雜性。低貧化放礦首先在鏡鐵山鐵礦試驗和應(yīng)用成功，由于其具有簡單、靈活、易于操作和無需對原采礦方法作重大改革等優(yōu)點且可降低貧化、減少巖石混入而帶來巨大的經(jīng)濟效益，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，低貧化放礦在程潮、桃沖、弓長嶺等礦山得到應(yīng)用。

(2)自然崩落法自然崩落法是一種利用巖石自然應(yīng)力落礦的方法，具有生產(chǎn)能力大、采礦成本低的優(yōu)點，特別適用于礦體厚大、礦化均勻易于自然崩落的低品位礦床開采。其應(yīng)用原理是在礦塊大面積拉底后，破壞了礦塊內(nèi)礦體的應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力重新分布，必然形成新的自然平衡拱，拱內(nèi)礦石因受重力作用而周期性脫落。銅礦略礦自1989年至 2002年應(yīng)用該法在810 ~ 930 m采場累計出礦量 2 450.48萬t,占回采礦量的101.2%。2.2.3充填采礦法

我國先后采用干式、分級尾砂膠結(jié)、全尾砂膠結(jié)、碎石水泥漿膠結(jié)等新工藝與新技術(shù)。最近，我國成功地試驗了一批具有世界先進技術(shù)水平的充填采礦工藝。具有代表性的是:高水全尾砂速凝固化膠結(jié)充填新工藝、高濃度全尾砂自流輸送及泵壓輸送充填新工/ 8

藝、粗粒級水砂充填新工藝、膏體泵送充填工藝與技術(shù)等。其中1994年在金川鎳礦建成了我國第1個膏體泵送充填系統(tǒng)，1999年又在銅綠山礦建成了第2個膏體泵送充填系統(tǒng)。

2.3深部開采

我國除1969年閉礦的石嘴子銅礦外，近年己有一批金屬礦山進入深部開采，即垂直開采深度超過600m以上。例如紅透山銅礦目前開采己進入 900 ~ 1 100 m深度;冬瓜山銅礦礦體埋深達1 000 m,現(xiàn)建成2條超1 000 m豎井正進行深部開采；弓長嶺鐵礦設(shè)計開拓深度一750m,距地表達1 000 m;夾皮溝金礦己有2個坑口工作深度超過600 m, 其中二道溝坑口工業(yè)礦體延深至1 050 m,湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850 m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛鋅礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山，本世紀將進入深部開采。

國內(nèi)深部開采技術(shù):石嘴子銅礦是國內(nèi)深部開采礦山之一，共22個階段，最深達950 m。曾使用各種不同結(jié)構(gòu)的淺孔留礦法，回采厚度1 ~ 35 m、平均6.3 m,平均傾角82°的矽卡巖型銅礦床，后期由于地壓大，上下盤巖石收斂，頂板管理復(fù)雜，以大量礦石損失與貧化而結(jié)束回采作業(yè)。可以說是一座不成功的深部開采礦山。近期己有一批金屬礦山相繼進行深部開采，由于我國目前深部開采技術(shù)水平低，經(jīng)驗不足，因此，在第9個五年國民經(jīng)濟發(fā)展計劃期間，國家把深部開采技術(shù)列入科技攻關(guān)研宄項目，分別在有色金屬礦山的冬瓜山等3座礦山與黃金行業(yè)湘西金礦進行多項目聯(lián)合攻關(guān)，通過研宄與實踐，積累經(jīng)驗，指導(dǎo)其它深部金屬礦床開采。2.4原地溶浸采礦法

原地溶浸采礦是將采、選、冶技術(shù)結(jié)合起來的一種直接從地下提取金屬的開采工藝。鈾、銅、金、銀等20多種金屬礦床都有可能應(yīng)用溶浸采礦。我國原地溶浸采礦技術(shù)于1985年在鈾礦試驗成功，并己建成原地溶浸采鈾礦山。1995年，長沙礦山研宄院在東鄉(xiāng)銅礦進行了國內(nèi)首次井下原地破碎浸銅試驗;1998年北京礦冶研宄總院又在武山銅礦完成了原地浸銅試驗。第3章結(jié)語

本文總結(jié)了我國目前的金屬采礦的方法，這是我國自從50年代以來方法的總結(jié)，我國金屬礦采礦技術(shù)己取得顯著成就, 但總體水平仍然較低,與國際先進水平相比存在較大差距。其突出表現(xiàn)是多數(shù)礦山裝備落后、開采規(guī)模小、勞動生產(chǎn)率低、礦山效益差和礦產(chǎn)資源利用率低。因此,礦山的效率和效益、資源保護性開采和自然環(huán)境保護 ,將在 21 世紀的一定時期內(nèi)成為我國金屬礦山采礦技術(shù)進一步發(fā)展的主要目標。其主要發(fā)展方向則有 :機械化大規(guī)模采礦、深井采礦、溶浸采礦和充填采礦等工藝和技術(shù)。發(fā)展機械化大規(guī)模采礦以解決礦山裝備落后、開采規(guī)模小和勞動生產(chǎn)率低的問題,包括發(fā)展大型露天采礦裝備和大型地下無軌采礦裝備 ,以及高階段深孔采礦法、高分段崩落采礦法和自然崩落采礦法等大規(guī)模地下采礦工藝。發(fā)展深井采礦技術(shù)以適應(yīng)礦床開采向深部轉(zhuǎn)移的需要。發(fā)展溶浸采礦是為了適應(yīng)貧礦資源開采的需要 , 以提高礦山效益。發(fā)展充填采礦技術(shù)則為了充分利用礦產(chǎn)資源 ,實現(xiàn)資源保護性開采和有效地保護環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和采礦技術(shù)條件的進一步復(fù)雜化,還將逐步發(fā)展露天地下聯(lián)合采礦技術(shù)、無爆破采礦技術(shù)、自動化采礦技術(shù)和連續(xù)采礦技術(shù)。

參考文獻： / 8

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第二篇：航空航天金屬間化合物研究現(xiàn)狀

航空航天金屬間化合物的研究現(xiàn)狀

摘要：本文主要介紹金屬間化合物的分類，現(xiàn)在的研究現(xiàn)狀，以及金屬間化合物的制備和工藝。金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學(xué)計量的組分，而其成分又可在一定范圍內(nèi)變化從而形成以化合物為基體的固溶體。為了能在21吐紀保持在航空和航天領(lǐng)域的優(yōu)勢，大力推動了這方面的研究工作，并發(fā)展出一種能耐更高溫度、比強度更高的新型金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料，給新一代航空和航天器的發(fā)展開辟一個新時代。關(guān)鍵字：航空航天、金屬間化合物、引言

由于金屬間化合物材料在航天航空等國防尖端技術(shù)領(lǐng)域和機械、冶金、化工等一般工業(yè)領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，世界上工業(yè)發(fā)達的國家都投人大量的人力和資金進行金屬間化合物材料的研究。美國國防部關(guān)鍵技術(shù)計劃和國家關(guān)鍵技術(shù)計劃中均將金屬間化合物材料列為關(guān)鍵材料之一。德國和日本等國也有相應(yīng)的計劃。美國是第一個對金屬間化合物燃氣輪機渦輪葉片進行試驗的國家，在該技術(shù)領(lǐng)域居領(lǐng)先地位，而德國、法國和日本主要工作集中在金屬間化合物的研究上，而不是應(yīng)用上。我國在國家自然科學(xué)基金、國家“863”高新技術(shù)及國家科技攻關(guān)項目中都將金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料列為重要的研究課題。

金屬間化合物是指以金屬元素或類金屬元素為主構(gòu)成的二元或多元合金系中出現(xiàn)的中間相化合物。按照用途可將其分為兩類：一類是結(jié)構(gòu)材料，主要是利用其強度、剛度、硬度、耐熱性和抗高溫蠕變等性能；另一類是功能材料，主要是利用其特殊的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)和熱學(xué)等特征。用做結(jié)構(gòu)材料的金屬間化合物有多種亞型，其中主要包括鎳、鐵和鈦的鋁化物，例如Ni3AI、NiAI、Ti3A1、Ti～及Fe3A1和Fe A1等，它們主要用做高溫結(jié)構(gòu)材料。由于這類高溫材料是具有有序結(jié)構(gòu)相的金屬間化合物，故又稱高溫有序合金或高溫金屬間化合物。與鎳基高溫合金相比，這類材料的高溫性能更好，可在更高的溫度下工作，而且密度小，抗腐蝕能力強，抗蠕變、抗疲勞性能好，因而它們作為新一代飛機發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)和空間動力系統(tǒng)的高溫結(jié)構(gòu)材料有著極大的競爭力。此外，它們還可用以制作鍛模、工具、化工和石化生產(chǎn)設(shè)備、加熱元件、軸承、汽缸以及環(huán)境控制設(shè)備，等等。在上述具有廣泛應(yīng)用前景的眾多高溫金屬間化合物中，Ti A1基金屬間化合物近年來更引起了研究者極大的興趣，它被視為最具競爭力的先進材料之一。1．1金屬間化合物的研究現(xiàn)狀與趨勢 11．1金屬間化合物的特點及應(yīng)用

金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學(xué)計量的組分，而其成分又可在一定范圍內(nèi)變化從而形成以化合物為基體的固溶體。當兩種金11．1金屬間化合物的特點及應(yīng)用金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學(xué)計量的組分，而其成分又可在一定范圍內(nèi)變化從而形成以化合物為基體的固溶體。當兩種金屬以整數(shù)比(或在接近整數(shù)比的一定范圍內(nèi))形成化合物時，由于其結(jié)構(gòu)與構(gòu)成它的兩金屬的結(jié)構(gòu)不同，從而形成有序的超點陣結(jié)構(gòu)。金屬間化合物不僅有金屬鍵，還具有共價鍵，共價鍵的出現(xiàn)，使得原子間的結(jié)合力增強，化學(xué)鍵趨于穩(wěn)定，具有高熔點、高硬度的特性；此外由于結(jié)構(gòu)中原子間的結(jié)合力強，擴散減慢，導(dǎo)致蠕變激活能提高，所以金屬間化合物具有高的抗蠕變性能；金屬間化合物高的疲勞壽命是由于其長程有序結(jié)構(gòu)抑制了交滑移過程，減少了滑移系統(tǒng)，從而降低了循環(huán)加載過程中裂紋萌生的可能性。另外，有序金屬間化合物在氧化氣氛中能生成致密的氧化膜，因而具有良好的抗氧化性。

此外以金屬間化合物為基體的合金或材料是一種全新的材料，普通的金屬材料都是以相圖中端際固溶體為基體。而金屬間化合物材料則以相圖中間部分的有序金屬間化合物為基體。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，其性能介于金屬和陶瓷之間，所以也被譽為半陶瓷材料、正是金屬間化合物材料具有這些突出特性，所以這是一類極具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料。

事實上，早在20世紀50年代就已發(fā)現(xiàn)金屬間化合物作為高溫結(jié)構(gòu)材料具有特殊優(yōu)點，許多金屬間化合物的強度隨溫度升高不是連續(xù)下降，而是先升高后下降。這是一種反常的強度一溫度關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)推動了金屬間化合物的研究熱潮，并陸續(xù)在金屬間化合物形變特性和屈服強度反常溫度關(guān)系方面提出了新的理論模型和機制，但是由于金屬間化合物材料有嚴重的脆性，材料的實用研究一直沒有突破。1979年，日本的Izumi發(fā)現(xiàn)加硼可以大大提高Ni3A1金屬間化合物的塑性，這一工作為解決金屬間化合物的脆性問題提供了可能性。由此以美國為代表的先進工業(yè)國家，為了能在21吐紀保持在航空和航天領(lǐng)域的優(yōu)勢，大力推動了這方面的研究工作，并希望能發(fā)展出一種能耐更高溫度、比強度更高的新型金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料，給新一代航空和航天器的發(fā)展開辟一個新時代。

1980年后，美，日、歐洲諸國都組織實施了全國性的研究計劃，提出了金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的長遠發(fā)展目標：發(fā)展比Ni基高溫合金具有更高的高溫比強度的結(jié)構(gòu)材料，特別注重發(fā)展一種介于鎳基高溫合金和高溫陶瓷材料之間的高溫結(jié)構(gòu)材料，從而充填鎳基高溫合金和先進高溫陶瓷材料之間的空隙，這不僅是指其使用溫度處于它們二者之間，而且其力學(xué)性能也介于它們二者之間，即比鎳基高溫合金具有更高的高溫比強度，比先進高溫陶瓷材料具有更高的塑性和韌性，并且在生產(chǎn)工藝和裝備上更接近已有金屬材料的生產(chǎn)裝備。發(fā)展金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的近中期要求，是能取代一部分正在使用的比強度較差的結(jié)構(gòu)材料，降低各種運載工具用引擎和運載工具本身的重量，提高比推力和效率。

總之，作為新型材料的金屬間化合物，其用途十分廣泛。因其鍵合類型呈多樣化，從而使其具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)。正是由于這些結(jié)構(gòu)特點，使其具有了很多新的性能和用途。其中耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、耐磨損等特點使其可以成為航空、航天、交通運輸、化工、機械等許多工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料；同樣由于其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，而成為極具潛力的功能材料，如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、軟磁材料等[真)。金屬間化合物種類非常多，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域人們研究較多的是Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金屬間化合物。Ti-A1系金屬間化合物是潛在的航空航天材料，在國外已開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。Ni-A1系金屬間化合物是研究較早的一類材料，研究比較深入，取得了許多成果，也有一些實際應(yīng)用。Fe-A1系金屬間化合物與以上兩類相比，除具有高強度、耐腐蝕等優(yōu)點外，還具有低成本和低密度等優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。我國研究人員對它的研究比較深入，已經(jīng)形成了一套較完整的理論體系，其中部分成果已得到了實際應(yīng)用。但是，金屬間化合物的共同缺點——室溫塑性低和高溫強度差(指超過800℃或1000℃)一直沒有得到很好的解決，也制約了它們在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。

硅化物以MoSi2為代表，MoSi2是能用于高溫環(huán)境下的關(guān)鍵材料，其熔點為2030℃，高溫下具有優(yōu)良的抗氧化性能，其抗氧化性能與機理類似于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷SiC、S1，N4等。MoSi2在室溫下表現(xiàn)為脆性材料，在1000℃左右發(fā)生脆性一韌性轉(zhuǎn)變，在此溫度之上表現(xiàn)出類似于金屬材料的韌性。

1.1.2Fe-Al金屬間化合物的研究現(xiàn)狀

Fe-Al金屬間化合物中最受關(guān)注的主要是Fe3Al與FeAl合金。Fe3Al合金一般是指鋁的質(zhì)量分數(shù)25％-35％的Fe-A1合金，其相組成包括：無序固溶體(A2或。)相，不完全艷結(jié)構(gòu)的有序相，DO3結(jié)構(gòu)的Fe3Al有序相。Fe-A1金屬間化合物合金的研究始于20世紀30年代，經(jīng)歷了幾次研究熱潮，在70年代末取得突破，到80年代，F(xiàn)e-A1合金作為一類結(jié)構(gòu)材料面向應(yīng)用得到廣泛研究，到90年代研究人員進一步發(fā)現(xiàn)水汽是導(dǎo)致Fe-A1合金室溫脆性的根本原因。然后人們對Fe-A1合金的反常屈服行為、室溫脆性、合金成分的理論設(shè)計，微合金化對Fe3Al性能的影響，F(xiàn)e3Al合金的制備工藝等方面都進行了較全面的研究。比如由美國橡樹嶺國家實驗室研究人員開發(fā)出的Fe3Al合金不僅有良好的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能，其室溫伸長率可達12．8％。采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結(jié)的Fe3Al合金，其室溫伸長率高達15％—20％，抗拉強度高達960MPa。因此材料學(xué)家認為，該材料預(yù)計將在航空、化工、核反應(yīng)堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在我國，從20世紀80年代末到90年代中期，國家科委和有關(guān)部門先后把Fe-Al金屬間化合物。的研究列入“863'’計劃和一系列研究基金計劃，使Fe-A1金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究有了長足進展。但必須指出，F(xiàn)e-A1金屬間化合物的應(yīng)用研究遠落后于基礎(chǔ)理論研究，使這種性能優(yōu)異的材料沒能得到預(yù)期的開發(fā)利用，使推廣應(yīng)用受阻。從20世紀90年代中后期，很多研究人員開始關(guān)注實用化研究，探索實用化途徑，并取得一些重要成果

1.12.1 Fe-AI金屬間化合物的微合金化及理論設(shè)計

Fe-A1金屬間化合物室溫脆性大，塑性差，很多研究認為脆性是本質(zhì)存在的，其理論依據(jù)是解理強度低，此外有害的晶界偏聚或晶界上的無序化也容易造成弱晶界晶間斷裂。1989年，研究進一步發(fā)現(xiàn)，水汽與合金中的A1發(fā)生如下反應(yīng)：

Al+3H20—}A1203+6H 時，水汽與裂紋尖端發(fā)生作用，使原子態(tài)的H滲入金屬內(nèi)而導(dǎo)致裂紋，從而造成Fe-A1金屬間化合物的室溫脆性。這一研究成果實際上否定了Fe-A1金屬間化合物的本質(zhì)脆性觀點，使很多研究工作轉(zhuǎn)向減少環(huán)境H脆上來，使該材料的研究再次出現(xiàn)熱潮。實際上，環(huán)境H脆已經(jīng)得到很多實驗證明，例如張忠鏵、孫楊善等對Fe3AI進行了表面鍍膜試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)鍍膜保護后，不僅強度有大幅提高，而且室溫變形率可高達18％，而鍍前只有6％。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，鍍前合金斷口形貌為純解理斷裂，鍍膜后的斷口形貌則出現(xiàn)表征延性斷裂的韌窩。

根據(jù)上述分析，無論材料是本質(zhì)脆性還是非本質(zhì)脆性，改善其室溫脆性，提高強度，都將是重要的研究方向。由國內(nèi)外研究報道可知，F(xiàn)e-A1金屬間化合物的微合金化將是其強韌化和改善室溫脆性的有效手段之一，通常認為，微合金化的強韌化機制主要是通過有序固溶強化和沉淀強化實現(xiàn)的。研究表明，Cr是提高室溫塑性最有效的元素之一，加Cr后，能明顯增強解理強度，使解理斷裂伴隨一定程度的沿晶斷裂，重要的是，使形成超位錯的空間增大，超位錯的滑移將變得容易，此外Cr的合理占位，可減少晶界處的應(yīng)力集中，防止晶間開裂t30J。Ti的加入能改善Fe3A1合金的高溫強度，但增加室溫脆性。研究認為這是因為T1將部分取代Fe的位置，使Fe-A1金屬間化合物的α+D03相向左向上移動的結(jié)果。Si具有與Ti相似的作用，可使Fe3Al合金在600℃以上高溫屈服強度大幅度提高，室溫脆性嚴重。Mo的加入可改善高溫強度，對熱形變后的室溫塑性同樣不利，但可減少高溫時晶界處的應(yīng)力集中，防止晶間斷裂。適量Mg可以大幅度提高Fe3A1在530-850~C的高溫塑性[321。微量B對Fe3A1的塑性與解理斷裂行為影響不大。Cu、Ni的加入或多元合金，例如：2％Nb+2％Ti(除特別說明外，本書的元素含量均為質(zhì)量分數(shù))的加入，會使Fe3A1出現(xiàn)沉淀相[，引，從而導(dǎo)致沉淀強化。此外Mn、Zr、C等元素對合金性能的影響也有研究報道。以上是關(guān)于微量元素的加入，對Fe3A1合金性能影響的報道。

1.1．2.2 Fe-AI金屬間化合物的制備工藝及性能研究

Fe-A1合金通常采用熔鑄工藝制備，包括空氣中感應(yīng)熔煉、真空中熔煉、真空電弧重熔以及電渣重熔等方法。由于前述H脆問題，為避免水汽反應(yīng)，應(yīng)最好采用真空熔煉loi。熔煉工藝包括：用Ar-q將Fe液脫C、S，然后加入Cr、Ni等合金，此后將經(jīng)處理后的Pe液加人已預(yù)熱到500~C的鋁中，最后通人氬氣使合金均勻化。該法成本低，Ai與爐襯反應(yīng)也小。第二種工藝是同時將各合金元素加入爐中，顯然此時Al首先熔化，然后Fe與其它元素溶解。熔鑄組織會出現(xiàn)成分偏析，通常解決辦法是進行均勻化處理。

熔煉工藝優(yōu)點是成本低、效率高，但鑄態(tài)組織晶粒粗大，成分偏析，室溫塑性低，脆性大。改善質(zhì)量與性能的方法主要包括：通過合金化細化晶粒，改善組織。或采用熱機械處理工藝，通過熱形變細化晶粒，減緩H脆。

熔煉工藝制備的Fe-AI合金性能較低，室溫伸長率只有1％左右，屈服強度小于300GPa，難以用于重要結(jié)構(gòu)件。

改進制備工藝對提高Fe-A1合金性能有重要意義，采用粉末冶金工藝可有效的控制微觀組織細化晶粒，從而有效提高材料的力學(xué)性能。例如采用該工藝制取的B2相Fe-A1合金，室溫伸長率達到12％，屈服強度達到350MPa。快速凝固工藝(RSP)可更有效的細化晶粒，增加化學(xué)均勻性，并可產(chǎn)生非平衡組織，利用該工藝制粉，熱壓燒結(jié)的re3~d金屬間化合物其室溫伸長率可高達20％，抗拉強度可達960MPa，晶粒度為亞微米，是目前最高性能之一。此外，F(xiàn)e-A1合金的燃燒合成(CombusionSynthsis)或自蔓延高溫合成(SUS)也是一種可行的制備方法，其中在壓力下燃燒合成，晶粒度在2-4um，含有Fe2Nb相的Fe3Al金屬間化合物還具有超塑性。機械合金化(MA)是制備Fe-A1合金的一種新工藝，它是在高能球磨機中進行球磨，形成細微組織的合金，在固相狀態(tài)下達到合金化的目的，利用該技術(shù)合成了B2結(jié)構(gòu)的Fe-AI合金，其最高抗拉強度達到865MPa，伸長率達到10％。

1．1．2．3Fe-A!合金的實用化技術(shù) Fe-A1合金的實用化技術(shù)除合金化外，還包括Fe-A1合金的熱形變技術(shù)、鑄造成型技術(shù)，以及與其它材料組成新的復(fù)合材料等。研究表明影響Fe-A1金屬間化合物實用化因素主要包括：

1)材料的加工成形。2)材料的脆性。3)材料的合適用途。

4)材料高溫時的綜合性能。

材料的脆性大，高溫(>800~C)綜合性能低，使材料不適于強載荷、大沖擊的場合；材料的塑性差，加工成形難，使材料難以獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀。上述影響因素限制了材料的使用，使材料的使用范圍受到影響，從而限制了材料的實用化引。但是這些不足同時也為Fe-A1金屬間化合物實用化指出了研究方向。總結(jié)有關(guān)研究成果，其實用化主攻方向主要應(yīng)包括以下幾個方面：

1)Fe-A1金屬間化合物的微合金化。通過微合金化來提高材料的塑性和韌性以及高溫綜合性能1_403。

2)Fe-AI金屬間化合物的鑄造成型：通過鑄造獲取其它加工方法不能獲取的所需形狀。3)Fe-A1金屬間化合物的熱形變處理。通過形變，既獲得所需要的形狀，同時又細化晶粒，彌合缺陷，提高材料的塑性，改善材料的強韌性。

4)開辟Fe-AI金屬間化合物的新用途，揚長避短，利用Fe-A1金屬間化合物的半陶瓷性能，設(shè)計新型復(fù)合材料(包括復(fù)合材料的理論設(shè)計、材料的制備、材料的失效分析)5)材料的切削加工?解決材料加工硬化問題，通過材料的冷加工，獲得材料的精確形狀。上述研究內(nèi)容將是Fe-A1金屬間化合物能否實用化的技術(shù)關(guān)鍵，因此，了解和深入研究上述技術(shù)，對Fe-A1金屬間化合物的推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義和顯著的經(jīng)濟效益。Fe-A1合金熱形變Fe3A1金屬間化合物的形變性能取決于自身的滑移系，也與有序合金的反相疇結(jié)構(gòu)、超點陣位錯特征有關(guān)。從20世紀砠年代開始，對Fe3Al的形變特性就做了大量的研究，Marcinkowski等人的早期研究表明，在室溫下，F(xiàn)e3A1幾乎沒有任何塑性，斷口主要呈穿晶解理。后來發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3A]并非本質(zhì)脆性，微觀分析與形變機理的研究表明，F(xiàn)e3A1的主滑移系為[110] <111>，足以提供多晶滑移所需的五個以上獨立的滑移系。進一步研究發(fā)現(xiàn)，陽Ai合金的形變性能與有序化臨界溫度Tc有關(guān)，在Tc附近，不論普通位錯還是超點陣位錯均難以運動，因此形成屈服強度的峰值。此外，從位錯運動和理論研究發(fā)現(xiàn)，在{110}和{112}面上，F(xiàn)e3A1的APB能較小，且最穩(wěn)定，所以滑移可以發(fā)生在兩晶面族的任何一個面上。在室溫下滑移，發(fā)現(xiàn){110}面優(yōu)先滑移，但在TEM中還觀察到了{112}面的滑移，這表明滑移行為不僅與APB能量及其穩(wěn)定性有關(guān)，還可能與位錯心結(jié)構(gòu)有關(guān)，也就是說，晶面的APB能量最小只是產(chǎn)生滑移的重要條件。因為Fe3A1中的次近鄰反向疇NNNAPB能量很低，故超點陣間的APB很寬，這樣寬的一個超點陣位錯因為在交滑移時極易受釘扎，故很難作為一個整體作獨立運動。但是，這只需較小1的應(yīng)力就能克服APB能量而使超點陣位錯分解成為普通的號1/4α′o{111}位錯運動，在滑移面上留下NNNAPB。

除晶體結(jié)構(gòu)決定Fe3A~合金的形變特性外，與其它材料一樣，變形條件、晶粒形貌等對形變性能也有很大影響。例如，細晶的塑性較粗晶好，但變形抗力大。單相狀態(tài)下的形變性能較多相狀態(tài)好，變形抗力低。在多向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形比單向受壓塑性好，不易產(chǎn)生微裂紋。此外，變形溫度、變形速度以及晶界與位錯處的有害雜質(zhì)及偏析對Fe3A1合金的形變影響也是明顯的。例如，參考文獻[19]證明Fe3A1室溫伸長率很低，200℃以上開始升高(同時強度也相應(yīng)增加，300℃寸達最大)，700℃以后迅速上升，說明溫度對熱形變影響極大。改善Fe3Al合金的形變性能有很多途徑，行之有效的方法有： 1)加入可固溶合金化元素，增加滑移系的數(shù)量。

2)通過微合金化和不同工藝，改變晶體結(jié)構(gòu)，以獲取更多的塑性結(jié)構(gòu)。例如，與體心立方結(jié)構(gòu)有關(guān)的Fe3AI(D03)和FeAl(B2)結(jié)構(gòu)，就不如與面心立方結(jié)構(gòu)有關(guān)的L12結(jié)構(gòu)塑性好。3)通過摻雜控制晶界的組成和強度，這些摻雜既可以通過摻入活性元素使之與有害元素(像S)結(jié)合成無害化合物而沉淀，也可以加入像B元素這些有益的元素，以增加鍵的結(jié)合能，提高晶界的解理強度，抑制晶間斷裂。

4)細化晶粒。鐵基合金的穿晶或沿晶脆斷被認為與晶粒度有關(guān)，因此在整個鑄造、熱加工、熱處理組織控制中，晶粒的大小都是很重要的，對NiAl還發(fā)現(xiàn)有——臨界晶粒尺寸(20um)，小于該尺寸，材料才呈現(xiàn)塑性，這個臨界晶粒度隨溫度下降及應(yīng)變速度增而下降。快速凝固細化晶粒也可以提高材料的延性。5)改進熱形變工藝技術(shù)。6)精密控制有害物質(zhì)和雜質(zhì)。

7)在NiAl合金中形成一種薄膜，減少滑移力，這相當于在晶體與薄膜之間產(chǎn)生位錯滑移源，對增加延性也是有效的。

8)利用定向凝固等方法，把脆性相置人延性好的組織，形成原位生成復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而獲得好的綜合強韌性。

9)控制周圍環(huán)境，減少H脆，改善塑性。

利用上述方法，材料研究工作者已取的一些重要成果，例如：A．Bahadur等研究表明，在Fe3AI合金中加入B、Ti后，在整數(shù)比和亞整數(shù)比Fe3A1合金中的柱狀晶變成等軸晶，熱軋或熱鍛后其微觀組織更好，其熱形變率(973K)可以從65％增加到85％，抗拉強度增加到800—900MPa，伸長率增加到3％—5％，不過，過整數(shù)比Fe3A1會出現(xiàn)枝狀晶結(jié)構(gòu)。極易導(dǎo)致開裂，即使加入B、T1后也不能熱形變。C．T．Liu等人的研究表明，有序金屬間化合物的延性不僅可以通過合金化、快速凝固工藝來改善，還可以通過熱形變處理(例如物理冶金原理等)來改善。作者的研究也表明，合金化對Fe3A1合金熱形變性能和室溫性能影響顯著，其中Mo含量增加，合金高溫強度和持久壽命提高，但高溫塑性及室溫拉伸強度及室溫塑性均下降。Cr的加入，對高溫性能不利，Cr和Ce及Ce與Mo、Nb、Zr等元素的匹配使用，有利于綜合性能的提高。

以上研究分別對Fe-A1合金熱形變性能的影響因素及改進措施進行了探討，但系統(tǒng)的研究Fe-A1合金熱鍛工藝過程及其影響因素的文獻報道尚少。Fe-A1合金的鑄造技術(shù)，對Fe-A1合金的鑄造性能進行過系統(tǒng)研究，從流動性看，F(xiàn)e3Al合金是一種流動性較差的合金，例如Fe-28AI在1580℃砂型澆鑄時測得螺旋線長度為171mm，熱力學(xué)分析表明，除結(jié)晶溫度范圍較窄因素外，合金液中形成的高熔點顆粒相也是影響其流動性的重要原因。但是合適的合金化也會提高流動性，例如Fe-28A1-5.5Ct-0.5Mo-0.5Nb-0.1Zr可使流動性提高到215mm。合金化不僅可以提高流動性從而改善材料的充型能力，而且還可以有效提高合金的壓縮強度，例如摩爾分數(shù)為0．05％的Ce的加入可使其抗壓強度從2070MPa增加到2415MPa。上述鑄造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，使鑄態(tài)Fe-A1合金的開發(fā)應(yīng)用看到了希望，尤其是如能利用特種鑄造技術(shù)實現(xiàn)材料的精密成型，不僅可以大大提高材料的流動性(壓力鑄造)，還可以有效的提高材料的尺寸精度和復(fù)雜程度(熔模鑄造)，作者開發(fā)研究的鑄態(tài)爐蓖條、建筑機械用耐磨眼鏡板、精密鑄造不銹鋼管件等產(chǎn)品證明t49J，這種低廉而實用的材料將首先從鑄態(tài)產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域走向大規(guī)模實用化生產(chǎn)。1.1.3.Ti-Al金屬問化合物的研究現(xiàn)狀

1.1.3.1 Ti-Al金屬間化合物的組織結(jié)構(gòu)研究

Ti-Al系金屬間化合物主要有兩種：TiAl化合物(用γ表示)和Ti3A1化合物(用α2表示)。Chubb和Mehl等運用第一原理計算了具有化學(xué)配比的TiAl化合物和Ti3Al化合物在OK時的能量穩(wěn)定性，從而證實了TiAl化合物為L10型晶體結(jié)構(gòu)，Ti3AI化合物為D019型加晶體結(jié)構(gòu)。由于單相(γ)化合物的塑性和斷裂韌性比兩相(γ+α2)化合物低得多，因此人們目前的研究主要集中于兩相化合物：即以TiAI(γ)為基體，并含有少量Ti3A1(α2)的孿晶形態(tài)層片狀組織的合金。

就TiAI化臺物的顯微組織而言，根據(jù)不同的熱處理方式，可以得到四種類型的典型組成： 1)非均勻的粗大γ晶粒并伴有少量的α2粒子的組織(NC)。2)細小晶粒的等量γ和α2復(fù)合組織(Duplex)。3)γ+α2層片狀組織晶粒(NL)4)全部是層片狀組織晶粒(FL)。

TiAl金屬間化合物的力學(xué)性能強烈地依賴于其顯微結(jié)構(gòu)。通常復(fù)合組織(Duplex)具有最高的拉伸塑性(伸長率為2%—4％)及中等的強度水平(YS=420—460MPa，UTS=550—660MPa)，但斷裂韌性很低(Kic二10—16MPa·m?)；FL組織呈現(xiàn)出低的塑性(≈1％)，但具有較高的斷裂韌性((Kic= 20—32MPa·m?)：NL組織強度最高(YS≈510MPa，UTS=700MPa)，而塑性中等(≈3%)；細化并彌散在Duplex組織中的α2可以提高強度但使塑性降低，同樣，細化FL組織中的晶粒可以同時提高強度和塑性，但斷裂韌性值下降、因此，絕大多數(shù)的研究都集中在Duplex、NL、FL三類組織的TiAl金屬間化合物上。Ti3A1(α2相)金屬間化合物為長程有序的六方結(jié)構(gòu)(空間群為P63／mmc)，其有序特征可提高合金的高溫強度、剛度和變形抗力。但由于該相結(jié)構(gòu)中只有{0001}{51120}；兩個獨立的滑移系，具有較低的室溫塑性。通過添加盧穩(wěn)定元素(主要是Nb)方法，保留塑性較好的體心立方盧相，并激發(fā)α2相中(c+a)型位錯以增加非基面滑移，室溫塑性已得到了很大改善。對Ti3A1基的合金疲勞變形顯微組織的透射電鏡研究表明：①初生α2相晶粒中基面上的<1l20>a型位錯互相塞積可形成亞晶界，把晶粒分割成具有一定取向差異的亞晶粒結(jié)構(gòu)：位錯反應(yīng)可以形成大量規(guī)則的六角位錯網(wǎng)；②初生α2晶粒除了晶內(nèi)位錯滑移和晶界運動產(chǎn)生和協(xié)調(diào)合金變形外，晶內(nèi)亞晶的形成和發(fā)展也是產(chǎn)生和協(xié)調(diào)變形的重要機制。1．1．3．2Ti-Al金屬間化合物的制備

熔煉鑄造是Ti-A1系金屬間化合物的主要制備方法，此外目前文獻中報道較多的Ti-A1系金屬間化合物的制備工藝及過程還包括：

(1)粉末冶金法粉末冶金法是制備TiAl基合金比較常用的一種方法。近年來，隨著TiAl基合金粉末制備技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠制備出粒度小而且球形度好的TiAl基合金粉末。目前用于TOT基合金(包括Ti3AI在內(nèi))的粉末冶金近凈形狀成形技術(shù)主要有熱等靜壓技術(shù)和準熱等靜壓技術(shù)。此外，還有注射成形、粉末鍛造，熱擠壓、粉末軋制、熱爆成形等。熱等靜壓工藝是制造全致密近凈形零件；尤其是形狀復(fù)雜、大尺寸零件的一種非常有效的技術(shù)，它能在高溫下通過氣體將高壓傳遞給金屬粉末或頂成形坯，并使其在高溫高壓下實現(xiàn)全致密化。最近，美國Orucible公司還開發(fā)出了一種采用陶瓷模的熱等靜壓近凈形狀成形工藝(CeramicMold-HIPProcess)；

準熱等靜壓一白蔓延反應(yīng)合成工藝(PseudoHIP-SHS)是利用SHS過程中釋放的熱量和過渡的液相，使壓坯在合成TiAl金屬間化合物的同時實現(xiàn)致密化。這種工藝的優(yōu)點是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉難成型的問題。而且可以根據(jù)零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各種合金元素實現(xiàn)復(fù)合；其缺點是成型時壓坯不是處于等靜壓狀態(tài)，可能造成壓坯中密度不均勻或壓坯形狀畸變。

(2)機械合金化法該技術(shù)是利用高能球磨機把純的T1粉和Al粉放人球磨罐中并加入適量的添加劑進行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態(tài)反應(yīng)過程。目前普遍接受的觀點認為。元素粉末在球磨時，晶粒反復(fù)的斷裂、冷焊，晶粒細化并形成層狀精細結(jié)構(gòu)，Ti和Al原子通過界面擴散而逐漸實現(xiàn)合金化。

混合物的球磨時間是確保反應(yīng)徹底完成達到足夠的合金化程度的關(guān)鍵工藝參數(shù)，但球磨時間并非越長越好。這種方法的優(yōu)點是使用方便，對樣品的處理量大，制得的樣品顆粒較細，達到微米級甚至亞微米級。但是，機械球磨往往易于混入雜質(zhì)使樣品的純度降低，引起產(chǎn)品的性能惡化。

1．1．3．3Ti-A!金屬間化合物的研究現(xiàn)狀

Ti-Al金屬間化合物的研究基礎(chǔ)很好，其中TiM合金可以替代700-990~C鎳基高溫合金，使發(fā)動機重量減輕約一半，因而受到廣泛重視。日前已發(fā)展出的TiAl成分范圍大致是，Ti45／48Al-O／2M-0／5X-0／2Z(摩爾分數(shù))(M=Cr、Mn、V，X=Nb、Ta、W，Z=Si、B、C、N)。M類合金元素有利于塑性和再結(jié)晶，Nb、Ta是主要的固溶強化元素，少量的W和Sn也有類似作用，而Si、B，N、C則析出第二相Ti5Si3、TixAIC等起強化作用，B起細化晶粒作用，但可能增大片間距，目前已經(jīng)進入實際應(yīng)用的鑄造合金，其典型代表是Ti-47／48A1-2Nb-2Cr(摩爾分數(shù))(GE公司)，Ti-47Al-2W-0．5Si(摩爾分數(shù))(ABB公司)和Ti-45／473_1-2Nb-2Mn+0.8TiB~(摩爾分數(shù))(Howner)等。正在研究發(fā)展的變形合金有Ti-46A14Nb-1W(摩爾分數(shù))；AlbyK5(Ti-46．5A1-2Cr-3Nb-0．2W(摩爾分數(shù)))等。經(jīng)鍛造及熱處理后這些合金的室溫屈服強度水平在400—600MPa，伸長率為1％—3％，在500—750℃具有好的高溫強度。K5合金RFL組織的典型性能為：6y=473MPa，6b=577MPa，6％=1．2。近年來K5合金進一步用C、Si、B、O強化，得到K5SC(0．2Si，0．1C)，KDCBS(0．1Si、0．1B、0．2C)，K5S(0，2Si，0．150)等。另外，研究過一種高強度的粉末TiAl合金，成分同GE合金，其晶粒很細，片間距很小(片間距0.1u m以下)，得到1000MPa的強度，但其高溫組織穩(wěn)定性不足。我國發(fā)展的高鈮鈦鋁合金是高溫高性能TiAl合金。高鈮鈦鋁合金的力學(xué)性能明顯高于普通TiM合金，其高溫性能的數(shù)值與現(xiàn)行變形輪盤用高溫合金相當，但密度只有高溫合金的一半左右。高鈮鈦鋁合金的抗氧化性比其它TiAl合金高一個數(shù)量級。高鈮鈦鋁合金的發(fā)展是基于一個新的思路和廣泛的基礎(chǔ)研究上的，新思路是想通過加人大量高熔點元素Nb，在保持較簡單的點陣結(jié)構(gòu)下，提高合金的熔點和結(jié)合力，降低擴散，而且可以在不引起嚴重脆性的條件下提高使用溫度。由此選擇Ti-Al-Nb三元系進行了廣泛的基礎(chǔ)研究，證明思路可行，再后進行了高鈮鈦鋁工程合金的發(fā)展研究。研究證明，8-10Nb合金化的確提高固相線—100℃，提高了高溫組織穩(wěn)定性，提高了位錯運動阻力和高低溫強度，特別是大大提高了合金抗氧化性，使抗氧化水平接近抗氧化性最好的鎳基高溫合金，將使用溫度提高到比普通TiAl合金高60—100℃的水平。1.1.3.4

Ti-Al基金屬間化合物的應(yīng)用

經(jīng)過最近十幾年廣泛而深入的研究，Ti-A1基金屬間化合物的性能不斷提高，其中部分性能已接近甚至達到了實用化的要求，像燃油發(fā)動機的α2合金鍛造翼面、γ合金鑄造翼面，γ合金鑄造壓氣機套筒等。其次，機加仁和連接技術(shù)也得到了發(fā)展。到目前為止，α2合金的制造技術(shù)最為成熟。比如，高壓渦輪起動器內(nèi)支承環(huán)，采用Ti3Al比用高溫合金重量可減輕43％。盡管如此，這些材料由試驗性發(fā)動機到軍用發(fā)動機生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變將比過去常規(guī)合金要困難得多。

1．1．4Ni-Al金屬間化合物的研究現(xiàn)狀

Ni-A1金屬間化合物也是目前研究熱點，其中研究最多的是Ni3A1金屬間化合物，尤其是對于其在中間溫度時的反常流變應(yīng)力做了較深入的探索、許多Ni3A1基合金已應(yīng)用于鑄造和鍛壓，其中一些用于高溫熔爐：添加硼的NisAI冷軋性能很好。通過冷變形就可制得板材：Ni3AI單晶和多晶試樣在冷軋過程中微觀結(jié)構(gòu)和組織的變化都有人進行過研究；在變形量較小時，組織性能較差，只有冷軋壓縮量很大時，這種組織才表現(xiàn)出很高的強度?冷軋進行到一定程度的多晶試樣的微觀結(jié)構(gòu)很不均勻，位錯無法形核，隨著冷軋量的增加，冷軋組織隨變形量的增加出現(xiàn)了微帶和剪切帶；與無序合金相比，由于Ni3A1中的位錯分解為{111：面上的超晶格部分位錯通常難發(fā)生交滑移，但在某些被激活的滑移面上有局部的無序性，這使位錯的活動性提高，大量的交滑移發(fā)生，這促進了剪切帶的形成，由于變形的不均勻性，NisAI多晶合金的組織性能不如純金屬或合金．

冷軋制的多晶試樣剪切帶在較低的退火溫度下(T≈500℃)，就會發(fā)生再結(jié)晶，而基體在較高的溫度(T>750℃)下才能完全再結(jié)晶，變形組織不均勻，晶界滑移性差，使得部分區(qū)域晶粒細化，但再結(jié)晶組織不均勻，性能較差，還需進一步研究。

NiAl比目前的Ni基高溫合金輕，且具有高熔點，優(yōu)良的抗氧化性以及高的熱導(dǎo)率，但是由于低溫下的斷裂韌性差，高溫下強度差，抗蠕變能力差，在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用受到限制。NiAl中滑移主要發(fā)生在<001> {011}和<001> {100}滑移系，只有三個獨立的滑移系。若不能改善滑移系，NiAl材料的脆性問題可能無法解決，雖然目前這還無法實現(xiàn)。但已經(jīng)有人試圖通過合金化方法提高其蠕變強度，通過在NiAl單晶體中形成一種有序L21Heusler相，其抗拉強度和應(yīng)力誘發(fā)斷裂性能可以與Ni基超合金相比，然而這種相的存在使得這種單晶合金脆性更大。因此，NiAl用于結(jié)構(gòu)材料還有很長的路要走。有關(guān)NiAI的物理和力學(xué)性能方面的大量研究和NiAl基合金的發(fā)展在許多文獻資料上都有報導(dǎo)。NiAl由于其熔點高(1638℃，比一般Ni基高溫合金高300℃，比Ni3A1高250℃)，密度低(僅及高溫合金的2／3)，熱導(dǎo)率大(是高溫合金的4-8倍)，而且抗氧化腐蝕性能優(yōu)異，多年來一直用作高溫合金零件的表面防護涂層。GE公司經(jīng)過多年的系統(tǒng)研究，發(fā)展了兩種性能優(yōu)異的單晶NiAl合金，其中AFN-20合金的持久強度、抗蠕變性能、疲勞強度和高溫抗拉強度已達到第二代鎳基單晶高溫合金ReneN4的水平，而比持久強度達到第三代鎳基單晶高溫合金Rene6的水平。其高溫強度主要來自熱處理產(chǎn)生的細小而均勻的Heasler(L2，β)相沉淀強化

1.1.5金屬問化合物的發(fā)展趨勢與存在的問題

大約從20世紀80年代，金屬間化合物的研究處于高潮，從1999年開始，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究論文總數(shù)開始有下降趨勢，但EI收錄數(shù)不降，這種情況反映金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究工作開始走向成熟，面上的研究開始下降，工作集中于成熟合金和合金的應(yīng)用。雖然普遍認為金屬間化合物結(jié)構(gòu)合金的研究已有基本的結(jié)論，但仍有不同看法，不過有人認為下述結(jié)淪仍是主導(dǎo)研究工作的主流趨勢。

1)有些研究已開始進入實用化，例如：TiAl，F(xiàn)e3A1，Ni3A1，Ni3(SiTi)。

2)有些研究雖然已做了大量工作．但由于不同原因而逐步停止，例如：A13Ti，Nb3Al，GE公司已停止單晶NiAl葉片研究。

3)集中研究發(fā)展最有前途的合金系和探索某些新合金系，發(fā)展高溫高性能金屬間化合物合金，其中最有前途的合金系是新一代TiAl合金。

4)新合金系的探索主要是硅化物和LAVES相結(jié)構(gòu)材料，例如MosSi3、MoSi2等，另外還有少量昂貴的高熔點金屬間化合物系研究。此外，F(xiàn)e-A1、Ni-A1系也還仍在研究之中。

1．1.5．1金屬間化合物的發(fā)展趨勢

Ti-A1和Ni-A1金屬間化合物中的Ni3A1和Ti3A1由于最接近端際固溶體，其金屬性結(jié)合的特點最強，又可以利用端際固溶體增韌，使其綜合力學(xué)性能和使用特性最接近高溫合金和鈦合金，因而最易投入使用。但Ni3A1與鎳基高溫合金相比，Ti3A1和鈦合金相比，其優(yōu)越性都不大，這成為不能推廣到關(guān)鍵部件上應(yīng)用的主要困難。1990年以后，TiAI和NiAI成為研究熱點，由于它們已處于相圖的中間部分，遠離端際固溶體，電子結(jié)構(gòu)上定向鍵更強，雖然難于利用端際固溶體增韌，但是TiAl和NiAl合金卻具有高比強度、低塑性和韌性的特點，因此力學(xué)性能和使用性能上與傳統(tǒng)的合金有較大的區(qū)別。TiAl的高比強度和NiAl的高熱導(dǎo)性帶來很大的吸引力，但也要求改變設(shè)計，以符合合金特點，這就增加了應(yīng)用的難度。目前，TiAl合金已發(fā)展出三代合金，正處于發(fā)展和投入應(yīng)用的關(guān)鍵時期。

目前金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究的重點是發(fā)展和應(yīng)用高溫高性能材料，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究正處于關(guān)鍵時刻。一方面是以TiAl合金的發(fā)展和應(yīng)用為核心的攻關(guān)，另一方面是探索高熔點的金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料。如果通過對材料設(shè)計一生產(chǎn)一應(yīng)用一體化攻關(guān)，能夠突破應(yīng)用上的種種困難，使TiAl合金，特別是高溫高性能TiAl合金得到成功的應(yīng)用，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究將會發(fā)展到一個新階段。

概括起來Ti-A1金屬間化合物的發(fā)展趨勢包括：

1)研究開發(fā)使用溫度更高，可在1000—2000℃之間工作的新型金屬間化合物，主要是以高熔點金屬Nb、W、Mo、Ta與TiAl形成的多元化合物

2)發(fā)展以TiAl化合物為基的復(fù)合材料。用SiC、A1203、TiB2纖維和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等質(zhì)點作為增強劑，強化化合物基體，發(fā)展一系列新工藝，充分發(fā)揮其潛在的使用價值。

3)通過纖維組織的控制和采用先進的加工工藝(如粉末冶金、機械合金化、定向凝固、熱機械處理等)改善其力學(xué)性能，也是目前提高TiAl化合物性能的方向之一。

4)進一步研究Ti-Al金屬間化合物的室溫脆性機制，從理論上解決其韌性問題。

5)加強TiM基合金近凈形成形技術(shù)的研究，進一步展開對近凈形成形技術(shù)如精密鑄造技術(shù)、粉末冶金近凈形成形技術(shù)以及超塑成型技術(shù)的研究。

硅化物和LAVES相金屬間化臺物硅化物和LAVES相研究的目標是要提高使用溫度到1000~C以上。但是由于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，問題還很多，不僅涉及到材料發(fā)展問題，而且涉及到物理金屬學(xué)的理論問題。例如，這些合金的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其電子結(jié)構(gòu)及其作用尚不清楚；翠晶變形是基本的變形方式，而復(fù)雜晶體中的孿晶變形理論還有待發(fā)展；對這種復(fù)雜形變會帶來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變化知之甚少等等。因此，在國家支持下進行廣泛基礎(chǔ)研究是非常必要的。

Fe-A1金屬間化合物

Fe-A1合金主要缺點是材料脆忭大、塑性和韌性差、抗拉強度低，從而造成材料難加-仁成形，不宜用于重要結(jié)構(gòu)件和高精度復(fù)雜零件。但是上述缺陷不是一成不變的，微合金化和各種新的制備和實用化技術(shù)可有效的改善其缺陷，從而拓寬該材料實用化進程，預(yù)計其主要發(fā)展趨勢為： 1)進一步開展Fe-A1合金的合金化研究，提高材料的力學(xué)性能。

2)研究Fe-A1合金的精密鑄造技術(shù)，獲取高精度復(fù)雜零件，最大程度的減少加工量。3)開發(fā)Fe-A1合金的熱形變技術(shù)，尤其是模鍛成型技術(shù)，使同時獲取精密形狀和良好件能成為可能。

4)研究Fe-A1合金的切削加工性能，解決難加工問題。

5)研究Fe-A1基復(fù)合材料或陶瓷基復(fù)合材料，揚長避短，發(fā)揮Fe-A1合金的突出優(yōu)點。6)開發(fā)Fe-A1合金的粉體制備工藝，研究Fe-A1的噴涂技術(shù)，充分利用該材料良好的耐腐蝕性。

金屬間化合物制備工藝

1、Ti—AI金屬間化合物的制備

熔煉鑄造是Ti—Al金屬間化合物的主要制備方法，此外目前文獻中報道較多的Ti—A1系金屬間化合物的制備工藝及過程還包括：

1．粉末冶金法

粉末冶金法是制備TiAl基合金比較常用的一種方法。近年來，隨著TiAl基合金粉末制備技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠制備出粒度小而且球形度好的TiAl基合金粉末。目前用于TOT基合金(包括Ti3Al在內(nèi))的粉末冶金近凈成型技術(shù)主要有熱等靜壓技術(shù)和準熱等靜壓技術(shù)。此外，還有注射成型、粉末鍛造、熱擠壓、粉末軋制、熱爆成型等。

熱等靜壓工藝是制造全致密近凈形狀零件，尤其是形狀復(fù)雜、大尺寸零件的一種非常有效的技術(shù)，它能在高溫下通過氣體將高壓傳遞給金屬粉末或預(yù)成型坯，并使其在高溫高壓下實現(xiàn)全致密化。最近，美國Orucible公司還開發(fā)出了一種采用陶瓷模的熱等靜壓近凈成型工藝(Ceramic Mold—HIP Process)。

準熱等靜壓一自蔓延反應(yīng)合成工藝(Psedo HIP。SHS)是利用SHS過程中釋放的熱量和過渡的液相，使壓坯在合成TiAl金屬間化合物的同時實現(xiàn)致密化。這種工藝的優(yōu)點是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉難成型的問題；而且可以根據(jù)零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各種合金元素實現(xiàn)復(fù)合；其缺點是成型時壓坯不是處于等靜壓狀態(tài)，可能造成壓坯中密度不均勻或壓坯形狀畸變。

2．機械合金化法

該技術(shù)是利用高能球磨機把純的Ti粉和AI粉放入球磨罐中并加入適量的添加劑進行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態(tài)反應(yīng)過程。目前普遍接受的觀點認為，元素粉末在球磨時，晶粒反復(fù)地斷裂、冷焊，晶粒細化并形成層狀精細結(jié)構(gòu)，Ti和Al原子通過界面擴散而逐漸實現(xiàn)合金化。

混合物的球磨時間是確保反應(yīng)徹底完成達到足夠的合金化程度的關(guān)鍵工藝參數(shù)，但球磨時間并非越長越好。這種方法的優(yōu)點是使用方便，對樣品的處理量大，制得的樣品顆粒較細，達到微米級甚至亞微米級。但是，機械球磨往往易于混入雜質(zhì)使樣品的純度降低，引起產(chǎn)品的性能耍秒

NiAl合金的制備特點

NiAl合金可以用Ar氣感應(yīng)熔煉(AIM)、真空感應(yīng)熔煉(VIM)、電渣重熔(ESR)和真空雙電極電弧重熔(VADER)，AIM熔煉合金后可以直接鑄造。227kg的IC一50、IC218合金可以直接離心鑄造成長305cm，直徑12．7 cm(厚2．54 cm)的管子，也可以直接鑄成棒和板，已經(jīng)用雙滾法鑄出1~2mm厚板，并可以進一步冷加工。

美國橡樹嶺國家試驗室發(fā)展了一種稱為放熱熔煉方法(Exo—MeltTM)，示于圖10一15，用一半的鎳放在上部，用Al包圍，使在加熱時發(fā)生NiAl放熱反應(yīng)，另一半的鎳放在下部，中間放合金元素，在氬氣下熔化，這種布料方法最有效利用反應(yīng)發(fā)熱。這種熔煉方法可節(jié)省1／2～2／3的能量，節(jié)省一半熔化時間，質(zhì)量也高。

鑄造合金一般晶粒粗大，精密鑄造的Ni3Al合金(IC一221M)的650℃HCF壽命高于Ni基高溫合金IN一713C。Ni3AI合金可以在1100℃擠壓或冷軋，加10％Fe可以大大改善Ni3A1的加工性能。細晶鑄件也可在1100℃等溫鍛造0.5／min變形速率)用粉末法制備Ni3Al合金時可以采用熱壓法、反應(yīng)燒結(jié)合成、HIP、HIP+擠壓等方法，也可直接用粉末擠壓而成(8：1擠壓比)，HIP一般在120 MPa，l100～1150℃下進行3h，得到100％完全致密度，晶粒10～15um的合金。

Ni3Al合金可焊，但不容易焊好，質(zhì)量決定于合金成分和焊接速度，含B為2×10_4時只有在13mm／s焊接速度以下才能焊好。Fe改善焊接性，焊接不當易產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋。

Fe3AI和FeAI合金的制備和應(yīng)用

Fe—Al金屬間化合物合金可以用通常的熔煉方法冶煉。包括感應(yīng)爐(AIM)、真空感應(yīng)爐(VIM)、真空自耗重熔(VAR)和電渣重熔(ESR)。但VIM熔煉的質(zhì)量較好，采用VIM+VAR可以得到高質(zhì)量的合金，高Al合金熔煉時要防止坩堝反應(yīng)，如用MgO坩堝，則熔煉金屬中的Al可以部分還原坩堝中的Mg進入熔池，一般有20×10-6 Mg水平，這種Mg含量對合金沒有壞作用。已經(jīng)證實Fe3Al合金中含有一定數(shù)量的Mg，會起到改善塑性和熱加工性的作用(在熔煉Ni3Al時也有類似情況)，現(xiàn)在一般采用74 %MgO+24％AI2O3坩堝進行熔煉。鑄態(tài)條件下Fe3Al合金的塑性較差，只有在650～1100℃之間進行熱加工。一般首先在1000℃左右進行50％變形，再在800℃，50％軋制變形，最后在650℃進行50％～70％的溫加工，這種處理后得到拉長晶粒，得到最高的塑性，F(xiàn)e3A1合金的管子可以用離心鑄造方法獲得，也可以熱穿孔方法獲得，仔細控制熱加工過程也可以得到質(zhì)量良好的Fe3Al絲、板等產(chǎn)品。

Fe3Al和Fe—Al合金的焊接是很關(guān)鍵的問題。現(xiàn)已證明可以用氣體鎢弧焊(gas—tungsten arc或GTA)和電子束焊(EB)成功地進行焊接，但容易出現(xiàn)冷裂和熱裂。所謂冷裂是指在焊好后幾個小時或幾天以后出現(xiàn)裂紋，研究認為這種裂紋是環(huán)境誘導(dǎo)的氫脆，如果預(yù)先在200℃預(yù)熱或焊后進行400℃、lh去應(yīng)力處理，可以減小冷裂發(fā)生，熱裂傾向與合金元素的微量變化有關(guān)，一般Nb、Cr、少量C有利焊接，而Zr、B、TiB2相反。

用N2或Ar氣霧化可以得到Fe3Al和FeAl合金粉末，再經(jīng)燒結(jié)和1000℃熱擠(擠壓比9：1)可以得到全致密的合金，晶粒為100um左右，用快速凝固得到的粉末，同樣也可以燒結(jié)擠壓成材。Fe—Al系金屬間化合物主要應(yīng)用方向是作為耐含硫氣氛和耐氧化氣氛的結(jié)構(gòu)件。為了保證表面產(chǎn)生具有良好保護性的Al2O3膜，含A1量必須大于16％～18％。如果要耐水溶液腐蝕，合金中往往要含較高的Mo。圖12—19顯示Fe—A1有序合金的耐腐蝕性能比不銹鋼的好得多。目前，F(xiàn)e—A1有序合金已經(jīng)用做加熱元件、爐子中用的抗氧化固定件、熱交換用的薄片結(jié)構(gòu)和觸媒轉(zhuǎn)換器的底座(均為0．05mm薄片)、燒結(jié)的多孔氣體一金屬過濾器等。

結(jié)束語

Ti－A1和Ni－Al金屬間化合物中的Ni3Al和Ti3Al由于最接近端際固溶體，其金屬性結(jié)合的特點最強，又可以利用端際固溶體增韌，使其綜合力學(xué)性能和使用特性最接近高溫合金和鈦合金，因而最易投入使用。但Ni。A1與鎳基高溫合金相比，Ti3Al和鈦合金相比，其優(yōu)越性都不大，這成為不能推廣到關(guān)鍵部件上應(yīng)用的主要困難。1990年以后，TiAl和NiAI成為研究熱點，由于它們已處于相圖的中間部分，遠離端際固溶體，電子結(jié)構(gòu)上定向鍵更強，雖然難于利用端際固溶體增韌，但是TiAl和NiAI合金卻具有高比強度、低塑性和韌性的特點，因此力學(xué)性能和使用性能上與傳統(tǒng)的合金有較大的區(qū)別。Tim的高比強度和NiAl的高熱導(dǎo)性帶來很大的吸引力，但也要求改變設(shè)計，以符合合金特點，這就增加了應(yīng)用的難度。目前，TiAI合金已發(fā)展出三代合金，正處于發(fā)展和投入應(yīng)用的關(guān)鍵時期。

目前金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究的重點是發(fā)展和應(yīng)用高溫高性能材料，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究正處于關(guān)鍵時刻。一方面是以Ti3Al合金的發(fā)展和應(yīng)用為核心的攻關(guān)，另一方面是探索高熔點的金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料。如果通過對材料設(shè)計一生產(chǎn)一應(yīng)用一體化攻關(guān)，能夠突破應(yīng)用上的種種困難，使TiAl合金，特別是高溫高性能TiAl合金得到成功的應(yīng)用，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究將會發(fā)展到一個新階段。

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第三篇：有色金屬礦山采礦方法概述

采礦方式主要為露天、坑下開采。有色金屬礦山地下開采方式按地壓控制方式，分為空場法、充填法、崩落法三大類，以空場法、充填法具多。

1.空場采礦法

根據(jù)礦塊或礦壁的結(jié)構(gòu)不同與回采作業(yè)的特點，空場采礦法可分為全面采礦法、房柱采礦法、階段礦房采礦法等。

（1）全面采礦法主要是用于水平和緩傾斜礦床的開采。其特點是回采工作面沿礦床走向或傾斜方向全面推進，整層回采。在回采時將礦體內(nèi)所夾廢石或貧礦石留下來，根據(jù)需要堆成礦柱來支撐采空區(qū)頂板。

該法優(yōu)點是生產(chǎn)能力大，采準切割工作量較少，采礦成本低，采場通風(fēng)好，能在采場處理廢礦石。但采場頂板暴露面積大，容易發(fā)生大面積冒頂。只適用于水平或緩斜，礦石與頂板穩(wěn)固，礦石品位分布不均勻或有夾石層的礦床，礦床厚度不大于5～7米。

（2）房柱留礦法主要是用于水平和緩傾斜礦床的開采。其特點是在礦塊內(nèi)礦柱和礦房交替布置，回采礦床時留下規(guī)則的，不連續(xù)或連續(xù)的帶狀礦柱，以此支撐采采區(qū)頂板。

該法優(yōu)點主要是采準切割工作量小，工序簡單，各工藝可以平行作業(yè)，通風(fēng)及作業(yè)條件好，但回收率低，用于礦石和圍巖穩(wěn)定的傾角小于40°的礦床。

（3）分段采礦法、階段礦房采礦法主要用于急傾斜、厚度大的礦床開采。礦房沿礦體走向或垂直方向布置，用深孔、扇形炮眼爆破落礦，由下部漏斗柱階段平巷放礦。主要用于圍巖穩(wěn)固，礦石較穩(wěn)固、礦體厚度在8～ 20米，傾角大于礦石的自然安息角，且礦體內(nèi)夾石少，礦體與圍巖接觸線明顯的礦床。

2.充填采礦法

隨著回采工作面的推進，逐步用充填料充填采空區(qū)的采礦方法叫充填采礦法。有時還用支架與充填料相配合，以維護采空區(qū)。充填采空區(qū)的目的，主要是利用所形成的充填體進行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表下沉，并為回采創(chuàng)造安全和便利的條件。有時還用來預(yù)防有自燃礦石的內(nèi)因火災(zāi)。按礦塊結(jié)構(gòu)和回采工作面推進方向充填采礦法又可分為單層充填采礦法、上向分層充填采礦法、下向分層充填采礦法和分采充填采礦法。按采用的充填料和輸出方式不同，又可分為干式充填采礦法、水力充填采礦法、膠結(jié)充填采礦法。

（1）單層充填采礦法。此法適用于緩傾斜薄礦體，在礦塊傾斜全長的壁式回采面沿

走向方向、一次按礦體全厚回采，隨工作面的推進、有計劃地用水力或膠結(jié)充

填采空區(qū)，以控制頂板崩落。

（2）上向水平分層充填采礦法。此法一般將礦塊劃分為礦房和礦柱，第一步回

采礦房，第二步回采礦柱。回采礦房時，自下向上水平分層進行，隨著工作面

向上推進，逐層充填采空區(qū)，并留出繼續(xù)上采的工作空間。充填體維護兩幫圍

巖，并作為上采的工作平臺。崩落的礦石落在充填體的表面上，用機械方法將

礦石運至溜井中。礦房采到最上面分層時，進行接頂充填。礦柱則在采完若干

礦房或全階段采空后，再進行回采。礦房的充填方法，可用干式充填、水力充

填或膠結(jié)充填。

(3)上向傾斜分層充填采礦法。這種方法與上向水平分層充填法的區(qū)別是，用

傾斜分層回采，在采場內(nèi)礦石和充填料的搬動主要靠重力。這種方法只能用干

式充填。

(4)下向分層充填采礦法。這種方法適用于開采礦石很不穩(wěn)固或礦石和圍巖均

很不穩(wěn)固，礦石品位很高或價值很高的有色金屬或稀有金屬礦體。這種采礦方

法的實質(zhì)是從上往下分層回采和逐層充填，每一分層的回采工作是在上一分層

人工假頂?shù)谋Ｗo下進行。回采分層水平或與水平成40～100或100～150傾角。

傾斜分層主要是為了充填直接頂，同時也有利于礦石運搬，但鑿巖和支護作業(yè)

不如水平分層方便。

(5)分采充填采礦法。當?shù)V脈厚度小于0.3～0.4 m時，只采礦石工人無法在其中工作，必須分別回采礦石和圍巖，使其采空區(qū)達到允許工作的最小厚度（0.8～0.9 m），采下的礦石運出采場，而采掘的圍巖充填采空區(qū)，為繼續(xù)上采創(chuàng)造條件，這種采礦法就為分采充填法。

(6)方框支架充填采礦法。開采薄礦脈過去多采用橫撐支柱或木棚支架采礦法。在礦體厚度較大，礦石和圍巖極不穩(wěn)固，礦體形態(tài)極其復(fù)雜，礦石貴重等條件下，這種采礦方法是開采薄礦脈的有效方法。

3.崩落采礦法

第四篇：金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望

金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與

展望

學(xué)院：萍鄉(xiāng)學(xué)院 專業(yè)：無機非金屬材料 學(xué)號：13461001 姓名：蔣家桐

摘 要 綜述了金屬基復(fù)合材料的進展情況,重點闡述了顆粒增強金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合 涂層的進展,包括其性能、現(xiàn)有品種、制備工藝、應(yīng)用情況.同時報道了目前本領(lǐng)域研究存在的問 題,如:力學(xué)問題、界面問題、熱疲勞問題,并在此基礎(chǔ)上展望發(fā)展前景.關(guān)鍵詞 顆粒增強金屬基復(fù)合材料,復(fù)合涂層材料,界面,熱疲勞,功能梯度材料

隨著近代高新技術(shù)的發(fā)展,對材料不斷提出多方面的性能要求,推動著材料向高比強度、高比剛度、高比韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等多方面發(fā)展[1 ].復(fù)合材料的出現(xiàn)在很大程度上解決了材料當前面臨的問題,推進了材料的進展.金屬基復(fù)合材料(MMC)是以金屬、合金或金屬間化合物為基體,含有增強成分的復(fù)合材料.這種材料的主要目標是解決航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域提高用材強度、彈性模量和減輕重量的需要,它在60 年代末才有了較快的發(fā)展,是復(fù)合材料一個新的分支.目前尚遠不如高聚物復(fù)合材料那樣成熟,但由于金屬基復(fù)合材料比高聚物基復(fù)合材料耐溫性有所提高,同時具有彈性模量高、韌性與耐沖擊性好、對溫度改變的敏感性很小、較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,以及無高分子復(fù)合材料常見的老化現(xiàn)象等特點,成為用于宇航、航空等尖端科技的理想結(jié)構(gòu)材料.1 進展情況

目前,金屬基復(fù)合材料基本上可分為纖維增強和顆粒增強兩大類,所用的基體包括Al , Mg ,Ti 等輕金屬及其合金以及金屬間化合物等,也有少量以鋼、銅、鎳、鈷、鉛等為基體.增強 纖維主要有碳及石墨纖維、碳化硅纖維、硼纖維、氧化鋁纖維等,增強顆粒有碳化硅、氧化鋁、硼

化物和碳化物等.用以上的各種基體和增強體雖可組成大量金屬基復(fù)合材料的品種,但實際上 只有極少幾種有應(yīng)用前景,多數(shù)仍處在研究開發(fā)階段,甚至也有不少品種目前尚看不到其應(yīng)用 前景[2 ].1.1 纖維增強金屬基復(fù)合材料

纖維增強金屬基復(fù)合材料,由于具有高溫性能好、比強度、比模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好等優(yōu) 點,而成為復(fù)合材料的主要類型.1.2 顆粒增強金屬基復(fù)合材料

由于纖維增強金屬基復(fù)合材料存在上述缺點,從而未能得以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,只有美國、日本等少數(shù)發(fā)達國家用于軍事工業(yè).為此,近年來國際上又將注意力逐漸轉(zhuǎn)移到顆粒增強金屬 基復(fù)合材料的研究上.這一類金屬基復(fù)合材料與纖維增強金屬基復(fù)合材料相比制備工藝簡單, 成本低,可采用常規(guī)金屬加工設(shè)備來制造,這樣有利于其開發(fā)和應(yīng)用.可見,顆粒增強金屬基復(fù) 合材料是非常有發(fā)展前途的.金屬基顆粒復(fù)合材料通常是作為耐磨、耐熱、耐蝕、高強度材料開發(fā)的,目前用于顆粒增強 復(fù)合材料的顆粒有數(shù)十種,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、α-Al2O3、TiO2、WC ,它們大多是無機化合物.目前已有鋁基、鉬基、鋼基、Fe 基、Co 基、Ni 基、Mg 基等顆粒復(fù)合.但隨著宇航事業(yè)的發(fā)展,高溫耐熱金屬基復(fù)合材料,如以銅、鉬、鎳、鈷等為基體的金屬基復(fù)合材料越來越受到人們的重視.池野等[4 ]對Al2O3 顆粒增強純鋁復(fù)合材料的性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著Al2O3 顆粒體積分數(shù)增加,強度不斷上升.陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有高的比強度和比模量,并且具有原材料成本低廉,復(fù)合材料制備工藝簡單的特點而受到重視.Hosking 等[5 ]的研究結(jié)果表明,隨著Al2O3 或SiC 顆粒的體積分數(shù)增加,不但塑性下降,而且強度也下降.在AlCoCo、金屬陶瓷等.由于WCCo 復(fù)合材料進行了熱疲勞裂紋擴展的研究,結(jié)果指出其機理主要是WC 粒與Co 粘結(jié)相之間的熱膨脹系數(shù)有很大差異,而引起高應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋萌生與擴展,疲勞裂紋優(yōu)在WCCo 相界上擴展.明文龍[18 ]等在研究Ti(C ,N)基金屬陶瓷熱疲勞性能時也提出了熱疲勞裂紋具有沿相界面開裂的特征.對于涂層材料,盡管它發(fā)展較晚,但也有人對其熱疲勞性能進行了研究.彭其鳳等[19 ]對激光敷陶瓷涂層的熱疲勞行為進行了研究,發(fā)現(xiàn)陶瓷與鋼的熱膨脹系數(shù)差異及陶瓷內(nèi)部微小裂紋的應(yīng)力集中是陶瓷涂層熱疲勞破壞的主要原因.W.C.REVELOS 等[20 ] ,N.Czech 等[21 ]和劉北興等[22 ]則認為在熱疲勞過程中,隨循環(huán)上限溫度升高,循環(huán)數(shù)增加,熱疲勞抗力明顯降低.目前對熱疲勞性能的研究多采用試驗法.隨著電子計算機和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展,用有限元模擬熱疲勞過程的力學(xué)行為已開始受到人們的重視[23 ] ,但熱疲勞過程本身就是一個復(fù)雜的力學(xué)行為過程,在這個過程中,既有彈性力學(xué)問題,又有塑性力學(xué)、熱力學(xué)問題,而涂層材料的熱疲勞問題就在此基礎(chǔ)上進一步復(fù)雜化.所以目前對涂層材料熱疲勞的研究多限定在定性分析,對其力學(xué)行為有待于人們進一步研究.4 金屬基復(fù)合材料的發(fā)展前景

由上述可知,金屬基復(fù)合材料要在未來取得進一步的發(fā)展,并列入規(guī)模生產(chǎn)品種的行列,還有一段艱難的路程,但是由于它性能優(yōu)勢的存在,是有明確發(fā)展前景的.就當前的實際情況來看,顆粒和短纖維增強的復(fù)合材料是有生命力的,并已在汽車工業(yè)等方面初步獲得應(yīng)用.隨著涂層技術(shù)的發(fā)展,利用先進的涂層制作方法,如熱噴涂、等離子噴焊、激光熔敷等,以金屬基復(fù)合材料作為涂層材料,在鋼或其它金屬表面制成涂層,用以提高材料的表面強度,已越來越受到重視,它在提高性能與節(jié)材方面達到很好的結(jié)合,具有廣闊的應(yīng)用前景.另外,對于涂層材料需指出的是,由于涂層與基體之間存在一個性能突變的界面,尤其是熱膨脹系數(shù)相差較大,難以得到足夠的結(jié)合強度,并在高溫下內(nèi)外溫差較大的使用環(huán)境中,界面處易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力而引起涂層的剝落.這也是引起熱疲勞破壞的一個主要原因.在功能梯度材料研究基礎(chǔ)上開展的功能梯度薄膜的研究,就很好地解決了這一問題.功能梯度薄膜材料就是使成分、組織、性能從基體到表面呈無界面連續(xù)變化,這一材料具有表面改性技術(shù)的優(yōu)點和功能梯度材料的特殊性能,有廣闊的研究和應(yīng)用前景.相信經(jīng)過艱苦的努力,在不遠的將來,金屬基復(fù)合材料作為復(fù)合材料的一個分支,會有舉足輕重的地位,并在眾多材料行列中占有一席之地.參考文獻 Latanish R M.Corrosion Science Corrion Engineering and Advanced Technologies.CORROSION SCIENCE , 1995 ,51(4): 270～283 2 肯尼思.G.克雷德,金屬基復(fù)合材料.北京:國防工業(yè)出版社,1982 3 風(fēng)儀.纖維強化金屬基復(fù)合材料及其應(yīng)用.機械工程材料,Fcb.1995 4 池野進等.輕金屬(目).1987 :37(6)5 Singer A R E et al.Powder Metall , 1985 ,28(2):72 6 蘇瑩.非連續(xù)物增強鎂基復(fù)合材料.機械工程材料,1996(2):6～8 7 Hunt M.高溫金屬基復(fù)合材料.國外金屬材料,1991 ,4 :8～10 8 林化春,丁潤剛.鎳基合金-碳化鉻復(fù)合涂層顯微組織和相結(jié)構(gòu)分析.金屬熱處理學(xué)報,1996(6):55～58 9 Stefanescu D M.Key Eng Mater , 1993 ,79-80 :74 10 謝國宏.材料工程,1994(12):5

第五篇：我國金屬鑄造工業(yè)的過去現(xiàn)狀和未來

我國金屬鑄造工業(yè)的 歷史、現(xiàn)狀及未來

摘要：鑄造最為一種歷史悠久的加工技術(shù)，至今已有近六千年的歷史，隨著社會的發(fā)展，鑄造業(yè)已逐漸成為制造工業(yè)的基礎(chǔ)之一，并且直接關(guān)系著國家制造業(yè)的發(fā)展，本文從我國鑄造業(yè)的歷史寫起，著重寫了了我國悠久的鑄造歷史和輝煌的成就，隨后結(jié)合我國鑄造業(yè)的現(xiàn)狀，分析了當前我國鑄造業(yè)的基本情況和不足。并以此為基礎(chǔ)，提出了若干條關(guān)于未來我國鑄造業(yè)發(fā)展的路線。

關(guān)鍵詞：鑄造，歷史，現(xiàn)狀，未來 0 引言

所謂鑄造，就是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造是金屬成形的一種最主要方法，它是熱加工的基礎(chǔ)。鑄造毛坯因近乎成形，而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了制作時間．鑄造是現(xiàn)代裝置制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。常見的被鑄金屬有銅、鐵、鋁、錫、鉛等，普通鑄型的材料是原砂、黏土、水玻璃、樹脂及其他輔助材料。特種鑄造的鑄型包括：熔模鑄造、消失模鑄造、金屬型鑄造、陶瓷型鑄造等。我國鑄造工業(yè)的歷史

鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。我國的是世界上較早掌握鑄造技術(shù)的文明古國之一，現(xiàn)存最早的鑄造零件（銅制武器和崇拜偶）它們的歷史可以追溯到公元前3000年。我國在2500 多年以前(公元前513年)就鑄出270kg的鑄鐵刑鼎。我國商朝制造的銅絨具有鐵刃，據(jù)考證那時的鐵刃是用隕鐵鍛造而成，然后鑲鑄上銅背。我國是最早應(yīng)用鑄鐵的國家之一，自周朝末年開始有了鑄鐵，鐵制農(nóng)具發(fā)展很快，秦、漢以后，我國農(nóng)田耕作大都使用了鐵制農(nóng)具。到宋朝我國已使用鑄造鐵炮和鑄造地雷。表明我國當時已具有相當先進的鑄造生產(chǎn)水平，至今仍有大批文物留存，而我國鑄造技術(shù)的進步也為世界文明的進步起了推動作用。

我國在商朝起就己創(chuàng)造了燦爛的青銅文化，我國的一個成語“鐘鳴鼎食”寫出了當時貴 族權(quán)勢的生活景象，也從一個側(cè)面反映出了我國當時先進的鑄造技術(shù)。在1978年，湖北省隨縣出士的曾候乙墓青銅器重達l0t，其中有64件的一套銅編鐘，分八組，包括輔件在內(nèi)用銅5 t。鐘面鑄有變體龍紋和花卉紋飾，有的細如發(fā)絲，鐘上共鑄有錯金銘文2800 多字，標記音名、音律。每鐘發(fā)兩音，一為正鼓音，一為右鼓音。整套編鐘音域?qū)掃_五個半八度，可演奏各類樂曲，音律準確和諧，音色優(yōu)美動聽。鑄造工藝水平極高，可稱得是我國古代青銅鑄造的代表作，這套編鐘的鑄造時代據(jù)考證是距今2400年前的戰(zhàn)國初期。現(xiàn)存于北京大鐘寺內(nèi)的明朝永樂大鐘，鑄于明永樂18年（公元418~1422年）前后，全高6.75m，鐘口外徑3.3 m，鐘唇厚0.185 m，重46.5 t。鐘體的內(nèi)外鑄滿經(jīng)文，共約22700余字。大鐘至今完好，聲音幽雅悅耳，距鐘 15 ~ 20 km 都能聽見，是世界上罕見的古鐘之一。同時我國古代的鐘、鼎、搏等文物，有不少是熔模鑄造的，其工藝復(fù)雜，鑄工之精湛、鑄件之精美，體現(xiàn)出了我國當時先進的鑄造工藝。

1953年在河北省興隆縣的古燕國鑄冶作坊遺址的發(fā)掘中，發(fā)現(xiàn)距今2200~ 2350年的戰(zhàn)國時期的鐵質(zhì)鑄型等87件，可用于鑄造鐵鋤、鐵斧、鐵鐮，鐵鑿和車具等，其中鋤上有方孔，用于固定穿過的鐵芯，鑄型的外側(cè)還留有定位和夾緊的凸臺，從這里可以看出早在戰(zhàn)國時期，鑄鐵件在我國已廣泛應(yīng)用了。現(xiàn)立于河北省滄州的大鐵獅，高5 m多，長近6 m，重達19.3 t，是公元9世紀五代后周時鑄成的。現(xiàn)立于當陽的鐵塔，由13層疊成，總重達40t，鑄于北宋淳熙年間。而早在在公元前500年，我國就已成功地運用了疊箱鑄造技術(shù)來大量生產(chǎn)鑄鐵件。這些都向世人展現(xiàn)了我國古代鑄造工藝的水平和高超技藝。

很早以前，我國鑄造模具的制造技術(shù)就已經(jīng)很精湛，例如考古發(fā)現(xiàn)：當單件生產(chǎn)時，采用粘砂土、蠟型等制作消失模；當批量生產(chǎn)時，采用石頭或金屬制作的耐用模。考古甚至發(fā)現(xiàn)使用型芯來加工中空結(jié)構(gòu)的技術(shù)也已在最早的金屬鑄件得到應(yīng)用。

18世紀下半葉，新技術(shù)的發(fā)展和鑄件逐步增長的需求，極大刺激了金屬鑄造行業(yè)的發(fā)展。設(shè)計優(yōu)雅的鑄鐵件不再只用于制造裝飾品和農(nóng)具，也逐漸被用于機器零件的制造和日用品的生產(chǎn)。

我國古代鑄造技術(shù)居世界先進行列。遺憾的是，由于過長的封建社會的腐朽統(tǒng)治和閉關(guān)鎖國嚴重影響了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也阻滯了我國鑄造技術(shù)前進的步伐，到新中國成立時，我國的現(xiàn)代鑄造技術(shù)幾近于無。在新中國成立后，在中國共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，我國勞動人民和科研人員一起，幾乎從零開始，發(fā)展到了新的水平。當前我國鑄造技術(shù)接近世界先進水平；在技術(shù)提高的同時也創(chuàng)造了大量的工作崗位，已經(jīng)成為了國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一。我國鑄造工業(yè)的現(xiàn)狀

在建國后，在黨和國家的大力關(guān)懷和支持下，我國的鑄造技術(shù)和產(chǎn)量都有了長足的發(fā)展，逐漸接近世界先進水平。我國鑄件產(chǎn)量也在今年超越美國位居世界第一，數(shù)千億的產(chǎn)值和巨大的產(chǎn)量是我國成為世界主要的鑄造生產(chǎn)基地。但是當前世界的主要鑄造大國卻可以分為兩類：一是發(fā)達國家如美國、日本及歐洲等國采用高新技術(shù)生產(chǎn)高附加值、高精度、特種合金的鑄件；二是以我國為代表的發(fā)展中國家，雖然是鑄造大國，但是主要從事低技術(shù)、低附加值、低效益的鑄件生產(chǎn)。

目前西方發(fā)達國家因為采用先進的鑄造技術(shù)和嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量控制體系下，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化、機械化，而且在生產(chǎn)中重視用信息化提升鑄造工藝設(shè)計水平，普遍應(yīng)用軟件進行充型凝固過程模擬和工藝優(yōu)化設(shè)計。以此為基礎(chǔ)，這些國家能夠較好的將生產(chǎn)中的廢品率控制在2%～5%。

西方國家除了在技術(shù)方面普遍的領(lǐng)先地位，在勞動生產(chǎn)率上也有巨大的優(yōu)勢。據(jù)估計日本的勞動生產(chǎn)率是人均年產(chǎn)鑄件140噸，我國約為20噸，相差7倍。而且近年來由于鐵礦石等原材料價格的猛漲，更使我國等以低檔次產(chǎn)品為主的國家的鑄造工業(yè)收到了打擊。

在國內(nèi)，鑄造業(yè)是關(guān)系國計民生的重要行業(yè)，是汽車、石化、鋼鐵、電力、造船、紡織、裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是制造業(yè)的重要組成部份。在機械裝備中，鑄件占整機重量的比例能夠達到50%甚至很高。汽車中的關(guān)鍵部件幾乎全部鑄造而成；冶金、礦山、電站等重大設(shè)備都依賴于大型鑄鍛件，鑄件的質(zhì)量直接影響著整機的質(zhì)量和性能。從產(chǎn)業(yè)的分布來看，我國鑄造生產(chǎn)企業(yè)主要分布在東部，西部產(chǎn)量較少。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)看，既有從屬于主機生產(chǎn)廠的鑄造分廠或車間，也有專業(yè)鑄造廠，還有大量的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠。就規(guī)模和水平而言，既有工藝先進、機械化程度高、年產(chǎn)數(shù)萬噸鑄件的大型鑄造廠，如重型行業(yè)、汽車行業(yè)、航空工業(yè)的一些先進的鑄造廠；也有工藝落后、設(shè)備簡陋、手工操作，年產(chǎn)鑄件百余噸的小型鑄造廠。

總之，目前我國鑄造行業(yè)的技術(shù)水平比發(fā)達國家落后約20年，無法滿足國民經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。技術(shù)落后、設(shè)備陳舊、能耗和原材料消耗高、環(huán)境污染嚴重以及工人作業(yè)環(huán)境惡劣等問題，已經(jīng)成為行業(yè)的共識。

而這些情況具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1、工藝水平低，鑄件質(zhì)量差；

①鑄件加工余量大。由于缺乏科學(xué)的設(shè)計指導(dǎo)，工藝設(shè)計人員憑經(jīng)驗難以控制變形問題，鑄造的加工余量一般比國外大1—3倍。加工余量大，鑄件的能耗和原材料消耗嚴重，加工周期長，生產(chǎn)效率低，已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

②大型鑄件偏析和夾雜物缺陷嚴重。大型鑄鋼件和大型鋼錠在凝固結(jié)束后，在冒口根部、鑄件的厚大斷面存在宏觀偏析、晶粒粗大問題。

③鑄件裂紋問題嚴重。

④澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理。由于設(shè)計不當，存在卷氣、夾雜等缺陷，導(dǎo)致鑄件出品率和合格率低。

⑤模擬軟件應(yīng)用不普及。鑄造過程模擬是鑄件生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)，在國外，如果沒有計算機模擬技術(shù)，就拿不到訂單。我國的鑄造業(yè)計算機模擬起步較早，雖然核心計算部分開發(fā)能力較強，但整體軟件包裝能力較差，導(dǎo)致成熟的商業(yè)化軟件開發(fā)遠落后于發(fā)達國家，相當一部分鑄造企業(yè)對計算機模擬技術(shù)望而卻步，缺乏信任。目前這種局面雖有所好轉(zhuǎn)，但在購買了鑄造模擬軟件的企業(yè)中，能夠發(fā)揮其作用的還不多見，急需對企業(yè)員工進行軟件應(yīng)用培訓(xùn)。

⑥普通鑄件的生產(chǎn)能力過剩，高精密鑄件的制造依然困難，核心技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品仍依賴進口。

2.2、能耗和原材料消耗高；

我國鑄造行業(yè)的能耗占機械工業(yè)總耗能的25%—30%，能源平均利用率為17%，能耗約為鑄造發(fā)達國家的2倍。我國每生產(chǎn)1噸合格鑄鐵件的能耗為550—700公斤標準煤，國外為300—400公斤標準煤，我國每生產(chǎn)1噸合格鑄鋼件的能耗為800—1000公斤標準煤，國外為500—800公斤標準煤。據(jù)統(tǒng)計，鑄件生產(chǎn)過程中材料和能源的投入約占產(chǎn)值的55%—70%。中國鑄件毛重比國外平均高出10%—20%，鑄鋼件工藝出品率平均為55%，國外可達70%。

2.3、環(huán)境污染嚴重、作業(yè)環(huán)境惡劣；

我國除少數(shù)大型企業(yè)如一汽、二汽、大起大重、沈陽黎明公司等生產(chǎn)設(shè)備精良、鑄造技術(shù)先進、環(huán)保措施基本到位以外，多數(shù)鑄造廠點生產(chǎn)設(shè)備陳舊、技術(shù)落后、一般很少顧及環(huán)保問題。上世紀80年代，政府對規(guī)模小、技術(shù)水平低、污染嚴重的企業(yè)進行了專業(yè)化調(diào)整，提高了企業(yè)的集約化程度，但鑄造生產(chǎn)的粗放型特征沒有得到根本改變。生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣、作業(yè)條件差、技術(shù)落后、粗放式生產(chǎn)的鑄造企業(yè)占90%以上；1998年在匈牙利舉辦的第63屆世界鑄造會議上頒發(fā)了環(huán)境保護獎，獲獎鑄造廠中沒有一個在中國，這與中國的鑄造大國地位極不相稱。我國鑄造業(yè)的環(huán)境問題還表現(xiàn)在對自然資源的超量消耗上。

鑄造生產(chǎn)中爐料主要是生鐵、廢鋼、焦炭、石灰石等、型砂、芯砂。主要是原砂、粘土、煤粉、樹脂等粘結(jié)劑、固化劑、舊砂等的運輸、混砂、造型、制芯、烘烤、熔化、澆注、冷卻、落砂、清理和后處理等工序，就其作業(yè)內(nèi)容來講是在機械振動和噪聲中進行，有的還在高溫?如熔化、澆注中作業(yè)，有的產(chǎn)生刺激性氣味，粉塵作業(yè)環(huán)境更是惡劣。在我國鑄造車間每生產(chǎn)1噸鑄件，約散發(fā)50公斤粉塵，熔煉和澆注工序排放廢渣200公斤、廢氣20立方米，造型和清理排廢砂約13—15噸。以年產(chǎn)2200萬噸鑄件計，每年排污物總量為：廢渣440萬噸、廢砂近1650萬噸、廢氣4億立方米。這些數(shù)據(jù)足以說明我國鑄造行業(yè)環(huán)境問題的嚴峻程度，采用高技術(shù)實現(xiàn)綠色鑄造是當前需要重點解決的關(guān)鍵問題。

2.4、人才短缺；

鑄造技術(shù)人才嚴重短缺是制約我國鑄造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。主要表現(xiàn)在：①技術(shù)及管理人員數(shù)量偏少，分布不均，最少的工廠技術(shù)及管理僅占總職工人數(shù)的12%，最多的工廠占到323%，相差27倍之多，國企尤其是軍工企業(yè)比例高。②高級人才數(shù)量少。鑄造企業(yè)技術(shù)管理人才基本以中專、大專和本科生為主，特別是中專、大專生數(shù)量為多，研究生很少。③新人才來源困難。很多高校在上世紀90年代后不再設(shè)置鑄造專業(yè)，一些大中企業(yè)的廠辦學(xué)校也有下降趨勢，新人才的來源日益困難。

鑄造人才缺乏的根本原因在于企業(yè)待遇低、工作環(huán)境差。國有企業(yè)在崗職工年齡40歲以上的占80%，20—40歲的人員很少，出現(xiàn)斷檔。民營企業(yè)從事鑄造的專業(yè)技術(shù)人才，從年齡上看，大部分也在60歲以上，絕大多數(shù)工人更是極少經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，許多是農(nóng)民工從事鑄造生產(chǎn)。整個行業(yè)的技術(shù)水平尤其是質(zhì)量意識和質(zhì)量控制水平不適應(yīng)市場競爭的要求。我國鑄造業(yè)的未來及發(fā)展的對策

目前我國鑄造業(yè)正處在從鑄造大國向鑄造強國起步的新階段。必須克服現(xiàn)實的能源、資源、人才瓶頸和環(huán)境問題的困擾。因此，必須抓住機遇，利用高技術(shù)提升鑄件質(zhì)量，扭轉(zhuǎn)中國鑄件在國際市場上技術(shù)含量不高、價格低廉的形象。要扶持一批具有優(yōu)勢的鑄造企業(yè)使之成為具有國際競爭力的帶動中國鑄件出口的龍頭企業(yè)。

為了實現(xiàn)我國有鑄造大國向鑄造強國的轉(zhuǎn)變，我們應(yīng)該做到以下幾點：

3.1、加強對鑄造新工藝、新材料、新設(shè)備的研究；

加強鑄造業(yè)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，鑄造行業(yè)中許多金屬材料都是通用的和關(guān)鍵的，因而應(yīng)注重工藝研究和改進，同時又要加強材料工藝及計算機模擬等先進技術(shù)的采用以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。實際上，國內(nèi)過分強調(diào)發(fā)展新材料而忽視通用關(guān)鍵材料的工藝設(shè)計和質(zhì)量穩(wěn)定等方面研究，而生產(chǎn)設(shè)備上許多問題卻都出在這里，如三峽使用的水輪機轉(zhuǎn)輪材料。

逐步減少和消除小沖天爐，發(fā)展10噸/小時以上大型沖天爐，并根據(jù)需要采用外熱送風(fēng)、水冷無爐襯連續(xù)作業(yè)沖天爐；推行沖天爐?感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉工藝；推廣沖天爐除濕送風(fēng)技術(shù)，沖天爐變頻控制技術(shù)，增加除塵裝置，減少電力耗費。

深入開展大型鑄鋼件的冶煉和澆注工藝研究。采用精煉技術(shù)、氣體保護澆注技術(shù)，AOD精煉技術(shù)和選擇合適的耐火材料提高鑄件的純凈度，提升鑄件質(zhì)量。采用新型澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計原則，提高鑄件質(zhì)量和工藝出品率。以可視化鑄造技術(shù)發(fā)展起來的新型無氣隙澆注系統(tǒng)設(shè)計是鑄造工藝的一項重大創(chuàng)新，金屬所與一重集團利用此技術(shù)已能夠制造大型鑄鋼支承輥。

3.2、開發(fā)環(huán)保型鑄造原輔材料；、建立新的與高密度粘土型砂相適應(yīng)的原輔材料體系，根據(jù)不同合金、鑄件特點、生產(chǎn)環(huán)境、開發(fā)不同品種的原砂、無污染的優(yōu)質(zhì)殼芯砂；抓緊我國原砂資源的調(diào)研與開發(fā)，開展取代特種砂的研究和開發(fā)人造鑄造用砂；研究并推廣使用清潔無毒的原輔材料，使用無毒無味的變質(zhì)劑、精煉劑、粘結(jié)劑，開發(fā)環(huán)保型砂芯無機粘結(jié)劑；用濕型砂無毒無污染粉料光潔劑代替煤粉等；采用高潰散性型砂工藝，如樹脂砂、改性酯硬化水玻璃砂工藝、新型酯固化水玻璃，納米改性水玻璃；加強對水玻璃砂吸濕性、潰散性研究，尤其應(yīng)大力開發(fā)舊砂回用新技術(shù)，環(huán)保型砂處理及再生技術(shù)；盡可能再生回用鑄造舊砂，研究鑄造用后的舊砂用于高速公路路基材料，特別是鉻鐵礦砂的回收利用。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，以“減量化?REDUCE、再利用(REUSE)、再循環(huán)(RECYCLE)”為行業(yè)準則(3R原則)，走集約化清潔生產(chǎn)之路，合理使用資源，使用可再生材料和能源，確保鑄造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3.3、構(gòu)建共性技術(shù)和高技術(shù)傳輸平臺；

①針對企業(yè)存在的共性問題，提高產(chǎn)品的合格率和工藝出品率，降低能耗和原材料消耗，實現(xiàn)綠色鑄造。支持科研單位面向生產(chǎn)需求、著力解決生產(chǎn)實際問題，這應(yīng)當成為鑄造技術(shù)研究的主攻方向。

②建立高技術(shù)傳輸平臺。開發(fā)關(guān)鍵件的鑄造技術(shù)，實現(xiàn)國產(chǎn)化。通過與國外的研究機構(gòu)和企業(yè)合作，引進消化高新鑄造技術(shù)，與工廠一道開發(fā)關(guān)鍵件的鑄造技術(shù)研究，并轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品進入市場。希望政府在這方面加強投入，鼓勵大的科研機構(gòu)與大型企業(yè)集團共同合作，解決事關(guān)國計民生的關(guān)鍵件的國產(chǎn)化問題。

3.4、注重能源與環(huán)保立法；

鑄造行業(yè)勞動條件惡劣，對環(huán)境的危害也較大。應(yīng)加大政策法規(guī)對這方面的限制力度，環(huán)保勞保的準入門檻也應(yīng)升高，已有的技術(shù)落后、污染嚴重的鑄造廠點應(yīng)關(guān)閉。提高從事冶煉、澆注和清理作業(yè)的工人和臨時工的待遇，并為其提供保險。加強能源的科學(xué)管理，加強節(jié)能技術(shù)改造或高耗能設(shè)備的更新?lián)Q代。

3.5、制定人才政策，加強技能培訓(xùn)；

由于鑄造是個苦臟累的行業(yè)，待遇也低，因此學(xué)生不愿學(xué)，工人不愿干，許多跨入這個行業(yè)的人也想盡辦法跳槽，造成人才短缺。國家應(yīng)從長遠考慮，制定吸引和穩(wěn)定人才的政策。針對目前許多高校不設(shè)鑄造專業(yè)的情況，可采取企業(yè)委托培養(yǎng)及廠校聯(lián)合辦學(xué)方式培養(yǎng)人，并且要特別重視對其計算機軟件的培訓(xùn)。通過建立全國性和地區(qū)性的技術(shù)培訓(xùn)基地，提高技術(shù)人員和工人的鑄造水平。同時還要加強鑄造企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)和管理人員的培訓(xùn)，使其掌握現(xiàn)代管理知識，建立起現(xiàn)代管理體系，使企業(yè)依靠管理出效益。

3.6、注重自主創(chuàng)新；

加大鑄造企業(yè)的重組和結(jié)構(gòu)調(diào)整，進行專業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)地域化聚集，壯大龍頭企業(yè)，使中小企業(yè)圍繞產(chǎn)業(yè)鏈集聚，實現(xiàn)基礎(chǔ)配套、特殊工序裝備、檢測設(shè)備、信息網(wǎng)絡(luò)、環(huán)保設(shè)施等資源共享；充分權(quán)衡當?shù)氐馁Y源、人力、資本和市場，把握優(yōu)勢，突出集群的特點。在企業(yè)、產(chǎn)品集聚的同時，實現(xiàn)信息的集聚、人才的集聚、技術(shù)的集聚，甚至競爭的集聚，產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。不應(yīng)盲目地購買技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)品，必須加強自主創(chuàng)新，生產(chǎn)更多滿足國民經(jīng)濟和國防安全的高精尖鑄件，并將材料研究融入其中，參與國際競爭。結(jié)論

只有走這條道路，我國的鑄造工業(yè)才能夠在目前激烈的國際競爭中站穩(wěn)腳跟，為我國從鑄造大國轉(zhuǎn)型為鑄造強國鋪平道路。

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