интерметаллидный сплав что это
Интерметаллический
Хотя термин «интерметаллические соединения» применительно к твердым фазам используется в течение многих лет, о его введении сожалели, например, Хьюм-Ротери в 1955 году [4].
Определение исследования
Считается, что определение металла включает:
Однородные и гетерогенные твердые растворы металлов и межузельные соединения (такие как карбиды и нитриды ) исключаются из этого определения. Однако включены межузельные интерметаллические соединения, а также сплавы интерметаллических соединений с металлом.
Общего пользования
Комплексы
| Интерметаллическое соединение | Температура плавления | Модуль Юнга (ГПа) | |
|---|---|---|---|
| FeAl | 1250–1400 | 5600 | 263 |
| Ti 3 Al | 1600 | 4200 | 210 |
| MoSi 2 | 2020 г. | 6310 | 430 |
Примеры
Примеры интерметаллидов в истории включают:
Металл немецкого типа описывается как бьющийся, как стекло, не изгибающийся, более мягкий, чем медь, но более плавкий, чем свинец. [11] Химическая формула не соответствует приведенной выше; однако свойства соответствуют интерметаллическому соединению или его сплаву.
Интерметаллиды. Интерметаллидные сплавы
Интерметаллическими соединениями, или интерметаллидами, называют соединения металлов между собой, причем к компонентам интерметаллидов относят также и полуметаллы – кремний и германий. Самая общая классификация интерметаллидов включает дальтониды, бертоллиды и фазы Курнакова.
К настоящему времени обнаружено и описано более 1500 интерметаллических соединений, которые образуют около 200 различных типов кристаллических структур. К перспективным конструкционным материалам относят следующие типы интерметаллидов:
Высокотемпературные интерметаллидные сплавы должны обладать следующими свойствами: высокими прочностными и жаропрочными удельными характеристиками, достаточным сопротивлением усталости, приемлемой пластичностью и технологичностью, высоким сопротивлением коррозии и окислению.
Наибольший практический интерес представляют алюминиды и сплавы на их основе, что обусловлено следующими причинами:
Основные факторы, затрудняющие применение интерметаллидов и сплавов на их основе как конструкционных материалов, следующие: свойственная интерметаллидам хрупкость, особенно при комнатной температуре; недостаточное в некоторых случаях сопротивление окислению; ненадежность методов проектирования и предсказания длительности эксплуатации изделий из интерметаллидов; отсутствие поставщиков качественной продукции из интерметаллидов; высокая стоимость изделий.
Способы повышения пластичности интерметаллидов включают микролегирование, легирование, формирование оптимальной микроструктуры, повышение чистоты исходных материалов.
Микролегирование обычно проводится не только с целью повышения пластичности, но и улучшения всего комплекса эксплуатационных свойств. Повышение пластичности при микролегировании может быть достигнуто в результате уменьшения ковалентной составляющей связи, создания благоприятной дислокационной структуры с более высокой подвижностью дислокаций, обеспечения действия более благоприятных систем скольжения, изменения кристаллического или фазового состава и структурного состояния.
К новым направлениям легирования следует отнести упрочнение интерметаллидов дисперсными частицами. Дисперсное упрочнение, реализуемое методами порошковой металлургии, обеспечивают оксиды. К таким сплавам принадлежат, в частности, интерметаллиды FeAl, Fe2Al, NiAl, Ni3Al, Ti3Al, упрочненные оксидами (Al2O3, Y2O3), карбидами (HfC), боридами (TiB2).
Большое значение имеет также чистота исходных материалов, особенно по легкоплавким примесям, сегрегация которых на границах зерен вызывает хрупкое межзеренное разрушение.
Интерметаллиды уже давно применяют в технике для различных назначений. Хорошо известно применение алюминидов и силицидов в качестве защитных покрытий при горячем деформировании и термической обработке химически активных металлов. Интерметаллиды составляют основу сплавов – накопителей водорода, легко поглощающих большие количества водорода при температурах, близких к комнатной, и отдающих его при невысоком нагреве при понижении его давления.
Несколько позднее на интерметаллиды обратили внимание как на перспективные в ряде применений конструкционные материалы. Алюминиды титана TiAl и Ti3Al могут быть полезными конструкционными материалами в авиационной технике, так как они обладают малой плотностью, высокой жаростойкостью и жаропрочностью, хорошими литейными свойствами. Но применение этих интерметаллидов осложнялось их хрупкостью при комнатной и повышенных температурах. Тем не менее в настоящее время разработан ряд сплавов на основе алюминидов Ti3Al и TiAl с механическими и технологическими свойствами, обеспечившими их практическое применение.
Успех в разработке сплавов на основе алюминидов титана стимулировал исследования по изысканию перспективных жаропрочных материалов на основе алюминидов других металлов, в первую очередь никеля (Ni3Al, NiAl).
Применение жаропрочных материалов на основе алюминидов титана:
Сплавы на основе алюминидов железа обладают рядом уникальных эксплуатационных свойств: высокой коррозионной стойкостью, высокой жаростойкостью и достаточно высокими показателями твердости, что говорит о повышенной износостойкости. Сплавы системы железо-алюминий могут быть использованы для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, при повышенных температурах, в агрессивных средах. Это детали горнодобывающего, металлургического, химического и нефтехимического оборудования.
Сплавы на основе алюминидов широко применяются в качестве покрытий. Наиболее применимы покрытия на основе интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl. Эти покрытия работают в условиях высоких температур и в окислительных средах. Для напыления этих покрытий разработаны порошковые интерметаллидные сплавы ПН85Ю15, ПН65Ю35. Для создания покрытий этой системы диффузионным насыщением применяются пастообразные композиции, содержащие алюминий, никель и активатор (фтористый натрий). В качестве коррозионно-стойких покрытий на углеродистых сталях используются интерметаллидные сплавы системы алюминий-хром, алюминий-хром-никель. Для защиты деталей тепловых машин из литейных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии широко используются покрытия системы Ni-Cr-Al, Ni-Cr-Al-Y, Ni-Cr-Al-W-Si-C.
Покрытия на основе Ni3Al применяются при наплавке штампового инструмента для деформирования горячего металла. При этом покрытия работают при температурах до 1100 °С, в том числе в условиях термосилового воздействия. В качестве коррозионно-стойких и жаростойких покрытий используются интерметаллидные сплавы системы алюминий-хром, алюминий-хром-никель.
Интерметаллидный сплав что это
Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Авторизация
Статьи
Представлено обобщение результатов научно-технических публикаций, анализ которых позволит разработать научные основы создания нового класса жаропрочных конструкционных материалов на основе интерметаллидных матриц с повышенной пластичностью при комнатной температуре и высокой удельной прочностью при температурах до 950 °С в системе Ni–Al–Co. Показано, что сплавы системы Ni–Al–Co могут быть использованы при изготовлении роторных деталей в виде дисков газотурбинного двигателя (ГТД), работоспособных при температурах до 950 °С, а также в качестве материалов для лопаток ГТД благодаря высокой жаростойкости при температурах до 1200 °С.
Введение
В настоящее время приоритетным направлением развития авиационной техники нового поколения на период до 2030 г. [1–3] является совершенствование рабочих характеристик газотурбинного двигателя (ГТД), включающих повышение топливной экономичности, увеличение тяги, снижение массы, уменьшение шума и выбросов вредных веществ (NOx, COx) в атмосферу. Данных показателей возможно достигнуть благодаря повышению предельных рабочих температур газа на входе в турбину [4–16].
Таким образом, создание ГТД нового поколения требует разработки для них жаропрочных сплавов с более высокими характеристиками, чем у современных никелевых суперсплавов, используемых в деталях горячего тракта авиационных ГТД [17–26], в том числе для дисков турбины. Наиболее важным аспектом в этом вопросе является повышение рабочей температуры и удельной конструкционной прочности эксплуатируемого материала, которое может быть достигнуто путем разработки новых более эффективных материалов и технологий их производства. Несмотря на значительные успехи в улучшении комплекса прочностных характеристик, рабочие температуры современных дисковых жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) не превышают 800 °С, за исключением деформируемого сплава марки ЭП975-ИД, разработанного для длительной эксплуатации при температурах до 850 °С [27, 28].
Одним из перспективных направлений создания новых конструкционных материалов для дисков турбины является разработка сплавов на основе интерметаллидных матриц системы Ni–Al–Co с применением новых технологических подходов к получению подобного рода материалов [29]. Следует отметить, что система Ni–Al–Co обладает широким выбором систем легирования на основе интерметаллидных соединений β-NiAl и γʹ-Ni3Al, когда возможно создавать сплавы на основе различных комбинаций фаз (γ + β; γʹ + β; γ + γʹ + β; γ + γʹ) [3]. Сплавы данной системы [30–32] за счет интерметаллидов β-NiAl и γʹ-Ni3Al могут характеризоваться низкой плотностью, высокими жаростойкостью и прочностью, а γ-твердый раствор (Ni, Co) придает пластичность всей композиции.
Таким образом, разработка сплавов исследуемой системы будет способствовать созданию нового класса материалов с повышенным уровнем удельной конструкционной прочности при температурах вплоть до 950 °С [33, 34], что является актуальным направлением современного авиационного материаловедения.
Следует отметить, что сплавы на основе интерметаллидных матриц в системе Ni–Al–Co характеризуются пониженной пластичностью при комнатной температуре. В связи с этим необходим поиск возможностей обеспечения повышенного уровня пластичности при комнатной температуре благодаря применению специальных технологических подходов – например, технологии металлургии гранул с последующей термомеханической обработкой [35, 36], использование которой позволит увеличить технологическую пластичность обрабатываемого при последующей деформации материала за счет измельчения структурных составляющих сплава, а также за счет изотропии свойств получаемого материала во всех направлениях.
Современное состояние исследований по данной проблеме
В настоящее время работы в области создания конструкционных сплавов системы Ni–Al–Co носят в основном поисковой характер и связаны с исследованием состава и структуры различных (β + γ)-сплавов.
В некоторых работах [31, 33] рассмотрено использование сплавов системы Ni–Al–Co для изготовления как дисков ГТД, работоспособных при температурах до 950 °С, так и рабочих и сопловых лопаток, работоспособных при температурах до 1200 °С, для замены аналогичных деталей из современных ЖНС.
В научно-технической литературе относительно методов получения материалов системы Ni–Al–Co рассматриваются такие технологические подходы к получению (β + γ)-сплавов, как традиционная технология выплавки слитков заданного химического состава с последующей термомеханической и термической обработками, направленная кристаллизация, технология металлургии гранул, а также механо-химический синтез in situ интерметаллидных соединений, формирующихся непосредственно на этапе высокоэнергетической обработки исходных порошковых смесей.
В работах [33, 35, 36] проведен комплекс исследований по созданию конструкционных сплавов системы Ni–Al–Co для дисков ГТД [37–39], работоспособных при температурах до 950 °С. Например, в статье [33] представлено исследование влияния деформации и термической обработки на структуру и свойства сплавов системы Ni–Al–Co, расположенных в (β + γ)-области с разным объемным соотношением β- и γ-фаз с целью создания базы для разработки перспективных деформируемых сплавов на основе соединения в виде моноалюминида никеля (NiAl), предназначенных для работы при температуре 950 °С. В результате исследований установлено, что сплавы системы Ni–Al–Co, используемые в работе [33], обладали запасом низко- и высокотемпературной пластичности. В данной системе образовывалась структура материала, состоящая из зерен β-фазы с прослойками γ-фазы по границам. На основании полученных результатов далее в работе [35] исследовано влияние переходных металлов IV–VI групп (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr и Mo) на структуру и фазовый состав сплавов системы Ni–Al–Co. Установлено также, что в данной системе легирования возможно появление вторичных выделений γ- и γʹ-фаз в β-зернах – в сплавах, соответствующих составу Ni–(20–25) % (атомн.) Al–(32–34) % (атомн.) Co. Кроме того, показано, что содержание таких легирующих элементов, как Mo, Ta, Nb и V, не должно превышать 1–1,8 % (атомн.), а содержание Ti и Cr может достигать 3 и 12 % (атомн.). При таком соотношении легирующих элементов в системе Ni–Al–Co обеспечивается повышение содержания в β-фазе основного упрочняющего компонента Co и значительное упрочнение β- и γ-фаз такими элементами, как Cr, Ti, Nb, Mo и Ta.
При исследовании структуры, фазового состава и механических свойств сплавов системы Ni–Al–Co на основе γ/γʹ-фаз [27] при разработке новых жаропрочных деформируемых интерметаллидных сплавов выявлено, что в сплавах этой системы с объемным содержанием γ/γʹ-фаз >90 % благодаря добавкам тантала и ниобия возможно обеспечить жаропрочность при температуре 900 °С на базе 100 ч при напряжении 100 МПа. При этом результаты проведенных исследований показали значительные потенциальные возможности композиций системы Ni–Al–Co, легированных танталом, титаном и ниобием, для создания интерметаллидных деформируемых жаропрочных сплавов нового класса для дисков турбин, работоспособных при температурах до 950 °С.
Следует отметить, что в работах [40–44] приведены основные закономерности создания конструкционных сплавов системы Ni–Al–Co методами направленной кристаллизации для получения сопловых лопаток газовых турбин. В этих исследованиях рассматривается вопрос влияния легирующих элементов на структуру и фазовый состав сплавов, полученных методом направленной кристаллизации, а также влияния легирования на жаростойкость композиций системы Ni–Al–Co при температуре 1200 °С.
Например, в работе [41] на основании анализа тройных диаграмм состояния системы Ni–Al–Co изучены особенности формирования структуры гетерофазных (β + γʹ)-сплавов, в которых интерметаллид на основе Ni3Al образуется по перитектической реакции. Установлено, что в сплавах данной системы с содержанием Co в количестве 8–10 % (атомн.) в условиях направленной кристаллизации при температуре 1370 °С формируется вырожденная эвтектика, а переход из (β + γ)- в (β + γʹ + γ)-область происходит при температурах 1323–1334 °С. В работе [42] оценено влияние легирования на характер распределения кобальта и хрома в сплавах системы Ni–Al–Co. Показано, что дополнительное легирование усиливает различия в составе фаз по кобальту и хрому. Отмечена также высокая стабильность высокотемпературной γ-фазы, формирующейся при кристаллизации по реакции Ж → β + γ и являющейся равновесной при температурах 1200 и 1300 °С.
В статье [43] представлено исследование жаростойкости на воздухе при температуре 1300 °С (β + γ’)-сплавов с содержанием: 28–29 % (атомн.) Al, 10 % (атомн.) Co, 0,25–0,4 % (атомн.) Re, изучено строение окалины и подокалинных слоев, образующихся при окислении в течение 2 и 100 ч в результате встречной диффузии алюминия и кислорода. Анализ результатов позволил установить положительное влияние на жаростойкость добавки 10 % (атомн.) Co при одновременном отсутствии такого легирующего элемента, как хром.
Как было указано ранее, для повышения технологической пластичности при деформационно-термической обработке сплавов используют методы, позволяющие получать полуфабрикаты с применением порошков или гранул. В связи с этим одним из альтернативных и перспективных технологических подходов получения сплавов системы Ni–Al–Co является технология металлургии гранул с последующей деформационно-термической обработкой скомпактированного материала. В работах [44, 45] обсуждаются альтернативные методы получения порошков-гранул в системе Ni–Al–Co, а также изготовление из них готовых полуфабрикатов с применением технологии металлургии гранул as—HIP без последующей деформационно-термической обработки. Например, в статье [44] показано, как с применением метода механического легирования исходных порошков никеля, алюминия и кобальта, а также путем гидридно-кальциевого восстановления оксидов металлов и распыления расплава системы Ni–Al–Co водой и инертным газом изготовлены партии порошков-гранул в данной системе легирования. По результатам проведенных исследований даны рекомендации по последующей обработке порошков-гранул в системе Ni–Al–Co при их получении методом механического легирования, путем гидридно-кальциевого восстановления оксидов металлов и распыления расплава водой и инертным газом в целях получения из них качественных формовок для последующего спекания и деформационно-термической обработки в системе Ni–Al–Co.
В работе [45] предложена альтернативная технология производства прутковых заготовок из сплава системы NiAl–Co–Cr–Hf–Al2O3, которая включает получение гранул сплава методом механохимического синтеза и его последующее горячее изостатическое прессование в формообразующей оснастке. Исследованы процессы механохимического синтеза интерметаллидного сплава в планетарной мельнице и аттриторе, а также проведены сравнительные исследования продуктов синтеза, полученных в разных смесителях.
Таким образом, анализ научно-технических публикаций, посвященных разработке материалов системы Ni–Al–Co [28–37], показал, что в настоящее время возможно создавать на основе интерметаллидных матриц сплавы с повышенной пластичностью при комнатной температуре и высокой удельной прочностью при температурах до 950 °С.
Результаты и обсуждение
Следует отметить, что для разработки технологических подходов к получению конструкционных сплавов с высокими показателями удельной конструкционной прочности в системе Ni–Al–Co необходимо в первую очередь обосновать схему формирования конечного полуфабриката, которая удовлетворяла бы комплексу заданных характеристик. Так, например, одной из перспективных технологических схем получения полуфабрикатов в системе Ni–Al–Co с использованием подходов гранульной технологии, совмещенной с деформацией, может быть выбрана следующая:
– получение слитков заданного химического состава сплавов системы Ni–Al–Co с применением методов вакуумной индукционной плавки с последующим вакуумно-дуговым переплавом;
– получение гранул заданного химического состава методом газовой атомизации или путем плазменной плавки и центробежного распыления литой заготовки;
– физико-механическая обработка гранул с их последующей засыпкой в формообразующие капсулы и горячим изостатическим прессованием;
– термомеханическая и термическая обработки полученных таким образом монолитных образцов с применением экструдирования или штамповки конечного материала.
В свою очередь, при получении полуфабрикатов из сплавов системы Ni–Al–Co основной акцент необходимо сделать на их изготовление по оптимальной технологической схеме, которая заключается в применении термомеханической обработки полученных заготовок с помощью экструзии и горячей штамповки [46–50]. Особое внимание при проведении данных работ должно быть уделено разработке теоретических и экспериментальных моделей поведения материалов в системе Ni–Al–Co при сверхпластической деформации, которые могут дать детальную информацию по режимам поведения материалов данной системы при термомеханической обработке. Затем на основании полученных данных следует выбрать оптимальный состав сплава системы Ni–Al–Co, который обладал бы повышенными значениями прочности при комнатной температуре и вязкости разрушения, а также длительной прочностью при температуре 950 °C.
Разработанные научные подходы к созданию нового класса жаропрочных конструкционных сплавов системы Ni–Al–Co позволят:
– сформировать научные основы для теоретического и практического освоения технологии получения подобного рода материалов с целью создания принципиально нового класса сплавов, обладающих высокой удельной конструкционной прочностью при температурах вплоть до 950 °С;
– получить данные о влиянии различных легирующих элементов на структуру и фазовый состав исследуемых сплавов в зависимости от технологии их получения, в результате исследования их структуры методами растровой электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии и оптимизировать составы сплавов как для технологии деформации слитка, так и для технологии металлургии гранул;
– на основании полученных теоретических моделей поведения подобного рода материалов при сверхпластической деформации разработать научные основы создания материалов в системе Ni–Al–Co с применением различных технологических подходов, включающих как традиционную технологию деформации слитка, так и технологию гранульной металлургии.
Заключения
Полученные результаты исследований могут быть использованы в качестве научного задела для разработки новых конструкционных сплавов на основе интерметаллидных матриц с повышенными характеристиками удельной конструкционной прочности вплоть до температуры 950 °С.
В свою очередь, результаты теоретических и экспериментальных моделей поведения подобного рода материалов при деформации позволят получить информацию о температурах максимального разупрочнения сплавов данного класса при разработке оптимальных режимов термомеханической обработки труднодеформируемых интерметаллидных сплавов системы Ni–Al–Co с пониженной пластичностью при комнатной температуре.
Таким образом, высокотемпературная интерметаллидная матрица системы Ni–Al–Co является перспективной в качестве основы для создания нового класса жаропрочных конструкционных материалов современных ГТД.
В дальнейшей работе для решения рассматриваемой задачи необходимо разработать оптимальную схему получения полуфабрикатов из этих сплавов (поковки, прутки), а также провести комплекс исследований, направленных на выявление влияния легирующих элементов на структуру, фазовый состав и механические характеристики полученных сплавов.
ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Полезное
Смотреть что такое «ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ» в других словарях:
ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ — (интерметаллиды устар.) хим. соединения металла с металлом, напр. CuAl2, MgZn2, Al2CuMg и др. В таких соединениях преобладает (см.). И. с. не подчиняются законам постоянства состава и простых кратных отношений (см. ). Практическое применение И. с … Большая политехническая энциклопедия
Интерметаллические соединения — химические соединения металлов друг с другом; см. Металлиды … Большая советская энциклопедия
Интерметаллические соединения — Интерметаллид (интерметаллическое соединение) химическое соединение из двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой… … Википедия
СОЕДИНЕНИЯ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ — соединения металлов друг с другом. Обладают преимущественно метал. связью. В отличие от обычных хим. соединений часто не подчиняются законам постоянства состава и простых кратных отношений. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под… … Геологическая энциклопедия
Металлические соединения — интерметаллические соединения, то же, что Металлиды … Большая советская энциклопедия
Антимониды — соединения сурьмы с металлами. Твёрдые вещества с относительно высокой температурой плавления. Некоторые А. (Na3Sb, Ca3Sb2, Zn3Sb2 и др.) можно рассматривать как производные сурьмянистого водорода SbH3 (стибина), другие (ZnSb, SnSb, Ni4Sb … Большая советская энциклопедия
Олово — 50 Индий ← Олово → Сурьма … Википедия
Sn — Олово / Stannum (Sn) Атомный номер 50 Внешний вид простого вещества серебристо белый мягкий, пластичный металл (β олово) или серый порошок (α олово) Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 118,71 а. е. м. (г/моль) … Википедия
Крик олова — Олово / Stannum (Sn) Атомный номер 50 Внешний вид простого вещества серебристо белый мягкий, пластичный металл (β олово) или серый порошок (α олово) Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 118,71 а. е. м. (г/моль) … Википедия
Оловянная чума — Олово / Stannum (Sn) Атомный номер 50 Внешний вид простого вещества серебристо белый мягкий, пластичный металл (β олово) или серый порошок (α олово) Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 118,71 а. е. м. (г/моль) … Википедия