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铝化镍

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铝化镍
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。

铝化镍（Nickel aluminide）指铝与镍以任何比例组成的所有化合物，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] 。

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、熔点高。 [2]这些特性使它们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，但其晶体结构为单晶而非多晶时可以具有延展性[3]。另外，将金刚石嵌入铝化镍底基中可以制造非常耐磨的材料[4]。

Ni3Al

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多晶体Ni3Al基合金的主要问题是室温和高温下的脆性，通常归因于排差无法在高度有序的晶格中移动[5]，大大减少了Ni3Al合金的应用可能性。1990年，有研究显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]。解决Ni3Al的脆性问题后，学术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'沉淀物可以强化合金。γ'沉淀物在NiAl3基合金中的体积百分浓度非常高（达80%）[7]，使研究人员对其在合金生命周期中的变化非常感兴趣。研究重点之一是这些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，此趋势几乎无法永久或长期避免[7]，当前的研究试图透过添加其他元素来减缓这个问题。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℃下持续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＂钉住＂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

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NiAl有两个主要缺陷：低温时（<330°C）非常脆，且在高温（＞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]这些缺点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，如钛和铪[10]。
  • 形成假二元共晶的元素，如铬[10]
  • 在NiAl中具有高溶解度的元素，如铁、钴和铜[10]

在这些元素中，铁、钴和铬已经被证明更有效，由于γ相的形成改变了β相晶粒，使它们极大地提高了室温延展性和热加工性。[11]铁、镓和钼的合金也已被证明可以显着提高室温延展性。[12]添加铬、钨和钼等难熔金属，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

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IC-221M是一种Ni3Al合金，由Ni3Al、硼和铬、钼、锆等金属结合而成。添加硼可以有效改变合金的晶界化学性质并促进晶粒细化，进而增加延展性。该材料的霍尔-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℃时呈现上升。

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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

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参考

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Kurbatkina, Victoria V., Borovinskaya, Inna P.; Gromov, Alexander A.; Levashov, Evgeny A.; Maksimov, Yuri M. , 编, Nickel Aluminides, 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. ^ 2.0 2.1 Dey, G. K. Physical metallurgy of nickel aluminides. Sadhana. 2003-02-01, 28 (1): 247–262. ISSN 0973-7677. doi:10.1007/BF02717135 （英语）. 
  3. ^ Pope, D. P.; Ezz, S. S. Mechanical properties of Ni3AI and nickel-base alloys with high volume fraction of γ'. International Metals Reviews. 1984-01-01, 29 (1): 136–167. ISSN 0308-4590. doi:10.1179/imtr.1984.29.1.136. 
  4. ^ Scientists Develop Nickel Aluminide Composite Material that Can Cut Through Cast Iron and Granite. [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. Effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Ni3Al-based superalloys: A review. 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. Ductilization of L12 Intermetallic Compound Ni3Al by Microalloying with Boron. 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. ^ 7.0 7.1 7.2 Wu, Yuting; Liu, Yongchang; Li, Chong; Xia, Xingchuan; Wu, Jing; Li, Huijun. Coarsening behavior of γ′ precipitates in the γ'+γ area of a Ni3Al-based alloy. 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. ^ 8.0 8.1 Wu, Jing; Li, Chong; Wu, Yuting; Huang, Yuan; Xia, Xingchuan; Liu, Yongchang. Creep behaviors of multiphase Ni3Al-based intermetallic alloy after 1000°C-1000h long-term aging at intermediate temperatures. 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. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. 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. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. 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. Ductility enhancement in NiAl (B2)-base alloys by microstructural control. Metallurgical Transactions A. 1991-02-01, 22 (2): 441–446. ISSN 1543-1940. doi:10.1007/BF02656811 （英语）. 
  12. ^ Darolia, Ram. NiAl alloys for high-temperature structural applications. JOM. 1991-03-01, 43 (3): 44–49. ISSN 1543-1851. doi:10.1007/BF03220163 （英语）. 
  13. ^ 13.0 13.1 Khomutov, M.; Potapkin, P.; Cheverikin, V.; Petrovskiy, P.; Travyanov, A.; Logachev, I.; Sova, A.; Smurov, I. Effect of hot isostatic pressing on structure and properties of intermetallic NiAl–Cr–Mo alloy produced by selective laser melting. 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. Effect of boron on grain-boundaries in Ni3Al. 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. Exotic Alloy Finds Niche. Nickel magazine. April 2003 [2006-12-19]. （原始内容存档于2011-09-30）. 
  16. ^ 16.0 16.1 Dey, G. K. Physical Metallurgy of Nickel Aluminides (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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