據推測,最近超塑性成形工藝將在航天、汽車、車廂製造等部門中廣泛采用,所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不鏽鋼和高溫合金等。
記憶合金記憶合金是指那些改變形狀後在一定的條件下仍能恢複原形的合金,它們的成分通常是鎳鈦、銅鋅、銅鉛鎳和銅金鋅等。以50%的鎳和50%的鈦組成的“鎳鈦諾”應用最廣,最近銅鋅合金的發展也很快。
記憶合金變形超過屈服極限後,隻要一加熱,變形消失後會返回原來的形狀,似乎對自己的原形有記憶,因此而得名。記憶合金又是一種超彈性合金,變形大大超過屈服極限後,一旦除去載荷,它能徐徐返回原形,這種超彈性現象又稱為偽彈性或橡膠狀彈性。
記憶合金的特性是50年代初期被發現的,金鎘、銦鉈合金都有這種特性。1958年美國海軍軍械實驗室主任冶金師布勒在研究鎳鈦合金時,發現鎳鈦合金棒互相碰撞,發出喑咽而遲鈍的聲音,可是剛從爐子裏取出的鎳鈦合金相撞時發出了清脆如鈴的聲音,這就證明溫度對這種合金的組織和硬度都有很大的影響。以後布勒又弄清這種鎳鈦合金的記憶特性和不知疲勞的堅韌性,就把海軍軍械實驗室的英文簡寫NOL加在合金後命名,組成了“Nitinol”,這就是著名的“鎳鈦諾”名稱的來源。1973年,美國加州勞倫斯實驗室的朋克製成了第一台“鎳鈦諾”熱機,立刻使記憶合金名揚四海。
關於記憶合金的原理現在還不十分清楚。一般認為,記憶合金由複雜的菱形晶體結構轉變成簡單的立方晶體結構時,就會發生形狀恢複的記憶。而當記憶合金恢複原形時伴隨產生極大的力,鎳鈦諾合金高達60千克每平方毫米,遠比最初變形時加的力大。一般說來,可達原變形的十倍,這就意味著輸出的能量比輸入的能量大得多。科學家對此無法解釋,物理學家羅沙爾說:“熱力學定律一點沒有錯的地方,但這些定律就是不適合於鎳鈦諾。”
形狀記憶的溫度範圍可以調整,例如鎳鈦諾的形狀記憶效應隨合金中鎳和鈦的含量而改變。鎳和鈦的含量稍微提高一點,形狀記憶的溫度範圍就提高到120℃以上,這樣就能製成火災自動報警器和自動滅火器。
目前,記憶合金已用於管道結合和自動化控製方麵,用記憶合金製成套裝可以代替焊接,方法是在低溫時將管端內徑擴大約4%,裝配時套接一起,一經加熱,套管收縮恢複原形,形成緊密的接合。美國海軍飛機的液壓係統使用10萬個這種接頭,多年來從未發生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞,用記憶合金配件修複起來,十分方便。在一些施工不便的部位,用記憶合金製成銷釘,裝入孔內加熱,其尾端自動分開卷曲,形成單麵裝配件。
記憶合金特別適合於熱機械和恒溫自動控製,已製成室溫自動開閉臂,能在陽光照耀的白天打開通風窗,晚間室溫下降時自動關閉。記憶合金熱機的設計方案也不少,它們都能在具有低溫差的兩種介質間工作,從而為利用工業冷卻水、核反應堆餘熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑。現在普遍存在的問題是效率不高,隻有4%~6%,有待於進一步改進。
記憶合金在醫療上的應用也很引人矚目。例如接骨用的骨板,不但能將兩段斷骨固定,而且在恢複原形狀的過程中產生壓縮力,迫使斷骨接合在一起。
齒科用的矯齒絲、結紮腦動脈瘤和輸精管的長夾、脊柱矯直用的支板等,都是在植入人體內後靠體溫的作用啟動,血栓濾器也是一種記憶合金新產品。被拉直的濾器植入靜脈後,會逐漸恢複成網狀,從而阻止95%的凝血塊流向心髒和肺部。
人工心髒是一種結構更加複雜的髒器,用記憶合金製成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合,可以模仿心室收縮運動。現在泵送水已取得成功。
由於記憶合金是一種“有生命的合金”,利用它在一定溫度下形狀的變化,就可以設計出形形色色的自控器件,它的用途正在不斷擴大。
防振合金防振合金最先出現在美國和英國,到現在隻有幾十年的發展曆史。最初,它用在導彈控製板、飛行器陀螺儀和潛艇螺旋槳等先進武器上,以達到防振和消音的目的。後來它的使用範圍迅速擴展,逐漸由軍事轉向民用,成為各種運輸工具和家電防止噪音的一種有力手段。
過去工業上的防振,主要采用係統防振方式(如使用空氣或油壓減振裝置)或結構防振方式(如兩種金屬間夾入粘彈性高分子材料,采用蜂窩夾層結構等)。這兩種方式隻不過部分吸收與緩和了振源的振動和噪音,且製造工藝複雜。
此外,夾有高分子材料的層板,由於不導電而引起點焊等工藝性惡化,且使用溫度受限製,一般隻能在室溫至120℃範圍內工作。
現在的材料防振係統,是利用本身衰減能很高的防振合金製造零件,直接削弱振源,所以是一種更加經濟適用的高效防振方式。