鋁化鎳
鋁化鎳 | |
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识别 | |
CAS号 | 12003-81-5(Ni3Al) ![]() 12003-78-0(NiAl) ![]() |
性质 | |
密度 | 6.89 g cm−3 (Ni3Al) 5.85 g cm−3 (NiAl) |
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。 |
铝化镍(Nickel aluminide)指鋁與鎳以任何比例組成的所有化合物,通常指Ni3Al或NiAl,因其耐腐蚀、低密度和易于生产被广泛使用[1] 。
Ni3Al作为镍基超合金中的强化γ'相沉淀物,允许高温强度(high-temperature strength)达到其熔融温度的0.7-0.8,具有特殊意义[1] [2];NiAl的密度低(低于Ni3Al)、导热性良好、抗氧化、熔點高。 [2]这些特性使它們成为特殊高温应用的理想选择,例如燃气轮机和喷气发动机叶片上的涂层。然而,这两种合金都具有在室温下非常脆的缺点[1]。Ni3Al在高温下仍然很脆,但其晶體結構為單晶而非多晶時可以具有延展性[3]。另外,将金刚石嵌入铝化镍底基中可以製造非常耐磨的材料[4]。
Ni3Al
[编辑]多晶体Ni3Al基合金的主要问题是室温和高温下的脆性,通常歸因於排差无法在高度有序的晶格中移动[5],大大減少了Ni3Al合金的應用可能性。1990年,有研究顯示加入少量的硼可以抑制晶间断裂,使合金的延展性大幅提高[6]。解決Ni3Al的脆性問題後,學術界的研究重点转向提高合金的结构性能。
如前所述,NiAl3基合金在γ中形成的γ'沉淀物可以強化合金。γ'沉淀物在NiAl3基合金中的體積百分濃度非常高(達80%)[7],使研究人員對其在合金生命周期中的變化非常感興趣。研究重點之一是这些γ'沉淀物在高温(800℃至1000℃)下的粗化,这大大降低了这些合金的强度[7]。这种粗化是γ+γ'相中的界面能和弹性能之间的平衡造成,此趨勢幾乎無法永久或長期避免[7],当前的研究试图透过添加其他元素来減緩这个问题。诸如铁、铬和钼等元素已被证明可以创造出独特的多相结构,可以显著提高NiAl3基合金在1000℃下持續1000小时的抗蠕变性。这种抗蠕变性归因于不均匀的沉淀物Cr4.6MoNi2.1的形成,它"釘住"了排差并阻止γ'相进一步粗化[8]。添加铁和铬也大大增加NiAl3基合金的可焊性,尽管它的生产很容易,而且成本很低,但其工业操作仍然有待研究[8]。总的来说,NiAl3在镍基合金中作为一种优秀的强化沉淀物,是高温、承重应用的理想材料,目前正在研究如何通过添加其他元素来解决材料的缺陷。
NiAl
[编辑]NiAl有兩個主要缺陷:低温時(<330°C)非常脆,且在高溫(>550℃)时强度快速降低[9]。脆性归因于反相界(anti-phase boundaries)的高能量以及沿晶界的高原子秩序。[10]这些缺點通常透过添加其他元素来解决。根据微观结构的影响,尝试的元素可以分为三组:
在這些元素中,鐵、鈷和鉻已經被證明更有效,由于γ相的形成改变了β相晶粒,使它們極大地提高了室温延展性和热加工性。[11]鐵、鎵和鉬的合金也已被证明可以显着提高室温延展性。[12]添加鉻、鎢和鉬等难熔金属,不仅可以提高室温延展性,还可以增加高温下的强度和断裂韧性[13],这是由于形成了独特的微观结构,如共晶合金Ni45.5Al9Mo和α-Cr包裹体,有助于固包裹体溶硬化。甚至还显示,这些复杂的合金(Ni42Al51Cr3Mo4)有可能通过增材制造工艺(如选择性激光制造selective laser manufacturing)进行制造,大大增加了这些合金的潜在应用。[13]
IC-221M
[编辑]IC-221M是一種Ni3Al合金,由Ni3Al、硼和铬、钼、锆等金屬结合而成。添加硼可以有效改变合金的晶界化学性质並促进晶粒细化,進而增加延展性。該材料的霍尔-佩奇参数(the Hall-Petch parameters)为σo=163MPa和ky=8.2MPaˑcm1/2。[14]
这种合金相对其重量来说是非常强大的,比普通的SAE 304不锈钢强五倍。与大多数合金不同,IC-221M的强度在室温~800℃時呈現上升。
![.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/46/IC-221M_temp_graph.png/500px-IC-221M_temp_graph.png)
该合金非常耐热、耐腐蚀,并被用于热处理炉和其他应用,其较长的使用寿命和减少的腐蚀使其比不锈钢更具优势。 [15]
特性
[编辑]- Ni3Al具有L12型立方晶体结构,晶格参数a=355.9pm。
- 密度=7.16g/cm3
- 屈服强度=855MPa
- 硬度=HRC12
- 导热系数Ni3Al=28.85 (W/m.K) [16]
- 导热系数NiAl=76 (W/m.K) [16]
- 熔点Ni3Al=1668K
- 熔点NiAl=1955K
- 热膨胀系数=12.5 (10-6/K)
- 化學鍵=共价、金属
- 电阻率=32.59 (10-8Ωm)
参考
[编辑]
- ^ 1.0 1.1 1.2 Kurbatkina, Victoria V., Borovinskaya, Inna P.; Gromov, Alexander A.; Levashov, Evgeny A.; Maksimov, Yuri M. , 编, Nickel Aluminides, Concise Encyclopedia of Self-Propagating High-Temperature Synthesis (Amsterdam: Elsevier), 2017-01-01: 212–213 [2021-03-07], ISBN 978-0-12-804173-4, (原始内容存档于2021-11-08) (英语)
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