【正文】 定性良好，膨脹系數(shù)小 （ 106/℃ ），高溫下能經(jīng)受溫度劇烈變化而不破壞，且其體積變化不大。 潤滑性和可加工性，具良好的潤滑性能，其摩擦系數(shù)在潤滑介質(zhì)小于 。鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好 [3]。 吸熱性和散熱性，具良好的吸熱性能，每 1kg 可吸收 (~) 107J 熱量，而金屬材料每 1kg 的吸熱量為 107J；石墨的散熱性能與金屬相當 。 石墨的應(yīng)用及用途 石墨的一個主要用途是生產(chǎn)耐火材料，包括耐火磚，坩堝，連續(xù)鑄造粉，鑄模芯 ，鑄模 ， 洗滌劑和耐高溫材料。近年來，耐火材料工業(yè)中兩個重要的變化是鎂碳磚在煉鋼爐內(nèi)襯中被廣泛應(yīng)用，以及鋁碳磚在連續(xù)鑄造中的應(yīng)用 。 鎂碳磚鎂碳耐火材料是由美國研制成功 ，隨后 日本煉鋼業(yè)開始把鎂碳磚用于水冷卻電弧爐煉鋼中。目前在世界范圍內(nèi)鎂碳磚已大量用于煉鋼，并已成為石墨的一種傳統(tǒng)用途 。 石墨在電氣工業(yè)中廣泛用來 制 作電極、電刷、碳棒、碳管、水銀整流器的正極、石墨墊圈、電話零件、電視機顯像管的涂層等等。其中以石墨電極應(yīng)用最廣，在冶煉各種合金鋼、鐵合金時，使用石墨電極，這時強大的電流通過電極導入電爐的熔煉區(qū)，產(chǎn)生電弧， 使電能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高到左右，從而達到熔煉或反應(yīng)的目的 [4]。此外，在電解金屬鎂、鋁、鈉時，電解槽的陽極也用石墨電極。 石墨在機械工業(yè)中常作為潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用，而石墨耐磨材料可以在 200～ 20xx℃ 溫度中在很高的滑動速度下，不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉(zhuǎn)時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工 (拔絲、拉管 )時的良好的潤滑劑。 石墨具有良好的化學穩(wěn)定性。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點， 就大量用于制作熱交換器，反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設(shè)備。廣泛應(yīng)用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產(chǎn)、合成纖維、造紙等工業(yè)部門，可節(jié)省大量的金屬材料。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料：由于石墨的熱膨脹系數(shù)小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結(jié)用的瓷舟。單晶硅的晶體生長坩堝，區(qū)域精煉容器，支架夾具，感應(yīng)加熱器等都是用 高純石墨加工而成的。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。 用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)：石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾石墨反應(yīng)堆是目前應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作為動力用的原子能反應(yīng)堆中的減速材料應(yīng)當具有高熔點，穩(wěn)定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個 ppm。特別是其中硼含量應(yīng)少于 。在國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料 。 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對石墨也開發(fā)了許多新用途 。 柔性石墨制品。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年代開發(fā)的一種新的石墨制品 。 美國 已 研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也開始研制生產(chǎn)。這種產(chǎn)品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性 。 因此，是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。國際市場需求量 也 逐年增長。 此外，石墨還是輕工業(yè)中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料。它是一種很好的節(jié)能環(huán)保材料，美國已 用它 作 為汽車電池。 總之， 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，石墨的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬，已成為高科技領(lǐng)域中新型復合材料的重要原料，在國民經(jīng)濟中具有重要的作用。 石墨的潤濕性研究現(xiàn)狀 [5]。 對于石墨的潤濕問題，許多學者曾作了詳細研究。早在 60 年代初，前蘇聯(lián)學者曾用座滴法對 20 多種純金屬測定了它們在液態(tài)下與石墨表面的潤濕角。所得結(jié)果顯示，過渡族元素一般能對石墨潤濕，而非過渡族只有Al 和 Si 能對石墨潤濕，但 Al 在 1000℃ 以上時才能對石墨有一定潤濕性 ,( 1000℃時 ,θ=75o)，在 1000℃ 以下則 θ90o 不能潤濕石墨。 由于純金屬的熔點較高，對石墨的潤濕需要在較高的溫度下才能進行，因此應(yīng)用并不廣泛。在純金屬中加入 Ti 等強碳化物元素能夠降低熔點改善潤濕性。研究表明活性元素 Ti的含量對石墨 /Ni + Ti 體系潤濕性有顯著影響。質(zhì)量分數(shù)少于 30%時 ,接江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 觸角的變化規(guī)律性不強。 Ti的質(zhì)量分數(shù)超過 40 %時 ,該體系的潤濕性隨著 Ti含量增加而顯著改善。在眾多關(guān)于石墨的釬焊研究報導中，都指出一些強烈生成碳化物元素（多數(shù)為過渡族元素），例如 Ti、 Ta、 Zr、 Nb、 V 和 Mo 等可以改善液態(tài)金屬對石墨的潤濕性，即使這些液態(tài)金 屬是對石墨完全不發(fā)生相互作用的非過渡族元素，如 Au、Ag、 Cu、 Sn 等或它們的合金。例如 AuNi 共晶液相對石墨不潤濕，但假如了 Ta 或Mo 所構(gòu)成的 AuNiTa 和 AuNiMo 三元合金則對石墨有良好潤濕性 。各種活性元素所以能改善液態(tài)金屬對石墨的潤濕性的機理，主要是由于它們在接觸界面處偏析，并與石墨產(chǎn)生強烈化學反應(yīng)，生成連續(xù)的碳化物薄層，降低了液態(tài)金屬與石墨間的表面能。 石墨材料的潤濕還受其孔隙率和它吸附的氣體及其它雜質(zhì)的影響。對于孔隙率很大的石墨，會由于釬料過多地滲入石墨內(nèi)部而使釬焊表面釬料不足。而對于 高密度石墨，釬料很難滲入石墨表面層，相對降低了釬料與石墨的結(jié)合力。 鈦合金的特性 鈦是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認識到锨合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。 鈦的焊接性 [6]:鈦及鈦合金的焊接性能，具有許多顯著特點，這些焊接特點是由于鈦及鈦合金的物理化學性能決定的。 在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。但試驗表時，在焊接過程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、 氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在 250℃左右開始吸收氫，從 400℃開始吸收氧，從 600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。 （ 1） 氫的影響 氫是氣體雜質(zhì)中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀 TiH2增多。 TiH2強度很低，故片狀或針狀衛(wèi) HiH2的作用例以缺口，合沖擊性能顯著 降低；焊縫含氫量變化對強度的提高及塑性的降低的作用不很時顯。 （ 2） 氧的影響 氧在鈦的α相和β想中都有有較高的熔解度，并能形成間隙固深相，使用權(quán)鈦的晶傷口嚴重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 著降低。為了保證焊接接應(yīng)的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊按熱影響區(qū)發(fā)主氧化外，同時還應(yīng)限制基本金屬及焊絲中的含氧量。 （ 3） 氮的影響 在 700℃以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇作用，形成脆硬的氮化鈦（ riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更為嚴重，因 此，氮對提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。 （ 4） 碳的影響 碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質(zhì)，實驗表明，當碳含量為 %時，碳因深在α鈦中，焊縫強度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀 TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大于 %，焊縫含碳量不超過母材含碳量。 TC4 的 特點 鈦是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金 因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認識到锨合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。 第一個實用的鈦合金是 1954 年美國研制成功的 Ti6Al4V 合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的 75％～ 85％ 。其他許多鈦合金都可以看做是 Ti6Al4V 合金的改型。 20 世紀 50～ 60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金， 70 年 代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金， 80 年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從 50 年代的 400℃ 提高到 90 年代的 600～650℃ 。 A2(Ti3Al)和 r（ TiAl） 基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端（風扇和壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。 另外， 20 世紀 70 年代以來，還出現(xiàn)了 TiNi、 TiNiFe、 TiNiNb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 目前，世界上已研制出的鈦合金 有數(shù)百種，最著名的合金有 20～ 30 種，如Ti6Al4V、 、 、 Ti32Mo、 TiMoNi、 TiPd、 SP700、 Ti624Ti102 Ti105 Ti102 BT BT IMI82 IMI834 等 [7,8]。 鈦合金可以分為 α、 α+β、 β 型合金及鈦鋁金屬間化合物 （ TixAl，此處 x=1）四類。 鈦合金具有質(zhì)量輕，比強度高，耐腐蝕，耐高溫以及良好的低溫韌性等特點 .我國具有豐富的鈦礦資源，其儲量位距世界前列約占世界的 20%，為我國鈦合金工業(yè)的發(fā)長提供了良好的基礎(chǔ)。鈦合金的友誼性能，使之在航空航天工業(yè)和軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 [9]。另外，鈦合金還具有塑性好，容易加工成型的特點。 近年來，工業(yè)部門采用新型焊接結(jié)構(gòu)中，鈦及其合金的應(yīng)用也越來越多，已占有重要的地位。它句用很高的強度，良好的塑性，有足夠的抗腐蝕性和高溫強度 .鈦的物理化學性能中最為特出的是比強度高。在大氣，海水和許多強腐蝕介質(zhì)中也軍郵良好的抗腐蝕性能。 TC4 這類合金在高溫是 α+β 型兩相組織，因而得名 為 α+β 型鈦合金。它具有良好的綜合力學性能，大多可熱處理強化 (但 TC TC TC7 不能熱處理強化 )，鍛造、沖壓及焊接性能較好，可切削加工，室溫強度高。 150~500℃ 以下且有較好的耐熱性，并有良好的低溫韌性和良好的抗海水應(yīng)力腐蝕及抗熱鹽應(yīng)力腐蝕能力。其成分如表11 所示： 表 11 TC4 的 物理 性能 熱處理狀態(tài) 抗拉強度 /MPa 伸長率 % 沖擊韌度 /Jcm2 退火 931 10 淬火時效 1080 8 —— 連接石墨與異種材料方法選擇 既然 石墨是重要 的 非金屬材料 ，那么想要更好的利用石墨的諸多優(yōu)良性能，就必須涉及到石墨與異種材料的連接問題 。 異種材料連接就是兩種不同的材料（包括金屬和非金屬、復合材料、化合物等），通過一定工藝條件連接到一起，形成一個完整的具有一定使用性能的結(jié)構(gòu)。由于其具有良好的綜合性能，在航空航天、空間技術(shù)、核江蘇科技大學本科畢業(yè)