Алюминид никеля - Nickel aluminide

Алюминид никеля обычно относится к одному из двух наиболее широко используемых соединений, Ni ₃ Al или NiAl, однако обычно представляет собой любой алюминид из системы Ni-Al. Эти сплавы широко используются благодаря своей коррозионной стойкости, малой плотности и простоте производства. Ni ₃ Al представляет особый интерес, поскольку выделяет упрочняющую γ'-фазу в суперсплавах на основе никеля, обеспечивающую высокотемпературную прочность до 0,7-0,8 от температуры его плавления. Между тем, NiAl демонстрирует превосходные свойства, такие как низкая плотность (ниже, чем у Ni ₃ Al), хорошая теплопроводность, стойкость к окислению и высокая температура плавления. Эти свойства делают его идеальным для специальных высокотемпературных применений, таких как покрытия на лопатках газовых турбин и реактивных двигателей . Однако у обоих этих сплавов есть недостаток, заключающийся в том, что они довольно хрупкие при комнатной температуре, в то время как Ni ₃ Al остается хрупким и при высоких температурах. Хотя было показано, что Ni ₃ Al можно сделать пластичным при изготовлении в виде монокристалла, а не поликристаллического. Еще одно применение было продемонстрировано в 2005 году, когда, как сообщалось, был создан наиболее устойчивый к истиранию материал путем внедрения алмазов в матрицу из алюминида никеля.

Ni ₃ Al

Преобладающей проблемой поликристаллических сплавов на основе Ni ₃ Al является комнатная температура и высокотемпературная хрупкость. Эта хрупкость обычно объясняется неспособностью дислокаций двигаться в высокоупорядоченных решетках. Исследователи упорно трудились над устранением этой хрупкости, поскольку это значительно уменьшило потенциальные возможности применения в конструкции этих сплавов на основе Ni ₃ Al. Однако в 1990 году было показано, что введение небольшого количества бора может резко повысить пластичность за счет подавления межкристаллитного разрушения. Как только это было решено, основное внимание было обращено на максимальное улучшение структурных свойств сплава. Как уже упоминалось, сплавы на основе NiAl ₃ получают свою прочность за счет образования выделений γ 'в γ, которые упрочняют сплавы за счет дисперсионного упрочнения. В этих сплавах на основе NiAl ₃ объемная доля выделений γ 'достигает 80%. Из-за такой высокой объемной доли эволюция выделений γ 'в течение жизненного цикла этих сплавов представляет большой интерес. Одной из основных проблем является укрупнение этих выделений γ 'при высокой температуре (от 800 ° C до 1000 ° C), что значительно снижает прочность этих сплавов. Это огрубление происходит из-за баланса между межфазной и упругой энергией в фазе γ + γ 'и обычно неизбежно в течение длительного времени. В текущих исследованиях предпринята попытка решить эту проблему грубости путем введения других элементов. Было показано, что такие элементы, как Fe, Cr и Mo, создают уникальные многофазные конфигурации, которые могут значительно повысить сопротивление ползучести сплавов на основе NiAl ₃ при 1000 ° C в течение 1000 часов. Это сопротивление ползучести объясняется образованием неоднородного осадка Cr _4.6 MoNi _2.1, который скрепляет дислокации и предотвращает дальнейшее укрупнение γ 'фазы. Это добавление Fe и Cr также резко увеличивает свариваемость сплава на основе NiAl _3, который по-прежнему представляет серьезную проблему для промышленного использования, несмотря на его простое и экономичное производство. В общем, Ni ₃ Al действует как превосходный упрочняющий осадок в сплавах на основе Ni, что делает эти материалы идеальными для применения при высоких температурах и нагрузках. Дальнейшие исследования проводятся для устранения недостатков этого материала путем включения других элементов.

NiAl

NiAl, несмотря на свои полезные свойства, обычно страдает от двух факторов: очень высокой хрупкости при низких температурах (<330 ° C) и быстрой потери прочности при температурах выше 550 ° C. Хрупкость объясняется как высокой энергией противофазных границ, так и высоким атомным порядком вдоль границ зерен. Подобно сплавам на основе Ni ₃ Al, эти проблемы обычно решаются путем интеграции других элементов. Испытанные элементы можно разбить на три группы в зависимости от их влияния на микроструктуру:

• Элементы, образующие тройные интерметаллические фазы, такие как Ti и Hf
• Псевдобинарные эвтектические образующие элементы, такие как Cr
• Элементы с высокой растворимостью в NiAl, такие как Fe, Co и Cu.

Некоторые из наиболее успешных элементов - это Fe, Co и Cr, которые резко повышают пластичность при комнатной температуре, а также обрабатываемость в горячем состоянии. Это увеличение связано с образованием γ-фазы, которая модифицирует зерна β-фазы. Было также показано, что легирование Fe, Ga и Mo также значительно улучшает пластичность при комнатной температуре. Совсем недавно были добавлены металлы для повторного гидроразрыва, 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. Это связано с образованием уникальных микроструктур, таких как эвтектический сплав Ni _45,5 Al ₉ Mo и включения α-Cr, которые способствуют упрочнению твердого раствора. Было даже показано, 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 увеличивает потенциальные области применения этих сплавов.

IC-221M

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, положительно изменяя химический состав границ зерен и способствуя измельчению зерен. Параметры Холла-Петча для этого материала составляли σ _o = 163 МПа и k _y = 8,2 МПа · см ^1/2 . Бор увеличивает твердость массивного 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, IC-221M увеличивает прочность от комнатной температуры до 800 ° C.

Сплав очень устойчив к нагреву и коррозии и находит применение в печах для термообработки и других областях, где более длительный срок службы и меньшая коррозия дают ему преимущество перед нержавеющей сталью .

Характеристики

• Ni ₃ Al имеет кубическую кристаллическую структуру L1 ₂ типа , с решеткой параметром в = 355,9 мкм.
• Плотность = 7,16 г / см ³
• Предел текучести = 855 МПа
• Твердость = 12 HRC
• Теплопроводность Ni ₃ Al = 28,85 (Вт / м · К)
• Теплопроводность NiAl = 76 (Вт / мК)
• Температура плавления Ni ₃ Al = 1668 K
• Температура плавления NiAl = 1955 K
• Коэффициент теплового расширения = 12,5 (10 ⁻⁶ / K)
• Связь = ковалентная / металлическая
• Электрическое сопротивление = 32,59 (10 ^-8 Ом · м)

использованная литература