干货！高温环境下金属材料的选择！

说到耐高温金属，不得不提及 难熔金属。

难熔金属有两种公认的定义。一种规定金属的熔点必须高于2200°C，而另一种则规定所有熔点高于1850°C的金属均被视为难熔金属。根据使用广义的定义，以下14种金属被归类为难熔金属：铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钨（W）、铼（Re）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锆（Zr）、铪（Hf）、钌（Ru）、铑（Rh）、锇（Os）和铱（Ir）。

难熔金属在室温下很硬，通常有较高的熔点，抗蚀性强，多数能同碳、氮、硅、硼等生成高熔点、高硬度并有良好化学稳定性的化合物。难熔金属在工业上各有其重要用途。

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金属材料的设计必须考虑其服役环境，而 “热”只是众多需要考虑的因素之一，而且，在富氧气氛中和富氢气氛中， “热”对材料的影响也大不相同。因此，金属材料的耐热性参数很大程度上取决于金属材料的服役环境。

大多数喷气发动机部件是由含钽、钛、铌的镍基合金制成的。这些合金元素的加入，就是为了增强镍基合金在喷气发动机内部高温富氧环境下的强度和耐蚀性。高温下，这些合金元素可在金属表面生成一层保护性氧化物层。而在石油精炼厂和核反应堆中，锆基合金的使用更多。

耐高温金属的种类很多，但是哪种金属才是最佳选择呢？这取决于多种因素。以下是部分主流的耐高温金属的性能简介。

阿波罗指令/服务舱（CSM）的黑色火箭喷嘴由铌钛合金制成

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非难熔金属

镍和不锈钢都有相对较高的熔点，通常合金化后才能用于高温应用的场合。

镍基合金

镍基合金是抗氧化和耐腐蚀的材料，非常适合极端环境。它们具有优良的机械强度和良好的表面稳定性。镍合金通常用于航空和航天工业。

耐热不锈钢

耐热不锈钢不仅可耐腐蚀，还可在高温下保持其强度，并且易于维护。不锈钢材料通常添加铬，镍和钼等合金元素。

耐热不锈钢的应用范围很广，包括：汽车行业、航空航天业、陶瓷行业、玻璃行业、化工和石化行业、热处理、焚化厂、蒸汽锅炉。

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低熔点难熔金属

钛

钛是所有金属中强度重量比最高的。其高的耐腐蚀性、耐疲劳性和耐高温能，使其成为航空航天，军事和海洋工业的理想材料。钛可用于起落架，液压系统和军舰的建造。

铬

铬是不锈钢和钛合金中最常用的合金元素。这种硬而脆的金属，由于其薄的表面氧化层而具有很高的耐腐蚀性，因而被广泛用于电镀行业。含有铬和钼元素的钢有许多应用场景，如建筑、能源和汽车行业。

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纯难熔金属

铌

铌是难熔金属中密度最小的。它是一种塑性优良的金属，主要用于钢的合金化，可显著提高钢的耐热性。铌通常与钨一起作为合金化元素使用，以用于极端高温的应用场合，例如飞机的涡轮机，核反应堆和喷射发动机。

钼

钼是一种储量丰富、高性价比的金属，以其在高温下的强度和稳定性而著称。它比钨更软，且更具延展性。钼通常与钢形成合金，以提高钢的高温耐腐蚀性和强度。钼最常用于军事工业。

钽

像铌一样，钽是一种具有出色耐腐蚀性的耐热难熔金属。钽通常作为其他金属的合金元素，用于制造高温合金，这些高温合金被用于极端环境中，例如化学品处理工厂，喷气发动机和核反应堆。它的氧化特性也使其成为许多热敏电子应用的最佳选择，包括电解电容器和大功率电阻器。

钨

钨是所有金属中熔点最高的，在高于1650°C的环境下，钨的抗拉强度也是所有金属中最高的。它的热膨胀率类似于硼硅玻璃和硅。它的硬度和高密度使其成为军事应用，火箭喷嘴和涡轮叶片的理想选择，并且还被用于电子发射器，加热器线圈，阴极射线管以及其它各种高温应用。在所有纯金属中，钨的热膨胀系数最低，蒸气压最低，抗拉强度最高，熔点最高。

虽然钨具有极高的熔点，但它也比玻璃更易碎。它需要与其他材料组合成合金，才能发挥出其固有的耐热性能优点。

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耐高温金属的应用

这类金属在工程和产品设计上有多种不同应用。

例如，建造水泥炉窑需要相应的耐高温材料，耐高温材料包括耐火材料和耐热材料，其中有无机化合物，也有高分子聚合物材料。

耐火材料通常是指能耐1580℃以上温度的无机物材料，一般用石英砂、粘土、菱镁矿、白云石等作原料而制成，如耐火水泥、镁砖等。这些化合物的硬度高、脆性好、耐化学腐蚀性能好，而且熔点在1500℃以上。主要可分为金属与非金属化合物和非金属间化合物两类。

前者如钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆等难熔金属以及稀土金属的硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物和硫化物等；后者如碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。此外，在汽车工业中，耐高温金属对排气系统至关重要。

耐高温金属无处不在，而且很重要——从食品工业到纸浆工业以及无数其他行业。

只要用心选择，总有一款适合你。

2020年12月8日

写于上海东鼎国际大厦B座5层

参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Refractory_metals

https://www.nickelinstitute.org/about-nickel/nickel-alloys#:~:text=%20are%20basic%20two%20groups和％20800HT％20（UNS％20N08811）。

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/nickel-alloys

https://www.nickelinstitute.org/media/1699/high_temperaturecharacteristicsofstainlesssteel_9004_.pdf

https://matmatch.com/blog/most-useful-metals-for-high-temperature-applications/

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