Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺和研究发展现状

2015-01-13江涛万海荣王园园杨美丽

科技创新导报 2014年34期

江涛　万海荣　王园园　杨美丽

摘要：Ni3Al金属间化合物由于具有优良的力学性能被广泛应用于工程领域和工业领域中。该文讲述Ni3Al金属间化合物材料的概述和制备工艺，力学性能，研究发展现状和应用现状等。该文讲述Ni3Al金属间化合物及其复合材料的制备工艺，力学性能和其他性能以及研究发展现状等，并介绍了Ni3Al金属间化合物在工程领域中的应用。该文最后介绍了Ni3Al金属间化合物材料的研究发展趋势和研究发展方向。

关键词：Ni3Al金属间化合物材料 Ni3Al合金制备工艺研究发展现状

中图分类号：TG132.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0031-02

Ni3Al金属间化合物因具有熔点高，抗蠕变强度大，密度低，耐腐蚀，耐氧化以及其他优异性能，已被广泛应用于工程领域，并有进一步发展的潜力和扩大应用的需求[1]。该文对Ni3Al金属间化合物的制备及性能的研究进展进行综合评述，并着重论述粉末冶金工艺方法制备Ni3Al金属间化合物材料及其复合材料性能等的研究发展现状。金属间化合物材料的种类较多，例如Ni-Al金属间化合物、Ti-Al金属间化合物、Fe-Al金属间化合物材料具有良好的力学性能和耐磨损性能以及耐高温性能和抗高温氧化性能，使得这些材料在工程领域具有广泛的应用前景[2]。Ni-Al系金属间化合物材料主要包括Ni3Al金属间化合物材料和NiAl金属间化合物材料[3]。Ni3Al金属间化合物是Ni元素和Al元素的摩尔比例为3∶1所形成的化合物。而NiAl金属间化合物是Ni元素和Al元素的摩尔比例为1：1所形成的化合物。Ni3Al金属间化合物材料具有高强度，高韧性、高耐磨损性能和高温抗氧化性能优良，所以Ni3Al金属间化合物材料的应用前景广阔。Ni3Al金属间化合物材料在工程领域和工业领域中已经得到应用[4]。经过近年来的研究使得Ni3Al金属间化合物的室温延展性和塑性都有很大的提高[5]。国内外主要集中于Ni3Al金属间化合物材料的研究和开发[6]。Ni3Al金属间化合物的主要研究和发展趋势有，一方面提高Ni3Al金属间化合物材料本身的力学性能，如高温强度，断裂韧性，抗蠕变性能，抗脆性断裂等；另一方面向Ni3Al金属间化合物材料中添加其他颗粒，短纤维或者晶须等形成Ni3Al金属间化合物基复合材料，所制备的Ni3Al金属间化合物基复合材料的力学性能将高于单相的Ni3Al合金材料。所以制备Ni3Al金属间化合物基复合材料成为Ni-Al金属间化合物的主要研究发展方向。该文主要讲述Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺和性能以及研究发展情况等。该文详细的讲述Ni3Al金属间化合物的制备工艺，力学性能和其他性能以及研究发展现状等，并介绍了Ni3Al金属间化合物材料在工程领域中的应用。并介绍了Ni3Al金属间化合物材料的研究发展趋势和研究发展方向。

1 Ni3Al金属间化合物材料的概述和研究发展现状

Ni3Al金属间化合物研究和开发较为广泛。镍铝金属间化合物具有很多优异的性能，如高的屈服强度和拉伸强度，低密度，高熔点，优良的力学性能和耐高温性能，Ni3Al金属间化合物被看作是高温结构材料[7]。Ni3Al金属间化合物材料由于具有良好的耐高温和抗氧化性能以及耐磨损性能优良而被广泛应用于工程领域中[8]。Ni-Al金属间化合物材料的主要研究对象有Ni3Al金属间化合物材料和NiAl金属间化合物材料。但常规镍铝金属间化合物韧性低，容易产生沿晶脆断，所以提高金属韧性成了有待解决的问题。Ni3Al金属间化合物具有较高的高温强度，蠕变抗力和高的比强度。并促使Ni3Al金属间化合物的研究应用得以很大的发展。Ni3Al金属间化合物材料具有高熔点，低密度和良好的抗氧化性能，但是在室温下塑性差和高温时强度低限制了其作为工程材料的应用，通过对Ni3Al基金属间化合物的合金化制备及力学性能的研究，以期改善Ni3Al基金属合金的室温塑性和高温强度。Ni3Al基合金具有抗氧化性能好，密度小，强度高和韧性高等优点可以作为一种高温结构材料[9]。Ni3Al金属间化合物是L12型面心立方结构，Ni3Al金属间化合物的熔点为1395 ℃。室温下Ni3Al金属间化合物的弹性模量和Ni的相当。Ni3Al金属间化合物单晶可塑，多晶在室温下易发生沿晶脆断。因此Ni3Al基高温合金的研究和开发一直是受到研究者的关注。Ni3Al金属间化合物由于具有优秀的性能而被广泛的应用于工程领域中[10]。Ni-Al金属间化合物材料主要包括Ni3Al金属间化合物和NiAl金属间化合物。Ni3Al金属间化合物材料已经用于实际工业领域中。Ni3Al金属间化合物材料具有强度高，韧性高，耐磨损，抗高温氧化，抗腐蚀性能好等优点，并且Ni3Al金属间化合物的高温强度随温度的升高而升高。Ni3Al金属间化合物具有高熔点，低密度，较高的强度和较高的韧性，具有较高的杨氏模量，较高的热导性和良好的抗氧化性能，具有独特的高温强度和高温抗氧化性能。Ni3Al金属间化合物具有较高的加工硬化率和较特殊的高温性能，因而被广泛认为是下一代高温结构材料和高温耐磨损材料。Ni3Al金属间化合物具有高强度和高韧性以及具有优良的抗氧化性能，具有密度小，具有高弹性模量以及高硬度和良好的耐磨损性能，在室温到较高温度范围内，均有较高的屈服强度和塑性，可作为高温用结构材料[11]。目前开发出Ni3Al金属间化合物材料的性能，在强度和韧性以及机械性能上比Ni基合金提高的幅度比较有限。为了充分改善和提高Ni3Al金属间化合物材料的力学性能，向Ni3Al金属间化合物基体中加入细小的颗粒，连续纤维，短纤维，以及加入晶须材料作为增强增韧相形成Ni3Al金属间化合物基复合材料。Ni3Al金属间化合物材料具有高熔点，低密度，高强度和高韧性，具有较高的耐磨损性能和抗高温氧化性能等优秀的性能而被广泛的应用在工程领域中。Ni3Al金属间化合物可以作为高温合金材料应用到耐高温工程领域中。Ni3Al金属间化合物材料的研究发展方向是制备细小颗粒或短纤维增强增韧的Ni3Al金属间化合物基复合材料，通过颗粒增强或者短纤维复合增强增韧可以显著提高Ni3Al金属间化合物材料的力学性能和耐磨损性能以及耐高温性能等。

2 Ni3Al金属间化合物材料的性能特点和研究发展现状

Ni3Al金属间化合物是在Ni元素和Al元素的摩尔比例为3∶1所形成的化合物，Ni3Al金属间化合物的晶体结构为L12型。Ni3Al金属间化合物的熔点为1395 ℃。Ni3Al金属间化合物材料的密度为7.50 g/cm3，Ni3Al金属间化合物的弹性模量为180 GPa。Ni3Al金属间化合物在接近其熔点时能保持长程有序。长程有序是金属间化合物的长程有序将导致金属间化合物具有很多优秀的性能。Ni3Al金属间化合物具有熔点高，抗高温氧化性能好，高温强度，高温韧性高，蠕变抗力大和比强度大等特点[12]。机械合金化工艺可以作为制备金属间化合物材料的主要制备工艺。机械合金化作为一种材料加工工艺也成为人们用来改善金属间化合物脆性的手段。采用机械合金化工艺成为Ni3Al金属间化合物的制备工艺。可以采用机械合金化工艺制备Ni3Al金属间化合物材料[13]。采用机械合金化工艺可以制备出Ni3Al金属间化合物粉末。将Ni元素粉末和Al元素粉末按照摩尔比例为3∶1的比例进行混合并通过机械合金化工艺经过长时间的机械球磨工艺就可以得到成分均匀的Ni3Al金属间化合物粉末。将由机械合金化工艺得到的Ni3Al金属间化合物通过热压烧结工艺制备出Ni3Al金属间化合物块材。从而通过机械合金化工艺和热压烧结工艺制备出性能优良的Ni3Al金属间化合物材料。

3 Ni3Al金属间化合物材料的制备技术及其制备过程

采用粉末冶金工艺方法可以制备Ni3Al金属间化合物块材。可以采用机械合金化工艺结合热压烧结工艺等粉末冶金工艺能制备具有优良性能的Ni3Al金属间化合物块材[14]。近年来应用于Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺方法主要有反应合成方法，包括反应热压烧结，反应烧结，反应热等静压。这些粉末冶金技术具有工艺简单以及反应速度快等优点。Ni3Al金属间化合物的制备方法主要有真空感应熔炼法和粉末冶金等[15]。近年来发展很快的制备方法主要为粉末冶金法。粉末冶金方法制备Ni3Al金属间化合物有很多种制备工艺方法，其中包括热压烧结工艺，常压烧结工艺，放电等离子烧结工艺，热等静压烧结工艺，反应烧结制备工艺等。采用粉末冶金工艺制备Ni3Al金属间化合物的制备工艺如下：首先采用机械合金化工艺制备出Ni3Al金属间化合物粉末，首先将Ni粉末和Al粉末按照摩尔比例为3：1的比例进行机械球磨工艺，球磨时间较长。经过机械合金化工艺得到的成分均匀的Ni3Al金属间化合物粉末，然后将此Ni3Al金属间化合物粉末进行热压烧结工艺制备Ni3Al金属间化合物块材。也可以通过常压烧结工艺制备出Ni3Al金属间化合物块材。也可以通过放电等离子烧结工艺制备出Ni3Al金属间化合物块材。还可以通过热等静压烧结工艺制备出Ni3Al金属间化合物块材。通过粉末冶金工艺制备的Ni3Al金属间化合物材料具有优良的力学性能。

4 结论

Ni3Al金属间化合物由于具有优秀的性能被应用在工程领域中。本文讲述Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺，力学性能以及其他性能和研究发展现状等。本文主要讲述Ni3Al金属间化合物材料及其复合材料的制备工艺，力学性能以及研究发展现状等，并介绍Ni3Al金属间化合物在工程领域中的应用。并对Ni3Al金属间化合物未来的研究发展趋势进行分析和预测。Ni3Al金属间化合物将来的研究发展趋势是改进制备工艺，开发新型的制备技术，可以制备出具有高性能的Ni3Al金属间化合物材料；制备和开发Ni3Al金属间化合物基复合材料，将颗粒和纤维等引入到Ni3Al金属间化合物中形成复合材料，可以显著提高Ni3Al合金的力学性能。Ni3Al金属间化合物由于具有许多优秀的性能将在工程领域得到广泛的应用。

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