Алюминид никеля относится к одному из двух широко используемых интерметаллических соединений, Ni 3 Al или NiAl, но этот термин иногда используется для обозначения любого сплава никеля с алюминием. Эти сплавы широко используются из-за их высокой прочности даже при высокой температуре, низкой плотности, коррозионной стойкости и простоты производства. [1] Ni 3 Al представляет особый интерес как осадок в суперсплавах на основе никеля , где он называется γ' (гамма-штрих) фазой. Он придает этим сплавам высокую прочность и сопротивление ползучести до 0,7–0,8 его 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 на лопатках 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, если производить его в виде монокристалла, а не поликристалла. [3]
Важным недостатком поликристаллических сплавов на основе Ni 3 Al является их хрупкость при комнатной и высокой температуре, что препятствует потенциальным структурным применениям. Эта хрупкость обычно объясняется неспособностью дислокаций перемещаться в высокоупорядоченных решетках. [5] Введение небольшого количества бора может радикально повысить пластичность, подавляя межзеренное разрушение. [6]
Суперсплавы на основе Ni получают свою прочность за счет образования выделений γ' (Ni 3 Al) в γ-фазе (Ni), которые укрепляют сплавы посредством дисперсионного твердения . В этих сплавах объемная доля выделений γ' достигает 80%. [7] Из-за этой высокой объемной доли важна эволюция этих выделений γ' в течение жизненного цикла сплавов: основной проблемой является укрупнение этих выделений γ' при высокой температуре (от 800 до 1000 °C), что значительно снижает прочность сплавов. [7] Это укрупнение обусловлено балансом между межфазной и упругой энергией в фазе γ + γ' и, как правило, неизбежно в течение длительного времени. [7] Эта проблема укрупнения решается путем введения других элементов, таких как Fe, Cr и Mo, которые создают многофазные конфигурации, которые могут значительно увеличить сопротивление ползучести. [8] Это сопротивление ползучести объясняется образованием неоднородного осадка Cr 4.6 MoNi 2.1 , который закрепляет дислокации и предотвращает дальнейшее огрубление γ'-фазы. [8] Добавление Fe и Cr также резко увеличивает свариваемость сплава. [8]
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 антифазных границ, так и высоким атомным порядком вдоль границ зерен. [9] Подобно сплавам на основе Ni 3 Al, эти проблемы обычно решаются путем интеграции других элементов. Предложенные элементы можно разбить на три группы в зависимости от их влияния на микроструктуру:
Было показано, что некоторые из наиболее успешных элементов — это Fe, Co и Cr, которые резко увеличивают пластичность при комнатной температуре, а также горячую обрабатываемость. [10] Это увеличение обусловлено образованием γ-фазы, которая изменяет зерна β-фазы. [10] Было также показано, что легирование Fe, Ga и Mo резко 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 и 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 включениями α-Cr, которые способствуют упрочнению твердого раствора. [12] Было даже показано, что эти сложные сплавы (Ni 42 Al 51 Cr 3 Mo 4 ) могут быть изготовлены с помощью процессов аддитивного производства, таких как селективное лазерное производство , что значительно расширяет потенциальные области применения этих сплавов. [12]
В суперсплавах на основе никеля области Ni 3 Al (называемые γ'-фазой) выделяются из богатой никелем матрицы (называемой γ-фазой), обеспечивая высокую прочность и сопротивление ползучести. Доступно много составов сплавов, и они обычно включают другие элементы, такие как хром, молибден и железо, для улучшения различных свойств.
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 химию границ зерен и способствуя измельчению зерна. Параметры Холла-Петча для этого материала были σ o = 163 МПа и k y = 8,2 МПаˑсм 1/2 . [13] Бор увеличивает 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 нагреванию и коррозии и находит применение в печах для термообработки и других областях, где его более длительный срок службы и пониженная коррозия дают ему преимущество перед нержавеющей сталью . [14] Было обнаружено, что микроструктура этого сплава включает эвтектическую фазу Ni 5 Zr, и поэтому обработка на твердый раствор эффективна для горячей обработки без образования трещин. [15]