stringtranslate.com

Алюминид никеля

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]

Характеристики

Ни3Эл

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]

НиАл

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]

Суперсплавы на основе никеля

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.

Примеры

ИК-221М

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]

Ссылки

  1. ^ abc Курбаткина, Виктория В. (2017-01-01), "Алюминиды никеля", в Боровинская, 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 2021-03-07
  2. ^ abcdefgh Дей, ГК (2003). «Физическая металлургия алюминидов никеля». Садхана . 28 (1–2): 247–262. doi :10.1007/BF02717135. ISSN  0256-2499.
  3. ^ Поуп, Д.П.; Эзз, С.С. (1984-01-01). «Механические свойства Ni3AI и сплавов на основе никеля с высокой объемной долей γ'». International Metals Reviews . 29 (1): 136–167. doi :10.1179/imtr.1984.29.1.136. ISSN  0308-4590.
  4. ^ abcdefgh Talaş, ş. (2018). "Алюминиды никеля". Композиты с интерметаллической матрицей . Elsevier. стр. 37–69. doi :10.1016/b978-0-85709-346-2.00003-0. ISBN 978-0-85709-346-2.
  5. ^ У, Ю-тин; Ли, Чун; Ли, Е-фан; У, Цзин; Ся, Син-чуань; Лю, Юн-чан (2020). «Влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства суперсплавов на основе Ni3Al: обзор». Международный журнал минералов, металлургии и материалов . 28 (4): 553–566. doi : 10.1007/s12613-020-2177-y . ISSN  1674-4799.
  6. ^ K, Aoki (1990). «Пластификация интерметаллического соединения L12 Ni3Al путем микролегирования бором». Materials Transactions, JIM . 31 (6): 443–448. doi : 10.2320/matertrans1989.31.443 – через J-STAGE.
  7. ^ abc Wu, Yuting; Liu, Yongchang; Li, Chong; Xia, Xingchuan; Wu, Jing; Li, Huijun (2019-01-15). "Огрубление поведения выделений γ′ в области γ'+γ сплава на основе Ni3Al". Журнал сплавов и соединений . 771 : 526–533. doi : 10.1016/j.jallcom.2018.08.265. ISSN  0925-8388. S2CID  139682282.
  8. ^ abc Wu, Jing; Li, Chong; Wu, Yuting; Huang, Yuan; Xia, Xingchuan; Liu, Yongchang (2020-07-14). "Поведение ползучести многофазного интерметаллического сплава на основе Ni3Al после длительного старения 1000°C-1000 ч при промежуточных температурах". Materials Science and Engineering: A . 790 : 139701. doi :10.1016/j.msea.2020.139701. ISSN  0921-5093. S2CID  225742080.
  9. ^ abcde Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw (2000-08-01). "Структура и механические свойства сплавов на основе NiAl и Ni3Al". International Journal of Mechanical Sciences . 42 (8): 1499–1518. doi :10.1016/S0020-7403(99)00087-9. ISSN  0020-7403.
  10. ^ ab Ishida, K.; Kainuma, R.; Ueno, N.; Nishizawa, T. (1991-02-01). "Повышение пластичности сплавов на основе NiAl (B2) с помощью микроструктурного контроля". Metallurgical Transactions A. 22 ( 2): 441–446. Bibcode : 1991MTA....22..441I. doi : 10.1007/BF02656811. ISSN  1543-1940. S2CID  135574438.
  11. ^ Даролия, Рам (1991-03-01). "Сплавы NiAl для высокотемпературных структурных применений". JOM . 43 (3): 44–49. Bibcode :1991JOM....43c..44D. doi :10.1007/BF03220163. ISSN  1543-1851. S2CID  137019796.
  12. ^ abc Хомутов, М.; Потапкин, П.; Чеверикин, В.; Петровский, П.; Травянов, А.; Логачев, И.; Сова, А.; Смуров, И. (2020-05-01). "Влияние горячего изостатического прессования на структуру и свойства интерметаллического сплава NiAl–Cr–Mo, полученного селективным лазерным плавлением". Интерметаллиды . 120 : 106766. doi :10.1016/j.intermet.2020.106766. ISSN  0966-9795. S2CID  216231029.
  13. ^ Лю, CT; Уайт, CL; Хортон, JA (1985). «Влияние бора на границы зерен в Ni3Al». Acta Metall . 33 (2): 213–229. doi :10.1016/0001-6160(85)90139-7.
  14. ^ Кроуфорд, Джеральд (апрель 2003 г.). «Экзотический сплав находит свою нишу». Журнал Nickel . Получено 19 декабря 2006 г.
  15. ^ Хади, Мортеза; Камали, Али Реза (19 октября 2009 г.). «Исследование горячей обрабатываемости и механических свойств модифицированного сплава IC-221M». Журнал сплавов и соединений . 485 (1): 204–208. doi :10.1016/j.jallcom.2009.06.010. ISSN  0925-8388.