2020-01-05

浅议新型合金材料研发过程和条件

今晚,有个投资机构的朋友忽然紧急需要一个新型合金材料研发的相关说明,我也不太清楚他具体需要什么,便信口开河,随心所欲地写了以下一段文字,聊以交差。不妨发在个人博客里,滥竽充数一番,当作一篇博文。


新型合金材料的研发,从需求的提出,到合金的成分设计,到工艺选择和工艺参数控制,以及热处理制度的研究,最后到其各项性能的评价,形成性能数据库及相关规范,并与材料的需求方讨论材料的许用条件,是一项涉及多学科多方面的系统工程。

新型合金材料需求的提出,即是一个复杂的过程。一方面,已有的合金牌号已有成百上千种之多,现有的合金牌号,能否满足用户的使用,或者能否通过适当的工艺和热处理手段调控,使之满足用户需求,需要经过详细的调研。研制新型合金的代价极大,需要尽可能使用现有牌号解决用户需求问题。另一方面,非材料科学领域的用户,往往认为材料的性能越高越好,但是,材料的性能不可能无极限地提高,并且过高的性能必然会带来成本的骤然提高,事实上,材料单一性能的提高往往相对较为简单,而多种性能同时提高则较为困难。需求方面对于材料哪些性能需要提高,哪些性能可以适度放宽,也需要认真考量。材料的性能需要与零部件的结构设计相互匹配,从而在结构和材料性能之间找到理想的平衡点。可见,需求的提出是一个严肃的过程,需要丰富的材料经验和认知,同时具备一定的结构力学和机械工程知识,才能够准确的提炼出新型合金材料的需求。

合金的成分设计方面,随着高温合金、高熵合金等一系列复杂合金化的特种合金的广泛应用,合金的成分设计愈发困难,数十种甚至几十种元素在合金中的作用,及其相互之间的作用,需要合金设计专家具备基本的理论知识。传统的正交实验方法虽然有效,但是耗时较长、耗资较大,需要利用热力学计算、动力学计算以及相图分析等方法,对合金成分设计进行初步的筛选。随着合金设计逐渐精细化,某一种元素的微量调整,都可能会给性能带来明显的影响。可见,合金设计专家需要数十年的积淀,对所从事的领域有深刻的认识和实际经验,才有可能在较短时间内设计出较为接近用户需求的合金成分。

同样的合金成分,用不同的工艺手段,可能得到不同的性能。母合金冶炼方面,不仅有多种熔炼工艺可供选择,还有大气环境冶炼和真空冶炼的区别,此外,是否需要使用电渣重熔及真空自耗重熔对合金纯度做进一步的提升,也需要合金设计专家定夺。更高的纯净度一般会带来性能的提升,但价格也会成倍增长,需要在成分设计、纯净度、性能及制造成本之间找到一个平衡点。合金是采用铸造方式制造零部件,还是需要通过锻造、挤压或轧制等变形加工,更或者是通过粉末冶金的方式来制备,都会给合金设计带来更多思考的维度,即使是采用铸造的工艺路线,也需要明确铸造的工艺种类,或者是否需要使用定向凝固技术、单晶制备技术等特种工艺方法,可见工艺方法影响之复杂,这显然需要一个精通各类工艺方法的合金设计专家团队来共同商议决定。

热处理是对合金及其构件进行力学性能调整的有效手段之一,合理的热处理制度,能让合金的性能更上一层楼,不合理的热处理制度,反而会对合金的性能有害。尽管热处理制度总体而言,可分为正火、回火、淬火和退火四种,但是其组合千变万化。首先,合金的热处理制度往往是几种热处理的组合,并且每一种“火”可能在热处理制度中出现多次,这就让热处理制度的可能性大大增加。其次,热处理时,温度、保温时间、升温速率和冷却速率,对物相转变都有很大影响,这些参数的引入使热处理制度变得异常复杂。更有甚者,理论的热处理制度能否在实际中实施,也需要考虑在设计之中,例如大型、厚重的合金构件,无论是加热还是冷却,其表面温度与芯部温度总会有一个偏差,这使得合金的热处理条件与设计的热处理制度之间必然存在一定的不同,需要合金设计专家在合金设计时,预留出合理的热处理工艺范围窗口,以确保热处理制度的可实施性。此外,一种合金的热处理制度往往有多种,可以得到不同的性能特点,为了最大限度的发挥合金的能力,需要设计不同的热处理制度。可见,热处理制度的设计,需要合金设计专家有相当的理论水平和设计经验,才能够使合金性能最优化。

合金的力学性能评价,是不太起眼,但又是内涵丰富的环节。任何合金设计,最终都需要通过评价其性能来考量合金设计的优劣。合金的评价有多种标准可循,常有的就有国标、国军标、美标,等等。每一项标准里都有种类繁多的条件要求,仅力学性能方面,就有例如试样的尺寸和规格、测试环境的选择、测试温度控制、测试应变速率控制等多个方面,虽然限制严格,但又留有一定的自主调整空间,需要合金设计专家根据使用需求和合金自身特点,选择适当的测试条件,方可以真实地表达出合金的性能特点。精确地采集了合金的性能数据之后,还需要根据合金使用特点和类型,选择必要的性能指标,建立合金性能数据库,通过相关评审和验收,才可以指导需求方使用这种新型合金材料。可见,研制一种新型合金,不光需要高水平的合金设计团队,同时需要有富有经验且权威的检测团队与之配合,才有可能完成这一任务。

尽管如此,新型合金材料在使用过程中,仍然需要与需求方密切沟通,确认结构对材料的性能影响,合理设计许用条件,才可以让新型合金材料的使用万无一失,实现需求条件。如果需要焊接加工的,还需要具备相当的焊接知识。可见,这还需要合金设计专家及其团队拥有丰富的应用经验,并于需求方有良好的合作基础,才有可能为新型合金材料的应用推广保驾护航。

综上所述,可见新型合金材料的设计是一项复杂的系统工程,它不仅仅需要具备材料科学的基础知识,还需要具备丰富的现有合金材料知识、结构力学知识、机械设计知识、合金冶炼及多种制造工艺知识、热处理相关知识、焊接知识、检测方法知识以及应用经验,更需要与需求方有良好的合作基础。因此,对于合金材料愈发精细化的今天,只有经验丰富、团队组成完善的专业型材料研究院,才有可能担当得起新型合金材料的研制任务,使新型合金材料实现从研制到应用的发展。

夏天

夏天,工学博士,磨洋工。 主要研究方向:高温合金,纳米结构材料,粉末冶金技术。领导一个创业项目,入选龙城英才计划,自我感觉良好。

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2 Responses

  1. Yan说道:

    这哥们像是在写尽调报告找不到地儿抄。

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