Ni3Al金屬間化合物材料的制備工藝和研究發(fā)展現(xiàn)狀

江濤　萬(wàn)海榮　王園園　楊美麗

摘 要：Ni3Al金屬間化合物由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中。該文講述Ni3Al金屬間化合物材料的概述和制備工藝，力學(xué)性能，研究發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用現(xiàn)狀等。該文講述Ni3Al金屬間化合物及其復(fù)合材料的制備工藝，力學(xué)性能和其他性能以及研究發(fā)展現(xiàn)狀等，并介紹了Ni3Al金屬間化合物在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。該文最后介紹了Ni3Al金屬間化合物材料的研究發(fā)展趨勢(shì)和研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：Ni3Al金屬間化合物材料 Ni3Al合金 制備工藝 研究發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TG132.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0031-02

Ni3Al金屬間化合物因具有熔點(diǎn)高，抗蠕變強(qiáng)度大，密度低，耐腐蝕，耐氧化以及其他優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，并有進(jìn)一步發(fā)展的潛力和擴(kuò)大應(yīng)用的需求[1]。該文對(duì)Ni3Al金屬間化合物的制備及性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合評(píng)述，并著重論述粉末冶金工藝方法制備Ni3Al金屬間化合物材料及其復(fù)合材料性能等的研究發(fā)展現(xiàn)狀。金屬間化合物材料的種類較多，例如Ni-Al金屬間化合物、Ti-Al金屬間化合物、Fe-Al金屬間化合物材料具有良好的力學(xué)性能和耐磨損性能以及耐高溫性能和抗高溫氧化性能，使得這些材料在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。Ni-Al系金屬間化合物材料主要包括Ni3Al金屬間化合物材料和NiAl金屬間化合物材料[3]。Ni3Al金屬間化合物是Ni元素和Al元素的摩爾比例為3∶1所形成的化合物。而NiAl金屬間化合物是Ni元素和Al元素的摩爾比例為1：1所形成的化合物。Ni3Al金屬間化合物材料具有高強(qiáng)度，高韌性、高耐磨損性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良，所以Ni3Al金屬間化合物材料的應(yīng)用前景廣闊。Ni3Al金屬間化合物材料在工程領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到應(yīng)用[4]。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究使得Ni3Al金屬間化合物的室溫延展性和塑性都有很大的提高[5]。國(guó)內(nèi)外主要集中于Ni3Al金屬間化合物材料的研究和開發(fā)[6]。Ni3Al金屬間化合物的主要研究和發(fā)展趨勢(shì)有，一方面提高Ni3Al金屬間化合物材料本身的力學(xué)性能，如高溫強(qiáng)度，斷裂韌性，抗蠕變性能，抗脆性斷裂等；另一方面向Ni3Al金屬間化合物材料中添加其他顆粒，短纖維或者晶須等形成Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料，所制備的Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能將高于單相的Ni3Al合金材料。所以制備Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料成為Ni-Al金屬間化合物的主要研究發(fā)展方向。該文主要講述Ni3Al金屬間化合物材料的制備工藝和性能以及研究發(fā)展情況等。該文詳細(xì)的講述Ni3Al金屬間化合物的制備工藝，力學(xué)性能和其他性能以及研究發(fā)展現(xiàn)狀等，并介紹了Ni3Al金屬間化合物材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。并介紹了Ni3Al金屬間化合物材料的研究發(fā)展趨勢(shì)和研究發(fā)展方向。

1 Ni3Al金屬間化合物材料的概述和研究發(fā)展現(xiàn)狀

Ni3Al金屬間化合物研究和開發(fā)較為廣泛。鎳鋁金屬間化合物具有很多優(yōu)異的性能，如高的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，低密度，高熔點(diǎn)，優(yōu)良的力學(xué)性能和耐高溫性能，Ni3Al金屬間化合物被看作是高溫結(jié)構(gòu)材料[7]。Ni3Al金屬間化合物材料由于具有良好的耐高溫和抗氧化性能以及耐磨損性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中[8]。Ni-Al金屬間化合物材料的主要研究對(duì)象有Ni3Al金屬間化合物材料和NiAl金屬間化合物材料。但常規(guī)鎳鋁金屬間化合物韌性低，容易產(chǎn)生沿晶脆斷，所以提高金屬韌性成了有待解決的問(wèn)題。Ni3Al金屬間化合物具有較高的高溫強(qiáng)度，蠕變抗力和高的比強(qiáng)度。并促使Ni3Al金屬間化合物的研究應(yīng)用得以很大的發(fā)展。Ni3Al金屬間化合物材料具有高熔點(diǎn)，低密度和良好的抗氧化性能，但是在室溫下塑性差和高溫時(shí)強(qiáng)度低限制了其作為工程材料的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)Ni3Al基金屬間化合物的合金化制備及力學(xué)性能的研究，以期改善Ni3Al基金屬合金的室溫塑性和高溫強(qiáng)度。Ni3Al基合金具有抗氧化性能好，密度小，強(qiáng)度高和韌性高等優(yōu)點(diǎn)可以作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料[9]。Ni3Al金屬間化合物是L12型面心立方結(jié)構(gòu)，Ni3Al金屬間化合物的熔點(diǎn)為1395 ℃。室溫下Ni3Al金屬間化合物的彈性模量和Ni的相當(dāng)。Ni3Al金屬間化合物單晶可塑，多晶在室溫下易發(fā)生沿晶脆斷。因此Ni3Al基高溫合金的研究和開發(fā)一直是受到研究者的關(guān)注。Ni3Al金屬間化合物由于具有優(yōu)秀的性能而被廣泛的應(yīng)用于工程領(lǐng)域中[10]。Ni-Al金屬間化合物材料主要包括Ni3Al金屬間化合物和NiAl金屬間化合物。Ni3Al金屬間化合物材料已經(jīng)用于實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中。Ni3Al金屬間化合物材料具有強(qiáng)度高，韌性高，耐磨損，抗高溫氧化，抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且Ni3Al金屬間化合物的高溫強(qiáng)度隨溫度的升高而升高。Ni3Al金屬間化合物具有高熔點(diǎn)，低密度，較高的強(qiáng)度和較高的韌性，具有較高的楊氏模量，較高的熱導(dǎo)性和良好的抗氧化性能，具有獨(dú)特的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能。Ni3Al金屬間化合物具有較高的加工硬化率和較特殊的高溫性能，因而被廣泛認(rèn)為是下一代高溫結(jié)構(gòu)材料和高溫耐磨損材料。Ni3Al金屬間化合物具有高強(qiáng)度和高韌性以及具有優(yōu)良的抗氧化性能，具有密度小，具有高彈性模量以及高硬度和良好的耐磨損性能，在室溫到較高溫度范圍內(nèi)，均有較高的屈服強(qiáng)度和塑性，可作為高溫用結(jié)構(gòu)材料[11]。目前開發(fā)出Ni3Al金屬間化合物材料的性能，在強(qiáng)度和韌性以及機(jī)械性能上比Ni基合金提高的幅度比較有限。為了充分改善和提高Ni3Al金屬間化合物材料的力學(xué)性能，向Ni3Al金屬間化合物基體中加入細(xì)小的顆粒，連續(xù)纖維，短纖維，以及加入晶須材料作為增強(qiáng)增韌相形成Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料。Ni3Al金屬間化合物材料具有高熔點(diǎn)，低密度，高強(qiáng)度和高韌性，具有較高的耐磨損性能和抗高溫氧化性能等優(yōu)秀的性能而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。Ni3Al金屬間化合物可以作為高溫合金材料應(yīng)用到耐高溫工程領(lǐng)域中。Ni3Al金屬間化合物材料的研究發(fā)展方向是制備細(xì)小顆粒或短纖維增強(qiáng)增韌的Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料，通過(guò)顆粒增強(qiáng)或者短纖維復(fù)合增強(qiáng)增韌可以顯著提高Ni3Al金屬間化合物材料的力學(xué)性能和耐磨損性能以及耐高溫性能等。

2 Ni3Al金屬間化合物材料的性能特點(diǎn)和研究發(fā)展現(xiàn)狀

Ni3Al金屬間化合物是在Ni元素和Al元素的摩爾比例為3∶1所形成的化合物，Ni3Al金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)12型。Ni3Al金屬間化合物的熔點(diǎn)為1395 ℃。Ni3Al金屬間化合物材料的密度為7.50 g/cm3，Ni3Al金屬間化合物的彈性模量為180 GPa。Ni3Al金屬間化合物在接近其熔點(diǎn)時(shí)能保持長(zhǎng)程有序。長(zhǎng)程有序是金屬間化合物的長(zhǎng)程有序?qū)?dǎo)致金屬間化合物具有很多優(yōu)秀的性能。Ni3Al金屬間化合物具有熔點(diǎn)高，抗高溫氧化性能好，高溫強(qiáng)度，高溫韌性高，蠕變抗力大和比強(qiáng)度大等特點(diǎn)[12]。機(jī)械合金化工藝可以作為制備金屬間化合物材料的主要制備工藝。機(jī)械合金化作為一種材料加工工藝也成為人們用來(lái)改善金屬間化合物脆性的手段。采用機(jī)械合金化工藝成為Ni3Al金屬間化合物的制備工藝。可以采用機(jī)械合金化工藝制備Ni3Al金屬間化合物材料[13]。采用機(jī)械合金化工藝可以制備出Ni3Al金屬間化合物粉末。將Ni元素粉末和Al元素粉末按照摩爾比例為3∶1的比例進(jìn)行混合并通過(guò)機(jī)械合金化工藝經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械球磨工藝就可以得到成分均勻的Ni3Al金屬間化合物粉末。將由機(jī)械合金化工藝得到的Ni3Al金屬間化合物通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出Ni3Al金屬間化合物塊材。從而通過(guò)機(jī)械合金化工藝和熱壓燒結(jié)工藝制備出性能優(yōu)良的Ni3Al金屬間化合物材料。

3 Ni3Al金屬間化合物材料的制備技術(shù)及其制備過(guò)程

采用粉末冶金工藝方法可以制備Ni3Al金屬間化合物塊材。可以采用機(jī)械合金化工藝結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝等粉末冶金工藝能制備具有優(yōu)良性能的Ni3Al金屬間化合物塊材[14]。近年來(lái)應(yīng)用于Ni3Al金屬間化合物材料的制備工藝方法主要有反應(yīng)合成方法，包括反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)燒結(jié)，反應(yīng)熱等靜壓。這些粉末冶金技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。Ni3Al金屬間化合物的制備方法主要有真空感應(yīng)熔煉法和粉末冶金等[15]。近年來(lái)發(fā)展很快的制備方法主要為粉末冶金法。粉末冶金方法制備Ni3Al金屬間化合物有很多種制備工藝方法，其中包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，反應(yīng)燒結(jié)制備工藝等。采用粉末冶金工藝制備Ni3Al金屬間化合物的制備工藝如下：首先采用機(jī)械合金化工藝制備出Ni3Al金屬間化合物粉末，首先將Ni粉末和Al粉末按照摩爾比例為3：1的比例進(jìn)行機(jī)械球磨工藝，球磨時(shí)間較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)機(jī)械合金化工藝得到的成分均勻的Ni3Al金屬間化合物粉末，然后將此Ni3Al金屬間化合物粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)工藝制備Ni3Al金屬間化合物塊材。也可以通過(guò)常壓燒結(jié)工藝制備出Ni3Al金屬間化合物塊材。也可以通過(guò)放電等離子燒結(jié)工藝制備出Ni3Al金屬間化合物塊材。還可以通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝制備出Ni3Al金屬間化合物塊材。通過(guò)粉末冶金工藝制備的Ni3Al金屬間化合物材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

Ni3Al金屬間化合物由于具有優(yōu)秀的性能被應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。本文講述Ni3Al金屬間化合物材料的制備工藝，力學(xué)性能以及其他性能和研究發(fā)展現(xiàn)狀等。本文主要講述Ni3Al金屬間化合物材料及其復(fù)合材料的制備工藝，力學(xué)性能以及研究發(fā)展現(xiàn)狀等，并介紹Ni3Al金屬間化合物在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。并對(duì)Ni3Al金屬間化合物未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。Ni3Al金屬間化合物將來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)是改進(jìn)制備工藝，開發(fā)新型的制備技術(shù)，可以制備出具有高性能的Ni3Al金屬間化合物材料；制備和開發(fā)Ni3Al金屬間化合物基復(fù)合材料，將顆粒和纖維等引入到Ni3Al金屬間化合物中形成復(fù)合材料，可以顯著提高Ni3Al合金的力學(xué)性能。Ni3Al金屬間化合物由于具有許多優(yōu)秀的性能將在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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