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          材料科學中那些“高不可攀”的金屬

          2017-02-11 15:47:49 深圳市奧美特納米科技有限公司 閱讀

           

          【材料+】說:

           

          圖片關鍵詞

           

          高端金屬結構材料是指較傳統金屬結構材料具有更高的強度、韌性和耐高溫、抗腐蝕等性能的金屬材料。結構材料指以力學性能為主的工程材料;而高性能結構材料一般指具有更高的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能,并適應特殊環境要求的結構材料。在材料科學領域,除了高性能結構材料,還有新型功能材料和先進復合材料

                  具體而言,高端金屬結構材料主要包括高品質特殊鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金四大類別,涉及65種重點產品目錄。其中,高品質特殊鋼和鋁合金最為常見,技術相對成熟,應用領域也比較廣。高品質特殊鋼廣泛應用于核電、汽車、航空航天、造船等產業,鋁合金則主要應用于運輸工業領域。鎂合金和鈦合金則因其優異的性能,近年來備受青睞。在美國,55%以上的鈦合金都被用來發展航空航天等高端科技領域,鎂合金則在消費電子、醫療、汽車等領域出現爆發式增長,大有替代鋁合金等傳統合金之勢。

          高品質特殊鋼

                  根據《規劃》,高品質特殊鋼“以滿足裝備制造和重大工程需求為目標,發展高性能和專用特種優質鋼材。”重點發展的特殊鋼分為五大類別,分別是核電用鋼、超超臨界火電用鋼 、 高品質不銹鋼、高性能汽車鋼和其他高品質特殊鋼。以滿足裝備制造和重大工程需求為目標,發展高性能和專用特種優質鋼材。重點發展核電大型鍛件、特厚鋼板、換熱管、堆內構件用鋼及其配套焊接材料,加快發展超超臨界鍋爐用鋼及高溫高壓轉子材料、特種耐腐蝕油井管及造船板、建筑橋梁用高強鋼筋和鋼板,實現自主化。積極發展節鎳型高性能不銹鋼、高強汽車板、高標準軸承鋼、齒輪鋼、工模具鋼、高溫合金及耐蝕合金材料。

                  其中涉及的重點產品包括核島壓力容器鋼板、700℃蒸汽參數超超臨界火電機組用鋼、超純鐵素體不銹鋼、高品質軸承鋼等34種,占據了高端金屬材料重點產品目錄的一半以上。生產這些高品質特殊鋼的的關鍵技術,是開發超高純鐵(S+P<35ppm)冶煉、大規格鑄錠熔鑄、大鍛件最佳化學成分配比、成型和熱處理工藝技術,低成本、低能耗高品質特鋼流程技術,關鍵裝備則是開發高功率(單槍功率≥500Kw)電子束爐和等離子爐,大型特鋼精煉真空電渣爐。高特質特殊鋼上游行業是黑色金屬冶煉,而下游的應用則包括核電、汽車 、航空航天、造船等產業,二級市場中涉及高品質鋼生產的企業有15家。其中,飛機制造和船舶制造由于兼備“航天軍工”概念,符合戰機和航母制造標準的特殊鋼生產企業具備較大的想象力。

           

          重大裝備關鍵配套金屬結構材料

          1、電力

                  核電用汽輪機轉子鍛件、發電機轉軸鍛件、承壓殼體材料、換熱管材、堆內構件材料、鋯合金包殼管等;超超臨界火電機組鍋爐管、葉片、轉子;燃機用高溫合金葉片、高溫合金輪盤鍛件;水電機組用大軸鍛件、抗撕裂鋼板、薄鏡板鍛件等。

          2、交通運輸

                  軌道列車用大型多孔異型空心鋁合金型材、高速鐵路車輪車軸及軸承用鋼;車輛用第三代汽車鋼及超高強鋼、高品質鋁合金車身板、變截面軋制板、大型鎂合金壓鑄件、型材及寬幅板材等。

          3、船舶及海洋工程

                  船用高強度易焊接寬厚板、特種耐腐蝕船板、貨油艙和壓載艙等相關耐蝕管系材料、殷瓦鋼等;海洋工程用高強度特厚齒條鋼、大口徑高強度無縫管、不銹鋼管及配件、深水系泊鏈、超高強度鋼等。

          4、航空航天

                  高強、高韌、高耐損傷容限鋁合金厚、中、薄板,大規格鍛件、型材、大型復雜結構鋁材焊接件、鋁鋰合金、大型鈦合金材、高溫合金、高強高韌鋼等。

          新型輕合金材料

                  以輕質、高強、大規格、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞為發展方向,發展高性能鋁合金、鎂合金和鈦合金,重點滿足大飛機、高速鐵路等交通運輸裝備需求。積極開發高性能鋁合金品種及大型鋁合金材加工工藝及裝備,加快鎂合金制備及深加工技術開發,開展鎂合金在汽車零部件、軌道列車等領域的應用示范。積極發展高性能鈦合金、大型鈦板、帶材和焊管等。

                  鋁合金方面,共包括高性能鋁合金半固態坯料及零件、渦輪發動機壓葉輪材料、深冷鋁合金板材等9種重點產品。由于鋁合金的生產工藝和技術也相對比較成熟,二級市場上涉及鋁合金生產的企業也比較多,共有21家。鋁合金由于性價比較高,在下游的應用領域也比較廣泛:在汽車、航空航天、高鐵、地鐵等運輸工業領域的應用尤為常見。鋁合金與鎂合金、鈦合金統稱為高強輕型合金材料,被《規劃》列入十二五期間的十大重點發展工程之一。鋁合金發展的目標,是“到2015年,關鍵新合金品種開發取得重大突破,形成高端鋁合金材30萬噸。”

                  鈦合金方面,十二五期間重點發展的產品有優質寬幅冷軋純鈦板材、鈦及鈦合金帶材等10種,主要應用領域是航空航天、核電和海洋裝備等方面。“鈦合金十二期間的發展目標,是到2015年,形成高端鈦合金材2萬噸。”

                  鎂合金方面,高端金屬結構材料中最具想象力的,無疑是鎂合金。鎂合金是壓鑄常用合金中最輕的金屬,密度是鋁的三分之二、鋼的四分之一,具有比重輕,強度高、阻尼性及切削加工性好、導熱性好、電磁屏蔽能力強以及減振性好和易于回收等優點,能夠滿足汽車工業減重以及通迅電子器件高度集成化和輕薄小型化的要求。《規劃》中,鎂合金包括耐熱鑄造鎂合金、高性能鎂合金擠壓型材等12種重點產品,并提出“到2015年,要形成高強鎂合金壓鑄及型材和板材15萬噸的生產能力”的目標。

                 近年來,由于復合材料和鈦合金的用量增加,最新設計的飛機中鋁合金的用量相對減少,但高純、高強、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

          高端金屬結構材料關鍵技術和裝備

          1、高品質特殊鋼技術

                  開發超高純鐵(S+P<35ppm)冶煉、大規格鑄錠熔鑄、大鍛件最佳化學成分配比、成型和熱處理工藝技術,低成本、低能耗高品質特鋼流程技術。

          2、新型輕合金材料技術

                  發展高潔凈、高均勻性合金冶煉和凝固技術,大規格鑄錠均質化半連鑄技術,大型材等溫擠壓、拉伸與校正技術,復雜鍛件等溫模鍛、鋁合金板材新型軋制、中厚板(80-200mm)固溶淬火、預拉伸與多級時效技術,高性能鑄造鎂合金及高強韌變形鎂合金制備、低成本鎂合金大型型材和寬幅板材加工、腐蝕控制及防護技術,鈦合金冷床爐熔煉、15噸以上鑄錠加工、2噸以上模鍛件鍛壓、型材擠壓、異型管棒絲材成型和殘料回收技術。

          3、高端金屬結構材料關鍵裝備

                  開發高功率(單槍功率≥500Kw)電子束爐和等離子爐,大型特鋼精煉真空電渣爐,高純凈大規格鋁錠半連鑄裝備,等溫模鍛、等溫擠壓、固溶淬火、三級時效等裝備,大型厚板預拉伸、時效成型熱壓及超聲摩擦攪拌焊接裝備,8噸以上鈦合金熔煉真空自耗電弧爐,30MN以上鎂合金壓鑄機和擠壓機,大面積等溫焊接等成套裝備。

           

                  總之,其實金屬材料的種類很多,有很多金屬并不像鋼材,銅那么常見,很多金屬材料實際上是我們“不可高攀”的,它們從產量,制備,性能,后期加工都有著不可估量的價值。我國的研究人員也在努力的研發這些金屬的使用性能以及高性能的加工技術,以其獲得技術上的突破,從而大范圍的推廣這些高端結構金屬材料。

           

           


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