金属采矿方法现状

第一篇：金属采矿方法现状

金属采矿方法现状

单位：辽宁工程技术大学 院系：矿业学院

专业班级：采矿专业14-2班 姓名：刘振宇 学号：1401020220 指导教师：王鑫阳

2016年10月11日 / 8

内容摘要

伴随着社会经济的迅速进步与不断发展,人们对于金属的需求逐渐提高。摘要讨论了我国金属矿山主要采矿方法的特点、应用情况，系统和全面地介绍了 50 年来我国金属矿山采矿技术在露天开采、井巷掘进、采矿方法、矿山充填、采矿装备和采矿环境控制等方面的主要成就,其中露天开采方法主要有：陡帮开采，松土机-铲运机露天开采，间断连续开采，高阶段采矿，露天开采工艺：陡坡铁路，装备大型化，边坡稳定与境界，边坡监控，露天地下联合开采。地下开采方式：空场采矿法，崩落采矿法，充填采矿法，深部开采，原地溶浸采矿法。

关键词：采矿方法现状；露天开采；地下开采。

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

目录

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

第1章金属矿的种类………………………………………………………………………………………………...4

第2章中国金属矿的采矿方法………………………………………………………………………………….…4

2.1露天开采………………………………………………………………………………………………….…....4

2.1.1露天开采工艺………………………………………………………………………………………………..5

2.1.2爆破技术………………………………………………………………………………………………………..6

2.2地下开采工艺…………………………………………………………………………………………………6

2.2.1空场采矿法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.2崩落采矿法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.3 充填采矿法…………………………………………………………………………………………………….6

2.3深部开采………………………………………………………………………………………………………….….7

2.4原地溶浸采矿法…………………………………………………………………………………………….……7

第3章结语………………………………………………………………………………………………………………….8

参考文献……………………………………………………………………………………………………………………..…8/ 8

引言

中国是一个金属矿采矿历史非常悠久的国家。三千年之前，就已经开始通过凿井对铜矿资源进行开采。两千多年前，开采技术已非常广泛地运用在矿产资源开采当中。但近代之后，我国金属矿开采技术一直处于长时间落后的状态，矿产资源的生产大都是经过手工作业的方式进行。直至50年代，金属矿采技术才获得了一定程度的发展和进步。特别是最近三十年，我国逐渐对现代化采矿技术和采矿工艺开展了全方位的探究。在露天陡帮的开采、连续和间断开采、分段中深孔的采矿、大直径深孔的采矿、自然崩落采矿、机械分层的采矿、溶提采矿、岩体加固和支护、高效率的矿山充填、井下成套采矿装备、矿山的防治水、露天的成套采矿装备等方面都获得了非常大的成效。为此，我国金属矿采矿技术水平得到了迅猛提升，这将促使金属矿开采技术的飞速发展与进步。第1章金属矿的种类

所谓金属矿是指经冶炼可以从中提取金属元素的矿产。如黑色金属矿产:铁、锰、铬、钒、钛等是用做钢铁工业原料的矿产。有色金属矿产包括：铜、锡、锌、镍、钻、钨、目、汞等。贵金属包括：自、铑、金、银等。轻金属矿产包括:铝、镁等。稀有金属矿产包括：锂、铍、稀土等。多数金属狂插的共同特点主要表现在质地比较坚硬、有光泽等方面。金属矿产按其物质成分、性质和用途可分为5类：黑色金属矿产、有色金属矿产、贵金属矿产、称有分散元素矿产、半金属矿产。第2章中国金属矿的采矿技术 2.1露天开采

露天开采的地下开采两者比较起来，还是露天开采的量还是比较大的，新世纪一来，两者的产量比已经基本稳定在5:1到6:1左右，露天采矿占84°%,地下采矿占16%。虽然浅部的资源可开发量在不断减少，而深部的可开采资源量在不断增加，这一比例会受其影响不断减小,但是露天开采量还是会占到较大的比重。2.1.1露天采矿工艺

现代化的露天采矿工艺的技术发展趋势是开采工艺的综合化。开采工艺的选择，贵在因地制宜。对于那种范围广阔，能力巨大的大型矿山，应该要针对不同的开采对象、不同开采地段、不同开采深度的特点，采用不同的开采工艺，组成一个综合开采工艺的开采方案, 以实现优化开采效果。这一方法已经成为现代化的露天开采技术的发展趋势了。陡帮开采技术、分期开采技术、间断一连续开采技术、高台阶开采技术等，都是现金综合采矿工艺中常用的技术。

（1）陡帮开采。这一开采技术具有初期剥离量小，基建工程量少，建设周期短和最终边坡暴露时间短等优点。因此，我国“八五”期间，将陡帮开采列入国家科技攻关项目并在南芬露天矿开展了大规模的工业试验，为我国大中型露天矿的技术改造和新建、扩建提供了实践经验。目前我国金堆城、紫金山、眼前山等矿山都采用陡帮开采。

（2）松土机一铲运机露天开采。这种开采工艺主要应用于铝土矿开采，其技术特点是用松土机松散和破碎矿岩，以代替凿岩爆破，铲运机进行装载、运输和卸载。其工艺简单一机多用，通过分层铲装实现分层开采、分层排土，是实现排土一复垦一体化的理想工艺。1984年在孝义铝矿进行了该工艺的试验研宄并取得成功，目前己推广应用。/ 8

（3）间断一连续开采。这种采矿工艺是在工作面用电铲装载矿石，经汽车运输和破碎机破碎后，用胶带运输机将矿石运出采场。这种工艺有利于发挥汽车和胶带机的优点，适合于深凹露天矿开采。自20世纪80年代开始，我国先后在大孤山、东鞍山等铁矿和德兴铜矿应用该开采工艺。1997年齐大山铁矿通过引进，建成了采场内可移动式矿岩破碎一胶带运输系统，标志着我国深凹露天矿开采工艺进入了世界先进水平。

（4）陡坡铁路。采用陡坡铁路运输是解决深凹露天矿(米深350 ~ 400 m)开拓运输问题的发展方向。深凹露天矿改用陡坡铁路运输可保证铁路运输进入露天矿更深的水平，矿山基建工程和汽车集运量分别减少2.5%和1.5%运距缩短30%,由采场向上提升矿岩的费用降低20%,而且减少线路的移道工作量，可获得巨大的经济效益。为了将铁路坡度由30 %提高到40 %目前正在进行着“十五”国家科技攻关计划，分别在攀枝花和首钢水厂铁矿实验。

（5）高台阶采矿。随着露天开采设备大型化的发展，国外一些矿山研宄并采用高台阶开采工艺。我国对高台阶开采技术的研宄起步较晚，采用高台阶开采的露天矿不多，台阶高度最大也只有14~ 15 m。近几年来我国大型露天铁矿装备水平有了很大提高，采用10 m3以上的大型挖掘设备逐渐増多，为高台阶开采新工艺的实施提供了有利的技术保证，为此，将本项目列入国家“八五”科技攻关项目，南芬露天铁矿南山扩帮区开采参数优化表明，与12 m台阶相比，18 m高台阶开采的单位成本可降低5.76% ~ 6.12%,动态效益每年可节省1 052 ~ 1 162万元。南芬露天铁矿18 m高台阶开采工艺研宄和实践表明，高台阶开采技术是成功的，经济效益可观。

（6）装备大型化。随着高新技术特别是微电子技术的进一步扩大应用，大功率柴油机和大规格轮胎相继研制成功，为装载设备大型化发展创造了条件。在21世纪必将会有采用先进技术特别是高科技微电子控制系统的、更加灵活可靠的、造价较低的更大型装载设备登上露天开采的舞台。1988年，露天矿穿孔设备实现了国产化。至20世纪90年代，国产15 t到154 t的矿用自卸汽车形成系列产品，使露天矿用汽车不再依靠进口。（7）边坡稳定与境界。露天矿山采场合理境界确定是矿山设计和工程科研中的重要内容。一旦露天矿山采场境界确定后，边坡稳定性研宄就成为检验矿山设计方案合理与否的重要手段。因而边坡岩体稳定性研宄和分析己成为露天矿山尤其是大中型露天矿山贯穿整个生命周期的重要工程课题之一。在这方面，我国许多矿山取得了一些经验，其中，石录铜矿20世纪20世纪80年代采用半掩埋式抗滑粧加固了一长为120 m、垂高高度16 m的滑体;20世纪90年代会东铅锌矿采用6座高强抗滑粧和196根34 ~ 36 m的预应力长锚索组成的抗滑粧、长锚索、锚杆联合加固方式，成功地加固了山坡露天矿高边坡上的35万m3不稳定岩体。

（8）边坡监控。在露天采矿技术较先进的国家，边坡角己达45°左右，而在我国是40°左右。为了生产安全和避免损失，必须搞好岩移监测预报。20世纪90年代随着集成电子技术的发展，矿用监测仪器向便携式小型化、智能化、高精度、多功能、多层次方面发展，例如全站仪、声发射仪。尤其是近年发展起来的“3S”技术，将使金属矿山（特别是大型露天矿边坡）的岩移监测实现遥控全天候监测。

（9）露天地下联合开采、露天转地下开采技术。我国正在进行露天转地下开采的矿山或露天与地下联合开采的矿山，如广西的大新锰矿、河北的建龙铁矿、福建的连城锰矿、河南的银洞坡金矿、安徽的新桥硫铁矿、铜山铜矿和凤凰山铜矿、吉林板石沟铁矿等。取得了大量的成功经验。2.1.2爆破技术 / 8

牙轮钻机正向増大孔径(450 mm, 480 mm)、加大孔深方向的趋势发展，而今后要主要向自动化方向发展。控制爆破技术广泛应用挤压、微差爆破、孔内微差爆破、大爆区微差爆破等技术，解决了难爆矿岩的破碎块度问题和爆破减振问题。新型炸药以及爆破器材不断问世:铵油炸药及各种衍生含水炸药、防水浆状炸药、爆药雷管、电子雷管、塑料导爆系统、气爆系统等新型爆破器材的使用对提高爆破精度、改善爆破质量、加强爆破安全等都有重大的影响。其中，在南芬露天铁矿，采用奥瑞凯雷管起爆器材，基本上实现了逐孔起爆的功能。

2.2地下开采工艺 2.2.1空场采矿法

(1)VCR法。20世纪80年代，VCR法（大直径深孔球状药包后退式崩落采矿法）首先在我国凡口铅锌矿试验成功。随后，这一高效率的采矿方法先后在金川有色金属公司、安庆铜矿、金厂略金矿和狮子山铜矿等矿山得到推广应用。1980 ~ 1985年间，在凡口铅锌矿又试验成功了另一种具有代表性的大直径深孔采矿方案，即阶段深孔台阶崩落采矿法。该采矿方法的实质是:将露天矿的台阶崩矿技术应用到地下开采中，即在采场的局部面积上，先形成切割槽，然后以这一切割槽为自由面和补偿空间，采用大直径深孔装药进行全阶段高或台阶状崩矿，崩落的矿石由采场下部的出矿系统运出。

(2)地下金属采矿连续化。地下金属矿山连续开采主要包括:矿房的连续回采、矿体(床）的连续开采、矿石的连续运送及全工艺过程的连续化。即在开采过程中一步化；回采过程中落矿、出矿、矿石运搬工艺的连续作业化;井下矿石的转载、运输、提升等环节矿石的连续化;掘进、落矿、出矿、运搬、运输等全工艺过程的连续化。2.2.2崩落采矿法

(1)无底柱分段崩落法，大结构参数。我国无底柱分段崩落法面临着一个如何加大和优化结构参数的问题。结构参数优化的主要方向是増大进路间距。増大进路间距将大幅度地减少采掘工程量，仅梅山铁矿将15 mX 15 m结构改为15 mX 20 m结构参数，将减少采掘工作量25%同时増大了一次崩矿量，提高采矿强度，降低矿石成本提高矿山的经济效益。由于増大进路间距具有较强的可操作性，易于推广应用，目前程潮、桃冲、板石沟、北铭河等矿山都应用了该技术具有重要的实践意义。低贫化放矿。低贫化放矿或无贫化放矿是指在放矿过程中当矿岩界面正常到达出矿口时便停止放出，以保持矿石界面的完整性，最大程度地减少矿岩的混杂性。低贫化放矿首先在镜铁山铁矿试验和应用成功，由于其具有简单、灵活、易于操作和无需对原采矿方法作重大改革等优点且可降低贫化、减少岩石混入而带来巨大的经济效益，因此，具有广阔的应用前景。目前，低贫化放矿在程潮、桃冲、弓长岭等矿山得到应用。

(2)自然崩落法自然崩落法是一种利用岩石自然应力落矿的方法，具有生产能力大、采矿成本低的优点，特别适用于矿体厚大、矿化均匀易于自然崩落的低品位矿床开采。其应用原理是在矿块大面积拉底后，破坏了矿块内矿体的应力平衡，引起应力重新分布，必然形成新的自然平衡拱，拱内矿石因受重力作用而周期性脱落。铜矿略矿自1989年至 2002年应用该法在810 ~ 930 m采场累计出矿量 2 450.48万t,占回采矿量的101.2%。2.2.3充填采矿法

我国先后采用干式、分级尾砂胶结、全尾砂胶结、碎石水泥浆胶结等新工艺与新技术。最近，我国成功地试验了一批具有世界先进技术水平的充填采矿工艺。具有代表性的是:高水全尾砂速凝固化胶结充填新工艺、高浓度全尾砂自流输送及泵压输送充填新工/ 8

艺、粗粒级水砂充填新工艺、膏体泵送充填工艺与技术等。其中1994年在金川镍矿建成了我国第1个膏体泵送充填系统，1999年又在铜绿山矿建成了第2个膏体泵送充填系统。

2.3深部开采

我国除1969年闭矿的石嘴子铜矿外，近年己有一批金属矿山进入深部开采，即垂直开采深度超过600m以上。例如红透山铜矿目前开采己进入 900 ~ 1 100 m深度;冬瓜山铜矿矿体埋深达1 000 m,现建成2条超1 000 m竖井正进行深部开采；弓长岭铁矿设计开拓深度一750m,距地表达1 000 m;夹皮沟金矿己有2个坑口工作深度超过600 m, 其中二道沟坑口工业矿体延深至1 050 m,湘西金矿开拓38个中段，垂深超过850 m。此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山，本世纪将进入深部开采。

国内深部开采技术:石嘴子铜矿是国内深部开采矿山之一，共22个阶段，最深达950 m。曾使用各种不同结构的浅孔留矿法，回采厚度1 ~ 35 m、平均6.3 m,平均倾角82°的矽卡岩型铜矿床，后期由于地压大，上下盘岩石收敛，顶板管理复杂，以大量矿石损失与贫化而结束回采作业。可以说是一座不成功的深部开采矿山。近期己有一批金属矿山相继进行深部开采，由于我国目前深部开采技术水平低，经验不足，因此，在第9个五年国民经济发展计划期间，国家把深部开采技术列入科技攻关研宄项目，分别在有色金属矿山的冬瓜山等3座矿山与黄金行业湘西金矿进行多项目联合攻关，通过研宄与实践，积累经验，指导其它深部金属矿床开采。2.4原地溶浸采矿法

原地溶浸采矿是将采、选、冶技术结合起来的一种直接从地下提取金属的开采工艺。铀、铜、金、银等20多种金属矿床都有可能应用溶浸采矿。我国原地溶浸采矿技术于1985年在铀矿试验成功，并己建成原地溶浸采铀矿山。1995年，长沙矿山研宄院在东乡铜矿进行了国内首次井下原地破碎浸铜试验;1998年北京矿冶研宄总院又在武山铜矿完成了原地浸铜试验。第3章结语

本文总结了我国目前的金属采矿的方法，这是我国自从50年代以来方法的总结，我国金属矿采矿技术己取得显著成就, 但总体水平仍然较低,与国际先进水平相比存在较大差距。其突出表现是多数矿山装备落后、开采规模小、劳动生产率低、矿山效益差和矿产资源利用率低。因此,矿山的效率和效益、资源保护性开采和自然环境保护 ,将在 21 世纪的一定时期内成为我国金属矿山采矿技术进一步发展的主要目标。其主要发展方向则有 :机械化大规模采矿、深井采矿、溶浸采矿和充填采矿等工艺和技术。发展机械化大规模采矿以解决矿山装备落后、开采规模小和劳动生产率低的问题,包括发展大型露天采矿装备和大型地下无轨采矿装备 ,以及高阶段深孔采矿法、高分段崩落采矿法和自然崩落采矿法等大规模地下采矿工艺。发展深井采矿技术以适应矿床开采向深部转移的需要。发展溶浸采矿是为了适应贫矿资源开采的需要 , 以提高矿山效益。发展充填采矿技术则为了充分利用矿产资源 ,实现资源保护性开采和有效地保护环境。随着科学技术的进步和采矿技术条件的进一步复杂化,还将逐步发展露天地下联合采矿技术、无爆破采矿技术、自动化采矿技术和连续采矿技术。

参考文献： / 8

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第二篇：航空航天金属间化合物研究现状

航空航天金属间化合物的研究现状

摘要：本文主要介绍金属间化合物的分类，现在的研究现状，以及金属间化合物的制备和工艺。金属间化合物简称IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物，其特点是各元素间既有化学计量的组分，而其成分又可在一定范围内变化从而形成以化合物为基体的固溶体。为了能在21吐纪保持在航空和航天领域的优势，大力推动了这方面的研究工作，并发展出一种能耐更高温度、比强度更高的新型金属间化合物高温结构材料，给新一代航空和航天器的发展开辟一个新时代。关键字：航空航天、金属间化合物、引言

由于金属间化合物材料在航天航空等国防尖端技术领域和机械、冶金、化工等一般工业领域均有着广阔的应用前景，因此，世界上工业发达的国家都投人大量的人力和资金进行金属间化合物材料的研究。美国国防部关键技术计划和国家关键技术计划中均将金属间化合物材料列为关键材料之一。德国和日本等国也有相应的计划。美国是第一个对金属间化合物燃气轮机涡轮叶片进行试验的国家，在该技术领域居领先地位，而德国、法国和日本主要工作集中在金属间化合物的研究上，而不是应用上。我国在国家自然科学基金、国家“863”高新技术及国家科技攻关项目中都将金属间化合物结构材料列为重要的研究课题。

金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主构成的二元或多元合金系中出现的中间相化合物。按照用途可将其分为两类：一类是结构材料，主要是利用其强度、刚度、硬度、耐热性和抗高温蠕变等性能；另一类是功能材料，主要是利用其特殊的光学、电学、声学和热学等特征。用做结构材料的金属间化合物有多种亚型，其中主要包括镍、铁和钛的铝化物，例如Ni3AI、NiAI、Ti3A1、Ti～及Fe3A1和Fe A1等，它们主要用做高温结构材料。由于这类高温材料是具有有序结构相的金属间化合物，故又称高温有序合金或高温金属间化合物。与镍基高温合金相比，这类材料的高温性能更好，可在更高的温度下工作，而且密度小，抗腐蚀能力强，抗蠕变、抗疲劳性能好，因而它们作为新一代飞机发动机、火箭推进系统和空间动力系统的高温结构材料有着极大的竞争力。此外，它们还可用以制作锻模、工具、化工和石化生产设备、加热元件、轴承、汽缸以及环境控制设备，等等。在上述具有广泛应用前景的众多高温金属间化合物中，Ti A1基金属间化合物近年来更引起了研究者极大的兴趣，它被视为最具竞争力的先进材料之一。1．1金属间化合物的研究现状与趋势 11．1金属间化合物的特点及应用

金属间化合物简称IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物，其特点是各元素间既有化学计量的组分，而其成分又可在一定范围内变化从而形成以化合物为基体的固溶体。当两种金11．1金属间化合物的特点及应用金属间化合物简称IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物，其特点是各元素间既有化学计量的组分，而其成分又可在一定范围内变化从而形成以化合物为基体的固溶体。当两种金属以整数比(或在接近整数比的一定范围内)形成化合物时，由于其结构与构成它的两金属的结构不同，从而形成有序的超点阵结构。金属间化合物不仅有金属键，还具有共价键，共价键的出现，使得原子间的结合力增强，化学键趋于稳定，具有高熔点、高硬度的特性；此外由于结构中原子间的结合力强，扩散减慢，导致蠕变激活能提高，所以金属间化合物具有高的抗蠕变性能；金属间化合物高的疲劳寿命是由于其长程有序结构抑制了交滑移过程，减少了滑移系统，从而降低了循环加载过程中裂纹萌生的可能性。另外，有序金属间化合物在氧化气氛中能生成致密的氧化膜，因而具有良好的抗氧化性。

此外以金属间化合物为基体的合金或材料是一种全新的材料，普通的金属材料都是以相图中端际固溶体为基体。而金属间化合物材料则以相图中间部分的有序金属间化合物为基体。与传统的金属材料相比，其性能介于金属和陶瓷之间，所以也被誉为半陶瓷材料、正是金属间化合物材料具有这些突出特性，所以这是一类极具潜力的高温结构材料。

事实上，早在20世纪50年代就已发现金属间化合物作为高温结构材料具有特殊优点，许多金属间化合物的强度随温度升高不是连续下降，而是先升高后下降。这是一种反常的强度一温度关系。这一发现推动了金属间化合物的研究热潮，并陆续在金属间化合物形变特性和屈服强度反常温度关系方面提出了新的理论模型和机制，但是由于金属间化合物材料有严重的脆性，材料的实用研究一直没有突破。1979年，日本的Izumi发现加硼可以大大提高Ni3A1金属间化合物的塑性，这一工作为解决金属间化合物的脆性问题提供了可能性。由此以美国为代表的先进工业国家，为了能在21吐纪保持在航空和航天领域的优势，大力推动了这方面的研究工作，并希望能发展出一种能耐更高温度、比强度更高的新型金属间化合物高温结构材料，给新一代航空和航天器的发展开辟一个新时代。

1980年后，美，日、欧洲诸国都组织实施了全国性的研究计划，提出了金属间化合物结构材料的长远发展目标：发展比Ni基高温合金具有更高的高温比强度的结构材料，特别注重发展一种介于镍基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料，从而充填镍基高温合金和先进高温陶瓷材料之间的空隙，这不仅是指其使用温度处于它们二者之间，而且其力学性能也介于它们二者之间，即比镍基高温合金具有更高的高温比强度，比先进高温陶瓷材料具有更高的塑性和韧性，并且在生产工艺和装备上更接近已有金属材料的生产装备。发展金属间化合物结构材料的近中期要求，是能取代一部分正在使用的比强度较差的结构材料，降低各种运载工具用引擎和运载工具本身的重量，提高比推力和效率。

总之，作为新型材料的金属间化合物，其用途十分广泛。因其键合类型呈多样化，从而使其具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构。正是由于这些结构特点，使其具有了很多新的性能和用途。其中耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨损等特点使其可以成为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门的重要结构材料；同样由于其具有声、光、电、磁等特殊物理性能，而成为极具潜力的功能材料，如半导体材料、超导材料、软磁材料等[真)。金属间化合物种类非常多，在结构材料领域人们研究较多的是Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金属间化合物。Ti-A1系金属间化合物是潜在的航空航天材料，在国外已开始应用于军事领域。Ni-A1系金属间化合物是研究较早的一类材料，研究比较深入，取得了许多成果，也有一些实际应用。Fe-A1系金属间化合物与以上两类相比，除具有高强度、耐腐蚀等优点外，还具有低成本和低密度等优点，因此具有广泛的应用前景。我国研究人员对它的研究比较深入，已经形成了一套较完整的理论体系，其中部分成果已得到了实际应用。但是，金属间化合物的共同缺点——室温塑性低和高温强度差(指超过800℃或1000℃)一直没有得到很好的解决，也制约了它们在生产实践中的应用。

硅化物以MoSi2为代表，MoSi2是能用于高温环境下的关键材料，其熔点为2030℃，高温下具有优良的抗氧化性能，其抗氧化性能与机理类似于高温结构陶瓷SiC、S1，N4等。MoSi2在室温下表现为脆性材料，在1000℃左右发生脆性一韧性转变，在此温度之上表现出类似于金属材料的韧性。

1.1.2Fe-Al金属间化合物的研究现状

Fe-Al金属间化合物中最受关注的主要是Fe3Al与FeAl合金。Fe3Al合金一般是指铝的质量分数25％-35％的Fe-A1合金，其相组成包括：无序固溶体(A2或。)相，不完全艳结构的有序相，DO3结构的Fe3Al有序相。Fe-A1金属间化合物合金的研究始于20世纪30年代，经历了几次研究热潮，在70年代末取得突破，到80年代，Fe-A1合金作为一类结构材料面向应用得到广泛研究，到90年代研究人员进一步发现水汽是导致Fe-A1合金室温脆性的根本原因。然后人们对Fe-A1合金的反常屈服行为、室温脆性、合金成分的理论设计，微合金化对Fe3Al性能的影响，Fe3Al合金的制备工艺等方面都进行了较全面的研究。比如由美国橡树岭国家实验室研究人员开发出的Fe3Al合金不仅有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其室温伸长率可达12．8％。采用快速凝固工艺制粉、热挤压固结的Fe3Al合金，其室温伸长率高达15％—20％，抗拉强度高达960MPa。因此材料学家认为，该材料预计将在航空、化工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得广泛应用。在我国，从20世纪80年代末到90年代中期，国家科委和有关部门先后把Fe-Al金属间化合物。的研究列入“863'’计划和一系列研究基金计划，使Fe-A1金属间化合物的基础性研究有了长足进展。但必须指出，Fe-A1金属间化合物的应用研究远落后于基础理论研究，使这种性能优异的材料没能得到预期的开发利用，使推广应用受阻。从20世纪90年代中后期，很多研究人员开始关注实用化研究，探索实用化途径，并取得一些重要成果

1.12.1 Fe-AI金属间化合物的微合金化及理论设计

Fe-A1金属间化合物室温脆性大，塑性差，很多研究认为脆性是本质存在的，其理论依据是解理强度低，此外有害的晶界偏聚或晶界上的无序化也容易造成弱晶界晶间断裂。1989年，研究进一步发现，水汽与合金中的A1发生如下反应：

Al+3H20—}A1203+6H 时，水汽与裂纹尖端发生作用，使原子态的H渗入金属内而导致裂纹，从而造成Fe-A1金属间化合物的室温脆性。这一研究成果实际上否定了Fe-A1金属间化合物的本质脆性观点，使很多研究工作转向减少环境H脆上来，使该材料的研究再次出现热潮。实际上，环境H脆已经得到很多实验证明，例如张忠铧、孙杨善等对Fe3AI进行了表面镀膜试验，发现经镀膜保护后，不仅强度有大幅提高，而且室温变形率可高达18％，而镀前只有6％。微观结构研究表明，镀前合金断口形貌为纯解理断裂，镀膜后的断口形貌则出现表征延性断裂的韧窝。

根据上述分析，无论材料是本质脆性还是非本质脆性，改善其室温脆性，提高强度，都将是重要的研究方向。由国内外研究报道可知，Fe-A1金属间化合物的微合金化将是其强韧化和改善室温脆性的有效手段之一，通常认为，微合金化的强韧化机制主要是通过有序固溶强化和沉淀强化实现的。研究表明，Cr是提高室温塑性最有效的元素之一，加Cr后，能明显增强解理强度，使解理断裂伴随一定程度的沿晶断裂，重要的是，使形成超位错的空间增大，超位错的滑移将变得容易，此外Cr的合理占位，可减少晶界处的应力集中，防止晶间开裂t30J。Ti的加入能改善Fe3A1合金的高温强度，但增加室温脆性。研究认为这是因为T1将部分取代Fe的位置，使Fe-A1金属间化合物的α+D03相向左向上移动的结果。Si具有与Ti相似的作用，可使Fe3Al合金在600℃以上高温屈服强度大幅度提高，室温脆性严重。Mo的加入可改善高温强度，对热形变后的室温塑性同样不利，但可减少高温时晶界处的应力集中，防止晶间断裂。适量Mg可以大幅度提高Fe3A1在530-850~C的高温塑性[321。微量B对Fe3A1的塑性与解理断裂行为影响不大。Cu、Ni的加入或多元合金，例如：2％Nb+2％Ti(除特别说明外，本书的元素含量均为质量分数)的加入，会使Fe3A1出现沉淀相[，引，从而导致沉淀强化。此外Mn、Zr、C等元素对合金性能的影响也有研究报道。以上是关于微量元素的加入，对Fe3A1合金性能影响的报道。

1.1．2.2 Fe-AI金属间化合物的制备工艺及性能研究

Fe-A1合金通常采用熔铸工艺制备，包括空气中感应熔炼、真空中熔炼、真空电弧重熔以及电渣重熔等方法。由于前述H脆问题，为避免水汽反应，应最好采用真空熔炼loi。熔炼工艺包括：用Ar-q将Fe液脱C、S，然后加入Cr、Ni等合金，此后将经处理后的Pe液加人已预热到500~C的铝中，最后通人氩气使合金均匀化。该法成本低，Ai与炉衬反应也小。第二种工艺是同时将各合金元素加入炉中，显然此时Al首先熔化，然后Fe与其它元素溶解。熔铸组织会出现成分偏析，通常解决办法是进行均匀化处理。

熔炼工艺优点是成本低、效率高，但铸态组织晶粒粗大，成分偏析，室温塑性低，脆性大。改善质量与性能的方法主要包括：通过合金化细化晶粒，改善组织。或采用热机械处理工艺，通过热形变细化晶粒，减缓H脆。

熔炼工艺制备的Fe-AI合金性能较低，室温伸长率只有1％左右，屈服强度小于300GPa，难以用于重要结构件。

改进制备工艺对提高Fe-A1合金性能有重要意义，采用粉末冶金工艺可有效的控制微观组织细化晶粒，从而有效提高材料的力学性能。例如采用该工艺制取的B2相Fe-A1合金，室温伸长率达到12％，屈服强度达到350MPa。快速凝固工艺(RSP)可更有效的细化晶粒，增加化学均匀性，并可产生非平衡组织，利用该工艺制粉，热压烧结的re3~d金属间化合物其室温伸长率可高达20％，抗拉强度可达960MPa，晶粒度为亚微米，是目前最高性能之一。此外，Fe-A1合金的燃烧合成(CombusionSynthsis)或自蔓延高温合成(SUS)也是一种可行的制备方法，其中在压力下燃烧合成，晶粒度在2-4um，含有Fe2Nb相的Fe3Al金属间化合物还具有超塑性。机械合金化(MA)是制备Fe-A1合金的一种新工艺，它是在高能球磨机中进行球磨，形成细微组织的合金，在固相状态下达到合金化的目的，利用该技术合成了B2结构的Fe-AI合金，其最高抗拉强度达到865MPa，伸长率达到10％。

1．1．2．3Fe-A!合金的实用化技术 Fe-A1合金的实用化技术除合金化外，还包括Fe-A1合金的热形变技术、铸造成型技术，以及与其它材料组成新的复合材料等。研究表明影响Fe-A1金属间化合物实用化因素主要包括：

1)材料的加工成形。2)材料的脆性。3)材料的合适用途。

4)材料高温时的综合性能。

材料的脆性大，高温(>800~C)综合性能低，使材料不适于强载荷、大冲击的场合；材料的塑性差，加工成形难，使材料难以获得复杂结构形状。上述影响因素限制了材料的使用，使材料的使用范围受到影响，从而限制了材料的实用化引。但是这些不足同时也为Fe-A1金属间化合物实用化指出了研究方向。总结有关研究成果，其实用化主攻方向主要应包括以下几个方面：

1)Fe-A1金属间化合物的微合金化。通过微合金化来提高材料的塑性和韧性以及高温综合性能1_403。

2)Fe-AI金属间化合物的铸造成型：通过铸造获取其它加工方法不能获取的所需形状。3)Fe-A1金属间化合物的热形变处理。通过形变，既获得所需要的形状，同时又细化晶粒，弥合缺陷，提高材料的塑性，改善材料的强韧性。

4)开辟Fe-AI金属间化合物的新用途，扬长避短，利用Fe-A1金属间化合物的半陶瓷性能，设计新型复合材料(包括复合材料的理论设计、材料的制备、材料的失效分析)5)材料的切削加工?解决材料加工硬化问题，通过材料的冷加工，获得材料的精确形状。上述研究内容将是Fe-A1金属间化合物能否实用化的技术关键，因此，了解和深入研究上述技术，对Fe-A1金属间化合物的推广应用具有重要的现实意义和显著的经济效益。Fe-A1合金热形变Fe3A1金属间化合物的形变性能取决于自身的滑移系，也与有序合金的反相畴结构、超点阵位错特征有关。从20世纪砠年代开始，对Fe3Al的形变特性就做了大量的研究，Marcinkowski等人的早期研究表明，在室温下，Fe3A1几乎没有任何塑性，断口主要呈穿晶解理。后来发现，Fe3A]并非本质脆性，微观分析与形变机理的研究表明，Fe3A1的主滑移系为[110] <111>，足以提供多晶滑移所需的五个以上独立的滑移系。进一步研究发现，阳Ai合金的形变性能与有序化临界温度Tc有关，在Tc附近，不论普通位错还是超点阵位错均难以运动，因此形成屈服强度的峰值。此外，从位错运动和理论研究发现，在{110}和{112}面上，Fe3A1的APB能较小，且最稳定，所以滑移可以发生在两晶面族的任何一个面上。在室温下滑移，发现{110}面优先滑移，但在TEM中还观察到了{112}面的滑移，这表明滑移行为不仅与APB能量及其稳定性有关，还可能与位错心结构有关，也就是说，晶面的APB能量最小只是产生滑移的重要条件。因为Fe3A1中的次近邻反向畴NNNAPB能量很低，故超点阵间的APB很宽，这样宽的一个超点阵位错因为在交滑移时极易受钉扎，故很难作为一个整体作独立运动。但是，这只需较小1的应力就能克服APB能量而使超点阵位错分解成为普通的号1/4α′o{111}位错运动，在滑移面上留下NNNAPB。

除晶体结构决定Fe3A~合金的形变特性外，与其它材料一样，变形条件、晶粒形貌等对形变性能也有很大影响。例如，细晶的塑性较粗晶好，但变形抗力大。单相状态下的形变性能较多相状态好，变形抗力低。在多向压应力状态下变形比单向受压塑性好，不易产生微裂纹。此外，变形温度、变形速度以及晶界与位错处的有害杂质及偏析对Fe3A1合金的形变影响也是明显的。例如，参考文献[19]证明Fe3A1室温伸长率很低，200℃以上开始升高(同时强度也相应增加，300℃寸达最大)，700℃以后迅速上升，说明温度对热形变影响极大。改善Fe3Al合金的形变性能有很多途径，行之有效的方法有： 1)加入可固溶合金化元素，增加滑移系的数量。

2)通过微合金化和不同工艺，改变晶体结构，以获取更多的塑性结构。例如，与体心立方结构有关的Fe3AI(D03)和FeAl(B2)结构，就不如与面心立方结构有关的L12结构塑性好。3)通过掺杂控制晶界的组成和强度，这些掺杂既可以通过掺入活性元素使之与有害元素(像S)结合成无害化合物而沉淀，也可以加入像B元素这些有益的元素，以增加键的结合能，提高晶界的解理强度，抑制晶间断裂。

4)细化晶粒。铁基合金的穿晶或沿晶脆断被认为与晶粒度有关，因此在整个铸造、热加工、热处理组织控制中，晶粒的大小都是很重要的，对NiAl还发现有——临界晶粒尺寸(20um)，小于该尺寸，材料才呈现塑性，这个临界晶粒度随温度下降及应变速度增而下降。快速凝固细化晶粒也可以提高材料的延性。5)改进热形变工艺技术。6)精密控制有害物质和杂质。

7)在NiAl合金中形成一种薄膜，减少滑移力，这相当于在晶体与薄膜之间产生位错滑移源，对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组织，形成原位生成复合结构，从而获得好的综合强韧性。

9)控制周围环境，减少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，在整数比和亚整数比Fe3A1合金中的柱状晶变成等轴晶，热轧或热锻后其微观组织更好，其热形变率(973K)可以从65％增加到85％，抗拉强度增加到800—900MPa，伸长率增加到3％—5％，不过，过整数比Fe3A1会出现枝状晶结构。极易导致开裂，即使加入B、T1后也不能热形变。C．T．Liu等人的研究表明，有序金属间化合物的延性不仅可以通过合金化、快速凝固工艺来改善，还可以通过热形变处理(例如物理冶金原理等)来改善。作者的研究也表明，合金化对Fe3A1合金热形变性能和室温性能影响显著，其中Mo含量增加，合金高温强度和持久寿命提高，但高温塑性及室温拉伸强度及室温塑性均下降。Cr的加入，对高温性能不利，Cr和Ce及Ce与Mo、Nb、Zr等元素的匹配使用，有利于综合性能的提高。

以上研究分别对Fe-A1合金热形变性能的影响因素及改进措施进行了探讨，但系统的研究Fe-A1合金热锻工艺过程及其影响因素的文献报道尚少。Fe-A1合金的铸造技术，对Fe-A1合金的铸造性能进行过系统研究，从流动性看，Fe3Al合金是一种流动性较差的合金，例如Fe-28AI在1580℃砂型浇铸时测得螺旋线长度为171mm，热力学分析表明，除结晶温度范围较窄因素外，合金液中形成的高熔点颗粒相也是影响其流动性的重要原因。但是合适的合金化也会提高流动性，例如Fe-28A1-5.5Ct-0.5Mo-0.5Nb-0.1Zr可使流动性提高到215mm。合金化不仅可以提高流动性从而改善材料的充型能力，而且还可以有效提高合金的压缩强度，例如摩尔分数为0．05％的Ce的加入可使其抗压强度从2070MPa增加到2415MPa。上述铸造技术的开发应用，使铸态Fe-A1合金的开发应用看到了希望，尤其是如能利用特种铸造技术实现材料的精密成型，不仅可以大大提高材料的流动性(压力铸造)，还可以有效的提高材料的尺寸精度和复杂程度(熔模铸造)，作者开发研究的铸态炉蓖条、建筑机械用耐磨眼镜板、精密铸造不锈钢管件等产品证明t49J，这种低廉而实用的材料将首先从铸态产品开发领域走向大规模实用化生产。1.1.3.Ti-Al金属问化合物的研究现状

1.1.3.1 Ti-Al金属间化合物的组织结构研究

Ti-Al系金属间化合物主要有两种：TiAl化合物(用γ表示)和Ti3A1化合物(用α2表示)。Chubb和Mehl等运用第一原理计算了具有化学配比的TiAl化合物和Ti3Al化合物在OK时的能量稳定性，从而证实了TiAl化合物为L10型晶体结构，Ti3AI化合物为D019型加晶体结构。由于单相(γ)化合物的塑性和断裂韧性比两相(γ+α2)化合物低得多，因此人们目前的研究主要集中于两相化合物：即以TiAI(γ)为基体，并含有少量Ti3A1(α2)的孪晶形态层片状组织的合金。

就TiAI化台物的显微组织而言，根据不同的热处理方式，可以得到四种类型的典型组成： 1)非均匀的粗大γ晶粒并伴有少量的α2粒子的组织(NC)。2)细小晶粒的等量γ和α2复合组织(Duplex)。3)γ+α2层片状组织晶粒(NL)4)全部是层片状组织晶粒(FL)。

TiAl金属间化合物的力学性能强烈地依赖于其显微结构。通常复合组织(Duplex)具有最高的拉伸塑性(伸长率为2%—4％)及中等的强度水平(YS=420—460MPa，UTS=550—660MPa)，但断裂韧性很低(Kic二10—16MPa·m½)；FL组织呈现出低的塑性(≈1％)，但具有较高的断裂韧性((Kic= 20—32MPa·m½)：NL组织强度最高(YS≈510MPa，UTS=700MPa)，而塑性中等(≈3%)；细化并弥散在Duplex组织中的α2可以提高强度但使塑性降低，同样，细化FL组织中的晶粒可以同时提高强度和塑性，但断裂韧性值下降、因此，绝大多数的研究都集中在Duplex、NL、FL三类组织的TiAl金属间化合物上。Ti3A1(α2相)金属间化合物为长程有序的六方结构(空间群为P63／mmc)，其有序特征可提高合金的高温强度、刚度和变形抗力。但由于该相结构中只有{0001}{51120}；两个独立的滑移系，具有较低的室温塑性。通过添加卢稳定元素(主要是Nb)方法，保留塑性较好的体心立方卢相，并激发α2相中(c+a)型位错以增加非基面滑移，室温塑性已得到了很大改善。对Ti3A1基的合金疲劳变形显微组织的透射电镜研究表明：①初生α2相晶粒中基面上的<1l20>a型位错互相塞积可形成亚晶界，把晶粒分割成具有一定取向差异的亚晶粒结构：位错反应可以形成大量规则的六角位错网；②初生α2晶粒除了晶内位错滑移和晶界运动产生和协调合金变形外，晶内亚晶的形成和发展也是产生和协调变形的重要机制。1．1．3．2Ti-Al金属间化合物的制备

熔炼铸造是Ti-A1系金属间化合物的主要制备方法，此外目前文献中报道较多的Ti-A1系金属间化合物的制备工艺及过程还包括：

(1)粉末冶金法粉末冶金法是制备TiAl基合金比较常用的一种方法。近年来，随着TiAl基合金粉末制备技术的发展，人们已经能够制备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在内)的粉末冶金近净形状成形技术主要有热等静压技术和准热等静压技术。此外，还有注射成形、粉末锻造，热挤压、粉末轧制、热爆成形等。热等静压工艺是制造全致密近净形零件；尤其是形状复杂、大尺寸零件的一种非常有效的技术，它能在高温下通过气体将高压传递给金属粉末或顶成形坯，并使其在高温高压下实现全致密化。最近，美国Orucible公司还开发出了一种采用陶瓷模的热等静压近净形状成形工艺(CeramicMold-HIPProcess)；

准热等静压一白蔓延反应合成工艺(PseudoHIP-SHS)是利用SHS过程中释放的热量和过渡的液相，使压坯在合成TiAl金属间化合物的同时实现致密化。这种工艺的优点是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉难成型的问题。而且可以根据零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各种合金元素实现复合；其缺点是成型时压坯不是处于等静压状态，可能造成压坯中密度不均匀或压坯形状畸变。

(2)机械合金化法该技术是利用高能球磨机把纯的T1粉和Al粉放人球磨罐中并加入适量的添加剂进行球磨直至生成金属间化合物，机械合金化是一种固态反应过程。目前普遍接受的观点认为。元素粉末在球磨时，晶粒反复的断裂、冷焊，晶粒细化并形成层状精细结构，Ti和Al原子通过界面扩散而逐渐实现合金化。

混合物的球磨时间是确保反应彻底完成达到足够的合金化程度的关键工艺参数，但球磨时间并非越长越好。这种方法的优点是使用方便，对样品的处理量大，制得的样品颗粒较细，达到微米级甚至亚微米级。但是，机械球磨往往易于混入杂质使样品的纯度降低，引起产品的性能恶化。

1．1．3．3Ti-A!金属间化合物的研究现状

Ti-Al金属间化合物的研究基础很好，其中TiM合金可以替代700-990~C镍基高温合金，使发动机重量减轻约一半，因而受到广泛重视。日前已发展出的TiAl成分范围大致是，Ti45／48Al-O／2M-0／5X-0／2Z(摩尔分数)(M=Cr、Mn、V，X=Nb、Ta、W，Z=Si、B、C、N)。M类合金元素有利于塑性和再结晶，Nb、Ta是主要的固溶强化元素，少量的W和Sn也有类似作用，而Si、B，N、C则析出第二相Ti5Si3、TixAIC等起强化作用，B起细化晶粒作用，但可能增大片间距，目前已经进入实际应用的铸造合金，其典型代表是Ti-47／48A1-2Nb-2Cr(摩尔分数)(GE公司)，Ti-47Al-2W-0．5Si(摩尔分数)(ABB公司)和Ti-45／473_1-2Nb-2Mn+0.8TiB~(摩尔分数)(Howner)等。正在研究发展的变形合金有Ti-46A14Nb-1W(摩尔分数)；AlbyK5(Ti-46．5A1-2Cr-3Nb-0．2W(摩尔分数))等。经锻造及热处理后这些合金的室温屈服强度水平在400—600MPa，伸长率为1％—3％，在500—750℃具有好的高温强度。K5合金RFL组织的典型性能为：6y=473MPa，6b=577MPa，6％=1．2。近年来K5合金进一步用C、Si、B、O强化，得到K5SC(0．2Si，0．1C)，KDCBS(0．1Si、0．1B、0．2C)，K5S(0，2Si，0．150)等。另外，研究过一种高强度的粉末TiAl合金，成分同GE合金，其晶粒很细，片间距很小(片间距0.1u m以下)，得到1000MPa的强度，但其高温组织稳定性不足。我国发展的高铌钛铝合金是高温高性能TiAl合金。高铌钛铝合金的力学性能明显高于普通TiM合金，其高温性能的数值与现行变形轮盘用高温合金相当，但密度只有高温合金的一半左右。高铌钛铝合金的抗氧化性比其它TiAl合金高一个数量级。高铌钛铝合金的发展是基于一个新的思路和广泛的基础研究上的，新思路是想通过加人大量高熔点元素Nb，在保持较简单的点阵结构下，提高合金的熔点和结合力，降低扩散，而且可以在不引起严重脆性的条件下提高使用温度。由此选择Ti-Al-Nb三元系进行了广泛的基础研究，证明思路可行，再后进行了高铌钛铝工程合金的发展研究。研究证明，8-10Nb合金化的确提高固相线—100℃，提高了高温组织稳定性，提高了位错运动阻力和高低温强度，特别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镍基高温合金，将使用温度提高到比普通TiAl合金高60—100℃的水平。1.1.3.4

Ti-Al基金属间化合物的应用

经过最近十几年广泛而深入的研究，Ti-A1基金属间化合物的性能不断提高，其中部分性能已接近甚至达到了实用化的要求，像燃油发动机的α2合金锻造翼面、γ合金铸造翼面，γ合金铸造压气机套筒等。其次，机加仁和连接技术也得到了发展。到目前为止，α2合金的制造技术最为成熟。比如，高压涡轮起动器内支承环，采用Ti3Al比用高温合金重量可减轻43％。尽管如此，这些材料由试验性发动机到军用发动机生产的转变将比过去常规合金要困难得多。

1．1．4Ni-Al金属间化合物的研究现状

Ni-A1金属间化合物也是目前研究热点，其中研究最多的是Ni3A1金属间化合物，尤其是对于其在中间温度时的反常流变应力做了较深入的探索、许多Ni3A1基合金已应用于铸造和锻压，其中一些用于高温熔炉：添加硼的NisAI冷轧性能很好。通过冷变形就可制得板材：Ni3AI单晶和多晶试样在冷轧过程中微观结构和组织的变化都有人进行过研究；在变形量较小时，组织性能较差，只有冷轧压缩量很大时，这种组织才表现出很高的强度?冷轧进行到一定程度的多晶试样的微观结构很不均匀，位错无法形核，随着冷轧量的增加，冷轧组织随变形量的增加出现了微带和剪切带；与无序合金相比，由于Ni3A1中的位错分解为{111：面上的超晶格部分位错通常难发生交滑移，但在某些被激活的滑移面上有局部的无序性，这使位错的活动性提高，大量的交滑移发生，这促进了剪切带的形成，由于变形的不均匀性，NisAI多晶合金的组织性能不如纯金属或合金．

冷轧制的多晶试样剪切带在较低的退火温度下(T≈500℃)，就会发生再结晶，而基体在较高的温度(T>750℃)下才能完全再结晶，变形组织不均匀，晶界滑移性差，使得部分区域晶粒细化，但再结晶组织不均匀，性能较差，还需进一步研究。

NiAl比目前的Ni基高温合金轻，且具有高熔点，优良的抗氧化性以及高的热导率，但是由于低温下的断裂韧性差，高温下强度差，抗蠕变能力差，在结构材料方面的应用受到限制。NiAl中滑移主要发生在<001> {011}和<001> {100}滑移系，只有三个独立的滑移系。若不能改善滑移系，NiAl材料的脆性问题可能无法解决，虽然目前这还无法实现。但已经有人试图通过合金化方法提高其蠕变强度，通过在NiAl单晶体中形成一种有序L21Heusler相，其抗拉强度和应力诱发断裂性能可以与Ni基超合金相比，然而这种相的存在使得这种单晶合金脆性更大。因此，NiAl用于结构材料还有很长的路要走。有关NiAI的物理和力学性能方面的大量研究和NiAl基合金的发展在许多文献资料上都有报导。NiAl由于其熔点高(1638℃，比一般Ni基高温合金高300℃，比Ni3A1高250℃)，密度低(仅及高温合金的2／3)，热导率大(是高温合金的4-8倍)，而且抗氧化腐蚀性能优异，多年来一直用作高温合金零件的表面防护涂层。GE公司经过多年的系统研究，发展了两种性能优异的单晶NiAl合金，其中AFN-20合金的持久强度、抗蠕变性能、疲劳强度和高温抗拉强度已达到第二代镍基单晶高温合金ReneN4的水平，而比持久强度达到第三代镍基单晶高温合金Rene6的水平。其高温强度主要来自热处理产生的细小而均匀的Heasler(L2，β)相沉淀强化

1.1.5金属问化合物的发展趋势与存在的问题

大约从20世纪80年代，金属间化合物的研究处于高潮，从1999年开始，金属间化合物结构材料研究论文总数开始有下降趋势，但EI收录数不降，这种情况反映金属间化合物结构材料研究工作开始走向成熟，面上的研究开始下降，工作集中于成熟合金和合金的应用。虽然普遍认为金属间化合物结构合金的研究已有基本的结论，但仍有不同看法，不过有人认为下述结沦仍是主导研究工作的主流趋势。

1)有些研究已开始进入实用化，例如：TiAl，Fe3A1，Ni3A1，Ni3(SiTi)。

2)有些研究虽然已做了大量工作．但由于不同原因而逐步停止，例如：A13Ti，Nb3Al，GE公司已停止单晶NiAl叶片研究。

3)集中研究发展最有前途的合金系和探索某些新合金系，发展高温高性能金属间化合物合金，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相结构材料，例如MosSi3、MoSi2等，另外还有少量昂贵的高熔点金属间化合物系研究。此外，Fe-A1、Ni-A1系也还仍在研究之中。

1．1.5．1金属间化合物的发展趋势

Ti-A1和Ni-A1金属间化合物中的Ni3A1和Ti3A1由于最接近端际固溶体，其金属性结合的特点最强，又可以利用端际固溶体增韧，使其综合力学性能和使用特性最接近高温合金和钛合金，因而最易投入使用。但Ni3A1与镍基高温合金相比，Ti3A1和钛合金相比，其优越性都不大，这成为不能推广到关键部件上应用的主要困难。1990年以后，TiAI和NiAI成为研究热点，由于它们已处于相图的中间部分，远离端际固溶体，电子结构上定向键更强，虽然难于利用端际固溶体增韧，但是TiAl和NiAl合金却具有高比强度、低塑性和韧性的特点，因此力学性能和使用性能上与传统的合金有较大的区别。TiAl的高比强度和NiAl的高热导性带来很大的吸引力，但也要求改变设计，以符合合金特点，这就增加了应用的难度。目前，TiAl合金已发展出三代合金，正处于发展和投入应用的关键时期。

目前金属间化合物结构材料研究的重点是发展和应用高温高性能材料，金属间化合物结构材料研究正处于关键时刻。一方面是以TiAl合金的发展和应用为核心的攻关，另一方面是探索高熔点的金属间化合物结构材料。如果通过对材料设计一生产一应用一体化攻关，能够突破应用上的种种困难，使TiAl合金，特别是高温高性能TiAl合金得到成功的应用，金属间化合物结构材料研究将会发展到一个新阶段。

概括起来Ti-A1金属间化合物的发展趋势包括：

1)研究开发使用温度更高，可在1000—2000℃之间工作的新型金属间化合物，主要是以高熔点金属Nb、W、Mo、Ta与TiAl形成的多元化合物

2)发展以TiAl化合物为基的复合材料。用SiC、A1203、TiB2纤维和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等质点作为增强剂，强化化合物基体，发展一系列新工艺，充分发挥其潜在的使用价值。

3)通过纤维组织的控制和采用先进的加工工艺(如粉末冶金、机械合金化、定向凝固、热机械处理等)改善其力学性能，也是目前提高TiAl化合物性能的方向之一。

4)进一步研究Ti-Al金属间化合物的室温脆性机制，从理论上解决其韧性问题。

5)加强TiM基合金近净形成形技术的研究，进一步展开对近净形成形技术如精密铸造技术、粉末冶金近净形成形技术以及超塑成型技术的研究。

硅化物和LAVES相金属间化台物硅化物和LAVES相研究的目标是要提高使用温度到1000~C以上。但是由于晶体结构复杂，问题还很多，不仅涉及到材料发展问题，而且涉及到物理金属学的理论问题。例如，这些合金的晶体结构复杂，其电子结构及其作用尚不清楚；翠晶变形是基本的变形方式，而复杂晶体中的孪晶变形理论还有待发展；对这种复杂形变会带来的复杂结构变化知之甚少等等。因此，在国家支持下进行广泛基础研究是非常必要的。

Fe-A1金属间化合物

Fe-A1合金主要缺点是材料脆忭大、塑性和韧性差、抗拉强度低，从而造成材料难加-仁成形，不宜用于重要结构件和高精度复杂零件。但是上述缺陷不是一成不变的，微合金化和各种新的制备和实用化技术可有效的改善其缺陷，从而拓宽该材料实用化进程，预计其主要发展趋势为： 1)进一步开展Fe-A1合金的合金化研究，提高材料的力学性能。

2)研究Fe-A1合金的精密铸造技术，获取高精度复杂零件，最大程度的减少加工量。3)开发Fe-A1合金的热形变技术，尤其是模锻成型技术，使同时获取精密形状和良好件能成为可能。

4)研究Fe-A1合金的切削加工性能，解决难加工问题。

5)研究Fe-A1基复合材料或陶瓷基复合材料，扬长避短，发挥Fe-A1合金的突出优点。6)开发Fe-A1合金的粉体制备工艺，研究Fe-A1的喷涂技术，充分利用该材料良好的耐腐蚀性。

金属间化合物制备工艺

1、Ti—AI金属间化合物的制备

熔炼铸造是Ti—Al金属间化合物的主要制备方法，此外目前文献中报道较多的Ti—A1系金属间化合物的制备工艺及过程还包括：

1．粉末冶金法

粉末冶金法是制备TiAl基合金比较常用的一种方法。近年来，随着TiAl基合金粉末制备技术的发展，人们已经能够制备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在内)的粉末冶金近净成型技术主要有热等静压技术和准热等静压技术。此外，还有注射成型、粉末锻造、热挤压、粉末轧制、热爆成型等。

热等静压工艺是制造全致密近净形状零件，尤其是形状复杂、大尺寸零件的一种非常有效的技术，它能在高温下通过气体将高压传递给金属粉末或预成型坯，并使其在高温高压下实现全致密化。最近，美国Orucible公司还开发出了一种采用陶瓷模的热等静压近净成型工艺(Ceramic Mold—HIP Process)。

准热等静压一自蔓延反应合成工艺(Psedo HIP。SHS)是利用SHS过程中释放的热量和过渡的液相，使压坯在合成TiAl金属间化合物的同时实现致密化。这种工艺的优点是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉难成型的问题；而且可以根据零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各种合金元素实现复合；其缺点是成型时压坯不是处于等静压状态，可能造成压坯中密度不均匀或压坯形状畸变。

2．机械合金化法

该技术是利用高能球磨机把纯的Ti粉和AI粉放入球磨罐中并加入适量的添加剂进行球磨直至生成金属间化合物，机械合金化是一种固态反应过程。目前普遍接受的观点认为，元素粉末在球磨时，晶粒反复地断裂、冷焊，晶粒细化并形成层状精细结构，Ti和Al原子通过界面扩散而逐渐实现合金化。

混合物的球磨时间是确保反应彻底完成达到足够的合金化程度的关键工艺参数，但球磨时间并非越长越好。这种方法的优点是使用方便，对样品的处理量大，制得的样品颗粒较细，达到微米级甚至亚微米级。但是，机械球磨往往易于混入杂质使样品的纯度降低，引起产品的性能耍秒

NiAl合金的制备特点

NiAl合金可以用Ar气感应熔炼(AIM)、真空感应熔炼(VIM)、电渣重熔(ESR)和真空双电极电弧重熔(VADER)，AIM熔炼合金后可以直接铸造。227kg的IC一50、IC218合金可以直接离心铸造成长305cm，直径12．7 cm(厚2．54 cm)的管子，也可以直接铸成棒和板，已经用双滚法铸出1~2mm厚板，并可以进一步冷加工。

美国橡树岭国家试验室发展了一种称为放热熔炼方法(Exo—MeltTM)，示于图10一15，用一半的镍放在上部，用Al包围，使在加热时发生NiAl放热反应，另一半的镍放在下部，中间放合金元素，在氩气下熔化，这种布料方法最有效利用反应发热。这种熔炼方法可节省1／2～2／3的能量，节省一半熔化时间，质量也高。

铸造合金一般晶粒粗大，精密铸造的Ni3Al合金(IC一221M)的650℃HCF寿命高于Ni基高温合金IN一713C。Ni3AI合金可以在1100℃挤压或冷轧，加10％Fe可以大大改善Ni3A1的加工性能。细晶铸件也可在1100℃等温锻造0.5／min变形速率)用粉末法制备Ni3Al合金时可以采用热压法、反应烧结合成、HIP、HIP+挤压等方法，也可直接用粉末挤压而成(8：1挤压比)，HIP一般在120 MPa，l100～1150℃下进行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，质量决定于合金成分和焊接速度，含B为2×10_4时只有在13mm／s焊接速度以下才能焊好。Fe改善焊接性，焊接不当易产生热影响区裂纹。

Fe3AI和FeAI合金的制备和应用

Fe—Al金属间化合物合金可以用通常的熔炼方法冶炼。包括感应炉(AIM)、真空感应炉(VIM)、真空自耗重熔(VAR)和电渣重熔(ESR)。但VIM熔炼的质量较好，采用VIM+VAR可以得到高质量的合金，高Al合金熔炼时要防止坩埚反应，如用MgO坩埚，则熔炼金属中的Al可以部分还原坩埚中的Mg进入熔池，一般有20×10-6 Mg水平，这种Mg含量对合金没有坏作用。已经证实Fe3Al合金中含有一定数量的Mg，会起到改善塑性和热加工性的作用(在熔炼Ni3Al时也有类似情况)，现在一般采用74 %MgO+24％AI2O3坩埚进行熔炼。铸态条件下Fe3Al合金的塑性较差，只有在650～1100℃之间进行热加工。一般首先在1000℃左右进行50％变形，再在800℃，50％轧制变形，最后在650℃进行50％～70％的温加工，这种处理后得到拉长晶粒，得到最高的塑性，Fe3A1合金的管子可以用离心铸造方法获得，也可以热穿孔方法获得，仔细控制热加工过程也可以得到质量良好的Fe3Al丝、板等产品。

Fe3Al和Fe—Al合金的焊接是很关键的问题。现已证明可以用气体钨弧焊(gas—tungsten arc或GTA)和电子束焊(EB)成功地进行焊接，但容易出现冷裂和热裂。所谓冷裂是指在焊好后几个小时或几天以后出现裂纹，研究认为这种裂纹是环境诱导的氢脆，如果预先在200℃预热或焊后进行400℃、lh去应力处理，可以减小冷裂发生，热裂倾向与合金元素的微量变化有关，一般Nb、Cr、少量C有利焊接，而Zr、B、TiB2相反。

用N2或Ar气雾化可以得到Fe3Al和FeAl合金粉末，再经烧结和1000℃热挤(挤压比9：1)可以得到全致密的合金，晶粒为100um左右，用快速凝固得到的粉末，同样也可以烧结挤压成材。Fe—Al系金属间化合物主要应用方向是作为耐含硫气氛和耐氧化气氛的结构件。为了保证表面产生具有良好保护性的Al2O3膜，含A1量必须大于16％～18％。如果要耐水溶液腐蚀，合金中往往要含较高的Mo。图12—19显示Fe—A1有序合金的耐腐蚀性能比不锈钢的好得多。目前，Fe—A1有序合金已经用做加热元件、炉子中用的抗氧化固定件、热交换用的薄片结构和触媒转换器的底座(均为0．05mm薄片)、烧结的多孔气体一金属过滤器等。

结束语

Ti－A1和Ni－Al金属间化合物中的Ni3Al和Ti3Al由于最接近端际固溶体，其金属性结合的特点最强，又可以利用端际固溶体增韧，使其综合力学性能和使用特性最接近高温合金和钛合金，因而最易投入使用。但Ni。A1与镍基高温合金相比，Ti3Al和钛合金相比，其优越性都不大，这成为不能推广到关键部件上应用的主要困难。1990年以后，TiAl和NiAI成为研究热点，由于它们已处于相图的中间部分，远离端际固溶体，电子结构上定向键更强，虽然难于利用端际固溶体增韧，但是TiAl和NiAI合金却具有高比强度、低塑性和韧性的特点，因此力学性能和使用性能上与传统的合金有较大的区别。Tim的高比强度和NiAl的高热导性带来很大的吸引力，但也要求改变设计，以符合合金特点，这就增加了应用的难度。目前，TiAI合金已发展出三代合金，正处于发展和投入应用的关键时期。

目前金属间化合物结构材料研究的重点是发展和应用高温高性能材料，金属间化合物结构材料研究正处于关键时刻。一方面是以Ti3Al合金的发展和应用为核心的攻关，另一方面是探索高熔点的金属间化合物结构材料。如果通过对材料设计一生产一应用一体化攻关，能够突破应用上的种种困难，使TiAl合金，特别是高温高性能TiAl合金得到成功的应用，金属间化合物结构材料研究将会发展到一个新阶段。

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出版日期:1991.12

第三篇：有色金属矿山采矿方法概述

采矿方式主要为露天、坑下开采。有色金属矿山地下开采方式按地压控制方式，分为空场法、充填法、崩落法三大类，以空场法、充填法具多。

1.空场采矿法

根据矿块或矿壁的结构不同与回采作业的特点，空场采矿法可分为全面采矿法、房柱采矿法、阶段矿房采矿法等。

（1）全面采矿法主要是用于水平和缓倾斜矿床的开采。其特点是回采工作面沿矿床走向或倾斜方向全面推进，整层回采。在回采时将矿体内所夹废石或贫矿石留下来，根据需要堆成矿柱来支撑采空区顶板。

该法优点是生产能力大，采准切割工作量较少，采矿成本低，采场通风好，能在采场处理废矿石。但采场顶板暴露面积大，容易发生大面积冒顶。只适用于水平或缓斜，矿石与顶板稳固，矿石品位分布不均匀或有夹石层的矿床，矿床厚度不大于5～7米。

（2）房柱留矿法主要是用于水平和缓倾斜矿床的开采。其特点是在矿块内矿柱和矿房交替布置，回采矿床时留下规则的，不连续或连续的带状矿柱，以此支撑采采区顶板。

该法优点主要是采准切割工作量小，工序简单，各工艺可以平行作业，通风及作业条件好，但回收率低，用于矿石和围岩稳定的倾角小于40°的矿床。

（3）分段采矿法、阶段矿房采矿法主要用于急倾斜、厚度大的矿床开采。矿房沿矿体走向或垂直方向布置，用深孔、扇形炮眼爆破落矿，由下部漏斗柱阶段平巷放矿。主要用于围岩稳固，矿石较稳固、矿体厚度在8～ 20米，倾角大于矿石的自然安息角，且矿体内夹石少，矿体与围岩接触线明显的矿床。

2.充填采矿法

随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区的采矿方法叫充填采矿法。有时还用支架与充填料相配合，以维护采空区。充填采空区的目的，主要是利用所形成的充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表下沉，并为回采创造安全和便利的条件。有时还用来预防有自燃矿石的内因火灾。按矿块结构和回采工作面推进方向充填采矿法又可分为单层充填采矿法、上向分层充填采矿法、下向分层充填采矿法和分采充填采矿法。按采用的充填料和输出方式不同，又可分为干式充填采矿法、水力充填采矿法、胶结充填采矿法。

（1）单层充填采矿法。此法适用于缓倾斜薄矿体，在矿块倾斜全长的壁式回采面沿

走向方向、一次按矿体全厚回采，随工作面的推进、有计划地用水力或胶结充

填采空区，以控制顶板崩落。

（2）上向水平分层充填采矿法。此法一般将矿块划分为矿房和矿柱，第一步回

采矿房，第二步回采矿柱。回采矿房时，自下向上水平分层进行，随着工作面

向上推进，逐层充填采空区，并留出继续上采的工作空间。充填体维护两帮围

岩，并作为上采的工作平台。崩落的矿石落在充填体的表面上，用机械方法将

矿石运至溜井中。矿房采到最上面分层时，进行接顶充填。矿柱则在采完若干

矿房或全阶段采空后，再进行回采。矿房的充填方法，可用干式充填、水力充

填或胶结充填。

(3)上向倾斜分层充填采矿法。这种方法与上向水平分层充填法的区别是，用

倾斜分层回采，在采场内矿石和充填料的搬动主要靠重力。这种方法只能用干

式充填。

(4)下向分层充填采矿法。这种方法适用于开采矿石很不稳固或矿石和围岩均

很不稳固，矿石品位很高或价值很高的有色金属或稀有金属矿体。这种采矿方

法的实质是从上往下分层回采和逐层充填，每一分层的回采工作是在上一分层

人工假顶的保护下进行。回采分层水平或与水平成40～100或100～150倾角。

倾斜分层主要是为了充填直接顶，同时也有利于矿石运搬，但凿岩和支护作业

不如水平分层方便。

(5)分采充填采矿法。当矿脉厚度小于0.3～0.4 m时，只采矿石工人无法在其中工作，必须分别回采矿石和围岩，使其采空区达到允许工作的最小厚度（0.8～0.9 m），采下的矿石运出采场，而采掘的围岩充填采空区，为继续上采创造条件，这种采矿法就为分采充填法。

(6)方框支架充填采矿法。开采薄矿脉过去多采用横撑支柱或木棚支架采矿法。在矿体厚度较大，矿石和围岩极不稳固，矿体形态极其复杂，矿石贵重等条件下，这种采矿方法是开采薄矿脉的有效方法。

3.崩落采矿法

第四篇：金属基复合材料的现状与展望

金属基复合材料的现状与

展望

学院：萍乡学院 专业：无机非金属材料 学号：13461001 姓名：蒋家桐

摘 要 综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合 涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况.同时报道了目前本领域研究存在的问 题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景.关键词 颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料

随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1 ].复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料.这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60 年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.1 进展情况

目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al , Mg ,Ti 等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体.增强 纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼

化物和碳化物等.用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上 只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用 前景[2 ].1.1 纤维增强金属基复合材料

纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优 点,而成为复合材料的主要类型.1.2 颗粒增强金属基复合材料

由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、日本等少数发达国家用于军事工业.为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属 基复合材料的研究上.这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单, 成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用.可见,颗粒增强金属基复 合材料是非常有发展前途的.金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强 复合材料的颗粒有数十种,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、α-Al2O3、TiO2、WC ,它们大多是无机化合物.目前已有铝基、钼基、钢基、Fe 基、Co 基、Ni 基、Mg 基等颗粒复合.但随着宇航事业的发展,高温耐热金属基复合材料,如以铜、钼、镍、钴等为基体的金属基复合材料越来越受到人们的重视.池野等[4 ]对Al2O3 颗粒增强纯铝复合材料的性能进行了研究,发现随着Al2O3 颗粒体积分数增加,强度不断上升.陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量,并且具有原材料成本低廉,复合材料制备工艺简单的特点而受到重视.Hosking 等[5 ]的研究结果表明,随着Al2O3 或SiC 颗粒的体积分数增加,不但塑性下降,而且强度也下降.在AlCoCo、金属陶瓷等.由于WCCo 复合材料进行了热疲劳裂纹扩展的研究,结果指出其机理主要是WC 粒与Co 粘结相之间的热膨胀系数有很大差异,而引起高应力,导致裂纹萌生与扩展,疲劳裂纹优在WCCo 相界上扩展.明文龙[18 ]等在研究Ti(C ,N)基金属陶瓷热疲劳性能时也提出了热疲劳裂纹具有沿相界面开裂的特征.对于涂层材料,尽管它发展较晚,但也有人对其热疲劳性能进行了研究.彭其凤等[19 ]对激光敷陶瓷涂层的热疲劳行为进行了研究,发现陶瓷与钢的热膨胀系数差异及陶瓷内部微小裂纹的应力集中是陶瓷涂层热疲劳破坏的主要原因.W.C.REVELOS 等[20 ] ,N.Czech 等[21 ]和刘北兴等[22 ]则认为在热疲劳过程中,随循环上限温度升高,循环数增加,热疲劳抗力明显降低.目前对热疲劳性能的研究多采用试验法.随着电子计算机和数值分析技术的发展,用有限元模拟热疲劳过程的力学行为已开始受到人们的重视[23 ] ,但热疲劳过程本身就是一个复杂的力学行为过程,在这个过程中,既有弹性力学问题,又有塑性力学、热力学问题,而涂层材料的热疲劳问题就在此基础上进一步复杂化.所以目前对涂层材料热疲劳的研究多限定在定性分析,对其力学行为有待于人们进一步研究.4 金属基复合材料的发展前景

由上述可知,金属基复合材料要在未来取得进一步的发展,并列入规模生产品种的行列,还有一段艰难的路程,但是由于它性能优势的存在,是有明确发展前景的.就当前的实际情况来看,颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的,并已在汽车工业等方面初步获得应用.随着涂层技术的发展,利用先进的涂层制作方法,如热喷涂、等离子喷焊、激光熔敷等,以金属基复合材料作为涂层材料,在钢或其它金属表面制成涂层,用以提高材料的表面强度,已越来越受到重视,它在提高性能与节材方面达到很好的结合,具有广阔的应用前景.另外,对于涂层材料需指出的是,由于涂层与基体之间存在一个性能突变的界面,尤其是热膨胀系数相差较大,难以得到足够的结合强度,并在高温下内外温差较大的使用环境中,界面处易产生很大的热应力而引起涂层的剥落.这也是引起热疲劳破坏的一个主要原因.在功能梯度材料研究基础上开展的功能梯度薄膜的研究,就很好地解决了这一问题.功能梯度薄膜材料就是使成分、组织、性能从基体到表面呈无界面连续变化,这一材料具有表面改性技术的优点和功能梯度材料的特殊性能,有广阔的研究和应用前景.相信经过艰苦的努力,在不远的将来,金属基复合材料作为复合材料的一个分支,会有举足轻重的地位,并在众多材料行列中占有一席之地.参考文献 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,金属基复合材料.北京:国防工业出版社,1982 3 风仪.纤维强化金属基复合材料及其应用.机械工程材料,Fcb.1995 4 池野进等.轻金属(目).1987 :37(6)5 Singer A R E et al.Powder Metall , 1985 ,28(2):72 6 苏莹.非连续物增强镁基复合材料.机械工程材料,1996(2):6～8 7 Hunt M.高温金属基复合材料.国外金属材料,1991 ,4 :8～10 8 林化春,丁润刚.镍基合金-碳化铬复合涂层显微组织和相结构分析.金属热处理学报,1996(6):55～58 9 Stefanescu D M.Key Eng Mater , 1993 ,79-80 :74 10 谢国宏.材料工程,1994(12):5

第五篇：我国金属铸造工业的过去现状和未来

我国金属铸造工业的 历史、现状及未来

摘要：铸造最为一种历史悠久的加工技术，至今已有近六千年的历史，随着社会的发展，铸造业已逐渐成为制造工业的基础之一，并且直接关系着国家制造业的发展，本文从我国铸造业的历史写起，着重写了了我国悠久的铸造历史和辉煌的成就，随后结合我国铸造业的现状，分析了当前我国铸造业的基本情况和不足。并以此为基础，提出了若干条关于未来我国铸造业发展的路线。

关键词：铸造，历史，现状，未来 0 引言

所谓铸造，就是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造是金属成形的一种最主要方法，它是热加工的基础。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间．铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。常见的被铸金属有铜、铁、铝、锡、铅等，普通铸型的材料是原砂、黏土、水玻璃、树脂及其他辅助材料。特种铸造的铸型包括：熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造等。我国铸造工业的历史

铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。我国的是世界上较早掌握铸造技术的文明古国之一，现存最早的铸造零件（铜制武器和崇拜偶）它们的历史可以追溯到公元前3000年。我国在2500 多年以前(公元前513年)就铸出270kg的铸铁刑鼎。我国商朝制造的铜绒具有铁刃，据考证那时的铁刃是用陨铁锻造而成，然后镶铸上铜背。我国是最早应用铸铁的国家之一，自周朝末年开始有了铸铁，铁制农具发展很快，秦、汉以后，我国农田耕作大都使用了铁制农具。到宋朝我国已使用铸造铁炮和铸造地雷。表明我国当时已具有相当先进的铸造生产水平，至今仍有大批文物留存，而我国铸造技术的进步也为世界文明的进步起了推动作用。

我国在商朝起就己创造了灿烂的青铜文化，我国的一个成语“钟鸣鼎食”写出了当时贵 族权势的生活景象，也从一个侧面反映出了我国当时先进的铸造技术。在1978年，湖北省随县出士的曾候乙墓青铜器重达l0t，其中有64件的一套铜编钟，分八组，包括辅件在内用铜5 t。钟面铸有变体龙纹和花卉纹饰，有的细如发丝，钟上共铸有错金铭文2800 多字，标记音名、音律。每钟发两音，一为正鼓音，一为右鼓音。整套编钟音域宽达五个半八度，可演奏各类乐曲，音律准确和谐，音色优美动听。铸造工艺水平极高，可称得是我国古代青铜铸造的代表作，这套编钟的铸造时代据考证是距今2400年前的战国初期。现存于北京大钟寺内的明朝永乐大钟，铸于明永乐18年（公元418~1422年）前后，全高6.75m，钟口外径3.3 m，钟唇厚0.185 m，重46.5 t。钟体的内外铸满经文，共约22700余字。大钟至今完好，声音幽雅悦耳，距钟 15 ~ 20 km 都能听见，是世界上罕见的古钟之一。同时我国古代的钟、鼎、搏等文物，有不少是熔模铸造的，其工艺复杂，铸工之精湛、铸件之精美，体现出了我国当时先进的铸造工艺。

1953年在河北省兴隆县的古燕国铸冶作坊遗址的发掘中，发现距今2200~ 2350年的战国时期的铁质铸型等87件，可用于铸造铁锄、铁斧、铁镰，铁凿和车具等，其中锄上有方孔，用于固定穿过的铁芯，铸型的外侧还留有定位和夹紧的凸台，从这里可以看出早在战国时期，铸铁件在我国已广泛应用了。现立于河北省沧州的大铁狮，高5 m多，长近6 m，重达19.3 t，是公元9世纪五代后周时铸成的。现立于当阳的铁塔，由13层叠成，总重达40t，铸于北宋淳熙年间。而早在在公元前500年，我国就已成功地运用了叠箱铸造技术来大量生产铸铁件。这些都向世人展现了我国古代铸造工艺的水平和高超技艺。

很早以前，我国铸造模具的制造技术就已经很精湛，例如考古发现：当单件生产时，采用粘砂土、蜡型等制作消失模；当批量生产时，采用石头或金属制作的耐用模。考古甚至发现使用型芯来加工中空结构的技术也已在最早的金属铸件得到应用。

18世纪下半叶，新技术的发展和铸件逐步增长的需求，极大刺激了金属铸造行业的发展。设计优雅的铸铁件不再只用于制造装饰品和农具，也逐渐被用于机器零件的制造和日用品的生产。

我国古代铸造技术居世界先进行列。遗憾的是，由于过长的封建社会的腐朽统治和闭关锁国严重影响了科学技术的发展，也阻滞了我国铸造技术前进的步伐，到新中国成立时，我国的现代铸造技术几近于无。在新中国成立后，在中国共产党的领导下，我国劳动人民和科研人员一起，几乎从零开始，发展到了新的水平。当前我国铸造技术接近世界先进水平；在技术提高的同时也创造了大量的工作岗位，已经成为了国家重要的基础工业之一。我国铸造工业的现状

在建国后，在党和国家的大力关怀和支持下，我国的铸造技术和产量都有了长足的发展，逐渐接近世界先进水平。我国铸件产量也在今年超越美国位居世界第一，数千亿的产值和巨大的产量是我国成为世界主要的铸造生产基地。但是当前世界的主要铸造大国却可以分为两类：一是发达国家如美国、日本及欧洲等国采用高新技术生产高附加值、高精度、特种合金的铸件；二是以我国为代表的发展中国家，虽然是铸造大国，但是主要从事低技术、低附加值、低效益的铸件生产。

目前西方发达国家因为采用先进的铸造技术和严格的产品质量控制体系下，基本实现了生产的自动化、机械化，而且在生产中重视用信息化提升铸造工艺设计水平，普遍应用软件进行充型凝固过程模拟和工艺优化设计。以此为基础，这些国家能够较好的将生产中的废品率控制在2%～5%。

西方国家除了在技术方面普遍的领先地位，在劳动生产率上也有巨大的优势。据估计日本的劳动生产率是人均年产铸件140吨，我国约为20吨，相差7倍。而且近年来由于铁矿石等原材料价格的猛涨，更使我国等以低档次产品为主的国家的铸造工业收到了打击。

在国内，铸造业是关系国计民生的重要行业，是汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业的基础，是制造业的重要组成部份。在机械装备中，铸件占整机重量的比例能够达到50%甚至很高。汽车中的关键部件几乎全部铸造而成；冶金、矿山、电站等重大设备都依赖于大型铸锻件，铸件的质量直接影响着整机的质量和性能。从产业的分布来看，我国铸造生产企业主要分布在东部，西部产量较少。从产业结构看，既有从属于主机生产厂的铸造分厂或车间，也有专业铸造厂，还有大量的乡镇铸造厂。就规模和水平而言，既有工艺先进、机械化程度高、年产数万吨铸件的大型铸造厂，如重型行业、汽车行业、航空工业的一些先进的铸造厂；也有工艺落后、设备简陋、手工操作，年产铸件百余吨的小型铸造厂。

总之，目前我国铸造行业的技术水平比发达国家落后约20年，无法满足国民经济快速发展的需要。技术落后、设备陈旧、能耗和原材料消耗高、环境污染严重以及工人作业环境恶劣等问题，已经成为行业的共识。

而这些情况具体表现在以下几个方面：

2.1、工艺水平低，铸件质量差；

①铸件加工余量大。由于缺乏科学的设计指导，工艺设计人员凭经验难以控制变形问题，铸造的加工余量一般比国外大1—3倍。加工余量大，铸件的能耗和原材料消耗严重，加工周期长，生产效率低，已成为制约行业发展的瓶颈。

②大型铸件偏析和夹杂物缺陷严重。大型铸钢件和大型钢锭在凝固结束后，在冒口根部、铸件的厚大断面存在宏观偏析、晶粒粗大问题。

③铸件裂纹问题严重。

④浇注系统设计不合理。由于设计不当，存在卷气、夹杂等缺陷，导致铸件出品率和合格率低。

⑤模拟软件应用不普及。铸造过程模拟是铸件生产的一个必要环节，在国外，如果没有计算机模拟技术，就拿不到订单。我国的铸造业计算机模拟起步较早，虽然核心计算部分开发能力较强，但整体软件包装能力较差，导致成熟的商业化软件开发远落后于发达国家，相当一部分铸造企业对计算机模拟技术望而却步，缺乏信任。目前这种局面虽有所好转，但在购买了铸造模拟软件的企业中，能够发挥其作用的还不多见，急需对企业员工进行软件应用培训。

⑥普通铸件的生产能力过剩，高精密铸件的制造依然困难，核心技术和关键产品仍依赖进口。

2.2、能耗和原材料消耗高；

我国铸造行业的能耗占机械工业总耗能的25%—30%，能源平均利用率为17%，能耗约为铸造发达国家的2倍。我国每生产1吨合格铸铁件的能耗为550—700公斤标准煤，国外为300—400公斤标准煤，我国每生产1吨合格铸钢件的能耗为800—1000公斤标准煤，国外为500—800公斤标准煤。据统计，铸件生产过程中材料和能源的投入约占产值的55%—70%。中国铸件毛重比国外平均高出10%—20%，铸钢件工艺出品率平均为55%，国外可达70%。

2.3、环境污染严重、作业环境恶劣；

我国除少数大型企业如一汽、二汽、大起大重、沈阳黎明公司等生产设备精良、铸造技术先进、环保措施基本到位以外，多数铸造厂点生产设备陈旧、技术落后、一般很少顾及环保问题。上世纪80年代，政府对规模小、技术水平低、污染严重的企业进行了专业化调整，提高了企业的集约化程度，但铸造生产的粗放型特征没有得到根本改变。生产现场环境恶劣、作业条件差、技术落后、粗放式生产的铸造企业占90%以上；1998年在匈牙利举办的第63届世界铸造会议上颁发了环境保护奖，获奖铸造厂中没有一个在中国，这与中国的铸造大国地位极不相称。我国铸造业的环境问题还表现在对自然资源的超量消耗上。

铸造生产中炉料主要是生铁、废钢、焦炭、石灰石等、型砂、芯砂。主要是原砂、粘土、煤粉、树脂等粘结剂、固化剂、旧砂等的运输、混砂、造型、制芯、烘烤、熔化、浇注、冷却、落砂、清理和后处理等工序，就其作业内容来讲是在机械振动和噪声中进行，有的还在高温?如熔化、浇注中作业，有的产生刺激性气味，粉尘作业环境更是恶劣。在我国铸造车间每生产1吨铸件，约散发50公斤粉尘，熔炼和浇注工序排放废渣200公斤、废气20立方米，造型和清理排废砂约13—15吨。以年产2200万吨铸件计，每年排污物总量为：废渣440万吨、废砂近1650万吨、废气4亿立方米。这些数据足以说明我国铸造行业环境问题的严峻程度，采用高技术实现绿色铸造是当前需要重点解决的关键问题。

2.4、人才短缺；

铸造技术人才严重短缺是制约我国铸造技术发展的关键。主要表现在：①技术及管理人员数量偏少，分布不均，最少的工厂技术及管理仅占总职工人数的12%，最多的工厂占到323%，相差27倍之多，国企尤其是军工企业比例高。②高级人才数量少。铸造企业技术管理人才基本以中专、大专和本科生为主，特别是中专、大专生数量为多，研究生很少。③新人才来源困难。很多高校在上世纪90年代后不再设置铸造专业，一些大中企业的厂办学校也有下降趋势，新人才的来源日益困难。

铸造人才缺乏的根本原因在于企业待遇低、工作环境差。国有企业在岗职工年龄40岁以上的占80%，20—40岁的人员很少，出现断档。民营企业从事铸造的专业技术人才，从年龄上看，大部分也在60岁以上，绝大多数工人更是极少经过专业培训，许多是农民工从事铸造生产。整个行业的技术水平尤其是质量意识和质量控制水平不适应市场竞争的要求。我国铸造业的未来及发展的对策

目前我国铸造业正处在从铸造大国向铸造强国起步的新阶段。必须克服现实的能源、资源、人才瓶颈和环境问题的困扰。因此，必须抓住机遇，利用高技术提升铸件质量，扭转中国铸件在国际市场上技术含量不高、价格低廉的形象。要扶持一批具有优势的铸造企业使之成为具有国际竞争力的带动中国铸件出口的龙头企业。

为了实现我国有铸造大国向铸造强国的转变，我们应该做到以下几点：

3.1、加强对铸造新工艺、新材料、新设备的研究；

加强铸造业的基础研究和应用研究，铸造行业中许多金属材料都是通用的和关键的，因而应注重工艺研究和改进，同时又要加强材料工艺及计算机模拟等先进技术的采用以稳定产品质量。实际上，国内过分强调发展新材料而忽视通用关键材料的工艺设计和质量稳定等方面研究，而生产设备上许多问题却都出在这里，如三峡使用的水轮机转轮材料。

逐步减少和消除小冲天炉，发展10吨/小时以上大型冲天炉，并根据需要采用外热送风、水冷无炉衬连续作业冲天炉；推行冲天炉?感应炉双联熔炼工艺；推广冲天炉除湿送风技术，冲天炉变频控制技术，增加除尘装置，减少电力耗费。

深入开展大型铸钢件的冶炼和浇注工艺研究。采用精炼技术、气体保护浇注技术，AOD精炼技术和选择合适的耐火材料提高铸件的纯净度，提升铸件质量。采用新型浇注系统和冒口设计原则，提高铸件质量和工艺出品率。以可视化铸造技术发展起来的新型无气隙浇注系统设计是铸造工艺的一项重大创新，金属所与一重集团利用此技术已能够制造大型铸钢支承辊。

3.2、开发环保型铸造原辅材料；、建立新的与高密度粘土型砂相适应的原辅材料体系，根据不同合金、铸件特点、生产环境、开发不同品种的原砂、无污染的优质壳芯砂；抓紧我国原砂资源的调研与开发，开展取代特种砂的研究和开发人造铸造用砂；研究并推广使用清洁无毒的原辅材料，使用无毒无味的变质剂、精炼剂、粘结剂，开发环保型砂芯无机粘结剂；用湿型砂无毒无污染粉料光洁剂代替煤粉等；采用高溃散性型砂工艺，如树脂砂、改性酯硬化水玻璃砂工艺、新型酯固化水玻璃，纳米改性水玻璃；加强对水玻璃砂吸湿性、溃散性研究，尤其应大力开发旧砂回用新技术，环保型砂处理及再生技术；尽可能再生回用铸造旧砂，研究铸造用后的旧砂用于高速公路路基材料，特别是铬铁矿砂的回收利用。发展循环经济，以“减量化?REDUCE、再利用(REUSE)、再循环(RECYCLE)”为行业准则(3R原则)，走集约化清洁生产之路，合理使用资源，使用可再生材料和能源，确保铸造业的可持续发展。

3.3、构建共性技术和高技术传输平台；

①针对企业存在的共性问题，提高产品的合格率和工艺出品率，降低能耗和原材料消耗，实现绿色铸造。支持科研单位面向生产需求、着力解决生产实际问题，这应当成为铸造技术研究的主攻方向。

②建立高技术传输平台。开发关键件的铸造技术，实现国产化。通过与国外的研究机构和企业合作，引进消化高新铸造技术，与工厂一道开发关键件的铸造技术研究，并转化为新产品进入市场。希望政府在这方面加强投入，鼓励大的科研机构与大型企业集团共同合作，解决事关国计民生的关键件的国产化问题。

3.4、注重能源与环保立法；

铸造行业劳动条件恶劣，对环境的危害也较大。应加大政策法规对这方面的限制力度，环保劳保的准入门槛也应升高，已有的技术落后、污染严重的铸造厂点应关闭。提高从事冶炼、浇注和清理作业的工人和临时工的待遇，并为其提供保险。加强能源的科学管理，加强节能技术改造或高耗能设备的更新换代。

3.5、制定人才政策，加强技能培训；

由于铸造是个苦脏累的行业，待遇也低，因此学生不愿学，工人不愿干，许多跨入这个行业的人也想尽办法跳槽，造成人才短缺。国家应从长远考虑，制定吸引和稳定人才的政策。针对目前许多高校不设铸造专业的情况，可采取企业委托培养及厂校联合办学方式培养人，并且要特别重视对其计算机软件的培训。通过建立全国性和地区性的技术培训基地，提高技术人员和工人的铸造水平。同时还要加强铸造企业的领导和管理人员的培训，使其掌握现代管理知识，建立起现代管理体系，使企业依靠管理出效益。

3.6、注重自主创新；

加大铸造企业的重组和结构调整，进行专业化生产，实现地域化聚集，壮大龙头企业，使中小企业围绕产业链集聚，实现基础配套、特殊工序装备、检测设备、信息网络、环保设施等资源共享；充分权衡当地的资源、人力、资本和市场，把握优势，突出集群的特点。在企业、产品集聚的同时，实现信息的集聚、人才的集聚、技术的集聚，甚至竞争的集聚，产生规模效应。不应盲目地购买技术、设备和产品，必须加强自主创新，生产更多满足国民经济和国防安全的高精尖铸件，并将材料研究融入其中，参与国际竞争。结论

只有走这条道路，我国的铸造工业才能够在目前激烈的国际竞争中站稳脚跟，为我国从铸造大国转型为铸造强国铺平道路。

[参考文献] [ 1 ] 铸造技术网.铸造的历史

[ 2 ] 荆州市泰盟实业有限公司.铸造的历史与发展 [ 3 ] 中国铸造协会，孙玉鼎.铸造技术在向何处进展 [ 4 ] 百度百科词条，铸造、金属铸造