先进金属结构材料－金属间化合物结构材.ppt

,先进金属结构材料 金属间化合物结构材料,北京航空航天大学材料学院 School of materials science and engineering, BUAA 李树索 82314488 E-mail ,主 要 内 容,1. 金属间化合物简介,1.金属间化合物简介,金属间化合物定义,金属间化合物： 金属间化合物是由两种或两种以上或金属与类金属组成的具有整数化学计量比的化合物，由于其晶体的有序结构以及金属键与共价键共存，因而具有一系列独特的优异性能，如密度低、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性能优良等。 类金属：H、B、N、S、P、C、Si 分 类：正常价化合物；电子化合物；间隙化合物；复杂化合物 TiAl、Ti3Al，NiAl、Ni3Al，FeAl和Fe3Al是其中的典型代表。,金属间化合物简介,金属间化合物材料：一种新型金属材料。 以前所有的金属材料，都是以相图端际固溶体为基体； 而金属间化合物材料，则以中间部分的有序金属间化合物为基体。,金属间化合物高温材料： 许多金属间化合物的屈服强度随温度升高而提高； 密度低，比刚度高； 铝化物、硅化物还具有良好的抗氧化性能等； 其耐热性能介于高温合金和陶瓷材料之间，因此是一类很有前景的高温材料。 室温脆性和高温强度低 低密度高温结构金属间化合物材料： 指比重小于8.0g/cm3、使用温度在600以上的一类高温结构材料。,金属间化合物简介,高温结构材料发展的示意图,2 金属间化合物的基本 结构和键合特征,晶体结构分为两大类： fcc、bcc、hcp衍生结构 复杂结构（拓扑密排相TCP、硅化物复杂结构）,金属间化合物的基本结构,L12 亦称Cu3Au I超点阵,L11 亦称CuPt的菱方超结构,L10 或称CuAu I 超结构,fcc衍生结构,bcc衍生结构,hcp衍生结构,DO3 超结构,B2 ，亦称 黄铜超点阵,DO19或Mg3Cd型超点阵,金属间化合物晶体结构,复杂结构,基本结构,L12 (Cu3Au I超点阵) 它相当于有四个简单立方点阵穿插形成的点阵，而每一简单立方点阵只被一种原子占据。已在60多个合金系统中发现这种结构。 典型的例子有： Ni3Al、 Al3U、Co3V、FeNi3、 FePd3。,基本结构,L11(CuPt的菱方超结构) 有序化后，原面心立方的（111）面交替的被Cu及Pt原子所占据，晶体结构发生变形由立方变成菱方。CuPt是唯一的一个例子。,基本结构,L10（CuAu I超结构） 原面心立方的（001）交替的分别被Cu与Au原子占据，它不再是立方点阵，而成为四方点阵。如：AgTi, TiAl, FePt等。,基本结构,B2 （黄铜超点阵） 有序结构可看成是分别由Cu及Zn组成的简单立方点阵穿插而成。 典型的例子有： -CuZn、-AuCd、-NiAl。,基本结构,DO3 超结构： 以Fe3Al 为其代表。Al只占X之上，其余为 Fe原子所占据。如果增加Al含量，Al原子将占据Y位置,直到FeAl成分，Al原子占满X和Y点阵位置，就成为B2结构。另外一个例子是Fe3Si。,基本结构,DO19或Mg3Cd型超点阵 相当四个密堆六角亚点阵穿插组成。其中Cd占据一个亚点阵，Mg占据三个亚点阵。,基本结构,拓扑密排相（TCP相）(自学) TCP 相必须用若干结构单元描述其晶体结构，即：间隙空洞，原子配位多面体，主骨架和原子层等。 TCP相典型结构类型有Cr3Si(- W)结构，Laves相、相，以及, P, R, M, ，等相。 TCP相的共同特征是晶体中的间隙完全由四面体空洞组成，所以他们的结构是高度密排的。,原子配位多面 一个原子的配位多面体是以该原子为中心与围绕它的近邻原子的中心连线所构成的一个多面体。对于配位数为12的fcc和hcp结构，有12个近邻原子组成的多面体分别是立方八面体(Cubo - octahedron)和孪生立方八面体(Twinned Cubo -octahedron)在空间中有多面体堆垛而成一点阵。 对于TCP结构，我们会碰到第三种配位数为12的多面体，该多面体全部由三角形的面构成，称为二十面体(CN12)。 为了满足TCP中只能出现四面体空洞的要求，除了许多原子具有二十面体环境外，有些原子必须具有更高的配位体多面体的环境。,主骨架 当相邻原子具有五个面配位时每个原子的CN为12。称CN12的位置为次位置，而CN大于12的为主位置。 主位置适合比较大尺寸的原子，它们由主配位线连接，次位置由次配位相连接。 在这些结构中往往有一个或一个以上由主配位线联结而成的网格，这些网格总称为结构的主骨架。,原子层 TCP相一般都具有层状结构。 主原子层是有一列列原子层构成六角形、五角形和三角形的花样。这种原子层称主原子层。,基本结构,Cr3Si(- W)结构 Cr3Si相属于- W型的结构， Cr3Si结构一般不总是发生在正化学比A3B处。其初基单胞含有8个原子。设其原点处于中心，则单胞内原子位置为： 2个B原子： 0,0,0; 1/2,1/2,1/2; 6个A原子： 1/4,0,1/2; 1/2,1/4,0; 0,1/2,1/4; 3/4,1/2,0; 1/2,3/4,0; 0,1/2,3/4。,基本结构,Laves相晶体结构 Laves相的分子式为AB2 型，他们的结构都与Mg基的以下三种典型结构相关：MgCu2 ，MgZn2 和MgNi2。 相晶体结构 相是在过渡族金属之间形成的一种TCP相，如 FeCr, FeMo, CrMn等。 相的结构几乎与- U的结构相同，但由于相不像Cr3Si和Laves相那样有确定的化学成分，所以人们并不期望相具有完全的有序化。,键合特征,从键合特征这一角度和层次去理解金属间化合物的相稳定性以及一些重要的力学性能，对于有效改善材料性能和更好地进行合金设计具有重要意义。 高温结构金属间化合物，其键合特征既不同于一般的有序合金，又不同于普通的共价或离子化合物。,键合特征,离子键,共价键,金属键,电荷转移,成键方向,电荷转移,已开展的有关金属间化合物键合特征的研究表明，在多数金属间化合物中，尤其是过渡金属铝化物，其成键是金属键与共价键的混合，TM（过渡金属）与Al所形成的具有共价特征的键合显著影响这类化合物的力学性能及相稳定性。 同时原子间的键合也具有部分金属间特征，这种成键多存在于TM-TM之间的键合。 但关于金属间化合物中的电荷转移，众多的理论计算结果并不能得出一致的结论，这种不一致不但表现在电荷转移的数目上，也表现在电荷转移的方向上。但却可以大致说明金属间化合物中电荷转移是极其微小的，也即在原子间成键中，离子键的贡献甚微。,电荷转移,以通常的观点看，电荷转移发生的直接原因是成键原子间的电负性差别。 从这一点上看，因为两种原子间的电负性差别，电荷转移将不可避免的发生。有泡里的电负性标度和一些量子力学关于电荷密度的计算结果表明金属间化合物之间存在比较明显的电荷转移，但有些理论计算结果却截然相反。其原因可能是，电荷转移数目没有我期望的那样多，即目前采用的第一原理对固体电荷密度的计算还有相当多的近似。 因此，理论界过的不一致可以大致说明两个问题，其一是在这些金属间化合物中电荷转移数目极其微小，其二是微小程度已落在误差范围内。,成键方向性,在一些金属间化合物中，共价键与金属键共存。众所周知，共价键的一个重要特征是具有方向性，即成键具有一定的取向要求。按共价键的成键原理，它应满足三个条件方能形成稳定的共价键，即对称性匹配、最大重叠和能量接近。一般的，原子轨道的重叠程度可以定量的一重叠积分来表示，记为： 影响大小的主要因素是原子间的距离r和原子轨道的相对取向。 共价键表现出明显的方向性就主要取决于重叠积分对原子间相对取向的依赖。,成键方向性,在金属间化合物组成原子间存在着具有显著方向性的共价键。如Fox和Tabbemor利用功能电子衍射对/ NiAl 的几个低角结构因子进行了精确的测定，所给出的变形电荷密度分布图（如下）清楚地显示了Ni-Al之间具有明显方向性的共价键作用的存在。,3 金属间化合 物力学性能,金属间化合物中不同种类原子的原子间强键合和有序排列及可能由此导致的晶体结构的低对称性，使其原子和位错在高温下的可动性降低，晶体结构更加稳定，其结果金属间化合物通常具有优良的高温强度和刚度。 但是塑性形变比普通金属困难，变形能力介于金属与陶瓷之间。,塑性与脆性,塑性低的根本原因： 1、滑移：对称性低，位错能量高。长的位错伯格斯矢量、复杂的超位错分解心核结构和低的位错可动性,滑移较难发生. 2、孪生：当滑移受到限制时发生。在立方超点阵中，因需要原子重排或其孪生切变矢量大，形变孪生将是非常困难的。,塑性与脆性,因此，有序金属间化合物因其原子间的强键合和原子的可动性低而显示优良的高温强度。 同时因可开动独立滑移系数量较少或脆弱的晶界而显示室温脆性。 金属间化合物一个引人注意的特性： 屈服强度随温度的异常提高现象 如，Ni3Al，Co3Ti，Fe3Al 目前，L12超点阵的流变应力与温度的依赖关系研究的最为深入。主要包括Cu3Au，Ni3Al，Fe3Ga等。,金属间化合物的屈服强度反常温度关系,塑性与强度,L12型化合物中的流变应力的温度依赖关系可分为三种 a、很强的反常流变，Cu3Au，Pt3Mn b、高温下不显示或显示很弱的反常流变现象，但在低温流变应力随温度降低迅速升高，Pt3Al，Pt3Ga。 c、与普通金属类似，流变应力表现负的温度依赖关系Fe3Ge，Ir3Cr。,塑性与强度,L12型化合物另一个特征是： 屈服应力表现为拉伸/压缩不对称性，并强烈依赖于晶体取向。,断 裂,绝大多数金属间化合物在室温显示脆断，即不存在缩颈，裂纹扩展方向和加载轴垂直，从而获得平断口，微观断口形貌一般为沿晶、解理或两者混合。 脆性原因： 结构特征： 电负性之差：两种过渡金属构成的A3B型化合物（Ni3Mn）两种金属之间的电负性相差极小，故显示韧性。（不能完全解释）,结构特征： 原子价之差：原子价之差越大，韧性越好。 键的方向性：晶界处的原子排列不规则，这种几何畸变就会使键的方向性受到破坏，从而使晶界原子的结合力比晶内更低。 晶体结构的复杂性：结构越复杂，脆性越大。位错矢量及位错运动阻力大。 滑移特征： 独立滑移系少 不能发生交滑移 滑移的不均匀，应力集中 加工硬化率越高，微裂纹形核率高,断 裂,晶界特征：晶界原子结合力比晶内更弱 环境影响：含H2O环境中产生H脆 含O2或真空中塑性韧性提高 应力状态：在三向压缩下韧性升高； 在存在缺口时脆性增加,蠕变与疲劳,不同结构的金属间化合物蠕变行为不同 L12型：初始蠕变和逆蠕变均具有正常的温度依赖性，即随温度升高，蠕变抗力降低。 B2型：具有强烈的各向异性 L10型：应力高时，蠕变曲线具有通常的形态，第一阶段蠕变后有稳态蠕变；应力中等时，在第一阶段蠕变后只有很短的稳态蠕变，随后是加速（逆）蠕变。低应力时，在很短的第一阶段蠕变后是逆蠕变阶段。 DO19型：研究较少 疲劳 以Ni3Al为例 对于低周疲劳：Ni3Al优于其它几种工业合金 目前，蠕变与疲劳的研究尚处于初步阶段。,金属间化合物长期以来未能发展成为一类有实用价值的工程结构材料，最主要的障碍是常温脆性问题。 不同类材料脆性的原因是不同的，有些是由于晶界脆性引起的，如多晶Ni3Al等，不少是由于晶体结构造成的，对称性低和复杂的晶体中滑移系不足是导致脆性的一个重要的因素，也可能是由其它因素导致的，如环境致脆。,存在的问题,存在的问题,本征脆性： 一种固有脆性。金属间化合物具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构，所以具有优异性能的同时，也具有固有脆性的特性。本征脆性一是由于金属间化合物晶体中的共价键所致，二是由于其晶体结构复杂、对称性低、滑移系少、位错运动困难。,环境脆性： 由环境介质造成的金属间化合物的脆性。原因是大气中的氧在600-850 易被吸附在试样表面，在应力作用下氧原子渗入晶界，导致晶界结合力降低，塑性下降。又如FeAl等在蒸气环境中进行拉伸实验，塑性趋于零，原因是水汽与铝作用而放出溶解氢进入合金造成氢脆。,解决途径,为了解决金属间化合物的脆性问题，长期以来进行了许多基础性研究和实验工作，但成效不大。 直到70年代中后期才有突破，美国橡树岭国家实验室C.T.Liu发现了在六方结构的Co3V中，用Ni和Fe取代部分Co，可使其转变成面心立方L12结构，使原来脆性的材料转变成具有良好塑性的材料。,我国学者在60年代已证明单晶体Ni3Al具有较高的塑性，但多晶体Ni3Al呈脆性。 为了解决多晶体Ni3Al的常温脆性，日本东北大学的和泉修等在70年代末通过加0.02-0.03wt% B，可使室温拉伸延伸率由0提高至40-50%。 通过这些重大突破，使材料科技工作者看到了脆性金属间化合物塑化的希望，看到了金属间化合物成为实用工程材料的前景，因而在世界范围内掀起了一股研究金属间化合物高温材料的热潮，各国都投入了大量研究力量，在不同层次上开展研究工作，先后突破了Ti3Al、Fe3Al、TiAl等金属间化合物的脆性问题，使这些材料向工程实用跨出了关键性的一步。,解决途径,但脆性问题基本得到解决后，要使这些合金成为可实际应用的工程材料，还需解决一系列问题，如进一步提高室温和高温强度，改善工艺性能，改善疲劳和缺口敏感性以及长时使用组织稳定性等综合性能，进一步改进抗氧化、抗腐蚀性能还需进一步开展工作。,解决途径,1 合金化 向金属间化合物中加入合金化元素，来改善或提高合金的微观组织、高温强度、室温塑性以及高温抗氧化性能等。其中所应用的强化或者增韧机制主要有: a.固溶强化 b.沉淀强化 c.强化晶界 如在微合金化过程中加入一定量的B，通过B向晶界偏聚起强化晶界的作用。 此外，加入伪共晶形成元素，形成伪共晶组织从而改善合金的室温韧性和高温强度等性能;加人一定量的合金化元素，形成塑性第二相，起到塑化作用。,具体方法：,2 制备多相合金 通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化基体的目的。 目前，研究得较为广泛的多相合金体系有: Ni-25Al-25Cr(NiAl基体+-Cr,-Ni(Al,Cr),-Ni3(Al,Cr)三元共晶体+ -Cr沉淀相), NiAl-30Fe(相+相), NiAl-28Cr-5Mo-1Hf (NiAl ()相+Cr(Mo)相+Ni2A1Hf ( Heusler )相)和-NiAl+ -Ni3Al两相合金等。,具体方法：,3 制备复合材料 制备复合材料也被认为是非常有效的方法之一。目前的工艺方法主要有机械合金化+热压或热等静压、铸造法、反应热压法等。通常采用的增强相有:HfC，TiB2和TC。 4 改进制备工艺 定向凝固 机械合金化 热压或热等静压 微晶涂层,具体方法：,目前工程应用有实用价值和有潜力、有前景的金属间化合物中： Ni-Al系、Ti-Al系、Fe-Al系金属间化合物，无论是A3B型或AB型，大部分合金的脆性问题得到一定程度的突破和解决，为工程应用创造了必要的前提。 硅化物和难熔金属间化合物的工作温度更高，有可能成为今后高温合金的后继材料，满足航空工业发展对工作温度更高材料的要求，很有发展前景，但要解决这些金属间化合物的脆性和改善综合性能，难度很大，任务十分艰巨。,4、Ni-Al系金属间化合物,NiAl金属间化合物的发展历史,从50年代开始，金属间化合物Ni3Al就作为Ni基高温合金中的强化相（相）得到广泛的研究。这种有序强化相保证了Ni基高温合金的高温强度和蠕变强度。 不同于传统的固溶强化合金，有序结构的Ni3Al合金具有一些特殊的力学性能，特别是其反常的屈服强度温度关系，高的形变硬化率等引起了材料研究人员的很大兴趣。 二十年前，Aoki和Izumi发现加入微量B可改善多晶Ni3Al的室温脆性，这使Ni3Al克服了工程应用的最大障碍，从而再次引起了人们对Ni3Al合金展开深入的研究工作。 经过近二十年的努力， Ni3Al基合金作为发动机热端结构件、耐烧蚀件和水机耐汽蚀防护材料已得到了应用，正在成为新一代工程结构材料。,NiAl金属间化合物的发展历史,然而，由于在实际应用的Ni3Al基合金大多引入一定量的相，因而在密度及熔点上比传统Ni基合金提高的幅度还很有限，还不能满足具有更高热效率和更大推重比的下一代更新型发动机的需要。 因此，国内外许多材料研究工作者把目光越来越多的集中在NiAl基合金上。在这一合金中通过引入颗粒的第二相强化或析出强化使其高温强度大幅度提高，特别是通过析出强化的NiAl单晶合金的高温蠕变强度已达到第一代Ni基单晶合金的水平。 引入塑性相以后，NiAl合金的室温塑性也得到明显改善，但到目前为止，还未发展出一种同时兼有足够高的高温强度和良好室温塑性的NiAl基合金。因此，在NiAl基合金的研究开发和工程应用道路上还有许多困难需要克服。,在NiAl二元系中，存在Ni3Al、 NiAl、 Ni5Al3、 Ni2Al3和 NiAl3五种金属间化合物，其中应用最广的是Ni3Al和NiAl。,NiAl二元相图,NiAl的晶体结构,NiAl a0.2887nm,NiAl的晶体缺陷,当NiAl成分偏离化学计量比时， NiAl显示特殊的点缺陷行为，富Ni的合金中，多余的Ni占据Al原子位置，而富Al的合金中， Ni的空缺由空位替代。 在NiAl中可以开动的位错有a 100 ，a 110 和a 111 。其中a 100 位错在所有方向都具有最低的能量，是NiAl的最基本滑移矢量。 NiAl在【100】面上只发生单滑移；在【100】面上， a 100 ，a 110 和a 111 的滑移可产生堆垛层错和反相畴界。,NiAl合金的性能特点,熔点高达1638，比Ni基高温合金高约300； 密度5.95g.3 ,只有Ni基高温合金的2/3； 抗氧化性极佳，抗热腐蚀性能也较好； 较高的杨氏模量(240 GPa) 极高的热导率，在201100 之间的热导率为70 80w.m-1.K-1，是Ni基高温合金的5倍左右； NiAl主要问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。,当NiAl单晶取向为100时，由于100的分解切应力为零，室温时靠a111，高温时靠a110和a100滑移来产生形变，所以具有反常的高流变应力，称为硬单晶。 非100取向的NiAl单晶称为软单晶。软单晶靠a100位错滑移来产生形变。晶体的滑移系如表1所示。 多晶 NiAI在室温变形时，只能进行001)(110滑移，仅能提供三个独立的滑移系，不能满足多晶变形的Von Mises准则，晶粒之间不能协同变形，因而极易在晶界处形成裂纹。 NiAl的独立滑移系不足5个，这是塑性差的重要原因之一。,NiAl合金的性能特点,NiAI的屈服强度 NiAI的屈服强度随温度升高而降低或只在一段温度范围内基本保持恒定。 在二元NiAI合金中，合金成分对其屈服强度影响很大。,NiAl合金的合金化,微合金化：主要元素有Fe，Ga，Mo，B和La等，加入量一般小于1%（摩尔分数），可提高NiAl的室温塑性。 固溶元素：主要有Fe, Co，还有Cu和Mn。添加大量的Fe和Co使固溶度提高，从而形成+或+(+/)共晶组织，同时塑性相 +/ 能提高合金室温塑性。 伪共晶元素：Cr，Mo，还有V,W等，提高室温韧性； 沉淀相形成元素：主要有Hf和Zr，还有Y,Sc,Ti，V,Nb,La和Ta等，以提高高温强度，但同时会引起塑韧性的下降。,Ni3Al晶体结构,b）Ni3Al a0.3567nm,Ni3Al合金的性能特点,高熔点、高抗高温氧化、耐腐蚀、较高的高温强度和蠕变抗力以及高的比强度，而且具有峰值温度以下屈服强度的正温度效应。 单晶体Ni3Al具有较高的塑性，但多晶体Ni3Al呈脆性，且多晶Ni3Al 以脆性晶间断裂模式失效，为本征脆性。 高温下Ni3Al 合金在含氧空气中易产生环境脆性。760 空气试验表明,该合金呈完全晶间断裂。,Ni3Al的合金化,合金元素及其作用,B 关于硼提高塑性的机制还存在不同的观点，主流的观点是硼可提高晶界结合力和使晶界区无序化，促进位错在晶界的吸收或放出，因而提高晶界区的塑性变形能力，较新的国内研究结果则指出，硼抑制由水汽诱发的环境氢脆是韧化的因素之一。,Cr Cr 是 强化 Ni3Al基合金的常用元素，它有固溶强化作用，能在一定程度上提高合金的强度和延展性，但不是一种强的固溶强化元素。另外，通过在材料表面和晶界形成一层铬的氧化物膜可提高合金的抗氧化能力。,合金元素及其作用,Be、Zr以及一些稀土元素的作用可归结为 作为电子施主元素改变晶界的电子结构，提高晶界强度; 改善晶界的位错特性; 固氢和降低硫等有害杂质在晶界的偏聚,Zr和Fe(或Hf和Fe） 增加了合金中的金属键成分，降低了 Ni3Al合金的有序度使合金晶界易于弛豫加入的金属元素存在于Ni3Al合金晶界上增加了晶界处参与形成金属键的自由电子密度增强了金属键合力。,合金元素及其作用,Li Li对Ni3Al有固溶强化作用，提高了Ni3Al合金的屈服强度； 适当的Li含量可以提高不含B的Ni3Al合金的室温塑性，但对于Ni3Al +B合金塑性影响不大； 含适量Li的Ni3Al合金塑性随温度的变化是先增后减，也存在中温脆性.,制备方法及工艺,NiAl的制备方法 通过不同的加工路线，NiAl可以制成多晶、单晶、和复合材料。 加工技术包括： 常规的方法：粉末冶金（PM）、铸造挤压、定向凝固 非常规的方法：机械合金化、燃烧合成,制备方法及工艺,制备单晶 制备单晶的方法大致可分为3类： 利用金属凝固时，固液相界面上有着较大的温度梯度，而且凝固是从一端开始恒速而缓慢地进行的方法。 金属蒸气凝聚在基材上时，按照晶体取向通常择优生长，并由此而制得单晶。 加工变形的材料，在某一温度以上加热会产生再结晶,利用晶粒的长大来制备单晶。 其中在NiAl单晶制备中使用较多的是第一种方法。 例如Bridgman制备法,悬浮区域熔炼,拉晶法都属于该方法。,制备方法及工艺,粉末冶金（PM） 多晶NiAl常采用常规的PM技术或铸造挤压技术， NiAl复合材料也广泛采用PM技术 通常NiAl粉末采用气体或真空雾化生产，然后利用挤压，真空热压、热喷射等技术使粉末致密化。 主要问题是氧污染,制备方法及工艺,燃烧合成法 主要是制备NiAl复合材料。 主要有：自蔓延高温合成法（SHS） 放热弥散法（XD） 反应热等静压法（RHIP） 热压放热反应合成法（HPES）,机械合金化 制备纳米晶粉体，然后热压制成大块纳米晶NiAl材料；也可以制备塑性增韧的纳米晶NiAl复合材料。 特点：设备、操作及工艺简单，产量大,制备方法及工艺,Ni3Al合金的生产工艺： 1）真空冶炼 2）非真空感应熔炼和重熔 3）铸造工艺和技术,NiAl金属间化合物的应用,NiAl合金主要是航空航天方面的应用，用作先进航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮叶片、燃烧室的某些部件或用作高温合金的抗氧化、腐蚀涂层。 如美国通用电器公司已成功研制出几种性能优异的NiAl单晶合金，其中性能最好的NiAl单晶合金AFN20（化学成分50Ni44.5Al0.5Hf5Ti0.05Ga），其高温拉伸强度、持久强度、低循环疲劳强度已达到第一代单晶高温合金Ren4的水平，持久强度的比强度已达到第三代高温合金Ren6的水平。,NiAl金属间化合物的应用,Ni3Al基合金的应用 Ni3Al基抗烧蚀材料 美国橡树岭国家试验室开发的IC系列，广泛用在高温加热炉、轧辊等 北京航空材料院开发的IC6，应用于航空发动机涡轮导向叶片 发动机燃烧室部件、导向器、调节片、燃油喷嘴壳体,NiAl金属间化合物的应用,Ni3Al基抗气蚀材料 水利机械中得到应用，如大型水轮机叶片上用作抗汽蚀的耐磨板。 Ni3Al基高温耐磨材料 如加热用辐射管、加热炉构件。 其它方面 如汽车用的涡轮增加涡轮，高温锻造用模具，柴油机气缸和气阀等。,国内外研究进展,国内：,工程应用主要集中在钢研院和621所 钢研院： MX246，成分：Ni-8.5Al-7.8Cr-0.9Ti-1.7Zr-0.1B-0.5Mn-0.1C 用途：尾喷管等 复合材料：Ni3Al-CrC Ni3Al-WC 621: IC6 高W、Mo高温模具材料IC8： IC10:,钢研院王崇愚和湖南大学主要开展理论计算,美国橡树岭国家实验室（ORNL）相关工作总结,ORNL认为，在Ni3Al金属间化合物基合金的发展历程中有三个重要突破： 1 B改善了Ni3Al合金的室温和高温塑性 2 Cr的添加可以提高Ni3Al合金的中温塑性 3 降低空气湿度可以改善由于铝和水蒸气反应所造成的环境氢脆,美国橡树岭国家实验室（ORNL）相关工作总结,美国橡树岭国家实验室（ORNL）相关工作总结,美国橡树岭国家实验室（ORNL）相关工作总结,IC221M：使用温度1000以下 主要用于高温静止部件以及模具材料 IC438：使用温度可高达1200 主要用于高温静止部件,美国相关专利,United States Patent 6,238,620 Liu , et al. May 29, 2001 Ni3Al-based alloys for die and tool application A novel Ni.sub.3 Al-based alloy exhibits strengths and hardness in excess of the standard base alloy IC-221M at temperatures of up to about 1000.degree. C. The alloy is useful in tool and die applications requiring such temperatures, and for structural elements in engineering systems exposed to such temperatures. 成分(at%)： Al: 15-17; Cr: about 6-9; Mo: about 1.5-3.0; Zr: about 0.2-1; Ti: about 0.5-1.5; C: 0.88 to about 2;B: 0.01-0.1; balance Ni.,美国相关专利,United States Patent 6,238,620 Liu , et al. May 29, 2001 Ni3Al-based alloys for die and tool application A novel Ni.sub.3 Al-based alloy exhibits strengths and hardness in excess of the standard base alloy IC-221M at temperatures of up to about 1000.degree. C. The alloy is useful in tool and die applications requiring such temperatures, and for structural elements in engineering systems exposed to such temperatures. 成分(at%)： Al: 15-17; Cr: about 6-9; Mo: about 1.5-3.0; Zr: about 0.2-1; Ti: about 0.5-1.5; C: 0.88 to about 2;B: 0.01-0.1; balance Ni.,其中IC435与目前IC6的成分非常近似，IC6成分(at%)：Al 16.34, Mo 8.25, B0.16, Ni balance,美国相关专利,1ksi=6.84MPa 20ksi=137MPa,United States Patent 7,531,217 Gleeson , et al. May 12, 2009 - Methods for making high-temperature coatings having Pt metal modified .gamma.-Ni +.gamma.-Ni.sub.3Al alloy compositions and a reactive element Abstract A method for making an oxidation resistant article, including (a) depositing a layer of a Pt group metal on a substrate to form a platinized substrate; and (b) depositing on the platinized substrate layer of Pt group metal a layer of a reactive element selected from the group consisting of Hf, Y, La, Ce and Zr and combinations thereof to form a surface modified region thereon, wherein the surface modified region includes the Pt-group metal, Ni, Al and the reactive element in relative concentration to provide a .gamma.-Ni+.gamma.-Ni3Al phase constitution.,题目： Modelling plasticity of Ni3Al-based L12 intermetallic single crystals. I. Anomalous temperature dependence of the flow behaviour 作者：Choi, Y.S.1; Dimiduk, D.M.2; Uchic, M.D.2; Parthasarathy, T.A.1 1 UES, Inc., 4401 Dayton-Xenia Rd., Dayton, OH 45432-1894, United States 2 Air Force Research Laboratory, AFRL/MLLM, 2230 Tenth Street, Wright-Patterson AFB, OH 45433-7817, United States 出处： Philosophical Magazine, v 87, n 12, p 1939-1965, April 2007 摘要： A comprehensive mechanism-based crystallographic constitutive model has been developed for L12-structured Ni3Al-based intermetallic single crystals. This model represents the unusual thermomechanical behaviours of Ni3Al, such as the anomalous temperature dependence of both the flow stress and strain-hardening rate (SHR), the strain dependence of these anomalous behaviours and an orientation-dependent tension-compression asymmetry. The model framework was based on two major contributions to plastic flow, namely the repeated cross-slip exhaustion and athermal defeat of screw-character dislocations, and the motion of macro-kinks (MKs). The contribution of irreversible obstacle storage was incorporated into the constitutive formulations as a resistance against the glide of MKs. The model was implemented in a finite element method numerical framework, and the simulation results showed qualitative agreement with experimental observations. Controlled terms: Computer simulation - Crystal symmetry - Crystallographic homogenization method - Finite element method - Plastic flow- Plasticity,俄罗斯在Ni3Al基合金研究方面的进展,俄罗斯全俄航空材料研究院() 经过20 多年的研究工作, 发展了系列的铸造N i3A l 基合金, 作为1150 1200范围内使用的燃烧室或导向叶片材料。该系列中包括了等轴、定向及单晶等不同成分的Ni3Al 基合金,其中的一些合金具有相当好的综合性能, 并且在不同领域都得到了应用。,THERMAL STABILITY OF ALLOY STRUCTURE ON Ni 3 Al BASIS AND ITS APPLICATION IN ROTOR BLADES OF SMALL-SIZE TURBINE ENGINES (on material of the journal Metals 3, 2003),The comparative estimation of rotor blades structures stability from the VKNA-4U Mono experimental alloy and the GS6U serial alloy after operating time on the engine for service life of 4800 cycles and 5000 h is carried out with the purpose of definition of their serviceability. Monocrystal rotor blades from the VKNA-4U Mono experimental alloy on the basis of y - Ni3Al intermetallic save serviceability in conditions of a long-period operation with overtemperatures at least up to 1150. On a structure the experimental alloy is close to L-y+y complex alloyed eutectic and can practically be considered as the natural composite self-organizing at crystallization.,采用高温度梯度制备的VKNA-4U单晶合金某小型发动机转子叶片经过5000小时/4800个循环长试，最高使用温度达到1150,Conclusions. Replacement of industrial production nickel alloys such as GS6U or GS26 by the VKNA-4U Mono intermetallic alloy provides with a capability of increase of permissible operation temperatures on rotor blades and nozzle guide vanes of perspective air turbine engines on 50-100, decrease of their mass on 7-10%, improvement of heat-resistance and, as consequence, increase of service life in 2-3 times. In conditions of more economic alloying it is possible to lower the consumption of such expensive deficient metals, as tungsten, cobalt, etc. One of the main advantages of intermetallic alloys such as VKNA-4U Mono is that alloys of this class do not require a strengthening heat treatment, and in this connection they are more simple and reliable, and also less labour-consuming in manufacturing.,结论：替代GS6U or GS26 用于转子叶片和导向叶片承温能力提高了50100，减重710%，服役寿命提高23倍，且节约了贵重元素的含量；不需强化热处理，工艺简单可靠。,Application efficiency of intermetallic alloys with the replacement of Ni-base analogues: - blade service life increase by 3-4 times and disks by 1.5-2 times (TVD-20 engine); - blade running time of 5000 h (10000 cycles) in the GTE structure without any comments; - decrease of the alloy cost by 20-25% and the blade production labour consumption by 30%.,俄罗斯-全俄航空材料研究院,(+1.5%Re),5 、Ti-Al系金属间化合物,早在上世纪50-60年代，Ti-Al系金属间化合物就成了苏美等国热衷研究的对象，但由于其脆性问题，即从室温到700左右，Ti-Al系化合物因其塑性差、断裂韧性低、裂纹扩展速率大，从而限制了它们的应用。 直到70年代后期，美国空军基地研究者用粉末冶金方法并结合合金化技术为该研究工作带来了转机。,Ti-Al系金属间化合物的发展状况,近10多年来，国内外重点研究的、作为结构材料应用的Ti-Al系金属间化合物主要有以下3种： 2 - Ti3Al ，- TiAl及-TiAl3。 Ti-Al系金属间化合物特别是以Ti3Al为基的2型合金和以TiAl为基的型合金，由于他们的比重小，高温强度高，抗氧化性能良和刚性好，已成为当前国内外广泛关注和迅速发展的一种新型材料，并将在未来的航空、航天工业中发挥重要的作用。,Ti-Al系金属间化合物的发展状况,Ti-Al二元相图及主要金属间化合物相,Ti3Al 金属间化合物,Ti3Al金属间化合物具有密排六方D019有序结构，空间群为P63/mmc，熔点为1600，密度为4.20g/cm3,低于所有普通钛合金。 800以下有良好的抗氧化性和耐热性能。 它在室温时只有一个滑移系（0001）1120，同时产生平面滑移，因而塑性很差。,解决Ti3Al的脆性主要是通过加入相稳定元素Nb、V、Mo，其中Nb的作用最为显著。通过Nb合金化形成2+两相组织，提高了材料的塑性，此外Nb还降低马氏体转变温度Ms，使2组织变细，减少滑移长度。 含1014at%Nb的Ti3Al合金，其室温拉伸延伸率可达3%5%，甚至更高，可在700以下温度使用近期正在研究和发展含Nb更高（17at%）的2+O三相合金和以Ti2AlNb（O相）为基的合金（含有相和2相），其工作温度和强度以及综合性能均能得到进一步的提高。,Ti3Al 金属间化合物,Ti3Al基合金经合金化和机械热处理方面的大量研究和发展工作，塑性、韧性和工艺性能已得到满意的解决，也解决诸如焊接性差等应用制造工艺问题，可以制成棒材、饼材、冷轧薄板等各种产品提供给用户使用。该合金已在航空发动机上进行了适用性试验。 由于Ti3Al合金的高温抗氧化性较差，高温氧化气氛中性能的衰减较严重以及综合性能不甚理想，因此在应用方面还受到一定的限制，还需要在今后工作中予以解决。,Ti3Al 金属间化合物,TiAl金属间化合物,TiAl是典型的Berthollide型化合物，具有很宽的成分范围，从48Al到69.5（原子），在熔点（1465）以下温度一直稳定。-TiAl具有L10 结构，正方点阵,是稍微变形的面心立方体，c/a=1.02。由于晶体对称性低，滑移系少，此外据测算，共价键电子数在总价电子数中所占比例较大，约占30%左右，因此常温下呈脆性。密度较小，为3.9g/cm3，使用温度可达900，因而更具有吸引力。,TiAl金属间化合物,TiAl金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能。 与Ni基高温合金相比，TiAl基合金的主要应用优势在于： TiAl基合金较之航空发动机其他常用结构材料的比刚性高约50%。 TiAl基合金600750的良好蠕变性能，使其可能替换某些Ni基高温合金部件（重量减轻一半）。 TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计Ti合金