1.2　先进材料的应用及发展前景

对于现代材料而言，材料是物质，制造是途径（或手段），应用是目的。在先进材料的应用条件下，必须考虑环境的特殊要求，如高温、低温、腐蚀介质等。结构件均有一定的形状配合和精度要求，因此先进材料还需有良好的可加工性能，如铸造性、冷（或热）成形性、焊接性、切削加工性等。遗憾的是，先进材料由于固有的特殊性能，焊接难度很大，有时甚至阻碍了先进材料的发展和应用。

1.2.1　先进陶瓷

先进陶瓷原料丰富、产品附加值高，应用领域广阔。但由于陶瓷塑性和韧性差，加工困难，不易制成大型或形状复杂的构件，单独使用又受到一定的限制。先进陶瓷是随着现代电器、电子、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及计算机、空间技术、新能源开发等科学技术的飞跃发展而发展起来的。在实际应用中，常采用连接技术制成陶瓷-金属复合构件，这样既能发挥陶瓷与金属各自的性能优势，又能降低生产成本，具有很好的应用前景。

陶瓷与金属焊接已获得广泛的应用，例如用于汽车发动机增压器转子（可以减少尾气排放）、陶瓷/钢摇杆、陶瓷/金属挺柱、火花塞、高压绝缘子、电子元器件（如真空管外壳、整流器外壳）等。

研究开发高效陶瓷发动机，是世界各国高技术竞争的热点之一。使用陶瓷发动机，可以把发动机的工作温度从1000℃提高到1300℃，热效率从30%提高到50%，重量减轻20%，燃料节省30%～50%。英国是最早从事结构陶瓷应用开发的国家，英国政府专门拨款数千万英镑，对陶瓷燃气轮机和往复式陶瓷发动机进行研发，已经制造出了活塞式陶瓷发动机。据美国福特汽车公司的专家估计，如果全美国的汽车都采用陶瓷发动机，那么每年至少可节约石油5亿桶。

对于陶瓷发动机，美、俄、法、德等国家制定了庞大的研发计划，投入了巨大的人力和资金。美国投资数十亿美元，组织几十家公司从事陶瓷发动机的研究开发，其中通用汽车公司、福特汽车公司、诺尔顿公司等大型企业相继建立了新型陶瓷发动机专业化研发中心。

日本把结构陶瓷看作是继微电子之后又一个可带来巨大效益的新领域，他们在同美国人的竞争中不惜代价，开发新产品的能力甚至超过了美国。日本213kW陶瓷发动机已经形成规模生产，并已装备了上百万辆小汽车。德国对陶瓷内燃机的研发也走在世界前列，德国奔驰汽车公司研制的“2000年轿车”就是由陶瓷燃气轮机驱动的。

在欧洲共同体的“尤里卡计划”中，法国、德国和瑞典三个国家从20世纪80年代开始联合进行陶瓷燃气轮机的开发，已经研制出功率为147kW的陶瓷涡轮喷气发动机，其工作温度可达1600℃，比普通发动机高出600℃以上。

1.2.2　金属间化合物

近二十年来，人们开始重视对金属间化合物的开发应用，这是材料领域一个根本性的转变，也是今后材料发展的重要方向之一。金属间化合物由于它的特殊晶体结构，使其具有其他固溶体材料所没有的性能。特别是固溶体材料通常随着温度的升高而强度降低，但某些金属间化合物的强度在一定范围内随着温度的升高而增大，这就使它有可能作为新型高温结构材料的基础。另外，金属间化合物还有一些性能是固溶体材料的数倍乃至几十倍。

Ni-Al、Ti-Al金属间化合物适合用于航空航天材料，具有很好的应用潜力，已受到欧、美等发达国家的重视。一些NiAl合金已获得应用或试用，如用于柴油机部件、电热元器件、航空航天飞机紧固件等。TiAl合金可替代镍基合金制成航空发动机高压涡轮定子支承环、高压压气机匣、发动机燃烧室扩张喷管喷口等；我国宇航工业正试用这类合金制造发动机热端部件，应用前景广阔。

例如，20世纪90年代美国GE发动机公司将TiAl合金（Ti-47Al-2Cr-2Nb）低压气机叶片安装在CF6-80C2战机上并做了1000个模拟飞行周次的考核，结果TiAl合金叶片完整无损。其后美国国家航空航天总署（NASA）的“AITP”计划，将TiAl合金用作GE-90发动机5级和6级低压气机叶片，目标是取代原来的Rene77叶片，以减少重量80kg。在压气机叶片台架试车取得进展的同时，TiAl合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导梁等应用也在逐步展开。

Fe3Al金属间化合物由于具有高的抗氧化性和耐磨性，可以在许多场合代替不锈钢、耐热钢或高温合金，用于制造耐腐蚀件、耐热件和耐磨件，其良好的抗硫化性能适合于恶劣条件下（如高温腐蚀环境）的应用。例如，可用于火力发电厂结构件、渗碳炉气氛工作的结构件、化工器件、汽车尾气排气管、石化催化裂化装置、加热炉导轨、高温炉箅等。此外，由于Fe3Al金属间化合物具有优异的高温抗氧化性和很高的电阻率，有可能开发成新型电热材料。Fe3Al还可以和WC、TiC、TiB、ZrB等陶瓷材料制成复合结构，具有更加广阔的应用前景。

1.2.3　叠层材料

目前对叠层复合材料的研究主要集中在制备工艺、界面性能、增强机制等方面，对其焊接应用研究较少。美国加利福尼亚大学采用Ag-Cu-In钎料通过真空钎焊对Ti-6Al-4V/TiAl3微叠层复合材料进行焊接，Ti-Al微叠层复合材料的抗拉强度为200MPa，而得到钎焊对接接头的抗拉强度仅为20MPa，需要进一步改善工艺参数和寻求更可靠的焊接方法。

纯镍复层＋Ti3Al基层的叠层材料在高温下的整体性能较好，其焊接的主要问题是室温脆性不足引起结合界面微裂纹。控制热输入和采用合适的焊前预热工艺可以降低微裂纹倾向。经预热处理后，焊缝区的结晶层消失，整个焊缝区的显微硬度分布趋于一致。但是焊接过程冷却速度较快，是非平衡过程，有序化进程进行不充分，对焊接区的组织性能产生影响，这也是在金属/金属间化合物叠层复合材料焊接中必须考虑的问题。

叠层复合材料由于其特殊的叠层结构，韧性层与金属间化合物层的组织结构、熔化温度、热膨胀系数、热导率等一系列物理化学性能不同，导致叠层复合材料的焊接比单独块体材料更加复杂、困难。焊接热循环对叠层复合材料的界面产生影响，使界面反应充分、反应层增厚等；界面存在的一些潜在缺陷，受焊接冶金过程的影响，可能转变为气孔、裂纹等。

航空航天飞行器发动机推重比、燃料效率的提高，使涡轮气体通道的温度越来越高（一般在1100℃以上），要求发动机叶片具有较好的耐高温性能和损伤断裂韧性。而传统的镍基合金在1000℃以上韧性下降很快、易被氧化已难以满足要求。采用Ni、Ti、Nb、V等高温金属及其金属间化合物（如Ni-Al、Ti-Al、Nb-Al、Nb-Ti-Al）为原材料制备叠层复合材料，利用高温金属作为韧化元素克服金属间化合物的脆性，使这种材料具有更优异的高温韧性和抗蠕变能力、低温断裂韧性以及在热循环过程中的抗氧化能力，在温度较高时具有微结构的热力学稳定性及具有竞争力的成本。

采用高温金属箔片（如Ti、Ni、V）与Al箔交替层叠，通过轧制或自蔓延高温合成方法使箔片之间发生反应形成金属间化合物制得的微叠层复合材料中可能存在未完全反应的Al层，限制其在高温条件下的应用。但是由于金属间化合物具有良好的比强度、比刚度，Al作为韧化元素能够改变金属间化合物的脆性，使这种微叠层复合材料能够作为轻质结构材料，在机体结构制造中有应用前景。

叠层材料具有良好的高温性能和热力学稳定性，在航空航天发动机制造中有良好的应用前景。通过真空轧制或自蔓延高温合成制备的微叠层复合材料限制其在高温条件下的应用，但是可用作机体轻质结构材料。焊接技术是实现多种航空航天构件连接的重要途径，但目前仍缺乏对叠层材料焊接应用的系统研发。焊接热输入可能促使层间界面潜在缺陷扩展、复层与基层的热膨胀系数不同易引起裂纹等问题是叠层复合材料的焊接中需要考虑的关键问题。

1.2.4　复合材料

复合材料是20世纪60年代初应航天、航空发展的需要而产生的。复合材料具有可设计性，即可根据人们的需要，选择不同的基体与增强相，确定材料的组合形式、增强相的比例与分布等。

复合材料的应用优势在于通过不同材料的组合，形成各种性能优异的新材料，结构-功能一体化是复合材料的发展趋势。过去30年间，复合材料在战斗机中的应用持续增长，取代了相当大一部分的传统结构材料。用复合材料代替金属显示出明显的减重效果，例如对于受载荷小的结构（如前机身），因金属结构较薄，直接代替减重效果明显；对于承受载荷大的结构，由于铺层复杂（如机翼翼根处），减重效果不明显。但飞机大部分结构是在这两种极端情况之间，减重效果居中。一般说复合材料占结构重量的20%～25%时，飞机机体的减重效果有大幅度增加。

复合材料在民用飞机、直升机上的应用也逐渐增加。在人造地球卫星、太空战、天地往返运输系统、运载火箭箭体、战略导弹弹头材料等结构中，复合材料的应用起着关键性的作用。例如，许多国家研制的远程及洲际战略导弹端头帽几乎都采用了碳/碳复合材料。

碳/碳复合材料，特别适于远程导弹和返地卫星前沿的头帽，它的优势在于：

① 耐高温、密度小；对于洲际导弹来说，每减重1kg，可增加300km射程；对宇宙飞船和航天飞机来说，每减重1kg，可减少2kN的推力，大大节省火箭燃料。

② 碳纤维复合材料在超高温和高气流的冲击下烧蚀速度慢，烧结后结成一层坚固而疏松的“海绵体”，可防止进一步烧蚀，又可起隔热作用。

“长征二号”捆绑式运载火箭的卫星接头支架，是大型复合材料结构件首次在我国的运载火箭上的应用，采用了碳/环氧复合材料半硬壳加肋铝蜂窝夹芯结构。“长征三号”系列运载火箭的关键部件“共底”，是大型铝蒙皮玻璃钢蜂窝夹芯胶接真空绝热结构件，采用了先进复合材料成形工艺，实现了大型运载火箭低温推进剂储箱结构的先进设计和制造，为提高火箭运载能力起了关键作用。

连续纤维增强金属基复合材料由于制造工艺复杂、成本高，其应用限于航空航天、军工等少数领域。非连续增强金属基复合材料保持了连续纤维增强MCM的大部分优良性能，而且制造工艺简单、原材料成本低、便于二次加工，近年来发展极为迅速。这类材料的焊接性虽然比连续纤维增强金属基复合材料好，但与单一金属及合金的焊接相比仍是非常困难的。非连续增强金属基复合材料主要有SiCp/Al、SiCw/Al、Al2O3p/Al、Al2O3sf/Al及B4Cp/Al等，应用范围正日益扩大。

1.2.5　功能材料

我国非常重视功能材料的发展，在国家科技攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“十五”、“十一五”国防科技计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技计划的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在“863计划”支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料；在金刚石薄膜、红外隐身材料等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。功能材料还在“两弹一星”“四大装备四颗星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。

近年来功能材料迅速发展，已有几十大类、数万个品种。功能材料的应用范围也迅速扩大，在电子信息、计算机、光电、航空航天、兵器、能源、医学等领域得到广泛应用。虽然在产量和产值上还不如结构材料，但功能材料对各行业的发展有很大的影响，特别是在高新技术发展中有时起着关键的作用。

例如，以NbTi、Nb3Sn为代表的超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。由于常规低温超导体的临界温度太低，须在昂贵复杂的液氦（4.2K）系统中使用，因而限制了低温超导材料的进一步应用。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。高温氧化物超导体是复杂的多元体系，在研究过程中涉及多个领域，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术手段，如非晶技术、纳米技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作涉及材料科学的前沿。高温超导材料的研究已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。

形状记忆合金（SMA）是一种新型功能材料，它具有特殊的形状记忆效应，在航空航天、原子能、海洋开发、仪器仪表、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。采用传统的焊接方法难以实现TiNi形状记忆合金的连接，难以控制焊缝的化学成分、微观组织和相变温度与母材一致以获得与母材等同的形状记忆效应。固相连接方法是很有潜力的，瞬间液相扩散焊和采用特殊钎料及热源的钎焊也有利于对形状记忆合金的焊接。

美国、欧洲、日本等发达国家和地区十分重视先进材料的发展，都把发展先进材料作为科技发展战略的重要组成部分，在制定国家科技与产业发展规划时，将先进材料加工技术列为优先发展的关键技术之一，以保持其经济和科技的领先地位。我国先进材料研发及产业化也取得了重大的进展，为经济和社会发展提供了强有力的支撑。

先进材料的发展推动了科技进步、产业结构的变化。高性能结构材料的研发和产业化使一些机械、装备的大型化、高效化、高参数化、多功能化有了物质基础，先进材料焊接技术的迅速发展将推进社会不断进步和向前发展。