алюминид никеля
Алюминид никеля относится к любому из двух широко используемых интерметаллических соединений, Ni 3 Al или NiAl, но этот термин иногда используется для обозначения любого никель-алюминиевого сплава. Эти сплавы широко используются из-за их высокой прочности даже при высоких температурах, низкой плотности, коррозионной стойкости и простоты производства. [1] Ni 3 Al представляет особый интерес в качестве выделения в суперсплавах на основе никеля , где он называется γ' (гамма-штриховая) фаза. Это придает этим сплавам высокую прочность и сопротивление ползучести до 0,7–0,8 температуры плавления. [1] [2] Между тем, NiAl демонстрирует превосходные свойства, такие как более низкая плотность и более высокая температура плавления, чем у Ni 3 Al, а также хорошая теплопроводность и стойкость к окислению. [2] Эти свойства делают его привлекательным для специальных высокотемпературных применений, таких как покрытия лопаток газовых турбин и реактивных двигателей . Однако оба этих сплава имеют тот недостаток, что они довольно хрупкие при комнатной температуре, а Ni 3 Al остается хрупким и при высоких температурах. [1] Для решения этой проблемы было показано, что Ni 3 Al можно сделать пластичным при изготовлении в монокристаллической форме, а не в поликристаллической форме. [3]
Характеристики
[ редактировать ]| NiNi3Al Al | НиАл | ||
|---|---|---|---|
| Кристаллическая структура ( Обозначение структурного отчета ) |
Л1 2 | Б2 | |
| Параметр решетки a | 0,357 нм [4] | 0,2887 нм [4] | |
| Плотность | 7,50 г/см 3 [4] | 5,85 г/см 3 [4] | |
| Модуль Юнга | 179 ГПа [4] | 294 ГПа [4] | |
| Предел текучести | 855 МПа [ нужна ссылка ] | ||
| Температура плавления | 1385 ° С (1658 К) [4] | 1639 ° С (1912 К) [4] | |
| Коэффициент теплового расширения | 12.5 × 10 −6 /К [2] | 13.2 × 10 −6 /К [2] | |
| Электрическое сопротивление | 32.59 × 10 −8 Ω⋅m [2] | от 8 до 10 × 10 −8 Ω⋅m [2] | |
| Теплопроводность | 28,85 Вт/(м⋅К) [2] | 76 Вт/(м⋅К) [2] |
Ni3Ni3Al
[ редактировать ]Важным недостатком поликристаллических сплавов на основе Ni 3 Al является их комнатная и высокотемпературная хрупкость, что затрудняет их потенциальное конструкционное применение. Эту хрупкость обычно связывают с неспособностью дислокаций двигаться в высокоупорядоченных решетках. [5] Введение небольшого количества бора позволяет резко повысить пластичность за счет подавления межзеренного разрушения. [6]
на основе Ni Прочность суперсплавов достигается за счет образования γ'-выделений (Ni 3 Al) в γ-фазе (Ni), которые упрочняют сплавы за счет дисперсионного твердения . В этих сплавах объемная доля выделений γ' достигает 80%. [7] Из-за такой большой объемной доли важное значение имеет эволюция этих γ'-выделений в течение жизненного цикла сплавов: основной проблемой является укрупнение этих γ'-выделений при высокой температуре (от 800 до 1000 °C), что значительно снижает прочность сплавов. ' сила. [7] Это огрубление происходит из-за баланса между межфазной и упругой энергией в фазе γ + γ' и обычно неизбежно в течение длительного времени. [7] Эта проблема огрубления решается путем введения других элементов, таких как Fe, Cr и Mo, которые создают многофазные конфигурации, которые могут значительно повысить сопротивление ползучести. [8] Такое сопротивление ползучести объясняется образованием неоднородного осадка Cr 4,6 MoNi 2,1 , который закрепляет дислокации и предотвращает дальнейшее укрупнение γ'-фазы. [8] Добавление Fe и Cr также резко повышает свариваемость сплава. [8]
НиАл
[ редактировать ]Несмотря на свои полезные свойства, NiAl обычно страдает от двух факторов: очень высокой хрупкости при низких температурах (<330 °C (626 °F)) и быстрой потери прочности при температурах выше 550 °C (1022 °F). [9] Хрупкость объясняется как высокой энергией противофазных границ, так и высоким атомным порядком вдоль границ зерен. [9] Как и в случае со сплавами на основе Ni 3 Al, эти проблемы обычно решаются путем интеграции других элементов. Попытавшиеся элементы можно разделить на три группы в зависимости от их влияния на микроструктуру:
- Элементы, образующие тройные интерметаллические фазы, такие как Ti и Hf. [9]
- Элементы, образующие псевдобинарные эвтектики, такие как Cr [9]
- Элементы с высокой растворимостью в NiAl, такие как Fe, Co и Cu. [9]
Было показано, что некоторыми из наиболее успешных элементов являются Fe, Co и Cr, которые резко повышают пластичность при комнатной температуре, а также способность к горячей обработке. [10] Это увеличение связано с образованием γ-фазы, которая модифицирует зерна β-фазы. [10] Также было показано, что легирование Fe, Ga и Mo значительно улучшает пластичность при комнатной температуре. [11] Совсем недавно были добавлены тугоплавкие металлы, такие как Cr, W и Mo, что привело не только к увеличению пластичности при комнатной температуре, но также к увеличению прочности и вязкости разрушения при высоких температурах. [12] Это связано с образованием уникальных микроструктур, таких как эвтектический сплав Ni 45,5 Al 9 Mo и включения α-Cr, способствующие упрочнению твердого раствора. [12] Показано даже, что эти сложные сплавы (Ni 42 Al 51 Cr 3 Mo 4 ) потенциально могут быть изготовлены с помощью процессов аддитивного производства, таких как селективное лазерное производство , что значительно расширяет потенциальные возможности применения этих сплавов. [12]
Суперсплавы на основе никеля
[ редактировать ]В суперсплавах на основе никеля области Ni 3 Al (называемые γ'-фазой) выделяются из богатой никелем матрицы (называемой γ-фазой), что обеспечивает высокую прочность и сопротивление ползучести. Доступно множество составов сплавов, и они обычно включают другие элементы, такие как хром, молибден и железо, для улучшения различных свойств.
Примеры
[ редактировать ]ИК-221М
[ редактировать ]Сплав Ni 3 Al, известный как IC-221M, состоит из алюминида никеля в сочетании с несколькими другими металлами, включая хром , молибден , цирконий и бор . Добавление бора увеличивает пластичность сплава за счет положительного изменения химического состава границ зерен и содействия измельчению зерен. Параметры Холла -Петча для этого материала составили σ o = 163 МПа и k y = 8,2 МПа·см. 1/2 . [13] Бор повышает твердость объемного Ni 3 Al по аналогичному механизму.
Этот сплав чрезвычайно прочен для своего веса: в пять раз прочнее обычной нержавеющей стали SAE 304 . В отличие от большинства сплавов, прочность IC-221M увеличивается от комнатной температуры до 800 °C (1470 °F).
Сплав очень устойчив к нагреву и коррозии для термообработки и находит применение в печах и других применениях, где его более длительный срок службы и снижение коррозии дают ему преимущество перед нержавеющей сталью . [14] Установлено, что в микроструктуру этого сплава входит эвтектическая фаза Ni 5 Zr, поэтому обработка на раствор эффективна при горячей обработке без образования трещин. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Курбаткина, Виктория В. (01.01.2017), «Алюминиды никеля» , в Боровинской, Инна П.; Громов, Александр А.; Левашов Евгений А.; Максимов, Юрий М. (ред.), Краткая энциклопедия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза , Амстердам: Elsevier, стр. 212–213, ISBN. 978-0-12-804173-4 , получено 7 марта 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Дей, ГК (2003). «Физическая металлургия алюминидов никеля». Садхана . 28 (1–2): 247–262. дои : 10.1007/BF02717135 . ISSN 0256-2499 .
- ^ Поуп, ДП; Эзз, СС (1 января 1984 г.). «Механические свойства Ni3AI и сплавов на основе никеля с высокой объемной долей γ' » . Международные обзоры металлов . 29 (1): 136–167. дои : 10.1179/imtr.1984.29.1.136 . ISSN 0308-4590 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Талаш, с. (2018). «Алюминиды никеля». Интерметаллические матричные композиты . Эльзевир. стр. 37–69. дои : 10.1016/b978-0-85709-346-2.00003-0 . ISBN 978-0-85709-346-2 .
- ^ У, Юй-тин; Ли, Чонг; Ли, Е-фан; Ву, Цзин; Ся, Син-чуань; Лю, Юн Чан (2020). «Влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства жаропрочных сплавов на основе Ni3Al: обзор» . Международный журнал минералов, металлургии и материалов . 28 (4): 553–566. дои : 10.1007/s12613-020-2177-y . ISSN 1674-4799 .
- ^ К, Аоки (1990). «Дуктилизация интерметаллида L12 Ni3Al микролегированием бором» . Операции с материалами, JIM . 31 (6): 443–448. doi : 10.2320/matertrans1989.31.443 – через J-STAGE.
- ^ Перейти обратно: а б с У, Ютинг; Лю, Юнчан; Ли, Чонг; Ся, Синчуань; Ву, Цзин; Ли, Хуэйцзюнь (15 января 2019 г.). «Огрубление выделений γ’ в области γ’+γ сплава на основе Ni3Al» . Журнал сплавов и соединений . 771 : 526–533. дои : 10.1016/j.jallcom.2018.08.265 . ISSN 0925-8388 . S2CID 139682282 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ву, Цзин; Ли, Чонг; У, Ютинг; Хуан, Юань; Ся, Синчуань; Лю, Юнчан (14 июля 2020 г.). «Поведение многофазного интерметаллического сплава на основе Ni3Al при ползучести после длительного старения при температуре 1000°C–1000 ч при промежуточных температурах» . Материаловедение и инженерия: А. 790 : 139701. doi : 10.1016/j.msea.2020.139701 . ISSN 0921-5093 . S2CID 225742080 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Чеппе, Томаш; Вежбинский, Станислав (1 августа 2000 г.). «Структура и механические свойства сплавов на основе NiAl и Ni3Al» . Международный журнал механических наук . 42 (8): 1499–1518. дои : 10.1016/S0020-7403(99)00087-9 . ISSN 0020-7403 .
- ^ Перейти обратно: а б Исида, К.; Кайнума, Р.; Уэно, Н.; Нисидзава, Т. (1 февраля 1991 г.). «Повышение пластичности сплавов на основе NiAl (B2) путем контроля микроструктуры» . Металлургические операции А . 22 (2): 441–446. Бибкод : 1991MTA....22..441I . дои : 10.1007/BF02656811 . ISSN 1543-1940 . S2CID 135574438 .
- ^ Даролия, Рам (1 марта 1991 г.). «NiAl сплавы для высокотемпературных конструкционных применений» . ДЖОМ . 43 (3): 44–49. Бибкод : 1991JOM....43c..44D . дои : 10.1007/BF03220163 . ISSN 1543-1851 . S2CID 137019796 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хомутов, М.; Потапкин П.; Чеверикин В.; Петровский, П.; Травьянов А.; Логачев И.; Сова, А.; Смуров И. (01.05.2020). «Влияние горячего изостатического прессования на структуру и свойства интерметаллического сплава NiAl–Cr–Mo, полученного методом селективной лазерной плавки» . Интерметаллики . 120 : 106766. doi : 10.1016/j.intermet.2020.106766 . ISSN 0966-9795 . S2CID 216231029 .
- ^ Лю, Коннектикут; Уайт, CL; Хортон, Дж.А. (1985). «Влияние бора на границы зерен в Ni 3 Al» . Акта Металл . 33 (2): 213–229. дои : 10.1016/0001-6160(85)90139-7 .
- ^ Кроуфорд, Джеральд (апрель 2003 г.). «Экзотический сплав находит нишу» . Журнал «Никель» . Проверено 19 декабря 2006 г.
- ^ Хади, Мортеза; Камали, Али Реза (19 октября 2009 г.). «Исследование горячей обрабатываемости и механических свойств модифицированного сплава ИК-221М» . Журнал сплавов и соединений . 485 (1): 204–208. дои : 10.1016/j.jallcom.2009.06.010 . ISSN 0925-8388 .