《特种金属材料》课件

特种金属材料欢迎各位同学参加《特种金属材料》课程本课程将全面介绍特种金属材料的基础理论、分类特点、制备工艺以及应用领域，帮助大家建立系统的专业知识体系特种金属材料是现代工业和科技发展的基础支撑，在航空航天、能源、国防、电子信息等高端领域发挥着不可替代的关键作用通过本课程的学习，你们将能够理解这些材料的独特性能及其在国民经济中的战略地位让我们一起探索特种金属材料的奇妙世界，解读材料科学的前沿发展！金属材料基础回顾常规金属与合金定义主要性能指标金属材料是以金属元素为基础，具有金属键结合的工程材料它物理性能密度、熔点、热膨胀系数、电阻率、磁性等们通常呈现出良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽机械性能强度、硬度、塑性、韧性、弹性模量、疲劳强度等合金是由两种或两种以上的金属元素，或者金属与非金属元素按一定比例混合熔炼而成的具有金属特性的物质通过合金化可以化学性能耐蚀性、耐氧化性、耐磨性等获得优于纯金属的综合性能工艺性能铸造性、焊接性、切削加工性、热处理性等特种金属材料的定义科学定义产业定义特种金属材料是指在特定环境从产业角度看，特种金属材料下具有优异性能或特殊功能的是指应用于高技术领域，满足金属或合金材料，通常具有与苛刻服役条件，具有高附加值，普通金属材料显著不同的化学生产工艺复杂，技术含量高的成分、组织结构或性能特点金属材料标准简介我国《特种金属功能材料》行业标准将其定义为具有特殊物理、化学、力学性能的金属材料国际材料学会则根据服役条件、性能指标和应用领域进行分类定义特种金属材料分类按成分分类按工艺分类高温合金（镍基、钴基、铁基）粉末冶金材料••难熔金属（钨、钼、铌、钽）快速凝固材料••12轻金属特种合金（钛、铝、镁）单晶材料••稀有金属（铍、锆、铪等）纳米结构材料••按功能分类按用途分类高温结构材料航空航天用特种金属••耐蚀材料核能用特种金属•43•功能性材料（形状记忆、超导等）电子信息用特种金属••特种不锈钢生物医用特种金属••特种金属与常规金属区别对比维度特种金属材料常规金属材料服役温度通常可在℃以上环一般不超过℃600500境长期服役耐蚀性在强酸、强碱、高温海水在常规环境下有一定耐蚀等环境有优异耐蚀性性比强度钛合金等比强度可达一般低于150MPa·cm³/g以上200MPa·cm³/g特殊功能可具有形状记忆、超导、通常不具备特殊功能高阻尼等特殊功能生产难度生产工艺复杂，设备要求生产工艺相对成熟高成本价格昂贵，通常为普通金价格适中属的倍5-100研究现状与发展背景万亿

4.8市场规模年全球特种金属材料市场规模

20228.2%年增长率特种金属材料行业年均复合增长率65%高端依赖中国高端特种金属材料对外依存度24%研发投入特种金属制造企业研发投入占比近年来，随着航空航天、新能源、信息技术等战略性产业快速发展，对特种金属材料的需求不断增长全球各国科研机构加强了对高温合金、轻量化材料、高性能钛合金等方向的研究，尤其是特种金属的成分设计、组织控制和生产工艺等方面取得了重要突破金属晶体结构与性能关系体心立方结构面心立方结构BCC FCC代表材料、钨、钼、代表材料、铜、铝、镍α-Fe Crγ-Fe特点填充率，塑性较差，强度特点填充率，塑性好，延性高68%74%高性能影响低温韧性好，滑移系多性能影响易发生解理断裂，高温塑性提高密排六方结构HCP代表材料镁、钛、锌α-特点填充率，塑性差，各向异性强74%性能影响滑移系少，室温塑性较差晶体缺陷对特种金属性能有显著影响空位可促进扩散；位错运动是塑性变形的微观机制；晶界对强度、韧性和蠕变性能有决定性作用；而不同类型的相界面则是合金强化的重要基础合金设计与强化机制固溶强化析出强化细晶强化形变强化溶质原子引起晶格畸变，阻碍位错第二相颗粒阻碍位错运动晶界阻碍位错运动，细晶提高强度塑性变形引起位错密度增加运动典型例子镍基高温合金中的相典型例子纳米晶钛合金典型例子冷轧不锈钢板γ典型例子合金中的Ni-20Cr Cr原子合金元素设计是特种金属开发的关键常见添加元素可分为基体稳定元素（如合金中的）、强化元素（如、）、晶界强化元素（如、、）、Ni CoAl TiB ZrHf耐蚀元素（如、）等合理的合金设计需综合考虑各强化机制的协同作用Cr Mo常见合金相图解析特种金属材料的基本性能高温性能高温强度在℃下保持足够的强度600-1200高温稳定性组织结构在高温下不发生有害变化蠕变抗力在持续应力下抵抗缓慢变形的能力耐蚀性化学稳定性在酸、碱、盐等腐蚀环境中的抵抗能力氧化抗力在高温氧化环境中形成保护性氧化膜的能力应力腐蚀开裂抗力在应力和腐蚀共同作用下的抵抗能力力学性能高比强度单位密度下的强度，对航空航天领域尤为重要断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力疲劳强度在循环载荷下的长期承载能力特殊功能磁性软磁、硬磁、磁致伸缩等特性电阻特性低温超导、高电阻等形状记忆效应在特定条件下恢复原始形状的能力高温合金概述定义与重要性分类与牌号核心特性高温合金是能在℃以上温度下长期按基体元素分为镍基（如优异的高温强度和持久强度600工作，并承受一定应力而不发生显著变）、钴基（如GH4169/Inconel718良好的抗氧化和抗热腐蚀性能形的一类合金它们是航空发动机、燃）、铁基（如）高FSX-414GH2132优良的抗热疲劳和热稳定性气轮机等高端装备的心脏材料，被称温合金为材料工业的皇冠良好的组织稳定性和抗蠕变性能按制备工艺分为铸造合金、变形合金、粉末冶金合金、单晶合金等镍基高温合金奥氏体基体γ面心立方结构固溶体，提供基础强度和塑性Ni相γNi3Al,Ti主要强化相，与基体共格，阻碍位错运动相γNi3Nb重要强化相，在中起关键作用Inconel718碳化物、等，强化晶界，提高持久强度MC M23C6晶界相含、等元素，提高晶界结合力B Zr镍基高温合金的设计原理是通过多元合金化和精确控制微观组织来实现高温强化其中相的体积分数、尺寸和分布是决定合金性能的关键因素先进的单晶合金中，相γγ体积分数可达以上，使材料在℃下仍保持优异的力学性能70%1100镍基合金性能与应用钴基高温合金合金成分与组织性能特点与应用钴基高温合金以钴为基体，添加、、、等元素，形成钴基高温合金具有以下独特优势Cr NiW Ta固溶强化的奥氏体基体和弥散分布的碳化物优异的热疲劳抗力•主要强化机制是出色的抗热腐蚀和抗氧化性能•良好的铸造性能和修复性能固溶强化（固溶体中的、等）••Co WMo熔点较高，无相析出硬化，热稳定性好碳化物强化（、、等）•γ•MC M23C6M6C晶界强化（、等元素）•B Zr主要应用于典型成分（质量）%Co-20-30Cr-5-15Ni-5-航空发动机静叶、导向叶片•15W-

0.2-

1.0C工业燃气轮机高温部件•火箭发动机喷管和燃烧室•铁基高温合金化学成分组织特征优点以铁为基体，含奥氏体基体，强化相包成本低于镍基和钴基合金，Cr15-、，括（）、资源丰富；加工性能较好；25%Ni15-45%γNi3Al,Tiγ同时添加、、、（）、碳化物和在℃以下具有适用Mo WNb Ni3Nb

650、等强化元素代金属间化合物微观组的高温强度和抗氧化性Ti Al表牌号、织稳定性低于镍基合金GH

2132、等GH2136A286局限使用温度不超过℃；700高温强度和组织稳定性低于镍基合金；耐热腐蚀性相对较差；强化效果有限铁基高温合金主要应用于工作温度较低的涡轮盘、压气机叶片、紧固件等例如，合金广泛用于航A286空发动机的低压涡轮盘和紧固件尽管使用温度有限，但铁基高温合金因性价比高而在工业燃气轮机和石化装备中得到广泛应用难熔金属概述钨及其合金基本性能钨是熔点最高的金属（℃），密度，硬度高，高温强度优异

342219.3g/cm³常见合金钨铼合金、钨铜合金、钨镍铁重合金、钨钼合金等核心应用航天热结构材料、核聚变材料、高密度穿甲弹、灯丝材料纯钨具有极高的熔点和良好的高温强度，但室温韧性差，加工困难钨铼合金添加的铼，可显著改善韧性和加工性能，主要用于热3-26%电偶、高温加热元件和航天热结构件钨铜复合材料结合了钨的高熔点和铜的高导电性，广泛用于大功率电接触材料钨镍铁合金（质量比例通常为）90-95W:3-6Ni:1-2Fe具有高密度（）和较好的加工性能，主要用于辐射屏蔽、平衡重和穿甲弹核心17-

18.5g/cm³钼及其合金钼是重要的难熔金属，熔点℃，密度，具有良好的高温强度、热导率和抗蠕变性能纯钼在℃以上具有良好的延展性，但室温下较脆

262310.2g/cm³1000合金是最重要的钼基合金，成分为，通过碳化物弥散强化提高了高温强度和再结晶温度合金具有更高的高温强度，TZM Mo-

0.5Ti-

0.08Zr-

0.01~

0.04C Mo-30W主要用于火箭喷管钼及其合金主要应用于半导体工业（栅极、蒸发舟）、玻璃熔炼电极、高温炉加热元件、热沉和热屏蔽、热结构件等领域钽、铌金属钽特性与应用铌特性与应用Ta Nb钽是化学性能最稳定的金属之一，熔点℃，密度铌的熔点为℃，密度，具有良好的延展性和

301724778.57g/cm³，具有优异的耐腐蚀性和生物相容性钽在各种酸成形性铌在超导领域具有特殊地位，临界温度为，是制

16.6g/cm³

9.3K（氢氟酸除外）中几乎不被腐蚀，表面会形成致密的保造超导磁体的重要材料Ta2O5护膜主要应用主要应用超导材料（和超导线材）•NbTi Nb3Sn医用植入物（骨骼替代、牙科植入体）•航空航天热结构件（合金）•C103电子电容器（手机、电脑等）•微合金化钢（钢的添加元素）•HSLA化工设备（耐腐蚀换热器、反应釜）•光学镀膜（氧化铌）•超高温熔炼坩埚•医疗设备（超导磁体）•MRI稀有金属及其合金铍及其合金铍是最轻的金属之一，密度仅，熔点℃，具有高比刚度和优异的热导率但铍粉尘有毒，需特殊防护铍铜合金含具有高强度、

1.85g/cm³12872-3%Be高导电性和耐腐蚀性，用于精密弹簧、无火花工具和电子连接器锆及其合金锆具有优异的抗腐蚀性和极低的中子吸收截面，熔点℃锆合金系是核反应堆燃料元件包壳的关键材料1855Zr-Sn-NbZircaloy-4Zr-

1.5Sn-在反应堆中能稳定工作，同时透过中子，保障核反应持续进行

0.2Fe-

0.1Cr铪及其合金铪与锆化学性质相似，但中子吸收截面高倍，熔点℃高纯铪用于核反应堆控制棒；铪合金在航空航天领域用作热防护材料和耐高温部件；8002233合金用于火箭发动机喷管C103Nb-10Hf-1Ti轻金属及其特种合金钛合金型钛合金β型钛合金α含稳定元素，室温下为结βMo,V,Cr BCC含稳定元素，室温下为结构αAl,O,N HCP构代表牌号，TC4TA7代表牌号，TB6TB8特点耐热性好，蠕变抗力高，焊接性好特点强度高，可热处理强化，成形性好应用高温部件，化工设备应用高强度紧固件，弹簧特种钛合金型钛合金α+β形状记忆钛合金（）含适量、稳定元素，两相共存TiNiαβ生物医用钛合金代表牌号，TC4Ti-6Al-4V TC11高温钛铝金属间化合物特点综合性能优良，可热处理应用智能器件，医疗植入，高温部件应用航空结构件，发动机压气机钛合金的航空航天应用15%飞机结构占比现代大型客机中钛合金用量39%发动机用量航空发动机中钛合金占比℃25温差范围飞行环境温度波动30%节能减排使用钛合金后燃油效率提升钛合金在现代飞机中的应用不断扩大波音中钛合金用量达到，主要用于发动机吊挂、起落架、翼盒等承力结构空客采用先进钛78715%A350合金制造机翼与机身连接件，有效减轻了重量并提高了抗疲劳性能国产大飞机在起落架、发动机短舱、翼身融合等关键部位均采用国产高性能钛合金合金是最常用的航空钛合金，C919TC4Ti-6Al-4V合金则用于高强度要求的环境TC17Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr镁合金材料特点常见牌号镁是工程金属中密度最低的（），综合性能好，

1.74g/cm³•AZ91Mg-9Al-1Zn比铝轻，比钢轻具有较高的比强铸造性能优异35%77%度和比刚度，良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能良好的塑性•AM60Mg-6Al-

0.3Mn和韧性但存在活泼化学性，耐蚀性较差；强度低于铝高强度镁合金•ZK60Mg-6Zn-

0.5Zr合金；高温性能和蠕变抗力有限；易燃性等问耐热镁合金，可在•WE43Mg-Y-RE题℃下使用250系超轻镁合金，密度低至•Mg-Li

1.35g/cm³典型应用汽车仪表板支架、方向盘、座椅框架等•产品笔记本电脑、手机、相机外壳•3C航空航天直升机传动壳体，卫星部件•生物医学可降解植入物•体育用品自行车部件，高尔夫球杆•高强铝合金系（系）2xxx Al-Cu代表牌号、、2024Al-Cu-Mg2A122219特点高强度，良好的损伤容限性，但耐蚀性较差应用飞机蒙皮、隔框、长桁等性能，伸长率σb=450MPa8-10%系（系）7xxx Al-Zn代表牌号、、7075Al-Zn-Mg-Cu7A097050特点最高强度铝合金，但应力腐蚀敏感性高应用航空上翼面板、加强筋等高负荷结构性能，伸长率σb=570MPa7-11%铝锂合金代表牌号、、系80902090Al-Li-Cu-Mg特点低密度（），高比模量，低膨胀系数

2.5g/cm³应用航天器储箱、次承力结构性能比普通铝合金轻，刚度高10%10-15%4铝基复合材料代表、复合材料SiC/Al Al2O3/Al特点高比强度，高比刚度，良好的尺寸稳定性应用航天结构件，高性能刹车盘性能弹性模量提高20-40%高强铝合金航空应用高强铝合金在商用客机中的用量占结构重量的波音机身蒙皮主要采用铝合金，上翼面板采用铝合金，这些材料经过几十年的70-80%7372024-T37075-T6服役验证，安全可靠空客系列飞机大量采用、和高强铝合金A320202470757050中国商飞大飞机在机身、机翼和尾翼等主承力结构上广泛使用国产、和等高强铝合金这些合金通过调整合金成分和热处理工艺，实现了C9197A097A552A14高强度、高韧性、高抗疲劳性能的平衡，满足飞机长寿命、高可靠性要求稀土金属及稀土合金稀土金属概述稀土永磁材料稀土元素包括镧系个元素以及钪和钇，共种元素，具有特钕铁硼是目前性能最强的永磁材料，最大磁能积1517Nd2Fe14B殊的电子层结构，表现出独特的光学、电磁和催化性能可达，是铁氧体永磁的倍以上其生产工艺包括4f59MGOe10稀土金属按性质可分为粉末冶金法熔炼破碎磁场取向烧结热处理

1.→→→→快淬法熔体快速冷却粘结剂混合压制成型

2.→→轻稀土等，资源相对丰富•La,Ce,Pr,Nd中稀土等钐钴永磁具有优异的耐高温性能和抗腐•Sm,Eu,Gd SmCo5,Sm2Co17蚀性，最高使用温度可达℃重稀土，资源稀缺350•Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu稀土永磁材料广泛应用于中国稀土资源占全球储量的，产量占全球的以上，是36%60%名副其实的稀土王国新能源汽车驱动电机•风力发电机永磁发电机•高端消费电子耳机、扬声器•医疗设备核磁共振•超导金属材料超导现象超导材料种类制备工艺超导体在临界温度以下，电阻金属系超导材料主要包括超导线通过多芯复合加工工Tc Nb-Ti Nb-Ti率突然降为零，同时表现出完全抗合金、化合物艺制备，将合金棒嵌入铜基Tc=

9.8K Nb3Sn Nb-Ti磁性迈斯纳效应金属超导体

一、体中，经多次挤压和拉拔得到Tc=

18.3K V3GaTc=

16.5K般较低，需要低温环境（如液氦等高温超导体主要是铜氧化物，采用青铜法或内锡法制备，Tc Nb3Sn温度）如、通过热处理使和反应生成化

4.2K YBCOTc=92K NbSn合物BSCCOTc=110K应用领域医疗核磁共振成像设备的超MRI导磁体；大型粒子加速器如大型强子对撞机的偏转磁铁；磁悬LHC浮列车；超导储能；核聚变装置如的托卡马克磁体系统等ITER超导材料是当代科技前沿的重要研究方向，中国人造太阳装置采用了全超导托卡马克磁体系统，实现EAST了亿度等离子体运行秒的世界纪录

1.2100形状记忆合金形状记忆效应原理形状记忆合金基于热弹性马氏体相变原理，在变形后加热至一定温度，可恢复原始形状这一过程涉及从低温马氏体结构向高温母相结构的转变主要温度参数包括马氏体开始温度、马氏体完成温度、奥氏体开始温度和奥氏体完成温度Ms MfAs Af镍钛合金的特性镍钛合金是目前应用最广泛的形状记忆合金，具有优异的形状记忆效应位移NiTi量可达原长的、超弹性弹性变形可达、良好的疲劳性能次循环和优秀8%8%10⁸的生物相容性通过调整、比例和添加第三元素，可精确控制相变温度近等Ni Ti原子比合金相变温度约为℃，通过增加含量可降低相变温度Ni-Ti70Ni智能应用案例形状记忆合金已在多领域实现智能应用医疗器械方面，支架和导丝利用其NiTi超弹性和形状记忆效应实现微创手术；航空航天领域，形状记忆合金天线和太阳能电池板展开装置大大减轻了重量；汽车领域，执行器用于发动机温度控制；NiTi消费电子中，形状记忆合金用于手机摄像头自动对焦和震动马达高熵合金概念与组成高熵合金是含有五种或更多主元素（各元素原子百分比在之间）的新型合金体系其名称源于混合熵高的特点，混合熵的增加使固溶体相比传统金属间化合物更稳定5-35%典型成分如等摩尔比、等CoCrFeMnNiAlCoCrFeNi微观结构特点高熵合金通常形成简单的面心立方或体心立方固溶体结构，而不是复杂的金属间化合物这得益于四大核心效应高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应FCC BCC晶格畸变严重，原子排布不规则，导致电子、声子散射增强优异性能高熵合金表现出一系列突出性能优异的高温强度和稳定性（℃仍保持高强度）；优秀的低温韧性（下冲击韧性高）；出色的耐蚀性和抗辐照性能；良好的耐磨性；高硬度与优异的软磁性能80077K合金在℃下拉伸强度可达，伸长率高达CoCrFeMnNi-196800MPa70%发展前景高熵合金的成分设计空间巨大，理论上可设计出10⁶0种以上的合金体系未来将向功能化、轻量化、低成本方向发展潜在应用领域包括极端环境材料、航空发动机高温部件、核能材料、高性能工模具等轻质高熵合金如和多主元高熵合金有望开辟新的应用领域AlMgLiCaSnSr耐蚀特种金属材料哈氏合金Hastelloy以镍为基，添加、等元素的高耐蚀合金Mo CrHastelloy C-276Ni-16Mo-16Cr-4W-在沸腾盐酸、硫酸、磷酸中均表现出极佳的耐蚀性能广泛应用于苛刻腐蚀环境的化工5Fe设备，如反应釜、热交换器、阀门等蒙乃尔合金Monel镍铜合金系列，典型成分为，具有优异的海水腐蚀抗力和应力腐蚀开裂抗力Ni-30Cu在流动海水中的腐蚀速率低至年，远优于不锈钢主要用于海水淡Monel

4000.025mm/化设备、舰船阀门、泵体和螺旋桨等因科镍合金Inconel镍铬基高温耐蚀合金，如，不仅具有优异的高温强度，Inconel625Ni-22Cr-9Mo-

3.5Nb还在高温氯化物环境中表现出极佳的抗点蚀能力常用于石油化工的加氢裂化反应器、盐酸再生装置、脱硫设备等重点工业应用石化行业大型炼油厂脱盐装置的换热器管采用不锈钢，改进后的腐蚀速率从N08904年降至年，设备寿命延长倍氯碱工业的氯气处理设备采用钛合金和

0.2mm/

0.02mm/10哈氏合金，有效解决了严重腐蚀问题C难熔钢与特种不锈钢沉淀硬化不锈钢、等，强度高达，适用航空件17-4PH15-5PH1400MPa双相不锈钢、等，兼具奥氏体和铁素体优点，耐点蚀性优异22052507超级奥氏体不锈钢、等，高、含量，极佳耐海水腐蚀性254SMO904L MoN耐热不锈钢、等，高、含量，耐氧化性好，可℃服役310S253MA CrNi800标准不锈钢、等，基础型号，综合性能适中304316L特种不锈钢通过成分设计和工艺控制，实现了性能的显著提升双相不锈钢含有、、和，临界点蚀温度可达℃，是标准S32750250725%Cr7%Ni4%Mo

0.28%N CPT94℃的近倍这使其能在含高浓度氯离子的海水环境中长期服役316L244高氮不锈钢利用氮元素的固溶强化和稳定奥氏体的作用，显著提高了强度和耐点蚀性能合金的屈服强度比提高一倍以上，同时保持了优良的韧性和S3165424Cr-22Ni-

0.5N304加工性能金属间化合物材料金属间化合物是两种或多种金属元素按照确定的化学计量比形成的具有固定晶体结构的化合物与传统合金相比，金属间化合物具有更强的原子间结合力，表现出高熔点、高强度和优良的抗氧化性能基合金是研究最为深入的轻质高温结构材料，密度仅为，比传统镍基高温合金轻可在℃下长期服役，已应用于航空发动机低压涡轮叶片TiAl

4.0g/cm³50%γ-TiAl800Ti-合金通过精确控制微观组织，解决了的脆性问题，实现了工程应用48Al-2Cr-2Nb TiAl是镍基高温合金的主要强化相，独立使用时具有优异的抗氧化性和良好的高温强度的密度更低，熔点更高，但室温脆性限制了其应用合金具有良好的耐磨性、Ni3Al NiAlFe3Al耐氧化性和硫化腐蚀抗力，是重要的结构和功能材料金属基复合材料定义与分类制备工艺与挑战金属基复合材料是以金属或合金为基体，通过添加增强相主要制备工艺MMC颗粒、晶须、纤维等而获得的复合材料，兼具金属的塑性、韧性液态工艺搅拌铸造、挤压铸造、反应浸渗

1.和增强相的高强度、高模量等优点固态工艺粉末冶金、机械合金化、扩散焊接

2.按基体分类半固态工艺搅拌摩擦加工、复合挤压

3.铝基复合材料、等•SiC/Al Al2O3/Al技术挑战钛基复合材料、等•SiC/Ti TiB/Ti界面结合问题增强相与基体间的润湿性和化学相容性•镁基复合材料、等•SiC/Mg B4C/Mg增强相均匀分布避免团聚和不均匀问题•铜基复合材料、等•C/Cu Al2O3/Cu残余应力控制热膨胀系数不匹配导致•按增强相形态分类颗粒增强型、纤维增强型、晶须增强型降低成本目前成本高于常规合金•金属基复合材料在航空航天、电子封装、汽车等领域应用广泛战斗机使用复合材料制造机翼接头，减重；波音使F-16SiC/Al40%787用复合材料制造起落架部件，提高了耐磨性和疲劳寿命；高端赛车使用复合材料制造刹车盘，耐磨性提高倍B/Al C/Al3其它前沿特种金属材料储氢合金功能金属玻璃超轻泡沫金属储氢合金能可逆地吸收和释放大量氢气，金属玻璃是通过快速冷却形成的非晶态金属泡沫是含有大量气孔的轻质金属材氢容量可达材料体积的倍以上金属合金，具有无长程有序结构典型料，密度仅为基体金属的制备10005-25%型（如）、型（如合金如、方法包括粉末冶金法、熔体发泡法和铸AB5LaNi5AB2Zr-Cu-Al-Ni Fe-Si-B-Nb）、基和基是主要类系列其特点包括超高强度（可达造复制法等铝泡沫具有低密度（ZrMn2Mg Ti-Fe2-

0.2-型可吸收氢达，但成）、优异的弹性（弹性极限左）、高比强度、优异的吸能LaNi

51.4wt%5GPa2%

0.8g/cm³本高；理论吸氢量高达，右）、优良的软磁性能（低矫顽力、高性和减震性、良好的隔热隔声性能广Mg2Ni

3.6wt%但吸放氢动力学较差，需提高温度车磁导率）和优异的耐蚀性应用于高性泛应用于汽车防撞部件、建筑隔音板、用储氢合金要求具有储氢量、能变压器铁芯、高强弹簧、精密成型模防爆容器等设计成梯度孔结构的钛合2-6wt%良好的循环稳定性和合适的吸放氢温度具和腐蚀环境部件基非晶带材可降金泡沫作为骨科植入物，可实现与骨骼Fe压力低变压器损耗以上的良好结合70%自修复金属材料自修复金属材料能够在损伤后恢复其性能和功能主要机制包括微胶囊修复（含修复剂的微胶囊嵌入基体）、空心纤维网络（含修复剂的纤维）、形状记忆合金修复（通过相变应力闭合裂纹）等形状记忆合金基复合材Cu-Al-Ni料可在加热后实现微裂纹的闭合和强度恢复含纤维的铝基复合材料可在SMA循环载荷下抑制疲劳裂纹扩展，延长使用寿命以上50%特种金属材料的冶金工艺真空感应熔炼VIM在高真空度下（⁻⁻）通过电磁感应加热金属，避免气体污染和活性元素烧损具10²~10³Pa有除气效果好、元素烧损少、温度控制精确等优点主要用于航空发动机高温合金、不锈钢、钛合金等特种合金的初熔关键设备包括真空室、感应线圈、真空系统和控制系统典型工艺参数功率，熔炼温度℃，真空度优于500-3000kW1500-

17000.1Pa真空自耗电弧重熔VAR以初熔电极为原料，在真空条件下通过电弧熔化，金属液滴逐渐凝固形成锭坯其优点是可有效去除气体和非金属夹杂物，改善成分均匀性，细化晶粒主要用于高品质特种钢、高温合金和钛合金的二次精炼工艺参数控制至关重要，包括电流大小（通常5000-）、电弧电压（通常）、熔化速率和冷却条件等工艺对15000A25-35V VAR合金的纯净度提升明显，氧含量从降至以下GH416920ppm5ppm电渣重熔ESR利用导电熔渣产生的电阻热熔化电极，金属液滴通过熔渣层时进行精炼，并在水冷铜结晶器中定向凝固其特点是冶金质量高、锭坯表面质量好、化学成分均匀主要用于轴承钢、模具钢和特种钢的精炼熔渣成分设计是工艺关键，常用ESR CaF2-CaO-系统电渣重熔可显著降低钢中含量（可降至以下）和氧含量，并减少Al2O3S

0.003%偏析一些高端装备用特种钢采用双联熔炼，进一步提高纯净度VAR+ESR金属材料粉末冶金技术粉末制备气体雾化法将熔融金属通过高压气体（、₂）喷射成微小液滴并快速凝固，得到球形粉末Ar N水雾化法用高压水射流喷射金属液流，得到不规则形态粉末，成本低但氧含量高机械合金化通过高能球磨使不同金属粉末机械混合，形成合金粉末，可制备非平衡相电解法通过电解沉积制备高纯度金属粉末，如、粉末Cu Ni成型与烧结传统压制成型在模具中对粉末施加单向或等静压压力（）200-800MPa注射成型金属粉末与有机粘结剂混合形成料浆，注射成型后脱脂和烧结MIM热等静压在高温（通常为熔点的）和高压（）惰性气体中同时进行压制HIP70-80%100-200MPa和烧结放电等离子烧结利用脉冲电流加热粉末，实现快速致密化SPS后处理机械加工对烧结件进行精加工，如车削、铣削、研磨等浸渍处理对多孔烧结体进行油、树脂或低熔点金属浸渍热处理对烧结件进行退火、淬火、时效等处理，优化性能表面处理对烧结件进行电镀、氧化、渗碳等表面改性粉末冶金技术已成功应用于高端钛合金构件生产粉末通过热等静压工艺制造的航空发动机压气机叶Ti-6Al-4V HIP盘，不仅显著降低了材料浪费（利用率从提高至），还实现了优于铸造的均匀组织和性能某型航空发动机关20%95%键框架件采用粉末冶金近净成形工艺，生产周期从个月缩短至个月，成本降低18640%快速凝固与纳米晶材料快速凝固基本原理主要制备工艺快速凝固技术是指熔融金属以极高的冷却速率单辊甩带法熔融金属喷射到高速旋转的冷却（10³~10⁶K/s）凝固的工艺在如此高的冷辊上，形成厚度为20-50μm的金属带材却速率下，原子扩散受到抑制，可形成过饱和气体雾化法高压惰性气体雾化熔融金属，形固溶体、亚稳相或非晶结构，获得常规冶金方成快速凝固粉末法无法实现的组织和性能熔体甩射法利用离心力将熔融金属甩射成细小液滴并快速凝固电弧熔射法电弧熔化金属并喷射到冷基板上快速凝固纳米晶特点与应用纳米晶材料的晶粒尺寸在范围内，具有高体积分数的晶界其特点包括超高强度（可1-100nm达常规材料的倍）、良好的韧性、优异的耐磨性和优良的软磁性能（如低矫顽力、高磁导率）3-5典型应用纳米晶带材用于高性能变压器铁芯，具有超低的铁损耗；纳米晶硬质合Fe-Si-B-Nb-Cu金刀具具有优异的耐磨性和热稳定性；纳米晶医疗器械具有高强度和良好的生物相容性快速凝固强化机理主要包括细晶强化（晶粒细化至微米或纳米级）、固溶强化（形成过饱和固溶体）、弥散强化（析出纳米尺度第二相粒子）和非晶结构形成（完全无序原子排列）这些机制使材料性能得到显著提升，如快速凝固合金在℃仍保持优异强度，远超常规铝合金的使用极限Al-Fe-Ce250特种金属材料高纯化处理区熔提纯电子束熔炼利用杂质在固相和液相中的溶解度差异，通过在利用高能电子束在高真空下轰击金属，实现深度材料上移动窄熔区，将杂质推向一端除气和非金属夹杂物去除化学气相沉积电磁悬浮熔炼通过气相化学反应在基体表面沉积高纯金属或化利用电磁力使金属悬浮并熔化，避免与容器接触合物薄膜引入污染高纯金属在电子、核能等领域至关重要半导体级硅通过区熔提纯可将杂质控制在（十亿分之一）级别，纯度达到（个），满足微电ppb

99.9999999%99子器件对材料纯度的苛刻要求某型号芯片制造用的高纯钽靶材需要氧含量低于，碳含量低于，通过电子束熔炼与真空热处理相结合的工艺实10ppm5ppm现了这一指标核能产业对锆合金的高纯度要求极为严格，特别是对中子吸收截面大的元素如的控制（需低于）我国已掌握萃取分离与电子束熔炼相结合的高纯Hf100ppm锆制备技术，满足了核电站关键材料国产化需求材料成型加工技术精密铸造金属打印3D精密铸造包括传统失蜡铸造和现代打印型壳铸造等技术精密金属打印技术主要包括3D3D铸造工艺流程选区激光熔化高能激光逐层熔化金属粉末•SLM制造模型（蜡模或打印模型）

1.3D电子束熔化电子束在真空中熔化金属粉末•EBM制作陶瓷型壳（多次浸涂、喷砂、干燥）

2.激光沉积成形激光熔化送入的金属粉末或丝材•DED脱模（融蜡或烧结脱除模型）

3.打印技术优势3D高温烧结型壳

4.可制造复杂内腔结构，如内部冷却通道浇注金属液•

5.显著缩短研发周期，从设计到制造仅需数天型壳清理和后处理•

6.原材料利用率高，达到以上•95%高温合金涡轮叶片采用定向凝固或单晶铸造技术，可显著提高高温可实现材料梯度分布，优化性能•性能定向凝固通过控制温度梯度，使晶粒沿特定方向生长，消除横向晶界，提高蠕变寿命倍2-3某型航空发动机燃烧室火焰筒采用工艺一体化成形，将原有SLM个零件减少到个，重量减轻，装配工时减少87125%90%力学性能测试与表征测试类型测试标准关键参数典型值GH4169拉伸测试抗拉强度GB/T228σb1250MPa屈服强度ASTM E8σ

0.21050MPa伸长率δ15%蠕变测试持久强度℃GB/T2039σt/T650MPa/650/100h断裂寿命ASTM E139300h疲劳测试高周疲劳极限GB/T3075450MPa/10⁷cycles低周疲劳寿命±ASTM E46610³cycles

0.8%冲击测试冲击韧性GB/T229AKV90J断裂形貌韧窝型ASTM E23特种金属材料力学性能测试通常需要模拟实际服役条件高温合金的蠕变测试需在℃环境下进行，持600-1100续数百甚至数千小时例如，航空发动机涡轮盘材料需测试℃条件下的蠕变性能，合格标准为蠕变650/450MPa断裂寿命小时≥300先进测试技术如数字图像相关可实时监测变形场分布；小尺寸试样测试技术可从实际服役部件上切取微小试DIC样进行性能评价；高温原位观察可实时记录微观结构演变过程高温性能与服役可靠性耐蚀性分析方法电化学测试极化曲线测试通过电位电流密度曲线评估材料的活化与钝化行为-电化学阻抗谱分析腐蚀过程动力学和电极界面特性EIS关键参数腐蚀电位、腐蚀电流密度、钝化电位、击穿电位浸泡测试全浸法样品完全浸入腐蚀介质，模拟整体腐蚀环境交替浸泡法周期性浸泡和干燥，模拟循环腐蚀条件关键参数腐蚀速率年、失重率、表面形貌变化mm/高温氧化测试等温氧化恒定高温下的氧化动力学研究循环氧化高温常温循环，评估氧化膜的剥落行为-关键参数质量增加量、氧化膜厚度、氧化动力学常数mg/cm²微观分析表面形貌利用观察腐蚀形貌（均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀等）SEM截面分析研究腐蚀深度和腐蚀层结构成分分析分析腐蚀产物和氧化膜成分EDS/XPS断裂与损伤机理韧性断裂脆性断裂疲劳断裂韧性断裂是通过微孔形核、长大和聚合的脆性断裂沿特定晶面或晶界快速传播，微疲劳断裂是在循环载荷作用下，裂纹萌生过程导致的断裂模式微观上表现为蜂窝观表现为解理面或晶界断裂形貌体心立并逐渐扩展导致的失效模式特征是断口状韧窝形貌，能量吸收较多高纯钛合金、方金属如钼、钨在低温下易发生脆性断裂呈现贝壳状疲劳纹（海滩纹）和疲劳条带奥氏体不锈钢等在室温下通常呈韧性断裂脆性断裂几乎没有宏观塑性变形，断口近高温合金涡轮盘、起落架等承受循环载荷韧性断裂前有明显的塑性变形，断口呈现似垂直于拉应力方向，表面平整光亮一的部件常见疲劳失效疲劳裂纹通常从表°剪切唇些强化相如碳化物是脆性断裂的易发位面缺陷、应力集中处或非金属夹杂物处萌45TiC置生特种金属材料的焊接与连接特种焊接工艺电子束焊接真空环境下，高能电子束产生深熔透焊缝，适用于钛合金、高温合金激光焊接高能量密度、低热输入、快速冷却，可焊接细小部件和精密结构扩散焊接高温高压下原子扩散形成连接，无熔化区，适合异种金属连接钛合金焊接需特别注意气体保护，避免氧、氮、氢污染工业实践采用全封闭惰性气体保护系统，氩气纯度，焊缝氧含量控制在以下≥

99.999%300ppm合金采用电子束焊接后，焊缝区抗拉强度可达，接近母材强度Ti-6Al-4V950MPa镍基高温合金焊接主要挑战是应力开裂和热影响区液化开裂合金通过低热输入激光焊接，并采用特殊热处理工艺GH4169（℃℃℃三级时效），可获得接近母材以上的综合性能900/1h+720/8h+620/8h90%焊接质量检测方法包括射线探伤检测内部缺陷；超声波检测细小裂纹；液体渗透检测表面缺陷；金相分析评价微观组织先进的相控阵超声检测技术可实X现高温合金焊缝中裂纹的准确定位

0.5mm表面处理与改性技术离子注入物理气相沉积热喷涂化学表面处理PVD高能离子束轰击材料表面，离在真空条件下，通过蒸发、溅将涂层材料加热至熔融或半熔通过化学反应在基体表面形成子嵌入表层改变表面组成和结射等物理方法在基体表面沉积融状态，高速喷射到基体表面新的化合物层钛合金阳极氧构钛合金表面注入离子形薄膜典型工艺有磁控溅射、形成涂层包括等离子喷涂、化形成彩色₂膜，不仅美N+TiO成层，硬度提高倍，电子束蒸发、弧离子镀等航火焰喷涂、高速火焰喷涂等观，还提高耐蚀性；不锈钢钝TiN3-5耐磨性显著提升医用钛合金空发动机钛合金叶片通过燃气轮机叶片采用化处理形成致密₂₃膜，Cr O植入物通过、离子注入改涂层提高抗氧化温度从双层热障涂耐蚀性提高倍；铝合金硬质Ca PTiAlN NiCrAlY+8%YSZ5善生物相容性，促进骨整合速℃至℃硬质合金刀层，表面温度降低阳极氧化形成厚600850150-20-25μm度提高处理深度一般为具经涂层后，使用寿命℃石化装备采用₂₃膜，表面硬度从40%AlTiN200WC-Al O延长倍膜层厚度一般为耐磨涂层，耐磨性提高提高至以上

0.01-

0.5μm3-5Co10HV100HV350倍以上涂层厚度一般为1-10μm50-500μm航空航天领域应用案例航空发动机是特种金属材料应用最集中的领域高压涡轮盘采用粉末高温合金，工作温度℃，转速，边缘线速度超过；高压涡轮叶片采FGH9665025000rpm500m/s用单晶高温合金，表面温度超过℃；燃烧室采用变形高温合金蜂窝结构；低压压气机采用钛合金，减轻重量以上DD61100GH536TC430%运载火箭结构大量采用特种金属材料箭体主结构采用合金和高强铝合金；发动机推力室采用合金；喷管采用钼合金和铌合金；液氧液氢贮箱采用超纯奥Al-Li GH3030/氏体不锈钢某型号火箭发动机燃烧室使用铜铬锆合金，内部设计复杂冷却通道，通过打印一体化成形实现3D能源与化工领域应用案例核燃料包壳材料核燃料元件包壳是阻止放射性物质外泄的第一道屏障，主要采用锆合金材料我国自主研发的锆合金具有优异的中子经济性、耐腐蚀性和辐照稳定性，在压水堆N36Zr-1Sn-1Nb-

0.3Fe中长期运行，可承受℃水环境和强中子辐照400化工装备防腐蚀用材高氯酸生产装置采用哈氏合金制造关键部件，在℃高温强C-276Ni-16Mo-16Cr-4W250氯离子环境中腐蚀速率低至年，使用寿命从年延长至年硝酸生产设备采用超级

0.05mm/220不锈钢，在沸腾强硝酸中表现出极佳的抗点蚀性能00Cr25Ni22Mo5Cu3N高温热交换设备合成氨装置高温换热器采用奥氏体耐热不锈钢，工作温度℃，压力煤气25Cr20Ni9004MPa化炉采用高温合金铸件，承受℃高温和煤灰颗粒冲刷先进燃气轮机热部件采用单晶高温1000合金，熵增能效提高，显著降低碳排放12%新能源装备太阳能热发电系统采用镍基高温合金吸热管，工作温度℃以上；氢能储存系统采用基800Ti-Zr储氢合金，氢容量达；固体氧化物燃料电池连接板采用铬基合金，在℃下具

2.2wt%SOFC750有良好的导电性和抗氧化性；超级电容器采用纳米结构钌铱氧化物电极，能量密度提高倍3我国特种金属材料发展动态总结与课程复习前沿发展方向特种金属材料向高性能、多功能、绿色化方向发展工程应用能力2掌握材料选型、工艺优化和性能评价方法制备工艺和表征技术3理解成分工艺组织性能关系---基础理论和原理4掌握特种金属材料的分类、性能与机理本课程系统介绍了特种金属材料的基础理论、分类特点、制备技术、性能评价及应用领域通过学习，希望大家能够理解特种金属材料在现代工业中的重要地位，掌握其成分设计、组织调控和性能优化的基本原理行业面临的主要挑战包括更高服役温度和极端环境下的材料需求；更高比强度和多功能一体化的设计要求；降低成本和提高资源利用率的绿色发展需求建议同学们在未来学习和工作中，注重跨学科知识融合，加强基础研究与工程应用的结合，关注新兴领域如增材制造、人工智能辅助材料设计等方向。