鋁化鎳

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] 。

鋁化鎳
识别
CAS号 12003-81-5（Ni3Al）  checkY
12003-78-0（NiAl）  checkY
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。

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

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

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：

  • 形成三元金属间相的元素，如鈦和鉿[10]。
  • 形成假二元共晶的元素，如鉻[10]
  • 在NiAl中具有高溶解度的元素，如鐵、鈷和銅[10]

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

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。

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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
  • 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

 

  1. Kurbatkina, Victoria V., Borovinskaya, Inna P.; Gromov, Alexander A.; Levashov, Evgeny A.; Maksimov, Yuri M. , 编, , 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）
  2. Dey, G. K. . Sadhana. 2003-02-01, 28 (1): 247–262. ISSN 0973-7677. doi:10.1007/BF02717135 （英语）.
  3. Pope, D. P.; Ezz, S. S. . International Metals Reviews. 1984-01-01, 29 (1): 136–167. ISSN 0308-4590. doi:10.1179/imtr.1984.29.1.136.
  4. . [2021-11-08]. （原始内容存档于2008-12-11）.
  5. Wu, Yu-ting; Li, Chong; Li, Ye-fan; Wu, Jing; Xia, Xing-chuan; Liu, Yong-chang. . International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2020 [2021-11-08]. ISSN 1674-4799. doi:10.1007/s12613-020-2177-y. （原始内容存档于2022-06-17）.
  6. K, Aoki. . Materials Transactions, JIM. 1990, 31 (6): 443–448 [2021-11-08]. doi:10.2320/matertrans1989.31.443. （原始内容存档于2022-06-29）.
  7. Wu, Yuting; Liu, Yongchang; Li, Chong; Xia, Xingchuan; Wu, Jing; Li, Huijun. . Journal of Alloys and Compounds. 2019-01-15, 771: 526–533. ISSN 0925-8388. doi:10.1016/j.jallcom.2018.08.265 （英语）.
  8. Wu, Jing; Li, Chong; Wu, Yuting; Huang, Yuan; Xia, Xingchuan; Liu, Yongchang. . Materials Science and Engineering: A. 2020-07-14, 790: 139701. ISSN 0921-5093. doi:10.1016/j.msea.2020.139701 （英语）.
  9. Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw. . International Journal of Mechanical Sciences. 2000-08-01, 42 (8): 1499–1518. ISSN 0020-7403. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9 （英语）.
  10. Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw. . International Journal of Mechanical Sciences. 2000-08-01, 42 (8): 1499–1518. ISSN 0020-7403. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9 （英语）.Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw (2000-08-01). "Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys". International Journal of Mechanical Sciences. 42 (8): 1499–1518. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9. ISSN 0020-7403.
  11. Ishida, K.; Kainuma, R.; Ueno, N.; Nishizawa, T. . Metallurgical Transactions A. 1991-02-01, 22 (2): 441–446. ISSN 1543-1940. doi:10.1007/BF02656811 （英语）.
  12. Darolia, Ram. . JOM. 1991-03-01, 43 (3): 44–49. ISSN 1543-1851. doi:10.1007/BF03220163 （英语）.
  13. Khomutov, M.; Potapkin, P.; Cheverikin, V.; Petrovskiy, P.; Travyanov, A.; Logachev, I.; Sova, A.; Smurov, I. . Intermetallics. 2020-05-01, 120: 106766. ISSN 0966-9795. doi:10.1016/j.intermet.2020.106766 （英语）.
  14. Liu, C. T.; White, C. L.; Horton, J. A. . Acta Metall. 1985, 33 (2): 213–229 [2021-11-08]. doi:10.1016/0001-6160(85)90139-7. （原始内容存档于2021-11-09）.
  15. Crawford, Gerald. . Nickel magazine. April 2003 [2006-12-19]. （原始内容存档于2011-09-30）.
  16. Dey, G. K. (PDF). Sadhana. 2003, 28 (Parts 1 & 2): 247–262 [2014-03-05]. doi:10.1007/bf02717135. （原始内容 (PDF)存档于2022-01-29）.
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